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行业专项成果综述-高精度电化学反应臭氧探空仪样机研制和对比试验

发布者:张岳   来源:   发布时间:2019/12/20 15:55:04   标签:   浏览次数:5935

项目编号GYHY201106041

研究周期2011年1月2013年12月

国拨经费251万元

项目负责人宣越健

项目骨干成员郑向东 邢毅 潘毅 张金强 林伟立 刘明远 万晓伟 田宏民

项目承担单位中国科学院大气物理研究所

项目协作单位中国气象科学研究院,江西省气象科学研究所,中国气象局气象探测中心

主要研究成果

本项目完成了一套完整的、具有自主知识产权的双池电化学大气臭氧探空系统的研究开发。该系统包括臭氧探空仪主体、施放现场标定检测装置以及信号传输、接收和数据采集、处理、显示的硬、软件。为使操作更规范,项目组同时还完成了《臭氧探空施放地面检测流程》的编制、完善,为该项探测的业务化奠定了基础。为使测量更准确,项目还进行了泵效检测装置的研制,通过获得的泵效系数,对大气臭氧测量结果进行订正。

通过与目前国际上广泛应用的ECC型臭氧探空仪进行同球比对及与地面Brewer臭氧总量测量比对,结果显示,自行研制的臭氧探空仪完全满足中国气象局《臭氧探空系统功能需求书》(草案)中的要求,其性能指标不低于进口设备,远优于设计指标。自行研制的臭氧探空仪地面准备过程较之进口设备操作更具程式化,对施放人员的要求更低,更有利于业务的开展。

本项目的特色和创新点在于:

一、研制的双池型臭氧传感器性能可靠,目前国内尚未开展这种双池型臭氧传感器的研制工作;

二、研制的臭氧探空系统具有自主知识产权、稳定性高,目前国内尚无这种臭氧探空系统;

三、研制的大气臭氧探空系统能在国内批量生产,能满足我国大气臭氧探空业务、环境监测和相应的大气物理研究科研项目的需求。

项目解决的关键技术如下:

一、传感器和反应池间的离子桥研制

传感器由两个半池构成,两个半池都装有铂网电极,浸没在两个不同浓度的KI溶液中;离子桥是连接两个分别充当阴极室和阳极室的电化学反应池的桥梁,它提供氧化还原反应的离子路径并阻止阴极和阳极电解液的混合。离子桥的研制对系统的背景电流和测量响应时间起着关键的作用,是臭氧传感器的核心部件。项目组与中科院长春应用化学研究所合作,对离子桥的材料、存在形态及加工工艺等方面进行全面的探索。在通过对不同离子桥材料的测试及化学反应池加工、传感器装配工艺比较的基础上,充分考虑批量生产的难易程度,在较短时间内完成了臭氧测量传感器的研制工作。通过后期的逐步改进,尽可能的降低了系统本底背景信号,减小了对臭氧变化的响应时间,提高了探测精度和分辨率。原设计指标为背景电流≤0.2uA、响应时间≤35s,实际达到背景电流≤0.05uA,响应时间≤30s,远优于设计指标。

二、微型抽气泵研制

微型抽气泵在高空低温、低压环境下的进气效率决定了系统在对流层上部及平流层和平流层以上部分大气中测量的可靠程度。进气效率的高低和稳定取决于泵的设计合理性和加工工艺的可靠性及加工精度。项目组与江苏省无线电科学研究所合作,在原有的微型抽气泵基础上对设计进行了优化。通过对泵体材料及耐磨添加剂的筛选以及加工、装配工艺不断改进,研制出了新型的微型抽气泵,实际达到指标如下:流量:200ml/min、泵真空:<-700hPa、泵压力:>700hPa、电机功率:<12V/80mA,优于设计指标(流量:200ml/min、泵真空:<670hPa、泵压力:>670hPa 、电机功率:<12V/110mA),使泵在高空效率更高,测量更准确。

三、泵效测试装置的研制和泵效系数的测试

微型抽气泵在高空的泵效直接影响探空仪的测量准确性,因此,泵效的测定以及利用泵效系数对探测结果的订正是一件十分重要的工作。项目组与中国环境科学院合作,研制出一台从环境气压到5百帕连续可控的低压舱,可将微型抽气泵放入其中进行不同气压下泵效的检测。泵效检测采用皂膜流量计来实施。通过不同气压下泵入100ml气体所用时间与1000百帕时的用时之比来确定泵在不同气压下的效率。由于在低压环境下起膜困难,项目组对不同类型和配比的皂液进行了筛选,并通过摄像方式来进行时间测量,最终达成泵效检测的目的。通过对大量泵的测试,获得了自行研制泵的泵效均值,并对原始探测结果进行了订正,获得了满意的效果。

成果应用情况

项目从执行初期便与具备气象仪器生产资质的相关厂家开展了合作,在执行过程中不断进行设计的改进和生产工艺的完善,并配置了相关的加工、装配和测量设备,制定了相应的装配操作和产品质量检测规范。目前,该企业已具备了大气臭氧探空仪及施放现场臭氧探空仪标定检测装置批量生产能力。在按预定计划成功研制出大气臭氧探空仪后,项目组将其与目前国际上广泛应用的ECC型臭氧探空仪之间进行了多次同球比对试验,同时也将试验结果与Brewer总量测量结果进行了比较。结果表明,自行研制的大气臭氧探空仪总体性能不低于进口设备,完全可以替代。在此基础上,项目组协同中国气象局完成了《臭氧探空系统功能需求书》的编写,完善了《臭氧探空施放地面检测流程》的编制,并于2013年6月将自行研制的臭氧探空系统运用于应用于973“平流层大气基本过程及其在东亚气候与天气变化中的作用”及中国科学院战略性先导科技专项(B类)“大气灰霾追因与控制”项目,获取了高质量的数据,为科研项目的完成做出了贡献;同时项目组坚持每周一次北京南苑观象台的施放,积累基础数据,也为该项探测的业务化积累宝贵的经验。2013年底,项目组在广东阳江开展了第二次比对施放,同样进行与ECC的同球比对、与地面测量的总量比对,并对IAP臭氧探空仪的一致性进行了检验,试验取得了满意的效果。2013年使用国产的大气臭氧探空仪共进行了120次左右的臭氧探空施放,成功率达98%,超过了同类进口设备的施放成功率。2013年至2019年,项目共进行了450次左右的实际施放,取得了大量的宝贵数据资料。

 

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