适用于系留飞艇的大气气溶胶除湿保温采样系统及采样方法与流程

本发明涉及气象学中的大气环境垂直监测，尤其是一种适用于系留飞艇的大气气溶胶除湿保温采样系统及采样方法。

背景技术：

1、边界层气象/大气观测数据质量领域中，系留飞艇作为边界层大气垂直探测的重要平台，常搭载高精密的大气探测仪器，以获取各种气溶胶理化特性的垂直廓线。

2、此类仪器对进样气流的温湿度状态极为敏感，飞艇升空后采样管路会直接暴露于低温、高湿的环境中，尤其在冬季。环境湿度过高会导致气溶胶吸湿变大，影响测量结果的准确性。此外，湿润冷空气也会对仪器内部的电路系统造成电路短路等损害。

3、现有技术中，为了解决上述湿冷环境造成的问题，已经提出了采用水循环冷凝回路除湿的技术手段，或采用加热干燥采样管的技术手段解决问题；但现有技术多为针对地面环境监测工况，未考虑系留飞艇的高空特殊工况，无法将现有技术直接移植用于高空垂直观测采样。即现有技术难以满足垂直观测中采样管路长期稳定、低功耗的干燥保温的实际需求。

技术实现思路

1、本申请人针对上述现有生产技术中的缺点，提供一种适用于系留飞艇的大气气溶胶除湿保温采样系统及采样方法，从而以降低高空低温、高湿条件下采样管路发生结露、结霜和堵塞的风险，同时减少外部吹扫设备对系留飞艇载荷和功耗的占用。

2、本发明所采用的技术方案如下：

3、一种适用于系留飞艇的大气气溶胶除湿保温采样系统，包括沿样气流动方向依次连通的第一采样管路、干燥单元和第二采样管路，第一采样管路设置有第一加热组件，第二采样管路设置有第二加热组件；

4、干燥单元的结构为：包括外壳、设置于外壳内的水汽选择透过管以及设置于外壳与水汽选择透过管之间的吸水颗粒，水汽选择透过管的内腔构成连通第一采样管路和第二采样管路的样气通道，吸水颗粒用于吸附由样气通道经水汽选择透过管的管壁迁移至水汽选择透过管外侧的水分，以使水汽选择透过管外侧的水汽分压低于内侧的水汽分压；

5、还包括第一温湿度传感器、第二温湿度传感器、工控机和固态继电器，工控机分别与第一温湿度传感器、所述第二温湿度传感器及固态继电器连接，第一加热组件和第二加热组件均与固态继电器连接；工控机被配置为根据检测得到的样气温度和相对湿度确定露点温度，并根据样气温度与露点温度的差值，通过固态继电器控制第一加热组件和第二加热组件同步启停。

6、作为上述技术方案的进一步改进：

7、第一加热组件的结构为：包括第一加热丝、包覆于第一采样管路外壁的第一碳纤维布以及与第一加热丝连接的第一加热丝电源线，第一加热丝设置于第一碳纤维布中；第二加热组件的结构为：包括第二加热丝、包覆于第二采样管路外壁的第二碳纤维布以及与第二加热丝连接的第二加热丝电源线，第二加热丝设置于第二碳纤维布中。

8、水汽选择透过管为nafion干燥管，nafion干燥管与外壳同轴设置，吸水颗粒填充于nafion干燥管与外壳之间的环形空间。

9、外壳仅具有供样气通道穿过的开口，外壳除所述开口外为密闭结构，水汽选择透过管的两端分别经所述开口伸出外壳。

10、吸水颗粒为吸水后发生颜色变化的硅胶颗粒，外壳设置为能够观察吸水颗粒的颜色。

11、水汽选择透过管的两端分别通过密封卡套与第一采样管路和第二采样管路密封连通。

12、第一温湿度传感器设置于第一采样管路的样气进口端，第二温湿度传感器设置于第二采样管路的样气出口端，第一温湿度传感器和第二温湿度传感器的检测端均伸入对应采样管路的内腔。

13、一种适用于系留飞艇的大气气溶胶除湿保温采样系统的采样方法，包括以下步骤：

14、使大气气溶胶样气依次流经第一采样管路、干燥单元和第二采样管路；

15、利用第一加热组件对进入干燥单元前的样气进行加热；

16、利用吸水颗粒吸附透过水汽选择透过管管壁的水分，使水汽选择透过管外侧的水汽分压低于内侧的水汽分压，以脱除流经水汽选择透过管内腔的样气中的水分；

17、利用第二加热组件对干燥后的样气进行加热和保温，并将处理后的样气输送至气溶胶检测单元；

18、工控机根据第一温湿度传感器和第二温湿度传感器的检测数据，通过同一个固态继电器控制第一加热组件和第二加热组件同步启停。

19、作为上述技术方案的进一步改进：

20、工控机根据温度和相对湿度计算露点温度；当任一温湿度传感器所对应的样气温度与露点温度之差小于或等于第一预设温差时，控制固态继电器接通，以使第一加热组件和第二加热组件同步启动；当两个温湿度传感器所对应的样气温度与露点温度之差均大于或等于第二预设温差时，控制固态继电器断开，以使第一加热组件和所述第二加热组件同步停止，第二预设温差大于第一预设温差。

21、当检测温度达到安全温度上限，或者连续加热达到预设时长而仍未达到停止加热条件时，工控机控制固态继电器断开；在连续加热达到预设时长而仍未达到停止加热条件时，工控机还生成故障信息。

22、本发明的有益效果如下：

23、（1）水汽选择透过管内腔构成样气通道，管外设置吸水颗粒。吸水颗粒持续吸附跨膜迁移的水分，使管外侧保持较低水汽分压，因而无需另外设置干燥吹扫气源、气泵和吹扫管路，从结构上省去吹扫气路组件，减轻系统重量并降低功耗，适配系留飞艇有限载荷和供电条件。

24、（2）前置加热组件对进入干燥单元前的样气及管路进行加热，使样气温度高于其露点温度，避免干燥单元入口前发生结露或结霜堵塞气路；同时适度升温可提升水汽选择透过管的透水速率，增强除湿效率。后置加热组件对除湿后的样气进行加热和保温，使样气在输送至检测单元的全路径中温度始终高于露点温度，避免二次结露。前后两段加热与干燥单元配合，形成完整的预加热—除湿—保温协同处理路径，降低采样过程中结露、结霜和堵塞的风险。

25、（3）工控机以样气温度与露点温度之差作为控制基准，通过同一个固态继电器同步控制两段加热组件的启停，使加热操作仅在存在结露风险时按需投入，避免持续满功率加热，降低系统平均功耗；同时两段加热组件同步启停，简化了控制逻辑，减少了继电器数量和控制线路，进一步降低系统重量和控制复杂度。

26、（4）样气在除湿过程中始终沿水汽选择透过管的内腔输送，水分以分子形态跨膜迁移至管外，样气中的气溶胶颗粒因尺寸远大于膜管孔径而被完全阻隔在管腔内，不会随水分流失；同时样气不与吸水颗粒直接接触，避免了颗粒状干燥剂可能引入的颗粒污染或气溶胶截留，保证了气溶胶粒径和浓度测量数据的保真度。

27、（5）优选地，采用nafion干燥管与硅胶吸水颗粒组合的除湿结构，吸水颗粒吸水后可变色以便观察更换；在连续10日的运行验证中，干燥单元出口处的样气相对湿度分钟值均不超过24%，验证了所述无吹扫除湿方案在长期运行中的除湿稳定性，适合系留飞艇高空无人值守工况。

1.一种适用于系留飞艇的大气气溶胶除湿保温采样系统，其特征在于：包括沿样气流动方向依次连通的第一采样管路（1）、干燥单元和第二采样管路（11），第一采样管路（1）设置有第一加热组件，第二采样管路（11）设置有第二加热组件；

2.如权利要求1所述的适用于系留飞艇的大气气溶胶除湿保温采样系统，其特征在于：第一加热组件的结构为：包括第一加热丝（3）、包覆于第一采样管路（1）外壁的第一碳纤维布（2）以及与第一加热丝（3）连接的第一加热丝电源线（4），第一加热丝（3）设置于第一碳纤维布（2）中；第二加热组件的结构为：包括第二加热丝（9）、包覆于第二采样管路（11）外壁的第二碳纤维布（8）以及与第二加热丝（9）连接的第二加热丝电源线（10），第二加热丝（9）设置于第二碳纤维布（8）中。

3.如权利要求1所述的适用于系留飞艇的大气气溶胶除湿保温采样系统，其特征在于：水汽选择透过管为nafion干燥管（6），nafion干燥管（6）与外壳（5）同轴设置，吸水颗粒（7）填充于nafion干燥管（6）与外壳（5）之间的环形空间。

4.如权利要求1或3所述的适用于系留飞艇的大气气溶胶除湿保温采样系统，其特征在于：外壳（5）仅具有供样气通道穿过的开口，外壳（5）除所述开口外为密闭结构，水汽选择透过管的两端分别经所述开口伸出外壳（5）。

5.如权利要求1所述的适用于系留飞艇的大气气溶胶除湿保温采样系统，其特征在于：吸水颗粒（7）为吸水后发生颜色变化的硅胶颗粒，外壳（5）设置为能够观察吸水颗粒（7）的颜色。

6.如权利要求1所述的适用于系留飞艇的大气气溶胶除湿保温采样系统，其特征在于：水汽选择透过管的两端分别通过密封卡套与第一采样管路（1）和第二采样管路（11）密封连通。

7.如权利要求1所述的适用于系留飞艇的大气气溶胶除湿保温采样系统，其特征在于：第一温湿度传感器（15）设置于第一采样管路（1）的样气进口端，第二温湿度传感器（17）设置于第二采样管路（11）的样气出口端，第一温湿度传感器（15）和第二温湿度传感器（17）的检测端均伸入对应采样管路的内腔。

8.一种利用权利要求1至7中任一项所述适用于系留飞艇的大气气溶胶除湿保温采样系统的采样方法，其特征在于，包括以下步骤：

9.如权利要求8所述的采样方法，其特征在于：工控机（14）根据温度和相对湿度计算露点温度；当任一温湿度传感器所对应的样气温度与露点温度之差小于或等于第一预设温差时，控制固态继电器（12）接通，以使第一加热组件和第二加热组件同步启动；当两个温湿度传感器所对应的样气温度与露点温度之差均大于或等于第二预设温差时，控制固态继电器（12）断开，以使第一加热组件和第二加热组件同步停止，第二预设温差大于第一预设温差。

10.如权利要求9所述的采样方法，其特征在于：当检测温度达到安全温度上限，或者连续加热达到预设时长而仍未达到停止加热条件时，工控机（14）控制固态继电器（12）断开；在连续加热达到预设时长而仍未达到停止加热条件时，工控机（14）还生成故障信息。