專利名稱：可控校正大氣水氫氧穩(wěn)定同位素比率、梯度及其垂直分餾過程測(cè)量的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及大氣學(xué)和水同位素學(xué)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，尤其是一種便攜式大氣水δ 18O和SD同位素比率、梯度及其垂直分餾過程測(cè)試的裝置。
背景技術(shù)：
由于穩(wěn)定同位素的特殊存在方式和其 物理化學(xué)變化過程，H2180、HD160和H216O已經(jīng)成為地球大氣圈、水圈、冰凍圈、生物圈等幾個(gè)圈層中水循環(huán)的最佳示蹤劑，是涉及到大氣學(xué)、水文學(xué)和氣候?qū)W等多種學(xué)科的重要研究工具。在科學(xué)研究中，同位素通常定義成δ值
來表示
δ = -1)X IOOO^ (I)其中R是待定樣品中180/160或D/Η摩爾比，Rstd是標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的180/160或D/Η摩爾t匕·通常采用維也納標(biāo)準(zhǔn)平均海水的180/180或D/Η摩爾比(VSMOW :Vienna Standard MeanOcean Water)或者南極標(biāo)準(zhǔn)輕降水(SLAP Standard Light Antarctic Precipitation)作為標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，其中VSMOW的180/180摩爾比為O. 0020052, D/Η的摩爾比為O. 00015575 ；SLAP的 180/180 摩爾比為 O. 0018939，D/Η 的摩爾比為 O. 00015575，D/Η 的摩爾比為 O. 000089089。以S表示的同位素比率單位是千分之一(％。)。以往對(duì)氫氧穩(wěn)定同位素的研究主要是針對(duì)液態(tài)水和固態(tài)水，其中一個(gè)主要原因是液態(tài)水和固態(tài)水的穩(wěn)定性較強(qiáng)，易采集和保存。與這兩個(gè)形態(tài)相比，氣態(tài)氫氧穩(wěn)定同位素比率的觀測(cè)雖可以在不同季節(jié)和天氣條件下進(jìn)行，可提供更多的關(guān)于大氣學(xué)、水文學(xué)和穩(wěn)定同位素分餾過程等多方面的信息。但其樣品的收集和測(cè)量甚為復(fù)雜。大氣水汽中δ 18O和δ D的研究幾乎都依靠大氣水汽冷阱收集-同位素質(zhì)譜儀分析(Cold trap-Mass spectrometer method)聯(lián)合實(shí)現(xiàn),包括兩個(gè)獨(dú)立的步驟樣品收集和樣品分析。而這兩個(gè)步驟都非常耗時(shí)耗力，且對(duì)自然條件要求非常高。第一，利用冷阱技術(shù)收集大氣水汽，其收集時(shí)間和大氣濕度有反比關(guān)系，且很難達(dá)到100%的收集效率；由于分餾效應(yīng)的存在，所得樣品的氫氧穩(wěn)定同位素比率比實(shí)際值低。固然可以使用瑞利分餾方程輸入濕度、冷阱溫度等參數(shù)進(jìn)行校正，但其誤差不可避免(若冷阱裝置溫度過低，目前無科學(xué)的校正方法)。第二，使用同位素質(zhì)譜儀進(jìn)行分析時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生誤差，如使用FinniganMAT 252 Isotope Ratio Mass Spectrometer (IRMS)分析南極現(xiàn)代降水的誤差一般 δ 18O在0. 15%。和δ 在1%。左右。所以，由于目前采樣和分析技術(shù)的限制，對(duì)于大氣水汽氫氧穩(wěn)定同位素比率的研究，大都局限于粗空間和時(shí)間分辨率的條件。而對(duì)于海洋-大氣邊界層上的同位素分餾過程，也都集中于理論實(shí)驗(yàn)和物理過程的模擬。最近幾年，穩(wěn)定同位素紅外光譜(IRIS)技術(shù)逐步發(fā)展起來，并應(yīng)用到δ180和SD相關(guān)研究之中。目前，主要有三種商業(yè)化的同位素測(cè)量?jī)x器可以用來測(cè)量大氣水汽中的δ180和δ D,包括波長(zhǎng)掃描光腔衰蕩光譜儀(Wavelength-Scanned Cavity Ring DownSpectroscopy, WS-CRDS, Picarro Inc.)、調(diào)制式半導(dǎo)體激光吸收光譜儀(Tunable DiodeLaser Absorption Spectroscopy, TDLAS, Campbell Scientific Inc.)和離軸積分腔輸出光譜儀(Off-Axis Integrated Cavityoutput Spectroscopy, OA-1 COS, Los GatosResearch Inc.)。但是，這些儀器受到工作環(huán)境和儀器自身變化的影響，具有較大的隨機(jī)誤差，即具有恒定氫氧穩(wěn)定同位素比率的水汽，在測(cè)試時(shí)表現(xiàn)為不同的數(shù)值。目前還沒有商業(yè)化的裝置和方法對(duì)大氣水汽S 18O和SD同位素紅外光譜儀的測(cè)量精度進(jìn)行客觀評(píng)價(jià)，尤其是便攜式觀測(cè)的校正更是難中之難。
因此，研制一種測(cè)量的裝置，通過模擬野外自然移動(dòng)條件下水汽穩(wěn)定同位素比率、梯度，實(shí)現(xiàn)水汽中S 18O和SD梯度和分餾過程的觀測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、實(shí)地、大范圍、便攜、低能耗等條件下，對(duì)大氣水汽S 18O和SD同位素的測(cè)量與評(píng)價(jià)有十分重要的科學(xué)意義。

發(fā)明內(nèi)容
為科學(xué)評(píng)價(jià)大氣水汽δ 18O和δ D同位素比率梯度和通量的觀測(cè)精度并獲取高質(zhì)量數(shù)據(jù)，本發(fā)明的目的旨在提供一種可以快速、動(dòng)態(tài)、準(zhǔn)確、便于攜帶的、可控校正大氣水氫氧穩(wěn)定同位素比率、梯度及其垂直分餾過程測(cè)量的裝置。本發(fā)明的目的可通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)一種可控校正大氣水氫氧穩(wěn)定同位素比率、梯度及其垂直分餾過程測(cè)量的裝置，包括干空氣產(chǎn)生裝置、標(biāo)準(zhǔn)水汽分餾裝置、大氣水汽梯度進(jìn)樣裝置、水汽分析裝置、環(huán)境條件監(jiān)測(cè)控制裝置、氣象數(shù)據(jù)采集裝置和數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)，其特征在于a.干空氣產(chǎn)生裝置中，利用氣泵產(chǎn)生壓縮空氣，經(jīng)過銅管使空氣的溫度平衡至環(huán)境溫度，而后進(jìn)入可再生干燥器后產(chǎn)生干燥空氣，再進(jìn)入除水分子篩進(jìn)一步干燥，通過過第一過濾片后，再通過流量控制器使氣流平穩(wěn)輸出；b.標(biāo)準(zhǔn)水汽分餾裝置中，在氣液分餾瓶中分別注入了特定氫氧穩(wěn)定同位素比值的液態(tài)水；由脈沖控制閥開合控制，干燥空氣產(chǎn)生裝置產(chǎn)生的無水干空氣通過四通接口后進(jìn)入特定氣液分餾瓶，自底部產(chǎn)生氣泡并達(dá)到飽和狀態(tài)，產(chǎn)生飽和水汽；而后經(jīng)四通接口進(jìn)入水汽平衡監(jiān)測(cè)瓶?jī)?nèi)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)；并在此處監(jiān)測(cè)水汽濕度以控制其飽和狀態(tài)；此處產(chǎn)生的的氣體可作為標(biāo)定水汽，進(jìn)入水汽分析裝置分析；c.大氣水汽梯度進(jìn)樣裝置，外界大氣由大氣水汽樣品進(jìn)氣口進(jìn)入，過第二過濾片、而后進(jìn)入氣體緩沖瓶達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，進(jìn)入水汽分析裝置進(jìn)行分析。進(jìn)氣口選擇由脈沖控制閥控制；d.水汽分析裝置，由氣泵驅(qū)動(dòng)，水汽樣品/水汽標(biāo)準(zhǔn)由脈沖控制閥選擇，通過流量控制器以進(jìn)一步控制氣體流速，進(jìn)入水汽S18O和δ D同位素分析儀進(jìn)行分析；e.環(huán)境條件監(jiān)測(cè)裝置，由控制芯片接收溫濕度計(jì)和環(huán)境溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并根據(jù)需要向流量控制器發(fā)送命令以控制氣體流速，向環(huán)境溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)發(fā)送命令進(jìn)而調(diào)節(jié)熱電偶以調(diào)節(jié)環(huán)境溫度；控制芯片同時(shí)也控制脈沖控制閥的開關(guān)。環(huán)境溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)除進(jìn)氣部分第二過濾片、大氣水汽樣品進(jìn)氣口、氣體緩沖瓶之外的所有裝置的溫度；
f.氣象數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，由控制芯片接收溫濕度計(jì)的大氣監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并傳輸至便攜式筆記本中；g.數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)，在便攜式筆記本內(nèi)安裝分析儀器數(shù)據(jù)接收軟件PicairoTrace Gas Analyzer, vi以實(shí)時(shí)記錄水汽δ180和δ D同位素分析儀的測(cè)量數(shù)據(jù)；安裝或NILabview控制軟件以控制芯片的運(yùn)行，并通過控制芯片實(shí)時(shí)記錄由溫濕度計(jì)和環(huán)境溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)測(cè)量的環(huán)境數(shù)據(jù)，以及溫濕度計(jì)記錄的實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)大氣溫濕度數(shù)據(jù)。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)1、干燥空氣制造系統(tǒng)可產(chǎn)生水汽濃度約為5ppm的干空氣；首創(chuàng)了一種水汽δ 18O和SD標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)生及校正方法，控制并同時(shí)記錄實(shí)驗(yàn)條件，能精確控制標(biāo)準(zhǔn)氣體的誤差；自動(dòng)控制五路進(jìn)氣和三路標(biāo)準(zhǔn)氣，可使用線性擬合校正法控制分析精度，精度極高；各部分體積均非常小，可集成在一個(gè)便攜箱內(nèi)，便于野外測(cè)量，根據(jù)需要可隨運(yùn)輸工具測(cè)量。2、所有氣體管路都利用特氟龍材料制作連接。其對(duì)Η2180、HD16O和H216O均無吸附或交換作用，可保證同位素比率的準(zhǔn)確。3、本發(fā)明可用于各種野外條件下(含極端條件)大氣水汽氫氧穩(wěn)定同位素比率、梯度的測(cè)量，以及底層大氣水汽氫氧穩(wěn)定同位素垂直分餾過程的測(cè)量。


圖I是本發(fā)明示意圖，圖中粗實(shí)線框表示便攜保溫箱內(nèi)側(cè)安裝控溫系統(tǒng)。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明采用配件列表說明
權(quán)利要求
1.一種可控校正大氣水氫氧穩(wěn)定同位素比率、梯度及其垂直分餾過程測(cè)量的裝置，包括干空氣產(chǎn)生裝置、標(biāo)準(zhǔn)水汽分餾裝置、大氣水汽梯度進(jìn)樣裝置、水汽分析裝置、環(huán)境條件監(jiān)測(cè)控制裝置、氣象數(shù)據(jù)采集裝置和數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)，其特征在于 a.干空氣產(chǎn)生裝置中，利用氣泵(I)產(chǎn)生壓縮空氣，經(jīng)過銅管(2)使空氣的溫度平衡至環(huán)境溫度，而后進(jìn)入可再生干燥器(3)后產(chǎn)生干燥空氣，再進(jìn)入除水分子篩(4)進(jìn)一步干燥，通過第一過濾片(5)后，再通過流量控制器(6)使氣流平穩(wěn)輸出； b.標(biāo)準(zhǔn)水汽分餾裝置中，在氣液分餾瓶(8)中分別注入特定氫氧穩(wěn)定同位素比值的液態(tài)水；由脈沖控制閥(9)開合控制，干燥空氣產(chǎn)生裝置產(chǎn)生的無水干空氣通過四通接口(7)后進(jìn)入特定氣液分餾瓶(8)，自底部產(chǎn)生氣泡并達(dá)到飽和狀態(tài)，產(chǎn)生飽和水汽；而后經(jīng)四通接口(7)進(jìn)入水汽平衡監(jiān)測(cè)瓶(10)內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)；并在此處監(jiān)測(cè)水汽濕度以控制其飽和狀態(tài)；此處產(chǎn)生的的氣體可作為標(biāo)定水汽，進(jìn)入水汽分析裝置分； c.大氣水汽梯度進(jìn)樣裝置，外界大氣由大氣水汽樣品進(jìn)氣口(11)進(jìn)入，過第二過濾片(5')、而后進(jìn)入氣體緩沖瓶(12)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，進(jìn)入水汽分析裝置進(jìn)行分析；進(jìn)氣口選擇由脈沖控制閥(9)控制； d.水汽分析裝置，由氣泵(I)驅(qū)動(dòng)，水汽樣品/水汽標(biāo)準(zhǔn)由脈沖控制閥(9)選擇，通過流量控制器(6)以進(jìn)一步控制氣體流速，進(jìn)入水汽δ180和SD同位素分析儀(13)進(jìn)行分析； e.環(huán)境條件監(jiān)測(cè)裝置，由控制芯片(14)接收溫濕度計(jì)(15)和環(huán)境溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)(16)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并根據(jù)需要向流量控制器(6)發(fā)送命令以控制氣體流速，向環(huán)境溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)(16)發(fā)送命令進(jìn)而調(diào)節(jié)熱電偶(17)以調(diào)節(jié)環(huán)境溫度；控制芯片(14)同時(shí)也控制脈沖控制閥(9)的開關(guān)；環(huán)境溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)(16)調(diào)節(jié)除進(jìn)氣部分過濾片(5)、大氣水汽樣品進(jìn)氣口(11)、氣體緩沖瓶(12)之外的所有裝置的溫度； f.氣象數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，由控制芯片(14)接收溫濕度計(jì)(15)的大氣監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并傳輸至便攜式筆記本18中； g.數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)，在便攜式筆記本(18)內(nèi)安裝分析儀器數(shù)據(jù)接收軟件PicarroTrace Gas Analyzer, vi以實(shí)時(shí)記錄水汽δ 18O和SD同位素分析儀(13)的測(cè)量數(shù)據(jù)；安裝或NI Labview控制軟件以控制芯片14的運(yùn)行，并通過控制芯片(14)實(shí)時(shí)記錄由溫濕度計(jì)(15)和環(huán)境溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)(16)測(cè)量的環(huán)境數(shù)據(jù)，以及溫濕度計(jì)(15)記錄的實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)大氣溫濕度數(shù)據(jù)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種可控校正大氣水氫氧穩(wěn)定同位素比率、梯度及其垂直分餾過程測(cè)量的裝置，包括空氣產(chǎn)生裝置、標(biāo)準(zhǔn)水汽分餾裝置、大氣水汽梯度進(jìn)樣裝置、水汽分析裝置、環(huán)境條件監(jiān)測(cè)控制裝置、氣象數(shù)據(jù)采集裝置和數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)。本發(fā)明可以快速、動(dòng)態(tài)和準(zhǔn)確的測(cè)量野外自然條件下水汽中氫氧穩(wěn)定同位素比率、梯度及其分餾過程測(cè)量，并客觀評(píng)價(jià)并校正水汽δ18O和δD測(cè)量的精度，對(duì)大氣水汽δ18O和δD同位素的測(cè)量與評(píng)價(jià)有十分重要的科學(xué)意義。
文檔編號(hào)G01N1/28GK102621276SQ201210062160
公開日2012年8月1日 申請(qǐng)日期2012年3月9日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月9日
發(fā)明者丁明虎, 張人禾, 效存德, 朱國(guó)才, 柳景峰, 趙愛國(guó) 申請(qǐng)人:中國(guó)氣象科學(xué)研究院, 中國(guó)科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所