CN104297118B - 一种大气超细颗粒物数浓度测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大气超细颗粒物数浓度测量装置，包括大气气流通道、样气气流通道、壳气气流通道、进气装置、饱和溶液装置、冷凝装置、光学探测装置。本发明基于凝结核原理和光散射测量原理，即将壳气气流通过加热的饱和溶液蒸气，再与大气超细颗粒物气流混合，超细颗粒物通过冷凝装置后凝结长大，再利用光散射技术对凝结长大后的颗粒物进行测量，获得颗粒物的数浓度值。本发明设计的壳气气流能减少样气流颗粒物的损失并有效提高超细颗粒物凝结核效率。本发明装置结构紧凑小巧，适用性强，可对粒径范围在3nm—5μm之间的颗粒物计数浓度进行测量。

Description

一种大气超细颗粒物数浓度测量装置

技术领域

本发明涉及一种大气超细颗粒物数浓度测量装置，属于大气气溶胶监测技术领域。

背景技术

大气颗粒物对环境和人体健康有一定程度的危害，并且随着数浓度的增加、粒径的减小，大气颗粒物对人体健康的危害越大。流行病学和毒理学方法研究发现，大气超细颗粒物与人体呼吸系统、心血管系统的疾病和死亡有明显的相关性。研究者认为，大气颗粒物的数浓度和化学组成是影响人体健康的主要因素，而不是以前所认为的质量浓度。大气超细颗粒物数浓度高、粒径小，易在肺内沉积，同时其表面积较大，易吸附多种有害物质，在大气化学过程中起着十分重要的作用。其中，大气气溶胶颗粒物的数浓度和粒径分布信息是了解气溶胶对气候、大气能见度及人体健康影响的重要信息。传统的单机激光散射仪可以得到的最小检测限是0.1μm，最高检测限是3到10μm，已经无法满足超细颗粒物的检测要求，专利CN102890045A中提到的测量装置可以测量的颗粒物粒径范围为10nm—10μm，最小检测限只能到10nm，无法测量更小粒径的颗粒物，其采用大气颗粒物直接与饱和溶液蒸气直接混合，易造成颗粒物的扩散损失和影响凝结核效率，从而影响到测量的结果。因此，需要设计一种能够测量更小粒径的大气气溶胶颗粒物的测量装置。

发明内容

本发明的目的是：克服现有技术的不足，提供一种大气超细颗粒物数浓度测量装置，可以对粒径范围在3nm—5μm之间的颗粒物计数浓度进行测量。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：一种大气超细颗粒物数浓度测量装置，其特征在于包括：大气气流通道、样气气流通道、壳气气流通道、进气装置、饱和溶液装置、冷凝装置、光学探测装置；所述的进气装置包括大气进气装置、样气进气装置和壳气进气装置；所述的大气气流通道包括气泵和第一流量计；所述的壳气气流通道包括过滤器和第二流量计；所述样气气流通道包括第三流量计；所述的饱和溶液装置包括饱和工作溶液储存装置、废液储存装置、蒸气管道、金属块、加热棒、液位传感器；所述的光学探测装置包括激光二极管、准直透镜、柱面透镜、黑色遮挡体、凸透镜组和光电探测器；大气作为总气流通过大气气流通道的第一流量计进入大气进气装置分成两路气流，分别为壳气气流和样气气流，壳气气流进入壳气气流通道的第二流量计和过滤器进入饱和溶液装置，通过加热棒给金属块加热可使蒸气管道中由饱和工作溶液储存装置中吸收的饱和溶液气化为蒸气，蒸气沿着蒸气管道流动与壳气流混合后进入壳气进气装置，得到均匀分布的壳气气流；样气气流进入样气气流通道的第三流量计进入样气进气装置，得到均匀分布的样气气流；样气气流随着匀速稳定的壳气气流混合流动，混合气流进入冷凝装置，样气气流与壳气气流构成层流结构，保证样气气流在冷凝装置中心附近流动，并最大限度地减少超细颗粒物的扩散损失。进入冷凝装置后，壳气气流中的饱和蒸气遇冷变为过饱和，凝结在样气气流中的颗粒物表面使颗粒物迅速长大，长大后的颗粒物进入光学探测装置，获得颗粒物的数浓度值，冷凝的蒸气废液沿着壳气进气装置的内壁流入废液储存装置，液位传感器能及时提醒加注饱和工作溶液和清除废液。

进一步的，所述的大气进气装置包括一个带孔的圆环，所述的带孔的圆环安装在大气进气装置上，所述的带孔的圆环中间有一个孔，通过控制孔两端的压力比值来获得均匀稳定的气流。

进一步的，所述的气泵为高真空旋片泵，能使气流维持在一个稳定的流量，流量为0.3L/min。

进一步的，所述的饱和工作溶液储存装置和废液储存装置均为聚四氟乙烯材质，能够抗任何种类的化学腐蚀。

进一步的，所述的蒸气管道为透气钢材质，能够吸收饱和工作液溶液。

进一步的，所述的第一液位传感器和第二液位传感器均为光电式液位传感器。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

(1)本发明能测量超细颗粒物的数浓度最小粒径检测限是3nm。

(2)本发明采用壳气气流包裹含有颗粒物的样气流，保证样气气流在冷凝装置的中心附近流动，不仅能减少样气中超细颗粒物的扩散损失而且可以增加颗粒物凝结核效率。

(3)本发明采用高真空旋片泵，能使气流维持在一个稳定的流量。

附图说明

图1为本发明结构组成框图；

图2为本发明结构装配示意图；1为第一液位传感器，2为废液储存装置，3为饱和工作溶液储存装置，4为饱和正丁醇溶液，5为蒸气管道，6为第二液位传感器，7为壳气进气口，8为加热棒，9为金属块，11为壳气进气装置，12为样气进气口，13为样气进气装置，14为冷凝装置；

图3为本发明光学探测装置的原理图；21为激光二极管，22为准直透镜，23为柱面透镜，24为冷凝装置出口，25为黑色遮挡体，26为凸透镜组，27为光电探测器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例进一步说明本发明。

如图1所示，一种大气超细颗粒物数浓度测量装置，包括大气气流通道、样气气流通道、壳气气流通道、进气装置、饱和溶液装置、冷凝装置和光学探测装置。本发明总体上讲，气流由一路进入后分为两路：总的气流经过大气进气装置中带孔的圆环，通过控制孔两端的压力比值来获得流量计1为0.3L/min，分为两路气流分别进入流量计2和流量计3，得到壳气气流0.27L/min和样气气流0.03L/min，壳气气流经过过滤器进入饱和溶液装置(饱和正丁醇溶液加热到39℃)，饱和溶液蒸气与壳气气流混合进入壳气进气装置，得到均匀分布的壳气气流；样气气流进入样气进气装置，得到均匀分布的样气气流。样气气流在匀速稳定的壳气气流包裹下流动，一起进入冷凝装置(温度保持在10℃)，样气气流与壳气气流构成层流结构，保证样气气流在冷凝装置中心附近流动，并最大限度地减少超细颗粒物的扩散损失。进入冷凝装置后，壳气气流中的饱和蒸气遇冷变为过饱和，凝结在样气气流中的颗粒物表面使颗粒物迅速长大，长大后的颗粒物进入光学探测装置，获得颗粒物的数浓度值；气流最后进入高真空旋片泵。

如图2所示，饱和工作溶液储存装置3储存有饱和正丁醇溶液4，蒸气管道5为透气钢材质，能够吸收饱和的正丁醇溶液4，蒸气管道5安装在金属块9上，通过加热棒8给金属块9加热可使正丁醇溶液气化为蒸气，从壳气进气口7进入的壳气与蒸气管道5中的正丁醇蒸气混合，在壳气气流作用下一起进入壳气进气装置11中；样气由样气进气口12进入样气进气装置13，在出口处与壳气气流混合进入冷凝装置14；冷凝的蒸气废液沿着壳气进气装置11的内壁流入废液储存装置2中，安装在饱和工作溶液储存装置3底部的液位传感器6，作用是能及时提醒加注正丁醇溶液；安装在废液储存装置2顶部的液位传感器1，作用是能及时提醒清除废液，防止废液溢出，污染装置。

如图3所示，光学探测装置包括激光二极管21、准直透镜22、柱面透镜23、黑色遮挡体25、凸透镜组26和光电探测器27。激光二极管21发出的光，经过准直透镜22变成平行光，再经过柱面透镜光线汇聚在冷凝装置出口24出来的颗粒物上，产生散射光，散射光经过凸透镜组26汇聚到光电探测器27上，探测到散射光的强度和脉冲的数量，可以反演出凝结核后的颗粒物数浓度，即大气气溶胶超细颗粒物的数浓度。安装在凸透镜组26上的黑色遮挡体25可以有效的挡住轴线方向的光，避免对散射光信号的干扰，确保在没有颗粒物进入光学探测装置时，光电探测器27不会接收到信号。

本发明的基本原理在于：当颗粒物周围的蒸气达到一定过饱和度时，蒸气开始凝结在颗粒物上，这就是所谓的异质凝结。如果过饱和度太高，即使没有颗粒物存在，冷凝现象也能发生，这被称为均相凝结或自凝结，这由于蒸气分子自然运动和范德华力共同作用形成的，这种凝结方式可以通过精确控制温度来避免。溶液的过饱和度由溶液的饱和率来衡量，即在某一特定温度下，溶液饱和率＝实际蒸气分子的压力/饱和蒸气分子的压力＝P/P_S

对于一个特定的饱和率，只要颗粒物足够大，蒸气就能够在颗粒物表面凝结，这个颗粒物最小的粒径作为凝结的临界值，叫做开尔文直径。满足如下关系式：

$\mathrm{\η}=\frac{P}{P_S}=\exp \frac{\left(4\mathrm{\γ}M\right)}{\mathrm{\ρ}RTd}$

其中，η-溶液饱和率，P-实际蒸气分子的压力，P_S-饱和蒸气分子的压力，γ-冷凝溶液的表面张力，M-冷凝溶液的分子质量，ρ-冷凝溶液的密度，R-普适气体常数，T-绝对温度，d-开尔文直径。

由上式可知，规定了γ、M、ρ、R和T这些参数后，溶液的饱和度越高，开尔文直径越小，既可以通过改变溶液的饱和度，来研究不同粒径的颗粒物。但在实际研究中，应避免蒸气分子自凝结的发生对结果产生影响，溶液的饱和率不能无限的大，颗粒物的粒径范围不能无限的小。

本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。

以上所述，仅为本发明部分具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种大气超细颗粒物数浓度测量装置，其特征在于包括：大气气流通道、样气气流通道、壳气气流通道、进气装置、饱和溶液装置、冷凝装置(14)、光学探测装置；所述的进气装置包括大气进气装置、样气进气装置(13)和壳气进气装置(11)；所述的大气气流通道包括气泵和第一流量计；所述的壳气气流通道包括过滤器和第二流量计；所述的样气气流通道包括第三流量计；所述的饱和溶液装置包括饱和工作溶液储存装置(3)、废液储存装置(2)、蒸气管道(5)、金属块(9)、加热棒(8)、第一液位传感器(1)和第二液位传感器(6)；所述的光学探测装置包括激光二极管(21)、准直透镜(22)、柱面透镜(23)、黑色遮挡体(25)、凸透镜组(26)和光电探测器(27)；大气作为总气流通过大气气流通道的第一流量计进入大气进气装置分成两路气流，分别为壳气气流和样气气流，壳气气流通过壳气气流通道的第二流量计和过滤器进入饱和溶液装置，通过加热棒(8)给金属块(9)加热可使蒸气管道(5)中由饱和工作溶液储存装置(3)中吸收的饱和溶液气化为蒸气，蒸气沿着蒸气管道流动与壳气气流混合后进入壳气进气装置(11)，得到均匀分布的壳气气流；样气气流进入样气气流通道的第三流量计进入样气进气装置(13)，得到均匀分布的样气气流；样气气流随着匀速稳定的壳气气流混合流动，混合气流进入冷凝装置(14)，样气气流与壳气气流构成层流结构，保证样气气流在冷凝装置(14)中心附近流动，并最大限度地减少超细颗粒物的扩散损失；进入冷凝装置(14)后，壳气气流中的饱和蒸气遇冷变为过饱和，凝结在样气气流中的颗粒物表面使颗粒物迅速长大，长大后的颗粒物进入光学探测装置，获得颗粒物的数浓度值，冷凝的蒸气废液沿着壳气进气装置的内壁流入废液储存装置，第二液位传感器能及时提醒加注饱和工作溶液，第一液位传感器能及时提醒清除废液。

2.根据权利要求1所述的一种大气超细颗粒物数浓度测量装置，其特征在于：所述的大气进气装置包括一个带孔的圆环，所述的带孔的圆环安装在大气进气装置上，所述的带孔的圆环中间有一个孔，通过控制孔两端的压力比值来获得均匀稳定的气流。

3.根据权利要求1所述的一种大气超细颗粒物数浓度测量装置，其特征在于：所述的气泵为高真空旋片泵，能使气流维持在一个稳定的流量。

4.根据权利要求1所述的一种大气超细颗粒物数浓度测量装置，其特征在于：所述的饱和工作溶液储存装置(3)和废液储存装置(2)均为聚四氟乙烯材质，能够抗任何种类的化学腐蚀。

5.根据权利要求1所述的一种大气超细颗粒物数浓度测量装置，其特征在于：所述的蒸气管道(5)为透气钢材质，能够吸收饱和工作液溶液。

6.根据权利要求1所述的一种大气超细颗粒物数浓度测量装置，其特征在于：所述的第一液位传感器(1)和第二液位传感器(6)均为光电式液位传感器。