CN114062229B - 一种推断颗粒物化学组分的凝结核粒子计数器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种推断颗粒物化学组分的凝结核粒子计数器，包括鞘气结构、饱和室、增长室、流量传感器、光学计数器、脉冲信号分析器、质量流量控制器等；各部件依次连接形成样气气路和补气气路。光学计数器用于颗粒物计数和信号脉冲高度收集；脉冲信号分析器用于分析光学计数器收集到的脉冲信号；质量流量控制器调节样气和补气流量，在保证进气流量稳定下改变样气流量可实现增长室中工作液过饱和度的快速切换；根据颗粒物吸湿性参数与有机物质量分数的关系，通过快速改变过饱和度测量不同粒径颗粒物的吸湿性，可得到颗粒物中有机物所占比例；同时相同粒径不同化学组分的颗粒物在光学计数器中的脉冲信号高度不同，仪器标定后可推断颗粒物化学组分。
Description
技术领域
本发明属于环境监测技术领域，涉及一种推断颗粒物化学组分的凝结核粒子计数器。具体来说，是一种利用温差产生过饱和工作液蒸汽，并可以通过改变样气流量快速改变增长室中的过饱和度，然后将过饱和蒸汽凝结在颗粒物表面，使纳米级颗粒物生长到微米级，再利用光学检测器对颗粒物进行计数的测量仪器。
背景技术
近年来，我国对雾霾污染问题十分关注，并且于2012年将PM2.5列入环境空气质量标准中。PM2.5的定义是空气动力学当量直径小于等于2.5微米的颗粒物，它具有悬浮时间长、不易沉降的特点，并且可以进入人体呼吸系统，影响人体健康。
目前的环境空气质量标准中所要求的浓度指颗粒物质量浓度。在典型的大气颗粒物谱分布中，粒径在100纳米以上的颗粒物数浓度低，但贡献了大部分的质量浓度；粒径小于100纳米的超细颗粒具有体积小、质量小、表面积大等特点，使得它更容易随呼吸进入人体，对人体健康造成影响。由于超细颗粒物在大气颗粒物质量谱分布中只占很小的比例，在PM2.5质量浓度测量中会掩盖掉超细颗粒物的信息，因此对于数浓度的测量十分必要。
自2011年9月起实施的欧盟机动车新标准就要求对机动车尾气排放进行检测的仪器，应对23nm的颗粒物的计数效率达到50％。我国对机动车颗粒物的排放也在加强。
各类研究表明，超细颗粒物的理化性质会对大气环境和人体健康造成不同程度的影响。而化学组分、吸湿性等颗粒物理化性质与粒径相关，通过改变计数器的过饱和度可以测量不同粒径范围颗粒物的数浓度，并基于该数浓度，为研究超细颗粒物理化性质对大气环境和人体健康的影响提供依据。综上所述，制造出可以推断颗粒物化学组分的粒子计数器是十分必要的。
凝结核粒子计数器(Condensation Particle Counters,CPC)是最为常见的纳米颗粒物数浓度测量仪器。它主要由饱和室、增长室和光学计数器构成。工作液在饱和室内形成饱和蒸汽，然后随气流和颗粒物一同进入增长室后。由于温差和气流作用，颗粒物的质量扩散速率和热扩散速率不同，增长室内会产生过饱和度，从而实现过饱和蒸汽在颗粒物表面的凝结。颗粒物凝结生长后粒径可以从<10nm增长到微米级别，从而被光学计数器检测计数，最终得到颗粒物的数浓度。将凝结核粒子计数器在计数效率为50％时对应的粒径称为截止粒径D50，用该粒径表示凝结核粒子计数器可以检测到的粒径下限。
根据形成过饱和环境的方法的不同，CPC主要分为混合型CPC和层流型CPC，最常用的是层流型CPC。根据工作液的不同可以分为以醇为工作液的醇基CPC和以水为工作液的水基CPC。这些CPC都有固定的温差和样气流量，虽然可以通过程序更改温度设定，但响应时间长，要得到一个完全稳定的不同的温差，时间分辨率在分钟级别，无法满足大气在线观测中测量不同粒径范围颗粒物数浓度的需求。且调整温度的方法无法实现温差或过饱和度的连续变化。
在我国已公布的发明专利中，专利公开号为CN108535168A的专利涉及一种小型颗粒物冷凝生长计数器，专利公开号为CN109715300A的专利涉及一种紧凑型凝聚核粒子计数器技术，专利公开号为CN111122419A的专利涉及一种冷凝粒子计数器。这些发明专利虽然都有颗粒物计数的功能，但是仅限于测量颗粒物的数浓度，没有涉及过饱和度的改变和化学组分的测量。
发明内容
为解决上述问题，本发明旨在提供一种推断颗粒物化学组分的凝结核粒子计数器，利用样气流量的改变实现过饱和度的快速改变和连续变化，可以将过饱和度改变的时间分辨率降低至3s，并通过测量颗粒物的吸湿性计算颗粒物的有机物质量分数或通过测量颗粒物在计数器中凝结增长后的脉冲高度，推断颗粒物的化学组分。可用于实验室和外场观测中测量不同粒径范围的超细颗粒物的化学组分。
一种推断颗粒物化学组分的凝结核粒子计数器，包括：三通、鞘气结构、饱和室、增长室、阀、流量传感器、光学计数器、脉冲信号分析器、质量流量控制器A、质量流量控制器B、高效过滤器A、高效过滤器B\高效过滤器C、电磁阀和气泵；所述三通的一端与进气口相连，另两端分别与高效过滤器C、鞘气结构的入口相连；鞘气结构、饱和室、增长室、光学计数器、高效过滤器A、质量流量控制器A依次相连形成样气气路，高效过滤器C、质量流量控制器B与电磁阀依次连接形成补气气路，样气气路与补气气路均与气泵连接。
其中，所述鞘气结构用于为光学计数器中的样气提供不含颗粒物的鞘气，包含4个口，其中，A口与三通的一端连接，B口与高效过滤器B连接，C口与流量传感器连接，D口与饱和室连接；样气从鞘气结构的A口进入后，分流至B口的气体经过高效过滤器B后产生鞘气，在阀和流量传感器的配合下调节流量；鞘气从C口流回鞘气结构，并包裹着样气从D口流出后进入饱和室；光学计数器的光源采用白光光源，内设有收集180°方向散射光的脉冲信号收集器；所述脉冲信号分析器用于分析脉冲信号收集器收集的脉冲高度。
所述质量流量控制器A用于控制样气气路流量，质量流量控制器B用于控制补气气路流量；所述电磁阀用于控制补气气路的流量通断。
进一步地，所述饱和室和增长室中包裹着的多孔材料，用于使工作液经过后在设定温度下产生工作液的饱和蒸汽；样气与工作液的饱和蒸汽在饱和室中混合后进入增长室，所述增长室和饱和室设置为不同的温度，工作液饱和蒸汽在温差下产生过饱和度。
进一步地，所述饱和室和增长室内均设有温度控制器和温度传感器。
进一步地，所述增长室与饱和室通过连续直管连接，与光学计数器通过机械结构连接。
进一步地，过控制所述质量流量控制器A与所述质量流量控制器B保持进气流量不变，同时改变样气气路流量实现改变饱和室的过饱和度。
进一步地，所述质量流量控制器A的流量范围为0-1L/min，所述质量流量控制器B流量范围为0-2L/min。
进一步地，所述补充气流量可以在电磁阀控制下实现流量的通断，在质量流量控制器和程序控制下实现流量变化。
进一步地，所述进气流量在质量流量控制器A和B的配合控制下可以保持稳定。
进一步地，所述的样气流量变化可以实现过饱和度的快速切换和连续变化。
进一步地，所述样气流量可以在质量流量控制器A调节下变化，程序控制下可以实现连续变化。
进一步地，所述光学计数器可以收集颗粒物在计数器中长大后的脉冲信号用于分析粒径和化学组分信息。
所述脉冲高度分析其可以分析光学计数器收集到的脉冲，并给出颗粒物脉冲高度与粒径、化学组分的关系。
本发明的有益效果为：
本发明提供了一种推断颗粒物化学组分的凝结核粒子计数器，既可以对颗粒物进行计数，也可以通过改变流量快速改变过饱和度测量颗粒物吸湿性并计算颗粒物的有机物质量分数，同时通过分析颗粒物在凝结核计数器中长大后的脉冲信号推断颗粒物的化学组分。本发明的优点为：利用流量控制系统，使凝结核粒子计数器可以快速改变样气流量的同时保持进气流量不变。本发明可以实现过饱和度的快速切换，从而本分明涉及的凝结核粒子计数器可以快速调整D50，用于测量不同粒径的吸湿性参数和有机物质量分数。本发明可以高效收集颗粒物在计数器中长大后的脉冲信号，分析后的脉冲高度用于推断颗粒物化学组分。
附图说明
图1为本发明一种推断颗粒物化学组分的凝结核粒子计数器结构示意图。
图中：1-三通、2-鞘气结构、3-饱和室、4-增长室、5-光学计数器、6-高效过滤器A、7-质量流量控制器A、8-气泵、9-高效过滤器B、10-流量传感器、11-阀、12-高效过滤器C、13-质量流量控制器B、14-电磁阀、15-脉冲信号分析器。
图2为本发明一种推断颗粒物化学组分的凝结核粒子计数器使用快速改变过饱和度方法时流量与过饱和度的关系图。
图中横坐标为样气流量，纵坐标为该流量模式下所产生的过饱和度。
图3为本发明一种推断颗粒物化学组分的凝结核粒子计数器使用脉冲高度分析方法时粒径与脉冲高度的关系图。
图中横坐标为颗粒物干粒径，纵坐标为该粒径对应的脉冲高度信号。
具体实施方式
结合附图，对本发明进一步详细说明。
如图1所示，本发明的一种推断颗粒物化学组分的凝结核粒子计数器，包括：三通1，鞘气结构2，饱和室3，增长室4，光学计数器5，高效过滤器A 6，质量流量控制器A 7，气泵8，高效过滤器B 9，流量传感器10，阀11，高效过滤器C12，质量流量控制器B13、电磁阀14、脉冲信号分析器15；所述三通1一端接入进气流量，另两端再分别作为样气和补充气出口；其中，样气出口与所述鞘气结构2的A口连接，鞘气结构2的B口分出的鞘气路先后经过高效过滤器B 9、阀11和流量传感器10，通过阀11和流量传感器10配合得到特定流量不含颗粒物的鞘气，由鞘气结构2的C口流回鞘气结构2；鞘气结构2的D口与所述的饱和室3的进口通过机械结构连接，饱和室3的出口与增长室4的进口通过连续直管连接；饱和室3内置温度传感器和温度控制结构，饱和室3和增长室4内放置多孔材料将工作液转化为工作液饱和蒸汽；所述增长室4的出口与光学计数器5通过机械结构连接，内置温度传感器和温度控制结构；所述光学计数器5采用白光光源，同时内设有收集180°方向散射光的脉冲信号收集器用于颗粒物计数和脉冲信号收集，其出口与高效过滤器A 6通过软管连接；所述高效过滤器A 6将颗粒物过滤掉，其出口与质量流量控制器A 7通过软管连接；所述质量流量控制器A 7的流量范围为0-1L/min，与气泵8通过软管连接；补充气出口、高效过滤器C12、质量流量控制器B13依次通过软管连接；所述质量流量控制器B13流量范围为0-2L/min，与气泵8通过软管连接；所述电磁阀14控制补充气的流量通断；所述脉冲信号分析器15用于分析光学计数器5中样气颗粒物产生的180°方向散射光的脉冲高度信号。
具体地，本发明的凝结核粒子计数器工作流程为：颗粒物气流从三通1进入凝结核粒子计数器，通过三通1分流为样气进入凝结核粒子计数器的凝结增长与计数系统，另一路分流为补充气连接到气泵8用。其中，鞘气结构2将样气先分流出一路鞘气，通过高效过滤器9、阀11和流量传感器10调节鞘气，从C口流回后包裹在剩余样气周围，一同从D口进入饱和室3。质量流量控制器A 7控制样气总流量，根据需要由控制软件或手工进行调节。如果所需流量较小，可以选择低流量模式，电磁阀14将关闭，进气流量与样气流量保持一致；选择高流量模式时，电磁阀14打开，补充气通过质量流量控制器B13控制；如果选择固定进样流量，补充气气路的质量流量控制器B13的流量控制将根据质量流量控制器A 7的设定进行相应变化，以保持进样流量稳定。
样气在饱和室3中与饱和蒸汽混合，进入增长室4后由于温差和气流形成过饱和度，过饱和蒸汽凝结在颗粒物表面实现颗粒物的凝结增长。最后进入光学计数器获得颗粒物的数浓度，由脉冲信号分析器分析获得样气中颗粒物的脉冲高度分布。
本发明的推断颗粒物化学组分的方式包括两种：
其一，通过快速改变过饱度获得样气中颗粒物的吸湿性参数：其中质量扩散速率和热扩散速率的差异形成了过饱和蒸汽，在保持温差不变的情况下，改变样气流速可以得到不同的质量扩散速率，从而得到不同的过饱和度条件。图2为本发明凝结核粒子计数器使用快速改变过饱和度方法时流量与过饱和度的关系图，得益于质量流量控制器高效的响应时间，本发明中改变过饱和度测量不同粒径颗粒物吸湿性参数的时间分辨率小至3s。不同化学组分的物质根据吸水性的差异，其吸湿性参数也不同，则在快速改变的过饱和度中，可以快速测量不同化学组分物质的吸湿性参数。基于吸湿性参数与颗粒物有机物质量分数的关系，通过测量不同粒径颗粒物的吸湿性参数可以计算颗粒物的有机物质量分数。
其二，通过脉冲信号分析器分析的脉冲高度分布获得样气中颗粒物的吸湿性参数：颗粒物在增长室4凝结增长后粒径变大，10nm以下颗粒物会根据进入饱和室3的初始粒径和化学组分不同而产生不同的最终粒径。通过将激光光源换为白光光源，同时将使用收集180°方向散射光的脉冲信号收集器，可以得到改进的光学计数器5，从而得到更加精细的脉冲信号，通过脉冲信号分析器15，建立粒径与脉冲信号的关系。在实验室使用不同化学组分物质标定可以得到化学组分与脉冲高度谱图的关系，图3为本发明一种推断颗粒物化学组分的凝结核粒子计数器使用脉冲高度分析方法时粒径与脉冲高度的关系图。其中的脉冲高度指收集到的散射光信号强度，代表了颗粒物经过光学计数器时的粒径大小。脉冲信号越高，则粒径越大，说明该颗粒物在仪器中凝结增长的幅度更大，吸湿性更强，同一粒径不同化学组分的标定实验结果可以建立化学组分与脉冲信号的关系，基于脉冲信号强度推断颗粒物化学组分。
上述实施例对本发明的技术方案进行了详细说明。显然，本发明并不局限于所描述的实施例。基于本发明中的实施例，熟悉本技术领域的人员还可据此做出多种变化，但任何与本发明等同或相类似的变化都属于本发明保护的范围。
Claims (6)
1.一种推断颗粒物化学组分的凝结核粒子计数器，其特征在于，包括：
三通、鞘气结构、饱和室、增长室、阀、流量传感器、光学计数器、脉冲信号分析器、质量流量控制器A、质量流量控制器B、高效过滤器A、高效过滤器B、高效过滤器C、电磁阀和气泵；所述三通的一端与进气口相连，另两端分别与高效过滤器C、鞘气结构的入口相连；鞘气结构、饱和室、增长室、光学计数器、高效过滤器A、质量流量控制器A依次相连形成样气气路，高效过滤器C、质量流量控制器B与电磁阀依次连接形成补气气路，样气气路与补气气路均与气泵连接；
其中，所述鞘气结构用于为光学计数器中的样气提供不含颗粒物的鞘气，包含4个口，其中，A口与三通的一端连接，B口与高效过滤器B连接，C口与流量传感器连接，D口与饱和室连接；样气从鞘气结构的A口进入后，分流至B口的气体经过高效过滤器B后产生鞘气，在阀和流量传感器的配合下调节流量；鞘气从C口流回鞘气结构，并包裹着样气从D口流出后进入饱和室；光学计数器的光源采用白光光源，内设有收集180°方向散射光的脉冲信号收集器；所述脉冲信号分析器用于分析脉冲信号收集器收集的脉冲高度；
所述质量流量控制器A用于控制样气气路流量，质量流量控制器B用于控制补气气路流量；所述电磁阀用于控制补气气路的流量通断；
所述增长室和饱和室设置为不同的温度，工作液饱和蒸汽在温差下产生过饱和度。
2.根据权利要求1所述推断颗粒物化学组分的凝结核粒子计数器，其特征在于，所述饱和室和增长室中包裹着的多孔材料，用于使工作液经过后在设定温度下产生工作液的饱和蒸汽；样气与工作液的饱和蒸汽在饱和室中混合后进入增长室，所述增长室和饱和室设置为不同的温度，工作液饱和蒸汽在温差下产生过饱和度。
3.根据权利要求1所述推断颗粒物化学组分的凝结核粒子计数器，其特征在于，所述鞘气结构通过机械结构和三通、饱和室连接，通过导电黑胶管和阀、流量传感器连接。
4.根据权利要求1所述推断颗粒物化学组分的凝结核粒子计数器，其特征在于，所述饱和室和增长室内均设有温度控制器和温度传感器。
5.根据权利要求1所述推断颗粒物化学组分的凝结核粒子计数器，其特征在于，所述增长室与饱和室通过连续直管连接，与光学计数器通过机械结构连接。
6.根据权利要求1所述推断颗粒物化学组分的凝结核粒子计数器，其特征在于，通过控制所述质量流量控制器A与所述质量流量控制器B保持进气流量不变，同时改变样气气路流量实现改变饱和室的过饱和度。
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