CN101398368A - 用于气溶胶粒子激光分析仪的气路系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于气溶胶粒子激光分析仪的气路系统，包括一个进样气路、一个壳流气路和一个总流气路，进样气路包括一个壳流包裹的气溶胶粒子束排队加速进样管，该进样管下末端为粒子加速喷口，壳流气路包括一个壳流进气管路和一个同轴套装在所述气溶胶粒子束排队加速进样管外的壳流管，总流气路包括一个气溶胶粒子激光分析检测室和一个总流排出管路。本气路系统具有结构合理、流量控制精度高、能耗低和使用寿命长等特点。

Description

用于气溶胶粒子激光分析仪的气路系统

技术领域

本发明涉及一种用于气溶胶粒子激光分析仪的气路系统。

背景技术

人们在研究气溶胶粒子的性质时，首先要测量粒子的尺寸大小。由于测量方法的不同，表示气溶胶粒子尺寸大小的方法也各不相同，最常见的有几何直径，光散射直径，空气动力学直径、表面积直径和质量直径。前面的粒子尺寸表示方法中有一个共同的特点，就是都是用直径来表示的，也就是说，都是将气溶胶粒子等效成球形粒子来表示的。事实上，自然界中气溶胶粒子的形状是各种各样的，有球形的、杆状的、丝状的、片状的等等各种不规则的几何形状。检测气溶胶粒子的传统方法是在显微镜下直接测量粒子的几何形状，这种方法费时、费力，不能在线检测。光散射粒子计数器是较常用的气溶胶粒子在线检测仪器，它通过检测照射在粒子上产生的激光散射强度来确定粒子的尺寸，粒子越大，表面积就越大，对光的散射就越强。这种方法受粒子的形状、材质、密度、表面光洁度的影响较大，无法评价其对人体的危害。空气动力学直径是以粒子经过两束相邻激光之间的飞行时间来计算的，它是将各种形状不规则的粒子等效成球形粒子。如果再输入粒子的密度，即可得到质量直径，即等效成密度为1的球形粒子的等效直径。空气动力学直径或质量直径与粒子在人的呼吸道内各个部位的沉积和清除密切相关。

检测气溶胶粒子空气动力学直径的粒子进样装置一般采用壳流包裹样品气流的方式，这是为了防止样品气流的扩散，保证样品气流中的气溶胶粒子在经过壳流喷口后顺序地沿直线飞行。现有的专利、如中国科学院安徽光学精密机械研究所拥有的、实用新型名称为“壳流气溶胶粒子束进样装置”的第ZL03278369.8号专利和Peter P.Hairston等的第5,556,515号美国专利(Apparatus for measuringparticle sizes and velocities)，以及John Volckens，Thomas M.Peter的论文“Counting and particle transmission efficiency ofthe aerodynamic particle sizer”，Journal of Aerosol Science，36(2005)1400-1408中，为了获得清洁的无粒子的包裹壳流，如图1所示，都是采取从同一进气气流(10)中分出部分气流(11)，经过高效过滤器(20)过滤后，通过加压泵(30)送进壳流套管(40)中，剩下的一部分作为真正的样品气流(12)，即实际需要的样品气流和无粒子的清洁气流是同一个来源。在这种装置中，样品流量和包裹壳流流量的比例一般为1:4。这种装置用于实验气溶胶或用于经过浓缩处理后的气溶胶检测是存在着明显的缺陷。用于实验气溶胶时，导致人工发生的气溶胶总量增大，浪费了大部分的试验材料，还会使壳流气路中的高效过滤器、加压泵、传感器和连接管道受到被检气溶胶的污染。在某些特定的使用条件下，如用于大气中微生物粒子的检测时，由于检测对象相对较少，为了提供仪器检测的灵敏度，需要对气溶胶粒子进行高倍(一般为几百倍)的浓缩后才能送进仪器进行检测。由此就造成了不必要的矛盾，一方面要对气溶胶粒子进行高倍浓缩，另一方面又要将含有高倍浓缩粒子的大部分气流过滤，形成不含粒子的清洁的壳流气流，这一方面加大了高效过滤器的负载，致使高效过滤器经常堵塞，降低了高效过滤器的使用寿命，增加了维修频率和仪器的使用成本；另一方面也增大了前级样品浓缩装置的负荷、制造费用和使用费用。

发明内容

与上述现有技术相比，本发明在不改变现有技术中实际检测样品流量和无粒子清洁壳流流量的条件下，改变壳流的进气来源，即不是从经压缩增浓后的气流中获取壳流气流，而是直接从仪器所处的周围环境中取气，经过高效过滤后，经加压泵送入壳流套管中。

本发明提供一种用于气溶胶粒子激光分析仪的气路系统，包括一个进样气路、一个壳流气路和一个总流气路，进样气路包括一个壳流包裹的气溶胶粒子束排队加速进样管，所述进样管下末端为粒子加速喷口；壳流气路包括一个同轴套装在所述进样管外的壳流管、一个壳流进气管路，所述壳流管下末端为壳流喷口，所述粒子加速喷口嵌入所述壳流管的喷口内，所述壳流进气管路包含了一套壳流取样、净化、压缩和流量控制装置；总流气路包括一个气溶胶粒子激光分析检测室和一个总流排出管路，所述壳流管的出口端和所述总流排出管路的入口端分别接入所述气溶胶粒子激光分析检测室的上部和下部，所述总流排出管路包括一套总流净化、流量控制和排出装置，其特征在于：所述壳流管的顶端与所述进样管外侧壁形成密封，所述壳流进气管路从环境空气中取样，经净化和压缩后，送入所述壳流管中形成壳流。

含气溶胶粒子的样品进样气流由气流取样、压缩和增浓装置提供，它们都可以使用常规设备实现，例如一个常规的浓缩分离器。

粒子加速喷口位于光学检测室中的含气溶胶粒子气流进样管的下末端，是由气溶胶进样管缩口而形成的一个狭小喷口，其狭小程度要使气溶胶粒子从该喷口逐个喷出。气溶胶进样管竖直设立，使从其喷口喷出的气溶胶粒子尽量垂直穿过激光束。

按照一个实施方案，壳流取样、净化、压缩和流量控制装置包括在所述壳流进气管路上经管道串接的过滤器、气流泵、和流量传感器。

总流净化、流量控制和排出装置包括在所述总流排出管路上经排气管串接的过滤器、流量传感器和气流泵。

进样管的加速喷口的直径为0.75mm-0.85mm，壳流管的壳流喷口的直径为0.95mm-1.05mm，加速喷口与壳流喷口间的环形空间距离<1mm。优选地，排气管的进气口为一缩口，其直径略大于加速喷口的直径，为1.0-1.5mm。

优选地，壳流进气管路的管道上还串接有压力传感器；排气管上也可串接有压力传感器。

优选地，进样气路还包括一套气流取样、压缩和增浓装置。

本发明的优点在于，用于实验气溶胶时，降低了人工发生气溶胶的采样量，减小了试验材料的浪费，同时消除了壳流气路中的高效过滤器、加压泵、传感器和连接管道中试验气溶胶的污染；在需要对含气溶胶粒子的空气样品进行高倍浓缩时，大大减小了高效过滤器的负载，延长了高效过滤器的使用寿命，降低了维修频率和仪器的使用成本；可减小前级样品浓缩装置80％的负荷，同时也减低了浓缩装置制造费用和使用能耗。

附图说明

图1为现有技术的、用于气溶胶粒子激光分析仪的气路系统的基本结构示意图；

图2为本发明的用于气溶胶粒子激光分析仪的气路系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合本发明的优选实施方式参照附图对本发明进一步详细描述。

参见图2，进样管1竖直设立，其外同轴套装有壳流管2，其中进样管1上末端的进气口与气流取样、压缩和增浓装置(未示出)相连，该气流取样、压缩和增浓装置为浓缩分离器；进样管1下末端的加速喷口3嵌入壳流管2的壳流喷口4内，它们之间的环形空间距离为0.75mm，其中加速喷口3的直径为0.8mm，壳流喷口4的直径为1mm。壳流管2的壳流喷口4与排气管7的进气口6分别接入检测室5的上部和下部，该检测室5为一封闭腔室，排气管7的进气口6的直径为1.1mm。排气管7上沿排气方向依次串接有过滤器8、压力传感器9、流量传感器10、气流泵11和过滤器12。壳流管2侧面连接有管道13，管道13上沿进气方向依次串接有过滤器14、压力传感器15、气流泵16、过滤器17和流量传感器18。

在用作激光粒子分析仪的气路系统中，气路有进样气流、壳流和总流三路。用浓缩分离器(未示出)将拟检测的含气溶胶粒子的样品气流吸入后输入进样管1，样品流量为1L/min，粒子在进入激光粒子分析仪的光学检测室5时经过细小的加速喷口3，使粒子按顺序、沿直线排队，经壳流喷口4后使不同大小的气溶胶粒子获得不同的速度，流过检测室5。为了保持粒子的飞行方向，在样品流外包裹一层壳流，压缩后壳流的流量为4L/min，壳流气路是取自仪器周围环境的空气，经壳流泵16加压和壳流泵16前后的两个高效过滤器18、15过滤后得到洁净空气，其中对于0.3微米的粒子过滤掉99.99％以上。，而后送入壳流管2中，形成包裹样品流的外壳，在气溶胶粒子从喷口喷出后立即环绕住它，防止它向四周扩散，使样品粒子沿直线飞行。样品气流中的气溶胶粒子在检测室5进行检测，之后与壳流一起进入总流排出管路，使用一个总流泵11作为排气驱动力，并经该总流泵前后的两个高效过滤器8、12过滤后排出。在壳流和总流气路上分别安装一个压力传感器15、9和流量传感器18、10，进样流量精度偏差控制在不大于10-20％的范围内。

因而，通过本发明上述的技术方案，减小了试验材料的浪费，减小样品浓缩装置80％的负荷，同时也减低了浓缩装置制造费用和使用能耗。同时大大降低了壳流气路中的高效过滤器、加压泵、传感器和连接管道中被试验气溶胶污染的程度。减小了高效过滤器的负载，延长了高效过滤器的使用寿命，降低了维修频率和仪器的使用成本。

Claims (8)

1、一种用于气溶胶粒子激光分析仪的气路系统，包括一个进样气路、一个壳流气路和一个总流气路，进样气路包括一个壳流包裹的气溶胶粒子束排队加速进样管(1)，所述进样管下末端为粒子加速喷口(3)；壳流气路包括一个同轴套装在所述进样管(1)外的壳流管(2)、一个壳流进气管路，所述壳流管(2)下末端为壳流喷口(4)，所述粒子加速喷口(3)嵌入所述壳流管的喷口(4)内，所述壳流进气管路包含了一套壳流取样、净化、压缩和流量控制装置；总流气路包括一个气溶胶粒子激光分析检测室(5)和一个总流排出管路，所述壳流管(2)的出口端和所述总流排出管路的入口端分别接入所述气溶胶粒子激光分析检测室(5)的上部和下部，所述总流排出管路包括一套总流净化、流量控制和排出装置，其特征在于：所述壳流管(2)的顶端与所述进样管(1)外侧壁形成密封，所述壳流进气管路从环境空气中取样，经净化和压缩后，送入所述壳流管(2)中形成壳流。

2、根据权利要求1所述的用于气溶胶粒子激光分析仪的气路系统，其特征在于，所述壳流取样、净化、压缩和流量控制装置包括在所述壳流进气管路上沿进气方向经管道(13)串接的过滤器(14)、气流泵(16)、过滤器(17)和流量传感器(18)。

3、根据权利要求2所述的用于气溶胶粒子激光分析仪的气路系统，其特征在于，所述过滤器(14)和气流泵(16)之间连接有压力传感器(15)。

4、根据权利要求1-3之一所述的用于气溶胶粒子激光分析仪的气路系统，其特征在于，所述总流净化、流量控制和排出装置包括在所述总流排出管路上沿排气方向经排气管(7)串接的过滤器(8)、流量传感器(10)、气流泵(11)和过滤器(12)。

5、根据权利要求4所述的用于气溶胶粒子激光分析仪的气路系统，其特征在于，所述过滤器(8)和流量传感器(10)之间连接有压力传感器(9)。

6、根据权利要求1-3之一所述的用于气溶胶粒子激光分析仪的气路系统，其特征在于，所述进样管(1)的加速喷口(3)的直径为0.75-0.85mm，所述壳流管(2)的壳流喷口(4)的直径为0.95-1.05mm，所述加速喷口(3)与壳流喷口(4)间的环形空间距离<1mm。

7、根据权利要求5所述的用于气溶胶粒子激光分析仪的气路系统，其特征在于，所述进样管(1)的加速喷口(3)的直径为0.75-0.85mm，所述壳流管(2)的壳流喷口(4)的直径为0.95-1.05mm，所述加速喷口(3)与壳流喷口(4)间的环形空间距离<1mm。

8、根据权利要求1-3之一所述的用于气溶胶粒子激光分析仪的气路系统，其特征在于，所述进样气路还包括一套气流取样、压缩和增浓装置。

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