CN102662417A

CN102662417A - 一种气溶胶湿度控制方法及装置

Info

Publication number: CN102662417A
Application number: CN2012101425688A
Authority: CN
Inventors: 曾立民; 黄昆
Original assignee: Peking University
Current assignee: Peking University
Priority date: 2012-05-09
Filing date: 2012-05-09
Publication date: 2012-09-12
Anticipated expiration: 2032-05-09
Also published as: CN102662417B

Abstract

本发明涉及一种气溶胶湿度控制方法及装置，其包括以下步骤：1）在进入颗粒物分析仪器的气流路径中，依次设置一低温恒温装置和一加热恒温装置；2）在所述低温恒温装置中，将进样气流的温度调节至设定温度T_i，并在该温度下进行加湿或除湿的处理，以满足颗粒物分析仪器对进样气流的相对湿度RH要求；3）在所述加热恒温装置中，通过对满足相对湿度RH的进样气流进行加热，满足颗粒物分析仪器的测试温度T_o要求。本发明能够有效地控制湿度对颗粒物在线测量仪器的影响，特别适用于实验室研究及全国各地环境保护监测站使用。

Description

一种气溶胶湿度控制方法及装置

技术领域

本发明涉及一种气溶胶控制方法及装置，特别是关于一种气溶胶采集和分析监测仪器需要的气溶胶湿度控制方法及装置。

背景技术

大气气溶胶一直是大气环境研究的一个热点，现有的研究表明：气溶胶影响大气能见度、影响地面的太阳辐射、为大气二次污染物的生成提供介质、影响人体健康等等，所以对大气气溶胶的监测研究与控制显得尤为重要。

大气气溶胶的研究主要分为数谱浓度分析，质量浓度分析，化学成分分析；其分析手段包括离线分析和在线、半连续分析。数谱浓度分析主要利用颗粒物的动力学特征对不同粒径的粒子先分离再检测其数浓度。质量浓度分析大部分是基于膜采样分析，可以离线测量出膜采样前和采样后的质量差，也可以在线测膜上采集颗粒物后一时刻与前一时刻的质量差，也可以实时测量膜采样之后膜的某些方面性质的变化，例如振荡频率（振荡天平法），透光率（β射线法），来推算出采样膜质量的变化。化学成分分析的手段有多种，根据所测量的物质成分特征采用最合适的方法，例如测量颗粒物中的黑碳成分，可采取光吸收法，光散射法，光声光谱法等，某些无机组分和有机组分可采用飞行质谱法等等。在大气气溶胶分析的过程中，无论是数谱浓度分析，质量浓度分析，还是化学成分分析，大气湿度的影响不容忽视。由于颗粒物具有吸湿性，颗粒物的物化性质会随着环境的湿度变化而发生一定程度的变化，从而给在线仪器的测量带来误差。例如，颗粒物，特别是当颗粒物中吸湿组分比较多的时候在湿度较大的情况下会吸湿长大，颗粒物的动力学特征会发生改变，会将原本属于较小粒径范围的粒子测量成较大粒径范围，产生误差。颗粒物的吸湿性也影响到自身的重量，从而在质量浓度分析中，湿度的变化会严重影响到颗粒物质量浓度的分析，例如振荡天平法在夏季湿度日变化比较剧烈的时候，在仪器正常的情况下，测量值经常会出现负值。颗粒物吸湿后同样会影响自身的光学性质，例如颗粒物对光的反射、吸收能力增强等，所以在β射线法测质量浓度，在化学成分黑碳分析中，由于湿度的影响都带来了或大或小的误差。所以说在测量的过程中，湿度的控制显得尤为重要。

现有的湿度控制装置主要体现在除湿上，例如采用恒温加热的方式（振荡天平法，β射线法），将样品相对湿度降下来。由于恒温加热的方法所设置的温度均高于环境温度，将造成半挥发性的颗粒物损失，从而带来另一方面的误差。现有的商品化的除湿装置还有Nafion膜干燥装置，利用膜两侧的水的分压不同会产生压力差，使膜内测湿度较高的气体中的水汽透过膜，达到除湿的效果。这虽然不需要加热，但控制湿度的精确度不够，而且效果易受到外界温度等因素的影响，控制不稳定。硅胶干燥管也是应用比较广泛的颗粒物除湿装置，利用硅胶的吸水性，带有颗粒物的气流流经干燥管时，水汽向四周扩散被硅胶吸收，而颗粒物仍随气流进入仪器，以达到除湿的效果，硅胶干燥管需要定期更换硅胶，人力成本高，而且除湿效果同样受外界温度等因素的影响，湿度控制的精确度和稳定性不够。北京大学曾立民等人曾提出一种气溶胶除湿装置，利用水在低温下冷凝的原理，先对气路进行冷却降温，使水气在露点温度时凝结在壁上后抽出，再对气路进行加热至环境温度。这种装置只能将湿度降到一个较低值，不能任意控制湿度，不足以满足某些研究的需要。

发明内容

针对以上问题，本发明的目的是提出一种能够灵活控制气溶胶湿度的气溶胶湿度控制方法及装置。

为实现上述目标，本发明采取以下技术方案：一种气溶胶湿度控制方法，其包括以下步骤：1）在进入颗粒物分析仪器的气流路径中，依次设置一低温恒温装置和一加热恒温装置；2）在所述低温恒温装置中，将进样气流的温度调节至设定温度T_i，并在该温度下进行加湿或除湿的处理，以满足颗粒物分析仪器对进样气流的相对湿度RH要求；3）在所述加热恒温装置中，通过对满足相对湿度RH的进样气流进行加热，满足颗粒物分析仪器的测试温度T_o要求。

所述步骤2）中的设定温度T_i，采用以下步骤得到：1）根据颗粒物分析仪器的测试温度T_o，查表即得，在温度T_o下的饱和水蒸汽压力P_o；2）根据相对湿度的定义RH=P_i/P_o*100%，若相对湿度RH和在温度T_o下的饱和水蒸汽压力P_o为已知，则得到在温度T_o下实际的水蒸汽分压P_i=RH*P_o；3）当饱和水蒸汽压力为P_i时，查表即得，在该气压P_i下水的露点温度T_i，即为设定温度T_i。

实现上述方法的一种气溶胶湿度控制装置，其特征在于：它包括一上双向接头、一下双向接头，一饱和冷凝管，一恒温管，一低温恒温槽，一加热恒温装置，两个蠕动泵和一收集瓶；所述饱和冷凝管通过管路连接所述低温恒温槽，形成所述低温恒温循环回路；所述恒温管通过管路连接所述加热恒温装置，形成所述恒温循环回路；其中一所述蠕动泵通过泵管连通所述上双向接头的导水孔，另一所述蠕动泵通过泵管连通所述下双向接头的导水孔，形成所述调节水循环回路；所述饱和冷凝管包括一内管，设置在所述内管外面的一外管，设置在所述外管两端的上管接头和下管接头；所述内、外管之间设置有导热介质，所述内管的顶部穿过所述上管接头且通过一螺帽连接在所述上双向接头内，所述内管的底部穿过所述下管接头且通过另一螺帽连接在所述下双向接头内；所述上、下管接头的端面设置有连接所述低温恒温循环回路的导液口；所述内管的外壁径向设置有若干散热翅片；所述内管为内抛光的不锈钢管，所述的内管的内壁涂覆有一层纳米TiO₂膜；所述外管为有机玻璃管。

所述上、下双向接头的两端均设置有一锥形的卡套，所述上、下双向接头的中部内径和外径上均设置有一圈凸缘；所述外径凸缘的上、下设置有一对螺帽，所述螺帽通过螺纹连接在所述上、下双向接头上；所述的上双向接头的外径凸缘上设置有一径向延伸且向下弯曲的导水孔，所述下双向接头的中部设置有一径向且向上弯曲的导水孔；所述下双向接头的内径凸缘内设置有一不锈钢密封圈，在所述不锈钢密封圈内过盈配合连接有一突起管，所述突起管的外壁的顶部设置有一测温元件，所述测温元件的导线从所述导水孔中穿出，与所述低温恒温槽的控温电路相连。

所述恒温循环回路采用液体为导热介质时，所述恒温管包括一内管，设置在所述内管外面的一外管，设置在所述外管两端的一上管接头和一下管接头，所述内、外管之间设置有导热介质，所述内管的顶部穿过所述上管接头且通过一螺帽连接在所述上双向接头内，所述内管的底部穿过所述下管接头且通过另一螺帽连接在所述下双向接头内，所述上、下管接头的端面设置有连接低温恒温循环回路的导液口；所述内管的外壁径向设置有若干散热翅片；所述内管为内抛光的不锈钢管；所述外管为有机玻璃材料。

所述恒温循环回路的恒温管采用电热丝为加热时，所述恒温管仅包括一内管，所述恒温管的内管为内抛光的不锈钢管；所述加热恒温装置被替换为一恒温控温装置。

连接所述两个蠕动泵的泵管均有一段浸在所述收集瓶的液面之下。

本发明由于采取以上技术方案，具有以下优点：1、本发明采用一低温恒温装置和一加热恒温装置，可以准确、稳定地获取需要的颗粒物湿度。2、本发明的饱和冷凝管采用循环回路方式冷却气流和恒温管采用循环回路方式加热气流，温度控制稳定，效果好。3、本发明的饱和冷凝管的内管采用内抛光的不锈钢管，且内壁涂覆有纳米TiO₂膜，使其内壁的亲水性增强，颗粒物在除湿和加湿过程中基本上没有损失，不影响颗粒物采样的后续分析。4、本发明的饱和冷凝管和恒温管中的导热介质可以是水、油或醇类等液体，能够在较大范围内控制饱和冷凝管和恒温管的温度。5、本发明在饱和冷凝管的内管的出气口处置有一测温元件，其与低温恒温槽的控温电路相连，既可以读取饱和冷凝管的内管的出气口的实际温度，又可以根据反馈的温度信息，控制内管出气口的温度。6、本发明在饱和冷凝管的内管外侧设置有散热翅片，加大了内管壁与介质的接触面积，加快二者的热交换速率。7、本发明采用蠕动泵作为动力向饱和冷凝管的内管的注水和抽水，供水和抽水的速率可以控制，且稳定，连接蠕动泵的泵管均有一段浸在收集瓶的液面之下，保证了密封性，且简单易行。8、本发明的饱和冷凝管采用循环回路方式除湿和加湿，可以实现长时间连续除湿和加湿，且无需人看管，人力成本低。9、本发明实用性强，安装操作简单，只需上接颗粒物切割器或到U型采样头的出气管，下接颗粒物分析仪器，无需改变仪器的主体结构。本发明能够有效地控制湿度对颗粒物在线测量仪器的影响，特别适用于实验室研究及全国各地环境保护监测站使用。

附图说明

图1是本发明总体结构示意图

图2是本发明饱和冷凝管上双向接头结构剖面示意图

图3是本发明饱和冷凝管下双向接头结构剖面示意图

图4是本发明管接头结构剖面示意图

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细的描述。

本发明方法主要是利用相对湿度、露点温度的定义及水蒸汽分压原理，得出一种通过改变气流的温度来控制气流的相对湿度的方法。根据相对湿度的定义：大气中实际水蒸汽分压和同温下饱和水蒸汽压力的百分比值，即相对湿度RH=P_i/P_o*100%，其中：P_i为环境温度下的实际水蒸汽分压，P_o为在环境温度下的饱和水蒸汽压力。想控制相对湿度RH只能从实际水蒸汽分压P_i着手。本发明方法采用低温饱和法，根据表面物理化学相关理论，当含有水蒸汽的气流经过低于其露点温度T_i的界面时，过饱和的水气会凝结在低温界面上；若水气不足以在露点温度T_i下饱和冷凝时，则依靠水的蒸发给气流加湿，使水蒸汽分压达到露点温度T_i时的饱和蒸气压P_o’，即P_i=P_o’；然后再将气流加热至颗粒物分析仪器的测试温度T_o，则相对湿度为RH=P_i/P_o*100%=P_o’/P_o*100%。由此可见只需先将气流的温度调节至露点温度T_i，并使气流中的水蒸汽在露点温度T_i下饱和，再将气流加热至颗粒物分析仪器的测试温度T_o，便可以达到控制湿度的目的。

如图1所示，本发明装置包括上、下两个双向接头1、2，一饱和冷凝管3，一恒温管4，一低温恒温槽5，一加热恒温装置6，上、下两个蠕动泵7和一收集瓶8。

如图1、图2所示，本发明上部的双向接头1的顶部设置有一用于密封的锥形的卡套11，双向接头1的中部内径和外径上均设置有一圈凸缘12、13，外径凸缘13的上、下设置有一对螺帽14、15，两螺帽14、15通过螺纹连接在双向接头1上。上部的螺帽14和卡套11的配合用于密封连接外设的颗粒物切割头或倒U型采样头（图中均未示出）的出气管9，出气管9的底面定位在内径凸缘12的顶部。外径凸缘13上设置有一径向延伸且向下弯曲的导水孔16，导水孔16的外端通过一泵管71连接一蠕动泵7，蠕动泵7工作时，可以从收集瓶8抽水经导水孔16进入饱和冷凝管3。

如图1、图3所示，本发明下部的双向接头2与上部的双向接头1类似，双向接头2的顶部设置有一用于密封的锥形的卡套21，双向接头2中部的内径和外径上均设置有一圈凸缘22、23，外径凸缘23的上、下设置有一对螺帽24、25，两螺帽24、25通过螺纹连接在双向接头2上。在双向接头2中部设置有一径向且向上弯曲的导水孔26，导水孔26外端通过另一泵管71连接另一蠕动泵7，蠕动泵7工作时，可以从导水孔26往收集瓶8中抽水。在双向接头2的内径凸缘22内设置有一不锈钢密封圈27，在不锈钢密封圈27内过盈配合连接有一突起管28，突起管28外壁的顶部设置有一测温元件29，测温元件29的导线从导水孔26中穿出。

如图1、图2、图3、图4所示，本发明的饱和冷凝管3包括一内管31，一外管32，上、下对称设置的两个管接头33和两个固定螺帽34。内管31长，外管32短，内管31与外管32之间充有导热介质，内管31外壁径向设置有若干散热翅片35，散热翅片35增大了内管31与导热介质的接触面积，提高了导热效率。内管31采用内壁抛光的不锈钢材料，且涂覆有纳米TiO₂膜36，使其内壁的亲水性增强。每个管接头33均具有一个大口端、一个小口端，两个管接头33的小口端分别通过螺帽34和O型密封圈37连接在内管31的外壁上，两个管接头33的大口端密封连接在外管32的两端。内管31的顶部穿过螺帽15密封连接在双向接头1内，内管31的底部穿过螺帽24密封连接在双向接头2内。在安装过程中，内管31的顶面和底面分别与内径凸缘12、22之间留有间隙，以形成一环形空间，使从导水孔16进入的水充盈在环形空间，并被内管31内壁亲水的纳米TiO₂膜36均匀吸收，形成一层水膜。每一管接头33的大口端与小口端的连接端面上设置有一个连通导热介质的导液口38。

如图1所示，本发明的恒温管4的结构与饱和冷凝管2相似，包括一内管41，一外管42，上、下对称设置的两个管接头43和两个固定螺帽44，每一管接头43的大口端与小口端的连接端面上分别设置有一个连通导热介质的导液口48。恒温管4与饱和冷凝管3的区别在于：恒温管的内管41的内壁不涂覆纳米TiO₂膜，内管41的顶部穿过螺帽25密封连接在双向接头2内，内管41的底部密封连接外设的颗粒物分析仪器（图中未示出）。

如图1、图3所示，本发明的低温恒温槽5为一已知技术，其通过管路51和管路52与饱和冷凝管3的两个导液口38连接，形成一低温恒温循环回路。同时，低温恒温槽5的控温电路通过从导水孔26穿出的导线与测温元件29连接，既可以读取饱和冷凝管3内管31出气口的实际温度，又可以根据反馈的温度信息，控制内管出气口的温度。

如图1所示，本发明的加热恒温装置6亦为一已知技术的恒温槽，其通过管路61和管路62与恒温管4的两个导液口48连接，形成一恒温循环回路，以对恒温管4的内管41中的气流进行加热至设定的温度。

上述实施例中，恒温管4和加热恒温装置6也可以采取以下结构方式，即恒温管4仅为一内管41，在内管41外壁设置一缠绕有电热丝的加热套（图中未示出），加热套连接一恒温控温装置，也可以实现对恒温管4的内管41中的气流进行加热的目的。

上述实施例中，上、下双向接头1、2还可以采用已有技术中的其它结构方式。

上述实施例中，饱和冷凝管3和恒温管4中的导热介质可以是水、油或醇类等液体。在饱和冷凝管3，恒温管4，管道51、52、61、62的外面为防止能量损失和水汽冷凝，可以包裹一层保温材料。

上述实施例中，饱和冷凝管3和恒温管4的外管32、42，可以采用有机玻璃材料，而内管31、41可以采用不锈钢材料。

上述实施例中，饱和冷凝管3和恒温管4的管接头33、43，可以采用廉价且易于加工的尼龙或其它塑料材料；管接头33、43的大口端与饱和冷凝管3和恒温管4的外管32、42的两端的密封可以采用生料带或O型密封圈。

上述实施例中，双向接头1、2和螺帽14、15、24、25可以采用不锈钢材料制成。

上述实施例中，泵管71均有一段浸在水收集瓶的液面之下，既保证了密封性，又简单易行。

本发明湿度控制的方法，包括以下步骤：

1）根据所连接的颗粒物分析仪器的测试温度T_o，设定加热恒温装置6的循环加热温度为T_o，同时也就确定了恒温管4的温度T_o，查表得出,在温度T_o时饱和水蒸汽压力P_o，根据相对湿度RH=P_i/P_o*100%，可知P_i=RH*P_o，查表后可知，当饱和水蒸汽压力为P_i时水的露点温度为T_i，则设定低温恒温槽5的温度为T_i，即保证气流经过饱和冷凝管3后温度达到T_i；

2）开启颗粒物分析仪器电源开始采气；启动低温恒温槽5，使位于饱和冷凝管3中的导热介质在低温恒温槽5与饱和冷凝管3之间的低温恒温回路中循环；同时开启加热恒温装置6，为恒温管4与加热恒温装置6之间的恒温循环回路加热；

3）开启两个蠕动泵7，其中上方的蠕动泵7从收集瓶8中抽取水为双向接头1的导水口16注水，下方的蠕动泵7，从双向接头2的导水口26处抽取从纳米TiO₂膜36渗下来的水，送回收集瓶8。

在上述方法中，气流在经过温度为T_i的饱和冷凝管3时，若气流中的水蒸汽处于饱和状态，则会在内管31内壁的水膜上凝结，并随水膜经蠕动泵7抽走；若气流中的水蒸汽处于未饱和状态，则气流在流经水膜时，水膜蒸发会使气流中的水分增多，直至在设定温度呈饱和状态。流出饱和冷凝管3的气流在恒温管4中被加热至颗粒物分析仪器的测试温度T_o后，进入颗粒物分析仪器。

上述方法中，从饱和冷凝管3向外抽水的蠕动泵7的转速要略大于向饱和冷凝管3内注水的蠕动泵7的速率，蠕动泵7的注水速率不宜过大，否则将会使得水在前端形成水滴或者水柱，易影响到颗粒物采样；注水速率也不宜太小，否则将不足以形成水膜覆盖整个内管31的内壁，影响水气交换的充分性；

上述方法中，气流首先流经饱和冷凝管3，然后通过双向接头2进入恒温管4。由于恒温管4的温度T_o一般要比饱和冷凝管3的温度T_i高，所以恒温管4起到了加热的作用；另外由于通过循环的加热方式，所以加热均匀稳定，不会出现较大的温度波动。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims

1.一种气溶胶湿度控制方法，其包括以下步骤：

1）在进入颗粒物分析仪器的气流路径中，依次设置一低温恒温装置和一加热恒温装置；

2）在所述低温恒温装置中，将进样气流的温度调节至设定温度T_i，并在该温度下进行加湿或除湿的处理，以满足颗粒物分析仪器对进样气流的相对湿度RH要求；

3）在所述加热恒温装置中，通过对满足相对湿度RH的进样气流进行加热，满足颗粒物分析仪器的测试温度T_o要求。

2.如权利要求1所述一种气溶胶湿度控制方法，其特征在于：所述步骤2）中的设定温度T_i，采用以下步骤得到：

1）根据颗粒物分析仪器的测试温度T_o，查表即得，在温度T_o下的饱和水蒸汽压力P_o；

2）根据相对湿度的定义RH=P_i/P_o*100%，若相对湿度RH和在温度T_o下的饱和水蒸汽压力P_o为已知，则得到在温度T_o下实际的水蒸汽分压P_i=RH*P_o；

3）当饱和水蒸汽压力为P_i时，查表即得，在该气压P_i下水的露点温度T_i，即为设定温度T_i。

3.实现权利要求1或2所述方法的一种气溶胶湿度控制装置，其特征在于：它包括一上双向接头、一下双向接头，一饱和冷凝管，一恒温管，一低温恒温槽，一加热恒温装置，两个蠕动泵和一收集瓶；所述饱和冷凝管通过管路连接所述低温恒温槽，形成所述低温恒温循环回路；所述恒温管通过管路连接所述加热恒温装置，形成所述恒温循环回路；其中一所述蠕动泵通过泵管连通所述上双向接头的导水孔，另一所述蠕动泵通过泵管连通所述下双向接头的导水孔，形成所述调节水循环回路；所述饱和冷凝管包括一内管，设置在所述内管外面的一外管，设置在所述外管两端的上管接头和下管接头；所述内、外管之间设置有导热介质，所述内管的顶部穿过所述上管接头且通过一螺帽连接在所述上双向接头内，所述内管的底部穿过所述下管接头且通过另一螺帽连接在所述下双向接头内；所述上、下管接头的端面设置有连接所述低温恒温循环回路的导液口；所述内管的外壁径向设置有若干散热翅片；所述内管为内抛光的不锈钢管，所述的内管的内壁涂覆有一层纳米TiO₂膜；所述外管为有机玻璃管。

4.如权利要求3所述的一种气溶胶湿度控制装置，其特征在于：所述上、下双向接头的两端均设置有一锥形的卡套，所述上、下双向接头的中部内径和外径上均设置有一圈凸缘；所述外径凸缘的上、下设置有一对螺帽，所述螺帽通过螺纹连接在所述上、下双向接头上；所述的上双向接头的外径凸缘上设置有一径向延伸且向下弯曲的导水孔，所述下双向接头的中部设置有一径向且向上弯曲的导水孔；所述下双向接头的内径凸缘内设置有一不锈钢密封圈，在所述不锈钢密封圈内过盈配合连接有一突起管，所述突起管的外壁的顶部设置有一测温元件，所述测温元件的导线从所述导水孔中穿出，与所述低温恒温槽的控温电路相连。

5.如权利要求3或4所述的一种气溶胶湿度控制装置，其特征在于：所述恒温循环回路采用液体为导热介质时，所述恒温管包括一内管，设置在所述内管外面的一外管，设置在所述外管两端的一上管接头和一下管接头，所述内、外管之间设置有导热介质，所述内管的顶部穿过所述上管接头且通过一螺帽连接在所述上双向接头内，所述内管的底部穿过所述下管接头且通过另一螺帽连接在所述下双向接头内，所述上、下管接头的端面设置有连接低温恒温循环回路的导液口；所述内管的外壁径向设置有若干散热翅片；所述内管为内抛光的不锈钢管；所述外管为有机玻璃材料。

6.如权利要求3或4所述的一种气溶胶湿度控制装置，其特征在于：所述恒温循环回路的恒温管采用电热丝为加热时，所述恒温管仅包括一内管，所述恒温管的内管为内抛光的不锈钢管；所述加热恒温装置被替换为一恒温控温装置。

7.如权利要求3或4所述的一种气溶胶湿度控制装置，其特征在于：连接所述两个蠕动泵的泵管均有一段浸在所述收集瓶的液面之下。

8.如权利要求5所述的一种气溶胶湿度控制装置，其特征在于：连接所述两个蠕动泵的泵管均有一段浸在所述收集瓶的液面之下。

9.如权利要求6所述的一种气溶胶湿度控制装置，其特征在于：连接所述两个蠕动泵的泵管均有一段浸在所述收集瓶的液面之下。