CN103135641B - 用于气溶胶粒径分布测量的电压和流量控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于气溶胶粒径分布测量的电压和流量控制系统，属于环境气溶胶技术领域。所述的控制系统结构为：电路板通过导线分别和高压电模块、直流电压转换模块、数据采集卡、绝对压强传感器、质量流量计、温湿度传感器相连；直流电压转换模块通过导线和风机相连；气体进口、前置过滤器、T型三通、质量流量计、风机、限流孔、散热管、后置过滤器和气体出口通过管路依次相连；温湿度传感器通过管路和T型三通的垂直通道相连；绝对压强传感器通过管路和T型三通相连。本发明提出的控制系统操作简便、灵敏度高、密封性好、运行稳定性高，可与气溶胶粒径测量仪器灵活组装，用于实验室测量和外场测量。

Description

用于气溶胶粒径分布测量的电压和流量控制系统

技术领域

本发明属于环境气溶胶技术领域，特别涉及一种用于气溶胶粒径分布测量的电压和流量控制系统。

背景技术

采用电迁移率的方法对气溶胶粒径分布进行测量的仪器，通常需要给系统提供高压和鞘气，才能完成气溶胶在差分电迁移率分析仪（DMA）中迁移，并筛选出不同粒径的颗粒物。因此，电压和流量控制系统是气溶胶测量仪器的核心组成部分。

目前气溶胶研究越来越受到国内外的关注。我国新修订的《环境空气质量标准》也纳入PM_2.5这一指标，将在全国范围内逐步实现PM_2.5的监测。现有的气溶胶粒径分布测量仪器多采用负高压电源，这影响了气溶胶粒径分布测量的灵敏度。因为气溶胶经过双极性荷电器后，带负电的颗粒物所占比例明显高于带正电荷的颗粒物的比例，所以采用负高压电源提供给DMA而筛选带正电的气溶胶进行测量，这降低了仪器的灵敏度。同时这些仪器的构造复杂，灵活性不足，在拆卸、更换和多系统集成过程都存在不便之处。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出了一种用于气溶胶粒径分布测量的电压和流量控制的独立运行系统，该系统可用来产生高压和不含颗粒物且流量稳定的鞘气，能灵活地与不同公司和不同型号的差分电迁移率分析仪（DMA）和凝聚核粒子计数器（CPC）组合构成一套完整的测量不同粒径范围的气溶胶粒径谱仪，适合于实验室测量和外场观测使用。

一种用于气溶胶粒径分布测量的电压和流量控制系统，包括电压控制和鞘气流量控制两部分：

所述的电压控制部分主要包括高压电模块1、电路板12和数据采集卡14；

所述的鞘气流量控制部分包括气体进口2、前置过滤器3、绝对压强传感器4、质量流量计5、温湿度传感器6、风机7、限流孔8、散热管9、后置过滤器10、气体出口11、电路板12、直流电压转换模块13、数据采集卡14和T型三通15；

电路板12通过导线分别和高压电模块1、直流电压转换模块13、数据采集卡14、绝对压强传感器4、质量流量计5、温湿度传感器6相连；直流电压转换模块13通过导线和风机7相连；

所述的气体进口2、前置过滤器3、T型三通15、质量流量计5、风机7、限流孔8、散热管9、后置过滤器10和气体出口11通过管路依次相连；温湿度传感器6通过管路和所述的T型三通15的垂直通道相连；绝对压强传感器4通过管路和T型三通15相连。

其中，

所述的高压电模块1的工作电压为12V、电流为0.4A；调节电压为0-5V，输出电压为0-10kV；

气体进口2和前置过滤器3之间，以及后置过滤器10和气体出口11之间用3/8英寸Tygon软管连接；

前置过滤器3和T型三通15之间通过3/8英寸NPT（National Pipe Thread）外螺纹连接；温湿度传感器6与T型三通15的连接处使用1/2英寸聚四氟乙烯（PTFE）卡套，温湿度传感器6的感应端完全置于气路中，并采用标准M8接头与电路板12连接；T型三通15的底端固定1/16英寸的软管接头，用1/16英寸软管与绝对压强传感器4连接；T型三通15与质量流量计5之间用3/8英寸转1/4英寸NPT内螺纹变径接头连接；

所述的质量流量计5与风机7之间采用一端为1/4英寸NPT内螺纹，另一端为3/8英寸软管接头连接；

所述的散热管9是直径为3/8英寸的铜管；散热管9的两端固定直径为3/8英寸卡套式软管接头，用于与风机7和后置过滤器10连接；

所述的前置过滤器3和后置过滤器10均为HEPA过滤器，使用丙烯酸高聚物滤膜，从而使对颗粒物的截留效率达到99.97%，同时气体通过时压力损失低；

所述的限流孔8的孔径为0.005英寸至0.05英寸；安装在风机7和散热管9之间，用以调节管道中的气流阻力；

所述的风机7的机体完全密封，体积小、发热量低、噪声小、使用寿命长；

直流电压转换模块13的输出端与风机7的电源线连接；通过调节直流电压转换模块13的调节端电压，使得输出电压即风机7的工作电压发生变化，实现管路中气体流量的调节；所述的风机7的工作电压为0-15V；

所述的直流电压转换模块13的工作电压为12V，调节端电压范围为1.25-2.5V，对应模块输出电压为7.5-15V；具有隔离、准确远程电压调节、过热和过电流保护、抗干扰性强和稳定等特点，能精确地输出稳定的电压；

所述的电路板12包括保险丝、稳压电源模块（12V、10V、5V）、风机和高压模块开关、绝对压强传感器和各种外部接口；所述的稳压电源模块为系统提供所需的稳压电源；所述的风机和高压模块开关可以单独控制模块的开与关，方便操作；所述的各种外部接口可与传感器和数据采集卡连接；

所述的数据采集卡14包括16路16位的模拟输入通道、2路16位的模拟输出通道、4路数字输入通道、4路数字输出通道和32位计数器；数据采集卡14采用即插即用的USB接口，方便使用；

所述的鞘气流量控制系统采用PID（比例积分微分）闭环控制来稳定管道中的气体流量，以确保鞘气的稳定、精确输出，鞘气的流量范围为0-30L/min；

质量流量计5采用文丘里流量管形外壳，微桥芯片直接与气流接触，大大减少了由于通气孔或旁路堵塞引起的误差；质量流量计5具有内置的信号处理电路，含放大线性修正、温度补偿等功能；

所述的温湿度传感器6为微型、低功耗快速启动的HUMICAP^®180R传感器，具有卓越的稳定性和高化学耐受性，带有标准M8接头的可插拔式电缆，方便安装，测量精度高，稳定性好；

整个管路中的连接处均使用不锈钢扎带扎紧，确保管路的完全密封；

所述的后置过滤器10安装在气体出口11之前，以去除鞘气可能含有的颗粒物。

本发明的有益效果为：

与现有技术相比，本发明可用来产生高压和不含颗粒物的鞘气。通过调节输出电压范围和鞘气流量，可与不同公司和不同型号的DMA、CPC配置成测量不同粒径范围的气溶胶粒径谱仪。在高压电模块的选择和电压输出控制上，使气溶胶粒径分布测量的灵敏度得以提高；鞘气流量采用PID控制，使鞘气流量更加稳定、精确；优化的管路连接设计和在管路中各个连接点采用不锈钢扎带固定，确保了系统的密封性，并为仪器的稳定运行提供了保证。该系统操作简便、密封性好、运行稳定性高，可与气溶胶粒径测量仪器灵活组装，用于实验室测量和外场测量。

附图说明

图1是用于气溶胶粒径分布测量的电压和流量控制系统的电路和气路的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明做进一步详细的说明：

实施例1：

如图1所示，因为气溶胶经双极性荷电器之后带负电的颗粒物所占比例会高于带正电的颗粒物所占比例，因此本系统电压控制部分采用正高压电模块1来筛选带负电的颗粒物。正高压电模块1具有电源输入引脚、开关引脚、信号控制引脚、高压输出引脚和反馈引脚；电源输入引脚通过电路板提供稳定的12V工作电压，外引开关通过电路板连接至开关引脚，实现高压电的开关控制，信号控制引脚和反馈引脚通过电路板转接至数据采集卡，采用0-5V电压信号对高压输出电压（0-10kV）进行控制输出，同时反馈引脚的输入电压可进一步保证高压输出的准确性。高压输出引脚通过AMP方式与DMA高压电接头连接，增加了高压电操作的安全性。

本系统在使用的过程中，气体进口2与前置过滤器3用3/8英寸Tygon软管接头相连接；前置过滤器3的出气口端与T型三通15的3/8英寸NPT外螺纹连接，T型黄铜三通的垂直端安装温湿度传感器6，在温湿度传感器6与接头连接处使用1/2英寸PTFE卡套，确保完全密封。在T型三通15的底端固定1/16英寸的软管接头，方便绝对压强传感器4测量气路中的压强；质量流量计5固定在机箱盒底部，气体通过质量流量计5时将产生与流量成正比的电压信号，并由AMP连接头将电压信号传输至电路板12，以测量气体的质量流量；质量流量计5与风机7的进气口密封连接，在风机7的出气口连接限流孔8；风机7的电源线与直流电压转换模块13的输出端连接，通过控制直流电压转换模块13的Trim端调节输出电压，即风机7的工作电压，实现风机7抽气量的控制；风机7后安装3/8英寸散热铜管9以去除因风机7在运行的过程中发热所产生的热量；在气体出口11和散热管9之间安装后置过滤器10，保证了产生的鞘气完全无颗粒物。后置过滤器10用扎带固定在散热管9上；通过上述操作将产生不含颗粒物的鞘气。

上述系统能够精确、安全地输出0-10kV正高压电，并同时产生无颗粒物、流量稳定的鞘气（0-30L/min）。该系统提高了气溶胶粒径分布测量的灵敏度，增加了其灵活性，弥补了气溶胶粒径分布测量仪器控制系统方面的不足。

Claims (10)

1.一种用于气溶胶粒径分布测量的电压和流量控制系统，其特征在于，包括电压控制和鞘气流量控制两部分：

所述的电压控制部分包括高压电模块(1)、电路板(12)和数据采集卡(14)；

所述的鞘气流量控制部分包括气体进口(2)、前置过滤器(3)、绝对压强传感器(4)、质量流量计(5)、温湿度传感器(6)、风机(7)、限流孔(8)、散热管(9)、后置过滤器(10)、气体出口(11)、电路板(12)、直流电压转换模块(13)、数据采集卡(14)和T型三通(15)；

所述的电路板(12)通过导线分别和高压电模块(1)、直流电压转换模块(13)、数据采集卡(14)、绝对压强传感器(4)、质量流量计(5)、温湿度传感器(6)相连；直流电压转换模块(13)通过导线和风机(7)相连；

所述的气体进口(2)、前置过滤器(3)、T型三通(15)、质量流量计(5)、风机(7)、限流孔(8)、散热管(9)、后置过滤器(10)和气体出口(11)通过管路依次相连；温湿度传感器(6)通过管路和所述的T型三通(15)的垂直通道相连；绝对压强传感器(4)通过管路和T型三通(15)相连。

2.根据权利要求1所述的用于气溶胶粒径分布测量的电压和流量控制系统，其特征在于，所述的高压电模块(1)的工作电压为12V、电流为0.4A；调节电压为0-5V，输出电压为0-10kV。

3.根据权利要求1所述的用于气溶胶粒径分布测量的电压和流量控制系统，其特征在于，气体进口(2)和前置过滤器(3)之间，以及后置过滤器(10)和气体出口(11)之间用3/8英寸Tygon软管连接；所述的前置过滤器(3)和T型三通(15)之间通过3/8英寸NPT外螺纹连接；温湿度传感器(6)与T型三通(15)的连接处使用1/2英寸聚四氟乙烯卡套，温湿度传感器(6)的感应端完全置于气路中，并采用标准M8接头与电路板(12)连接；T型三通(15)的底端固定1/16英寸的软管接头，用1/16英寸软管与绝对压强传感器(4)连接；T型三通(15)与质量流量计(5)之间用3/8英寸转1/4英寸NPT内螺纹变径接头连接；所述的质量流量计(5)与风机(7)之间采用一端为1/4英寸NPT内螺纹，另一端为3/8英寸软管接头连接；所述的散热管(9)是直径为3/8英寸的铜管；散热管(9)的两端固定直径为3/8英寸卡套式软管接头，用于与风机(7)和后置过滤器(10)连接。

4.根据权利要求1所述的用于气溶胶粒径分布测量的电压和流量控制系统，其特征在于，所述的前置过滤器(3)和后置过滤器(10)均为HEPA过滤器，使用丙烯酸高聚物滤膜。

5.根据权利要求1所述的用于气溶胶粒径分布测量的电压和流量控制系统，其特征在于，所述的限流孔(8)的孔径为0.005英寸至0.05英寸。

6.根据权利要求1所述的用于气溶胶粒径分布测量的电压和流量控制系统，其特征在于，所述的风机(7)的机体完全密封；通过调节直流电压转换模块(13)的调节端电压，使得风机(7)的工作电压发生变化，实现管路中气体流量的调节；所述的风机(7)的工作电压为0-15V；所述的直流电压转换模块(13)的工作电压为12V，调节端电压范围为1.25-2.5V，对应模块输出电压为7.5-15V。

7.根据权利要求1所述的用于气溶胶粒径分布测量的电压和流量控制系统，其特征在于，所述的电路板(12)包括保险丝、12V、10V和5V三个稳压电源模块、风机和高压模块开关、绝对压强传感器和各种外部接口。

8.根据权利要求1所述的用于气溶胶粒径分布测量的电压和流量控制系统，其特征在于，所述的数据采集卡(14)包括16路16位的模拟输入通道、2路16位的模拟输出通道、4路数字输入通道、4路数字输出通道和32位计数器；数据采集卡(14)采用即插即用的USB接口。

9.根据权利要求1所述的用于气溶胶粒径分布测量的电压和流量控制系统，其特征在于，所述的鞘气流量控制系统采用PID闭环控制来稳定管道中的气体流量，鞘气的流量范围为0-30L/min。

10.根据权利要求1所述的用于气溶胶粒径分布测量的电压和流量控制系统，其特征在于，质量流量计(5)采用文丘里流量管形外壳，微桥芯片直接与气流接触；质量流量计(5)具有内置的信号处理电路，含放大线性修正、温度补偿功能。