CN103364257B - 亚微米气溶胶粒子浓缩器及其性能测试装置与测试方法 - Google Patents

Abstract

一种亚微米气溶胶粒子浓缩器及其性能测试装置与测试方法，所述的亚微米粒子浓缩器由上盖体和主腔体通过螺纹连接而成；所述的上盖体的中心设有入口喷嘴，所述的主腔体内为环状空腔，底中心设有收集喷嘴，两侧壁分别设有大流量出口；所述的入口喷嘴和所述的收集喷嘴均为圆锥形通孔，两喷嘴的喷口相隔一定距离相对且同轴，所述的入口喷嘴、收集喷嘴和大流量出口通过环状空腔在气路上相通。本发明具有构成简单、成本低等特点。采用本发明气溶胶粒子浓缩器能实现亚微米气溶胶粒子的有效浓缩，利用该性能测试装置与测试方法可方便快速地检测出气溶胶粒子浓缩器的收集效率等性能指标。

Description

亚微米气溶胶粒子浓缩器及其性能测试装置与测试方法

技术领域

本发明涉及气溶胶采样方法，特别是一种亚微米气溶胶粒子浓缩器及其性能测试装置与测试方法。

背景技术

大气气溶胶粒子是指悬浮在大气中的各种固体微粒和液体微小颗粒，其中有生物活性的粒子称为生物气溶胶粒子，包括诸如病毒、细菌、真菌、花粉、孢子等微生物。其粒径范围从0.01μm到100μm不等。生物气溶胶直接影响环境，威胁人体健康。一般情况下，生物气溶胶在环境中的浓度较低，直接采样所需时间较长，从而影响微生物的活性；另外，低浓度的生物气溶胶也不利于实时监测，从而增加技术难度和成本。

气溶胶粒子浓缩器采用惯性原理实现大气中切割粒径以上气溶胶粒子的浓缩。目前研究和应用较多的粒子浓缩器多针对微米级气溶胶粒子，针对亚微米级气溶胶粒子的浓缩器相对较少。常见的致病菌等生物气溶胶粒子一般粒径在0.4～10μm之间，可直接经由呼吸道进入人体而产生危害，因此亚微米级气溶胶粒子浓缩器对大气环境中生物气溶胶的快速采样和实时监测具有重要的意义。气溶胶粒子浓缩器的性能测试通常有两种方法，一种是抽样检测法，另一种是先收集后检测法。一般以含单分散气溶胶粒子的气源对粒子浓缩器进行性能测试。

抽样检测法是在气溶胶粒子浓缩器工作过程中分别从其进气口和小流量出口的气流中抽取少量样气，测量样气的粒子浓度作为原气流的粒子浓度来计算收集效率。如果原气流的流量较低，为便于后续浓度检测，抽取出的样气气流通常需要与洁净气体按比例混匀进行稀释，然后将稀释后的气流引入粒子计数器或粉尘仪等装置以测量样气中的气溶胶粒子的浓度。

先收集后检测法是在小流量和大流量出口后加装高效滤膜过滤器，粒子浓缩器每工作一个周期，取下滤膜，把滤膜上的粒子混于溶剂中，通过测量溶液的粒子浓度得到粒子数目，用同样的方法测量粒子浓缩器的收集孔与内壁上粘附的粒子数目，滤膜与浓缩器内部的粒子数总和即为总采样粒子数，计算小流量出口后的滤膜上的粒子数与总粒子数的比值即可得到收集效率。

上述现有技术主要存在以下缺点：

1．系统复杂，流程繁琐。

抽样检测法需要对原气流加入洁净气体进行定量稀释，操作过程中涉及粒子浓度的换算和稀释比例的调节，抽样过程中需调节多处的流量大小，整个测试系统构成复杂且控制环节较多。先收集后检测法每次均需将进入粒子浓缩器的所有粒子提取出来，再通过后续检测获得粒子数目，每次测量前对滤膜和气溶胶粒子浓缩器内部的清洁度要求较高，整个测试流程繁琐，可操作性差。

2．所需设备较多，成本较高。

抽样检测法除了需要粒子发生器和浓度检测设备外，还需要洁净气源和多个稀释器。为了控制稀释前后的浓度，还需要多个流量控制器，因此，整个系统的组成所需设备多，成本也相应增加。

3．对气流中粒子分布均匀性要求较高。

抽样检测法以样气的浓度推算原气流的粒子浓度，需要保证抽样过程中原气流中的粒子分布较为均匀，否则会造成检测结果不够准确。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明提供一种亚微米气溶胶粒子浓缩器，并为其提供了一种性能测试装置与方法，该装置具有构成简单、成本低等特点。采用该气溶胶粒子浓缩器能实现亚微米气溶胶粒子的有效浓缩，利用该性能测试装置与测试方法可方便快速地检测出气溶胶粒子浓缩器的收集效率等性能指标。

本发明的技术解决方案如下：

一种亚微米粒子浓缩器，其特电在于由上盖体和主腔体通过螺纹连接而成，所述的上盖体中心设有入口喷嘴，所述的主腔体的内腔为环状空腔，底中心设有收集喷嘴，侧壁上有关于所述的收集喷嘴对称分布的两个大流量出口；所述的入口喷嘴和所述的收集喷嘴均为圆锥形通孔且两喷嘴相隔一定距离相对、同轴，所述的亚微米粒子浓缩器的主要结构参数为入口喷嘴和收集喷嘴的喷口孔径以及两个喷口之间的距离，两喷口之间的距离可以通过控制上盖体与主腔体之间螺纹进行调节。

所述的亚微米粒子浓缩器性能的测试装置的构成包括：由管道依次连接的气溶胶发生器、缓冲瓶、第一气体流量计的第一粒子计数器至所述的亚微米粒子浓缩器的入口喷嘴，由所述的亚微米粒子浓缩器的大流量出口用管道依次连接的第一节流阀和第一气泵，从所述的亚微米粒子浓缩器的收集喷嘴的喷口用管道依次连接的第二粒子计数器、第二气体流量计、第二节流阀和第二气泵。

利用所述的气溶胶粒子浓缩器的性能测试装置测试亚微米粒子浓缩器性能的方法，该方法包括下列步骤：

①确定亚微米粒子浓缩器的初步收集效率R₁：

开启第一气泵和第二气泵，调节第一节流阀和第二节流阀使第一气体流量计和第二气体流量计的示值分别达到粒子浓缩器的入口喷嘴的设计流量F₁和收集喷嘴的设计流量F₂，开启气溶胶发生器，产生粒径为d_xμm的单分散粒子，然后开启第一粒子计数器和第二粒子计数器，待粒子计数器的计数值稳定后记录计数值，计算第二粒子计数器和第一粒子计数器计数值的比值，调节气溶胶发生器以改变气溶胶浓度，得到多组比值，取平均值作为初步收集效率R₁；

②测量分别工作在流量F₁和F₂下的第一粒子计数器和第二粒子计数器的流量校正因子R₂：

在所述的粒子浓缩器的性能测试装置基础上重新连接各元部件组成标定装置，各元部件的连接顺序为：气溶胶发生器连接到缓冲瓶，缓冲瓶之后的连接分两路，一路依次连接到第一粒子计数器、第一气体流量计、第一节流阀和第一气泵，另一路依次连接到第二粒子计数器、第二气体流量计、第二节流阀和第二气泵；开启第一气泵和第二气泵，调节第一节流阀和第二节流阀使第一气体流量计和第二气体流量计的示值分别达到F₁和F₂；开启气溶胶发生器，产生粒径为d_xμm的单分散粒子，然后开启第一粒子计数器和第二粒子计数器，待粒子计数器的计数值稳定后记录计数值，计算第二粒子计数器和第一粒子计数器计数值的比值；调节气溶胶发生器以改变气溶胶浓度，得到多组比值，取平均值作为粒子计数器的流量校正因子R₂；

③按下式计算亚微米粒子浓缩器（1）对粒径为d_xμm粒子的收集效率η_x：

${\mathrm{\η}}_x=\frac{F_2\·R_1}{F_1\·R_2}\×100\%.$

与在先技术相比，本发明的技术效果如下：

1、本发明所采用的装置构成比较简单，所采用的仪器和工具较少，除了粒子计数器、气体流量计等主要测量仪器外，并无其他专用设备，因此，测试成本也较低。

2、测试装置搭建好后，可直接根据粒子浓缩器工作状态下的测试结果计算粒子浓缩器的收集效率，方法简便，可操作性强。

3、气溶胶粒子直接经由粒子计数器进行计数，测量结果更准确，对气流中粒子的分布均匀性无特殊要求。

附图说明

图1为本发明亚微米气溶胶粒子浓缩器的结构图。

图2为本发明亚微米气溶胶粒子浓缩器的性能测试装置的结构框图。

图3为本发明不同流量下粒子计数器的标定装置的结构框图。

图4为本发明实施例中亚微米粒子浓缩器的收集效率曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

先请参阅图1，图1为本发明亚微米气溶胶粒子浓缩器的结构图。由图可见，本发明亚微米气溶胶粒子浓缩器，其特点在于，所述的亚微米粒子浓缩器1由上盖体11和主腔体12通过螺纹连接而成；所述的上盖体11中心设有入口喷嘴111，所述的主腔体12上设有收集喷嘴121、环状空腔122和两个大流量出口123；所述的入口喷嘴111和所述的收集喷嘴121均为圆锥形通孔且同轴，两喷嘴的喷口以一定的距离相隔；所述的两个大流量出口123对称分布于主腔体12的外围侧壁上；所述的入口喷嘴111、收集喷嘴121、环状空腔122和大流量出口123在气路上相通。所述的亚微米粒子浓缩器1的主要结构参数为入口喷嘴111和收集喷嘴121的喷口孔径以及两个喷口之间的距离，其中收集喷嘴121的喷口口径略大于入口喷嘴111的喷口，两喷口之间的距离可以通过控制上盖体11与主腔体12之间螺纹连接的长度进行调节。

所述的亚微米粒子浓缩器1的工作过程为：被采样的气溶胶从所述的入口喷嘴111顶部进入，至喷口处加速喷出，切割粒径以下的气溶胶粒子随气流进入主腔体12的环状空腔122并从大流量出口123流出，切割粒径以上的粒子由于惯性直接进入收集喷嘴121，即为浓缩之后的气溶胶。

所述的亚微米粒子浓缩器的切割粒径为0.4μm，采样流量为4.5L/min，入口喷嘴的流量与收集喷嘴的流量之比为4.5:1。

针对图1中的亚微米粒子浓缩器1，搭建了如图2所示的性能测试装置，它由气溶胶发生器201、缓冲瓶202、第一气体流量计203、第一粒子计数器204、亚微米粒子浓缩器1、第一节流阀205、第一气泵206、第二粒子计数器207、第二气体流量计208、第二节流阀209以及第二气泵210组成。

所述的气溶胶发生器201产生粒径为d_xμm的单分散粒子，并对含单分散粒子的气溶胶进行冷凝干燥。

所述的缓冲瓶202为大容量的气瓶，含单分散粒子的气体在其中会形成相对稳定的气源。

所述的第一气体流量计203和第二气体流量计208采用热式气体质量流量计，其原理是利用流动气体传热传质的依存关系，在其上下游产生温度变化而得到气体的质量，流量稳定性和测量精度均较高，且测量值基本不受工作气压的影响。

所述的第一粒子计数器204和第二粒子计数器207采用采样流量为2.83L/min的激光尘埃粒子计数器，将其气泵卸掉之后串接于检测气路中。

所述的第一节流阀205和第二节流阀209采用调节精度较高的针阀。

所述的第一气泵206和第二气泵210为亚微米粒子浓缩器1的采样气泵。

上述元部件的连接顺序如下：

气溶胶发生器201依次连接缓冲瓶202、第一气体流量计203、第一粒子计数器204和亚微米粒子浓缩器1的入口喷嘴11，大流量出口123依次连接第一节流阀205和第一气泵206，收集喷嘴121依次连接第二粒子计数器207、第二气体流量计208、第二节流阀209和第二气泵210。

利用气溶胶粒子浓缩器的性能测试装置测试亚微米粒子浓缩器1的方法包括下列步骤：

①确定亚微米粒子浓缩器1的初步收集效率R₁。

开启第一气泵206和第二气泵210，调节第一节流阀205和第二节流阀209使第一气体流量计203和第二气体流量计208的示值分别达到粒子浓缩器1的入口喷嘴的设计流量F₁和收集喷嘴的设计流量F₂。开启气溶胶发生器201，产生粒径为d_xμm的单分散粒子，然后开启第一粒子计数器204和第二粒子计数器207，待粒子计数器的计数值稳定后记录计数值，计算第二粒子计数器207和第一粒子计数器204计数值的比值。调节气溶胶发生器201以改变气溶胶浓度，得到多组计数值比值，取平均值作为初步收集效率R₁。

②测量分别工作在流量F₁和F₂下的第一粒子计数器204和第二粒子计数器207的流量校正因子R₂。

在所述的粒子浓缩器的性能测试装置基础上重新连接各元部件组成标定装置，如图3所示。各元部件的连接顺序为：气溶胶发生器201连接到缓冲瓶202，缓冲瓶202之后的连接分两路，一路依次连接到第一粒子计数器204、第一气体流量计203、第一节流阀205和第一气泵206，另一路依次连接到第二粒子计数器207、第二气体流量计208、第二节流阀209和第二气泵210。开启第一气泵206和第二气泵210，调节第一节流阀205和第二节流阀209使第一气体流量计203和第二气体流量计208的示值分别达到F₁和F₂。开启气溶胶发生器201，产生粒径为d_xμm的单分散粒子，然后开启第一粒子计数器204和第二粒子计数器207，待粒子计数器的计数值稳定后记录计数值，计算第二粒子计数器207和第一粒子计数器204计数值的比值。调节气溶胶发生器201以改变气溶胶浓度，得到多组比值，取平均值作为粒子计数器的流量校正因子R₂；

③按下式计算亚微米粒子浓缩器1对粒径为d_xμm粒子的收集效率η_x：

${\mathrm{\η}}_x=\frac{F_2\·R_1}{F_1\·R_2}\×100\%.$

实施例

亚微米粒子浓缩器1，切割粒径约为0.4μm，采样流量为4.5L/min，入口喷嘴与收集喷嘴的流量之比为4.5:1，其主要结构参数为：入口喷嘴直径d=0.7mm，收集喷嘴直径D=0.9mm，入口喷嘴口与收集喷嘴口之间的距离S=1.0mm。

利用本发明的性能测试装置与方法测试其收集效率曲线。其中，第一粒子计数器204和第二粒子计数器207均取自苏州华达仪器设备有限公司的BCJ-1D激光尘埃粒子计数器，其原工作流量为2.83L/min；第一气体流量计203和第二气体流量计208均采用美国矽翔微机电系统有限公司的MF4008型气体质量流量计。另外，亚微米粒子浓缩器1的两个大流量出口123由三通接头转成一个出口连接到第一节流阀205上。

检测亚微米粒子浓缩器1对0.5μm粒子的初步收集效率R₁=0.836，测量分别工作在4.5L/min和1L/min流量下的第一粒子计数器204和第二粒子计数器207的流量校正因子R₂=0.239。计算亚微米粒子浓缩器1对0.5μm粒子的收集效率η_0.5=77.7%。

采用相同的方法，测得亚微米粒子浓缩器1对0.37μm和0.7μm的收集效率分别为η_0.37=55.1%和η_0.7=100%，由此作出亚微米粒子浓缩器1的收集效率曲线，如图4中实线所示。图4中，虚线为采用ANSYSFLUENT软件仿真得到的亚微米粒子浓缩器1的理论收集效率曲线。考虑到测量工具的误差，利用本发明的测试装置与方法所得到的实验结果与仿真结果基本吻合。

Claims (1)

1.一种利用亚微米粒子浓缩器性能的测试装置测试亚微米粒子浓缩器(1)性能的方法，该亚微米粒子浓缩器由上盖体(11)和主腔体(12)通过螺纹连接而成，所述的上盖体(11)中心设有入口喷嘴(111)，所述的主腔体(12)的内腔为环状空腔(122)，底中心设有收集喷嘴(121)，侧壁上有关于所述的收集喷嘴(121)对称分布的两个大流量出口(123)；所述的入口喷嘴(111)和所述的收集喷嘴(121)均为圆锥形通孔且两喷嘴相隔一定距离相对、同轴，所述的亚微米粒子浓缩器的主要结构参数为入口喷嘴(111)和收集喷嘴(121)的喷口孔径以及两个喷口之间的距离，两喷口之间的距离可以通过控制上盖体(11)与主腔体(12)之间螺纹进行调节；该测试装置的构成包括：由管道依次连接的气溶胶发生器(201)、缓冲瓶(202)、第一气体流量计(203)、第一粒子计数器(204)至所述的亚微米粒子浓缩器(1)的入口喷嘴(111)，由所述的亚微米粒子浓缩器(1)的大流量出口(123)用管道依次连接的第一节流阀(205)和第一气泵(206)，从所述的亚微米粒子浓缩器(1)的收集喷嘴(121)的喷口用管道依次连接的第二粒子计数器(207)、第二气体流量计(208)、第二节流阀(209)和第二气泵(210)；其特征在于该方法包括下列步骤：

①确定亚微米粒子浓缩器(1)的初步收集效率R₁：

开启第一气泵(206)和第二气泵(210)，调节第一节流阀(205)和第二节流阀(209)使第一气体流量计(203)和第二气体流量计(208)的示值分别达到粒子浓缩器(1)的入口喷嘴的设计流量F₁和收集喷嘴的设计流量F₂；开启气溶胶发生器(201)，产生粒径为d_xμm的单分散粒子，然后开启第一粒子计数器(204)和第二粒子计数器(207)，待粒子计数器的计数值稳定后记录计数值，计算第二粒子计数器(207)和第一粒子计数器(204)计数值的比值；调节气溶胶发生器(201)以改变气溶胶浓度，得到多组比值，取平均值作为初步收集效率R₁；

②测量分别工作在流量F₁和F₂下的第一粒子计数器(204)和第二粒子计数器(207)的流量校正因子R₂：

在所述的粒子浓缩器的性能测试装置基础上重新连接各元部件组成标定装置，各元部件的连接顺序为：气溶胶发生器(201)连接到缓冲瓶(202)，缓冲瓶(202)之后的连接分两路，一路依次连接到第一粒子计数器(204)、第一气体流量计(203)、第一节流阀(205)和第一气泵(206)，另一路依次连接到第二粒子计数器(207)、第二气体流量计(208)、第二节流阀(209)和第二气泵(210)，开启第一气泵(206)和第二气泵(210)，调节第一节流阀(205)和第二节流阀(209)使第一气体流量计(203)和第二气体流量计(208)的示值分别达到F₁和F₂；开启气溶胶发生器(201)，产生粒径为d_xμm的单分散粒子，然后开启第一粒子计数器(204)和第二粒子计数器(207)，待粒子计数器的计数值稳定后记录计数值，计算第二粒子计数器(207)和第一粒子计数器(204)计数值的比值，调节气溶胶发生器(201)以改变气溶胶浓度，得到多组比值，取平均值作为粒子计数器的流量校正因子R₂；

③按下式计算亚微米粒子浓缩器(1)对粒径为d_xμm粒子的收集效率η_x：

${\mathrm{\η}}_x=\frac{F_2\·R_1}{F_1\·R_2}\×100\%.$