CN103913404A - 大气气溶胶挥发特性测量仪的气体温度控制系统及应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大气气溶胶挥发特性测量仪的气体温度控制系统及包括该系统的大气气溶胶挥发特性测量仪，气体温度控制系统包括温度加热管、温度交换器、温湿度传感器以及温度控制，在温度加热管外壁包裹有柔性加热带，其中心插有测量输气管道中心空气温度的空气温度传感器，温度加热的出气端与温度交换器的进气端连接，温度交换器的出气端与温湿度传感器连接；所述温度控制器连接在温度加热器与温度交换之间。本发明专利的大气气溶胶挥发特性测量仪兼俱测量各粒径气溶胶的挥发因子、混合状态和干粒子谱分布测量功能，自动化程度高、稳定性好，有助于全面了解各粒径段的挥发性及混合状态，对大气污染形成机理等方面的研究有重要意义。

Description

大气气溶胶挥发特性测量仪的气体温度控制系统及应用

技术领域

本发明涉及大气气溶胶挥发特性检测设备，具体涉及一种大气气溶胶挥发特性测量仪的气体温度控制系统及应用。

背景技术

大气气溶胶通过散射和吸收辐射直接影响地球大气辐射平衡。存在于大气中的气溶胶粒子化学组成和混合状态十分复杂，而气溶胶的光学效应和辐射效应均与粒子的化学成分和混合状态联系紧密。基于不同化学物质在不同温度下挥发这一特性，本仪器通过测量气溶胶粒子粒径在加温前后的变化及其分布，检测粒子的挥发程度、推断化学组分和混合状态。本发明专利的大气气溶胶挥发特性测量仪兼俱测量各粒径气溶胶的挥发因子、混合状态和干粒子谱分布测量功能，自动化程度高、稳定性好，有助于全面了解各粒径段的挥发性及混合状态，对大气污染形成机理等方面的研究有重要意义。

目前，我国大气环境学界对气溶胶的挥发特性的观测尚未开展，对气溶胶挥发特性的科学观测实验尚不完善。国外科研机构也有开展气溶胶挥发性的测量仪器的研发及试验，但仪器多在实验室环境下进行测量，对于环境大气中的气溶胶挥发特性和混合状态观测研究极少。对于挥发性的测量，最早的方法是测量加热前后的气溶胶粒径谱分布，这样未能提供加热后的单粒径气溶胶粒子的混合状态，剩余的粒子也不能回溯到其初始粒径大小。其后，结合TDMA方法，发展出了V-TDMA测量技术。

国外的部分学者采用商业化的热吸附器（thermo-denuder）对加热气溶胶后挥发的气体进行吸附。这样做的优点是使挥发气体不易重新附着到非发挥性的粒子表面或重新成核。其缺点是吸附装置会吸附一部分的非挥发性粒子，使通过率降低。而且，这些仪器设计部件较为复杂、成本较高，难以满足长期稳定观测需求。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺陷，提供一种大气气溶胶挥发特性测量仪的气体温度控制系统，以实现对空气温度调节。

本发明的另一目的在于提供一种包括上述气体温度控制系统的大气气溶胶挥发特性测量仪，其能在不同的温度下下兼具各粒径气溶胶的挥发因子和混合状态测量功能、干粒径谱测量功能，自动化程度高、稳定性好。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种大气气溶胶挥发特性测量仪的气体温度控制系统，其包括温度加热管（14）、温度交换器（18）、温湿度传感器Ⅳ（19）以及温度控制器（17），在温度加热管（14）外壁包裹有柔性加热带（15），其中心插有测量输气管道中心空气温度的空气温度传感器（16），温度加热管（14）的出气端与温度交换器（18）的进气端连接，温度交换器（18）的出气端与温湿度传感器Ⅳ（19）连接；所述温度控制器（17）连接在温度加热器（14）与温度交换器（18）之间。

一种大气气溶胶挥发特性测量仪，其包括：

干燥系统，包括干燥器（1）、泵Ⅰ（2）、限流孔（3）、温湿度传感器Ⅰ（5）、粒子过滤器（4），所述粒子过滤器（4）的出口连接限流孔（3）的进口，限流孔（3）的出口连干燥器（1）的外壁输入端，干燥器（1）的外壁输出端与泵Ⅰ（2）连接，干燥器（1）的出口连接的管道上设温湿度传感器Ⅰ（5）；

第一粒径分选系统，包括中和器（6）、粒径分选装置Ⅰ（7）、质量流量计Ⅰ（10）、粒子过滤器（12）、高压器（8）、温湿度传感器Ⅱ（9）、鼓风机Ⅰ（11）、三通阀（13），所述中和器（6）的进口与干燥器（1）的出口连接，中和器（6）的出口与粒径分选装置Ⅰ（7）的进口连接，粒径分选装置Ⅰ（7）的出口连接三通阀（13）的进口；粒径分选装置Ⅰ（7）的鞘流出口顺次连接质量流量计Ⅰ（10）、鼓风机Ⅰ（11）、粒子过滤器（12），鞘流进口再连接粒径分选装置（32）中，在粒径分选装置Ⅰ（7）、质量流量计Ⅰ（10）、鼓风机Ⅰ（11）以及粒子过滤器（12）之间形成闭合气流回路；所述高压器（8）连接至粒径分选装置Ⅰ（7）内部，连接粒径分选装置Ⅰ（7）和三通阀（13）的管道上设有温湿度传感器Ⅱ（9）；

上述气体温度控制系统，温度加热管（14）的气流进口连接上述三通阀（13）的第一气流出口，温度交换器（18）的气流出口连接第二粒径分选系统；

第二粒径分选系统，包括粒径分选装置Ⅱ（20）、质量流量计Ⅱ（24）、粒子过滤器（22）、高压器（21）、温湿度传感器Ⅲ（25）、鼓风机Ⅱ（23）、三向阀（26），所述粒径分选装置Ⅱ（20）的进口与温度交换器（18）的气流出口连接，粒径分选装置Ⅱ（20）的出口连接三向阀（26）的第一进口连接，温湿度传感器Ⅲ（25）位于粒径分选装置Ⅱ（20）的出口与三向阀（26）之间的管道上，高压器（21）连接至粒径分选装置Ⅱ（20）内部；粒径分选装置Ⅱ（20）的鞘流出口顺次连接质量流量计Ⅱ（24）、鼓风机Ⅱ（23）、粒子过滤器（22），鞘流进口再与粒径分选装置Ⅱ（20）连接，在粒径分选装置Ⅱ（20）、质量流量计Ⅱ（24）、鼓风机Ⅱ（23）以及粒子过滤器（22）之间形成闭合气流回路；三向阀（26）的第二进口与三通阀（13）的第二出口连接；

粒子计数系统，包括凝结粒子计数器（28）、质量流量计Ⅲ（27）和泵Ⅱ（29），质量流量计Ⅲ（27）的进气口与三向阀（26）的气流出口连接，质量流量计Ⅲ（27）的出气口连接凝结粒子计数器（28）的气流入口，泵Ⅱ（29）连接在凝结粒子计数器（28）的气流出口处。

在上述方案的基础上，作为本发明的一种优选的方案，所述干燥器（1）为膜渗透式干燥器。

一种大气气溶胶挥发特性测量方法，用上述大气气溶胶挥发特性测量仪，测量空气气溶胶粒子在不同温度下挥发前后的粒径变化及分布。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明所述的气体温度控制系统可以实现对系统中气体温度的调节，可在较短时间内在比较高的精度下稳定空气的温度，温度稳定后的变化在%1以下，温度稳定时间可持续约为5分钟；有利于对分子粒径变化和粒径分布的分析；

2.本发明所述的大气气溶胶挥发特性测量仪是在本申请人在先申请（申请号为CN201210209357.1）的基础上通过设置了气体温度控制系统后进一步简化了整个仪器的结构，并缩小了整套仪器的体积；

3.本发明所述的大气气溶胶挥发特性测量仪兼俱测量各粒径气溶胶的挥发因子和混合状态测量功能，自动化程度高、稳定性好，有助于全面了解不同的气溶胶各粒径段的挥发性和混合状态及其对气溶胶光学特性的影响，同时对大气灰霾形成机理等方面的研究有重要意义。

附图说明

图1为本发明所述的气体温度控制系统结构示意图；

图2为本发明所述的大气气溶胶挥发特性测量仪的结构示意图；

图3为本发明的大气气溶胶挥发特性测量仪检测某区域的气溶胶粒子粒径分布图；

图4为本发明的大气气溶胶挥发特性测量仪在广州某次测量的气溶胶挥发因子分布曲线（Dp=40，80，110，150，200，400nm；Ti=50，100，200，250，300℃）；

图5为本发明的大气气溶胶挥发特性测量仪在广州某次测量的具有不同挥发性的气溶胶粒子比例。（Dp=40，80，110，150，200，400nm；Ti=300℃）。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例子对本发明一种大气气溶胶挥发特性测量仪作进一步详细说明，以便清楚理解本发明所要保护的技术方案。

实施例1

如图1所示，本发明所述的大气气溶胶挥发特性测量仪的气体温度控制系统，其包括温度加热管14、温度交换器18、温湿度传感器Ⅳ19以及温度控制器17，在温度加热管14外壁包裹有柔性加热带15，其中心插有测量输气管道中心空气温度的空气温度传感器16，温度加热管14的出气端与温度交换器18的进气端连接，温度交换器18的出气端与温湿度传感器Ⅳ19连接；所述温度控制器17连接在温度加热器14与温度交换器18之间。所述空气温度传感器（16）测量进入系统的空气温度，并反馈给温度控制器17进行PID计算后输出信号给柔性加热带15加热加热管14金属外壁。被测空气在受热高温后需经过温度交换器18降温，降到常温进入下一级系统。

在大气气溶胶挥发特性测量仪中，输气管道一般采用的是316不锈钢，很大程度降低对粒子的管壁吸附影响，通过本发明的气体温度控制系统，可在较短时间内在比较高的精度下稳定空气的温度，温度稳定后的变化在%1以下，温度稳定时间约为5分钟。

在测量真实大气中的气溶胶粒子时，随着温度的升高，一些物质会挥发成气体，粒子会因此消失（完全挥发）或粒径变小，完全挥发率记为CV。同时，加热装置也会导致粒子损耗。所以，要准确测量有多少粒子是完全挥发掉，必须知道加热装置的损耗率（或称通过率，这是一粒径和加热温度决定的函数，记为TR）。NaCl（氯化钠）的挥发温度为650℃，利用这一特性，可以认为NaCl在本系统加热范围内（50-300°）无挥发，通过计算粒子总数的减少即得到通过率。以某一粒径为例，以常温下（T0=25℃）的通过率作为基准，先求得不同温度下得相对通过率（TR_Ti/TR_T0），再计算得到不同温度下的完全挥发率，如下式：

$\frac{1-{\mathrm{CV}}_{\mathrm{Ti}}}{1-{\mathrm{CV}}_{T0}}=\left(\frac{N_{\mathrm{Ti}}}{N_{T0}}\right)/\left(\frac{{\mathrm{TR}}_{\mathrm{Ti}}}{{\mathrm{TR}}_{T0}}\right)$

上式中，Ti=50，100…,300℃；T0=25℃。N_Ti，N_T0为Ti和T0时测量得到的该粒径粒子数。假设常温状态下，粒子无完全挥发，即CV_T0=0，可计算CV_Ti。其中体温度控制系统的气溶胶粒子相对通过率（TR_Ti/TR_T0）见表1；不同粒径在不同温度下的完全挥发率（CV_Ti）见表2。

表1

Do（nm）	25	50°	100°	200°	250°	300°
							40	1	1	0.978	0.931	0.92	0.89
80	1	1	0.991	0.965	0.95	0.93
							110	1	1	1	0.9688	0.95	0.94
150	1	1	1	0.97	0.96	0.95
							200	1	1	1	0.98	0.97	0.96
300	1	1	1	0.99	0.98	0.97

表2

Do(nm)	50°	100°	200°	250°	300°
						40	0	0.82%	30.40%	38.15%	45.62%
80	0	0.81%	11.61%	14.11%	16.34%
						110	0	1.20%	7.93%	7.47%	8.83%
150	0	0.70%	5.57%	5.73%	5.79%
						200	0	1.70%	6.73%	6.70%	5.00%
300	0	0.10%	3.13%	3.16%	4.02%

实施例2

如图2所示，本发明的大气气溶胶挥发特性测量仪包括：

干燥系统，包括膜渗透式干燥器1、泵Ⅰ2、限流孔3、温湿度传感器Ⅰ5、粒子过滤器4，所述粒子过滤器4的出口连接限流孔3的进口，限流孔3的出口连膜渗透式干燥器1的外壁输入端，膜渗透式干燥器1的外壁输出端与泵Ⅰ2连接，膜渗透式干燥器1的出口连接的管道上设温湿度传感器Ⅰ5；干燥系统的工作原理是：气溶胶样品气流从膜渗透式干燥器的渗透膜进口进入渗透膜内侧，室内空气先经过粒子过滤器形成洁净空气，再经过限流孔进入膜渗透式干燥器的外壁输入端，进入渗透膜的外侧，在泵的吸力作用下，洁净空气的气体气压远小于1个大气压，水汽分压较低，从而形成干燥气体在渗透膜的外侧，样品水汽分子从渗透膜内侧向外侧渗透，达到干燥样品的目的；

第一粒径分选系统，包括中和器6、粒径分选装置Ⅰ7、质量流量计Ⅰ10、粒子过滤器Ⅰ12、高压器Ⅰ8、温湿度传感器Ⅱ9、鼓风机Ⅰ11、三通阀13，所述中和器6的进口与干燥器1的出口连接，中和器6的出口与粒径分选装置Ⅰ7的进口连接，粒径分选装置Ⅰ7的出口连接三通阀13的进口；粒径分选装置Ⅰ7的鞘流出口顺次连接质量流量计Ⅰ10、鼓风机Ⅰ11、粒子过滤器Ⅰ12，鞘流进口再连接粒径分选装置32中，在粒径分选装置Ⅰ7、质量流量计Ⅰ10、鼓风机Ⅰ11以及粒子过滤器Ⅰ12之间形成闭合气流回路；所述高压器Ⅰ8连接至粒径分选装置7内部，连接粒径分选装置7和三通阀13的管道上设有温湿度传感器Ⅱ9；第一粒径分选系统的工作原理是：高压器产生高电压至粒径分选装置，使得粒径分选装置内轴呈正电，带负电的粒子被内部电场牵引，在样品气流、鞘气气流、电场强度的共同作用下，一定粒径的粒子才能在粒径分选装置的出口通过，达到分选粒径的目的；其中，鼓风机的作用就是产生一定流量的鞘气，多余的粒子进入鞘流通过粒子过滤器过滤；

气体温度控制系统，其包括温度加热管14、温度交换器18、温湿度传感器Ⅳ19以及温度控制器17，在温度加热管14外壁包裹有柔性加热带15，其中心插有测量输气管道中心空气温度的空气温度传感器16，温度加热管14的出气端与温度交换器18的进气端连接，温度交换器18的出气端与温湿度传感器Ⅳ19连接；所述温度控制器17连接在温度加热器14与温度交换器18之间；所述空气温度传感器（16）测量进入系统的空气温度，并反馈给温度控制器17进行PID计算后输出信号给柔性加热带15加热加热管14金属外壁；被测空气在受热高温后需经过温度交换器18降温，降到常温进入下一级系统；

第二粒径分选系统，包括粒径分选装置Ⅱ20、质量流量计Ⅱ24、粒子过滤器Ⅱ22、高压器Ⅱ21、温湿度传感器Ⅲ25、鼓风机Ⅱ23、三向阀26，所述粒径分选装置Ⅱ20的进口与温度交换器18的气流出口连接，粒径分选装置Ⅱ20的出口连接三向阀26的第一进口连接，温湿度传感器Ⅲ25位于粒径分选装置Ⅱ20的出口与三向阀26之间的管道上，高压器Ⅱ21连接至粒径分选装置Ⅱ20内部；粒径分选装置Ⅱ20的鞘流出口顺次连接质量流量计Ⅱ24、鼓风机Ⅱ23、粒子过滤器Ⅱ2，鞘流进口再与粒径分选装置Ⅱ20连接，在粒径分选装置Ⅱ20、质量流量计Ⅱ24、鼓风机Ⅱ23以及粒子过滤器Ⅱ22之间形成闭合气流回路；三向阀26的第二进口与三通阀13的第二出口连接；其工作原理是：高压器产生高电压至粒径分选装置，使得粒径分选装置内轴呈正电，带负电的粒子被内部电场牵引，在样品气流、鞘气气流、电场强度的共同作用下，一定粒径的粒子才能在粒径分选装置的出口通过，达到分选粒径的目的；其中，鼓风机的作用就是产生一定流量的鞘气，多余的粒子进入鞘流通过粒子过滤器过滤；

粒子计数系统，包括凝结粒子计数器（28）、质量流量计Ⅲ（27）和泵Ⅱ（29），质量流量计Ⅲ（27）的进气口与三向阀（26）的气流出口连接，质量流量计Ⅲ（27）的出气口连接凝结粒子计数器（28）的气流入口，泵Ⅱ（29）连接在凝结粒子计数器（28）的气流出口处；

所述大气气溶胶挥发特性测量仪还包括数据采集处理系统包括数据采集卡（图未示）和用于处理采集到的数据监控软件（图未示）。质量流量计Ⅰ、质量流量计Ⅱ、质量流量计Ⅲ，温湿度传感器Ⅰ、温湿度传感器Ⅱ、温湿度传感器Ⅳ、温湿度传感器Ⅲ，三通阀，高压器Ⅰ、高压器Ⅱ，鼓风机Ⅰ、鼓风机Ⅱ均与数据采集卡电性连接。其中，所述数据监控软件采用美国国家仪器有限公司（National Instruments，简称NI）的虚拟仪器软件LabVIEW8.5。

本发明的大气气胶挥发特性测量仪在工作上主要有以下两种测量模式：

（1）干气溶胶粒径谱：大气气溶胶样品依次通过干燥系统、第一粒径分选系统和粒子计数系统，得到干气溶胶的粒径分布。

（2）气溶胶挥发特性测量：气溶胶依次通过干燥系统、第一粒径分选系统、气体温度控制系统、第二粒径分选系统和粒子计数系统，得到气溶胶的挥发因子分布曲线。

应用实施例

采用本发明的大气气溶胶挥发特性测量仪在广州市某区域进行测量，先进行粒子谱扫描，结果见图3。

在本次试验中，本发明的大气气溶胶挥发特性测量仪的第一粒径分选系统筛选出D0粒径（40nm、80nm、110nm、150nm、200nm、300nm），挥发后的粒径为Dp，在第二粒径分选系统中做粒径扫描并计算浓度；图4是本次测量的气溶胶挥发因子分布曲线（Dp=40，80，110，150，200，400nm；Ti=50，100，200，250，300℃）；图4中，横坐标为VGF=Dp/D0，纵坐标为归一化浓度；VGF=1代表加热后粒径没有变化，VGF<1表示粒径变小的情况。要注意的是，因为有部分粒子在加热过程中完全挥发掉，所以图3中的粒子分布是指剩余粒子的分布。按照VGF的大小，进一步将剩余粒子分为低挥发性（LV）、中挥发性（MV）、高挥发性（HV）三部分，结合实施例1对完全挥发的粒子（CV）计算，可得到具有不同挥发性粒子的比例，见图5。

上述实施例仅为本发明的优选实施案例不能以此来限定本发明的保护范围，本领域的技术人员在发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。

Claims (3)

1.大气气溶胶挥发特性测量仪的气体温度控制系统，其特征在于，其包括温度加热管（14）、温度交换器（18）、温湿度传感器Ⅳ（19）以及温度控制器（17），在温度加热管（14）外壁包裹有柔性加热带（15），其中心插有测量输气管道中心空气温度的空气温度传感器（16），温度加热管（14）的出气端与温度交换器（18）的进气端连接，温度交换器（18）的出气端与温湿度传感器Ⅳ（19）连接；所述温度控制器（17）连接在温度加热器（14）与温度交换器（18）之间。

2.一种大气气溶胶挥发特性测量仪，其特征在于，其包括：

干燥系统，包括干燥器（1）、泵Ⅰ（2）、限流孔（3）、温湿度传感器Ⅰ（5）、粒子过滤器（4），所述粒子过滤器（4）的出口连接限流孔（3）的进口，限流孔（3）的出口连干燥器（1）的外壁输入端，干燥器（1）的外壁输出端与泵Ⅰ（2）连接，干燥器（1）的出口连接的管道上设温湿度传感器Ⅰ（5）；

第一粒径分选系统，包括中和器（6）、粒径分选装置Ⅰ（7）、质量流量计Ⅰ（10）、粒子过滤器Ⅰ（12）、高压器Ⅰ（8）、温湿度传感器Ⅱ（9）、鼓风机Ⅰ（11）、三通阀（13），所述中和器（6）的进口与干燥器（1）的出口连接，中和器（6）的出口与粒径分选装置Ⅰ（7）的进口连接，粒径分选装置（7）的出口连接三通阀（13）的进口；粒径分选装置Ⅰ（7）的鞘流出口顺次连接质量流量计Ⅰ（10）、鼓风机Ⅰ（11）、粒子过滤器Ⅰ（12），鞘流进口再连接粒径分选装置（32）中，在粒径分选装置Ⅰ（7）、质量流量计Ⅰ（10）、鼓风机Ⅰ（11）以及粒子过滤器Ⅰ（12）之间形成闭合气流回路；所述高压器Ⅰ（8）连接至粒径分选装置Ⅰ（7）内部，连接粒径分选装置Ⅰ（7）和三通阀（13）的管道上设有温湿度传感器Ⅱ（9）；

权利要求1所述的气体温度控制系统，温度加热管（14）的气流进口连接上述三通阀（13）的第一气流出口，温度交换器（18）的气流出口连接第二粒径分选系统；

第二粒径分选系统，包括粒径分选装置Ⅱ（20）、质量流量计Ⅱ（24）、粒子过滤器Ⅱ（22）、高压器Ⅱ（21）、温湿度传感器Ⅲ（25）、鼓风机Ⅱ（23）、三向阀（26），所述粒径分选装置Ⅱ（20）的进口与温度交换器（18）的气流出口连接，粒径分选装置Ⅱ（20）的出口连接三向阀（26）的第一进口连接，温湿度传感器Ⅲ（25）位于粒径分选装置Ⅱ（20）的出口与三向阀（26）之间的管道上，高压器Ⅱ（21）连接至粒径分选装置Ⅱ（20）内部；粒径分选装置Ⅱ（20）的鞘流出口顺次连接质量流量计Ⅱ（24）、鼓风机Ⅱ（23）、粒子过滤器Ⅱ（22），鞘流进口再与粒径分选装置Ⅱ（20）连接，在粒径分选装置Ⅱ（20）、质量流量计Ⅱ（24）、鼓风机Ⅱ（23）以及粒子过滤器Ⅱ（22）之间形成闭合气流回路；三向阀（26）的第二进口与三通阀（13）的第二出口连接；

粒子计数系统，包括凝结粒子计数器（28）、质量流量计Ⅲ（27）和泵Ⅱ（29），质量流量计Ⅲ（27）的进气口与三向阀（26）的气流出口连接，质量流量计Ⅲ（27）的出气口连接凝结粒子计数器（28）的气流入口，泵Ⅱ（29）连接在凝结粒子计数器（28）的气流出口处。

3.一种大气气溶胶挥发特性测量方法，其特征在于：用权利要求2所述的大气气溶胶挥发特性测量仪，测量空气气溶胶粒子在不同温度下挥发前后的粒径变化及分布。