CN104034571B - 一种单颗粒气溶胶质谱仪进样自动稀释系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种单颗粒气溶胶质谱仪进样自动稀释系统，包括气体稀释装置、颗粒物切割装置和控制装置。调速泵将干净的气体抽入稀释容器中对从样品进口通过稳流泵抽入的大气样品进行稀释，稀释后的气体经过切割头并由切割头保留待测颗粒从而进入SPAMS，通过控制装置控制调速泵和稳流泵的抽速能够将样品进行准确稀释，保证SPAMS监测到数据的有效性，另一方面对检测过程中流速的变化进行调整，其使用起来方便、快捷。本发明可应用于大气污染物监测。

Description

一种单颗粒气溶胶质谱仪进样自动稀释系统
技术领域
本发明涉及气溶胶质谱仪，特别是涉及一种单颗粒气溶胶质谱仪进样自动稀释系统。
背景技术
单颗粒气溶胶质谱仪（SPAMS，Single particle aerosol mass spectrometer）的基本原理为：气溶胶颗粒通过一进样管进入仪器，在三级差动真空条件下，不同颗粒由于粒径的不同导致不同的速度，然后颗粒在空气动力学透镜的作用下聚焦成为准直颗粒束，在离开空气动力学透镜时经气体超音速膨胀进入测径区，在测径区颗粒连续经过两束相距为6cm的532nm固体连续激光器发射的激光束，产生的散射光分别被椭球面镜反射聚焦到光电倍增管(PMT)上得以检测，通过时序电路(timing circuit)测量两个PMT信号的时间间隔，就可以计算颗粒的飞行速度，进而换算出颗粒的空气动力学直径，另外颗粒的速度还用来控制当颗粒到达电离区中心的时候电离激光出射激光将颗粒电离。颗粒进入电离区后，被266nm Nd:YAG紫外脉冲激光电离产生正负离子，然后离子被双极型飞行时间质量分析器检测。
SPAMS的监测速率为20个/秒，若大气中的颗粒浓度过高，超过SPAMS的量程，会导致数据时序紊乱，最终导致获取的浓度无法准确说明大气中颗粒物浓度的变化趋势，故气体进入仪器前需要进行一定倍数的稀释，而目前市面上并没有专门用于稀释的系统或装置。
发明内容
为了克服上述技术问题，本发明的目的在于提供一种单颗粒气溶胶质谱仪进样自动稀释系统，能够对采样气体的颗粒浓度进行稀释，从而符合单颗粒气溶胶质谱仪的监测要求。
本发明所采用的技术方案是：
一种单颗粒气溶胶质谱仪进样自动稀释系统，包括气体稀释装置、颗粒物切割装置和控制装置。
所述气体稀释装置包括调速泵和连接调速泵出口的稀释容器，所述稀释容器设有样品进口和稀释出口。
所述颗粒物切割装置包括切割头和稳流泵，所述切割头通过管道连接稀释出口，所述稳流泵通过稳流管连接切割头，所述稳流管设有连接质谱仪的颗粒物出口。
所述控制装置分别连接调速泵和稳流泵，用于调整调速泵和稳流泵的抽速以在稀释腔中达到固定的稀释比。
作为上述技术方案的进一步改进，所述稀释容器包括进样管和隔板，所述隔板将稀释容器分为上方的稀释气体进气腔和下方的稀释腔，所述稀释气体进气腔连接调速泵，所述进样管一端为样品进口，另一端伸入稀释腔内，所述隔板上设有连通稀释气体进气腔和稀释腔的通孔。
作为上述技术方案的进一步改进，所述进样管穿过稀释进气腔和隔板并从隔板中部伸入稀释腔中，所述通孔的出口方向斜朝向进样管的出口方向。
作为上述技术方案的进一步改进，所述控制装置设有监测质谱仪触发频率的端口，并根据质谱仪触发频率的大小调整调速泵和稳流泵的抽速，从而适应质谱仪的量程。
作为上述技术方案的进一步改进，连接所述调速泵和稀释容器的管道上设有第一质量流量计，用于实时监测和显示干净稀释气体流量，所述控制装置信号连接第一质量流量计并储存和显示流量、流量趋势曲线。
作为上述技术方案的进一步改进，所述第一质量流量计与调速泵之间设有第一颗粒过滤器，防止调速泵被颗粒物污染。
作为上述技术方案的进一步改进，所述稳流管上设有第二质量流量计，用于实时监测和显示稳流泵的抽速，所述控制装置信号连接第二质量流量计并储存和显示流量、流量趋势曲线。
作为上述技术方案的进一步改进，所述第二质量流量计与稳流泵之间设有第二颗粒过滤器，防止稳流泵被颗粒物污染。
作为上述技术方案的进一步改进，所述切割头为PM2.5切割头或PM10切割头。
本发明的有益效果是：本发明的调速泵将干净的气体抽入稀释容器中对从样品进口通过稳流泵抽入的大气样品进行稀释，稀释后的气体经过切割头并由切割头保留待测颗粒从而进入SPAMS，通过控制装置控制调速泵和稳流泵的抽速能够将样品进行准确稀释，保证SPAMS监测到数据的有效性，另一方面对检测过程中流速的变化进行调整，其使用起来方便、快捷。
附图说明
下面结合附图和实施方式对本发明进一步说明。
图1是本发明的结构示意图；
图2是图1中A部分的放大示意图。
具体实施方式
如图1所示的单颗粒气溶胶质谱仪进样自动稀释系统，包括气体稀释装置、颗粒物切割装置和控制装置6。
气体稀释装置用于产生干净的气体从而对样品气体稀释，包括调速泵1和连接调速泵1出口的稀释容器2，稀释容器2设有样品进口和稀释出口。颗粒物切割装置包括切割头3和稳流泵4，切割头3通过管道连接稀释出口，稳流泵4通过稳流管连接切割头3，稳流管接有连接质谱仪的颗粒物出口5。稳流泵4从样品进口抽入样品气体，调速泵1将干净的气体抽入稀释容器2中，对从样品进口进入的样品气体进行稀释，减低颗粒浓度，稀释后的样品气体流过切割头3。由于流过切割头3的气体必须在固定的流速下才能使切割头3生效，因此，在稀释工况下，稳流泵4的抽速与调速泵1的抽速之和需要等于切割头3的额定流速。质谱仪以抽真空的方式从颗粒物出口5抽取稀释后的气体。
控制装置6分别连接调速泵1和稳流泵4，用于调整调速泵1和稳流泵4的抽速以在稀释腔9中达到固定的稀释比。
稀释容器2包括进样管7和隔板8，隔板8将稀释容器2分为上方的稀释气体进气腔和下方的稀释腔9，稀释气体进气腔连接调速泵1，进样管7为直管，一端为样品进口，另一端伸入稀释腔9内，隔板8上设有连通稀释气体进气腔和稀释腔9的通孔10。在样品气体颗粒浓度较低时无需开启调速泵1，直接采用稳流泵4从进样管7抽取样品气体，此时稳流泵4的抽速与颗粒物出口5的流速之和等于切割头3的额定流速；只有在样品气体颗粒浓度大于质谱仪的监测量程或使之处于略饱和状态时才同时开启调速泵1。
优选的，如图2所示，进样管7穿过稀释气体进气腔和隔板8并从隔板8中部伸入稀释腔9中，通孔10的出口方向斜朝向进样管7的出口方向。如果样品气体颗粒物直接进入稀释腔9内，颗粒束大部分聚集在进样管7的轴线上，即使稀释气体从周围进入，也会使得两者混合不均匀，最终经由切割头3进入质谱仪检测到的气体浓度无法准确说明样品气体颗粒物的浓度变化。而通过设置了通孔10并将通孔10的出口方向斜朝向进样管7的出口方向，聚集在进样管7中轴线上颗粒束受到干净的稀释气体往中轴线的冲击，使得颗粒物与干净的稀释空气迅速混合，均匀度明显提升。
在本实施例中，控制装置6设有监测质谱仪触发频率的端口，并根据质谱仪触发频率的大小调整调速泵1和稳流泵4的抽速，从而适应质谱仪的量程。
连接调速泵1和稀释容器2的管道上设有第一质量流量计11，用于实时监测和显示干净稀释气体流量，控制装置6信号连接第一质量流量计11。稳流管上设有第二质量流量计13，用于实时监测和显示稳流泵4的抽速，控制装置6信号连接第二质量流量计13。
为了在采样过程中数据的实时显示及存储，在控制装置6中设计了数据采集显示部分，实时显示第一质量流量计11和第二质量流量计13的读数，并显示读数的变化趋势，对数据实时保存，当变化范围超过预定的阀值，将及时的对调速泵1和稳流泵4进行调整。
同时控制器采集第一质量流量计11和第二质量流量计13的流量，并监控质谱仪的触发频率，根据其大小，实时的调整调速泵1和稳流泵4的抽速，使得触发频率控制在适当的范围内。数据采集显示部分实时监控第一质量流量计11的读数，若其读数偏离误差大于±0.5%，自动控制调速泵1的抽速，保证切割头3进样处的流速为切割头3的额定流速。
优选的，第一质量流量计11与调速泵1之间设有第一颗粒过滤器12，防止调速泵1被颗粒物污染。第二质量流量计13与稳流泵4之间设有第二颗粒过滤器14，防止稳流泵4被颗粒物污染。
在本实施例中，切割头3为PM2.5切割头或PM10切割头。PM2.5切割头用来选择粒径小于2.5µm的颗粒通过，PM10切割头用来选择粒径小于10µm的颗粒通过，系统中切割头3为可拆卸结构，根据不同的需要选择不同的型号。
本实施例的稀释控制原理如下：
稳流泵4启动后，在控制装置6监测到单颗粒气溶胶质谱仪（SPAMS）触发频率在0~10个/秒时，说明样品气体颗粒浓度始终无需稀释，由于SPAMS进样处的流速为100mL/min，若保证切割头3的流速为3L/min，需要稳流泵4的抽速为2.9L/min。若在监测过程中第二质量流量计13的读数发生改变，超过允许的误差范围，控制器实时监测到这种变化，及时做出调整。
若监测到SPAMS的触发频率不在0~10个/秒之内，则表明样品气体颗粒浓度过高，需要对样品气体进行稀释，开启调速泵1并调整调速泵1和稳流泵4的抽速，具体举例如下：
若SPAMS触发频率在15~20之间时，需要稀释倍数为3倍，控制装置6调整调速泵1的抽速为2L/min，稳流泵4的抽速为1L/min，即每分钟干净的稀释气体2L与样品气体1L混合；
若SPAMS触发频率在10~15个/秒之间时，需要稀释倍数为2倍，控制装置6调整调速泵1的抽速为1.5L/min，稳流泵4的抽速为1.5L/min，每分钟干净的稀释气体1.5L与样品气体1.5L混合。
以上所述只是本发明优选的实施方式，其并不构成对本发明保护范围的限制。

Claims (7)

1.一种单颗粒气溶胶质谱仪进样自动稀释系统，其特征在于，包括：
气体稀释装置，包括调速泵(1)和连接调速泵(1)出口的稀释容器(2)，所述稀释容器(2)设有样品进口和稀释出口；
颗粒物切割装置，包括切割头(3)和稳流泵(4)，所述切割头(3)通过管道连接稀释出口，所述稳流泵(4)通过稳流管连接切割头(3)，所述稳流管设有连接质谱仪的颗粒物出口(5)；
控制装置(6)，分别连接调速泵(1)和稳流泵(4)，用于调整调速泵(1)和稳流泵(4)的抽速以在稀释腔(9)中达到固定的稀释比；
所述稀释容器(2)包括进样管(7)和隔板(8)，所述隔板(8)将稀释容器(2)分为上方的稀释气体进气腔和下方的稀释腔(9)，所述稀释气体进气腔连接调速泵(1)，所述进样管(7)一端为样品进口，另一端伸入稀释腔(9)内，所述隔板(8)上设有连通稀释气体进气腔和稀释腔(9)的通孔(10)；
所述进样管(7)穿过稀释气体进气腔和隔板(8)并从隔板(8)中部伸入稀释腔(9)中，所述通孔(10)的出口方向斜朝向进样管(7)的出口方向。
2.根据权利要求1所述的单颗粒气溶胶质谱仪进样自动稀释系统，其特征在于：所述控制装置(6)设有监测质谱仪触发频率的端口，并根据质谱仪触发频率的大小调整调速泵(1)和稳流泵(4)的抽速，从而适应质谱仪的量程。
3.根据权利要求2所述的单颗粒气溶胶质谱仪进样自动稀释系统，其特征在于：连接所述调速泵(1)和稀释容器(2)的管道上设有第一质量流量计(11)，所述控制装置(6)信号连接第一质量流量计(11)并储存和显示流量、流量趋势曲线。
4.根据权利要求3所述的单颗粒气溶胶质谱仪进样自动稀释系统，其特征在于：所述第一质量流量计(11)与调速泵(1)之间设有第一颗粒过滤器(12)。
5.根据权利要求2所述的单颗粒气溶胶质谱仪进样自动稀释系统，其特征在于：所述稳流管上设有第二质量流量计(13)，所述控制装置(6)信号连接第二质量流量计(13)并储存和显示流量、流量趋势曲线。
6.根据权利要求5所述的单颗粒气溶胶质谱仪进样自动稀释系统，其特征在于：所述第二质量流量计(13)与稳流泵(4)之间设有第二颗粒过滤器(14)。
7.根据权利要求1所述的单颗粒气溶胶质谱仪进样自动稀释系统，其特征在于：所述切割头(3)为PM2.5切割头或PM10切割头。
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