CN105115870A - 一种微米级气溶胶测量仪器标定系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于气溶胶测量技术领域，涉及一种微米级气溶胶测量仪器标定系统和方法。所述系统包括超声雾化气溶胶发生部分、干燥稀释部分和气溶胶测量部分。超声雾化气溶胶发生部分包括超声雾化喷头、注射器、注射泵和宽频超声发生器；其中，注射泵通过注射器进样给超声雾化喷头，宽频超声发生器使超声雾化喷头压电晶体振荡，产生液滴。干燥稀释腔室对产生的液滴进行干燥，形成固体颗粒物。气溶胶测量仪器放置于干燥稀释腔室底部，采样器可以固定在铁架台上；用粒径谱仪对干燥稀释腔室内部颗粒物粒径分布进行测量。本发明的标定方法能简化实验操作、缩短标定时间、提高标定效率。

Description

一种微米级气溶胶测量仪器标定系统和方法

技术领域

本发明属于气溶胶测量技术领域，涉及一种微米级气溶胶测量仪器标定系统和方法。

背景技术

近年来，颗粒物(PM10和PM2.5)污染越来越受到关注。颗粒物污染会使能见度下降，引起气候变化，并可能对人体健康产生一定危害。

气溶胶测量仪器被广泛用于颗粒物浓度、粒径分布等特性的测量。根据测量原理的不同，气溶胶测量仪器可以分为两类，一类是离线采样装置，如旋风采样器、撞击采样器等；另一类是实时在线测量仪器，如光学粒子计数器、空气动力学粒径谱仪等。无论哪种仪器，在投入使用之前都需要对其测量准确性进行标定。

标定气溶胶测量仪器首先要发生标准颗粒物，再用待测气溶胶测量仪器对标准颗粒物进行测量，将测量值与实际值进行对比。国际上的微米级气溶胶测量仪器标定方法可以根据颗粒物的测量方法，分为离线标定和在线标定；也可以根据使用颗粒物的单分散性，分为单分散标定和多分散标定。目前国内对采样器标定多使用单分散颗粒物离线测量的标定方法，该法每次只能标定单一粒径，做出完整的切割效率曲线往往需要较长时间，且操作较为繁琐，对光学传感颗粒物测量仪器的标定也尚不成熟。

申请号为201410271039.7的发明涉及一种PM10/PM2.5切割头及滤膜标定系统，包括均匀混合箱、静电中和器、扩散干燥器、高效过滤器、标准流量计、泵和气溶胶粒径谱仪等。该发明利用PSL悬浮液雾化器产生单分散的PSL小球，对PM10/PM2.5切割器等进行标定。由于采用单分散颗粒物进行标定，做出完整的切割器切割效率曲线往往需要较长时间，且采用不锈钢板作为混合箱材料，不利于观察混合箱内部状况。

申请号为201410594315.3的发明涉及一种颗粒物设备多分散标定系统，该系统将标准粒子放置于粒子发生器底部，利用旋转喷头使颗粒物扩散开来，形成均匀的气溶胶，再对切割器、粒度分析仪或高压静电取样装置等进行标定。该方法效率较高，但难以直接对切割器的切割效率进行计算，且标准粒子种类较为单一。

申请号为201420327001.2的发明涉及标定计数器，利用扫描电迁移率粒径谱仪对颗粒物粒径分布进行测量。但该方法同样使用单分散的PSL小球，实验周期长，PSL价格也较高；且该方法中均匀混合箱中颗粒物需要通过导管连接PM10/2.5切割头，颗粒物损失严重。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明提供了一种微米级气溶胶测量仪器标定系统和方法。具体技术方案如下：

一种气溶胶测量仪器标定系统，包括超声雾化喷头1，连接管2，注射器3，注射泵4，宽频超声发生器5，干燥稀释腔室6，均匀布气板7，中和器8，空压机9，连接管10，组合过滤器11，连接管12，门13，采样器14，扎带15，铁架台16，导电软管17，金属三通18，连接管19，质量流量控制器20，连接管21，泵22，导电软管23，粒径谱仪24和导电软管25；

其中，注射器3通过连接管2与超声雾化喷头1连通，注射器3放置于注射泵4中；宽频超声发生器5通过电线与超声雾化喷头1连接；超声雾化喷头1放置于干燥稀释腔室6顶端，干燥稀释腔室6顶部安置有均匀布气板7和中和器8；空压机9出气口通过连接管10与组合过滤器11相连，组合过滤器11再通过连接管12与干燥稀释腔室6顶部进气口相连；

干燥稀释腔室6靠近底部设置有门13；采样器14位于门13内，通过扎带15固定于铁架台16上，依次经过导电软管17、金属三通18、连接管19与质量流量控制器20相连，质量流量控制器20再通过连接管21与泵22相连。

所述宽频超声发生器5使超声雾化喷头1压电晶体振荡，产生多分散液滴；以纯水进样时，液滴中值粒径为32μm，如果以蔗糖溶液进样，再经过干燥稀释，产生颗粒物粒径范围为0.5～20μm。所述注射泵4能对进样速率进行调节，进而调节颗粒物浓度；所述干燥稀释腔室6主体用防静电有机玻璃制作，可以有效防止摩擦荷电导致的颗粒物损失，长、宽、高分别为480mm、480mm、1600mm，以保证颗粒物足够的干燥停留时间，并适用于各种大小的气溶胶测量仪器的标定；干燥稀释腔室6对超声雾化喷头产生的液滴进行干燥，形成固体颗粒物；所述粒径谱仪24通过测量颗粒物的飞行时间获得颗粒物粒径数据，再通过光信号的变化进行颗粒物计数，最终得出颗粒物数浓度-粒径分布曲线。

进一步地，粒径谱仪24通过导电软管23与金属三通18的一个出口相连，或者与导电软管25相连。

利用如上所述的系统进行气溶胶测量仪器标定的方法，包括以下步骤：

a.用注射器3抽取配制好的待测溶液，并放置于注射泵4中；

b.打开空压机9，经组合过滤器11过滤后的干燥、无油、无颗粒物的空气进入干燥稀释腔室6顶部，经过均匀布气板7后充满整个腔室，再通过中和器8进行静电中和，最终从干燥稀释腔室6底部排出，流量为150～200L/min；

c.将粒径谱仪24与导电软管25相连；打开粒径谱仪24，测量步骤b中从腔室底部排出空气中的颗粒物浓度；当粒径谱仪24显示颗粒物浓度为0时，打开注射泵4，通过连接管2向超声雾化喷头1中注入待测溶液，流量为0.5～1.0mL/min；

d.打开宽频超声发生器5，功率为0.5～1.0W，使超声雾化喷头1处的压电晶体振动，产生液滴，接着打开质量流量控制器20和泵22；

e.1～2min后，超声雾化喷头1处有放射状雾滴产生，经干燥稀释腔室6干燥，形成固体颗粒物，粒径谱仪24处相应测得采样器14上游颗粒物浓度上升；约2min后，颗粒物粒径分布稳定不变，此时粒径谱仪24换为与导电软管23相连通，测量采样器14下游颗粒物粒径分布；

f.对粒径谱仪24的数据进行处理。

进一步地，步骤a所述待测溶液为蔗糖溶液，配制方法为：称取蔗糖溶解于高纯水中，使用滤膜过滤，并用容量瓶定容。

颗粒物的中值粒径可通过调节蔗糖溶液浓度而改变，颗粒物总数浓度可通过调节注射泵4的进样速率改变。

本发明采用多分散颗粒物在线标定系统，适用于各种微米级颗粒物采样器和光学传感颗粒物测量仪器等微米级气溶胶测量仪器的标定，能够简化实验操作、缩短标定时间、提高标定效率。

本发明的有益效果为：

(1)本发明采用多分散颗粒物作为标准颗粒物，可以方便地调整颗粒物的浓度、中值粒径等参数；

(2)本发明采用蔗糖溶液产生颗粒物，安全无毒，环境友好；

(3)本发明采用粒径谱仪对颗粒物进行在线测量，数据准确可信且节约时间；

(4)本发明的干燥稀释腔室，顶部和底部均可拆卸，可方便地更换气溶胶产生装置或者扩展管道空间等，腔室中部设计了一个门，方便进行气溶胶仪器放置以及管道连接；

(5)本发明干燥稀释腔室有效空间大，适用于各种大小、各种形状的微米级气溶胶测量仪器；

(6)采用自动数据采集与控制，测量结果可靠，方便数据处理。

附图说明

图1为本发明微米级气溶胶测量仪器标定系统结构示意图。

图2为采样器上游颗粒物粒径分布图。

图3为采样器切割效率曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。

图1为本发明微米级气溶胶测量仪器标定系统结构示意图。图中各标号的具体含义如下：1-超声雾化喷头，2-连接管，3-注射器，4-注射泵，5-宽频超声发生器，6-干燥稀释腔室，7-均匀布气板，8-中和器，9-空压机，10-连接管，11-组合过滤器，12-连接管，13-门，14-采样器，15-扎带，16-铁架台，17-导电软管，18-金属三通，19-连接管，20-质量流量控制器，21-连接管，22-泵，23-导电软管，24-粒径谱仪，25-导电软管。

一种气溶胶测量仪器标定系统，包括超声雾化喷头1，连接管2，注射器3，注射泵4，宽频超声发生器5，干燥稀释腔室6，均匀布气板7，中和器8，空压机9，连接管10，组合过滤器11，连接管12，门13，采样器14，扎带15，铁架台16，导电软管17，金属三通18，连接管19，质量流量控制器20，连接管21，泵22，导电软管23，粒径谱仪24和导电软管25；

其中，注射器3通过连接管2与超声雾化喷头1连通，注射器3放置于注射泵4中；宽频超声发生器5通过电线与超声雾化喷头1连接；超声雾化喷头1放置于干燥稀释腔室6顶端，干燥稀释腔室6顶部安置有均匀布气板7和中和器8；空压机9出气口通过连接管10与组合过滤器11相连，组合过滤器11再通过连接管12与干燥稀释腔室6顶部进气口相连；

干燥稀释腔室6靠近底部设置有门13；采样器14位于门13内，通过扎带15固定于铁架台16上，依次经过导电软管17、金属三通18、连接管19与质量流量控制器20相连，质量流量控制器20再通过连接管21与泵22相连。

粒径谱仪24通过导电软管23与金属三通18的一个出口相连，或者与导电软管25相连。

实施例1

a.称取0.0519g蔗糖溶解于高纯水中，并用0.45μm滤膜过滤，再用50mL容量瓶定容。用注射器3抽取配制好的蔗糖溶液，并放置于注射泵4中。

b.打开空压机9，经组合过滤器11过滤后的干燥、无油、无颗粒物的空气(鞘气)进入干燥稀释腔室6顶部，经过均匀布气板7后充满整个腔室，再通过中和器8进行静电中和，最终从腔室底部排出，流量为150～200L/min。

c.将粒径谱仪24与导电软管25相连；打开粒径谱仪24，测量鞘气中颗粒物浓度。当粒径谱仪24显示颗粒物浓度为0时，打开注射泵4，通过连接管2向超声雾化喷头1中注入蔗糖溶液，流量为0.5～1.0mL/min。

d.打开宽频超声发生器5，功率为0.5～1.0W，使超声雾化喷头1处的压电晶体振动，产生液滴，接着打开质量流量控制器20和泵22。

e.等待1～2min后，超声雾化喷头1处有放射状雾滴产生，经干燥稀释腔室6干燥，形成固体颗粒物，粒径谱仪24处相应测得采样器14上游颗粒物浓度上升；约2min后，颗粒物粒径分布稳定不变，且满足对数正态分布，如图2所示。此时粒径谱仪24换为与导电软管23相连通，测量采样器14下游颗粒物粒径分布。

f.粒径谱仪24的数据通过USB-串口线输入计算机，并进行数据处理。对于粒径为D_ai的颗粒物，采样器上游的该颗粒物浓度记作C_1i，下游的浓度记作C_2i，采样器的切割效率η即为

g.改变蔗糖溶液浓度，重复a～f步骤，最终采样器的切割效率曲线图如图3所示。

颗粒物的中值粒径可通过调节蔗糖溶液浓度而改变，颗粒物总数浓度可通过调节注射泵4的进样速率改变。

Claims (5)

1.一种气溶胶测量仪器标定系统，其特征在于，包括超声雾化喷头(1)，连接管(2)，注射器(3)，注射泵(4)，宽频超声发生器(5)，干燥稀释腔室(6)，均匀布气板(7)，中和器(8)，空压机(9)，连接管(10)，组合过滤器(11)，连接管(12)，门(13)，采样器(14)，扎带(15)，铁架台(16)，导电软管(17)，金属三通(18)，连接管(19)，质量流量控制器(20)，连接管(21)，泵(22)，导电软管(23)，粒径谱仪(24)和导电软管(25)；

其中，注射器(3)通过连接管(2)与超声雾化喷头(1)连通，注射器(3)放置于注射泵(4)中；宽频超声发生器(5)通过电线与超声雾化喷头(1)连接；超声雾化喷头(1)放置于干燥稀释腔室(6)顶端，干燥稀释腔室(6)顶部安置有均匀布气板(7)和中和器(8)；空压机(9)出气口通过连接管(10)与组合过滤器(11)相连，组合过滤器(11)再通过连接管(12)与干燥稀释腔室(6)顶部进气口相连；

干燥稀释腔室(6)靠近底部设置有门(13)；采样器(14)位于门(13)内，通过扎带(15)固定于铁架台(16)上，依次经过导电软管(17)、金属三通(18)、连接管(19)与质量流量控制器(20)相连，质量流量控制器(20)再通过连接管(21)与泵(22)相连。

2.根据权利要求1所述的标定系统，其特征在于，粒径谱仪(24)通过导电软管(23)与金属三通(18)的一个出口相连，或者与导电软管(25)相连。

3.根据权利要求1所述的标定系统，其特征在于，所述干燥稀释腔室(6)主体用防静电有机玻璃制作。

4.利用权利要求1-3任一项所述的系统进行气溶胶测量仪器标定的方法，其特征在于，包括以下步骤：

a.用注射器(3)抽取配制好的待测溶液，并放置于注射泵(4)中；

b.打开空压机(9)，经组合过滤器(11)过滤后的干燥、无油、无颗粒物的空气进入干燥稀释腔室(6)顶部，经过均匀布气板(7)后充满整个腔室，再通过中和器(8)进行静电中和，最终从干燥稀释腔室(6)底部排出，流量为150～200L/min；

c.将粒径谱仪(24)与导电软管(25)相连；打开粒径谱仪(24)，测量步骤b中从腔室底部排出空气中的颗粒物浓度；当粒径谱仪(24)显示颗粒物浓度为0时，打开注射泵(4)，通过连接管(2)向超声雾化喷头(1)中注入待测溶液，流量为0.5～1.0mL/min；

d.打开宽频超声发生器(5)，功率为0.5～1.0W，使超声雾化喷头(1)处的压电晶体振动，产生液滴，接着打开质量流量控制器(20)和泵(22)；

e.1～2min后，超声雾化喷头(1)处有放射状雾滴产生，经干燥稀释腔室(6)干燥，形成固体颗粒物，粒径谱仪(24)相应测得采样器(14)上游颗粒物浓度上升；2min后，颗粒物粒径分布稳定不变，此时粒径谱仪(24)换为与导电软管(23)相连通，测量采样器(14)下游颗粒物粒径分布；

f.对粒径谱仪(24)的数据进行处理。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤a所述待测溶液为蔗糖溶液，配制方法为：称取蔗糖溶解于高纯水中，使用滤膜过滤，并用容量瓶定容。