CN106769699A - 一种大气黑碳颗粒物相态的测量装置和测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种大气黑碳颗粒物相态的测量装置和测量方法，测量装置包括样气进口、气体出口、三通道黑碳颗粒物撞击部件、流量调节控制部件、黑碳颗粒物检测仪和系统控制部分；三通道黑碳颗粒物撞击部件包括多个黑碳颗粒物撞击器；流量调节控制部件包括多个电磁阀和多个激发器。样气通过样气进口进入测量系统后分成多个气路，分别经过黑碳颗粒物撞击器进行筛选；流经撞击器的样气依次通过黑碳颗粒物检测仪测定，获得不同气路的黑碳颗粒物数浓度；进而获得黑碳颗粒物相态。本发明能够实现黑碳颗粒物相态在线测定，检测操作简便，提高了黑碳颗粒物相态测定的时间分辨率和准确度，降低了测量成本。

Description

一种大气黑碳颗粒物相态的测量装置和测量方法

技术领域

本发明属于大气科学技术领域，涉及大气颗粒物相态测量技术，尤其涉及一种大气黑碳颗粒物相态的测量装置和测量方法。

背景技术

黑碳(Black Carbon，BC)是大气颗粒物的重要组成部分，对太阳辐射有强烈的吸收作用，可直接影响大气系统的辐射平衡以及大气能见度等，具有重要的环境效应。此外，黑碳颗粒物是有效的非均相反应载体，在大气污染形成和发展过程中，黑碳颗粒物可以作为气态分子二次转化的反应场所，使气态污染物发生吸附、扩散和多相化学反应。

影响黑碳颗粒物物理化学性质的因素很多，其中，相态是表征其吸湿性、大气寿命以及载体能力的重要参数之一。这里相态是指黑碳颗粒物存在时的物理状态，包括固态、半固态和液态。随着外界环境湿度的增加，黑碳颗粒物吸水后可以从固态变为液态。对于固态黑碳颗粒物，活性气态分子的扩散和转化主要发生在颗粒物表面，而对于液态黑碳颗粒物，这些过程可以发生在颗粒物的表面和内部。因此，准确测定黑碳气溶胶相态将有助于解析及量化其环境效应。然而，目前还没有针对测定黑碳颗粒物相态的有效设备，极大地阻碍了对黑碳颗粒物相态的深入理解，难以进一步解析和量化黑碳颗粒物的环境效应。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种在线测定黑碳颗粒物相态的装置和测量方法，用于解决大气中黑碳颗粒物相态的测量问题。

本发明提供的技术方案是：

一种大气黑碳颗粒物相态的测量装置，包括一个样气进口、多个气体出口、三通道黑碳颗粒物撞击部件、流量调节控制部件、黑碳颗粒物检测仪和系统控制部分；所述三通道黑碳颗粒物撞击部件包括多个黑碳颗粒物撞击器；所述黑碳颗粒物撞击器包括小孔和千分尺，还可包括撞击盘或不包括撞击盘；通过千分尺精确调节所述小孔与撞击盘之间的距离；所述千分尺上部为托盘，撞击盘置于托盘上，可拆卸清洗；所述流量调节控制部件包括多个电磁阀和多个激发器；所述系统控制部分包括数字模拟信号读取装置和可视化控制程序软件；

样气从样气进口进入，分三路分别进入三通道黑碳颗粒物撞击部件中，分别经过所述黑碳颗粒物撞击器筛选，样气中的黑碳颗粒物进入流量调节控制部件；通过所述电磁阀和所述激发器的气路切换，使流经黑碳颗粒物撞击器的样气依次进入黑碳颗粒物检测仪；通过所述黑碳颗粒物检测仪的测定，获得不同气路的黑碳颗粒物数浓度；所述数字模拟信号读取装置读取数字模拟信号，再通过可视化控制程序软件，根据不同气路的所述黑碳颗粒物数浓度的差值计算得到黑碳颗粒物弹跳系数，进而获得黑碳颗粒物相态；

部分未进入黑碳颗粒物检测仪的样气通过电磁阀经气体出口排出；所述气体出口均与真空泵相连，作为测量系统内气体流动动力并将废气排出测量系统。

针对上述测量装置，进一步地，所述撞击盘分为光滑撞击盘和有油脂涂层的撞击盘。

针对上述测量装置，进一步地，所述三通道黑碳颗粒物撞击部件包括三个平行的撞击装置，所述三个撞击装置均分别包括微孔盘(NozzlePlate)和压差表；其中一个撞击装置没有包括撞击盘，用于获得黑碳颗粒物总数浓度N_A；另一个撞击装置包括光滑撞击盘，用于使黑碳颗粒物发生撞击弹跳，从而获得弹跳发生后余下黑碳颗粒物数浓度N_B；第三个撞击装置包括有硅油涂层的撞击盘，用于使黑碳颗粒物发生撞击并被涂层捕捉，从而获得撞击发生后余下的黑碳颗粒物数浓度N_C。

针对上述测量装置，进一步地，所述流量调节控制部件包括三个电磁阀和两个激发器；所述两个激发器分别为两通球形阀和三通球形阀，配合所述电磁阀用于控制气流流动方向。

针对上述测量装置，进一步地，所述黑碳颗粒物检测仪为一台商品化黑碳颗粒物检测仪SP2。

针对上述测量装置，进一步地，系统控制部分中，所述可视化控制程序软件为自编写的非通用Labview可视化控制程序软件，用于控制各硬件的运行。

本发明还提供一种大气黑碳颗粒物相态的测量方法，样气通过样气进口进入测量系统后分成多个气路，分别经过三通道黑碳颗粒物撞击部件中的黑碳颗粒物撞击器进行筛选；再通过流量调节控制部件进行气路切换，使流经黑碳颗粒物撞击器的样气依次进入黑碳颗粒物检测仪；通过所述黑碳颗粒物检测仪的测定，获得不同气路的黑碳颗粒物数浓度；通过可视化控制程序软件，根据不同气路的所述黑碳颗粒物数浓度的差值计算得到黑碳颗粒物弹跳系数，进而获得黑碳颗粒物相态；具体包括如下步骤：

1)使样气分多路进入三通道黑碳颗粒物撞击部件，所述三通道黑碳颗粒物撞击部件包括不同的平行的黑碳颗粒物撞击器；通过不同的黑碳颗粒物撞击器筛选得到不同相态颗粒物；

2)样气经过黑碳颗粒物撞击器后，以恒定流量进入流量调节控制部件；所述流量调节控制部件通过电磁阀和激发器进行气路切换，实现转换控制样气进入不同的黑碳颗粒物检测部分的气路；

3)样气进入黑碳颗粒物检测部分的气路后，分别通过黑碳颗粒物检测仪对不同气路的样气进行检测，记录不同气路的黑碳颗粒物数浓度；

4)系统软件控制部分根据不同气路颗粒物数浓度差值，计算得到黑碳颗粒物弹跳系数BF；根据BF值，识别得到样气中黑碳颗粒物的相态。

针对上述测量方法，进一步地，所述气路为三路，所述三通道黑碳颗粒物撞击部件包括三个平行的黑碳颗粒物撞击器；所述三个黑碳颗粒物撞击器中，其中一个撞击器没有包括撞击盘；另一个撞击器包括光滑撞击盘；第三个撞击器包括有硅油涂层的撞击盘；通过不同的黑碳颗粒物撞击器筛选得到不同相态颗粒物。其中，步骤2)具体为：每1分钟进行一次气路切换，使得三条气路分别与黑碳颗粒物检测仪连通测定1分钟；三条气路依次切换后为一个完整循环。步骤3)分别通过黑碳颗粒物检测仪对不同气路的样气进行检测，记录不同气路的黑碳颗粒物数浓度；撞击器没有包括撞击盘的气路测量获得黑碳颗粒物总数浓度N_A；撞击器包括光滑撞击盘的气路测量获得黑碳颗粒物发生撞击弹跳后余下黑碳颗粒物数浓度N_B；撞击器包括有硅油涂层的撞击盘的气路测量获得黑碳颗粒物发生撞击并被涂层捕捉，从而获得撞击发生后余下的黑碳颗粒物数浓度N_C；步骤4)通过式1计算得到黑碳颗粒物弹跳系数BF：

当BF≈0.9时，判定大气气溶胶中黑碳颗粒物为固态；当BF≈0时，判定大气气溶胶中黑碳颗粒物为液态；否则，判定大气气溶胶中颗粒物为半固态。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明包括了黑碳颗粒物相态分离装置和黑碳检测装置及其测量方法，能够实现直接对大气中黑碳颗粒物相态的检测，实现对黑碳颗粒物相态的在线测定，填补了该领域空白。本发明的优点主要体现为：

(一)本发明使用三通道平行撞击，通过设置三个平行撞击器，无需分次检测且操作简便，避免了繁琐的撞击盘更换操作以及由此带来的测量误差，提升了黑碳颗粒物弹跳系数的测量精度和准确度，同时提高了系统的时间分辨率，从而提高了黑碳颗粒物相态测定的时间分辨率和准确度。

(二)本发明通过使用流量调节控制部件，减少了黑碳颗粒物检测仪的使用，极大地降低了测量成本。

附图说明

图1为本发明实施例提供的黑碳颗粒物相态测定装置的结构框图；

其中，虚线框表示测定装置的各部件，虚线箭头表示数字信号模拟控制方向；1—三通道黑碳颗粒物撞击部件；5—流量调节控制部件；11—商品化黑碳颗粒物检测仪SP2；12—系统控制部分；2～4—黑碳颗粒物撞击器；6～8—电磁阀；9～10—激发器；13—数字模拟信号读取装置；14—Labview可视化控制程序软件；A—样气进口；B～E—四个气体出口，气体出口均与真空泵相连，作为系统内气体流动动力并将废气排出系统。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例进一步描述本发明，但不以任何方式限制本发明的范围。

本发明提供一种在线测定大气黑碳颗粒物相态的装置，包括了黑碳颗粒物相态分离装置和黑碳检测装置，用于解决大气中黑碳颗粒物相态的测量问题。本发明提供的大气黑碳颗粒物相态的测量装置使用三通道平行撞击，无需分次检测且操作简便，提升了黑碳颗粒物弹跳系数的测量精度和准确度，同时提高了系统的时间分辨率；还通过流量调节控制部件减少黑碳颗粒物检测仪的使用，极大地降低测量成本。

图1为本发明实施例中采用的黑碳颗粒物相态测定装置的结构，其中虚线框表示本发明各部件，虚线箭头表示数字信号模拟控制方向；包括不同三通道黑碳颗粒物撞击部件、流量调节控制部件、黑碳颗粒物检测仪以及数字模拟信号读取装置和Labview系统软件控制部分；序号1为不同三通道黑碳颗粒物撞击部件，样气从A口进入，分3路分别进入该部分序号为2、3和4的黑碳颗粒物撞击器。撞击器3和4由小孔、撞击盘和千分尺组成，其中撞击器3为光滑撞击盘，撞击器4为有油脂涂层的撞击盘，撞击器2不含撞击盘。小孔与撞击盘之间的距离通过千分尺精确调节，千分尺上部为托盘，撞击盘置于托盘上，可拆卸清洗。经过1的筛选，黑碳颗粒物进入序号为5的流量调节控制部件，通过电磁阀6、7、8和激发器9、10的气路切换，使流经撞击器2、3、4的样气依次通过序号为11的商品化黑碳颗粒物检测仪SP2，未进入SP2的样气则通过电磁阀6、7或8排出系统。图中B、C、D、E四个气体出口均与真空泵相连，作为系统内气体流动动力并将废气排出系统。通过SP2的测定，获得不同气路的黑碳颗粒物数浓度，根据黑碳颗粒物数浓度差值计算黑碳颗粒物弹跳系数，进而推断黑碳颗粒物相态。所述数字模拟信号读取部分为序号为13的数字模拟信号读取装置，该部分同序号14的Labview可视化控制程序软件组成序号为12的系统控制部分。

本发明实施例中，不同三通道黑碳颗粒物撞击部件包括三个平行的撞击装置，撞击装置的平行设置可提高系统的测量准确度和精度。在三个撞击装置中，均分别包括微孔盘(NozzlePlate)、撞击盘(一个是没有撞击盘，用以获得黑碳颗粒物总数浓度N_A；一个是光滑的撞击盘，用以使黑碳颗粒物发生撞击弹跳，获得弹跳发生后余下黑碳颗粒物数浓度N_B，另外一个是有硅油涂层的撞击盘，用以使黑碳颗粒物发生撞击并被涂层捕捉，获得撞击发生后余下的黑碳颗粒物数浓度N_C)和压差表。

其中，流量调节控制部件包括三个电磁阀和两个激发器。电磁阀用以控制气流流向，阀门打开则气流排出系统，阀门关闭，气流则进入下一检测部件。两个激发器分别为两通球形阀和三通球形阀，配合电磁阀使用控制气流流动方向。电磁阀和激发器数量可根据实际情况进行适当调整。

其中，黑碳颗粒物检测仪为一台商品化黑碳颗粒物检测仪SP2。

系统软件控制部分中，数字模拟信号读取部分包括一个数字模拟信号读取装置；Labview系统软件控制部分包括计算机中针对本发明装置编写的非通用Labview可视化控制程序软件，用于控制各硬件的运行，包括设定电磁阀和激发器的气路转换频次、顺序与时间，读取相对湿度和温度测量部分信息、PID反馈调节系统内各气路流量、温度、湿度处于设定值，以及读取和记录SP2测定数据。

以下实施例针对环境大气气溶胶，利用上述黑碳颗粒物相态测定装置进行测量；测量的工作流程如下：

1)使环境大气气溶胶均分三路进入不同三通道黑碳颗粒物撞击部件，通过颗粒物撞击器筛选不同相态颗粒物；

其中，三路不同的颗粒物撞击器中，一个没有撞击盘，环境大气气溶胶通过该撞击器后未发生颗粒物撞击作用，可用以获得黑碳颗粒物总数浓度N_A；一个是光滑的撞击盘，环境大气气溶胶通过该撞击器后发生颗粒物撞击作用，此时颗粒物与撞击盘碰撞，固态颗粒物可发生弹跳，重新回到气溶胶中，液态颗粒物则粘附于撞击盘上，脱离气溶胶，因此该撞击器可用以获得发生颗粒物弹跳后余下黑碳颗粒物数浓度N_B，另外一个是有硅油涂层的撞击盘，环境大气气溶胶通过该撞击器后也会发生颗粒物撞击作用，但此时所有与撞击盘发生碰撞的颗粒物均粘附于撞击盘上，脱离气溶胶，因此该撞击器可用获得撞击发生后余下的黑碳颗粒物数浓度N_C；

2)环境大气气溶胶经过撞击器后，以恒定流量进入流量调节控制部件；该部件通过电磁阀和激发器的转换控制进入黑碳颗粒物检测部分的气路；例如，进入黑碳颗粒物检测部分的气路为A路(此路撞击器不含撞击盘)，则该路所连电磁阀关闭，所连激发器打开，另两路所连电磁阀打开，激发器关闭；每1分钟进行一次气路切换，使得黑碳颗粒物检测部分分别与三条气路连通测定1分钟，3条气路依次切换后为一个完整循环；

3)进入黑碳颗粒物检测部分的气路，通过黑碳颗粒物检测仪SP2检测并记录黑碳颗粒物数浓度；连通不同气路时，即可分别检测得到N_A、N_B和N_C；

4)系统软件控制部分根据不同气路颗粒物数浓度差值，计算得到黑碳颗粒物弹跳系数BF：

当BF≈0.9时，可判定大气气溶胶中黑碳颗粒物为固态；当BF≈0时，可判定大气气溶胶中黑碳颗粒物为液态；否则，可判定大气气溶胶中颗粒物为半固态。

需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种大气黑碳颗粒物相态的测量装置，包括一个样气进口、多个气体出口、三通道黑碳颗粒物撞击部件、流量调节控制部件、黑碳颗粒物检测仪和系统控制部分；所述三通道黑碳颗粒物撞击部件包括多个黑碳颗粒物撞击器；所述黑碳颗粒物撞击器包括小孔和千分尺，还可包括撞击盘或不包括撞击盘；通过千分尺精确调节所述小孔与撞击盘之间的距离；所述千分尺上部为托盘，撞击盘置于托盘上，可拆卸清洗；所述流量调节控制部件包括多个电磁阀和多个激发器；所述系统控制部分包括数字模拟信号读取装置和可视化控制程序软件；

样气从样气进口进入，均分三路分别进入三通道黑碳颗粒物撞击部件中，分别经过所述黑碳颗粒物撞击器筛选，样气中的黑碳颗粒物进入流量调节控制部件；通过所述电磁阀和所述激发器的气路切换，使流经黑碳颗粒物撞击器的样气依次进入黑碳颗粒物检测仪；通过所述黑碳颗粒物检测仪的测定，获得不同气路的黑碳颗粒物数浓度；所述数字模拟信号读取装置读取数字模拟信号，再通过可视化控制程序软件，根据不同气路的所述黑碳颗粒物数浓度的差值计算得到黑碳颗粒物弹跳系数，进而获得黑碳颗粒物相态；

部分未进入黑碳颗粒物检测仪的样气通过电磁阀经气体出口排出；所述气体出口均与真空泵相连，作为测量系统内气体流动动力并将废气排出测量系统。

2.如权利要求1所述测量装置，其特征是，所述撞击盘分为光滑撞击盘和有油脂涂层的撞击盘。

3.如权利要求1所述测量装置，其特征是，所述三通道黑碳颗粒物撞击部件包括三个平行的撞击装置，所述三个撞击装置均分别包括微孔盘(NozzlePlate)和压差表；其中一个撞击装置没有包括撞击盘，用于获得黑碳颗粒物总数浓度N_A；另一个撞击装置包括光滑撞击盘，用于使黑碳颗粒物发生撞击弹跳，从而获得弹跳发生后余下黑碳颗粒物数浓度N_B；第三个撞击装置包括有硅油涂层的撞击盘，用于使黑碳颗粒物发生撞击并被涂层捕捉，从而获得撞击发生后余下的黑碳颗粒物数浓度N_C。

4.如权利要求1所述测量装置，其特征是，所述流量调节控制部件包括三个电磁阀和两个激发器；所述两个激发器分别为两通球形阀和三通球形阀，配合所述电磁阀用于控制气流流动方向。

5.如权利要求1所述测量装置，其特征是，所述黑碳颗粒物检测仪为一台商品化黑碳颗粒物检测仪SP2。

6.如权利要求1所述测量装置，其特征是，系统控制部分中，所述可视化控制程序软件为自编写的非通用Labview可视化控制程序软件，用于控制各硬件的运行。

7.一种大气黑碳颗粒物相态的测量方法，其特征是，样气通过样气进口进入测量系统后分成多个气路，分别经过颗粒物相态分离部件中的黑碳颗粒物撞击器进行筛选；再通过流量调节控制部件进行气路切换，使流经黑碳颗粒物撞击器的样气依次进入黑碳颗粒物检测仪；通过所述黑碳颗粒物检测仪的测定，获得不同气路的黑碳颗粒物数浓度；通过可视化控制程序软件，根据不同气路的所述黑碳颗粒物数浓度的差值计算得到黑碳颗粒物弹跳系数，进而获得黑碳颗粒物相态；具体包括如下步骤：

1)使样气分多路进入颗粒物相态分离部件，所述颗粒物相态分离部件包括不同的平行的黑碳颗粒物撞击器；通过不同的黑碳颗粒物撞击器筛选得到不同相态颗粒物；

2)样气经过黑碳颗粒物撞击器后，以恒定流量进入流量调节控制部件；所述流量调节控制部件通过电磁阀和激发器进行气路切换，实现转换控制样气进入不同的黑碳颗粒物检测部分的气路；

3)样气进入黑碳颗粒物检测部分的气路后，分别通过黑碳颗粒物检测仪对不同气路的样气进行检测，记录不同气路的黑碳颗粒物数浓度；

4)系统软件控制部分根据不同气路颗粒物数浓度差值，计算得到黑碳颗粒物弹跳系数BF；根据BF值，识别得到样气中黑碳颗粒物的相态。

8.如权利要求7所述测量方法，其特征是，所述气路为三路，所述三通道黑碳颗粒物撞击部件包括三个平行的黑碳颗粒物撞击器；所述三个黑碳颗粒物撞击器中，其中一个撞击器没有包括撞击盘；另一个撞击器包括光滑撞击盘；第三个撞击器包括有硅油涂层的撞击盘；通过不同的黑碳颗粒物撞击器筛选得到不同相态颗粒物。

9.如权利要求8所述测量方法，其特征是，步骤2)具体为：每1分钟进行一次气路切换，使得三条气路分别与黑碳颗粒物检测仪连通测定1分钟；三条气路依次切换后为一个完整循环。

10.如权利要求8所述测量方法，其特征是，步骤3)分别通过黑碳颗粒物检测仪对不同气路的样气进行检测，记录不同气路的黑碳颗粒物数浓度；撞击器没有包括撞击盘的气路测量获得黑碳颗粒物总数浓度N_A；撞击器包括光滑撞击盘的气路测量获得黑碳颗粒物发生撞击弹跳后余下黑碳颗粒物数浓度N_B；撞击器包括有硅油涂层的撞击盘的气路测量获得黑碳颗粒物发生撞击并被涂层捕捉，从而获得撞击发生后余下的黑碳颗粒物数浓度N_C；步骤4)通过式1计算得到黑碳颗粒物弹跳系数BF：

当BF≈0.9时，判定大气气溶胶中黑碳颗粒物为固态；当BF≈0时，判定大气气溶胶中黑碳颗粒物为液态；否则，判定大气气溶胶中颗粒物为半固态。