CN108376001A - 一种颗粒物湿度快速控制装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种颗粒物湿度快速控制装置及其控制方法。装置包括洁净空气发生单元、气流干燥通道、气流加湿通道、气流混合单元、湿度测量与调节单元和颗粒物湿度交换单元。气流干燥通道包括Nafion干燥管、高效过滤器、针阀和真空泵。气流加湿通道包括Nafion加湿管、去离子水储水罐和栓塞。气流混合单元包括三通电磁阀、混合管和叶片。湿度测量与调节单元包括湿度传感器、微控制器、PID算法处理单元和脉冲宽度调制驱动电路。颗粒物湿度交换单元包括微孔内衬管、不锈钢套管、湿度传感器和真空泵。本发明能够在颗粒物在线测量过程中对采样颗粒物进行湿度控制，使其相对湿度在10%到90%之间任意调节，且湿度切换响应时间低于60秒。

Description

一种颗粒物湿度快速控制装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及气溶胶分析和监测技术领域，具体涉及一种颗粒物湿度快速控制装置及其控制方法。

背景技术

环境空气湿度变化直接影响大气颗粒物的含水量，导致颗粒物粒径和相态改变。大气颗粒物在环境温湿度变化过程中发生气、液、固相转移和动态分配，其吸湿和蒸发过程将改变大气颗粒物粒径分布、光学特性、化学组成以及活化成云效率，属于颗粒物研究中的基础问题之一。颗粒物物理化学特性的测量通常在干燥条件下进行，而在实际环境温湿度条件下，颗粒物与水汽的相互作用直接影响颗粒物的粒径、密度、化学组成等。为了开展实际环境温湿度条件下的颗粒物观测研究，需要在采样环节对颗粒物进行湿度控制，以保证其湿度条件与环境湿度一致。

现有的颗粒物湿度控制装置多集中在干燥环节。常用的颗粒物干燥方法主要有冷凝干燥、扩散干燥和薄膜干燥。冷凝干燥是利用冷却颗粒物气流至露点以下使水份冷凝析出，扩散干燥利用水蒸气扩散并被干燥剂吸附，薄膜干燥利用半透薄膜对水的透过性来分离颗粒物气流中的水蒸气，达到干燥颗粒物的目的。北京大学曾立民等人曾提出一种气溶胶湿度控制装置，采用饱和冷凝和恒温加热方法控制气溶胶湿度，但该方法湿度调节所需时间长，加上大气颗粒物粒径、化学组分等随时间变化快，因此该方法无法满足在线测量场景下颗粒物湿度实时控制需求。因此，需要设计一种能够快速控制颗粒物湿度的装置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种颗粒物湿度快速控制装置及其控制方法，该控制装置及其控制方法能够解决现有技术中存在的不足，在颗粒物在线测量过程中对采样颗粒物进行湿度控制，使其相对湿度在10%到90%之间任意调节，且湿度切换响应时间低于60秒。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种颗粒物湿度快速控制装置，包括洁净空气发生单元、气流干燥通道、气流加湿通道、气流混合单元、湿度测量与调节单元以及颗粒物湿度交换单元。所述洁净空气发生单元包括依次相连的空气压缩机、冷却器、油水分离器、聚结过滤器和空气干燥器；所述空气干燥器的出口分别接气流干燥通道及气流加湿通道的入口。所述气流干燥通道包括Nafion干燥管、分别开设在Nafion干燥管上的第一吹扫气流入口与第一吹扫气流出口、与第一吹扫气流入口相连的高效过滤器、设置在第一吹扫气流入口与高效过滤器之间的针阀以及与第一吹扫气流出口相连的第一真空泵。所述气流加湿通道包括两组相串联的加湿单元，所述加湿单元包括Nafion加湿管以及分别安装在Nafion加湿管上的去离子水储水罐和栓塞。所述气流混合单元包括三通电磁阀、与三通电磁阀的出口相连的混合管以及设置在混合管内的叶片；所述三通电磁阀的入口一接气流干燥通道的出口，三通电磁阀的入口二接气流加湿通道的出口。所述湿度测量与调节单元包括第一湿度传感器、微控制器、PID算法处理单元和脉冲宽度调制驱动电路；所述第一湿度传感器设置在气流混合单元出口处，且其输出端与微控制器的输入端相连，微控制器的输出端与PID算法处理单元的输入端相连，PID算法处理单元的输出端与脉冲宽度调制驱动电路的输入端相连，脉冲宽度调制驱动电路的输出端与三通电磁阀的控制端相连。所述颗粒物湿度交换单元包括由内向外依次同轴设置的微孔内衬管和不锈钢套管、颗粒物气流入口、颗粒物气流出口、第二吹扫气流入口、第二吹扫气流出口、设置在颗粒物气流出口处的第二湿度传感器、与第二吹扫气流出口相连的第二真空泵；所述颗粒物气流入口接气流混合单元的出口。

进一步的，所述聚结过滤器对0.01μm及以上颗粒物过滤精度为99.99%。

进一步的，所述Nafion干燥管的吹扫气流为大气真空，通过针阀调节Nafion干燥管中吹扫气流的真空度，真空度范围为0.9 bar至全真空。

进一步的，所述Nafion加湿管采用虹吸供水，去离子水储水罐放置高于Nafion加湿管供水入口20 cm处。

进一步的，所述第一、第二湿度传感器均为高精度湿度传感器，该高精度湿度传感器的湿度测量精度不大于±1%，响应时间不大于15 s；所述三通电磁阀开关响应时间不大于3 ms。

进一步的，所述不锈钢套管的内径不小于25 mm，长度不小于500 mm，材质为316L不锈钢；所述微孔内衬管的内径不小于15 mm，材质为e-PTFE膨体聚四氟乙烯，孔隙尺寸不小于2 μm，密度低于0.8 g/cc。

进一步的，所述颗粒物湿度交换单元中的吹扫气流速为颗粒物气流流速的3倍以上，且吹扫气流与颗粒物气流的流向相反。

本发明还涉及一种上述颗粒物湿度快速控制装置的控制方法，该方法包括以下步骤：

（1）洁净空气发生单元产生的洁净空气分为两路，一路进入到气流干燥通道中干燥后得到干燥气流，另一路进入到气流加湿通道中加湿后得到加湿气流。

（2）由气流干燥通道流出的干燥气流和由气流加湿通道流出的加湿气流通过三通电磁阀动态切换进入到气流混合单元中，进行充分混合后得到混合气流；与此同时，微控制器通过第一湿度传感器实时采集气流混合单元出口处的混合气流的湿度，并将该湿度与设定的标准湿度值进行比较，然后通过PID算法处理单元输出可变占空比的脉冲宽度调制信号，并通过脉冲宽度调制驱动电路控制三通电磁阀开关，对进入到气流混合单元中的干燥气流和加湿气流的比例进行控制，产生相对湿度等于设定的标准湿度值的洁净空气气流，作为颗粒物湿度交换单元的吹扫气。

（3）在颗粒物湿度交换单元中，颗粒物气流与吹扫气发生湿度交换，同时，微控制器通过第二湿度传感器实时测量颗粒物气流出口处的气流湿度，进而对三通电磁阀的切换速度进行调节。

和现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

（1）本发明中的PID算法处理单元利用微控制器软件实现PID算法，控制加湿气流和干燥气流进入气流混合装置的比例，产生相对湿度快速可调的颗粒物湿度交换装置吹扫气，显著降低了湿度切换响应时间。

（2）本发明采用大直径膨体聚四氟乙烯材质的微孔管作为颗粒物气流与吹扫气流湿度交换媒介，有效促进了水蒸气扩散，提高了湿度交换效率。

（3）本发明使用大气真空法配置Nafion干燥管，通过针阀调节管内真空度，在保证干燥效率的条件下，无须额外提供仪表风，提高了干燥装置适用性。

（4）本发明采用虹吸供给法为Nafion加湿管提供去离子水，在保证加湿效率的同时，无须额外配置去离子水循环系统，降低了加湿装置复杂度。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是颗粒物湿度交换单元的结构示意图，图2中的实线表示颗粒物气流气路，虚线表示吹扫气流气路。

其中：

1、空气压缩机，2、冷却器，3、油水分离器，4、聚结过滤器，5、空气干燥器，6、Nafion干燥管，7、高效过滤器，8、针阀，9、第一真空泵，10、Nafion加湿管，11、去离子水储水罐，12、栓塞，13、三通电磁阀，14、混合管，15、叶片，16、第一湿度传感器，17、微控制器，18、PID算法处理单元，19、脉冲宽度调制驱动电路，20、颗粒物湿度交换单元，21、微孔内衬管，22、不锈钢套管，23、颗粒物气流入口，24、第二吹扫气流入口，25、颗粒物气流出口，26、第二吹扫气流出口，27、第二湿度传感器，28、第二真空泵。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：

如图1-图2所示的一种颗粒物湿度快速控制装置，包括洁净空气发生单元、气流干燥通道、气流加湿通道、气流混合单元、湿度测量与调节单元以及颗粒物湿度交换单元20。所述洁净空气发生单元包括依次相连的空气压缩机1、冷却器2、油水分离器3、聚结过滤器4和空气干燥器5。所述空气压缩机1的入口接气源，出口接冷却器2的入口，冷却器2的出口接油水分离器3的入口，油水分离器3的出口接聚结过滤器4的入口，聚结过滤器4的出口接空气干燥器5的入口，空气干燥器5的出口分别接气流干燥通道及气流加湿通道的入口。所述气流干燥通道包括Nafion干燥管6、分别开设在Nafion干燥管6上的第一吹扫气流入口与第一吹扫气流出口、与第一吹扫气流入口相连的高效过滤器7、设置在第一吹扫气流入口与高效过滤器7之间的针阀8以及与第一吹扫气流出口相连的第一真空泵9。所述气流加湿通道包括两组相串联的加湿单元，所述加湿单元包括Nafion加湿管10以及分别安装在Nafion加湿管上的去离子水储水罐11和栓塞12。所述气流混合单元包括三通电磁阀13、与三通电磁阀的13出口相连的混合管14以及设置在混合管14内的叶片15。所述三通电磁阀13的入口一接气流干燥通道的出口，三通电磁阀13的入口二接气流加湿通道的出口。所述湿度测量与调节单元包括第一湿度传感器16、微控制器17、PID算法处理单元18和脉冲宽度调制驱动电路19。所述第一湿度传感器16设置在气流混合单元出口处，且其输出端与微控制器17的输入端相连，微控制器17的输出端与PID算法处理单元18的输入端相连，PID算法处理单元18的输出端与脉冲宽度调制驱动电路19的输入端相连，脉冲宽度调制驱动电路19的输出端与三通电磁阀13的控制端相连。所述颗粒物湿度交换单元包括由内向外依次同轴设置的微孔内衬管21和不锈钢套管22、颗粒物气流入口23、颗粒物气流出口25、第二吹扫气流入口24、第二吹扫气流出口26、设置在颗粒物气流出口25处的第二湿度传感器27、与第二吹扫气流出口26相连的第二真空泵28；所述颗粒物气流入口23接气流混合单元的出口。

进一步的，所述聚结过滤器4对0.01μm及以上颗粒物过滤精度为99.99%。

进一步的，所述Nafion干燥管6的吹扫气流为大气真空，通过针阀调节Nafion干燥管中吹扫气流的真空度，真空度范围为0.9 bar至全真空，可使流速为1 L/min洁净空气湿度降低至5%。

进一步的，所述Nafion加湿管10采用虹吸供水，去离子水储水罐11放置高于Nafion加湿管10供水入口20 cm处，去离子水储水罐11中的去离子水保持恒温25 ºC，采用2组相同配置的Nafion加湿管串联，可使流速为1 L/min洁净空气湿度增加至95%。

进一步的，所述第一湿度传感器16、第二湿度传感器26均为高精度湿度传感器，该高精度湿度传感器的湿度测量精度不大于±1%，响应时间不大于15 s；所述三通电磁阀13开关响应时间不大于3 ms；所述PID算法处理单元18采用软件实现位置式PID算法。

进一步的，所述不锈钢套管22的内径不小于25 mm，长度不小于500 mm，材质为316L不锈钢。所述微孔内衬管21的内径不小于15 mm，材质为e-PTFE膨体聚四氟乙烯，孔隙尺寸不小于2 μm，密度低于0.8 g/cc。

进一步的，所述颗粒物湿度交换单元20中的吹扫气流速为颗粒物气流流速的3倍以上，且吹扫气流与颗粒物气流的流向相反。

本发明还涉及一种上述颗粒物湿度快速控制装置的控制方法，该方法包括以下步骤：

（1）洁净空气发生单元产生的洁净空气分为两路，一路进入到气流干燥通道中干燥后得到干燥气流，另一路进入到气流加湿通道中加湿后得到加湿气流。

（2）由气流干燥通道流出的干燥气流和由气流加湿通道流出的加湿气流通过三通电磁阀动态切换进入到气流混合单元中，进行充分混合后得到混合气流；与此同时，微控制器通过第一湿度传感器实时采集气流混合单元出口处的混合气流的湿度，并将该湿度与设定的标准湿度值进行比较，然后通过PID算法处理单元输出可变占空比的脉冲宽度调制信号，并通过脉冲宽度调制驱动电路控制三通电磁阀开关，对进入到气流混合单元中的干燥气流和加湿气流的比例进行控制，产生相对湿度等于设定的标准湿度值的、相对湿度范围在10%~90%内洁净空气气流，作为颗粒物湿度交换单元的吹扫气。

（3）在颗粒物湿度交换单元中，颗粒物气流与吹扫气发生湿度交换，同时，微控制器通过第二湿度传感器实时测量颗粒物气流出口处的气流湿度，进而对三通电磁阀的切换速度进行调节。

本发明的工作原理为：

本发明利用三通电磁阀在由气流干燥通道流出的干燥气流和由气流加湿通道流出的加湿气流之间进行动态切换，从而使进入到气流混合单元中的洁净空气的湿度符合设定的湿度值，作为颗粒物湿度交换单元的吹扫气。颗粒物气流经过由不锈钢套管和微孔内衬管构成的湿度交换装置，与吹扫气发生湿度交换，利用高精度的第二湿度传感器实时测量颗粒物湿度交换装置的吹扫气和颗粒物气流湿度，通过微控制器反馈调节三通电磁阀切换速度，达到快速控制颗粒物湿度的目的。本发明适用于相对湿度在10% 到 90%之间的颗粒物湿度控制，湿度切换响应时间低于60秒。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种颗粒物湿度快速控制装置，其特征在于：包括洁净空气发生单元、气流干燥通道、气流加湿通道、气流混合单元、湿度测量与调节单元以及颗粒物湿度交换单元；

所述洁净空气发生单元包括依次相连的空气压缩机、冷却器、油水分离器、聚结过滤器和空气干燥器；所述空气干燥器的出口分别接气流干燥通道及气流加湿通道的入口；

所述气流干燥通道包括Nafion干燥管、分别开设在Nafion干燥管上的第一吹扫气流入口与第一吹扫气流出口、与第一吹扫气流入口相连的高效过滤器、设置在第一吹扫气流入口与高效过滤器之间的针阀以及与第一吹扫气流出口相连的第一真空泵；

所述气流加湿通道包括两组相串联的加湿单元，所述加湿单元包括Nafion加湿管以及分别安装在Nafion加湿管上的去离子水储水罐和栓塞；

所述气流混合单元包括三通电磁阀、与三通电磁阀的出口相连的混合管以及设置在混合管内的叶片；所述三通电磁阀的入口一接气流干燥通道的出口，三通电磁阀的入口二接气流加湿通道的出口；

所述湿度测量与调节单元包括第一湿度传感器、微控制器、PID算法处理单元和脉冲宽度调制驱动电路；所述第一湿度传感器设置在气流混合单元出口处，且其输出端与微控制器的输入端相连，微控制器的输出端与PID算法处理单元的输入端相连，PID算法处理单元的输出端与脉冲宽度调制驱动电路的输入端相连，脉冲宽度调制驱动电路的输出端与三通电磁阀的控制端相连；

所述颗粒物湿度交换单元包括由内向外依次同轴设置的微孔内衬管和不锈钢套管、颗粒物气流入口、颗粒物气流出口、第二吹扫气流入口、第二吹扫气流出口、设置在颗粒物气流出口处的第二湿度传感器、与第二吹扫气流出口相连的第二真空泵；所述颗粒物气流入口接气流混合单元的出口。

2.根据权利要求1所述的一种颗粒物湿度快速控制装置，其特征在于：所述聚结过滤器对0.01μm及以上颗粒物过滤精度为99.99%。

3.根据权利要求1所述的一种颗粒物湿度快速控制装置，其特征在于：所述Nafion干燥管的吹扫气流为大气真空，通过针阀调节Nafion干燥管中吹扫气流的真空度，真空度范围为0.9 bar至全真空。

4.根据权利要求1所述的一种颗粒物湿度快速控制装置，其特征在于：所述Nafion加湿管采用虹吸供水，去离子水储水罐放置高于Nafion加湿管供水入口20 cm处。

5.根据权利要求1所述的一种颗粒物湿度快速控制装置，其特征在于：所述第一、第二湿度传感器均为高精度湿度传感器，该高精度湿度传感器的湿度测量精度不大于±1%，响应时间不大于15 s；所述三通电磁阀开关响应时间不大于3 ms。

6.根据权利要求1所述的一种颗粒物湿度快速控制装置，其特征在于：所述不锈钢套管的内径不小于25 mm，长度不小于500 mm，材质为316L不锈钢；所述微孔内衬管的内径不小于15 mm，材质为e-PTFE膨体聚四氟乙烯，孔隙尺寸不小于2 μm，密度低于0.8 g/cc。

7.根据权利要求1所述的一种颗粒物湿度快速控制装置，其特征在于：所述颗粒物湿度交换单元中的吹扫气流速为颗粒物气流流速的3倍以上，且吹扫气流与颗粒物气流的流向相反。

8.根据权利要求1~7任意一项所述的颗粒物湿度快速控制装置的控制方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

（1）洁净空气发生单元产生的洁净空气分为两路，一路进入到气流干燥通道中干燥后得到干燥气流，另一路进入到气流加湿通道中加湿后得到加湿气流；

（2）由气流干燥通道流出的干燥气流和由气流加湿通道流出的加湿气流通过三通电磁阀动态切换进入到气流混合单元中，进行充分混合后得到混合气流；与此同时，微控制器通过第一湿度传感器实时采集气流混合单元出口处的混合气流的湿度，并将该湿度与设定的标准湿度值进行比较，然后通过PID算法处理单元输出可变占空比的脉冲宽度调制信号，并通过脉冲宽度调制驱动电路控制三通电磁阀开关，对进入到气流混合单元中的干燥气流和加湿气流的比例进行控制，产生相对湿度等于设定的标准湿度值的洁净空气气流，作为颗粒物湿度交换单元的吹扫气；

（3）在颗粒物湿度交换单元中，颗粒物气流与吹扫气发生湿度交换，同时，微控制器通过第二湿度传感器实时测量颗粒物气流出口处的气流湿度，进而对三通电磁阀的切换速度进行调节。