CN109323976B - 一种冷凝粒子计数器温控装置 - Google Patents
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Abstract
一种冷凝粒子计数器温控装置，可解决冷凝粒子计数器的温控系统体积和功耗较大，适用性差的技术问题。在冷凝腔内设置帕尔贴，所述冷凝腔内设置冷凝腔热敏电阻，所述饱和腔内设置饱和腔热敏电阻，所述帕尔贴的热面设置散热片；还包括冷却液回路系统，所述冷却液回路系统包括冷却液储存罐、液体泵和回流管路，冷却液储存罐经回流管路连接液体泵，所述回流管路从液体泵引出，穿过散热片，再贯穿光学腔连入到饱和腔内；还包括温控电路，所述冷凝腔热敏电阻、腔热敏电阻、帕尔贴及液体泵分别与温控电路连接。本发明不但温控速度快，饱和腔和光学腔加热均匀，有利于丁醇蒸汽的扩散均匀度，控制了粒子增长的一致性，还较大的降低了功耗和体积。
Description
技术领域
本发明涉及丁醇冷凝粒子计数器技术领域，具体涉及一种冷凝粒子计数器温控装置。
背景技术
冷凝粒子计数器（Condensation Particle Counters,CPC）是一种测量空气中粒子数浓度的仪器，经过多年的发展，由于粒子测量的准确性，其已成为一种常被用于测量空气中微小气溶胶粒子数浓度的标准仪器。通常空气中会存在的大量肉眼不可见粒子，其直径从微米到纳米不等，这些微小粒子在进入粒子计数器的光学腔后，由于其散射光较为微弱，很难被探测器所发现，因此需要通过其它工作液在粒子上冷凝的方法，使得被探测粒子的尺寸变大，而能被探测器所接收。冷凝粒子计数器工作液，主要根据被测粒子属性分为醇基和水基两种，而正丁醇是商业CPC历史上使用最多的工作流体，如TSI公司的377系列CPC，GRIM公司的5400系列CPC。丁醇是具有低蒸汽扩散率的大分子，因此它停留在蒸汽流中以提供可靠的、可重复的CPC冷凝状态;另外，丁醇不像水会改变某些被测粒子的物理或化学属性，因此丁醇成为CPC中工作液长期的较好选择。丁醇CPC中，通过抽取空气中粒子并使其顺序进入饱和腔、冷凝腔，从而产生可被测量直径的粒子。其中饱和腔工作温度在35℃-40℃之间，需要通过加热片进行加热，光学腔工作温度在40℃左右，也需要通过加热片进行加热，冷凝腔工作在10℃左右，需要通过帕尔贴进行降温，这三个温控系统通常相互独立工作。
现阶段市场上商业丁醇CPC粒子冷凝增长的工作过程可描述如下：首先携带粒子的空气被连续的吸入到CPC的饱和腔中，饱和腔通常工作在35℃-40℃之间，其中已充满丁醇的过饱和蒸汽，丁醇蒸汽与被测空气混合；然后，混合气体继续通过温度在10℃左右的冷凝腔时，丁醇蒸汽在作为冷凝核的颗粒上冷凝，这一过程可将每个纳米颗粒的尺寸变大增加至近似10μm，长大的粒子进入工作在40℃左右的光学腔内，通过光散射可以很方便地检测到大的液滴。光学腔40℃的工作温度是为了使丁醇等工作液不冷凝在光学探测元件上，破坏探测电路。冷凝粒子计数器的科学技术，以及仪器的复杂性，在于将蒸汽冷凝到粒子上，当颗粒周围的蒸汽达到特定的过饱和度时，蒸汽开始在颗粒上凝结，这个过饱和度的大小决定了CPC的最小可检测颗粒，也就是最小检测颗粒所能增长的粒径大小。
饱和腔、冷凝腔和光学腔的温控结构和方法，对丁醇蒸汽的过饱和度至关重要。在大部分的商业醇基CPC中，饱和腔通过外部覆盖电阻丝加热的方式实现温度控制，参考Wayne T.的A CONDENSATION NUCLEUS COUNTER FOR CHEMICALLY REACTIVE GASES文中（J.Aerosol Sci. Vol. 31, No. 12, pp. 1397-1406, 2000）给出的结构图，为了使丁醇在饱和腔内更好的蒸散，电热丝通常覆盖在饱和腔底部，饱和腔结构外部则覆盖较厚的隔热材料进行保温；冷凝腔则使用电制冷器件帕尔贴实现腔体冷却，帕尔贴器件直接贴在冷凝腔壁上，同样外部包裹隔热材料进行保温，帕尔贴制冷产生的热通过散热片和风扇导出。光学腔加热结构和饱和腔相同，参考TSI3775操作手册3-6页，也是通过大功率风扇对冷凝腔和光学腔进行散热的。
上述CPC温控结构，加热和制冷各自独立工作，虽然温差调整方便，但体积和功耗较大，只适用于实验室大型台式仪器，市政供电。随着CPC测量仪器的发展，已经成为在室外环境雾霾监测，机动车尾气颗粒物排放的标准监测仪器，因此CPC急需降低体积和功耗，采用电池供电，成为能够长期室外在线监测的便携式工作单元。
发明内容
本发明提出的一种冷凝粒子计数器温控装置，可解决冷凝粒子计数器的温控系统体积和功耗较大，适用性差的技术问题。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种冷凝粒子计数器温控装置，基于冷凝粒子计数器的光学腔、冷凝腔和饱和腔，所述冷凝腔内设置帕尔贴，所述冷凝腔内设置冷凝腔热敏电阻，所述饱和腔内设置饱和腔热敏电阻，所述帕尔贴的热面设置散热片；
还包括冷却液回路系统，所述冷却液回路系统包括冷却液储存罐、液体泵和回流管路，冷却液储存罐经回流管路连接液体泵，所述回流管路从液体泵引出，穿过散热片，再贯穿光学腔连入到饱和腔内；
还包括温控电路，所述冷凝腔热敏电阻、腔热敏电阻、帕尔贴及液体泵分别与温控电路连接。
进一步的，所述饱和腔腔壁内均匀分布多个冷却液管状导流槽。
进一步的，所述散热片上还设置加热丝，所述加热丝与温控电路连接。
进一步的，还包括泡沫隔热层，所述光学腔、冷凝腔和饱和腔都设置在泡沫隔热层内。
进一步的，还包括外部散热片，所述散热片经电磁阀分别与冷却液储存罐和饱和腔内连接，所述电磁阀与温控电路连接。
进一步的，所述饱和腔腔壁内均匀分布六个冷却液管状导流槽，其中两个组成回流通路，共三个回流通路。
由上述技术方案可知，本发明公开的一种基于CPC的饱和腔、冷凝腔、光学腔的复合温控结构，该结构增加了冷却液回路，把冷凝腔制冷器产生的热通过冷却液快速回流到饱和腔和光学腔中用于加热，并且在某些环境中热量不够的情况下，还可以辅助加热丝加热达到目标温度。该发明不但温控速度快，饱和腔和光学腔加热均匀，有利于丁醇蒸汽的扩散均匀度，控制了粒子增长的一致性，还较大的降低了功耗和体积。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的饱和腔加热结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
由于丁醇CPC中，通过抽取空气中粒子并使其顺序进入饱和腔、冷凝腔，从而产生可被测量直径的粒子。其中饱和腔工作温度在35℃-40℃之间，需要通过加热片进行加热，光学腔工作温度在40℃左右，也需要通过加热片进行加热，冷凝腔工作在10℃左右，需要通过帕尔贴进行降温，这三个温控系统通常相互独立工作。
现有商业丁醇CPC饱和腔、冷凝腔、光学腔温控各自独立，体积功耗较大，不适用于便携和室外站点长期工作的仪器。
如图1所示，冷凝粒子计数器包括光学腔2、冷凝腔9、饱和腔12，进气口14、进气口封盖15、喷嘴18和出气口19；本实施例公开了一种冷凝粒子计数器温控装置，基于所述光学腔2、冷凝腔9和饱和腔12，所述光学腔2、冷凝腔9和饱和腔12都设置在泡沫隔热层1内；
所述冷凝腔9内设置帕尔贴3，所述冷凝腔9内设置冷凝腔热敏电阻17，所述饱和腔12内设置饱和腔热敏电阻16，所述帕尔贴3的热面设置散热片4；
还包括冷却液回路系统，所述冷却液回路系统包括冷却液储存罐7、液体泵6和回流管路，冷却液储存罐7经回流管路连接液体泵6，所述回流管路从液体泵6引出，穿过散热片4，再贯穿光学腔2连入到饱和腔12内；
还包括温控电路，所述冷凝腔热敏电阻17、腔热敏电阻16、帕尔贴3及液体泵6分别与温控电路连接。
其中，所述散热片4上还设置加热丝5，所述加热丝5与温控电路连接。
还包括外部散热片8，所述散热片8经电磁阀10分别与冷却液储存罐7和饱和腔12内连接，所述电磁阀10与温控电路连接。
具体功能描述如下：
用于产生过饱和丁醇蒸汽的饱和腔12均匀加热机构：
为保证饱和腔12腔体加热的均匀性，设计由三部分组成：
中间的主腔体环形腔壁内均匀分布6个冷却液管状导流槽，如图2所示，通过对导流槽进出口刻槽，形成主腔体左截面导流槽1和2为回流通路，导流槽3和4为回流通路，导流槽5和6为回流通路，主腔体右截面导流槽2和3为回流通路，导流槽4和5为回流通路，导流槽6和1为回流通路。饱和腔12左边部分为组合进气口封盖，饱和腔12右边部分为组合出气口封盖，三部分形成流经饱和腔的冷却液回路。
冷凝腔温控结构：该结构主要包括紧贴于冷凝腔9用于制冷的帕尔贴制冷元件；紧贴于帕尔贴3热面的散热片4，该散热片4内有冷却液回路，用于冷却液流动带走散热片热量使用；紧贴于散热片4另一面的加热电阻丝5，该电阻丝用于补偿加热。电阻丝5和帕尔贴3由外部温控电路控制。
外部的冷却液回路，包括液体泵6，冷却液管，电磁阀10，外部散热片8，冷却液储存罐7，连接方式如图1所示。
安装于饱和腔12上表面的热敏电阻16，用于测量饱和腔12的温度；安装于冷凝腔9的热敏电阻17，用于测量冷凝腔9的温度。
外部测量电路，根据热敏电阻反馈的数值，控制泵、电磁阀、10帕尔贴3、加热丝5的工作，形成稳定的目标温度。
具体工作过程描述如下：当该温控电路开机后，温控电路读取饱和腔12热敏电阻16和冷凝腔热敏电阻17数值，并打开液体泵6和电磁阀10，使冷却液在温控结构内进行流动。温控电路同时打开帕尔贴3进行制冷，加热丝5即电阻丝进行加热，帕尔贴3和电阻丝产生的热量会传导到散热片4上，冷却液通过流动，把热量依次传递到光学腔2和饱和腔12内。当温控电路读取到热敏电阻的温度和目标温度接近时，由于外部隔热层1的保温作用，温控电路会逐步降低制冷和加热功率直至平衡状态。连接电磁阀10的外部散热片，用于当环境温度过高时，防止冷却液温度过高，即当帕尔贴3达不到制冷温度，而打开进行额外的散热。
本发明实施例具备以下特点：
1、本发明实施例主要设计了用于饱和腔12、冷凝腔9、光学腔2的复合温控结构，该结构通过冷却液回路把冷凝腔帕尔贴3制冷产生的热，提供给光学腔2和饱和腔12加热；
2、同时在冷凝腔9散热片4上，组装加热片，保证在低温环境中，可提供饱和腔12和光学腔额外加热功率；
3、由于饱和腔12体积较大，为保证饱和腔12加热的均匀性，在饱和腔12结构上设计了6管路的冷却液回流结构；同时也在光学腔2和散热片4内也设计了冷却液回路，共同组成了温控回路；
4、该温控回路还包括电磁阀10，用于控制冷却液通断；液体泵6用于冷却液流动驱动；冷却液罐7用于存储冷却液；外部散热片8，用于较高环境温度下，冷却液的散热。
5、该温控回路还包括温控电路，温控电路读取饱和腔和冷凝腔的热敏电阻数值，产生调制信号，控制帕尔贴3和电阻丝通断，达到目标温度；该电路还控制电磁阀和液体泵的动作，使得冷却液产生回流。
综上可知，本发明实施例设计的一种饱和腔、冷凝腔和光学腔的复合温控结构，该结构把冷凝腔产生的热用于饱和腔和光学腔的加热中。该设计不但减小温控结构体积，还降低了电源功耗，非常适合应用于便携式或手持式CPC中。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (3)
1.一种冷凝粒子计数器温控装置，基于冷凝粒子计数器的光学腔(2)、冷凝腔(9)和饱和腔(12)，所述冷凝腔(9)内设置帕尔贴(3)，所述冷凝腔(9)内设置冷凝腔热敏电阻(17)，所述饱和腔(12)内设置饱和腔热敏电阻(16)，其特征在于：所述帕尔贴(3)的热面设置散热片(4)；
还包括冷却液回路系统，所述冷却液回路系统包括冷却液储存罐(7)、液体泵(6)和回流管路，冷却液储存罐(7)经回流管路连接液体泵(6)，所述回流管路从液体泵(6)引出，穿过散热片(4)，再贯穿光学腔(2)连入到饱和腔(12)内；
还包括温控电路，所述冷凝腔热敏电阻(17)、腔热敏电阻(16)、帕尔贴(3)及液体泵(6)分别与温控电路连接；
还包括泡沫隔热层(1)，所述光学腔(2)、冷凝腔(9)和饱和腔(12)都设置在泡沫隔热层(1)内；
所述饱和腔(12)腔壁内均匀分布多个冷却液管状导流槽；
还包括外部散热片(8)，所述散热片(8)经电磁阀(10)分别与冷却液储存罐(7)和饱和腔(12)内连接，所述电磁阀(10)与温控电路连接。
2.根据权利要求1所述的冷凝粒子计数器温控装置，其特征在于：所述散热片(4)上还设置加热丝(5)，所述加热丝(5)与温控电路连接。
3.根据权利要求1所述的冷凝粒子计数器温控装置，其特征在于：所述饱和腔(12)腔壁内均匀分布六个冷却液管状导流槽，其中两个组成回流通路，共三个回流通路。
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