CN110927047A - 一种双级制冷颗粒物冷凝生长计数器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于环境监测技术领域，尤其涉及一种双级制冷颗粒物冷凝生长计数器，包括依次连接的：入口、蒸发室、蒸冷隔热器、冷凝室Ⅰ段、冷凝隔热器、冷凝室Ⅱ段、喷嘴、光散射计数器，光散射计数器出口通过软管与限流孔连接，限流孔通过软管与三通接口A连接，三通接口B通过软管与气泵连接；测压装置通过软管分别与三通接口C、蒸发室、冷凝室连接；测温装置通过电路分别与蒸发室、冷凝室Ⅰ段和冷凝室Ⅱ段连接。本发明可以提高颗粒物的流量，从而增加颗粒物通过光学检测器的数目，扩大颗粒物的激活区域，提高仪器对小颗粒物的检测效率，将原有的两台不同工作液的串联结构变成一台独立的CPC,实现1‑3纳米颗粒物的单级检测。
Description
技术领域
本发明属于环境监测技术领域，尤其涉及一种双级制冷颗粒物冷凝生长计数器。
背景技术
1-3nm颗粒物数浓度数据是研究大气二次颗粒物生成的重要基础。为研究新粒子生成及其成核机理，需对新生成颗粒物的物理化学特性进行观测和研究。成核相关的临界团簇粒径通常在1-3纳米之间，所以该粒径范围是研究新粒子生成的关键尺度。研究表明，可以通过大气颗粒物粒径分布的变化来判断新粒子事件的发生，尤其是1-3纳米颗粒物的数量变化。另外，在研究成核及增长过程中，成核速率、增长速率和颗粒物表面积等参数的计算都要依赖于颗粒物粒径分布的测量结果。
目前针对1-3纳米颗粒物的检测技术主要是基于冷凝生长的光学计数技术的原理：通过控制工作液体蒸发室和蒸气冷凝室温度差或是冷热气流的混合，形成工作液体蒸气的过饱和环境，使待测颗粒物在过饱和环境中冷凝生长，达到光学检测方法的粒径下限后由光散射方法计数,使用这种技术的仪器被称为冷凝生长计数器(CPC)。对于不同颗粒物，使用不同的工作液体，如对于3纳米以上的颗粒物，一般使用正丁醇为工作液，以水为工作液的CPC对水溶性颗粒物检测效率较高，对于3纳米以下的颗粒物，一般使用二甘醇作为工作液，但是缺点是只能使颗粒物长大到100纳米左右，现有的光学检测探测器不能对其直接检测，需要在冷凝室出口处再用正丁醇CPC进行二次冷凝生长及检测。
目前基于二甘醇的CPC具有一些不足之处，主要包括以下几点：
(1)传统的二甘醇CPC采用鞘气结构(颗粒物流量与饱和蒸汽的流量比值一般为1:9或1:5等)，导致颗粒物流量低，一般工况下的颗粒物流量仅为0.03 l/min、0.083l/min和0.25l/min。使用冷热气流混合原理的颗粒物粒径放大器 (PSM)由于也将颗粒物流量同蒸汽流量分开，所以其进入检测器的气溶胶流量为0.73l/min。流量低导致只有很少的颗粒物能够得到检测。这不利于降低仪器检测1-3纳米颗粒物的浓度下限。
(2)传统CPC的冷凝室设计为温度相同的单级制冷结构，使其内部的过饱和度呈现中心线高，边壁低的梯度分布。小颗粒物被激活的区域只局限于中心线处，使颗粒物被激活的比例较低，即具有较低的颗粒物检测效率。
(3)由于现有的光学探测器不能直接检测在二甘醇内冷凝长大后的液滴，所以需要在一级冷凝生长后再使用正丁醇工作液进行二级冷凝生长，需要两台 CPC串联使用，增大了仪器的复杂程度和成本。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种双级制冷颗粒物冷凝生长计数器，包括依次连接的：入口、蒸发室、蒸冷隔热器、冷凝室Ⅰ段、冷凝隔热器、冷凝室Ⅱ段、喷嘴、光散射计数器，光散射计数器出口通过软管与限流孔连接，限流孔通过软管与三通接口A连接，三通接口B通过软管与气泵连接；测压装置通过软管分别与三通接口C、蒸发室、冷凝室连接；测温装置通过电路分别与蒸发室、冷凝室Ⅰ段和冷凝室Ⅱ段连接。
所述入口的前端内径小，后端内径大。
所述蒸发室内固定有吸水材料，所述蒸发室的外壁贴有加热片。
所述冷凝室Ⅰ段和冷凝室Ⅱ段的外壁贴有制冷片。
所述蒸发室的温度为41±5℃，所述冷凝室Ⅰ段的温度为0±5℃，所述冷凝室Ⅱ段的温度为20±5℃。
所述光散射计数器中采用光学探测器直接检测由二甘醇工作液激活长大的液滴，光学探测器使用波长等于或小于405纳米的激光。
所述蒸发室和冷凝室采用同轴排布设计，颗粒物和蒸气沿直线运动。
所述蒸发室采用单通道设计，待测气溶胶进入蒸发室，携带蒸气一起进入冷凝室。
待测气流经入口气路放大后进入固定有吸水材料的蒸发室，工作液二甘醇在蒸发室蒸发后和待测气流混合，一起进入冷凝室Ⅰ段，在过饱和度作用下，待测气流中的颗粒物迅速吸湿长大，随后混合气流经过冷凝隔热器进入冷凝室Ⅱ段，在局部温差作用下，减弱均相成核作用，颗粒物继续吸湿长大，粒径达到光散射计数器的检测下限后被探测并计数。
本发明的有益效果为：
(1)有别于传统二甘醇CPC使用毛细管+鞘气结构，本发明使用圆筒式单一通道结构，可以提高颗粒物的流量，从而增加颗粒物通过光学检测器的数目。
(2)有别于传统的蒸发室+冷凝室的两段结构，本发明具有蒸发室+第一级冷凝室+第二级冷凝室的三级结构，从而扩大颗粒物的激活区域，提高仪器对小颗粒物的检测效率
(3)改变光学探测器的激光波长和光路采集系统，实现直接检测二甘醇液滴，将原有的两台不同工作液的串联结构变成一台独立的CPC,实现1-3纳米颗粒物的单级检测。
(4)所述的以双级制冷颗粒物冷凝生长计数器采用双级制冷设计，将冷凝室从传统的温度一体化变成了温度梯度分布，增大了温差，有效提高了颗粒物激活效率，同时抑制了均相成核，实现了仪器对颗粒物计数效率的提高。
附图说明
图1为本发明所述的双级制冷颗粒物冷凝生长计数器结构示意图。
图2为本发明所述的入口的立体示意图。
图3为本发明所述的蒸发室的立体示意图。
图4为本发明所述的蒸冷隔热器的立体示意图。
图5为本发明所述的冷凝室整体的立体示意图。
图6为本发明所述的光学探测器示意图。
图7为本发明对1-5纳米颗粒物的检测效率
图8为本发明使用改进后的光学探测器对1-3纳米颗粒物的检测效率
图中：
1-入口 2-蒸发室 3-蒸冷隔热器
4-冷凝室Ⅰ段 5-冷凝隔热器 6-冷凝室Ⅱ段
7-喷嘴 8-光散射计数器 9-限流孔
10-三通 11-气泵 12-测压装置
13-测温装置
具体实施方式
本发明旨在提供一种双级制冷颗粒物冷凝生长计数器，提高颗粒物的激活效率，提高仪器的计数效率。
双级制冷颗粒物冷凝生长计数器的结构如下：
入口1连接待采样对象；入口1出口直接与蒸发室2入口连接；蒸发室2 出口直接与蒸冷隔热器3连接；蒸冷隔热器3另一侧直接与冷凝室Ⅰ段4入口连接；冷凝室Ⅰ段4出口与冷凝隔热器5连接；冷凝隔热器5另一侧与冷凝室Ⅱ段6入口连接；冷凝室Ⅱ段6出口通过喷嘴7与光散射计数器8连接；光散射计数器8出口通过软管与限流孔9连接；限流孔9通过软管与三通10接口A 连接；三通10接口B通过软管与气泵11连接；三通10接口C通过软管与测压装置12连接；测压装置12通过软管分别与蒸发室测压和冷凝室连接；测温装置13通过电路分别与蒸发室2、冷凝室Ⅰ段4和冷凝室Ⅱ段6连接。
其中，所述的入口1如图2所示，待测气流从位置101进入，在位置102 中气路半径被扩大，以适应蒸发室2内径。
蒸发室2如图3所示，入口1的102段直接套入蒸发室2中，使气路联通。
蒸冷隔热器3如图4所示，其材料为导电塑料，位置302连接蒸发室2，位置301连接冷凝室Ⅰ段4，气路在这一段中被缩小，以适应蒸发室2内径和冷凝室Ⅰ段4的不同内径，将混合气流输送至冷凝室中。
冷凝室Ⅰ段4、冷凝隔热器5和冷凝室Ⅱ段6如图5所示，位置401与位置 601分别用于固定制冷片，冷凝室Ⅰ段4与冷凝室Ⅱ段6温度不同，二者之间用冷凝隔热器5来隔热。
光学探测器如图6所示，其中：81光源，82照明透镜组，83投影棱镜，84 光平面，85待测颗粒，86反射镜，87集光透镜组，88感光探测器。已有研究使用的光学探测器具有类似的结构，但其光源使用的是红光，红光波长 620-760nm，红光探测器所能检测到的颗粒物粒径下限通常为300-500nm，对于粒径小于300nm的颗粒物几乎检测不到信号。本发明中将光源由原来的红光改为波长为405纳米的紫光，可以检测粒径更小的颗粒物，即二甘醇激活颗粒物后长大的液滴。
待测气流首先进入入口1，气路经入口1放大后进入固定有吸水材料的蒸发室2，工作液在温度较高的蒸发室2蒸发后和待测气流混合，一起进入冷凝室，首先进入温度很低(0℃左右)的冷凝室Ⅰ段4，在大温差环境下，工作液体蒸气具有较高的过饱和度，待测气流中的颗粒物迅速冷凝长大；随后混合气流经过冷凝隔热器5进入冷凝室Ⅱ段6，冷凝室中后段的温度也较低，但是高于冷凝室入口段(20℃左右)，形成局部小温差，减弱均相成核作用，颗粒物继续长大，粒径达到光散射计数器8的检测下限后被探测并计数。
其中，气流流量通过限流孔9和测压装置12控制。其原理为：当经过限流孔的气流速度达到声速后，再提高其上下游的压力差，其气流速度将保持不变，仍为声速，以此可控制气体流量。测压装置12分别与蒸发室、冷凝室和限流孔 9下游的三通10相连，从而测量限流孔9前后的压力差，使其大于临界压差后可以使流量维持在定值。
蒸发室2由贴于外壁的加热片供热，冷凝室Ⅰ段4和冷凝室Ⅱ段6由贴于外壁的制冷片制冷，蒸发室2、冷凝室Ⅰ段4和冷凝室Ⅱ段6的温度由置于蒸发室2、冷凝室Ⅰ段4和冷凝室Ⅱ段6上的温度传感器控制。通过温度传感器和测温装置13控制加热片和制冷片以使三者均达到设定温度。
为验证本发明的有益效果，进行了模拟验证：
(1)通过商用的有限元模拟软件COMCOL COMSOL Multiphysics(5.3a)模拟了1.5纳米颗粒物在本发明中构型和已有二甘醇CPC构型中的颗粒物浓度，结果表明本发明的构型具有最高的颗粒物浓度，从而实现了颗粒物被检测数目的增加。
(2)使用商用的有限元模拟软件COMCOL COMSOL Multiphysics(5.3a)模拟了蒸发室+第一级冷凝室+第二级冷凝室的三级结构中过饱和度分布，结果表明所以双级制冷的冷凝室有助于扩大颗粒物的激活区域。使用双级制冷的冷凝室后，颗粒物的激活区域由中部变为冷凝室入口处，由于冷凝室入口处的颗粒物浓度较高，所以这种激活区域位置的变化也会增加颗粒物的检测效率。
使用氧化钨颗粒物就标定了本发明对1-3纳米颗粒物的检测效率，为了与已有研究比较，先不安装自制的光学检测器，使用商用的正丁醇CPC作为第二级检测器。设置蒸发室、第一级冷凝室和第二级冷凝室温度分别为51℃、3℃和 20℃，结果如图7所示，本发明的检测效率在小粒径颗粒物的检测效率与现有技术接近，当颗粒物粒径大于1.8纳米时，颗粒物的检测效率与颗粒物通过效率一致，这意味着几乎100％的颗粒物都被激活了。值得注意的是，本发明的颗粒物流量是已有研究的1.3倍至20倍之间，大大增加了颗粒物被检测数目。
使用图6以紫光为光源的光学探测器检测颗粒物，结果如图8所示，本发明可以很好的检测1-3纳米颗粒物，并实现了二甘醇工作液液滴的直接检测。
实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (9)
1.一种双级制冷颗粒物冷凝生长计数器，其特征在于，包括依次连接的：入口、蒸发室、蒸冷隔热器、冷凝室Ⅰ段、冷凝隔热器、冷凝室Ⅱ段、喷嘴、光散射计数器，光散射计数器出口通过软管与限流孔连接，限流孔通过软管与三通接口A连接，三通接口B通过软管与气泵连接；测压装置通过软管分别与三通接口C、蒸发室、冷凝室连接；测温装置通过电路分别与蒸发室、冷凝室Ⅰ段和冷凝室Ⅱ段连接。
2.根据权利要求1所述双级制冷颗粒物冷凝生长计数器，其特征在于，所述入口的前端内径小，后端内径大。
3.根据权利要求1所述双级制冷颗粒物冷凝生长计数器，其特征在于，所述蒸发室内固定有吸水材料，所述蒸发室的外壁贴有加热片。
4.根据权利要求1所述双级制冷颗粒物冷凝生长计数器，其特征在于，所述冷凝室Ⅰ段和冷凝室Ⅱ段的外壁贴有制冷片。
5.根据权利要求1所述双级制冷颗粒物冷凝生长计数器，其特征在于，所述蒸发室的温度为41±5℃，所述冷凝室Ⅰ段的温度为0±5℃，所述冷凝室Ⅱ段的温度为20±5℃。
6.根据权利要求1所述双级制冷颗粒物冷凝生长计数器，其特征在于，所述光散射计数器中采用光学探测器直接检测由二甘醇工作液激活长大的液滴，光学探测器使用波长等于或小于405纳米的激光。
7.根据权利要求1所述双级制冷颗粒物冷凝生长计数器，其特征在于，所述蒸发室和冷凝室采用同轴排布设计，颗粒物和蒸气沿直线运动。
8.根据权利要求1所述双级制冷颗粒物冷凝生长计数器，其特征在于，所述蒸发室采用单通道设计，待测气溶胶进入蒸发室，携带蒸气一起进入冷凝室。
9.根据权利要求1～8任一所述双级制冷颗粒物冷凝生长计数器，其特征在于，待测气流经入口气路放大后进入固定有吸水材料的蒸发室，工作液二甘醇在蒸发室蒸发后和待测气流混合，一起进入冷凝室Ⅰ段，在过饱和度作用下，待测气流中的颗粒物迅速吸湿长大，随后混合气流经过冷凝隔热器进入冷凝室Ⅱ段，在局部温差作用下，减弱均相成核作用，颗粒物继续吸湿长大，粒径达到光散射计数器的检测下限后被探测并计数。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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