CN113720749A - 一种宽温纳米颗粒计数器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽温纳米颗粒计数器。该宽温纳米颗粒计数器包括：进气分流结构、饱和器、冷凝器以及光学计数器。饱和器、冷凝器、光学计数器依次相连通，饱和器、冷凝器和光学计数器均设置有温控单元，且饱和器中存放有热扩散系数大于质量扩散系数的液体工质。待检测气体经进气分流结构分为两路，一路经过滤后进入饱和器，并携带工质蒸汽进入冷凝器，另一路由毛细管或微孔通道从冷凝器底部中心进入冷凝器，并与携带工质蒸汽的气体混合，工质选取为醇类、硅油类、酯类或由硅油类、酯类、醇类中至少两种混合成的溶液。本发明针对不同待测样气温度，通过选择不同的液体工质，实现了宽温域下的纳米颗粒数目浓度的有效测量。

Description

一种宽温纳米颗粒计数器

技术领域

本发明涉及颗粒计数领域，特别是涉及一种宽温纳米颗粒计数器。

背景技术

当前，雾霾天气频发，引起公众对于大气颗粒污染物的密切关注。大量研究表明，颗粒尺寸越小，越容易深入人体，纳米级颗粒可直达肺泡，甚至随着血液的循环进入大脑，给人体带来不可逆的损伤，危害极大。另外，机动车和航空发动机排放法规也针对排气中纳米颗粒数目浓度进行限制。因此，细小颗粒的计量对大气污染和满足最新排放法规的相关研究具有基础性作用。大气污染物的来源众多，其温度也由常温到高温均有分布，现有的颗粒计量装置并不能满足当前对宽温纳米颗粒数目的测量需求。

发明内容

本发明的目的是提供一种宽温纳米颗粒计数器。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种宽温纳米颗粒计数器，包括：进气分流结构、饱和器、冷凝器以及光学计数器，所述饱和器、所述冷凝器与所述光学计数器依次相连通，所述饱和器、所述冷凝器与所述光学计数器均设置有温控单元，所述饱和器的温度高于所述冷凝器的温度，且所述饱和器中存放有热扩散系数大于质量扩散系数的液体工质；所述进气分流结构包括前处理管路和待测气体输送管路，待检测气体从宽温纳米颗粒计数器的待测气体输入端进入后分为两路，一路进入所述前处理管路，另一路进入所述待测气体输送管路；所述前处理管路中的气体经过滤后进入所述饱和器，并携带所述饱和器中的工质蒸汽进入所述冷凝器；所述待测气体输送管路中的气体经所述待测气体输送管路末端的毛细管或微孔通道从所述冷凝器底部中心进入所述冷凝器；其中，当饱和器的工作温度低于设定温度阈值时，工质选取醇类，当饱和器的工作温度高于所述设定温度阈值时，工质选取硅油类、酯类或由硅油类、酯类、醇类中至少两种混合成的溶液。

可选的，所述前处理管路上安装有流量控制模块、颗粒过滤器和流量计，所述流量控制模块用于调控流入所述饱和器的气体流量；所述颗粒过滤器用于去除所述前处理管路中气体中的颗粒物，所述流量计用于对所述前处理管路中气体的流量进行测量；所述前处理管路输出的气体进入所述饱和器后，经液体工质上方流动，并携带工质蒸汽从所述饱和器的输出端进入所述冷凝器。

可选的，所述光学计数器包括：包括：散射光收集装置、气溶胶颗粒准直结构和激光器，其中：

所述散射光收集装置上设置有气溶胶颗粒进气口、气溶胶颗粒出气口以及激光照射入口；

所述气溶胶颗粒准直结构用于将从所述气溶胶颗粒进气口进入的气溶胶颗粒直线性的输送至所述气溶胶颗粒出气口；

所述激光器，发出的激光经所述激光照射入口进入散射光收集装置，且所述激光照射在气溶胶颗粒的运动路径上。

可选的，所述光学颗粒计数器还包括气溶胶颗粒进气嘴，所述气溶胶颗粒准直结构包括：环形鞘气喷嘴，所述环形鞘气喷嘴包括喷嘴部和管路部；

所述喷嘴部包括喷嘴腔体；所述喷嘴腔体，出口与所述气溶胶颗粒进气口连接，套设在所述气溶胶颗粒进气嘴外部，且与所述气溶胶颗粒进气嘴外壁之间具有环形间隙；所述环形间隙在所述气溶胶颗粒进气嘴出口处的横截面关于所述气溶胶颗粒进气嘴出口横截面的中心对称，且从所述环形间隙喷出的气流聚拢于所述气溶胶颗粒进气口指向所述气溶胶颗粒出气口的直线上；

所述管路部包括多个气流管路，多个气流管路与均匀开设在所述喷嘴腔体侧壁的气流进口相连接。

可选的，所述气溶胶颗粒进气嘴的输出端口为毫米级或亚毫米级的缩口。

可选的，所述气溶胶颗粒进气口与所述气溶胶颗粒出气口的连线为一直线，所述气溶胶颗粒准直结构包括在所述气溶胶颗粒进气口周围的散射光收集装置壁上开设的多个气流进气口，所述气流进气口在以所述直线与所述散射光收集装置的交点为圆心的圆周上均匀布置，所述气流进气口用于向所述直线上对称的吹气。

可选的，所述光学颗粒计数器还包括：处理器，所述处理器包括光强脉冲统计模块、粒径比较统计模块和反演粒径算法模块，所述光强脉冲统计模块用于获取光电传感器输出的光脉冲信号，并统计光脉冲信号的光强分布从而获得颗粒的数目信息；所述粒径比较统计模块用于基于光脉冲信号光强与颗粒尺寸的对应关系，对比于参考光脉冲信号强度确定颗粒的粒径大小；所述反演粒径算法模块用于基于光脉冲信号分布根据反演算法解析出具体的颗粒粒径分布情况。

可选的，所述宽温纳米颗粒计数器还包括输出端与所述待测气体输入端连接的二级稀释系统，所述二级稀释系统包括：一级稀释管路和二级稀释管路；

所述一级稀释管路，包括第一输入管路、第二输入管路、第一气体混合模块、第一流量记录调控模块以及第二流量记录调控模块，所述第一输入管路连通待检测气体，所述第二输入管路连通纯净气体，所述第一输入管路的输出端和所述第二输入管路的输出端均与所述第一气体混合模块的输入端连通，所述第一流量记录调控模块用于调控待检测气体的流量，所述第二流量记录调控模块用于调控纯净气体的流量；

所述二级稀释管路，包括第一支路、第二支路、第二气体混合模块、以及安装在所述第一支路或所述第二支路上的第三流量记录调控模块；所述第一支路上安装有净化过滤模块，所述第一支路的输入端以及所述第二支路的输入端均与所述第一气体混合模块的输出端连通，所述第一支路的输出端以及所述第二支路的输出端均与所述第二气体混合模块的输入端连通，所述第二气体混合模块的输出端与颗粒物稀释系统的输出端相连通。

可选的，所述二级稀释系统还包括与所述二级稀释系统的输出端连通的采样管路，所述采样管路中放置有采样过滤膜，在过滤膜上采集附着的颗粒样品可进行后续离线分析。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供的宽温纳米颗粒计数器通过在不同的测量温度下采用不同的液体工质，并结合对饱和器、冷凝器的温度控制，实现了宽范围工作温度下颗粒的计数测量。采用本发明提供的宽温纳米颗粒计数器可以根据待测气体的温度，选择其适合的液体工质、饱和器与冷凝器温度，实现对待测气体中细小颗粒的准确计数。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的宽温纳米颗粒计数器用饱和器的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的宽温纳米颗粒计数器用饱和器的又一结构示意图；

图3为本发明实施例提供的光学颗粒计数器的部分结构示意图；

图4为本发明实施例中气溶胶颗粒进气嘴的结构示意图；

图5为本发明实施例中环形鞘气喷嘴的结构示意图；

图6为本发明实施例中环形鞘气喷嘴的三维图；

图7为本发明实施例中环形鞘气喷嘴与气溶胶颗粒进气嘴装配后的剖面图；

图8为本发明实施例中环形鞘气喷嘴与气溶胶颗粒进气嘴装配后的另一剖面图；

图9为本发明实施例中环形鞘气喷嘴与气溶胶颗粒进气嘴装配后出口处的示意图；

图10为本发明实施例中光学颗粒计数器的结构示意图；

图11为本发明实施例中激光光源截面的压缩示意图；

图12为本发明实施例中光斑压缩前后计数原理示意图；

图13为本发明实施例中光电传感器的安装方式示意图；

图14为本发明实施例中气溶胶颗粒物稀释系统的第一结构示意图；

图15为本发明实施例中气溶胶颗粒物稀释系统的第二结构示意图；

图16为本发明实施例中气溶胶颗粒物稀释系统的第三结构示意图；

图17为本发明实施例中气溶胶颗粒物稀释系统的第四结构示意图。

1.饱和室本体，2.工质，3.管路通道，4.前处理管路，5.颗粒过滤器，6.流量计，7.加热构件，8.流量控制模块，9.进气通道，10.绝热板，11.待测气体输送管路，12.冷凝器，13.出气通道，14.第一通道，15.第二通道，16.积分球，17.气溶胶颗粒出气口，18.透镜组件，19.激光器，20.激光照射入口，21.气溶胶颗粒进气嘴，22.气溶胶颗粒进气口，23.光陷阱，24.气流管路，25.气流进口，26.喷嘴腔体，27.喷嘴腔体出口，28.环形间隙，29.气流进气口，30.中空直管，31.通孔，32.柱面透镜，33.一级稀释管路，34.二级稀释管路，35.气动驱动模块，36.过滤模块，37.第一温度调控模块，38.第二温度调控模块，331.第一输入管路，332.第一流量记录调控模块，333.第二流量记录调控模块，334.第二输入管路，335.第一气体混合模块，341.第一支路，342.第二支路，343.净化过滤模块，344.第三流量记录调控模块，345.第二气体混合模块，351.第四流量记录调控模块，352.气泵，361.第一颗粒过滤器，371.第一温度采集器，372.加热器，373.第一PID温度控制器，381.再热器，382.第二温度采集器，383.第二PID温度控制器。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1

参见图1，本实施例提供了一种宽温纳米颗粒计数器，该宽温纳米颗粒计数器包括：进气分流结构、饱和器、冷凝器12以及光学计数器，饱和器与冷凝器12相连通，冷凝器12与光学计数器相连通，饱和器、冷凝器12与光学计数器均设置有温控单元，用于对饱和器、冷凝器12与光学计数器的温度进行调节控制。饱和器的温度高于冷凝器的温度，且饱和器中存放有热扩散系数大于质量扩散系数的液体工质。待检测气体从待测气体输入端进入后分为两路，一路进入前处理管路4中进行过滤后进入饱和器，并携带饱和器中的工质蒸汽进入冷凝器12，另一路经待测气体输送管路11从冷凝器12底部中心进入冷凝器12，并与冷凝器12中的工质蒸汽混合。其中，当饱和器的工作温度低于设定温度阈值时，工质选取醇类，当饱和器的工作温度高于设定温度阈值时，工质选取硅油类、酯类或由硅油类、酯类、醇类中至少两种混合成的溶液。在本实施例中，设定温度阈值可以为50℃，本实施例提供的纳米颗粒计数器通过采用不同液体的工质，结合饱和器、冷凝器相应的温度控制，既可以在常温下工作，也可以在高温下工作，实现了宽温域下的纳米颗粒数目浓度的有效测量。

现有技术中的一些细小颗粒计数设备，由于其工作温度有限，不能根据待测气体的温度选取适合的测量温度，比如，工作温度为常温的一些细小颗粒计数设备在测量高温待测气体时，在冷凝环节，由于待测气体温度过高以及其工质的限制，并不能够对高温待测气体进行有效的冷凝，进而导致测量结果不准确。相较于此，本发明提供的宽温纳米颗粒计数器能够根据待测气体的温度选取适合的液体工质及测量温度，在冷凝环节实现有效的冷凝和颗粒的凝结增长，进而实现对细小颗粒的有效计量。

在冷凝器12中，前处理管路4输出的鞘气(即前处理管路中经过滤后的待检测气体)中携带的工质蒸汽分子冷凝在待测气体输送管路11输出的待检测气体的颗粒表面，使颗粒粒径不断增长，长大后的颗粒进入光学计数器，由光学计数器对颗粒的数量进行计量。

在一个示例中，为了避免气溶胶颗粒成簇的从冷凝器12输出，或者说，为了使气溶胶颗粒尽量一个一个从通过冷凝器12输出，冷凝器12的输出端口设置为毫米级或亚毫米级的缩口。

在本实施例中，由于有些场景下(比如燃烧情况下)，产生的气溶胶颗粒物数目浓度过高，为了能够很好的对高浓度的颗粒物进行计数，本实施例提供的宽温纳米颗粒计数器还设置了气溶胶颗粒物稀释系统，用于对进入饱和器的待检测气体进行一定比例的稀释。待检测气体经气溶胶颗粒物稀释系统稀释后方可进入上述饱和器。

后文将对光学计数器、饱和器以及气溶胶颗粒物稀释系统进行详细介绍。

在上述内容的基础上，为了避免各构件之间温度的相互影响，比如冷凝器的高温对光学计数器的损坏，在各构件的连接处设置有绝热板，比如，在饱和器与冷凝器之间、冷凝器与光学计数器之间均安装导热系数小于1W/(m·K)的绝热材料，在实际的应用中，该绝热材料放置于相连构件连接处的外部，该导热系数小于1W/(m·K)的绝热板由导热系数极低的材料制成。为了能有效控制饱和器和冷凝器中的温度，在所述饱和器中设置有第一温度传感器，所述冷凝器中设置有第二温度传感器。

为能给各气路提供足够的能量，即为待测气体从进气分流结构到光学计数器整个运动过程提供动力，将泵布置于光学粒子计数器的末端，即可在光学粒子计数器的出口处连接出气管，出气管末端安装泵。为能方便流量校准，在出气管上设有节流孔，节流孔设置在泵之前，以便于将流量尽可能得控制在节流孔的临界流量附近。为了减少对环境污染，在出气管上设置有高效过滤器，为了更精确得调节合适总流量，在该高效过滤器后端设置有转子流量计，调节转子流量计的开度，可以控制总采样流量，实现总采样流量的精确测量，同时结合前处理管路上所测得的流量，利用最终测得的总颗粒数目除以两个流量之差，准确地推算出颗粒数目浓度。

为了减少散热损失，并保证饱和器和冷凝器温度尽量均匀，在饱和器和冷凝器表面均裹有石棉等保温材料。

下面对光学计数器、饱和器以及气溶胶颗粒物稀释系统进行详细介绍。

实施例1

如图1和图2所示，饱和器包括：饱和室本体1、温控单元和工质2。其中，工质2装载在饱和室本体1内侧的底部，工质2为醇类、酯类、硅油类或由酯类、硅油类、醇类中至少两种构成的混合物。温控单元包括加热构件7和用于对加热构件7进行温度调节的温控模块(未示出)。饱和室本体1外侧底部开设有安装槽(未示出)，加热构件7设置于安装槽内，饱和室本体1的侧壁开设有进气通道9，进气通道9在饱和室本体1内侧壁的开口高度高于工质液面的高度，饱和室本体1的顶部开设有出气通道13，出气通道13与宽温纳米颗粒计数器中冷凝器12的进气口连通。前处理管路4上设置有颗粒过滤器5、流量计6和流量控制模块8(流量控制模块8用于调控流入饱和器的气体流量；颗粒过滤器5用于去除前处理管路4中气体中的颗粒物；流量计6用于对前处理管路4中气体的流量进行测量)，前处理管路4的输出端与进气通道9连通。在加热构件7的加热作用下，工质2汽化，工质蒸汽上升至饱和室本体1内侧的上部；通过前处理管路4和进气通道9进入饱和室本体1内部的鞘气携带工质蒸汽从出气通道13流出进入宽温纳米颗粒计数器的冷凝器12中。

在本实施例中，由于工质2为醇类、酯类、硅油类或由酯类、硅油类、醇类中至少两种构成的混合物，可以根据待检测气体的温度，选择适合的工质成分，比如，当待检测气体的温度在10℃-50℃范围内时，工质可选择醇类，加热部件的加热温度控制在40℃左右，对应冷凝器的温度控制在20℃左右。当待检测气体的温度在50℃-200℃范围内时，工质可选择硅油类、酯类或由硅油类、酯类、醇类中至少两种混合而成的溶液，加热部件的加热温度控制在200℃-250℃左右，对应冷凝器的温度控制在150℃-220℃左右，具体温度应根据所选取的液体工质进行调整。也就是说，对于不同温度的待测气体，本发明可以选择不同的工质，配合该工质适合的工作温度(即饱和器温度以及冷凝器温度)，以实现冷凝阶段待测气体中颗粒更好的凝结增长。本发明对饱和器温度的调控采用加热部件7和加热部件温控模块实现，加热部件7使工质汽化，汽化后的工质由鞘气携带进入冷凝器，与现有技术中将鞘气通入浸润有机工质的多孔质结构以实现鞘气对有机工质的携带相比，本发明汽化后的有机工质更容易被鞘气带走，即鞘气能够带走更多的工质蒸汽，更好的实现鞘气对有机工质的携带作用。

在一个示例中，进气通道9可如图1所示。其中，进气通道9在饱和室本体1内侧壁的开口处贴有半透膜材料，该半透膜材料可以透过气体，但不能透过液体，可以选用透气防水布料，比如Sympatex，以防止工质由于振动颠簸等原因流出饱和器内部。

在另一个示例中，参见图2，为了使鞘气能够与饱和室本体1内部上方的工质蒸汽更充分的接触，可将饱和室本体1的侧壁设置为内部中空的空心壁，空心壁的外侧壁底部开设有第一通道14，空心壁的内侧壁上部四周开设有多个第二通道15，第一通道14、第二通道15以及空心壁的内腔共同构成饱和器的进气通道；其中，第二通道15所处位置的高度高于工质液面所处位置的高度。鞘气从空心壁的底部进入空心壁的上部，由位于空心壁内侧上部四周的多个第二通道15进入饱和室本体1内部，即能够从饱和室本体1上方的四周进入饱和室本体1内部，并与饱和室本体1内部上方的工质蒸汽混合，实现与工质蒸汽更充分的接触。进一步的，第二通道15处贴有半透膜材料，该半透膜材料可以透过气体但不能透过液体，可以选用透气防水布料，比如Sympatex，以防止工质由于振动颠簸等原因流出饱和室本体1。

在本实施例中，加热构件7优选为加热棒。

在本实施例中，饱和室本体1底部开设有供待测气体输送管路11通过的管路通道3，待测气体输送管路外壁与饱和室本体底面密封连接，其中，待测气体输送管路11末端的毛细管将待测气体输送至冷凝器12的进口处。

在本实施例中，从宽温纳米颗粒计数器待测气体输入端进入的气流将会分流至所述待测气体输送管路11与所述前处理管路4。

在本实施例中，饱和器还包括设置于饱和室本体1与宽温纳米颗粒计数器中的冷凝器12之间的绝热板10，以避免饱和器的较高温度向冷凝器12传递。

在本实施例中，为了保证工质蒸汽通过的同时，防止工质在使用中由于振动颠簸等原因流出饱和器进入冷凝器，饱和器与冷凝器之间的气路接口处贴有半透膜材料，该半透膜材料可以透过气体但不能透过液体，可以选用透气防水布料，比如Sympatex。

在冷凝器12中，鞘气中携带的工质蒸汽冷凝在待测气体中颗粒的表面，使颗粒粒径不断增长，长大后的颗粒进入光学计数器，由光学计数器对颗粒的数量进行计量。

实施例2

如图3所示，光学颗粒计数器包括：散射光收集装置、气溶胶颗粒准直结构和激光器。其中，参见图3，在本实施例中，散射光收集装置优选为积分球16。积分球16上设置有气溶胶颗粒进气口22、气溶胶颗粒出气口17以及激光照射入口20。气溶胶颗粒准直结构用于将从气溶胶颗粒进气口22进入积分球16的气溶胶颗粒全部直线性的输送至气溶胶颗粒出气口17，并从气溶胶颗粒出气口17排出。以避免积分球16内滞留许多气溶胶颗粒无法排出等现象的产生。激光器19发出的激光经激光照射入口20进入积分球16，且激光路径与气溶胶颗粒的运动路径相交，激光照射在交点处的气溶胶颗粒上。

对于上述气溶胶颗粒准直结构，可以采用以下几种方式实现：

方式1，参见图3和图4，光学颗粒计数器还包括气溶胶颗粒进气嘴21(即为前述缩口)，参见图4-图9，气溶胶颗粒准直结构包括：环形鞘气喷嘴，该环形鞘气喷嘴套设在上述气溶胶颗粒进气嘴21外部，环形鞘气喷嘴包括喷嘴部和管路部。

具体的，喷嘴部包括喷嘴腔体26。喷嘴腔体出口27与气溶胶颗粒进气口22连接，且喷嘴腔体26与气溶胶颗粒进气嘴21外壁之间具有环形间隙28。该环形间隙28在气溶胶颗粒进气嘴21出口处的横截面关于气溶胶颗粒进气嘴21出口横截面的中心对称，且从环形间隙28喷出的气流聚拢于气溶胶颗粒进气口22指向气溶胶颗粒出气口17的直线上，以将从积分球16的气溶胶颗粒进气口22进入的气溶胶颗粒直线性的吹向积分球16的气溶胶颗粒出气口17。

管路部包括多个气流管路24，多个气流管路24与均匀开设在喷嘴腔体侧壁的气流进口25相连接，气流管路24将气流输送至上述环形间隙28。

方式2，气溶胶颗粒进气口22与气溶胶颗粒出气口17的连线为一直线，气溶胶颗粒准直结构包括在气溶胶颗粒进气口22周围的积分球壁上开设的多个气流进气口29，气流进气口29在以上述直线与积分球壁的交点为圆心的圆周上均匀布置，气流进气口29用于向直线上对称的吹气。

具体的，纯净辅助气流进口成对称性，通入两到三股与气溶胶颗粒进气口22处流速接近的准直纯净气流作为气溶胶颗粒的保护鞘气，使得气溶胶颗粒流路在保护鞘气气流的裹挟下保持准直，使从积分球16的气溶胶颗粒进气口22进入的气溶胶颗粒直线性的流向积分球16的气溶胶颗粒出气口17。

本实施例提供的光学颗粒计数器还包括气流输送管路，气流输送管路固定于积分球16的气流进气口29上，并与气流进气口29连通，气流输送管路中的气流通过气流进气口29向积分球16中吹入准直气流。

由于纯净气流比气溶胶颗粒通路温度低，当热量从气溶胶颗粒通路传至纯净气流时，热量又会被流动的纯净气流带走，进而实现高温气溶胶颗粒热源和其他部件的温度隔离。而且在工作结束后，还可以打开气流开关进行工作后的扫气清理工作，将残留在气溶胶颗粒通路保护装置中的颗粒带出仪器。

方式3，参见图10，气溶胶颗粒准直结构包括气溶胶颗粒保护通路，气溶胶颗粒保护通路包括透明的中空直管30。中空直管30的第一端口固定于积分球16的气溶胶颗粒进气口22，并与气溶胶颗粒进气口22连通；中空直管30的第二端口固定于积分球16的气溶胶颗粒出气口17，并与气溶胶颗粒出气口17连通。中空直管30上开设有通孔31，激光器19发出的激光经激光照射入口20进入积分球16，并照射到中空直管30上的通孔31上。

气溶胶颗粒进入中空直管30后，沿中空直管30运动，直至从气溶胶颗粒出气口17排出。由于中空直管为直线型，因此保障了经流自身的气流通路的直线性，避免了气溶胶颗粒出气口17处滞留许多气溶胶颗粒无法排出及循环流动等现象的产生。

优选的，中空直管30可以使用隔热材料，将高温气溶胶颗粒通路和光敏腔壳体、精密光电器件分割开来，实现热电分离。

需要说明的是，可以同时采用上述方式3和方式1中介绍的气溶胶颗粒准直结构进行气溶胶颗粒的准直，也可以同时采用上述方式3和方式2中介绍的气溶胶颗粒准直结构进行气溶胶颗粒的准直。

作为本实施例的一种实施方式，在进行光学计数时，为了尽量保证激光光斑的每个截面内只存在一个颗粒，即在同一时刻仅有一个颗粒被激光照射，本实施例在激光器19前加装了透镜组件18以对激光光源截面进行压缩，如图11所示，透镜组件18可以包括两个轴线相互垂直布置的柱面透镜32，柱面透镜32的一面为平面，另一面为凸面，且柱面透镜32的凸面均面向激光器。激光截面经过透镜组件18之后由圆形变成了椭圆形，当面积变为原来三分之一时，可以保证同一时间更少的粒子出现在截面上。参见图12，在光斑压缩前，有5-6个颗粒同时散射激光，而散射光被光电接收器接收之后会被误认为是一个颗粒发出的。光斑压缩后，可以看到，每个界面内只有一个颗粒，可以保证每个散射光脉冲信号和每个经过的单独颗粒的一一对应关系。

气溶胶颗粒从饱和器中出来进入光学计数器时，气溶胶颗粒有可能会成团簇状，或者在垂直于气流方向的平面上同时存在两个或两个以上的气溶胶颗粒。为了尽可能的使气溶胶颗粒一个一个的进入光学计数器，可以通过限制气溶胶颗粒进气嘴21出口处的内径实现，优选地，可以将该内径设置为0.6-0.9mm。

本发明实施例通过设置气溶胶颗粒保护通路以及辅助气路，实现了气溶胶颗粒在光学计数器中运动的直线性，保障了气溶胶颗粒的有效排出。另外，本发明实施例还在散射光收集装置(积分球)与激光器之间设置了透镜以对激光光源截面进行压缩，使同一时刻仅有一个颗粒被激光照射，保障了计数的准确性。

在一个示例中，光学计数器还包括信号处理器，该信号处理器包括光强脉冲统计模块，该光强脉冲统计模块根据光电传感器输出的光脉冲信号数量来确定颗粒的数量。

具体的，信号处理器包括粒径数目统计模块以及反演粒径算法模块。由于不同尺寸的颗粒散射的光强不同，即颗粒散射的光强与颗粒的粒径之间存在一定的对应关系，粒径比较统计模块基于光脉冲信号光强与颗粒尺寸的对应关系，对比于参考光脉冲信号强度确定颗粒的粒径大小；反演粒径算法模块基于光脉冲信号分布图根据反演算法解出具体的颗粒粒径分布情况。

通过上述粒径比较统计模块和反演算法模块可以实现对气溶胶颗粒的粒径分级以及对各粒径级别气溶胶颗粒的计数，为评估人体危害和精准减排提供依据。

需要说明的是，上述光电传感器安装在积分球16的表面。具体的安装位置为，以积分球16的球心为原点，气溶胶颗粒进气口22和气溶胶颗粒出气口17在x轴上，激光器19和光陷阱23在y轴上，光电传感器布置在z轴上。具体的安装位置方式为，在积分球16表面开设一个孔洞，将该光电传感器固定在孔洞内，具体参见图13。

实施例3

如图14所示，气溶胶颗粒物稀释系统包括：一级稀释管路33和二级稀释管路34。其中，一级稀释管路33包括第一输入管路331、第二输入管路334和第一气体混合模块335，第一输入管路331连通待检测气体，第二输入管路334连通纯净气体。第一输入管路331的输出端和所述第二输入管路334的输出端均与第一气体混合模块335的输入端连通。二级稀释管路34包括第一支路341、第二支路342和第二气体混合模块345，第一支路341上安装有净化过滤模块343，第一支路341的输出端以及第二支路342的输出端在第二气体混合模块345处汇合后与颗粒物稀释系统的输出端相连通。一级稀释管路33通过向待检测气体中加入纯净气体实现对待检测气体的初步稀释，二级稀释管路34通过将一级稀释管路输出气体的一部分进行过滤净化，实现对待检测气体的进一步稀释。

为了能够适应颗粒计数装置最适合的浓度测量范围，一级稀释管路33以及二级稀释管路34中还安装有用于调控气体流量的流量记录调控模块，通过调节待检测气体与纯净气体的比例以及二级稀释管路34中被净化过滤气体与未被净化过滤气体的比例实现对气溶胶颗粒物稀释浓度的控制。具体的，一级稀释管路33中安装有调控待检测气体流量的第一流量记录调控模块332和调控纯净气体流量的第二流量记录调控模块333，其中，第一流量记录调控模块332可以安装于待检测气体输入管路上，第二流量记录调控模块333可以安装于纯净气体输入管路上。二级稀释管路34中安装有调控第一支路341或第二支路342中气体流量的第三流量记录调控模块344，图14中第三流量记录调控模块344安装于第二支路342中。

颗粒物稀释系统还包括气动驱动模块35，气动驱动模块35包括气泵352以及第四流量记录调控模块351，气泵352通过气泵管路与第二气体混合模块的输出端连通，第四流量记录调控模块351安装于气泵管路上。

参见图15，作为本实施例的一种实施方式，一级稀释管路33还可以包括过滤模块36，过滤模块36包括过滤管路以及安装于过滤管路上的第一颗粒过滤器361，过滤管路的输出端与一级稀释管路33的第二输入管路334连通，输入端与空气流通，用于过滤纯化空气，向一级稀释管路33提供纯净气体。

作为本实施例的一种实施方式，净化过滤模块343包括可挥发性有机物去除装置以及第二颗粒过滤器。

作为本实施例的一种实施方式，为了避免汽车尾气等高温气体由于温度下降使气体中颗粒碰撞以及气体中水汽和可挥发性有机物凝结成液滴而改变颗粒数量，可以在稀释管路上安装加热模块。具体可以如下：

参见图16，在一级稀释管路中纯净气体的输入管路上安装第一温度调控模块，用于对加入稀释系统的外界气体进行加热，避免由于外界气体的加入而使稀释系统中的气体温度降低。另外，还可以在二级稀释系统的输出管路上安装第二温度调控模块。在实际的应用中，第一温度调控模块37可以包括加热器372、第一温度采集器371以及第一PID温度控制器373，第一PID温度控制器373基于第一温度采集器371测量的一级稀释后的气体温度，调控加热器372对纯净气体输入管路进行加热。第二温度调控模块38可以包括再热器381、第二温度采集器382以及第二PID温度控制器383，第二PID温度控制器383基于第二温度采集器382测量的二级稀释管路输出管路中的温度，调控加热器381对二级稀释管路输出管路进行再热。

在本实施例中，气溶胶颗粒物稀释系统还包括终端控制器，用于采集气溶胶颗粒物稀释系统中传感器的测量数据以及向调控模块发送控制指令，具体的，采集流量记录调控模块记录的流量信息、温度采集器检测到的温度信息，并向流量记录调控模块发送流量调控指令、向PID温度控制器发送温度控制指令。

作为本实施例的一种实施方式，二级稀释系统还包括与所述二级稀释管路的输出端连通的采样管路，所述采样管路中放置有采样过滤膜，可对待检测气体进行采样。

在一个示例中，参见图17，一级稀释管路的第一输入端经电磁阀、分流器、孔板和电动调节阀输入待检测气体，一级稀释管路的第二输入端经第一高效颗粒过滤器(HEPA)、第一MFC流量记录调控模块和加热器输入纯净气体，待检测气体与纯净气体在第一气体混合腔内混合。二级稀释管路的输入端与一级稀释管路中第一气体混合腔的输出端连通，二级稀释管路的输入端分为两支路，第一支路经可挥发性有机物去除装置(VPR)以及第二高效颗粒过滤器净化过滤后与第二支路在第二气体混合腔处汇合，且第二支路上设置有PID流量调节装置。二级稀释管路的输出端通过三通阀，一路与再热器连通，另一路通过第二MFC流量记录调控模块、孔板与气泵连通。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种宽温纳米颗粒计数器，其特征在于，包括：进气分流结构、饱和器、冷凝器以及光学计数器，所述饱和器、所述冷凝器与所述光学计数器依次相连通，所述饱和器、所述冷凝器与所述光学计数器均设置有温控单元，所述饱和器的温度高于所述冷凝器的温度，且所述饱和器中存放有热扩散系数大于质量扩散系数的液体工质；所述进气分流结构包括前处理管路和待测气体输送管路，待检测气体从宽温纳米颗粒计数器的待测气体输入端进入后分为两路，一路进入所述前处理管路，另一路进入所述待测气体输送管路；所述前处理管路中的气体经过滤后进入所述饱和器，并携带所述饱和器中的工质蒸汽进入所述冷凝器；所述待测气体输送管路中的气体经所述待测气体输送管路末端的毛细管或微孔通道从所述冷凝器底部中心进入所述冷凝器；其中，当饱和器的工作温度低于设定温度阈值时，工质选取醇类，当饱和器的工作温度高于所述设定温度阈值时，工质选取硅油类、酯类或由硅油类、酯类、醇类中至少两种混合成的溶液。

2.根据权利要求1所述的宽温纳米颗粒计数器，其特征在于，所述前处理管路上安装有流量控制模块、颗粒过滤器和流量计，所述流量控制模块用于调控流入所述饱和器的气体流量；所述颗粒过滤器用于去除所述前处理管路中气体中的颗粒物，所述流量计用于对所述前处理管路中气体的流量进行测量；所述前处理管路输出的气体进入所述饱和器后，经液体工质上方流动，并携带工质蒸汽从所述饱和器的输出端进入所述冷凝器。

3.根据权利要求1所述的宽温纳米颗粒计数器，其特征在于，所述光学计数器包括：包括：散射光收集装置、气溶胶颗粒准直结构和激光器，其中：

所述散射光收集装置上设置有气溶胶颗粒进气口、气溶胶颗粒出气口以及激光照射入口；

所述气溶胶颗粒准直结构用于将从所述气溶胶颗粒进气口进入的气溶胶颗粒直线性的输送至所述气溶胶颗粒出气口；

所述激光器，发出的激光经所述激光照射入口进入散射光收集装置，且所述激光照射在气溶胶颗粒的运动路径上。

4.根据权利要求3所述的宽温纳米颗粒计数器，其特征在于，所述光学颗粒计数器还包括气溶胶颗粒进气嘴，所述气溶胶颗粒准直结构包括：环形鞘气喷嘴，所述环形鞘气喷嘴包括喷嘴部和管路部；

所述喷嘴部包括喷嘴腔体；所述喷嘴腔体，出口与所述气溶胶颗粒进气口连接，套设在所述气溶胶颗粒进气嘴外部，且与所述气溶胶颗粒进气嘴外壁之间具有环形间隙；所述环形间隙在所述气溶胶颗粒进气嘴出口处的横截面关于所述气溶胶颗粒进气嘴出口横截面的中心对称，且从所述环形间隙喷出的气流聚拢于所述气溶胶颗粒进气口指向所述气溶胶颗粒出气口的直线上；

所述管路部包括多个气流管路，多个气流管路与均匀开设在所述喷嘴腔体侧壁的气流进口相连接。

5.根据权利要求4所述的宽温纳米颗粒计数器，其特征在于，所述气溶胶颗粒进气嘴的输出端口为毫米级或亚毫米级的缩口。

6.根据权利要求3所述的宽温纳米颗粒计数器，其特征在于，所述气溶胶颗粒进气口与所述气溶胶颗粒出气口的连线为一直线，所述气溶胶颗粒准直结构包括在所述气溶胶颗粒进气口周围的散射光收集装置壁上开设的多个气流进气口，所述气流进气口在以所述直线与所述散射光收集装置的交点为圆心的圆周上均匀布置，所述气流进气口用于向所述直线上对称的吹气。

7.根据权利要求3-6任一项所述的宽温纳米颗粒计数器，其特征在于，所述气溶胶颗粒准直结构包括气溶胶颗粒保护通路，所述气溶胶颗粒保护通路包括透明的中空直管；所述中空直管的第一端口固定于所述散射光收集装置的气溶胶颗粒进气口，并与所述气溶胶颗粒进气口连通；所述中空直管的第二端口固定于所述散射光收集装置的气溶胶颗粒出气口，并与所述气溶胶颗粒出气口连通；所述中空直管上开设有通孔；所述激光器发出的激光经所述激光照射入口进入散射光收集装置，并照射到所述中空直管上的通孔上。

8.根据权利要求3所述的宽温纳米颗粒计数器，其特征在于，所述光学颗粒计数器还包括设置于所述散射光收集装置与所述激光器之间的透镜组件，所述透镜组件用于对所述激光器发出的激光进行截面压缩；所述透镜组件包括两个轴线相互垂直布置的柱面透镜，所述柱面透镜一面为平面，另一面为凸面，且凸面朝向所述激光器。

9.根据权利要求3所述的宽温纳米颗粒计数器，其特征在于，所述光学颗粒计数器还包括：处理器，所述处理器包括光强脉冲统计模块、粒径比较统计模块和反演粒径算法模块，所述光强脉冲统计模块用于获取光电传感器输出的光脉冲信号，并统计光脉冲信号的光强分布从而获得颗粒的数目信息；所述粒径比较统计模块用于基于光脉冲信号光强与颗粒尺寸的对应关系，对比于参考光脉冲信号强度确定颗粒的粒径大小；所述反演粒径算法模块用于基于光脉冲信号分布根据反演算法解析出具体的颗粒粒径分布情况。

10.根据权利要求1所述的宽温纳米颗粒计数器，其特征在于，所述宽温纳米颗粒计数器还包括输出端与所述待测气体输入端连接的二级稀释系统，所述二级稀释系统包括：一级稀释管路和二级稀释管路；

所述一级稀释管路，包括第一输入管路、第二输入管路、第一气体混合模块、第一流量记录调控模块以及第二流量记录调控模块，所述第一输入管路连通待检测气体，所述第二输入管路连通纯净气体，所述第一输入管路的输出端和所述第二输入管路的输出端均与所述第一气体混合模块的输入端连通，所述第一流量记录调控模块用于调控待检测气体的流量，所述第二流量记录调控模块用于调控纯净气体的流量；

所述二级稀释管路，包括第一支路、第二支路、第二气体混合模块、以及安装在所述第一支路或所述第二支路上的第三流量记录调控模块；所述第一支路上安装有净化过滤模块，所述第一支路的输入端以及所述第二支路的输入端均与所述第一气体混合模块的输出端连通，所述第一支路的输出端以及所述第二支路的输出端均与所述第二气体混合模块的输入端连通，所述第二气体混合模块的输出端与颗粒物稀释系统的输出端相连通。

Images