CN205786208U - 气溶胶采集进样气流的湿度调节装置和包含其的测量仪器 - Google Patents

Abstract

一种气溶胶采集进样气流的湿度调节装置，包括：干燥单元(3)，其包括至少两个干燥管，每一干燥管均包括：内管，用于供进样气流通过，单向透汽膜，覆盖于内管外壁，以供进样气流中的水汽通过，外管，位于所述内管和单向透气膜的外部，与内管之间形成有一空间，所述空间内填充有干燥剂；控制系统(4)，用于当某一干燥管内干燥剂失活时，控制所述进样气流通入其它至少一个干燥管。该装置通过设置水汽渗透膜，利用水汽压力差的原理去除过量的水汽，因而避免了因加热导致的颗粒物中挥发性物质的损失，保证了后续对颗粒物物理化学以及光学性质测量结果的准确、可靠。

Description

气溶胶采集进样气流的湿度调节装置和包含其的测量仪器

技术领域

本发明涉及测量方法和装置，进一步涉及一种气溶胶采集进样气流的湿度调节装置，以及包含该湿度调节装置的大气颗粒物测量仪器。

背景技术

大气颗粒物指的是均匀分散在空气中的固态或液态颗粒状物质，根据其粒径大小，又可分总悬浮颗粒物(TSP)和可吸入颗粒物(PM₁₀)。其中可吸入颗粒物又可细分为细颗粒物(PM_2.5)和粗粒子。大气颗粒物通过散射和吸收辐射直接影响地球大气辐射平衡，通过影响云的光学特性和云的寿命间接影响地球辐射平衡。流行病学和毒理学的研究表明，人群呼吸系统和心血管系统疾病发病率、住院人数以及人群死亡率等都与大气中颗粒物浓度的变化相关。此外，大气颗粒物还是造成我国中东部霾污染事件频繁发生的主要原因。总的来说，霾是指各种源排放的污染物(气体和颗粒物如CO、SO₂、NO_x、NH₃、VOCs(挥发性有机物)、PM)在特定的大气流场条件下，经过一系列物理化学过程，形成细颗粒物，并与水汽相互作用导致的大气消光现象。霾的本质是大气中PM_2.5浓度超标。气溶胶对辐射的散射是重要的气溶胶光学特性之一，它是对流层大气气溶胶辐射强迫的主要部分，也是造成环境大气能见度降低的主要原因。气溶胶光学特性是由气溶胶的质量浓度、化学成分、粒子大小、形状和混合状态决定的。因此，为了深入研究气溶胶与霾污染形成的内在联系，需要对气溶胶的上述物理化学性质进行在线、连续、精确的监测。然而，气溶胶上述性质都与大气的湿度有关。空气湿度对气溶胶的散射系数有很大的影响，随着湿度的增加，气溶胶(尤其是细粒子)中具有亲水性的化学成分(如硫酸盐、硝酸盐和一些有机物等)会吸湿长大，从而增加颗粒物的散射能力。

上述湿度对气溶胶光学特性的影响效应结果表明，在对气溶胶物理化学性质如质量浓度和化学成分等及其光学性质如散射系数等的观测之前，需要降低在线仪器进气管的空气湿度，以获取干气溶胶粒子的上述性质。目前，市场上用于进气管空气干燥的方法主要分为三类。第一类是对进气管进行恒温加热，如目前绝大多数颗粒物质量浓度监测仪(如美国热电环境仪器公司的基于震荡天平法的RP系列仪器和β射线法仪器)以及颗粒物散射系数监测仪(如美国TSI公司的三波段浊度仪)均采用此类方法；第二类使用填充了干燥剂的干燥管，如颗粒物化学成分监测仪(如美国Aerodyne公司的飞行时间质谱)和颗粒物数浓度粒径谱仪(如美国TSI公司的扫描电迁移率粒径谱仪)均采用此类方法；第三类方法使用单向的渗透膜(如Nafion膜)使进气管的水分由管内扩散至管外从而降低进气管的湿度，如美国热电环境仪器公司应用在RP系列仪器上的滤膜动态测量系统(FDMS)。图1显示了滤膜动态测量系统的工作流程图。实线箭头显示样气的流动方向，而虚线箭头显示干燥空气的流动方向，干燥空气和样气在干燥管中的流动方向相反，通过干燥管中Nafion膜的交换，干燥空气将样气中的水汽带走，从而降低样气中的相对湿度。

此外，国内的研究者也曾致力于颗粒物样品采集的除湿研究。北京大学的曾立民和刘巧玲在采样气体传输管外部设置冷凝管，以水做冷凝剂，在5-15℃下使气体中部分水蒸气在管壁上冷凝后下滑、外排。中国气象局气象科学研究院的颜鹏等采用水汽加入结合加热控制的方法来调节进样气流的湿度，基于水汽渗透管选择性透过的特性，通过调节水温控制渗透管内进样气流湿度。

但现有技术的样品采集的除湿方式存在以下缺陷：

(1)恒温加热过程只是使得温度升高，相应地降低了空气的相对湿度，并未去除样气的过量水分。同时，还使得一部分半挥发性的物质(如半挥发性有机物和硝酸盐等)由于温度的升高而挥发损失，对于含有高浓度这些组分的颗粒物的测量更加不准确；

(2)干燥管的方法虽然可以有效去除样气中的水分，但是遇到空气湿度较大的天气，干燥剂吸收过量的水分后迅速失活，需要频繁更换干燥管中的干燥剂以保持除湿效率，不仅需要花费大量的人力物力，同时也影响了仪器的在线观测；

(3)单向渗透膜方法是三类方法中去除样气水分效率最高的方法，然而遇到污染天气，高浓度的大气颗粒物容易在渗透膜表面附着，从而降低渗透膜的除湿效率甚至导致其失活；

(4)针对在采样气体传输管外部设置冷凝管的方法，该方法一方面无法处理5℃以下空气中的过量水汽，空气温度在5-15℃情况下冷凝除湿效果欠理想。同时，该方法由于在空气管壁上有冷凝水珠、水膜存在，这些水珠、水膜会捕获空气颗粒物，冷凝外排的水会带走这些被捕获的颗粒物，从而使得监测结果偏低。

发明内容

(一)要解决的技术问题

针对以上所述现有技术中的缺陷，为了降低空气湿度对大气颗粒物物理化学以及光学性质在线监测结果的干扰，本发明提供了一种气溶胶采集进样气流湿度的调节装置与方法，以及包含该调节装置的大气颗粒物测量仪器。

(二)技术方案

根据本发明的一方面，提供了一种气溶胶采集进样气流的湿度调节装置，包括：

干燥单元，其包括至少两个干燥管，每一干燥管均包括：内管，用于供进样气流通过，单向透汽膜，覆盖于内管外壁，以供进样气流中的水汽通过，外管，位于所述内管和单向透气膜的外部，与内管之间形成有一空间，所述空间内填充有干燥剂；控制系统，用于当某一干燥管内干燥剂失活时，控制所述进样气流通入其它至少一个干燥管。

优选的，湿度调节装置还包括活化加热器，用于对所述失活的干燥剂进行加热。

优选的，所述活化加热器包括硅橡胶加热板、保温层和保温管，硅橡胶加热板覆盖在所述外管的外壁上，硅橡胶加热板向外依次设置保温层和保温管。

优选的，湿度调节装置还包括干燥空气发生器和空气压缩泵，其与所述空间连通，用于向所述空间提供干燥空气。

优选的，所述干燥空气发生器和空气压缩泵包括干燥空气发生器和空气压缩泵，所述干燥空气发生器用于产生干燥空气，通过所述空气压缩泵将干燥空气泵入所述空间内。

优选的，所述控制系统还用于监测所述干燥管进口和出口的温度、湿度，并根据监控的进口与出口的湿度差判断干燥剂是否失活，控制所述活化加热器加热失活的干燥剂。

优选的，所述控制系统还用于当干燥剂失活后控制所述干燥空气发生器和空气压缩泵继续通入干燥空气，加速干燥剂活化。

优选的，所述单向透汽膜孔径大小为0.3-1.6微米，所述内管外壁孔径大于所述单向透汽膜孔径，进一步优选的所述单向透汽膜为聚四氟乙烯膜。

根据本发明的另一方面，还提供一种大气颗粒物测量仪器，其特征在于包括以上任意一种所述的气溶胶采集进样气流的湿度调节装置。

(三)有益效果

通过上述技术方案，本发明的有益效果在于：

(1)本发明结构简单，安装、操作、维护简便，可以直接连接到大气颗粒物在线监测仪器上(置于气体采样切割头之后)，适用于颗粒物物理化学以及光学性质测量仪器，如颗粒物质量浓度在线监测仪，颗粒物数浓度谱仪以及颗粒物光学仪器如浊度仪等。本发明装置智能化程度高，能够实时对气溶胶进样气流的湿度进行监控，从而保障除湿调温装置的长期、稳定、高效运行；

(2)相对于仅通过加热过程来降低相对湿度，而未改变样品气中水汽的实际含量，本发明通过设置水汽渗透膜，利用水汽压力差的原理去除过量的水汽，因而避免了因加热导致的颗粒物中挥发性物质的损失，保证了后续对颗粒物物理化学以及光学性质测量结果的准确、可靠；

(3)相对于干燥管中干燥剂易失活的缺点，本发明采用聚四氟乙烯膜和干燥剂联用，同时设置两组干燥管，分别用于除湿和活化功能；

(4)本发明可根据大气湿度的变化自动切换两组干燥管的工作状态；而且通过采用聚四氟乙烯膜，其透汽能力强(透湿量≥10000g/m²，24h)，但价格远较Nafion膜便宜，并且易于安装；

(5)通过设置活化程序，利用干燥空气吹扫，避免污染天气下大气颗粒物长时间附着在渗透膜而导致其失活，保证颗粒物监测仪器在高湿环境下的连续工作。

附图说明

图1为现有技术的滤膜动态测量系统(FDMS)示意图。

图2为本发明一具体实施例的气溶胶采集进样气流湿度自动调节装置系统组成框图。

图3为本发明一具体实施例的干燥单元组成框图。

图4为本发明一具体实施例的干燥空气发生器和空气压缩泵以及活化加热器组成框图。

图5为本发明一具体实施例的控制系统组成框图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。在说明书中，相同或相似的附图标号指示相同或相似的部件。下述参照附图对本发明实施方式的说明旨在对本发明的总体发明构思进行解释，而不应当理解为对本发明的一种限制。

根据本发明总体上的发明构思，提供一种气溶胶采集进样气流的湿度调节装置，包括：干燥单元，采用渗透膜和干燥剂联合除湿方式，以及控制系统，用于当某一干燥管内干燥剂失活时，控制所述进样气流通入其它至少一个干燥管。

优选的，装置中还可以包括活化加热器，用于加热活化干燥管内失活的干燥剂。

优选的，装置中还可以包括干燥空气发生器和空气压缩泵，用于提供干燥空气，为水汽渗透提供压力差，以及加速失活的干燥剂活化。

以下将对各单元进行详细说明：

根据本发明一具体实施例，提供一种气溶胶采集进样气流湿度的调节装置，该调节装置的组成结构图如图2所示。包括干燥空气发生器和空气压缩泵1、活化加热器2、干燥单元3以及控制系统4。

参见图3所示，干燥单元3可以包括多组干燥管，本实施例由两组干燥管A和B组成。每组干燥管可包括：等速变径管5、内管6、外管7，硅胶8以及单向透汽膜(为透过水汽且不透大气颗粒物的材料，本实施例优选的采用聚四氟乙烯膜9)。

干燥管外管7可以为任意密封性能良好的材料，实施例采用有机玻璃管，有机玻璃管的上下两端分别设置有外螺纹；有机玻璃管的顶部、底部分别设置有上密封盖和下密封盖，上密封盖、下密封盖的内侧设置有内螺纹；内外管之间顶部、底部都用塑料O型圈紧固、密封；所述上、下密封盖将所述内、外管及O型圈密封，并固定为一体；有机玻璃管一侧在底部塑料密封圈的上面设置一个样气进气管以及一个干燥气出气管，其另一侧在顶部塑料密封圈的下面设置一个样气出气管以及干燥气进气管。

干燥管内管6为开孔率大的柱体材料，优选的开孔率大于聚四氟乙烯膜，本实施例为不锈钢圆柱体支撑管，其外壁覆盖单向透汽膜，其孔径为0.3-1.6微米，优选高透汽性孔径为0.45微米的聚四氟乙烯滤膜9，内管直径为采样管直径的4倍，从而增加样气在干燥内管中的停留时间。内管6与采样进气管以及样气出气管通过等速变径管5连接。

在样品空气通过内管6时，由于内管6内外存在水汽压力差，样品空气中的水汽通过聚四氟乙烯膜扩散到外管7并被填充在内管6和外管7之间的干燥剂，本实施例优选的为硅胶8吸附，此过程持续进行从而达到降低样品空气湿度的目的。上述干燥管设置2组，在一组干燥管失活时，气路切换至另外一组干燥管轮流工作。

参见图4所示，活化加热器2包括由硅橡胶加热板10、保温层11和保温管12(本实施例具体的为有机玻璃管)。硅橡胶加热板覆盖在干燥管外管7外壁，直径大于干燥管的保温管12套在干燥管外管7上，在保温管12与干燥管外管7的间隙中再套有保温层，优选的为保温层11(本实施例具体为保温隔热泡沫材料)，以保持加热器工作时干燥管整体的温度在80℃左右，在此温度下吸水的硅胶中水分慢慢析出，从而达到活化硅胶的目的。上述干燥空气发生器固定在箱体内干燥单元外侧，为覆盖硅橡胶加热板10的不锈钢中空圆柱体14，该不锈钢中空圆柱体14顶部通过气体管路连接空气压缩泵13输入压缩空气，压缩空气在不锈钢中空圆柱体停留一段时间(1小时)，以产生温度在80℃左右的干燥空气。上述不锈钢中空圆柱体14底部通过气体管路与干燥管的干燥空气进气管相连。辅助对吸湿饱和已经变色的硅胶进行活化恢复性能。

参见图5所示，控制系统4包括工控机15、热电偶输入模块16、继电器输出模块17和继电器18。控制系统用于监测所述干燥管进口和出口的温度、湿度，并根据监控的进口与出口的湿度差判断干燥剂是否失活，控制所述活化加热器加热失活的干燥剂。判断干燥剂是否失活可以通过直接观察，或者通过仪器检测，比如检测干燥管进口和出口的湿度差等，间接判断干燥剂是否还能继续使用；控制系统还用于当干燥剂失活后控制所述干燥空气发生器和空气压缩泵继续通入干燥空气，加速干燥剂活化。

继电器输出模块ADAM4068有8路继电器通道，分别与4个电动球状直通阀TA1-2和TB1-2、2个电磁二通截止阀FA和FB、1个三通电磁阀F3和1个继电器18相连。4个电动球状直通阀分别安装在干燥管与等速分流器的连接处。2个电磁二通阀FA和FB安装在干燥管顶端干燥空气的出气口，1个三通阀F3控制干燥气流进入干燥管A和B。加热干燥气的供给由继电器18分时控制干燥空气发生器，其气路的开关由2个电磁二通阀F4和F5完成控制。

基于上述干燥系统装置的调节方法，包括以下步骤：

热电偶输入模块ADAM4018与进气和出气口的温湿度传感器19相连，并通过RS232数据串口接线将温湿度信息反馈给工控机，工控机内装工控组态软件MCGS，MCGS程序根据样品进气口的温湿度数据，调节干燥空气发生器的工作效率如果环境湿度过高，则提高干燥气的加热温度以及空气压缩泵压缩空气的流量，干燥气加热器的主要控制参数是电流，工控机通过采集到的干燥气加热器出口处的温度来控制干燥气加热器的电流，将干燥气加热到适当的温度(如80℃)，以进一步降低干燥气的相对湿度。

与此同时，MCGS程序将采集到的样品出气口的温湿度数据和设置好的湿度阈值(如相对湿度为40％)进行对比，判定干燥管的效能状态，将命令动作通过热电偶输入模块反馈给继电器输出模块，进而控制电磁阀的开关闭合，以便进行干燥管A和B的工作和活化功能切换。

当干燥管A处于观测状态时，TA1，TA2打开，FA关闭，观测气流穿过干燥管A进入测量仪器。同时TB1，TB2处于关闭状态，三通阀未加电1-3通，FB加电打开，干燥管B处于硅胶活化恢复状态，硅橡胶板上电，干燥管B被加热，加热温度控制用调节加热带的电压至加热温度80℃左右，用测温探头和温度显示器查看。同时，干燥空气发生器产生的干空气吹扫过B管内，加快硅胶的活化。

当干燥管A出气口的湿度大于设定的湿度阈值时，TA1，TA2关闭，FA打开，F3加电，干燥管A被加热，同时干燥空气发生器产生的干空气吹扫过A管内，干燥管A处于硅胶活化恢复状态，而干燥管B处于工作状态。

此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：

(1)控制系统中的工控机还可以用单片机的形式；

(2)用于水汽交换的聚四氟乙烯膜可以用Nafion膜来代替；

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种气溶胶采集进样气流的湿度调节装置，其特征在于包括：

干燥单元(3)，其包括至少两个干燥管，每一干燥管均包括：

内管，用于供进样气流通过，

单向透汽膜，覆盖于内管外壁，以供进样气流中的水汽通过，

外管，位于所述内管和单向透气膜的外部，与内管之间形成有一空间，所述空间内填充有干燥剂；

控制系统(4)，用于当某一干燥管内干燥剂失活时，控制所述进样气流通入其它至少一个干燥管。

2.根据权利要求1所述的气溶胶采集进样气流的湿度调节装置，其特征在于还包括活化加热器(2)，用于对所述失活的干燥剂进行加热。

3.根据权利要求2所述的气溶胶采集进样气流的湿度调节装置，其特征在于，所述活化加热器(2)包括硅橡胶加热板、保温层和保温管，硅橡胶加热板覆盖在所述外管的外壁上，硅橡胶加热板向外依次设置保温层和保温管。

4.根据权利要求1所述的气溶胶采集进样气流的湿度调节装置，其特征在于还包括干燥空气发生器和空气压缩泵(1)，其与所述空间连通，用于向所述空间提供干燥空气。

5.根据权利要求4所述的气溶胶采集进样气流的湿度调节装置，其特征在于，所述干燥空气发生器和空气压缩泵(1)包括干燥空气发生器和空气压缩泵，所述干燥空气发生器用于产生干燥空气，通过所述空气压缩泵将干燥空气泵入所述空间内。

6.根据权利要求2所述的气溶胶采集进样气流的湿度调节装置，其特征在于，所述控制系统还用于监测所述干燥管进口和出口的温度、湿度，并根据监控的进口与出口的湿度差判断干燥剂是否失活，控制所述活化加热器加热失活的干燥剂。

7.根据权利要求4所述的气溶胶采集进样气流的湿度调节装置，其特征在于，所述控制系统还用于当干燥剂失活后控制所述干燥空气发生器和空气压缩泵继续通入干燥空气，加速干燥剂活化。

8.根据权利要求1所述的气溶胶采集进样气流的湿度调节装置，其特征在于，所述单向透汽膜孔径大小为0.3-1.6微米，所述内管外壁孔径大于所述单向透汽膜孔径。

9.根据权利要求8所述的气溶胶采集进样气流的湿度调节装置，其特征在于，所述单向透汽膜为聚四氟乙烯膜。

10.一种大气颗粒物测量仪器，其特征在于包括权利要求1-9任意一项所述的气溶胶采集进样气流的湿度调节装置。