CN208026594U - 一种小型颗粒物冷凝生长计数器 - Google Patents

一种小型颗粒物冷凝生长计数器 Download PDF

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蒋靖坤
李怡然
姜月
薛墨
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Abstract

本实用新型公开了一种小型颗粒物冷凝生长计数器,其包括:分流系统,过滤装置,蒸发室,隔热器,制冷片,气溶胶进口及工作液回收装置,工作液回收泵,工作液储存瓶,冷凝室,测压装置,光散射测量仪,限流孔,三通,气泵,进液泵;所述分流系统入口连接待采样对象;分流系统出口A通过软管与所述过滤装置入口连接;过滤装置出口通过软管与所述蒸发室连接;蒸发室中间空腔内固定吸水材料。本实用新型的计数器采用背靠背型设计,将蒸发室和冷凝室从传统的轴向排布变成了并列排布,有效利用和节省了空间,实现了仪器的小型化;将制冷片置于蒸发室和冷凝室之间,把制冷片在制冷过程中产生的热用于蒸发室的制热,减少了热量耗散的浪费,省去了排热风扇。

Description

一种小型颗粒物冷凝生长计数器
技术领域
[0001]本实用新型属于环境监测技术领域,涉及一种小型颗粒物冷凝生长计数器。具体 来说,是一种通过过饱和蒸气在颗粒物表面冷凝,使纳米级颗粒物生长到微米量级,再利用 光学计数器对颗粒物进行计数的测量仪器。
背景技术
[0002]近年来,随着我国霾污染问题的突显,人们对大气颗粒物的关注度也越来越高。 2〇12年我国将PM2.5列入环境空气质量标准中。PM2.5的定义是空气动力学当量直径小于等于 2.5微米的颗粒物,它能长时间悬浮在空气中,并随呼吸进入人体,从而对人体健康产生危 害。我们通常所说的PM2.5浓度指颗粒物质量浓度。纳米颗粒物是指粒径小于1〇〇纳米的颗粒 物,也叫超细颗粒物。因为纳米颗粒物的体积很小,所以它不仅更容易随呼吸进入人体,损 伤肺部,还具有强渗透性,可以进入细胞中干扰正常的细胞进程。所以用颗粒物的表面积或 者粒子数来评估其对人体健康的损伤能力,相对而言会比粒子质量浓度更可靠。早在1996 年,研究者们就发现颗粒物的大小是它们的毒性的一个很大的决定因素。换句话说,即使纳 米颗粒物的化学组分毒性不强,也可以使人患病。而且,即使在PM2.5浓度很低的情况下,纳 米颗粒物的数量浓度也可以很高,所以纳米颗粒物对人体健康的危害更具有隐蔽性和不确 定性。
[0003]基于纳米颗粒物对人体健康和大气环境等的重要影响,从2011年9月起实施的欧 盟机动车粒数新标准就要求对机动车尾气排放进行检测的仪器,其对23nm的颗粒物的计数 效率应达到50 %。我国对纳米颗粒物的重视也在加强,在中华人民共和国环境保护部2013 年9月发布,2018年1月1日起实施的《轻型汽车污染物排放限值及测量方法(中国第五阶 段)》中,在粒子质量(PM)的基础上,新增一项“粒子数量”(PN)的排放指标,综上所述,对纳 米颗粒物进行计数是一项重要的工作,制造出满足人们生产生活所需的粒子计数器也是十 分必要的。
[0004] 颗粒物冷凝生长计数器(Condensation Particle Counters,CPC)是最为常见的 纳米颗粒物计数仪器。它的基本原理是:形成工作液体过饱和的环境,将待测气溶胶通入其 中后通过非均相成核作用使颗粒物冷凝生长,当颗粒物粒径达到光学检测单元的下限后即 可被计数。
[0005] 根据形成过饱和环境的方法的不同,CPC主要分为两种类型:混合型CPC和层流型 CPC。层流型CPC最为常用,从第一台商用型层流式CPC(TSI 3020)开始,美国TSI公司研发了 一系列商用型CPC。其中一部分CPC以醇为工作液体,一部分CPC以水为工作液体。TSI 3020 型CPC以正丁醇为工作液体,样本气流先进入蒸发室,再随蒸气一起进入冷凝室。 Stolzenburg&McMurry在TSI 3020的基础上进行了改进,研发了TSI 3025型CPC,并在其上 采用了 Wilson等人所创的鞘气的设计,即用一股气流使待测气溶胶被限制在冷凝室的中轴 线,从而减少进气损失,提高计数效率。上述的冷凝生长计数器在冷凝室的设计上均使用半 导体制冷片进行制冷。由于半导体制冷片在工作工作状态中背面会产生大量的热,所以其 结构都需要巨大的散热块和风扇,这样导致整体结构庞大。另外制冷片散热会造成巨大的 能耗。难以满足科学研究对其便携性的要求。
[0006]在我国已公布的实用新型专利中,专利公开号为CN107387500A的专利涉及一种用 于检测流体中颗粒状污染物的检测系统,专利公开号为CN107576606A的专利涉及一种探头 可分离的尘埃粒子计数器,专利公开号为CN107478556A的专利涉及一种基于无尘排气设计 的在线尘埃粒子计数监测系统。这些实用新型专利虽然都有粒子计数的功能,但是仅限于 光学探测器能检测到的范围,即微米级颗粒物。
[0007]针对上述问题,本实用新型提出一种新型的针对纳米颗粒物的冷凝生长计数器, 克服了结构庞大和能耗大的缺点,实现其小型化。 实用新型内容
[0008] 为解决上述问题,本实用新型旨在提供一种小型颗粒物冷凝生长计数器,实现颗 粒物的计数和仪器的小型化,适合于实验室内和外场观测中的应用。
[0009] 一种小型颗粒物冷凝生长计数器,包括:分流系统1,过滤装置2,蒸发室3,隔热器 8,制冷片9,气溶胶进口及工作液回收装置10,工作液回收泵11,工作液储存瓶12,冷凝室 13,测压装置15,光散射测量仪16,限流孔17,三通18,气泵19,进液泵20;所述分流系统1入 口连接待采样对象;分流系统1出口 A通过软管与所述过滤装置2入口连接;过滤装置2出口 通过软管与所述蒸发室3连接;蒸发室3中间空腔内固定吸水材料4;蒸发室3出口与所述隔 热器8连接;隔热器8出口与所述冷凝室13连接;所述气溶胶进口及工作液回收装置10的入 口 A与分流系统1出口 B通过软管连接;气溶胶进口及工作液回收装置10出口 B通过软管与所 述工作液回收泵11连接;工作液回收泵11通过软管与所述工作液储存瓶12入口连接;工作 液储存瓶12出口通过软管与所述进液栗20连接;进液栗20通过软管与所述蒸发室进液口 5 连接;气溶胶进口及工作液回收装置1 〇出口 C与冷凝室13入口连接;冷凝室13出口与所述光 散射测量仪16入口连接;光散射测量仪16出口通过软管与限流孔17连接;限流孔17通过软 管与所述三通18接口 A连接;三通18接口 B通过软管与所述气泵19连接;三通18接口 C通过软 管与所述测压装置15连接;测压装置15通过软管分别与蒸发室测压喷嘴7和冷凝室测压喷 嘴14连接;所述蒸发室3和冷凝室13并列排布,蒸发室和冷凝室之间固定制冷片9。
[0010] 其中,所述的蒸发室3如图2所示,位置301放置温度传感器,位置302通过螺纹与蒸 发室进液口 5相连,位置303通过螺纹与温度探头6相连,位置3〇4通过螺纹与蒸发室测压喷 嘴7相连。
[0011] 隔热器8如图3所示,其材料为导电塑料,将工作液蒸气输送至冷凝室中。
[0012] 气溶胶进口及工作液回收装置10如图4所示,结构1001即为所述入口 A,与分流系 统1出口 B通过软管连接;结构1002即为所述出口 B,通过软管与工作液回收栗11连接;结构 1003即为所述出口 C,与冷凝室13入口连接。 t〇〇13]冷凝室13如图5所示,位置1301用于固定制冷片9,位置1302与隔热器8出口连接, 位置1303放置温度传感器。
[0014] 本实用新型的有益效果为:
[0015] 本实用新型提供了 一种小型颗粒物冷凝生长计数器,可对大气中的纳米颗粒物进 行计数。本实用新型的优点为:采用背靠背型设计,将蒸发室和冷凝室从传统的轴向排布变 成了并列排布,有效利用和节省了空间,实现了仪器的小型化;将制冷片置于蒸发室和冷凝 室之间,把制冷片在制冷过程中产生的热用于蒸发室的制热,减少了热量耗散的浪费,省去 了排热风扇。
附图说明
[0016]图1为本实用新型小型颗粒物冷凝生长计数器结构示意图。
[0017]图2为本实用新型计数器的蒸发室立体示意图。
[0018]图3为本实用新型计数器的隔热器立体示意图。
[0019]图4为本实用新型计数器的气溶胶进口及工作液回收装置立体示意图。
[0020]图5为本实用新型计数器的冷凝室的立体示意图。
[0021]图中:
[0022] 1-分流系统 2-过滤装置 3-蒸发室
[0023] 4-吸水材料 5-蒸发室进液口 6-温度探头
[0024] 7-蒸发室测压喷嘴 S-隔热器 9-制冷片
[0025] 10-气溶胶进口及工作液回 11-工作液回收泵 12-工作液储存
[0026]收装置 瓶
[0027] 13-冷凝室 14-冷凝室测压喷嘴 15-测压装置
[0028] ie-光散射测量仪 17-限流孔 18-三通
[0029] 19-气泵 20-进液栗
具体实施方式
[0030]下面结合附图,对本实用新型进一步详细说明。
[0031]待测气流首先进入分流系统1,其中的80% (以体积流量计)经过滤装置2除去所含 的颗粒物后进入固定有吸水材料4的蒸发室3,在高温下的工作液蒸发为蒸气,随气流经过 隔热器8进入冷凝室13,在低温下形成工作液的过饱和环境。待测气流中另外20% (以体积 流量计)直接通过气溶胶进口及工作液回收装置10进入冷凝室13,在过饱和环境下工作液 蒸气在颗粒物表面凝结,颗粒物吸湿生长,粒径达到光散射测量仪16的检测下限后被探测 并计数。
[0032]其中,气流流量通过限流孔17控制和测压装置15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15分别与蒸发室测压喷嘴7、冷凝室测压喷嘴14和限流孔17下游 的三通18相连,从而测量限流孔I7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。
[0033]工作液的液面控制与回收通过温度探头6、气溶胶进口及工作液回收装置10、工作 液回收栗11和进液泵20来实现。其原理为:温度探头6在液面上和液面下时的电阻不同,当 其在液面上则由计算机交互控制系统启动进液栗20,使工作液进入蒸发室;当其在液面下 则由计算机交互控制系统停止进液泵20运行。冷凝室中冷凝的液体沿壁留下后由气溶胶进 口及工作液回收装置10回收,进入工作液储存瓶12。定期检查工作液储存瓶12中的液体量。 [0034]蒸发室3、冷凝室13的温度由制冷片9和置于蒸发室3、冷凝室13上的温度传感器控 市|」。兵原埋为:制冷片9为半导体制冷片,—面制冷的问町力凹州』狀抑。何训厅片ytf、j明 冷面贴于冷凝室I3上,散热面贴于蒸发室3上,同时达到了制冷和制热的功能。通过蒸发室3 和冷凝室I3上的温度传感器和交互控制系统控制制冷片9以使两者均达到设定温度。计数 器整体通过螺丝进行机械固定,气密性通过连接处的0型圈保证。
[0035]上述实施例对本实用新型的技术方案进行了详细说明。显然,本实用新型并不局 限于所描述的实施例。基于本实用新型中的实施例,熟悉本技术领域的人员还可据此做出 多种变化,但任何与本实用新型等同或相类似的变化都属于本实用新型保护的范围。

Claims (5)

1.一种小型颗粒物冷凝生长计数器,其特征在于,包括:分流系统,过滤装置,蒸发室, 隔热器,制冷片,气溶胶进口及工作液回收装置,工作液回收泵,工作液储存瓶,冷凝室,测 压装置,光散射测量仪,限流孔,三通,气泵,进液栗;所述分流系统入口连接待采样对象;分 流系统出口 A通过软管与所述过滤装置入口连接;过滤装置出口通过软管与所述蒸发室连 接;蒸发室中间空腔内固定吸水材料;蒸发室出口与所述隔热器连接;隔热器出口与所述冷 凝室连接;所述气溶胶进口及工作液回收装置的入口 A与分流系统出口 B通过软管连接;气 溶胶进口及工作液回收装置出口 B通过软管与所述工作液回收泵连接;工作液回收泵通过 软管与所述工作液储存瓶入口连接;工作液储存瓶出口通过软管与所述进液栗连接;进液 泵通过软管与所述蒸发室进液口连接;气溶胶进口及工作液回收装置出口 C与冷凝室入口 连接;冷凝室出口与所述光散射测量仪入口连接;光散射测量伩出口通过软管与限流孔连 接;限流孔通过软管与所述三通接口 A连接;三通接口 B通过软管与所述气泵连接;三通接口 C通过软管与所述测压装置连接;测压装置通过软管分别与蒸发室测压喷嘴和冷凝室测压 喷嘴连接;所述蒸发室和冷凝室并列排布,蒸发室和冷凝室之间固定制冷片。
2. 根据权利要求1所述的计数器,其特征在于,所述的蒸发室带有温度传感器,并通过 螺纹与蒸发室进液口相连,通过螺纹与温度探头相连,通过螺纹与蒸发室测压喷嘴相连。
3. 根据权利要求1所述的计数器,其特征在于,所述冷凝室与隔热器出口连接,并带有 温度传感器。 ^
4. 根据权利要求1所述的计数器,其特征在于,所述蒸发室、冷凝室的温度由制冷片和 置于蒸发室、冷凝室上的温度传感器控制。 _
5. 根据权利要求1所述的计数器,其特征在于,所述计数器整体通过螺丝进行机械固 定,并且通过连接处的〇型圈进行密封。
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