大氣氣溶膠揮發特性測量儀的氣體溫度控制系統及應用的製作方法

2023-07-29 21:15:46 2

大氣氣溶膠揮發特性測量儀的氣體溫度控制系統及應用的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種大氣氣溶膠揮發特性測量儀的氣體溫度控制系統及包括該系統的大氣氣溶膠揮發特性測量儀，氣體溫度控制系統包括溫度加熱管、溫度交換器、溫溼度傳感器以及溫度控制，在溫度加熱管外壁包裹有柔性加熱帶，其中心插有測量輸氣管道中心空氣溫度的空氣溫度傳感器，溫度加熱的出氣端與溫度交換器的進氣端連接，溫度交換器的出氣端與溫溼度傳感器連接；所述溫度控制器連接在溫度加熱器與溫度交換之間。本發明專利的大氣氣溶膠揮發特性測量儀兼俱測量各粒徑氣溶膠的揮發因子、混合狀態和幹粒子譜分布測量功能，自動化程度高、穩定性好，有助於全面了解各粒徑段的揮發性及混合狀態，對大氣汙染形成機理等方面的研究有重要意義。
【專利說明】大氣氣溶膠揮發特性測量儀的氣體溫度控制系統及應用
【技術領域】
[0001]本發明涉及大氣氣溶膠揮發特性檢測設備，具體涉及一種大氣氣溶膠揮發特性測量儀的氣體溫度控制系統及應用。
【背景技術】
[0002]大氣氣溶膠通過散射和吸收輻射直接影響地球大氣輻射平衡。存在於大氣中的氣溶膠粒子化學組成和混合狀態十分複雜，而氣溶膠的光學效應和輻射效應均與粒子的化學成分和混合狀態聯繫緊密。基於不同化學物質在不同溫度下揮發這一特性，本儀器通過測量氣溶膠粒子粒徑在加溫前後的變化及其分布，檢測粒子的揮發程度、推斷化學組分和混合狀態。本發明專利的大氣氣溶膠揮發特性測量儀兼俱測量各粒徑氣溶膠的揮發因子、混合狀態和幹粒子譜分布測量功能，自動化程度高、穩定性好，有助於全面了解各粒徑段的揮發性及混合狀態，對大氣汙染形成機理等方面的研究有重要意義。
[0003]目前，我國大氣環境學界對氣溶膠的揮發特性的觀測尚未開展，對氣溶膠揮發特性的科學觀測實驗尚不完善。國外科研機構也有開展氣溶膠揮發性的測量儀器的研發及試驗，但儀器多在實驗室環境下進行測量，對於環境大氣中的氣溶膠揮發特性和混合狀態觀測研究極少。對於揮發性的測量，最早的方法是測量加熱前後的氣溶膠粒徑譜分布，這樣未能提供加熱後的單粒徑氣溶膠粒子的混合狀態，剩餘的粒子也不能回溯到其初始粒徑大小。其後，結合TDMA方法，發展出了 V-TDMA測量技術。
[0004]國外的部分學者採用商業化的熱吸附器(thermo-denuder)對加熱氣溶膠後揮發的氣體進行吸附。這樣做的優點是使揮發氣體不易重新附著到非發揮性的粒子表面或重新成核。其缺點是吸附裝置會吸附一部分的非揮發性粒子，使通過率降低。而且，這些儀器設計部件較為複雜、成本較高，難以滿足長期穩定觀測需求。

【發明內容】

[0005]本發明的目的在於克服上述現有技術的缺陷，提供一種大氣氣溶膠揮發特性測量儀的氣體溫度控制系統，以實現對空氣溫度調節。
[0006]本發明的另一目的在於提供一種包括上述氣體溫度控制系統的大氣氣溶膠揮發特性測量儀，其能在不同的溫度下下兼具各粒徑氣溶膠的揮發因子和混合狀態測量功能、幹粒徑譜測量功能，自動化程度高、穩定性好。
[0007]為實現上述目的，本發明採用如下技術方案:
[0008]一種大氣氣溶膠揮發特性測量儀的氣體溫度控制系統，其包括溫度加熱管(14)、溫度交換器(18)、溫溼度傳感器IV(19)以及溫度控制器(17)，在溫度加熱管(14)外壁包裹有柔性加熱帶(15)，其中心插有測量輸氣管道中心空氣溫度的空氣溫度傳感器(16)，溫度加熱管(14)的出氣端與溫度交換器(18)的進氣端連接，溫度交換器(18)的出氣端與溫溼度傳感器IV (19)連接；所述溫度控制器(17)連接在溫度加熱器(14)與溫度交換器(18)之間。[0009]一種大氣氣溶膠揮發特性測量儀，其包括:
[0010]乾燥系統，包括乾燥器(I)、泵I (2)、限流孔(3)、溫溼度傳感器I (5)、粒子過濾器(4)，所述粒子過濾器(4)的出口連接限流孔(3)的進口，限流孔(3)的出口連乾燥器(I)的外壁輸入端，乾燥器(I)的外壁輸出端與泵I (2)連接，乾燥器(I)的出口連接的管道上設溫溼度傳感器1(5);
[0011]第一粒徑分選系統，包括中和器(6)、粒徑分選裝置I (7)、質量流量計I (10)、粒子過濾器(12)、高壓器(8)、溫溼度傳感器II (9)、鼓風機I (11)、三通閥(13)，所述中和器
(6)的進口與乾燥器(I)的出口連接，中和器(6)的出口與粒徑分選裝置I (7)的進口連接，粒徑分選裝置I (7)的出口連接三通閥(13)的進口 ；粒徑分選裝置I (7)的鞘流出口順次連接質量流量計I (10)、鼓風機I (11)、粒子過濾器(12)，鞘流進口再連接粒徑分選裝置
(32)中，在粒徑分選裝置I (7)、質量流量計I (10)、鼓風機I (11)以及粒子過濾器(12)之間形成閉合氣流迴路；所述高壓器(8)連接至粒徑分選裝置I (7)內部，連接粒徑分選裝置
I(7)和三通閥(13)的管道上設有溫溼度傳感器II (9)；
[0012]上述氣體溫度控制系統，溫度加熱管(14)的氣流進口連接上述三通閥(13)的第一氣流出口，溫度交換器(18)的氣流出口連接第二粒徑分選系統；
[0013]第二粒徑分選系統，包括粒徑分選裝置II (20)、質量流量計II (24)、粒子過濾器
(22)、高壓器(21)、溫溼度傳感器111(25)、鼓風機II (23)、三向閥(26)，所述粒徑分選裝置
II(20)的進口與溫度交換器(18)的氣流出口連接，粒徑分選裝置II (20)的出口連接三向閥(26)的第一進口連接，溫溼度傳感器III(25)位於粒徑分選裝置II (20)的出口與三向閥
(26)之間的管道上，高壓器(21)連接至粒徑分選裝置II (20)內部；粒徑分選裝置II (20)的鞘流出口順次連接質量流量計II (24)、鼓風機II (23)、粒子過濾器(22)，鞘流進口再與粒徑分選裝置II (20)連接，在粒徑分選裝置II (20)、質量流量計II (24)、鼓風機II (23)以及粒子過濾器(22)之間形成閉合氣流迴路；三向閥(26)的第二進口與三通閥(13)的第二出口連接；
[0014]粒子計數系統，包括凝結粒子計數器(28)、質量流量計111(27)和泵II (29)，質量流量計111(27)的進氣口與三向閥(26)的氣流出口連接，質量流量計111(27)的出氣口連接凝結粒子計數器(28)的氣流入口，泵II (29)連接在凝結粒子計數器(28)的氣流出口處。
[0015]在上述方案的基礎上，作為本發明的一種優選的方案，所述乾燥器(I)為膜滲透式乾燥器。
[0016]一種大氣氣溶膠揮發特性測量方法，用上述大氣氣溶膠揮發特性測量儀，測量空氣氣溶膠粒子在不同溫度下揮發前後的粒徑變化及分布。
[0017]與現有技術相比，本發明的有益效果是:
[0018]1.本發明所述的氣體溫度控制系統可以實現對系統中氣體溫度的調節，可在較短時間內在比較高的精度下穩定空氣的溫度，溫度穩定後的變化在％1以下，溫度穩定時間可持續約為5分鐘；有利於對分子粒徑變化和粒徑分布的分析；
[0019]2.本發明所述的大氣氣溶膠揮發特性測量儀是在本 申請人:在先申請(申請號為CN201210209357.1)的基礎上通過設置了氣體溫度控制系統後進一步簡化了整個儀器的結構，並縮小了整套儀器的體積；
[0020]3.本發明所述的大氣氣溶膠揮發特性測量儀兼俱測量各粒徑氣溶膠的揮發因子和混合狀態測量功能，自動化程度高、穩定性好，有助於全面了解不同的氣溶膠各粒徑段的揮發性和混合狀態及其對氣溶膠光學特性的影響，同時對大氣灰霾形成機理等方面的研究
有重要意義。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1為本發明所述的氣體溫度控制系統結構示意圖；
[0022]圖2為本發明所述的大氣氣溶膠揮發特性測量儀的結構示意圖；
[0023]圖3為本發明的大氣氣溶膠揮發特性測量儀檢測某區域的氣溶膠粒子粒徑分布圖；
[0024] 圖4為本發明的大氣氣溶膠揮發特性測量儀在廣州某次測量的氣溶膠揮發因子分布曲線(Dp=40，80，110，150，200，400nm ；Ti=50,100，200，250，300。。)；
[0025]圖5為本發明的大氣氣溶膠揮發特性測量儀在廣州某次測量的具有不同揮發性的氣溶膠粒子比例 O (Dp=40,80,110,150,200,400nm ；Ti=300°C )。
【具體實施方式】
[0026]下面結合附圖和具體實施例子對本發明一種大氣氣溶膠揮發特性測量儀作進一步詳細說明，以便清楚理解本發明所要保護的技術方案。
[0027]實施例1
[0028]如圖1所示，本發明所述的大氣氣溶膠揮發特性測量儀的氣體溫度控制系統，其包括溫度加熱管14、溫度交換器18、溫溼度傳感器IV 19以及溫度控制器17，在溫度加熱管14外壁包裹有柔性加熱帶15，其中心插有測量輸氣管道中心空氣溫度的空氣溫度傳感器16，溫度加熱管14的出氣端與溫度交換器18的進氣端連接，溫度交換器18的出氣端與溫溼度傳感器IV 19連接；所述溫度控制器17連接在溫度加熱器14與溫度交換器18之間。所述空氣溫度傳感器(16)測量進入系統的空氣溫度，並反饋給溫度控制器17進行PID計算後輸出信號給柔性加熱帶15加熱加熱管14金屬外壁。被測空氣在受熱高溫後需經過溫度交換器18降溫，降到常溫進入下一級系統。
[0029]在大氣氣溶膠揮發特性測量儀中，輸氣管道一般採用的是316不鏽鋼，很大程度降低對粒子的管壁吸附影響，通過本發明的氣體溫度控制系統，可在較短時間內在比較高的精度下穩定空氣的溫度，溫度穩定後的變化在％1以下，溫度穩定時間約為5分鐘。
[0030]在測量真實大氣中的氣溶膠粒子時，隨著溫度的升高，一些物質會揮發成氣體，粒子會因此消失(完全揮發)或粒徑變小，完全揮發率記為CV。同時，加熱裝置也會導致粒子損耗。所以，要準確測量有多少粒子是完全揮發掉，必須知道加熱裝置的損耗率(或稱通過率，這是一粒徑和加熱溫度決定的函數，記為TR)。NaCl (氯化鈉)的揮發溫度為650°C，利用這一特性，可以認為NaCl在本系統加熱範圍內(50-300° )無揮發，通過計算粒子總數的減少即得到通過率。以某一粒徑為例，以常溫下(T0=25°C)的通過率作為基準，先求得不同溫度下得相對通過率(TRTi/TRTO)，再計算得到不同溫度下的完全揮發率，如下式:
1-Civ, ,Vr..JIp
[0031]-— = (^)/(_L..)
[0032]上式中，Ti=50,100-,300°C ;T0=25°C。NTi, Ntq 為 Ti 和 TO 時測量得到的該粒徑粒子數。假設常溫狀態下，粒子無完全揮發，即CVtci=O,可計算CVTi。其中體溫度控制系統的氣溶膠粒子相對通過率(TRTi/TRTO)見表1 ;不同粒徑在不同溫度下的完全揮發率(CVTi)見表2。
[0033]表1
[0034]
【權利要求】
1.大氣氣溶膠揮發特性測量儀的氣體溫度控制系統，其特徵在於，其包括溫度加熱管(14)、溫度交換器(18)、溫溼度傳感器IV (19)以及溫度控制器(17)，在溫度加熱管(14)外壁包裹有柔性加熱帶(15)，其中心插有測量輸氣管道中心空氣溫度的空氣溫度傳感器(16)，溫度加熱管(14)的出氣端與溫度交換器(18)的進氣端連接，溫度交換器(18)的出氣端與溫溼度傳感器IV (19)連接；所述溫度控制器(17)連接在溫度加熱器(14)與溫度交換器(18)之間。
2.一種大氣氣溶膠揮發特性測量儀，其特徵在於，其包括: 乾燥系統，包括乾燥器(I)、泵I (2)、限流孔(3)、溫溼度傳感器I (5)、粒子過濾器(4)，所述粒子過濾器(4)的出口連接限流孔(3)的進口，限流孔(3)的出口連乾燥器(I)的外壁輸入端，乾燥器(I)的外壁輸出端與泵I (2)連接，乾燥器(I)的出口連接的管道上設溫溼度傳感器1(5); 第一粒徑分選系統，包括中和器(6)、粒徑分選裝置I (7)、質量流量計I (10)、粒子過濾器I (12)、高壓器I (8)、溫溼度傳感器II (9)、鼓風機I (11)、三通閥(13)，所述中和器(6 )的進口與乾燥器(I)的出口連接，中和器(6 )的出口與粒徑分選裝置I (7 )的進口連接，粒徑分選裝置(7)的出口連接三通閥(13)的進口 ；粒徑分選裝置I (7)的鞘流出口順次連接質量流量計I (10)、鼓風機I (11)、粒子過濾器I (12)，鞘流進口再連接粒徑分選裝置(32)中，在粒徑分選裝置I (7)、質量流量計I (10)、鼓風機I (11)以及粒子過濾器I (12)之間形成閉合氣流迴路；所述高壓器I (8)連接至粒徑分選裝置I (7)內部，連接粒徑分選裝置I (7)和三通閥(13)的管道上設有溫溼度傳感器II (9)； 權利要求1所述的氣體溫度控制系統，溫度加熱管(14)的氣流進口連接上述三通閥(13)的第一氣流出口，溫度交換器(18)的氣流出口連接第二粒徑分選系統； 第二粒徑分選系統，包括粒徑分選裝置II (20)、質量流量計II (24)、粒子過濾器II(22)、高壓器II (21)、溫溼度傳感器III (25)、鼓風機II (23)、三向閥(26)，所述粒徑分選裝置II (20)的進口與溫度交換器(18)的氣流出口連接，粒徑分選裝置II (20)的出口連接三向閥(26)的第一進口連接，溫溼度傳感器111(25)位於粒徑分選裝置II (20)的出口與三向閥(26)之間的管道上，高壓器II (21)連接至粒徑分選裝置II (20)內部；粒徑分選裝置II (20)的鞘流出口順次連接質量流量計II (24)、鼓風機II (23)、粒子過濾器II (22)，鞘流進口再與粒徑分選裝置II (20)連接，在粒徑分選裝置II (20)、質量流量計II (24)、鼓風機II (23)以及粒子過濾器II (22)之間形成閉合氣流迴路；三向閥(26)的第二進口與三通閥(13)的第二出口連接； 粒子計數系統，包括凝結粒子計數器(28)、質量流量計111(27)和泵II (29)，質量流量計III(27)的進氣口與三向閥(26)的氣流出口連接，質量流量計III(27)的出氣口連接凝結粒子計數器(28)的氣流入口，泵II (29)連接在凝結粒子計數器(28)的氣流出口處。
3.一種大氣氣溶膠揮發特性測量方法，其特徵在於:用權利要求2所述的大氣氣溶膠揮發特性測量儀，測量空氣氣溶膠粒子在不同溫度下揮發前後的粒徑變化及分布。
【文檔編號】G05D23/30GK103913404SQ201410129226
【公開日】2014年7月9日 申請日期:2014年3月31日 優先權日:2014年3月31日
【發明者】譚浩波, 許漢冰, 李菲, 萬齊林, 銀燕 申請人:中國氣象局廣州熱帶海洋氣象研究所, 中山大學