一種大氣氣溶膠揮發特性測量儀及測量方法與流程

本發明涉及大氣檢測設備，具體涉及一種大氣氣溶膠揮發特性測量儀及測量方法。
背景技術：
：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。存在于大氣中的氣溶膠粒子化學組成和混合狀態十分復雜，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系緊密。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，對于環境大氣中的氣溶膠揮發特性和混合狀態觀測研究極少。對于揮發性的測量，最早的方法是測量加熱前后的氣溶膠粒徑譜分布，這樣未能提供加熱后的單粒徑氣溶膠粒子的混合狀態，剩余的粒子也不能回溯到其初始粒徑大小。其后，結合tdma方法，發展出了v-tdma測量技術。國外的部分學者采用商業化的熱吸附器(thermo-denuder)對加熱氣溶膠后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復雜、成本較高，難以滿足長期穩定觀測需求。技術實現要素：本發明實施例提供了一種本發明的目的在于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及測量方法，能夠實現對空氣氣溶膠揮發特性的測量，其能在不同的溫度下兼具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，可在無人值守的情況下連續運行。本發明提供一種大氣氣溶膠揮發特性測量儀，包括干燥系統、第一粒徑分選系統、氣溶膠揮發控制系統、第二粒徑分選系統和粒子計數系統，所述干燥系統、所述第一粒徑分選系統、所述氣溶膠揮發控制系統、所述第二粒徑分選系統和所述粒子計數系統依次連接，其中：所述干燥系統，包括干燥器(1)、第一泵(2)、限流孔(3)、第一溫濕度傳感器(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)的出口連干燥器(1)的外壁輸入端，干燥器(1)的外壁輸出端與第一泵(2)連接，干燥器(1)的出口連接的管道上設有第一溫濕度傳感器(5)；所述第一粒徑分選系統，包括中和器(6)、第一粒徑分選裝置(7)、第一質量流量計(10)、第一粒子過濾器(12)、第一高壓器(8)、第二溫濕度傳感器(9)、第一鼓風機(11)、三通閥(13)，所述中和器(6)的進口與干燥器(1)的出口連接，中和器(6)的出口與第一粒徑分選裝置(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；第一粒徑分選裝置(7)的鞘流出口順次連接第一質量流量計(10)、第一鼓風機(11)、第一粒子過濾器(12)，鞘流進口再連接第一粒徑分選裝置(7)中，在第一粒徑分選裝置(7)、第一質量流量計(10)、第一鼓風機(11)以及第一粒子過濾器(12)之間形成閉合氣流回路；所述第一高壓器(8)連接至第一粒徑分選裝置(7)內部，連接第一粒徑分選裝置(7)和三通閥(13)的管道上設有第二溫濕度傳感器(9)；所述氣溶膠揮發控制系統，包括溫度加熱管(14)、溫度交換器(18)、第三溫濕度傳感器(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)的氣流進口連接上述三通閥(13)的第一氣流出口，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)的出氣端與第三溫濕度傳感器(19)連接；所述溫度控制器(17)連接溫度加熱器(14)與柔性加熱帶(15)溫度交換器(18)的氣流出口連接第二粒徑分選系統；所述第二粒徑分選系統，包括第二粒徑分選裝置(20)、第二質量流量計(24)、第二粒子過濾器(22)、第二高壓器(21)、第四溫濕度傳感器(25)、第二鼓風機(23)、三向閥(26)，所述第二粒徑分選裝置(20)的進口與溫度交換器(18)的氣流出口連接，第二粒徑分選裝置(20)的出口連接三向閥(26)的第一進口連接，第四溫濕度傳感器(25)位于第二粒徑分選裝置(20)的出口與三向閥(26)之間的管道上，第二高壓器(21)連接至第二粒徑分選裝置(20)內部；第二粒徑分選裝置(20)的鞘流出口順次連接第二質量流量計(24)、第二鼓風機(23)、第二粒子過濾器(22)，鞘流進口再與第二粒徑分選裝置(20)連接，在第二粒徑分選裝置(20)、第二質量流量計(24)、第二鼓風機(23)以及第二粒子過濾器(22)之間形成閉合氣流回路；三向閥(26)的第二進口與三通閥(13)的第二出口連接；所述粒子計數系統，包括凝結粒子計數器(28)、第三質量流量計(27)和第二泵(29)，第三質量流量計(27)的進氣口與三向閥(26)的氣流出口連接，第三質量流量計(27)的出氣口連接凝結粒子計數器(28)的氣流入口，第二泵(29)連接在凝結粒子計數器(28)的氣流出口處。優選地，所述干燥器(1)為膜滲透式干燥器。優選地，所述大氣氣溶膠揮發特性測量儀還包括數據采集處理系統包括數據采集卡和用于處理采集到的數據監控機構，所述第一質量流量計(10)、第二質量流量計(24)、第三質量流量計(27)、第一溫濕度傳感器(5)、第二溫濕度傳感器(9)、第三溫濕度傳感器(19)、第四溫濕度傳感器(25)、三通閥(13)、第一高壓器(8)、第二高壓器(21)、第一鼓風機(11)和第二鼓風機(23)均與所述數據采集卡電性連接。另外，本發明還提供一種大氣氣溶膠揮發特性測量方法，用所述的大氣氣溶膠揮發特性測量儀，測量分粒徑氣溶膠粒子在不同溫度下揮發前后的粒徑變化及分布。本發明提供一種大氣氣溶膠揮發特性測量方法，主要是測量分粒徑氣溶膠粒子(40-300nm)在不同溫度下(常溫-350℃)揮發前后的粒徑變化及分布。與現有技術相比，本發明提供的大氣氣溶膠揮發特性測量儀及測量方法，能夠實現對空氣氣溶膠揮發特性的測量，其能在不同的溫度下兼具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，可在無人值守的情況下連續運行。具體而言，本發明具有以下優點：1、本發明所述的氣溶膠揮發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(<5分鐘)使氣流達到預設溫度，溫度穩定后的變化在1％以下；采用相對通過率的算法(見實施例1)，準確計算粒子在加溫系統中的損耗；溫度交換器可使加熱后的高溫氣流快速降至常溫，進入第二粒徑分選系統進行測量；雖然不使用熱吸附器，但是經實驗表明，不會導致揮發性蒸汽的重新凝結在已有粒子表面或成核；2、本發明所述的大氣氣溶膠揮發特性測量儀，能夠實現對分粒徑氣溶膠揮發特性的測量，其能在不同的溫度下依據測量的各粒徑氣溶膠揮發因子分布推斷粒子混合狀態；揮發控制系統設計簡單，能有效減少粒子的損耗，并保證揮發蒸汽不重新凝結成核或附著在顆粒物上；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，可在無人值守的情況下連續運行，有助于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。附圖說明為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據提供的附圖獲得其他的附圖。圖1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；圖2為本發明所述的氣溶膠揮發控制系統的結構示意圖；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；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，其中dp＝40，80，110，150，200，400nm；ti＝50，100，200，250，300℃；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，其中dp＝40，80，110，150，200，400nm；ti＝300℃。具體實施方式請參閱圖1至圖5，圖1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；圖2為本發明所述的氣溶膠揮發控制系統的結構示意圖；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；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，其中dp＝40，80，110，150，200，400nm；ti＝50，100，200，250，300℃；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，其中dp＝40，80，110，150，200，400nm；ti＝300℃。下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。如圖1所示，本發明的大氣氣溶膠揮發特性測量儀包括：干燥系統，包括干燥器1、第一泵2、限流孔3、第一溫濕度傳感器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的出口連干燥器1的外壁輸入端，干燥器1的外壁輸出端與第一泵2連接，干燥器1的出口連接的管道上設第一溫濕度傳感器5。干燥器1為膜滲透式干燥器。干燥系統的工作原理是：氣溶膠樣品氣流從干燥器的滲透膜進口進入滲透膜內側，室內空氣先經過粒子過濾器形成潔凈空氣，再經過限流孔進入膜滲透式干燥器的外壁輸入端，進入滲透膜的外側，在第一泵2的吸力作用下，潔凈空氣的氣體氣壓遠小于1個大氣壓，水汽分壓較低，從而形成干燥氣體在滲透膜的外側，樣品水汽分子從滲透膜內側向外側滲透，達到干燥樣品的目的。第一粒徑分選系統，包括中和器6、第一粒徑分選裝置7、第一質量流量計10、第一粒子過濾器12、第一高壓器8、第二溫濕度傳感器9、第一鼓風機11、三通閥13，所述中和器6的進口與干燥器1的出口連接，中和器6的出口與第一粒徑分選裝置7的進口連接，第一粒徑分選裝置7的出口連接三通閥13的進口；第一粒徑分選裝置7的鞘流出口順次連接第一質量流量計10、第一鼓風機11、第一粒子過濾器12，鞘流進口再連接第一粒徑分選裝置7中，在第一粒徑分選裝置7、第一質量流量計10、第一鼓風機11以及第一粒子過濾器12之間形成閉合氣流回路；所述第一高壓器8連接至粒徑分選裝置7內部，連接粒徑分選裝置7和三通閥13的管道上設有第二溫濕度傳感器9。第一粒徑分選系統的工作原理是：第一高壓器8產生高電壓至粒徑分選裝置，使得粒徑分選裝置內軸呈正電，帶負電的粒子被內部電場牽引，在樣品氣流、鞘氣氣流、電場強度的共同作用下，一定粒徑的粒子才能在粒徑分選裝置的出口通過，達到分選粒徑的目的；其中，第一鼓風機11的作用就是產生一定流量的鞘氣，多余的粒子進入鞘流通過粒子過濾器過濾。氣溶膠揮發控制系統，其包括溫度加熱管14、溫度交換器18、第三溫濕度傳感器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的出氣端與第三溫濕度傳感器19連接；所述溫度控制器17連接溫度加熱器14與柔性加熱帶15；所述空氣溫度傳感器16測量進入系統的空氣溫度，并反饋給溫度控制器17進行pid計算后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后需經過溫度交換器18降溫，降到常溫進入下一級系統。第二粒徑分選系統，包括第二粒徑分選裝置20、第二質量流量計24、第二粒子過濾器22、第二高壓器21、第四溫濕度傳感器25、第二鼓風機23、三向閥26，所述第二粒徑分選裝置20的進口與溫度交換器18的氣流出口連接，第二粒徑分選裝置20的出口連接三向閥26的第一進口連接，第四溫濕度傳感器25位于第二粒徑分選裝置20的出口與三向閥26之間的管道上，第二高壓器21連接至第二粒徑分選裝置20內部；第二粒徑分選裝置20的鞘流出口順次連接第二質量流量計24、第二鼓風機23、第二粒子過濾器2，鞘流進口再與第二粒徑分選裝置20連接，在第二粒徑分選裝置20、第二質量流量計24、第二鼓風機23以及第二粒子過濾器22之間形成閉合氣流回路；三向閥26的第二進口與三通閥13的第二出口連接。其工作原理是：第二高壓器21產生高電壓至粒徑分選裝置，使得粒徑分選裝置內軸呈正電，帶負電的粒子被內部電場牽引，在樣品氣流、鞘氣氣流、電場強度的共同作用下，一定粒徑的粒子才能在粒徑分選裝置的出口通過，達到分選粒徑的目的；其中，第二鼓風機23的作用就是產生一定流量的鞘氣，多余的粒子進入鞘流通過粒子過濾器過濾。粒子計數系統，包括凝結粒子計數器28、第三質量流量計27和第二泵29，第三質量流量計27的進氣口與三向閥26的氣流出口連接，第三質量流量計27的出氣口連接凝結粒子計數器28的氣流入口，第二泵29連接在凝結粒子計數器28的氣流出口處。所述大氣氣溶膠揮發特性測量儀還包括數據采集處理系統包括數據采集卡(圖未示)和用于處理采集到的數據監控機構(圖未示)。第一質量流量計10、第二質量流量計24、第三質量流量計27、第一溫濕度傳感器5、第二溫濕度傳感器9、第三溫濕度傳感器19、第四溫濕度傳感器25、三通閥13、第一高壓器8、第二高壓器21、第一鼓風機11和第二鼓風機23均與所述數據采集卡電性連接。其中，所述數據監控機構采用美國國家儀器有限公司(nationalinstruments，簡稱ni)的虛擬儀器軟件labview8.5。如圖2所示，本發明的大氣氣溶膠揮發特性測量儀的氣溶膠揮發控制系統，其包括溫度加熱管14、溫度交換器18、第三溫濕度傳感器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的出氣端與第三溫濕度傳感器19連接；所述溫度控制器17連接溫度加熱器14與柔性加熱帶15。所述空氣溫度傳感器(16)測量進入系統的空氣溫度，并反饋給溫度控制器17進行pid計算后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后需經過溫度交換器18降溫，降到常溫進入下一級系統。在大氣氣溶膠揮發特性測量儀中，輸氣管道采用的是316不銹鋼，很大程度降低對粒子的管壁吸附影響，通過本發明的氣溶膠揮發控制系統，可在較短時間內(<5分鐘)在比較高的精度下穩定空氣的溫度，溫度穩定后的變化在1％以下。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，這是由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℃，利用這一特性，可以認為nacl在本系統加熱范圍內(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℃)的通過率作為基準，先求得不同溫度下得相對通過率(trti/trt0)，再計算得到不同溫度下的完全揮發率，如下式：上式中，ti＝50，100…,300℃；t0＝25℃。nti，nt0為ti和t0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cvt0＝0，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/trt0)見表1；某次測量中，不同粒徑在不同溫度下的完全揮發率(cvti)見表2。表1表2do(nm)50°100°200°250°300°4000.82％30.40％38.15％45.62％8000.81％11.61％14.11％16.34％11001.20％7.93％7.47％8.83％15000.70％5.57％5.73％5.79％20001.70％6.73％6.70％5.00％30000.10％3.13％3.16％4.02％應用實施例采用本發明的大氣氣溶膠揮發特性測量儀在廣州市某區域進行測量，先進行粒子譜掃描，結果見圖3。在本次試驗中，本發明的大氣氣溶膠揮發特性測量儀的第一粒徑分選系統篩選出d0粒徑(40nm、80nm、110nm、150nm、200nm、300nm)，揮發后的粒徑為dp，在第二粒徑分選系統中做粒徑掃描并計算濃度；圖4是本次測量的氣溶膠揮發因子分布曲線(d0＝40，80，110，150，200，400nm；ti＝50，100，200，250，300℃)；圖4中，橫坐標為vgf＝dp/d0，縱坐標為歸一化濃度；vgf＝1代表加熱后粒徑沒有變化，vgf<1表示粒徑變小的情況。要注意的是，因為有部分粒子在加熱過程中完全揮發掉，所以圖3中的粒子分布是指剩余粒子的分布。按照vgf的大小，進一步將剩余粒子分為低揮發性(lv)、中揮發性(mv)、高揮發性(hv)三部分，結合實施例1對完全揮發的粒子(cv)計算，可得到具有不同揮發性粒子的比例，見圖5。以上實施例僅用以說明本發明的技術方案，而非對其限制；盡管參照前述實施例對本發明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特征進行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應技術方案的本質脫離本發明各實施例技術方案的精神和范圍。當前第1頁12