大氣氣溶膠揮發(fā)特性測量儀的氣體溫度控制系統(tǒng)及應(yīng)用的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種大氣氣溶膠揮發(fā)特性測量儀的氣體溫度控制系統(tǒng)及包括該系統(tǒng)的大氣氣溶膠揮發(fā)特性測量儀，氣體溫度控制系統(tǒng)包括溫度加熱管、溫度交換器、溫濕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濕度傳感器連接；所述溫度控制器連接在溫度加熱器與溫度交換之間。本發(fā)明專利的大氣氣溶膠揮發(fā)特性測量儀兼俱測量各粒徑氣溶膠的揮發(fā)因子、混合狀態(tài)和干粒子譜分布測量功能，自動化程度高、穩(wěn)定性好，有助于全面了解各粒徑段的揮發(fā)性及混合狀態(tài)，對大氣污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(fā)特性測量儀的氣體溫度控制系統(tǒng)及應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及大氣氣溶膠揮發(fā)特性檢測設(shè)備，具體涉及一種大氣氣溶膠揮發(fā)特性測量儀的氣體溫度控制系統(tǒng)及應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[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。存在于大氣中的氣溶膠粒子化學組成和混合狀態(tài)十分復(fù)雜，而氣溶膠的光學效應(yīng)和輻射效應(yīng)均與粒子的化學成分和混合狀態(tài)聯(lián)系緊密?；诓煌瘜W物質(zhì)在不同溫度下?lián)]發(fā)這一特性，本儀器通過測量氣溶膠粒子粒徑在加溫前后的變化及其分布，檢測粒子的揮發(fā)程度、推斷化學組分和混合狀態(tài)。本發(fā)明專利的大氣氣溶膠揮發(fā)特性測量儀兼俱測量各粒徑氣溶膠的揮發(fā)因子、混合狀態(tài)和干粒子譜分布測量功能，自動化程度高、穩(wěn)定性好，有助于全面了解各粒徑段的揮發(fā)性及混合狀態(tài)，對大氣污染形成機理等方面的研究有重要意義。
[0003]目前，我國大氣環(huán)境學界對氣溶膠的揮發(fā)特性的觀測尚未開展，對氣溶膠揮發(fā)特性的科學觀測實驗尚不完善。國外科研機構(gòu)也有開展氣溶膠揮發(fā)性的測量儀器的研發(fā)及試驗，但儀器多在實驗室環(huán)境下進行測量，對于環(huán)境大氣中的氣溶膠揮發(fā)特性和混合狀態(tài)觀測研究極少。對于揮發(fā)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(tài)，剩余的粒子也不能回溯到其初始粒徑大小。其后，結(jié)合TDMA方法，發(fā)展出了 V-TDMA測量技術(shù)。
[0004]國外的部分學者采用商業(yè)化的熱吸附器(thermo-denuder)對加熱氣溶膠后揮發(fā)的氣體進行吸附。這樣做的優(yōu)點是使揮發(fā)氣體不易重新附著到非發(fā)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(fā)性粒子，使通過率降低。而且，這些儀器設(shè)計部件較為復(fù)雜、成本較高，難以滿足長期穩(wěn)定觀測需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種大氣氣溶膠揮發(fā)特性測量儀的氣體溫度控制系統(tǒng)，以實現(xiàn)對空氣溫度調(diào)節(jié)。
[0006]本發(fā)明的另一目的在于提供一種包括上述氣體溫度控制系統(tǒng)的大氣氣溶膠揮發(fā)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(fā)因子和混合狀態(tài)測量功能、干粒徑譜測量功能，自動化程度高、穩(wěn)定性好。
[0007]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0008]一種大氣氣溶膠揮發(fā)特性測量儀的氣體溫度控制系統(tǒng)，其包括溫度加熱管(14)、溫度交換器(18)、溫濕度傳感器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)的出氣端與溫濕度傳感器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(fā)特性測量儀，其包括:
[0010]干燥系統(tǒng)，包括干燥器(I)、泵I (2)、限流孔(3)、溫濕度傳感器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)的出口連干燥器(I)的外壁輸入端，干燥器(I)的外壁輸出端與泵I (2)連接，干燥器(I)的出口連接的管道上設(shè)溫濕度傳感器1(5);
[0011]第一粒徑分選系統(tǒng)，包括中和器(6)、粒徑分選裝置I (7)、質(zhì)量流量計I (10)、粒子過濾器(12)、高壓器(8)、溫濕度傳感器II (9)、鼓風機I (11)、三通閥(13)，所述中和器
(6)的進口與干燥器(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(zhì)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(zhì)量流量計I (10)、鼓風機I (11)以及粒子過濾器(12)之間形成閉合氣流回路；所述高壓器(8)連接至粒徑分選裝置I (7)內(nèi)部，連接粒徑分選裝置
I(7)和三通閥(13)的管道上設(shè)有溫濕度傳感器II (9)；
[0012]上述氣體溫度控制系統(tǒng)，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(tǒng)；
[0013]第二粒徑分選系統(tǒng)，包括粒徑分選裝置II (20)、質(zhì)量流量計II (24)、粒子過濾器
(22)、高壓器(21)、溫濕度傳感器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，溫濕度傳感器III(25)位于粒徑分選裝置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(nèi)部；粒徑分選裝置II (20)的鞘流出口順次連接質(zhì)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(zhì)量流量計II (24)、鼓風機II (23)以及粒子過濾器(22)之間形成閉合氣流回路；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(shù)系統(tǒng)，包括凝結(jié)粒子計數(shù)器(28)、質(zhì)量流量計111(27)和泵II (29)，質(zhì)量流量計111(27)的進氣口與三向閥(26)的氣流出口連接，質(zhì)量流量計111(27)的出氣口連接凝結(jié)粒子計數(shù)器(28)的氣流入口，泵II (29)連接在凝結(jié)粒子計數(shù)器(28)的氣流出口處。
[0015]在上述方案的基礎(chǔ)上，作為本發(fā)明的一種優(yōu)選的方案，所述干燥器(I)為膜滲透式干燥器。
[0016]一種大氣氣溶膠揮發(fā)特性測量方法，用上述大氣氣溶膠揮發(fā)特性測量儀，測量空氣氣溶膠粒子在不同溫度下?lián)]發(fā)前后的粒徑變化及分布。
[0017]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:
[0018]1.本發(fā)明所述的氣體溫度控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)對系統(tǒng)中氣體溫度的調(diào)節(jié)，可在較短時間內(nèi)在比較高的精度下穩(wěn)定空氣的溫度，溫度穩(wěn)定后的變化在％1以下，溫度穩(wěn)定時間可持續(xù)約為5分鐘；有利于對分子粒徑變化和粒徑分布的分析；
[0019]2.本發(fā)明所述的大氣氣溶膠揮發(fā)特性測量儀是在本 申請人:在先申請(申請?zhí)枮镃N201210209357.1)的基礎(chǔ)上通過設(shè)置了氣體溫度控制系統(tǒng)后進一步簡化了整個儀器的結(jié)構(gòu)，并縮小了整套儀器的體積；
[0020]3.本發(fā)明所述的大氣氣溶膠揮發(fā)特性測量儀兼俱測量各粒徑氣溶膠的揮發(fā)因子和混合狀態(tài)測量功能，自動化程度高、穩(wěn)定性好，有助于全面了解不同的氣溶膠各粒徑段的揮發(fā)性和混合狀態(tài)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(fā)明所述的氣體溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022]圖2為本發(fā)明所述的大氣氣溶膠揮發(fā)特性測量儀的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖3為本發(fā)明的大氣氣溶膠揮發(fā)特性測量儀檢測某區(qū)域的氣溶膠粒子粒徑分布圖；
[0024] 圖4為本發(fā)明的大氣氣溶膠揮發(fā)特性測量儀在廣州某次測量的氣溶膠揮發(fā)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(fā)明的大氣氣溶膠揮發(fā)特性測量儀在廣州某次測量的具有不同揮發(fā)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(jié)合附圖和具體實施例子對本發(fā)明一種大氣氣溶膠揮發(fā)特性測量儀作進一步詳細說明，以便清楚理解本發(fā)明所要保護的技術(shù)方案。
[0027]實施例1
[0028]如圖1所示，本發(fā)明所述的大氣氣溶膠揮發(fā)特性測量儀的氣體溫度控制系統(tǒng)，其包括溫度加熱管14、溫度交換器18、溫濕度傳感器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的出氣端與溫濕度傳感器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(tǒng)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(jīng)過溫度交換器18降溫，降到常溫進入下一級系統(tǒng)。
[0029]在大氣氣溶膠揮發(fā)特性測量儀中，輸氣管道一般采用的是316不銹鋼，很大程度降低對粒子的管壁吸附影響，通過本發(fā)明的氣體溫度控制系統(tǒng)，可在較短時間內(nèi)在比較高的精度下穩(wěn)定空氣的溫度，溫度穩(wěn)定后的變化在％1以下，溫度穩(wěn)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(zhì)會揮發(fā)成氣體，粒子會因此消失(完全揮發(fā))或粒徑變小，完全揮發(fā)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(fā)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(shù)，記為TR)。NaCl (氯化鈉)的揮發(fā)溫度為650°C，利用這一特性，可以認為NaCl在本系統(tǒng)加熱范圍內(nèi)(50-300° )無揮發(fā)，通過計算粒子總數(shù)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(fā)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(shù)。假設(shè)常溫狀態(tài)下，粒子無完全揮發(fā)，即CVtci=O,可計算CVTi。其中體溫度控制系統(tǒng)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(fā)率(CVTi)見表2。
[0033]表1
[0034]
【權(quán)利要求】
1.大氣氣溶膠揮發(fā)特性測量儀的氣體溫度控制系統(tǒng)，其特征在于，其包括溫度加熱管(14)、溫度交換器(18)、溫濕度傳感器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)的出氣端與溫濕度傳感器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(fā)特性測量儀，其特征在于，其包括: 干燥系統(tǒng)，包括干燥器(I)、泵I (2)、限流孔(3)、溫濕度傳感器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)的出口連干燥器(I)的外壁輸入端，干燥器(I)的外壁輸出端與泵I (2)連接，干燥器(I)的出口連接的管道上設(shè)溫濕度傳感器1(5); 第一粒徑分選系統(tǒng)，包括中和器(6)、粒徑分選裝置I (7)、質(zhì)量流量計I (10)、粒子過濾器I (12)、高壓器I (8)、溫濕度傳感器II (9)、鼓風機I (11)、三通閥(13)，所述中和器(6 )的進口與干燥器(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(zhì)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(zhì)量流量計I (10)、鼓風機I (11)以及粒子過濾器I (12)之間形成閉合氣流回路；所述高壓器I (8)連接至粒徑分選裝置I (7)內(nèi)部，連接粒徑分選裝置I (7)和三通閥(13)的管道上設(shè)有溫濕度傳感器II (9)； 權(quán)利要求1所述的氣體溫度控制系統(tǒng)，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(tǒng)； 第二粒徑分選系統(tǒng)，包括粒徑分選裝置II (20)、質(zhì)量流量計II (24)、粒子過濾器II(22)、高壓器II (21)、溫濕度傳感器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，溫濕度傳感器111(25)位于粒徑分選裝置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(nèi)部；粒徑分選裝置II (20)的鞘流出口順次連接質(zhì)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(zhì)量流量計II (24)、鼓風機II (23)以及粒子過濾器II (22)之間形成閉合氣流回路；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(shù)系統(tǒng)，包括凝結(jié)粒子計數(shù)器(28)、質(zhì)量流量計111(27)和泵II (29)，質(zhì)量流量計III(27)的進氣口與三向閥(26)的氣流出口連接，質(zhì)量流量計III(27)的出氣口連接凝結(jié)粒子計數(shù)器(28)的氣流入口，泵II (29)連接在凝結(jié)粒子計數(shù)器(28)的氣流出口處。
3.一種大氣氣溶膠揮發(fā)特性測量方法，其特征在于:用權(quán)利要求2所述的大氣氣溶膠揮發(fā)特性測量儀，測量空氣氣溶膠粒子在不同溫度下?lián)]發(fā)前后的粒徑變化及分布。
【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(yōu)先權(quán)日:2014年3月31日
【發(fā)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