一种大气气溶胶挥发特性测量仪及测量方法与流程

本发明涉及大气检测设备，具体涉及一种大气气溶胶挥发特性测量仪及测量方法。
背景技术：
：大气气溶胶通过散射和吸收辐射直接影响地球大气辐射平衡。存在于大气中的气溶胶粒子化学组成和混合状态十分复杂，而气溶胶的光学效应和辐射效应均与粒子的化学成分和混合状态联系紧密。目前，我国大气环境学界对气溶胶的挥发特性的观测尚未开展，对气溶胶挥发特性的科学观测实验尚不完善。国外科研机构也有开展气溶胶挥发性的测量仪器的研发及试验，但仪器多在实验室环境下进行测量，对于环境大气中的气溶胶挥发特性和混合状态观测研究极少。对于挥发性的测量，最早的方法是测量加热前后的气溶胶粒径谱分布，这样未能提供加热后的单粒径气溶胶粒子的混合状态，剩余的粒子也不能回溯到其初始粒径大小。其后，结合tdma方法，发展出了v-tdma测量技术。国外的部分学者采用商业化的热吸附器(thermo-denuder)对加热气溶胶后挥发的气体进行吸附。这样做的优点是使挥发气体不易重新附着到非发挥性的粒子表面或重新成核。其缺点是吸附装置会吸附一部分的非挥发性粒子，使通过率降低。而且，这些仪器设计部件较为复杂、成本较高，难以满足长期稳定观测需求。技术实现要素：本发明实施例提供了一种本发明的目的在于克服上述现有技术的缺陷，提供一种大气气溶胶挥发特性测量仪及测量方法，能够实现对空气气溶胶挥发特性的测量，其能在不同的温度下兼具各粒径气溶胶的挥发因子和混合状态测量功能，自动化程度高、稳定性好，可在无人值守的情况下连续运行。本发明提供一种大气气溶胶挥发特性测量仪，包括干燥系统、第一粒径分选系统、气溶胶挥发控制系统、第二粒径分选系统和粒子计数系统，所述干燥系统、所述第一粒径分选系统、所述气溶胶挥发控制系统、所述第二粒径分选系统和所述粒子计数系统依次连接，其中：所述干燥系统，包括干燥器(1)、第一泵(2)、限流孔(3)、第一温湿度传感器(5)、粒子过滤器(4)，所述粒子过滤器(4)的出口连接限流孔(3)的进口，限流孔(3)的出口连干燥器(1)的外壁输入端，干燥器(1)的外壁输出端与第一泵(2)连接，干燥器(1)的出口连接的管道上设有第一温湿度传感器(5)；所述第一粒径分选系统，包括中和器(6)、第一粒径分选装置(7)、第一质量流量计(10)、第一粒子过滤器(12)、第一高压器(8)、第二温湿度传感器(9)、第一鼓风机(11)、三通阀(13)，所述中和器(6)的进口与干燥器(1)的出口连接，中和器(6)的出口与第一粒径分选装置(7)的进口连接，粒径分选装置(7)的出口连接三通阀(13)的进口；第一粒径分选装置(7)的鞘流出口顺次连接第一质量流量计(10)、第一鼓风机(11)、第一粒子过滤器(12)，鞘流进口再连接第一粒径分选装置(7)中，在第一粒径分选装置(7)、第一质量流量计(10)、第一鼓风机(11)以及第一粒子过滤器(12)之间形成闭合气流回路；所述第一高压器(8)连接至第一粒径分选装置(7)内部，连接第一粒径分选装置(7)和三通阀(13)的管道上设有第二温湿度传感器(9)；所述气溶胶挥发控制系统，包括温度加热管(14)、温度交换器(18)、第三温湿度传感器(19)以及温度控制器(17)，在温度加热管(14)外壁包裹有柔性加热带(15)，其中心插有测量输气管道中心空气温度的空气温度传感器(16)，温度加热管(14)的气流进口连接上述三通阀(13)的第一气流出口，温度加热管(14)的出气端与温度交换器(18)的进气端连接，温度交换器(18)的出气端与第三温湿度传感器(19)连接；所述温度控制器(17)连接温度加热器(14)与柔性加热带(15)温度交换器(18)的气流出口连接第二粒径分选系统；所述第二粒径分选系统，包括第二粒径分选装置(20)、第二质量流量计(24)、第二粒子过滤器(22)、第二高压器(21)、第四温湿度传感器(25)、第二鼓风机(23)、三向阀(26)，所述第二粒径分选装置(20)的进口与温度交换器(18)的气流出口连接，第二粒径分选装置(20)的出口连接三向阀(26)的第一进口连接，第四温湿度传感器(25)位于第二粒径分选装置(20)的出口与三向阀(26)之间的管道上，第二高压器(21)连接至第二粒径分选装置(20)内部；第二粒径分选装置(20)的鞘流出口顺次连接第二质量流量计(24)、第二鼓风机(23)、第二粒子过滤器(22)，鞘流进口再与第二粒径分选装置(20)连接，在第二粒径分选装置(20)、第二质量流量计(24)、第二鼓风机(23)以及第二粒子过滤器(22)之间形成闭合气流回路；三向阀(26)的第二进口与三通阀(13)的第二出口连接；所述粒子计数系统，包括凝结粒子计数器(28)、第三质量流量计(27)和第二泵(29)，第三质量流量计(27)的进气口与三向阀(26)的气流出口连接，第三质量流量计(27)的出气口连接凝结粒子计数器(28)的气流入口，第二泵(29)连接在凝结粒子计数器(28)的气流出口处。优选地，所述干燥器(1)为膜渗透式干燥器。优选地，所述大气气溶胶挥发特性测量仪还包括数据采集处理系统包括数据采集卡和用于处理采集到的数据监控机构，所述第一质量流量计(10)、第二质量流量计(24)、第三质量流量计(27)、第一温湿度传感器(5)、第二温湿度传感器(9)、第三温湿度传感器(19)、第四温湿度传感器(25)、三通阀(13)、第一高压器(8)、第二高压器(21)、第一鼓风机(11)和第二鼓风机(23)均与所述数据采集卡电性连接。另外，本发明还提供一种大气气溶胶挥发特性测量方法，用所述的大气气溶胶挥发特性测量仪，测量分粒径气溶胶粒子在不同温度下挥发前后的粒径变化及分布。本发明提供一种大气气溶胶挥发特性测量方法，主要是测量分粒径气溶胶粒子(40-300nm)在不同温度下(常温-350℃)挥发前后的粒径变化及分布。与现有技术相比，本发明提供的大气气溶胶挥发特性测量仪及测量方法，能够实现对空气气溶胶挥发特性的测量，其能在不同的温度下兼具各粒径气溶胶的挥发因子和混合状态测量功能，自动化程度高、稳定性好，可在无人值守的情况下连续运行。具体而言，本发明具有以下优点：1、本发明所述的气溶胶挥发控制系统可以实现对系统中气体温度的调节，可在较短时间内(<5分钟)使气流达到预设温度，温度稳定后的变化在1％以下；采用相对通过率的算法(见实施例1)，准确计算粒子在加温系统中的损耗；温度交换器可使加热后的高温气流快速降至常温，进入第二粒径分选系统进行测量；虽然不使用热吸附器，但是经实验表明，不会导致挥发性蒸汽的重新凝结在已有粒子表面或成核；2、本发明所述的大气气溶胶挥发特性测量仪，能够实现对分粒径气溶胶挥发特性的测量，其能在不同的温度下依据测量的各粒径气溶胶挥发因子分布推断粒子混合状态；挥发控制系统设计简单，能有效减少粒子的损耗，并保证挥发蒸汽不重新凝结成核或附着在颗粒物上；3、本发明所述的大气气溶胶挥发特性测量仪兼俱测量各粒径气溶胶的挥发因子和混合状态测量功能，自动化程度高、稳定性好，可在无人值守的情况下连续运行，有助于全面了解不同的气溶胶各粒径段的挥发性和混合状态及其对气溶胶光学特性的影响，同时对大气灰霾形成机理等方面的研究有重要意义。附图说明为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。图1为本发明所述的大气气溶胶挥发特性测量仪的结构示意图；图2为本发明所述的气溶胶挥发控制系统的结构示意图；图3为本发明的大气气溶胶挥发特性测量仪检测某区域的气溶胶粒子粒径分布图；图4为本发明的大气气溶胶挥发特性测量仪在广州某次测量的气溶胶挥发因子分布曲线，其中dp＝40，80，110，150，200，400nm；ti＝50，100，200，250，300℃；图5为本发明的大气气溶胶挥发特性测量仪在广州某次测量的具有不同挥发性的气溶胶粒子比例，其中dp＝40，80，110，150，200，400nm；ti＝300℃。具体实施方式请参阅图1至图5，图1为本发明所述的大气气溶胶挥发特性测量仪的结构示意图；图2为本发明所述的气溶胶挥发控制系统的结构示意图；图3为本发明的大气气溶胶挥发特性测量仪检测某区域的气溶胶粒子粒径分布图；图4为本发明的大气气溶胶挥发特性测量仪在广州某次测量的气溶胶挥发因子分布曲线，其中dp＝40，80，110，150，200，400nm；ti＝50，100，200，250，300℃；图5为本发明的大气气溶胶挥发特性测量仪在广州某次测量的具有不同挥发性的气溶胶粒子比例，其中dp＝40，80，110，150，200，400nm；ti＝300℃。下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。如图1所示，本发明的大气气溶胶挥发特性测量仪包括：干燥系统，包括干燥器1、第一泵2、限流孔3、第一温湿度传感器5、粒子过滤器4，所述粒子过滤器4的出口连接限流孔3的进口，限流孔3的出口连干燥器1的外壁输入端，干燥器1的外壁输出端与第一泵2连接，干燥器1的出口连接的管道上设第一温湿度传感器5。干燥器1为膜渗透式干燥器。干燥系统的工作原理是：气溶胶样品气流从干燥器的渗透膜进口进入渗透膜内侧，室内空气先经过粒子过滤器形成洁净空气，再经过限流孔进入膜渗透式干燥器的外壁输入端，进入渗透膜的外侧，在第一泵2的吸力作用下，洁净空气的气体气压远小于1个大气压，水汽分压较低，从而形成干燥气体在渗透膜的外侧，样品水汽分子从渗透膜内侧向外侧渗透，达到干燥样品的目的。第一粒径分选系统，包括中和器6、第一粒径分选装置7、第一质量流量计10、第一粒子过滤器12、第一高压器8、第二温湿度传感器9、第一鼓风机11、三通阀13，所述中和器6的进口与干燥器1的出口连接，中和器6的出口与第一粒径分选装置7的进口连接，第一粒径分选装置7的出口连接三通阀13的进口；第一粒径分选装置7的鞘流出口顺次连接第一质量流量计10、第一鼓风机11、第一粒子过滤器12，鞘流进口再连接第一粒径分选装置7中，在第一粒径分选装置7、第一质量流量计10、第一鼓风机11以及第一粒子过滤器12之间形成闭合气流回路；所述第一高压器8连接至粒径分选装置7内部，连接粒径分选装置7和三通阀13的管道上设有第二温湿度传感器9。第一粒径分选系统的工作原理是：第一高压器8产生高电压至粒径分选装置，使得粒径分选装置内轴呈正电，带负电的粒子被内部电场牵引，在样品气流、鞘气气流、电场强度的共同作用下，一定粒径的粒子才能在粒径分选装置的出口通过，达到分选粒径的目的；其中，第一鼓风机11的作用就是产生一定流量的鞘气，多余的粒子进入鞘流通过粒子过滤器过滤。气溶胶挥发控制系统，其包括温度加热管14、温度交换器18、第三温湿度传感器19以及温度控制器17，在温度加热管14外壁包裹有柔性加热带15，其中心插有测量输气管道中心空气温度的空气温度传感器16，温度加热管14的出气端与温度交换器18的进气端连接，温度交换器18的出气端与第三温湿度传感器19连接；所述温度控制器17连接温度加热器14与柔性加热带15；所述空气温度传感器16测量进入系统的空气温度，并反馈给温度控制器17进行pid计算后输出信号给柔性加热带15加热加热管14金属外壁；被测空气在受热高温后需经过温度交换器18降温，降到常温进入下一级系统。第二粒径分选系统，包括第二粒径分选装置20、第二质量流量计24、第二粒子过滤器22、第二高压器21、第四温湿度传感器25、第二鼓风机23、三向阀26，所述第二粒径分选装置20的进口与温度交换器18的气流出口连接，第二粒径分选装置20的出口连接三向阀26的第一进口连接，第四温湿度传感器25位于第二粒径分选装置20的出口与三向阀26之间的管道上，第二高压器21连接至第二粒径分选装置20内部；第二粒径分选装置20的鞘流出口顺次连接第二质量流量计24、第二鼓风机23、第二粒子过滤器2，鞘流进口再与第二粒径分选装置20连接，在第二粒径分选装置20、第二质量流量计24、第二鼓风机23以及第二粒子过滤器22之间形成闭合气流回路；三向阀26的第二进口与三通阀13的第二出口连接。其工作原理是：第二高压器21产生高电压至粒径分选装置，使得粒径分选装置内轴呈正电，带负电的粒子被内部电场牵引，在样品气流、鞘气气流、电场强度的共同作用下，一定粒径的粒子才能在粒径分选装置的出口通过，达到分选粒径的目的；其中，第二鼓风机23的作用就是产生一定流量的鞘气，多余的粒子进入鞘流通过粒子过滤器过滤。粒子计数系统，包括凝结粒子计数器28、第三质量流量计27和第二泵29，第三质量流量计27的进气口与三向阀26的气流出口连接，第三质量流量计27的出气口连接凝结粒子计数器28的气流入口，第二泵29连接在凝结粒子计数器28的气流出口处。所述大气气溶胶挥发特性测量仪还包括数据采集处理系统包括数据采集卡(图未示)和用于处理采集到的数据监控机构(图未示)。第一质量流量计10、第二质量流量计24、第三质量流量计27、第一温湿度传感器5、第二温湿度传感器9、第三温湿度传感器19、第四温湿度传感器25、三通阀13、第一高压器8、第二高压器21、第一鼓风机11和第二鼓风机23均与所述数据采集卡电性连接。其中，所述数据监控机构采用美国国家仪器有限公司(nationalinstruments，简称ni)的虚拟仪器软件labview8.5。如图2所示，本发明的大气气溶胶挥发特性测量仪的气溶胶挥发控制系统，其包括温度加热管14、温度交换器18、第三温湿度传感器19以及温度控制器17，在温度加热管14外壁包裹有柔性加热带15，其中心插有测量输气管道中心空气温度的空气温度传感器16，温度加热管14的出气端与温度交换器18的进气端连接，温度交换器18的出气端与第三温湿度传感器19连接；所述温度控制器17连接温度加热器14与柔性加热带15。所述空气温度传感器(16)测量进入系统的空气温度，并反馈给温度控制器17进行pid计算后输出信号给柔性加热带15加热加热管14金属外壁。被测空气在受热高温后需经过温度交换器18降温，降到常温进入下一级系统。在大气气溶胶挥发特性测量仪中，输气管道采用的是316不锈钢，很大程度降低对粒子的管壁吸附影响，通过本发明的气溶胶挥发控制系统，可在较短时间内(<5分钟)在比较高的精度下稳定空气的温度，温度稳定后的变化在1％以下。在测量真实大气中的气溶胶粒子时，随着温度的升高，一些物质会挥发成气体，粒子会因此消失(完全挥发)或粒径变小，完全挥发率记为cv。同时，加热装置也会导致粒子损耗。所以，要准确测量有多少粒子是完全挥发掉，必须知道加热装置的损耗率(或称通过率，这是由粒径和加热温度决定的函数，记为tr)。nacl(氯化钠)的挥发温度为650℃，利用这一特性，可以认为nacl在本系统加热范围内(50-300°)无挥发，通过计算粒子总数的减少即得到通过率。以某一粒径为例，以常温下(t0＝25℃)的通过率作为基准，先求得不同温度下得相对通过率(trti/trt0)，再计算得到不同温度下的完全挥发率，如下式：上式中，ti＝50，100…,300℃；t0＝25℃。nti，nt0为ti和t0时测量得到的该粒径粒子数。假设常温状态下，粒子无完全挥发，即cvt0＝0，可计算cvti。其中体温度控制系统的气溶胶粒子相对通过率(trti/trt0)见表1；某次测量中，不同粒径在不同温度下的完全挥发率(cvti)见表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％应用实施例采用本发明的大气气溶胶挥发特性测量仪在广州市某区域进行测量，先进行粒子谱扫描，结果见图3。在本次试验中，本发明的大气气溶胶挥发特性测量仪的第一粒径分选系统筛选出d0粒径(40nm、80nm、110nm、150nm、200nm、300nm)，挥发后的粒径为dp，在第二粒径分选系统中做粒径扫描并计算浓度；图4是本次测量的气溶胶挥发因子分布曲线(d0＝40，80，110，150，200，400nm；ti＝50，100，200，250，300℃)；图4中，横坐标为vgf＝dp/d0，纵坐标为归一化浓度；vgf＝1代表加热后粒径没有变化，vgf<1表示粒径变小的情况。要注意的是，因为有部分粒子在加热过程中完全挥发掉，所以图3中的粒子分布是指剩余粒子的分布。按照vgf的大小，进一步将剩余粒子分为低挥发性(lv)、中挥发性(mv)、高挥发性(hv)三部分，结合实施例1对完全挥发的粒子(cv)计算，可得到具有不同挥发性粒子的比例，见图5。以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。当前第1页12