一種納米級顆粒物過飽和增長裝置及控制方法制造方法及圖紙

本發(fā)明專利技術(shù)涉及一種納米級顆粒物過飽和增長裝置及控制方法。該裝置包括顆粒物樣氣通道、鞘氣通道、飽和水蒸氣通道、去離子水通道、氣流比例控制裝置和溫度梯度控制裝置。本發(fā)明專利技術(shù)是基于水蒸氣凝結(jié)原理，將潔凈鞘氣包裹的帶有大氣顆粒物的樣氣通過飽和水蒸氣通道，利用半導(dǎo)體制冷器和柔性加熱器控制兩級飽和水蒸氣通道的溫度，產(chǎn)生溫度梯度，利用水蒸氣擴散速率高于氣體傳熱速率的特性使顆粒物周圍的水蒸氣過飽和，使得水蒸氣凝結(jié)在顆粒物表面，促進顆粒物粒徑增長。通過控制樣氣和鞘氣的流量比例，或控制兩級飽和水蒸氣通道的溫度差，來調(diào)節(jié)水蒸氣過飽和度，實現(xiàn)對過飽和增長后的顆粒物粒徑大小的動態(tài)控制。

Nano scale particle over saturation growth device and control method

The invention relates to a nano particle over saturation growth device and a control method thereof. The device comprises a particle like gas passage, a sheath gas passage, a saturated water vapor passage, a deionized water channel, an air flow proportional control device and a temperature gradient control device. The invention is based on the principle of water vapor condensation, the sample gas with atmospheric particulate clean sheath gas parcels through the water vapor channel by a semiconductor refrigerator and flexible heater two level water vapor channel temperature control, temperature gradient, water vapor diffusion rate is higher than the rate of heat transfer characteristics of gas particles around the water vapor supersaturation, make the water vapor condense on the surface of particles, particle size growth promoting. By controlling the flow ratio of the sample gas and sheath gas or controlling the temperature difference of the two stage saturated water vapor passage, the steam supersaturation is regulated, and the particle size of the supersaturated growth is controlled dynamically.

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
一種納米級顆粒物過飽和增長裝置及控制方法
本專利技術(shù)涉及氣溶膠監(jiān)測
，具體涉及一種利用水蒸氣凝結(jié)促進納米級顆粒物過飽和增長裝置及控制方法。
技術(shù)介紹
顆粒物在過飽和環(huán)境下凝結(jié)增長達到光學(xué)方法可測量的粒徑范圍是大氣超細顆粒物(粒徑小于100nm)測量的主要手段。水蒸氣分子在顆粒物表面的凝結(jié)可以促進顆粒物粒徑的增長，顆粒物過飽和增長后的粒徑大小與所處的水蒸氣過飽和度有直接關(guān)系，獲取不同水蒸氣過飽和度條件下的顆粒物增長后的粒徑大小信息有助于分析大氣顆粒物的化學(xué)組分和凝結(jié)增長特征。中國專利CN104297118A中提到了一種利用正丁醇蒸氣過飽和促進顆粒物凝結(jié)增長測量3nm～5μm顆粒物數(shù)濃度的裝置，其利用了正丁醇蒸氣分子擴散系數(shù)小于熱擴散系數(shù)的原理，固定了飽和溶液裝置和冷凝裝置的壁面溫度(39℃和10℃)，顆粒物周圍的正丁醇蒸氣過飽和度保持不變，不能滿足對顆粒物凝結(jié)增長后的粒徑大小的控制需求。因此，需要設(shè)計一種能夠動態(tài)控制顆粒物凝結(jié)增長后粒徑大小的顆粒物測量裝置。
技術(shù)實現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的目的在于提供一種利用水蒸氣凝結(jié)促進納米級顆粒物過飽和增長的裝置及控制方法，該裝置及控制方法能夠解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，對對1nm～100nm之間的納米顆粒物過飽和增長過程進行動態(tài)控制，使納米顆粒物過飽和增長后的粒徑在0.1μm～10μm范圍內(nèi)動態(tài)變化。為實現(xiàn)上述目的，本專利技術(shù)采用了以下技術(shù)方案：一種納米級顆粒物過飽和增長裝置，包括顆粒物樣氣通道、鞘氣通道、飽和水蒸氣通道、去離子水通道、氣流比例控制裝置和溫度梯度控制裝置。具體地說，所述顆粒物樣氣通道包括樣氣管道以及分別安裝在樣氣管道上的樣氣流量計與樣氣真空泵。所述鞘氣通道包括鞘氣管道以及分別安裝在鞘氣管道上的過濾器、鞘氣流量計與鞘氣真空泵。所述飽和水蒸氣通道包括從內(nèi)向外依次同軸設(shè)置的微孔內(nèi)襯管和不銹鋼套管。所述去離子水通道包括去離子水儲存裝置以及與去離子水儲存裝置相連的可調(diào)速水泵。所述氣流比例控制裝置包括壓差測量系統(tǒng)、信號放大電路和真空泵驅(qū)動電路。所述壓差測量系統(tǒng)包括開設(shè)在鞘氣管道上的限流小孔以及用于測量限流小孔兩端的壓差的壓差式傳感器。鞘氣經(jīng)過限流小孔產(chǎn)生壓差，利用壓差式傳感器測量限流小孔兩端的壓差，信號放大電路將采集到的壓差信號放大，反饋到鞘氣真空泵的電壓控制端，控制真空泵的抽速；通過設(shè)定不同的壓差值，調(diào)節(jié)鞘氣流量的變化，以控制鞘氣和樣氣氣流的比例。所述溫度梯度控制裝置包括依次包裹在不銹鋼套管外壁上的半導(dǎo)體制冷器與柔性加熱器、分別設(shè)置在柔性加熱器與不銹鋼套管之間以及半導(dǎo)體制冷器與不銹鋼套管之間的兩個溫度傳感器、與溫度傳感器相連的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、以及與半導(dǎo)體制冷器和柔性加熱器相連的電流控制電路。進一步的，所述半導(dǎo)體制冷器和柔性加熱器之間設(shè)有絕熱塊。所述的半導(dǎo)體制冷器和柔性加熱器分別工作在制冷和加熱模式，工作溫度可通過上位機軟件設(shè)定，柔性加熱器外殼材料為硅橡膠，由放置在柔性加熱器和不銹鋼套管之間的溫度傳感器以及放置在半導(dǎo)體制冷器和不銹鋼套管之間的溫度傳感器來測量飽和水蒸氣通道外壁的溫度，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將溫度信號反饋到上位機，上位機通過軟件命令控制電流控制電路輸出信號，調(diào)節(jié)半導(dǎo)體制冷器和柔性加熱器的工作電流，以控制兩級飽和水蒸氣通道的溫度差。進一步的，所述不銹鋼套管的內(nèi)徑不小于12mm，且不銹鋼套管采用316L不銹鋼材質(zhì)，該材質(zhì)能夠減少水對不銹鋼套管內(nèi)壁的腐蝕。進一步的，所述微孔內(nèi)襯管的內(nèi)徑不小于9mm；所述微孔內(nèi)襯管采用e-PTFE膨體聚四氟乙烯材料；所述微孔內(nèi)襯管的管壁上開設(shè)有若干通孔，且通孔的孔隙尺寸小于0.5μm，孔隙率大于80％。可調(diào)速水泵控制去離子水在微孔內(nèi)襯管和不銹鋼管套之間流動，與微孔內(nèi)襯管內(nèi)的混合氣流的流向相反，能夠促進水蒸氣透過微孔內(nèi)襯管上的通孔滲透到顆粒物氣流中。本專利技術(shù)還涉及一種上述納米級顆粒物過飽和增長裝置的控制方法，該方法包括以下步驟：(1)帶有大氣顆粒物的樣氣進入顆粒物樣氣通道后分為兩路，一路沿顆粒物樣氣通道繼續(xù)流動，另一路經(jīng)鞘氣通道過濾后形成潔凈的鞘氣后再次進入大氣顆粒物樣氣通道，鞘氣包裹著帶有大氣顆粒物的樣氣共同進入飽和水蒸氣通道。(2)可調(diào)速水泵以恒定流量將去離子水儲存裝置中的去離子水輸送到飽和水蒸氣通道的微孔內(nèi)襯管內(nèi)，使去離子水在微孔內(nèi)襯管和不銹鋼管套之間流動，從而使微孔內(nèi)襯管的內(nèi)壁濕潤，形成水蒸氣飽和環(huán)境。(3)半導(dǎo)體制冷器和柔性加熱器將飽和水蒸氣通道分為兩級，中間用絕熱塊連接，半導(dǎo)體制冷器工作在制冷模式，柔性加熱器工作在加熱模式，形成溫度梯度。鞘氣包裹著帶有大氣顆粒物的樣氣形成的混合氣流進入半導(dǎo)體制冷器控制的第一級飽和水蒸氣通道，且混合氣流的流動方向和去離子水的流動方向相反。不銹鋼管套與微孔內(nèi)襯管之間的水蒸氣通過微孔內(nèi)襯管上的通孔向混合氣流擴散，形成水蒸氣飽和的混合氣流，同時使混合氣流的溫度降低，再進入柔性加熱器控制的第二級飽和水蒸氣通道，熱量和水蒸氣同時由微孔內(nèi)襯管壁向混合氣流中心擴散，使得混合氣流溫度逐漸升高；由于水蒸氣擴散速率高于熱擴散速率，因此，在第二級飽和水蒸氣通道內(nèi)，混合氣流中任意一點處的水蒸氣分壓大于該點溫度下的水蒸氣飽和分壓，使得混合氣流中的大氣顆粒物始終處于水蒸氣過飽和環(huán)境，促進了顆粒物的過飽和增長。(4)采用以下兩種方式中的任意一種對顆粒物過飽和增長后的粒徑大小進行控制：保持樣氣和鞘氣流量的比例恒定，鞘氣包裹著帶有大氣顆粒物的樣氣進入飽和水蒸氣通道，鞘氣將帶有大氣顆粒物的樣氣約束在飽和水蒸氣通道的中心位置，通過控制半導(dǎo)體制冷器和柔性加熱器的工作溫度，調(diào)節(jié)兩級飽和水蒸氣通道的外壁溫度差，改變飽和水蒸氣通道中心的水蒸氣過飽和度，對顆粒物過飽和增長后的粒徑大小進行控制；或者，保持兩級飽和水蒸氣通道的外壁溫度差恒定，使得飽和水蒸氣通道內(nèi)水蒸氣過飽和度分布恒定，改變混合氣流中鞘氣和樣氣的氣流比例，使帶有大氣顆粒物的樣氣通過不同的過飽和度區(qū)域，改變顆粒物過飽和增長條件，對顆粒物過飽和增長后的平均粒徑大小進行控制。和現(xiàn)有技術(shù)相比，本專利技術(shù)具有以下優(yōu)點：(1)本專利技術(shù)所述的納米級顆粒物過飽和增長裝置是基于水蒸氣凝結(jié)原理，將潔凈的鞘氣包裹的大氣顆粒物的樣氣通過飽和水蒸氣通道，利用半導(dǎo)體制冷器和柔性加熱器控制兩級飽和水蒸氣通道的溫度，產(chǎn)生溫度梯度，利用水蒸氣擴散速率高于氣體傳熱速率的特性使顆粒物周圍的水蒸氣過飽和，使得水蒸氣凝結(jié)在顆粒物表面，促進顆粒物粒徑增長。(2)本專利技術(shù)采用膨體聚四氟乙烯材質(zhì)的微孔管作為防水透氣膜，具有耐高溫、抗腐蝕、表面張力小等特點，有效促進了水蒸氣透過微孔滲透到顆粒物氣流中。(3)本專利技術(shù)使用去離子水作為飽和蒸氣工作液，替代了傳統(tǒng)技術(shù)使用的正丁醇等低毒類有機溶液，提高了使用安全性。(4)本專利技術(shù)所述的控制方法，通過控制樣氣和鞘氣的流量比例，或控制兩級飽和水蒸氣通道的溫度差，調(diào)節(jié)水蒸氣過飽和度，實現(xiàn)對過飽和增長后的顆粒物粒徑大小的動態(tài)控制。(5)本專利技術(shù)所述的過飽和度控制方法可以有效提高顆粒物過飽和增長效率，適用于控制粒徑范圍在1nm～100nm之間的顆粒物過飽和增長，顆粒物過飽和增長后的粒徑范圍為0.1μm～10μm。附圖說明圖1是納米級顆粒物過飽和增長裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是氣流比例控制裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。其中：1本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護點】
一種納米級顆粒物過飽和增長裝置，其特征在于：包括顆粒物樣氣通道、鞘氣通道、飽和水蒸氣通道、去離子水通道、氣流比例控制裝置和溫度梯度控制裝置；所述顆粒物樣氣通道包括樣氣管道以及分別安裝在樣氣管道上的樣氣流量計與樣氣真空泵；所述鞘氣通道包括鞘氣管道以及分別安裝在鞘氣管道上的過濾器、鞘氣流量計與鞘氣真空泵；所述飽和水蒸氣通道包括從內(nèi)向外依次同軸設(shè)置的微孔內(nèi)襯管和不銹鋼套管；所述去離子水通道包括去離子水儲存裝置以及與去離子水儲存裝置相連的可調(diào)速水泵；所述氣流比例控制裝置包括壓差測量系統(tǒng)、信號放大電路和真空泵驅(qū)動電路；所述壓差測量系統(tǒng)包括開設(shè)在鞘氣管道上的限流小孔以及用于測量限流小孔兩端的壓差的壓差式傳感器；所述溫度梯度控制裝置包括依次包裹在不銹鋼套管外壁上的半導(dǎo)體制冷器與柔性加熱器、分別設(shè)置在柔性加熱器與不銹鋼套管之間以及半導(dǎo)體制冷器與不銹鋼套管之間的兩個溫度傳感器、與溫度傳感器相連的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、以及與半導(dǎo)體制冷器和柔性加熱器相連的電流控制電路。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種納米級顆粒物過飽和增長裝置，其特征在于：包括顆粒物樣氣通道、鞘氣通道、飽和水蒸氣通道、去離子水通道、氣流比例控制裝置和溫度梯度控制裝置；所述顆粒物樣氣通道包括樣氣管道以及分別安裝在樣氣管道上的樣氣流量計與樣氣真空泵；所述鞘氣通道包括鞘氣管道以及分別安裝在鞘氣管道上的過濾器、鞘氣流量計與鞘氣真空泵；所述飽和水蒸氣通道包括從內(nèi)向外依次同軸設(shè)置的微孔內(nèi)襯管和不銹鋼套管；所述去離子水通道包括去離子水儲存裝置以及與去離子水儲存裝置相連的可調(diào)速水泵；所述氣流比例控制裝置包括壓差測量系統(tǒng)、信號放大電路和真空泵驅(qū)動電路；所述壓差測量系統(tǒng)包括開設(shè)在鞘氣管道上的限流小孔以及用于測量限流小孔兩端的壓差的壓差式傳感器；所述溫度梯度控制裝置包括依次包裹在不銹鋼套管外壁上的半導(dǎo)體制冷器與柔性加熱器、分別設(shè)置在柔性加熱器與不銹鋼套管之間以及半導(dǎo)體制冷器與不銹鋼套管之間的兩個溫度傳感器、與溫度傳感器相連的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、以及與半導(dǎo)體制冷器和柔性加熱器相連的電流控制電路。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種納米級顆粒物過飽和增長裝置，其特征在于：所述半導(dǎo)體制冷器和柔性加熱器之間設(shè)有絕熱塊。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種納米級顆粒物過飽和增長裝置，其特征在于：所述不銹鋼套管的內(nèi)徑不小于12mm，且不銹鋼套管采用316L不銹鋼材質(zhì)。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種納米級顆粒物過飽和增長裝置，其特征在于：所述微孔內(nèi)襯管的內(nèi)徑不小于9mm；所述微孔內(nèi)襯管采用e-PTFE膨體聚四氟乙烯材料；所述微孔內(nèi)襯管的管壁上開設(shè)有若干通孔，且通孔的孔隙尺寸小于0.5μm，孔隙率大于80%。5.根據(jù)權(quán)利要求1~4任意一項所述的納米級顆粒物過飽和增長裝置的控制方法，其特征在于：該方法包括以下步驟：（1）帶有大氣顆粒物的樣氣進入顆粒物樣氣通道后分為兩路，一路沿顆粒物樣氣通道繼續(xù)流動，另一路經(jīng)鞘氣通道過濾后形成潔凈的鞘氣后再次進入大氣顆...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：張礁石，劉建國，桂華僑，余同柱，楊義新，杜朋，王文譽，趙欣，王杰，程寅，陸亦懷，劉文清，
申請(專利權(quán))人：中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院，
類型：發(fā)明
國別省市：安徽,34