本實(shí)用新型涉及納米顆粒物性質(zhì)測量技術(shù)，具體涉及一種大氣納米顆粒物熱力學(xué)和動力學(xué)性質(zhì)的實(shí)時追蹤測量裝置。

背景技術(shù)：

大氣納米顆粒物是指環(huán)境大氣中納米數(shù)量級的能夠穩(wěn)定懸浮于氣體介質(zhì)中的顆粒物。京津冀地區(qū)大氣中存在高濃度的氣態(tài)前體物，從而為大氣成核以及初始和后續(xù)增長提供優(yōu)越條件，即新粒子生成及增長過程。新粒子生成是城市大氣細(xì)顆粒物數(shù)濃度的主要來源，其高頻率生成與快速增長是大氣重污染的重要環(huán)節(jié)。因此，實(shí)時跟蹤研究新粒子生成過程及初始和后續(xù)增長中大氣納米顆粒物的熱力學(xué)和動力學(xué)性質(zhì)是揭示重污染形成機(jī)制的關(guān)鍵。

目前，對納米顆粒物化學(xué)成分測定主要依賴于質(zhì)譜技術(shù)，一方面質(zhì)譜造價(jià)昂貴，另外由于納米顆粒物質(zhì)量極小，其化學(xué)成分極難檢測，所以質(zhì)譜技術(shù)不能用于測定小粒子?；跍y定納米顆粒物熱動力學(xué)性質(zhì)間接推斷顆粒物化學(xué)成分的方法也被用于研究納米顆粒物，但是，現(xiàn)有技術(shù)只能對固定顆粒物粒徑進(jìn)行測量，而無法追蹤納米顆粒物在大氣中連續(xù)增長的過程；此外，現(xiàn)有技術(shù)針對顆粒物熱動力學(xué)性質(zhì)的測量參數(shù)只包括揮發(fā)性和吸濕性，無法追蹤測定顆粒物密度。現(xiàn)有測量技術(shù)手段必然會造成粒徑分辨率低、信息損失的問題，而且，現(xiàn)有技術(shù)對這些物理化學(xué)特性只能分別測量，在進(jìn)行數(shù)據(jù)分析時，存在因分辨率不同而進(jìn)一步造成信息損失和不完整的問題，難以滿足納米顆粒物的研究的需要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本實(shí)用新型提供一種大氣納米顆粒物熱力學(xué)和動力學(xué)性質(zhì)的實(shí)時追蹤測量裝置(系統(tǒng))，通過實(shí)時追蹤測量系統(tǒng)實(shí)時測定顆粒物粒徑數(shù)濃度譜分布并在線確定數(shù)濃度最高值，再通過調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)置，追蹤測定顆粒物增長過程中不同粒徑顆粒物的熱力學(xué)和動力學(xué)性質(zhì)。

本實(shí)用新型的原理是：新粒子生成過程是指大氣中的氣態(tài)污染物長成顆粒物的過程，因此，我們通過在新粒子生成過程中測定其最大濃度對應(yīng)的粒徑，即可獲得新粒子成長后粒徑，通過測定最大濃度對應(yīng)的粒徑的顆粒物的吸濕性、揮發(fā)性和密度，同時進(jìn)行高分辨的在線追蹤測量，就能得到新粒子生成和后續(xù)增長過程中熱力學(xué)和動力學(xué)性質(zhì)的變化，從而為研究顆粒物成霾等機(jī)理研究提供數(shù)據(jù)和技術(shù)手段。本實(shí)用新型將需要由三個獨(dú)立測量裝置實(shí)現(xiàn)測量獲得數(shù)據(jù)結(jié)果的工作設(shè)計(jì)成為一個實(shí)時追蹤測量裝置，可實(shí)現(xiàn)用數(shù)濃度譜分布得到的最高值所對應(yīng)的粒徑，并實(shí)時測定該粒徑下顆粒物的熱動力學(xué)性質(zhì)，由此實(shí)現(xiàn)追蹤整個新粒子增長過程中的熱動力學(xué)性質(zhì)變化。

本實(shí)用新型提供的技術(shù)方案是：

一種大氣納米顆粒物熱動力學(xué)性質(zhì)實(shí)時追蹤測量裝置(系統(tǒng))，包括硬件部分和軟件控制系統(tǒng)；硬件部分包括顆粒物帶電部分、顆粒物譜分布掃描部分、吸濕性測量部分、揮發(fā)性測量部分和密度測定部分；軟件控制系統(tǒng)為Labview系統(tǒng)軟件。labview軟件控制系統(tǒng)可通過編程程序控制所有硬件部分(包括顆粒物帶電部分、顆粒物譜分布掃描部分、吸濕性測量部分以及揮發(fā)性測量部分和密度測定部分)的正常運(yùn)行的順序及過程。顆粒物帶電部分和顆粒物譜分布掃描部分相連接；顆粒物譜分布掃描部分分別與吸濕性測量部分、揮發(fā)性測量部分和密度測定部分相連接；不銹鋼管連接。軟件控制系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)線連著各硬件，再用程序通過數(shù)據(jù)線輸入信號以及讀取各硬件返回的數(shù)據(jù)信號。環(huán)境大氣顆粒物進(jìn)入實(shí)時追蹤測量系統(tǒng)，首先經(jīng)過顆粒物帶電部分使環(huán)境大氣顆粒物帶電，之后進(jìn)入顆粒物譜分布掃描部分進(jìn)行掃描得到顆粒物數(shù)濃度粒徑分布的峰值粒徑，將篩選出的峰值粒徑的顆粒物同時分為3個并列的部分，分別通過吸濕性測量部分、揮發(fā)性測量部分和密度測定部分進(jìn)行吸濕性、揮發(fā)性和密度的測定。

所述顆粒物帶電部分包括1個K85中和器。

顆粒物帶電部分用電離源使顆粒物帶電荷，呈玻爾茲曼分布。常用的電離源有K85和x 射線軟電離源。

所述譜分布掃描部分包括1個DMA(Differential Mobility Analyzer，電遷移率粒徑分析儀)及第一鞘氣循環(huán)系統(tǒng)和1個CPC(Condensation Particle Counter，凝結(jié)式顆粒物計(jì)數(shù)儀)。所述第一鞘氣循環(huán)系統(tǒng)包括Nafion管、鼓風(fēng)機(jī)、熱交換機(jī)、流量計(jì)、高效過濾膜。

所述吸濕性測量部分包括加濕模塊、1個DMA及第二鞘氣循環(huán)系統(tǒng)和1個CPC。所述加濕模塊包括質(zhì)量流量計(jì)、Core-tex加濕管和加熱器，且均由水泵供水。所述第二鞘氣循環(huán)系統(tǒng)包括Nafion管、鼓風(fēng)機(jī)、熱交換機(jī)、流量計(jì)、高效過濾膜和鞘氣加濕模塊。

所述揮發(fā)性測量部分包括加熱模塊、1個DMA及第一鞘氣循環(huán)系統(tǒng)和1個CPC。所述加熱模塊包括加熱部分、冷卻部分及溫度傳感器，所述鞘氣循環(huán)系統(tǒng)與譜分布掃描部分所用的鞘氣循環(huán)系統(tǒng)相同。

所述密度測定部分包括1個CPMA(Centrifugal Particle Mass Analyzer，離心粒子質(zhì)量分析儀)和1個CPC。

所述Labview系統(tǒng)軟件控制部分是指計(jì)算機(jī)中Labview可視化控制程序軟件，用于控制各儀器硬件的運(yùn)行，包括獲取顆粒物數(shù)濃度粒徑分布的峰值粒徑并篩選出單一粒徑的顆粒物，控制吸濕性測量部分、揮發(fā)性測量部分及密度測定部分測定時間、PID(Proportion Integration Differentiation,比例積分微分)調(diào)節(jié)法調(diào)節(jié)系統(tǒng)內(nèi)各氣路流量、溫度、濕度處于設(shè)定值等。

利用上述大氣納米顆粒物熱動力學(xué)性質(zhì)實(shí)時追蹤測量裝置，對大氣納米顆粒物的熱動力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行追蹤測量。上述大氣納米顆粒物熱動力學(xué)性質(zhì)追蹤測量裝置在工作時，具體工作流程如下：

1)環(huán)境大氣顆粒物先進(jìn)入顆粒物帶電部分，即含K85的中和器，使顆粒物帶電且呈玻爾茲曼分布；

2)顆粒物帶電后，以恒定流量(1L/min)進(jìn)入顆粒物譜分布掃描部分，5分鐘后掃描出環(huán)境大氣顆粒物數(shù)濃度粒徑譜分布。系統(tǒng)程序通過高斯擬合方法獲取最大數(shù)濃度所對應(yīng)的粒徑Dp_max，將掃描粒徑設(shè)定為Dp_max,從而篩選出該粒徑的顆粒物；

3)將篩選出的該單一粒徑顆粒物分為3路，同時通入吸濕性測量部分、揮發(fā)性測量部分及密度測定部分，進(jìn)行顆粒物的吸濕性、揮發(fā)性及密度的測定，測定時間為8-10分鐘(或以上)；從而得到最大數(shù)濃度所對應(yīng)的粒徑的大氣顆粒物的吸濕性、揮發(fā)性及密度，由此獲得大氣顆粒物的熱力學(xué)和動力學(xué)性質(zhì)；

4)重復(fù)步驟1)～3)，從而實(shí)時跟蹤新粒子生成及增長過程中顆粒物吸濕性、揮發(fā)性及密度變化。

通過上述過程實(shí)時監(jiān)測新生成的粒子，測量得到大氣中新生成的粒子長到哪個粒徑，并同時測定該粒徑下的熱動力學(xué)性質(zhì)；如此循環(huán)監(jiān)測，最終能夠測定獲得新生成粒子的增長過程中熱動力學(xué)性質(zhì)的變化。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的有益效果是：

本實(shí)用新型將由多個獨(dú)立測量裝置實(shí)現(xiàn)測量獲得數(shù)據(jù)結(jié)果的工作，設(shè)計(jì)成為一個實(shí)時追蹤測量裝置，能夠通過數(shù)濃度譜分布來獲得到最高值所對應(yīng)的粒徑，并實(shí)現(xiàn)實(shí)時測定該粒徑下顆粒物的熱動力學(xué)性質(zhì)，由此實(shí)現(xiàn)追蹤整個新粒子增長過程中的熱動力學(xué)性質(zhì)變化。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型具有以下優(yōu)點(diǎn)：

一、本實(shí)用新型可實(shí)現(xiàn)實(shí)時追蹤測量大氣納米顆粒物的熱力學(xué)和動力學(xué)性質(zhì)；

二、測量系統(tǒng)工作時，由譜分布掃描部分提供大氣中數(shù)濃度最高的顆粒物粒徑并篩選出該粒徑的顆粒物，吸濕部分、揮發(fā)部分及密度測定部分實(shí)現(xiàn)吸濕、揮發(fā)特性以及密度的針對性測量，時間分辨率為13分鐘，具有高效的實(shí)時追蹤的特點(diǎn)；

三、與現(xiàn)有的獨(dú)立測量方式相比，本實(shí)用新型將三種測量需求一體化，不僅操作上更加集成化、簡單明了，而且時間分辨率高、揭示機(jī)理的效用遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于單個儀器分別測定，完全實(shí)現(xiàn)了對大氣納米顆粒物的熱動力學(xué)性質(zhì)的高效在線實(shí)時追蹤測量。

附圖說明

圖1為本實(shí)用新型提供的測量裝置的工作流程框圖。

圖2為譜分布掃描部分測量的顆粒物數(shù)濃度粒徑譜分布示意圖；

其中，橫坐標(biāo)表示顆粒物粒徑；縱坐標(biāo)表示每個粒徑對應(yīng)的顆粒物數(shù)濃度的對數(shù)值；豎線表示的是數(shù)濃度譜分布中最高值對應(yīng)的顆粒物粒徑。

圖3為本實(shí)用新型提供的大氣納米顆粒物熱力學(xué)和動力學(xué)性質(zhì)追蹤測量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

其中，虛線框出五個硬件組成部分，包括：1顆粒物帶電部分、3—顆粒物譜分布掃描部分、6—吸濕性測量部分、10—揮發(fā)性測量部分、14—密度測定部分；顆粒物帶電部分1包括： 2—K85中和器；顆粒物譜分布掃描部分3包括：4—DMA及鞘氣循環(huán)系統(tǒng)和5—CPC；吸濕性測量部分6包括：7—加濕模塊、8—DMA及鞘氣循環(huán)系統(tǒng)、9—CPC；揮發(fā)性測量部分10包括：11—加濕模塊、12—DMA及鞘氣循環(huán)系統(tǒng)、13—CPC；密度測定部分14包括： 15—CPMA和16—CPC；17—軟件控制系統(tǒng)；軟件控制系統(tǒng)17通過數(shù)據(jù)傳輸線分別與顆粒物譜分布掃描部分3、吸濕性測量部分6、揮發(fā)性測量部分10及密度測定部分14相連接，用來傳輸控制命令與接收硬件部分讀取的數(shù)據(jù)。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖，通過實(shí)施例進(jìn)一步描述本實(shí)用新型，但不以任何方式限制本實(shí)用新型的范圍。

本實(shí)用新型提供一種大氣納米顆粒物熱力學(xué)和動力學(xué)性質(zhì)的實(shí)時追蹤測量裝置(系統(tǒng))，通過實(shí)時追蹤測量系統(tǒng)實(shí)時測定顆粒物粒徑數(shù)濃度譜分布并在線確定數(shù)濃度最高值，再通過調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)置，追蹤測定顆粒物增長過程中不同粒徑顆粒物的熱力學(xué)和動力學(xué)性質(zhì)。圖1為本實(shí)用新型提供的測量裝置的工作流程框圖，對大氣納米顆粒物的熱動力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行追蹤測量，能夠?qū)崟r監(jiān)測新生成的粒子，測量得到大氣中新生成的粒子長到哪個粒徑，并同時測定該粒徑下的熱動力學(xué)性質(zhì)；如此循環(huán)監(jiān)測，最終能夠測定獲得新生成粒子的增長過程中熱動力學(xué)性質(zhì)的變化。對大氣納米顆粒物熱力學(xué)和動力學(xué)性質(zhì)的實(shí)時追蹤測量具體包括如下步驟：

1)環(huán)境大氣顆粒物先進(jìn)入顆粒物帶電部分，即含K85的中和器，使顆粒物帶電且呈玻爾茲曼分布；

2)顆粒物帶電后，以恒定流量(1L/min)進(jìn)入顆粒物譜分布掃描部分，5分鐘后掃描出環(huán)境大氣顆粒物數(shù)濃度粒徑譜分布。系統(tǒng)程序通過高斯擬合方法獲取最大數(shù)濃度所對應(yīng)的粒徑Dp_max，將掃描粒徑設(shè)定為Dp_max,從而篩選出該粒徑的顆粒物；

3)將篩選出的該單一粒徑顆粒物分為3路，同時通入吸濕性測量部分、揮發(fā)性測量部分及密度測定部分，進(jìn)行顆粒物的吸濕性、揮發(fā)性及密度的測定，測定時間為8-10分鐘(或以上)；從而得到最大數(shù)濃度所對應(yīng)的粒徑的大氣顆粒物的吸濕性、揮發(fā)性及密度，由此獲得大氣顆粒物的熱力學(xué)和動力學(xué)性質(zhì)；

4)重復(fù)步驟1)～3)，從而實(shí)時跟蹤新粒子生成及增長過程中顆粒物吸濕性、揮發(fā)性及密度變化。

圖3為本實(shí)用新型提供的大氣納米顆粒物熱力學(xué)和動力學(xué)性質(zhì)追蹤測量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，其中序號1代表顆粒物帶電部分，包括序號為2的K85中和器。本實(shí)施例中，環(huán)境大氣顆粒物經(jīng)顆粒物帶電部分后，進(jìn)入序號為3的譜分布掃描部分，該部分包括序號為4和5的 DMA及鞘氣循環(huán)系統(tǒng)和CPC。5分鐘后可獲取顆粒物數(shù)濃度粒徑譜分布，如圖2所示，系統(tǒng)程序通過高斯擬合方法獲取最大數(shù)濃度所對應(yīng)的粒徑Dp_max＝20nm，因此可得知，此時新粒子增長至20nm。將掃描粒徑設(shè)定為20nm,篩選出該粒徑的顆粒物。將篩選出的20nm大氣環(huán)境顆粒物分為三路，同時通入序號為6、10和14的吸濕性測量部分、揮發(fā)性測量部分及密度測定部分進(jìn)行吸濕性、揮發(fā)性及密度的測定，測定時間為8-10分鐘。其中，吸濕性測量部分 6包括加濕模塊7、DMA及鞘氣循環(huán)系統(tǒng)8、CPC9。由譜分布掃描部分3篩選出的單一粒徑顆粒物經(jīng)加濕模塊7進(jìn)行加濕處理后，調(diào)節(jié)DMA給定電壓區(qū)間配合對應(yīng)的CPC9計(jì)數(shù)從而獲得實(shí)時的吸濕性信息。其中揮發(fā)性測量部分10包括加濕模塊11、DMA及鞘氣循環(huán)系統(tǒng)12、 CPC13。由譜分布掃描部分3篩選出的單一粒徑顆粒物經(jīng)加濕模塊7進(jìn)行加熱處理后，調(diào)節(jié) DMA給定電壓區(qū)間配合對應(yīng)的CPC計(jì)數(shù)從而獲得實(shí)時的揮發(fā)性信息。密度測定部分14包括 CPMA15和CPC16。CPMA(Centrifugal Particle Mass Analyzer)配合CPC計(jì)數(shù)，從而獲得實(shí)時的顆粒物密度信息。最終能夠獲得的數(shù)據(jù)為：吸濕性(吸濕增長因子：即顆粒物在給定的相對濕度下，吸濕增長后的粒徑與干粒徑20nm的比值)、揮發(fā)性(塌縮因子：即顆粒物在給定的加熱溫度下，顆粒物中易揮發(fā)組分揮發(fā)后的粒徑與干粒徑20nm的比值)及顆粒物的密度(即顆粒物質(zhì)量濃度與其體積的比值)，由此實(shí)現(xiàn)了實(shí)時追蹤測定顆粒物增長過程中不同粒徑顆粒物的熱力學(xué)和動力學(xué)性質(zhì)。

需要注意的是，公布實(shí)施例的目的在于幫助進(jìn)一步理解本實(shí)用新型，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解：在不脫離本實(shí)用新型及所附權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)，各種替換和修改都是可能的。因此，本實(shí)用新型不應(yīng)局限于實(shí)施例所公開的內(nèi)容，本實(shí)用新型要求保護(hù)的范圍以權(quán)利要求書界定的范圍為準(zhǔn)。