[发明专利]一种推断颗粒物化学组分的凝结核粒子计数器

说明书

本发明公开了一种推断颗粒物化学组分的凝结核粒子计数器，包括鞘气结构、饱和室、增长室、流量传感器、光学计数器、脉冲信号分析器、质量流量控制器等；各部件依次连接形成样气气路和补气气路。光学计数器用于颗粒物计数和信号脉冲高度收集；脉冲信号分析器用于分析光学计数器收集到的脉冲信号；质量流量控制器调节样气和补气流量，在保证进气流量稳定下改变样气流量可实现增长室中工作液过饱和度的快速切换；根据颗粒物吸湿性参数与有机物质量分数的关系，通过快速改变过饱和度测量不同粒径颗粒物的吸湿性，可得到颗粒物中有机物所占比例；同时相同粒径不同化学组分的颗粒物在光学计数器中的脉冲信号高度不同，仪器标定后可推断颗粒物化学组分。

技术领域

本发明属于环境监测技术领域，涉及一种推断颗粒物化学组分的凝结核粒子计数器。具体来说，是一种利用温差产生过饱和工作液蒸汽，并可以通过改变样气流量快速改变增长室中的过饱和度，然后将过饱和蒸汽凝结在颗粒物表面，使纳米级颗粒物生长到微米级，再利用光学检测器对颗粒物进行计数的测量仪器。

背景技术

近年来，我国对雾霾污染问题十分关注，并且于2012年将PM_2.5列入环境空气质量标准中。PM_2.5的定义是空气动力学当量直径小于等于2.5微米的颗粒物，它具有悬浮时间长、不易沉降的特点，并且可以进入人体呼吸系统，影响人体健康。

目前的环境空气质量标准中所要求的浓度指颗粒物质量浓度。在典型的大气颗粒物谱分布中，粒径在100纳米以上的颗粒物数浓度低，但贡献了大部分的质量浓度；粒径小于100纳米的超细颗粒具有体积小、质量小、表面积大等特点，使得它更容易随呼吸进入人体，对人体健康造成影响。由于超细颗粒物在大气颗粒物质量谱分布中只占很小的比例，在PM_2.5质量浓度测量中会掩盖掉超细颗粒物的信息，因此对于数浓度的测量十分必要。

自2011年9月起实施的欧盟机动车新标准就要求对机动车尾气排放进行检测的仪器，应对23nm的颗粒物的计数效率达到50％。我国对机动车颗粒物的排放也在加强。

各类研究表明，超细颗粒物的理化性质会对大气环境和人体健康造成不同程度的影响。而化学组分、吸湿性等颗粒物理化性质与粒径相关，通过改变计数器的过饱和度可以测量不同粒径范围颗粒物的数浓度，并基于该数浓度，为研究超细颗粒物理化性质对大气环境和人体健康的影响提供依据。综上所述，制造出可以推断颗粒物化学组分的粒子计数器是十分必要的。

凝结核粒子计数器(Condensation Particle Counters,CPC)是最为常见的纳米颗粒物数浓度测量仪器。它主要由饱和室、增长室和光学计数器构成。工作液在饱和室内形成饱和蒸汽，然后随气流和颗粒物一同进入增长室后。由于温差和气流作用，颗粒物的质量扩散速率和热扩散速率不同，增长室内会产生过饱和度，从而实现过饱和蒸汽在颗粒物表面的凝结。颗粒物凝结生长后粒径可以从10nm增长到微米级别，从而被光学计数器检测计数，最终得到颗粒物的数浓度。将凝结核粒子计数器在计数效率为50％时对应的粒径称为截止粒径D₅₀，用该粒径表示凝结核粒子计数器可以检测到的粒径下限。

根据形成过饱和环境的方法的不同，CPC主要分为混合型CPC和层流型CPC，最常用的是层流型CPC。根据工作液的不同可以分为以醇为工作液的醇基CPC和以水为工作液的水基CPC。这些CPC都有固定的温差和样气流量，虽然可以通过程序更改温度设定，但响应时间长，要得到一个完全稳定的不同的温差，时间分辨率在分钟级别，无法满足大气在线观测中测量不同粒径范围颗粒物数浓度的需求。且调整温度的方法无法实现温差或过饱和度的连续变化。

在我国已公布的发明专利中，专利公开号为CN108535168A的专利涉及一种小型颗粒物冷凝生长计数器，专利公开号为CN109715300A的专利涉及一种紧凑型凝聚核粒子计数器技术，专利公开号为CN111122419A的专利涉及一种冷凝粒子计数器。这些发明专利虽然都有颗粒物计数的功能，但是仅限于测量颗粒物的数浓度，没有涉及过饱和度的改变和化学组分的测量。

发明内容