本發(fā)明屬于大氣科學技術(shù)領(lǐng)域，涉及大氣顆粒物相態(tài)測量技術(shù)，尤其涉及一種大氣黑碳顆粒物相態(tài)的測量裝置和測量方法。
背景技術(shù)：
黑碳(Black Carbon，BC)是大氣顆粒物的重要組成部分，對太陽輻射有強烈的吸收作用，可直接影響大氣系統(tǒng)的輻射平衡以及大氣能見度等，具有重要的環(huán)境效應。此外，黑碳顆粒物是有效的非均相反應載體，在大氣污染形成和發(fā)展過程中，黑碳顆粒物可以作為氣態(tài)分子二次轉(zhuǎn)化的反應場所，使氣態(tài)污染物發(fā)生吸附、擴散和多相化學反應。
影響黑碳顆粒物物理化學性質(zhì)的因素很多，其中，相態(tài)是表征其吸濕性、大氣壽命以及載體能力的重要參數(shù)之一。這里相態(tài)是指黑碳顆粒物存在時的物理狀態(tài)，包括固態(tài)、半固態(tài)和液態(tài)。隨著外界環(huán)境濕度的增加，黑碳顆粒物吸水后可以從固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)。對于固態(tài)黑碳顆粒物，活性氣態(tài)分子的擴散和轉(zhuǎn)化主要發(fā)生在顆粒物表面，而對于液態(tài)黑碳顆粒物，這些過程可以發(fā)生在顆粒物的表面和內(nèi)部。因此，準確測定黑碳氣溶膠相態(tài)將有助于解析及量化其環(huán)境效應。然而，目前還沒有針對測定黑碳顆粒物相態(tài)的有效設(shè)備，極大地阻礙了對黑碳顆粒物相態(tài)的深入理解，難以進一步解析和量化黑碳顆粒物的環(huán)境效應。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種在線測定黑碳顆粒物相態(tài)的裝置和測量方法，用于解決大氣中黑碳顆粒物相態(tài)的測量問題。
本發(fā)明提供的技術(shù)方案是：
一種大氣黑碳顆粒物相態(tài)的測量裝置，包括一個樣氣進口、多個氣體出口、三通道黑碳顆粒物撞擊部件、流量調(diào)節(jié)控制部件、黑碳顆粒物檢測儀和系統(tǒng)控制部分；所述三通道黑碳顆粒物撞擊部件包括多個黑碳顆粒物撞擊器；所述黑碳顆粒物撞擊器包括小孔和千分尺，還可包括撞擊盤或不包括撞擊盤；通過千分尺精確調(diào)節(jié)所述小孔與撞擊盤之間的距離；所述千分尺上部為托盤，撞擊盤置于托盤上，可拆卸清洗；所述流量調(diào)節(jié)控制部件包括多個電磁閥和多個激發(fā)器；所述系統(tǒng)控制部分包括數(shù)字模擬信號讀取裝置和可視化控制程序軟件；
樣氣從樣氣進口進入，分三路分別進入三通道黑碳顆粒物撞擊部件中，分別經(jīng)過所述黑碳顆粒物撞擊器篩選，樣氣中的黑碳顆粒物進入流量調(diào)節(jié)控制部件；通過所述電磁閥和所述激發(fā)器的氣路切換，使流經(jīng)黑碳顆粒物撞擊器的樣氣依次進入黑碳顆粒物檢測儀；通過所述黑碳顆粒物檢測儀的測定，獲得不同氣路的黑碳顆粒物數(shù)濃度；所述數(shù)字模擬信號讀取裝置讀取數(shù)字模擬信號，再通過可視化控制程序軟件，根據(jù)不同氣路的所述黑碳顆粒物數(shù)濃度的差值計算得到黑碳顆粒物彈跳系數(shù)，進而獲得黑碳顆粒物相態(tài)；
部分未進入黑碳顆粒物檢測儀的樣氣通過電磁閥經(jīng)氣體出口排出；所述氣體出口均與真空泵相連，作為測量系統(tǒng)內(nèi)氣體流動動力并將廢氣排出測量系統(tǒng)。
針對上述測量裝置，進一步地，所述撞擊盤分為光滑撞擊盤和有油脂涂層的撞擊盤。
針對上述測量裝置，進一步地，所述三通道黑碳顆粒物撞擊部件包括三個平行的撞擊裝置，所述三個撞擊裝置均分別包括微孔盤(NozzlePlate)和壓差表；其中一個撞擊裝置沒有包括撞擊盤，用于獲得黑碳顆粒物總數(shù)濃度NA；另一個撞擊裝置包括光滑撞擊盤，用于使黑碳顆粒物發(fā)生撞擊彈跳，從而獲得彈跳發(fā)生后余下黑碳顆粒物數(shù)濃度NB；第三個撞擊裝置包括有硅油涂層的撞擊盤，用于使黑碳顆粒物發(fā)生撞擊并被涂層捕捉，從而獲得撞擊發(fā)生后余下的黑碳顆粒物數(shù)濃度NC。
針對上述測量裝置，進一步地，所述流量調(diào)節(jié)控制部件包括三個電磁閥和兩個激發(fā)器；所述兩個激發(fā)器分別為兩通球形閥和三通球形閥，配合所述電磁閥用于控制氣流流動方向。
針對上述測量裝置，進一步地，所述黑碳顆粒物檢測儀為一臺商品化黑碳顆粒物檢測儀SP2。
針對上述測量裝置，進一步地，系統(tǒng)控制部分中，所述可視化控制程序軟件為自編寫的非通用Labview可視化控制程序軟件，用于控制各硬件的運行。
本發(fā)明還提供一種大氣黑碳顆粒物相態(tài)的測量方法，樣氣通過樣氣進口進入測量系統(tǒng)后分成多個氣路，分別經(jīng)過三通道黑碳顆粒物撞擊部件中的黑碳顆粒物撞擊器進行篩選；再通過流量調(diào)節(jié)控制部件進行氣路切換，使流經(jīng)黑碳顆粒物撞擊器的樣氣依次進入黑碳顆粒物檢測儀；通過所述黑碳顆粒物檢測儀的測定，獲得不同氣路的黑碳顆粒物數(shù)濃度；通過可視化控制程序軟件，根據(jù)不同氣路的所述黑碳顆粒物數(shù)濃度的差值計算得到黑碳顆粒物彈跳系數(shù)，進而獲得黑碳顆粒物相態(tài)；具體包括如下步驟：
1)使樣氣分多路進入三通道黑碳顆粒物撞擊部件，所述三通道黑碳顆粒物撞擊部件包括不同的平行的黑碳顆粒物撞擊器；通過不同的黑碳顆粒物撞擊器篩選得到不同相態(tài)顆粒物；
2)樣氣經(jīng)過黑碳顆粒物撞擊器后，以恒定流量進入流量調(diào)節(jié)控制部件；所述流量調(diào)節(jié)控制部件通過電磁閥和激發(fā)器進行氣路切換，實現(xiàn)轉(zhuǎn)換控制樣氣進入不同的黑碳顆粒物檢測部分的氣路；
3)樣氣進入黑碳顆粒物檢測部分的氣路后，分別通過黑碳顆粒物檢測儀對不同氣路的樣氣進行檢測，記錄不同氣路的黑碳顆粒物數(shù)濃度；
4)系統(tǒng)軟件控制部分根據(jù)不同氣路顆粒物數(shù)濃度差值，計算得到黑碳顆粒物彈跳系數(shù)BF；根據(jù)BF值，識別得到樣氣中黑碳顆粒物的相態(tài)。
針對上述測量方法，進一步地，所述氣路為三路，所述三通道黑碳顆粒物撞擊部件包括三個平行的黑碳顆粒物撞擊器；所述三個黑碳顆粒物撞擊器中，其中一個撞擊器沒有包括撞擊盤；另一個撞擊器包括光滑撞擊盤；第三個撞擊器包括有硅油涂層的撞擊盤；通過不同的黑碳顆粒物撞擊器篩選得到不同相態(tài)顆粒物。其中，步驟2)具體為：每1分鐘進行一次氣路切換，使得三條氣路分別與黑碳顆粒物檢測儀連通測定1分鐘；三條氣路依次切換后為一個完整循環(huán)。步驟3)分別通過黑碳顆粒物檢測儀對不同氣路的樣氣進行檢測，記錄不同氣路的黑碳顆粒物數(shù)濃度；撞擊器沒有包括撞擊盤的氣路測量獲得黑碳顆粒物總數(shù)濃度NA；撞擊器包括光滑撞擊盤的氣路測量獲得黑碳顆粒物發(fā)生撞擊彈跳后余下黑碳顆粒物數(shù)濃度NB；撞擊器包括有硅油涂層的撞擊盤的氣路測量獲得黑碳顆粒物發(fā)生撞擊并被涂層捕捉，從而獲得撞擊發(fā)生后余下的黑碳顆粒物數(shù)濃度NC；步驟4)通過式1計算得到黑碳顆粒物彈跳系數(shù)BF：
當BF≈0.9時，判定大氣氣溶膠中黑碳顆粒物為固態(tài)；當BF≈0時，判定大氣氣溶膠中黑碳顆粒物為液態(tài)；否則，判定大氣氣溶膠中顆粒物為半固態(tài)。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：
本發(fā)明包括了黑碳顆粒物相態(tài)分離裝置和黑碳檢測裝置及其測量方法，能夠?qū)崿F(xiàn)直接對大氣中黑碳顆粒物相態(tài)的檢測，實現(xiàn)對黑碳顆粒物相態(tài)的在線測定，填補了該領(lǐng)域空白。本發(fā)明的優(yōu)點主要體現(xiàn)為：
(一)本發(fā)明使用三通道平行撞擊，通過設(shè)置三個平行撞擊器，無需分次檢測且操作簡便，避免了繁瑣的撞擊盤更換操作以及由此帶來的測量誤差，提升了黑碳顆粒物彈跳系數(shù)的測量精度和準確度，同時提高了系統(tǒng)的時間分辨率，從而提高了黑碳顆粒物相態(tài)測定的時間分辨率和準確度。
(二)本發(fā)明通過使用流量調(diào)節(jié)控制部件，減少了黑碳顆粒物檢測儀的使用，極大地降低了測量成本。
附圖說明
圖1為本發(fā)明實施例提供的黑碳顆粒物相態(tài)測定裝置的結(jié)構(gòu)框圖；
其中，虛線框表示測定裝置的各部件，虛線箭頭表示數(shù)字信號模擬控制方向；1—三通道黑碳顆粒物撞擊部件；5—流量調(diào)節(jié)控制部件；11—商品化黑碳顆粒物檢測儀SP2；12—系統(tǒng)控制部分；2～4—黑碳顆粒物撞擊器；6～8—電磁閥；9～10—激發(fā)器；13—數(shù)字模擬信號讀取裝置；14—Labview可視化控制程序軟件；A—樣氣進口；B～E—四個氣體出口，氣體出口均與真空泵相連，作為系統(tǒng)內(nèi)氣體流動動力并將廢氣排出系統(tǒng)。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖，通過實施例進一步描述本發(fā)明，但不以任何方式限制本發(fā)明的范圍。
本發(fā)明提供一種在線測定大氣黑碳顆粒物相態(tài)的裝置，包括了黑碳顆粒物相態(tài)分離裝置和黑碳檢測裝置，用于解決大氣中黑碳顆粒物相態(tài)的測量問題。本發(fā)明提供的大氣黑碳顆粒物相態(tài)的測量裝置使用三通道平行撞擊，無需分次檢測且操作簡便，提升了黑碳顆粒物彈跳系數(shù)的測量精度和準確度，同時提高了系統(tǒng)的時間分辨率；還通過流量調(diào)節(jié)控制部件減少黑碳顆粒物檢測儀的使用，極大地降低測量成本。
圖1為本發(fā)明實施例中采用的黑碳顆粒物相態(tài)測定裝置的結(jié)構(gòu)，其中虛線框表示本發(fā)明各部件，虛線箭頭表示數(shù)字信號模擬控制方向；包括不同三通道黑碳顆粒物撞擊部件、流量調(diào)節(jié)控制部件、黑碳顆粒物檢測儀以及數(shù)字模擬信號讀取裝置和Labview系統(tǒng)軟件控制部分；序號1為不同三通道黑碳顆粒物撞擊部件，樣氣從A口進入，分3路分別進入該部分序號為2、3和4的黑碳顆粒物撞擊器。撞擊器3和4由小孔、撞擊盤和千分尺組成，其中撞擊器3為光滑撞擊盤，撞擊器4為有油脂涂層的撞擊盤，撞擊器2不含撞擊盤。小孔與撞擊盤之間的距離通過千分尺精確調(diào)節(jié)，千分尺上部為托盤，撞擊盤置于托盤上，可拆卸清洗。經(jīng)過1的篩選，黑碳顆粒物進入序號為5的流量調(diào)節(jié)控制部件，通過電磁閥6、7、8和激發(fā)器9、10的氣路切換，使流經(jīng)撞擊器2、3、4的樣氣依次通過序號為11的商品化黑碳顆粒物檢測儀SP2，未進入SP2的樣氣則通過電磁閥6、7或8排出系統(tǒng)。圖中B、C、D、E四個氣體出口均與真空泵相連，作為系統(tǒng)內(nèi)氣體流動動力并將廢氣排出系統(tǒng)。通過SP2的測定，獲得不同氣路的黑碳顆粒物數(shù)濃度，根據(jù)黑碳顆粒物數(shù)濃度差值計算黑碳顆粒物彈跳系數(shù)，進而推斷黑碳顆粒物相態(tài)。所述數(shù)字模擬信號讀取部分為序號為13的數(shù)字模擬信號讀取裝置，該部分同序號14的Labview可視化控制程序軟件組成序號為12的系統(tǒng)控制部分。
本發(fā)明實施例中，不同三通道黑碳顆粒物撞擊部件包括三個平行的撞擊裝置，撞擊裝置的平行設(shè)置可提高系統(tǒng)的測量準確度和精度。在三個撞擊裝置中，均分別包括微孔盤(NozzlePlate)、撞擊盤(一個是沒有撞擊盤，用以獲得黑碳顆粒物總數(shù)濃度NA；一個是光滑的撞擊盤，用以使黑碳顆粒物發(fā)生撞擊彈跳，獲得彈跳發(fā)生后余下黑碳顆粒物數(shù)濃度NB，另外一個是有硅油涂層的撞擊盤，用以使黑碳顆粒物發(fā)生撞擊并被涂層捕捉，獲得撞擊發(fā)生后余下的黑碳顆粒物數(shù)濃度NC)和壓差表。
其中，流量調(diào)節(jié)控制部件包括三個電磁閥和兩個激發(fā)器。電磁閥用以控制氣流流向，閥門打開則氣流排出系統(tǒng)，閥門關(guān)閉，氣流則進入下一檢測部件。兩個激發(fā)器分別為兩通球形閥和三通球形閥，配合電磁閥使用控制氣流流動方向。電磁閥和激發(fā)器數(shù)量可根據(jù)實際情況進行適當調(diào)整。
其中，黑碳顆粒物檢測儀為一臺商品化黑碳顆粒物檢測儀SP2。
系統(tǒng)軟件控制部分中，數(shù)字模擬信號讀取部分包括一個數(shù)字模擬信號讀取裝置；Labview系統(tǒng)軟件控制部分包括計算機中針對本發(fā)明裝置編寫的非通用Labview可視化控制程序軟件，用于控制各硬件的運行，包括設(shè)定電磁閥和激發(fā)器的氣路轉(zhuǎn)換頻次、順序與時間，讀取相對濕度和溫度測量部分信息、PID反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)內(nèi)各氣路流量、溫度、濕度處于設(shè)定值，以及讀取和記錄SP2測定數(shù)據(jù)。
以下實施例針對環(huán)境大氣氣溶膠，利用上述黑碳顆粒物相態(tài)測定裝置進行測量；測量的工作流程如下：
1)使環(huán)境大氣氣溶膠均分三路進入不同三通道黑碳顆粒物撞擊部件，通過顆粒物撞擊器篩選不同相態(tài)顆粒物；
其中，三路不同的顆粒物撞擊器中，一個沒有撞擊盤，環(huán)境大氣氣溶膠通過該撞擊器后未發(fā)生顆粒物撞擊作用，可用以獲得黑碳顆粒物總數(shù)濃度NA；一個是光滑的撞擊盤，環(huán)境大氣氣溶膠通過該撞擊器后發(fā)生顆粒物撞擊作用，此時顆粒物與撞擊盤碰撞，固態(tài)顆粒物可發(fā)生彈跳，重新回到氣溶膠中，液態(tài)顆粒物則粘附于撞擊盤上，脫離氣溶膠，因此該撞擊器可用以獲得發(fā)生顆粒物彈跳后余下黑碳顆粒物數(shù)濃度NB，另外一個是有硅油涂層的撞擊盤，環(huán)境大氣氣溶膠通過該撞擊器后也會發(fā)生顆粒物撞擊作用，但此時所有與撞擊盤發(fā)生碰撞的顆粒物均粘附于撞擊盤上，脫離氣溶膠，因此該撞擊器可用獲得撞擊發(fā)生后余下的黑碳顆粒物數(shù)濃度NC；
2)環(huán)境大氣氣溶膠經(jīng)過撞擊器后，以恒定流量進入流量調(diào)節(jié)控制部件；該部件通過電磁閥和激發(fā)器的轉(zhuǎn)換控制進入黑碳顆粒物檢測部分的氣路；例如，進入黑碳顆粒物檢測部分的氣路為A路(此路撞擊器不含撞擊盤)，則該路所連電磁閥關(guān)閉，所連激發(fā)器打開，另兩路所連電磁閥打開，激發(fā)器關(guān)閉；每1分鐘進行一次氣路切換，使得黑碳顆粒物檢測部分分別與三條氣路連通測定1分鐘，3條氣路依次切換后為一個完整循環(huán)；
3)進入黑碳顆粒物檢測部分的氣路，通過黑碳顆粒物檢測儀SP2檢測并記錄黑碳顆粒物數(shù)濃度；連通不同氣路時，即可分別檢測得到NA、NB和NC；
4)系統(tǒng)軟件控制部分根據(jù)不同氣路顆粒物數(shù)濃度差值，計算得到黑碳顆粒物彈跳系數(shù)BF：
當BF≈0.9時，可判定大氣氣溶膠中黑碳顆粒物為固態(tài)；當BF≈0時，可判定大氣氣溶膠中黑碳顆粒物為液態(tài)；否則，可判定大氣氣溶膠中顆粒物為半固態(tài)。
需要注意的是，公布實施例的目的在于幫助進一步理解本發(fā)明，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解：在不脫離本發(fā)明及所附權(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，本發(fā)明不應局限于實施例所公開的內(nèi)容，本發(fā)明要求保護的范圍以權(quán)利要求書界定的范圍為準。