一种便携式冷凝生长计数器的制作方法

1.本发明属于环境监测技术领域，尤其涉及一种便携式冷凝生长计数器。


背景技术：

2.对于颗粒物数量浓度进行便携测量时，常使用光散射方法对于300nm以上的颗粒物进行分粒径测量，该方法对于300nm以下的颗粒物无法进行测量。
3.对于小粒径颗粒物进行测量的仪器多使用冷凝生长计数器，市场上多为桌面型仪器，体积重量无法满足便携式的观测需求。申请号201810201191.6的专利“一种小型颗粒物冷凝生长计数器”提供了一种小型颗粒物计数器，但其存在以下问题：一是系统内零部件较多，体积和重量无法满足需求，二是蒸发室和冷凝室采用背靠背的设计方式，颗粒物在内部有180
°
的转向，颗粒物损失较大。市场上的便携式的颗粒物计数器，如美国tsi公司的3007型计数器，其存在如下几个问题：一是工作温度范围为10-35℃，温度范围太窄，二是饱和室采用使用前浸泡异丙醇的方式，工作液无法内部存储，可连续使用的时长有限，当由于异丙醇供应不足导致颗粒物经冷凝室长大后的颗粒物粒径会偏小，容易导致总数浓度偏少的问题；三是内部只采用半导体制冷片控制饱和室和冷凝室，在不同大气环境温度下，饱和室和冷凝室的绝对温度会有所不同，且会出现绝对温度逐渐漂移的情况，会导致粒径测量下限随之变化，具体关系为如果固定饱和室和冷凝室之间的温差，随着饱和室温度的提升，最小检测粒径会变大，仪器测量的准确性下降；四是工作液不可更换，使用异丙醇会排放到空气中，对空气造成污染，限制了其应用场合。
4.在个体暴露监测场合以及在无尘室等监测场合，常需要冷凝生长计数器使用的工作液对于人体和环境无污染，因此限制了基于正丁醇或异丙醇为工作液的仪器使用。
5.综上所述，设计一款体积小、重量低、耗电低、宽温度范围，可针对不同场景使用不同的工作液的颗粒物数浓度测量仪器，已经成为亟需解决的问题。


技术实现要素：

6.为了克服现有技术存在的一系列缺陷，本发明的目的在于针对上述问题，提供一种便携式冷凝生长计数器，包括饱和室1、半导体制冷片2、冷凝室3、光学室4、流量调控单元5和主控电路板6，其特征在于，
7.所述饱和室1采用平面型气溶胶通道结构，为气溶胶提供饱和工作液蒸汽；
8.所述半导体制冷片2位于饱和室1和冷凝室3中间，对饱和室1和冷凝室3进行协同控温；
9.所述冷凝室3实现颗粒物粒径的增长，达到微米量级；
10.所述光学室4对于长大后的颗粒物进行计数检测；
11.所述流量调控单元5对采样流量进行调控；
12.所述主控电路板6采用单颗粒计数模式对颗粒物数浓度进行实时采集和计算，同时使用光度计模式对脉冲信号进行积分以对光学室4的整体状态进行评估；
13.基于使用的工作液不同，所述计数器的运行模式分为正丁醇模式和纯水模式。
14.优选的，所述饱和室1包括气溶胶入口1-1、压力测量口1-2、饱和室上腔体1-3、饱和室下腔体1-4、液位观察窗口1-5、多孔板1-6、多孔棉1-7、加液口1-8、气溶胶通道1-9、饱和室气溶胶出口1-10和绝热件1-11，气溶胶从气溶胶入口1-1进入平面型的气溶胶通道1-9，在气溶胶通道1-9中颗粒物的温度达到饱和室温度且携带饱和工作液蒸汽从饱和室气溶胶出口1-10流出，其中，
15.饱和室上腔体1-3和饱和室下腔体1-4通过密封圈进行密封，饱和室上腔体1-3和饱和室下腔体1-4之间形成的空间包括工作液存储空间、多孔棉1-7的填充空间和气溶胶通道1-9；
16.加液口1-8用于工作液的注入，加液口1-8为一个三通结构，其第三个端口连接压力测量口1-2以平衡工作液存储空间和气溶胶通道1-9之间的压力；
17.从加液口1-8注入的工作液，一部分被多孔棉1-7吸收，另一部分以流体的方式存储，通过液位观察窗口1-5观察底部液位情况；
18.所述多孔棉1-7与气溶胶通道1-9中间设有多孔板1-6，在透过饱和工作液蒸汽的同时，可保证气溶胶通道的高度，避免多孔棉1-7因吸收工作液出现膨胀占用气溶胶通道1-9的空间，同时可减少颗粒物在气溶胶通道1-9内的损失；
19.所述气溶胶通道1-9的上表面为铝合金材质，下表面为多孔板1-6；
20.所述饱和室1和冷凝室3通过绝热件1-11与密封圈进行密封连接；
21.所述饱和室1为经氧化处理的铝合金材质；多孔板1-6为不锈钢材质的薄板结构。
22.优选的，所述半导体制冷片2为中空结构，两侧均涂覆导热硅脂，半导体制冷片2的冷面用于冷凝室3的降温，半导体制冷片2的热面用于饱和室1的升温；在饱和室1和冷凝室3的表面均安装有热敏电阻传感器，主控电路板6不断采集热敏温度传感器的温度信息，采用pwm方式控制半导体制冷片2的运行功率，保证饱和室1的温度和冷凝室3的温度的差值等于设定值。
23.优选的，在正丁醇模式，饱和室1和冷凝室3之间的温差保持在17℃；在纯水模式下，饱和室1和冷凝室3之间的温差保持在45℃；
24.在纯水模式下，因水的质量扩散率稍大于空气的热扩散率，饱和室1的温度高于大气环境温度，所以颗粒物会在饱和室1中初步的长大，在冷凝室3中继续增长；在正丁醇模式下，因正丁醇的质量扩散率小于空气的热扩散率，所以颗粒物在饱和室1中未发生粒径的变化，仅在冷凝室3中发生增长过程。
25.优选的，饱和室1的外围布设有散热风扇，用于在饱和室1温度过高时对饱和室1进行降温；饱和室1的底面布设有薄膜加热电阻片，用于低温场合时饱和室1的辅助加热。
26.优选的，所述冷凝室3为圆柱形气溶胶通道结构，冷凝室3内表面铺有吸收工作液的滤棉，冷凝后的工作液被滤棉吸收后并在重力作用下回流到饱和室1，防止工作液在内表面冷凝后在表面张力作用下堵塞气溶胶通路。
27.优选的，所述光学室4与冷凝室3中间为绝热喷嘴4-1，绝热喷嘴4-1用于将气溶胶中的颗粒物聚焦于一束通过狭缝线光源检测区域，每个颗粒物通过时，会在光敏元件上形成一个脉冲信号，典型脉冲信号半峰宽为400ns，被主控电路板6的高速计数器计数；主控电路板6有压差传感器对绝热喷嘴4-1两端的压差进行测量，实时监测喷嘴的状态信息。
28.优选的，所述饱和室中平面气溶胶通道1-9的高度为2mm，宽度为14mm；所述冷凝室3的内径为4.6mm，长度为40mm；长度为40mm；绝热喷嘴4-1收缩后小孔的孔径为0.3mm，所述计数器的入口体积流量为0.1l/min。
29.与现有技术相比，本发明具备以下有益效果：
30.1)本发明中，饱和室采用平面型气溶胶通道结构，提高了饱和室的利用效率，减少了饱和室的体积；且在饱和室底部有一定容量的工作液存储空间；
31.2)本发明中，仪器总的流量为0.1l/min，真空泵耗电量少，且对于工作液的消耗量少；室温25℃时，正丁醇模式下平均功耗为5w；室温25℃时，纯水模式下平均功耗为20w；
32.3)本发明中，饱和室和冷凝室采用半导体制冷片协同控温的方式，无需散热结构，可节省仪器消耗电量，同时饱和室有散热风扇和辅助薄膜电阻加热片，可适应宽温度条件下的运行，且避免两者绝对温度长期处于较高或较低水平，影响仪器最低检测粒径下限；
33.4)本发明中，工作液可选择使用正丁醇或纯水，大大扩展了仪器的测量场合。
附图说明
34.图1为本发明的一种便携式冷凝生长计数器的结构示意图；
35.图2为本发明的一种便携式冷凝生长计数器中饱和室的结构示意图。
36.图中附图标记为：
37.1：饱和室；2：半导体制冷片；3：冷凝室；4：光学室；5：流量调控单元；6：主控电路板；
38.1-1：气溶胶入口；1-2：压力测量口；1-3：饱和室上腔体；1-4：饱和室下腔体；1-5：液位观察窗口；1-6：多孔板；1-7：多孔棉；1-8：加液口；1-9：气溶胶通道；1-10：饱和室气溶胶出口；1-11：绝热件；4-1：绝热喷嘴；
具体实施方式
39.为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，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更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
40.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。
41.下面通过参考附图描述的实施例以及方位性的词语均是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
42.在本发明的一个宽泛实施例中，一种便携式冷凝生长计数器，包括饱和室1、半导体制冷片2、冷凝室3、光学室4、流量调控单元5和主控电路板6，其特征在于，
43.所述饱和室1采用平面型气溶胶通道结构，为气溶胶提供饱和工作液蒸汽；
44.所述半导体制冷片2位于饱和室1和冷凝室3中间，对饱和室1和冷凝室3进行协同控温；
45.所述冷凝室3实现颗粒物粒径的增长，达到微米量级；
46.所述光学室4对于长大后的颗粒物进行计数检测；
47.所述流量调控单元5对采样流量进行调控；
48.所述主控电路板6采用单颗粒计数模式对颗粒物数浓度进行实时采集和计算，同时使用光度计模式对脉冲信号进行积分以对光学室4的整体状态进行评估；
49.基于使用的工作液不同，所述计数器的运行模式分为正丁醇模式和纯水模式。
50.优选的，所述饱和室1包括气溶胶入口1-1、压力测量口1-2、饱和室上腔体1-3、饱和室下腔体1-4、液位观察窗口1-5、多孔板1-6、多孔棉1-7、加液口1-8、气溶胶通道1-9、饱和室气溶胶出口1-10和绝热件1-11，气溶胶从气溶胶入口1-1进入平面型的气溶胶通道1-9，在气溶胶通道1-9中颗粒物的温度达到饱和室温度后携带饱和工作液蒸汽从饱和室气溶胶出口1-10流出，其中，
51.饱和室上腔体1-3和饱和室下腔体1-4通过密封圈进行密封，饱和室上腔体1-3和饱和室下腔体1-4之间形成的空间包括工作液存储空间、多孔棉1-7的填充空间和气溶胶通道1-9；
52.加液口1-8用于工作液的注入，加液口1-8为一个三通结构，其第三个端口连接压力测量口1-2以平衡工作液存储空间和气溶胶通道1-9之间的压力；
53.从加液口1-8注入的工作液，一部分被多孔棉1-7吸收，另一部分以流体的方式存储，通过液位观察窗口1-5观察底部液位情况；
54.所述多孔棉1-7与气溶胶通道1-9中间设有多孔板1-6，在透过饱和工作液蒸汽的同时，可保证气溶胶通道的高度，避免多孔棉1-7因吸收工作液出现膨胀占用气溶胶通道1-9的空间，同时可减少颗粒物在气溶胶通道1-9内的损失；
55.所述气溶胶通道1-9的上表面为铝合金材质，下表面为多孔板1-6；
56.所述饱和室1和冷凝室3通过绝热件1-11与密封圈进行密封连接；
57.所述饱和室1为经氧化处理的铝合金材质；多孔板1-6为不锈钢材质的薄板结构。
58.优选的，所述半导体制冷片2为中空结构，两侧均涂覆导热硅脂，半导体制冷片2的冷面用于冷凝室3的降温，半导体制冷片2的热面用于饱和室1的升温；在饱和室1和冷凝室3的表面均安装有热敏电阻传感器，主控电路板6不断采集热敏温度传感器的温度信息，采用pwm方式控制半导体制冷片2的运行功率，保证饱和室1的温度和冷凝室3的温度的差值等于设定值。
59.优选的，在正丁醇模式，饱和室1和冷凝室3之间的温差保持在17℃；在纯水模式下，饱和室1和冷凝室3之间的温差保持在45℃；
60.在纯水模式下，因水的质量扩散率稍大于空气的热扩散率，饱和室1的温度高于大气环境温度，所以颗粒物会在饱和室1中初步的长大，在冷凝室3中继续增长；在正丁醇模式下，因正丁醇的质量扩散率小于空气的热扩散率，所以颗粒物在饱和室1中未发生粒径的变化，仅在冷凝室3中发生增长过程。
61.优选的，饱和室1的外围布设有散热风扇，用于在饱和室1温度过高时对饱和室1进行降温；饱和室1的底面布设有薄膜加热电阻片，用于低温场合时饱和室1的辅助加热。
62.优选的，所述冷凝室3为圆柱形气溶胶通道结构，冷凝室3内表面铺有吸收工作液的滤棉，冷凝后的工作液被滤棉吸收后并在重力作用下回流到饱和室1，防止工作液在内表面冷凝后在表面张力作用下堵塞气溶胶通路。
63.优选的，所述光学室4与冷凝室3中间为绝热喷嘴4-1，绝热喷嘴4-1用于将气溶胶
中的颗粒物聚焦于一束通过狭缝线光源检测区域，每个颗粒物通过时，会在光敏元件上形成一个脉冲信号，典型脉冲信号半峰宽为400ns，被主控电路板6的高速计数器计数；主控电路板6有压差传感器对绝热喷嘴4-1两端的压差进行测量，实时监测喷嘴的状态信息。
64.优选的，所述饱和室中平面气溶胶通道1-9的高度为2mm，宽度为14mm；所述冷凝室3的内径为4.6mm，长度为40mm；长度为40mm；绝热喷嘴4-1收缩后小孔的孔径为0.3mm，所述计数器的入口体积流量为0.1l/min。
65.下面结合附图，列举本发明的优选实施例，对本发明作进一步的详细说明。
66.图1为一种便携式冷凝生长计数器示意图，环境中的气溶胶通过气溶胶入口1-1进入仪器，依次通过饱和室1、冷凝室3、光学室4、流量调控单元5后排出到大气环境中。
67.所述饱和室1为经黑色氧化处理的铝合金材质，主要包括气溶胶入口1-1、压力测量口1-2、饱和室上腔体1-3、饱和室下腔体1-4、液位观察窗口1-5、多孔板1-6、多孔棉1-7、加液口1-8、气溶胶通道1-9、饱和室气溶胶出口1-10、绝热件1-11。气溶胶从气溶胶入口1-1进入后，进入气溶胶通道1-9，气溶胶通道1-9为平面型结构，上下面分别为饱和室上腔体1-3和多孔板1-6，气溶胶通过该部分区域后，颗粒物温度达到饱和室温度，且会携带饱和工作液蒸汽从饱和室气溶胶出口1-10流出。
68.多孔板1-6为不锈钢结构的薄板，底部为表面光滑的多孔棉1-7，多孔棉1-7下方与饱和室下腔体1-4之间形成的区域可用于存储流体状态的工作液，通过多孔棉1-7的吸收作用，不断供给气溶胶饱和工作液蒸汽。工作液的存储量可通过液位观察窗口1-5进行观察，当液位较低时，可通过加液口1-8加入工作液，在仪器运行时，加液口1-8通过堵头进行堵塞。加液口1-8的另一个三通接口连接至压力测量口1-2，同时连接绝对压力传感器的入口，使得压力得以平衡。
69.工作液可根据测量场合的需要选择使用正丁醇或纯水，在纯水模式下，因水的质量扩散率稍大于空气的热扩散率，饱和室1的温度高于大气环境温度，所以颗粒物会在饱和室1中初步的长大；在正丁醇模式下，因正丁醇的质量扩散率小于空气的热扩散率，所以颗粒物在饱和室1中未发生粒径的变化。室温25℃时，正丁醇模式下平均功耗为5w；室温25℃时，纯水模式下平均功耗为20w。
70.气溶胶从饱和室气溶胶出口1-10流出后，经绝热件1-11，进入冷凝室3的气溶胶管路，冷凝室3为圆柱形管路，长度为40mm，管路内径为4.6mm，内表面铺有吸收工作液的滤棉，可对于冷凝后的工作液进行吸收并在重力作用下回流到饱和室1，防止工作液在内表面冷凝后，在表面张力作用下对气溶胶通路堵塞。
71.在冷凝室3的出口端，经绝热喷嘴4-1将气流收缩至0.3mm的小孔，用于将气溶胶中的颗粒物聚焦于一束通过狭缝线光源检测区域，每个颗粒物通过时，会在光敏元件上形成一个脉冲信号，典型脉冲信号半峰宽为400ns，被主控电路板6的高速计数器计数。主控电路板6有压差传感器对绝热喷嘴4-1两端的压差进行测量，实时监测喷嘴的状态信息。
72.光学室4的出口依次连接高效过滤器、孔口流量计和真空泵，孔口流量计的两路压差端口连接主控电路板6，用于测量气溶胶体积流量，通过闭环调节真空泵使得体积流量保持在0.1l/min。
73.所述主控电路板6功能主要包括：饱和室1和冷凝室3温度调控、光学室4温度调控、压力和压差监测、颗粒物脉冲信号的数据采集、数据的内部存储等，主控电路板6采用单颗
粒计数模式对颗粒物数浓度进行实时采集和计算，同时使用光度计模式对脉冲信号进行积分，可对光学室4的整体状态进行评估。
74.最后需要指出的是：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。