一种移动源颗粒物数浓度分析仪校准装置及方法

1.本发明涉及移动源污染物监测技术领域，具体涉及一种移动源颗粒物数浓度分析仪校准装置及方法。


背景技术：

2.根据轻型车国6阶段排放法规《轻型汽车污染物排放限值及测量方法(中国第六阶段)》(gb18352.6-2016)要求，对于常温下冷启动后排气污染物排放试验中需要对颗粒物数量指标进行测量，此外在国六b阶段的实际行驶污染物排放试验中也同样强制要求了颗粒物数量检测。重型车国6阶段排放法规《重型柴油车污染物排放限值及测量方法(中国第六阶段)》(gb17691-2018)、非道路移动机械4阶段排放法规《非道路柴油移动机械污染物排放控制技术要求》(hj1014-2020)中也同样要求了对于颗粒物数量的测试要求。所以，颗粒物数量检测试验是否合规，颗粒物数量分析仪能否达到监管部门对于检验检测的质量要求至关重要。但当前针对颗粒物数量分析仪在测试之前，仅对分析仪的零点进行测试，缺乏对分析仪计数效率和挥发性颗粒去除效率进行测试，分析仪长期缺乏校准导致其所测结果难以真实反应机动车的实际排放值。因此，需要设计一种能够提供一个稳定的测量环境，满足不同类型移动源颗粒物数量分析仪计数效率和挥发性颗粒去除效率测试校准装置。


技术实现要素：

3.本发明提出的一种移动源颗粒物数浓度分析仪校准装置及方法，能够克服现有技术不足，满足不同类型移动源颗粒物数浓度分析仪的校准。
4.为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
5.一种移动源颗粒物数浓度分析仪校准装置，包括碳烟颗粒发生装置、挥发性颗粒发生装置、颗粒物粒径分级装置、颗粒混合器、法拉第杯静电计和待校准移动源颗粒物数浓度分析仪，其特征在于：
6.其中碳烟颗粒发生装置与挥发性颗粒发生装置的出口均通过电磁阀连接在颗粒物粒径分级装置进气口，颗粒物粒径分级装置出气口通过颗粒混合器后分别连接到法拉第杯静电计和待校准移动源颗粒物数浓度分析仪。
7.进一步地，所述颗粒物粒径分级装置包括x射线中和源、双级粒径筛选装置、三通阀、高效过滤器；
8.所述x射线中和源样气入口为颗粒物粒径分级装置入口；所述x 射线中和源出口连接双级粒径筛选装置气溶胶入口；所述三通阀一端连接双级粒径筛选装置出口，另一端连接高效过滤器，还有一端为颗粒物粒径分级装置出口；
9.所述颗粒物粒径分级装置出口连接颗粒混合器入口；所述颗粒混合器出口分别连接法拉第杯静电计和待校准移动源颗粒物数浓度分析仪。
10.进一步地，所述的双级粒径筛选装置采用基于电迁移原理的双级粒径筛选装置，包括洁净气体入口、气溶胶入口、第一级筛选入口、第一外壳、高压电极、第二级筛选入口、
气体出口、第一级出口、第二级出口、第二外壳；所述第一外壳上设有洁净气体入口和气溶胶入口；所述高压电极上设有第一级筛选入口和第二级筛选入口；所述第二外壳上设有气体出口、第一级出口和第二级出口
11.进一步地，所述碳烟颗粒发生装置包括碳烟颗粒发生器、三通阀一、高效过滤器、切割器、三通阀二、扫描电迁移率粒径谱仪、电磁阀一；
12.所述三通阀一的一端接碳烟颗粒发生器，另一端接切割器样气入口，还有一端接高效过滤器；所述三通阀二一端连通切割器出口，另一端连接电磁阀一，还有一端为扫描电迁移率粒径谱仪入口；所述电磁阀一另一端为碳烟颗粒发生装置出口。
13.进一步地，所述挥发性颗粒发生装置包括压缩空气、氮气、高效过滤器、电磁阀、管式炉、稀释混合器、三通阀；
14.所述氮气通过电磁阀四、流量计二进入管式炉；所述管式炉出口连接稀释混合器样气入口；所述压缩空气通过高效过滤器、流量计一、电磁阀三进入稀释混合器；所述三通阀三一端连接稀释混合器出口，另一端连接高效过滤器，还有一端为挥发性颗粒物发生装置出口。
15.进一步地，所述x射线中和源采用x射线作为放射源。
16.进一步地，所述扫描电迁移率粒径谱仪采用基于电迁移原理和凝结核计数原理的粒径谱测量装置。
17.进一步地，所述稀释混合器和颗粒混合器均采用316不锈钢材质。
18.另一方面，本发明还公开一种移动源颗粒物数浓度分析仪校准方法，采用如上述的移动源颗粒物数浓度分析仪校准装置，包括以下步骤，
19.(1)打开碳烟颗粒发生器，生成的碳烟颗粒样气通过三通阀一后通入切割器中，切割器会除去粒径大于2.5μm的大粒径粒子；切割后的样气通过三通阀二后通入扫描电迁移率粒径谱仪；扫描电迁移率粒径谱仪实时测得碳烟颗粒样气的粒径及浓度；通过调节碳烟颗粒发生器得到稳定的符合所需粒径和浓度的碳烟颗粒样气；在未打开电磁阀一时，生成的多余碳烟颗粒样气经由三通阀二和高效过滤器排出；
20.(2)打开电磁阀四给管式炉通入氮气，管式炉中挥发性样品由喷嘴喷出与氧气混合，在加热丝的温度控制下燃烧挥发性样品生成挥发性颗粒物；氮气在取样管中吹扫将挥发性颗粒物从管式炉出口吹出，生成的挥发性颗粒样气会通入稀释混合器，压缩空气通过高效过滤器和电磁阀三后在稀释混合器中稀释挥发性颗粒样气，稀释后的样气通过三通阀三后通入电磁阀二，在电磁阀二未打开时，生成的挥发性颗粒样气经由三通阀三和高效过滤器排出；通过控制电磁阀四来调节挥发性颗粒样气的粒径，通过控制电磁阀三来调节挥发性颗粒样气的浓度；
21.(3)打开电磁阀一，经过调节后初步满足要求的样气通过电磁阀一进入x射线中和源，碳烟颗粒样气经过x射线中和源后达到玻尔兹曼电荷平衡，随后经过双级粒径筛选装置对气溶胶样品进行筛分得到表面带有单一电荷的单分散气溶胶粒子；单分散气溶胶粒子通过三通阀四进入颗粒混合器中；法拉第杯静电计和待校准移动源颗粒物数浓度分析仪均由颗粒混合器中取样测量，记录移动源颗粒物数浓度分析仪设备与法拉第杯静电计对于碳烟气溶胶颗粒的计数结果；再调节双级粒径筛选装置的筛选电压来控制单分散气溶胶粒子的中值粒径，完成粒径的筛分及对比测量；对比各个粒径下移动源颗粒物数浓度分析仪设备
与法拉第杯静电计对于碳烟气溶胶颗粒的计数结果，评价移动源颗粒物数浓度分析仪设备对于该粒径碳烟颗粒的计数效率；
22.(4)关闭电磁阀一，打开电磁阀二；生成的挥发性颗粒样气通过电磁阀二进入x射线中和源，挥发性颗粒样气经过x射线中和源后达到玻尔兹曼电荷平衡，随后经过双级粒径筛选装置对气溶胶样品进行测量并筛分得到表面带有单一电荷的单分散气溶胶粒子；单分散挥发性颗粒样气通过三通阀四进入颗粒混合器中；法拉第杯静电计和待校准移动源颗粒物数浓度分析仪均由颗粒混合器中取样测量，对比移动源颗粒物数浓度分析仪设备与法拉第杯静电计对于正四十烷气溶胶颗粒的计数结果，评价移动源颗粒物数浓度分析仪设备的挥发性颗粒去除效率，完成对移动源颗粒物数浓度分析仪设备的校准。
23.进一步地，步骤(3)中双级粒径筛选装置的筛选电压来控制单分散气溶胶粒子的中值粒径共需完成6组粒径：23nm、30nm、50nm、70nm、 100nm、200nm的筛分及对比测量。
24.由上述技术方案可知，本发明的移动源颗粒物数浓度分析仪校准装置，与现有技术相比具有以下优点：
25.(1)本发明可以实现待校准移动源颗粒物数浓度分析仪设备计数效率和挥发性有机物去除效率的测试；
26.(2)本发明采用的颗粒物粒径分级装置采用双极粒径分级装置，可以满足23-200nm粒径的分级，无需替换分级装置，可以实现 23-200nm颗粒物计数效率测试。
27.(3)本发明可同时满足不同厂商多台设备的一致性对比测试。
附图说明
28.图1是本发明的系统框图；
29.图2是双级粒径筛选装置的结构示意图。
具体实施方式
30.为使本发明实施例的目的、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清楚、完整地描述，显然，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。
31.如图1所示，本发明实施例的一种移动源颗粒物数浓度分析仪校准装置及方法，包括碳烟颗粒发生装置、挥发性颗粒发生装置、颗粒物粒径分级装置、颗粒混合器、法拉第杯静电计和待校准移动源颗粒物数浓度分析仪。其中碳烟颗粒发生装置与挥发性颗粒发生装置的出口均通过电磁阀连接在颗粒物粒径分级装置进气口，颗粒物粒径分级装置出气口通过颗粒混合器后分别连接到法拉第杯静电计和待校准移动源颗粒物数浓度分析仪。
32.其中，所述碳烟颗粒发生装置包括碳烟颗粒发生器、三通阀1、高效过滤器、切割器、三通阀2、扫描电迁移率粒径谱仪、电磁阀1；所述三通阀1一端接碳烟颗粒发生器，另一端接切割器样气入口，还有一端接高效过滤器；所述三通阀2一端连通切割器出口，另一端连接电磁阀1，还有一端为扫描电迁移率粒径谱仪入口；所述电磁阀1另一端为碳烟颗粒发生装置出口。
33.所述挥发性颗粒发生装置包括压缩空气、氮气、高效过滤器、流量计、电磁阀、管式炉、稀释混合器、三通阀；所述氮气通过电磁阀4、流量计2进入管式炉；所述管式炉出口连接
稀释混合器样气入口；所述压缩空气通过高效过滤器、流量计1、电磁阀3进入稀释混合器；所述三通阀3一端连接稀释混合器出口，另一端连接高效过滤器，还有一端为挥发性颗粒物发生装置出口。
34.所述颗粒物粒径分级装置包括x射线中和源、双级粒径筛选装置、三通阀、高效过滤器；所述x射线中和源样气入口为颗粒物粒径分级装置入口；所述x射线中和源出口连接双级粒径筛选装置气溶胶入口；所述三通阀5一端连接双级粒径筛选装置出口，另一端连接高效过滤器，还有一端为颗粒物粒径分级装置出口。
35.所述颗粒物粒径分级装置出口连接颗粒混合器入口；所述颗粒混合器出口分别连接法拉第杯静电计和待校准移动源颗粒物数浓度分析仪。
36.所述的x射线中和源采用x射线作为放射源。
37.所述的双级粒径筛选装置采用基于电迁移原理的双级粒径筛选装置，包括洁净气体入口、气溶胶入口、第一级筛选入口、第一外壳、高压电极、第二级筛选入口、气体出口、第一级出口、第二级出口、第二外壳；所述第一外壳上设有洁净气体入口和气溶胶入口；所述高压电极上设有第一级筛选入口和第二级筛选入口；所述第二外壳上设有气体出口、第一级出口和第二级出口。
38.其中，所述的扫描电迁移率粒径谱仪采用基于电迁移原理和凝结核计数原理的粒径谱测量装置。
39.所述的流量计为质量流量控制器。
40.所述的稀释混合器和颗粒混合器均采用316不锈钢材质。
41.如图2所示的一种移动源颗粒物数浓度分析仪校准装置及方法的测试方法，该方法包括以下步骤：
42.(1)打开碳烟颗粒发生器，生成的碳烟颗粒样气通过三通阀1后通入切割器中，切割器会除去粒径大于2.5μm的大粒径粒子；切割后的样气通过三通阀2后通入扫描电迁移率粒径谱仪；扫描电迁移率粒径谱仪实时测得碳烟颗粒样气的粒径及浓度；通过调节碳烟颗粒发生器得到稳定的符合所需粒径和浓度的碳烟颗粒样气；在未打开电磁阀1 时，生成的多余碳烟颗粒样气经由三通阀2和高效过滤器排出；
43.(2)打开电磁阀4给管式炉通入氮气，管式炉中挥发性样品由喷嘴喷出与氧气混合，在加热丝的温度控制下燃烧挥发性样品生成挥发性颗粒物；氮气在取样管中吹扫将挥发性颗粒物从管式炉出口吹出，生成的挥发性颗粒样气会通入稀释混合器，压缩空气通过高效过滤器和电磁阀3后在稀释混合器中稀释挥发性颗粒样气，稀释后的样气通过三通阀3后通入电磁阀2，在电磁阀2未打开时，生成的挥发性颗粒样气经由三通阀3和高效过滤器排出；通过控制电磁阀4来调节挥发性颗粒样气的粒径，通过控制电磁阀3来调节挥发性颗粒样气的浓度；
44.(3)打开电磁阀1。经过调节后初步满足要求的样气通过电磁阀 1进入x射线中和源，碳烟颗粒样气经过x射线中和源后达到玻尔兹曼电荷平衡，随后经过双级粒径筛选装置对气溶胶样品进行筛分得到表面带有单一电荷的单分散气溶胶粒子；单分散气溶胶粒子通过三通阀4进入颗粒混合器中；法拉第杯静电计和待校准移动源颗粒物数浓度分析仪均由颗粒混合器中取样测量，记录移动源颗粒物数浓度分析仪设备与法拉第杯静电计对于碳烟气溶胶颗粒的计数结果；再调节双级粒径筛选装置的筛选电压来控制单分散气溶胶粒子的
中值粒径，共需完成6组粒径(23nm、30nm、50nm、70nm、100nm、200nm)的筛分及对比测量；其中双极粒径筛选装置采用两级的合理设计，使得粒子在迁移中随载样气流动的距离l2大约为l1的10倍，当电压在一定范围内扫描时，第一级可以实现5～60nm颗粒物的粒径分级，第二级实现60～300nm颗粒物的粒径分级，从而满足23nm-200nm颗粒物的粒径分级；对比各个粒径下移动源颗粒物数浓度分析仪设备与法拉第杯静电计对于碳烟气溶胶颗粒的计数结果，评价移动源颗粒物数浓度分析仪设备对于该粒径碳烟颗粒的计数效率；
45.(4)关闭电磁阀1，打开电磁阀2。生成的挥发性颗粒样气通过电磁阀2进入x射线中和源，挥发性颗粒样气经过x射线中和源后达到玻尔兹曼电荷平衡，随后经过双级粒径筛选装置对气溶胶样品进行测量并筛分得到表面带有单一电荷的单分散气溶胶粒子；单分散挥发性颗粒样气通过三通阀4进入颗粒混合器中。法拉第杯静电计和待校准移动源颗粒物数浓度分析仪均由颗粒混合器中取样测量，对比移动源颗粒物数浓度分析仪设备与法拉第杯静电计对于正四十烷气溶胶颗粒的计数结果，评价移动源颗粒物数浓度分析仪设备的挥发性颗粒去除效率，完成对移动源颗粒物数浓度分析仪设备的校准。
46.最后，发生挥发性样品(如四十烷)，并将双级粒径筛选装置的筛选粒径设定为30nm，通过调节洁净压缩空气和气溶胶发生器流量，将双级粒径筛选装置出口处的颗粒浓度控制在10000/cm3以上，去除效率大于99％。
47.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。