一种PM2.5切割器切割效率测试装置及其测试方法

摘要

本发明涉及一种PM2.5切割器切割效率测试装置及其测试方法。测试装置包括洁净空气源、粉末状颗粒物发生装置、均匀混合箱、第一气溶胶粒径谱仪、第二气溶胶粒径谱仪、PM2.5切割器、采样管、第一切换阀、第二切换阀和气量平衡器。粉末状颗粒物发生装置包括转动模块、固定模块、密封箱体和用于驱动转动模块高速转动的电机。该测试装置及其测试方法能够克服现有技术的不足，提供一个稳定的测量环境，不仅适合中小流量切割器，同样适合大流量切割器切割效率的测试。

说明书

技术领域

本发明涉及大气气溶胶监测技术领域，具体涉及一种PM2.5切割器切割效 率测试装置及其测试方法。

背景技术

当前我国大气环境形势十分严峻，在传统煤烟型污染尚未得到控制的情况 下，以细颗粒物(PM2.5)为特征的区域性复合型大气污染日益突出，区域内 空气重污染现象(如灰霾)大范围同时出现的频次日益增多，严重制约社会经 济的可持续发展，威胁人民群众的身体健康。随着重化工业的快速发展、能源 消耗和机动车保有量的快速增长，排放的大量二氧化硫、氮氧化物与挥发性有 机物导致PM2.5二次污染呈加剧态势。“十二五”时期，我国工业化和城市化仍 将快速发展，资源能源消耗持续增长，大气环境将面临前所未有的压力。

PM2.5切割器切割效率测试的基本方法有洗脱法、静态箱法及分流法。洗 脱法及静态箱法均采用标定过的荧光光度计来测量气溶胶浓度，而分流法既可 采用荧光光度计法测量，也可用更快捷的实时测量气溶胶数量浓度及粒径的方 法来进行测量。气溶胶发生器一般为振动孔单分散气溶胶发生器(VOAG)， 但振动孔单分散气溶胶发生器发生的粒子浓度太低，约为1000粒/cm3，并且 在实际应用中很难避免相对大粒径粒子的沉降损失，以及由于粒子之间的相互 碰撞，发生器持续发生稳定气溶胶的时间较短。国际上也有采用标准PSL小球 和粒径谱仪进行切割效率测试，但是单分散PSL小球价格昂贵、浓度低，很难 满足大中流量切割器测试要求。因此，需要设计一种能够提供一个稳定的测量 环境，不仅适合中小流量切割器，同样适合大流量切割器切割效率的测试装置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种PM2.5切割器切割效率测试装置及其测试方 法，该测试装置及其测试方法能够克服现有技术的不足，提供一个稳定的测量 环境，不仅适合中小流量切割器，同样适合大流量切割器切割效率的测试。且 适合大流量切割器的切割效率测试。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种PM2.5切割器切割效率测试装置，包括洁净空气源、粉末状颗粒物发 生装置、均匀混合箱、第一气溶胶粒径谱仪、第二气溶胶粒径谱仪、PM2.5切 割器、采样管、第一切换阀、第二切换阀和气量平衡器。气量平衡器，用于将 均匀混合箱中的废气流及时排出，避免废气流对均匀混合箱中颗粒物浓度的干 扰，保证测量结果的准确性。

所述的粉末状颗粒物发生装置包括转动模块、固定模块、密封箱体和用于 驱动转动模块高速转动的电机；所述转动模块和固定模块位于密封箱体内；所 述转动模块上开设有颗粒物盛放容器和若干第一颗粒物流动通道，第一颗粒物 流动通道与颗粒物盛放容器相连通；所述固定模块位于转动模块的外侧，且固 定模块上设有若干与第一颗粒物流动通道相匹配的第二颗粒物流动通道，第二 颗粒物流动通道与密封箱体内部相连通；当转动模块旋转到一定角度时，第一 颗粒物流动通道与第二颗粒物流动通道相连通；所述密封箱体上设有进气气嘴 和出气口。

所述的均匀混合箱上分别设有颗粒物入口、稀释气流入口、第一气溶胶粒 径谱仪接入口、第二气溶胶粒径谱仪接入口、PM2.5切割器安装孔、采样管安 装孔和废气流排出口。

所述的洁净空气源，其通过进气气嘴输入至密封箱体内，还通过流量计与 稀释气流入口输入至均匀混合箱内；所述的粉末状颗粒物发生装置，其通过出 气口及气流管道与颗粒物入口相连；所述的第一气溶胶粒径谱仪，其输入端通 过第一切换阀和第一气溶胶粒径谱仪接入口相连，还通过第一切换阀与PM2.5 切割器的输出端相连；所述的第二气溶胶粒径谱仪，其输入端通过第二切换阀 和第二气溶胶粒径谱仪接入口相连，其输入端还通过第二切换阀与采样管的输 出端相连；所述的PM2.5切割器、采样管的输入端分别通过PM2.5切割器安 装孔、采样管安装孔安装在均匀混合箱底部，且PM2.5切割器和采样管位于均 匀混合箱的同一高度；所述气量平衡器与废气流排出口相连。

所述的若干第一颗粒物流动通道和若干第二颗粒物流动通道分别在转动 模块和固定模块上均匀分布；所述的进气气嘴开设在密封箱体的底部，出气口 开设在密封箱体的中部侧面上。

所述的均匀混合箱为顶端带弧形封顶的圆形筒；所述颗粒物入口和稀释气 流入口分别开设在圆形筒的顶端；所述的第一气溶胶粒径谱仪接入口位于圆形 筒的上端侧面上；所述的第二气溶胶粒径谱仪接入口和废气流排出口分别开设 在圆形筒的下端侧面上；所述的PM2.5切割器安装孔和采样管安装孔位于圆形 筒底部的同一圆周上，PM2.5切割器和采样管的高度相同。

进一步的，所述的气流管道为导电硅胶管。导电硅胶管能够防止静电吸附， 减少颗粒物的损失。

进一步的，所述的第一气溶胶粒径谱仪和第二气溶胶粒径谱仪均采用基于 飞行时间测量颗粒物空气动力学粒径谱仪。

进一步的，所述的流量计为质量流量控制器，能够精确的控制稀释气体的 流量。

进一步的，所述的均匀混合箱采用316不锈钢材质。

本发明还涉及一种上述PM2.5切割器切割效率测试装置的测试方法，该方 法包括以下步骤：

(1)在颗粒物盛放容器中投入粉末状颗粒物。

(2)在电机驱动下，转动模块工作，当转动模块上的第一颗粒物流动通 道和固定模块上的第二颗粒物流动通道相连通时，颗粒物盛放容器中的粉末状 颗粒物依次经过第一颗粒物流动通道、第二颗粒物流动通道进入至密封箱体 内。

(3)采用洁净空气源通过进气气嘴向密封箱体内通入洁净空气，通入至 密封箱体内的洁净空气流将密封箱体内的粉末状颗粒物逆向吹起，被吹起的粉 末状颗粒物由出气口及气流管道进入到均匀混合箱中。

(4)采用洁净空气源通过稀释气流入口向均匀混合箱通入洁净空气作为 稀释气流，并通过流量计控制进入均匀混合箱内的稀释气流的流量。

(5)进入均匀混合箱中的粉末状颗粒物，先在均匀混合箱的上部空间被 稀释气流均匀稀释，再随稀释气流向均匀混合箱下方移动。

(6)通过调节第一切换阀和第二切换阀，将第一气溶胶粒径谱仪接入口 与第一气溶胶粒径谱仪之间、第二气溶胶粒径谱仪接入口与第二气溶胶粒径谱 仪之间的颗粒物流动通道打开，将PM2.5切割器与第一气溶胶粒径谱仪之间、 采样管与第二气溶胶粒径谱仪之间的颗粒物流动通道关闭。

(7)采用第一气溶胶粒径谱仪和第二气溶胶粒径谱仪，分别采集均匀混 合箱内部上方和均匀混合箱内部下方的粉末状颗粒物的浓度与粒径数据，并对 采集的数据进行分析，当第一气溶胶粒径谱仪和第二气溶胶粒径谱仪采集的粉 末状颗粒物总数浓度偏差小于等于粉末状颗粒物总数浓度偏差阈值，单一粒径 段偏差小于等于单一粒径段偏差阈值时，均匀混合箱中的粉末状颗粒物混合均 匀。所述的粉末状颗粒物总数浓度偏差阈值为5％；所述的单一粒径段偏差阈 值为3％。

此时，通过调节第一切换阀和第二切换阀，将第一气溶胶粒径谱仪接入口 与第一气溶胶粒径谱仪之间、第二气溶胶粒径谱仪接入口与第二气溶胶粒径谱 仪之间的颗粒物流动通道关闭，将PM2.5切割器与第一气溶胶粒径谱仪之间、 采样管与第二气溶胶粒径谱仪之间的颗粒物流动通道打开。

(8)采用第一气溶胶粒径谱仪，测量进入PM2.5切割器的粉末状颗粒物 的粒径为D时的气溶胶数浓度N₂；采用第二气溶胶粒径谱仪，测量进入采样 管的粉末状颗粒物的粒径为D时的气溶胶数浓度N₁；采用公式η＝(N₁-N₂) /N₁*100％，计算出粉末状颗粒物的粒径为D时的PM2.5切割器的切割效率η；

(9)通过气量平衡器，将均匀混合箱中的废气流排出。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

(1)本发明采用的粉末状颗粒物发生装置结构简单，操作方便；与均匀 混合箱一起使用能够为PM2.5切割器切割效率测试提供一个稳定的测量环境。

(2)本发明通过洁净空气源及流量计从均匀混合箱顶部向均匀混合箱内 通入稀释气流，能够调节均匀混合箱中粉末状颗粒物的浓度，从而提供多种测 量环境。

(3)本发明不仅适合中小流量切割器，同样适合大流量切割器切割效率 的测试。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是粉末状颗粒物发生装置的结构示意图；

图3是粉末状颗粒物发生装置的俯视图；

图4是均匀混合箱的结构示意图。

其中：

1、洁净空气源，2、粉末状颗粒物发生装置，3、均匀混合箱，4、第一气 溶胶粒径谱仪，5、第二气溶胶粒径谱仪，6、PM2.5切割器，7、采样管，8、 气量平衡器，9、流量计，10、第一切换阀，11、第二切换阀，21、转动模块， 22、固定模块，23、密封箱体，24、颗粒物盛放容器，25、第一颗粒物流动通 道，26、第二颗粒物流动通道，27、进气气嘴，28、出气口，31、颗粒物入口， 32、稀释气流入口，33、第一气溶胶粒径谱仪接入口，34、第二气溶胶粒径谱 仪接入口，35、PM2.5切割器安装孔，36、采样管安装孔，37、废气流排出口， 38、观察视窗。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：

如图1所示的一种PM2.5切割器切割效率测试装置，包括洁净空气源1、 粉末状颗粒物发生装置2、均匀混合箱3、第一气溶胶粒径谱仪4、第二气溶胶 粒谱仪5、PM2.5切割器6、采样管7和气量平衡器8。气量平衡器8，用于将 均匀混合箱中的废气流及时排出，避免废气流对均匀混合箱中颗粒物浓度的干 扰，保证测量结果的准确性。

如图2和图3所示，所述的粉末状颗粒物发生装置2包括转动模块21、固 定模块22、密封箱体23和用于驱动转动模块高速转动的电机。所述转动模块 21和固定模块22位于密封箱体23内。所述转动模块21上开设有颗粒物盛放 容器24和若干第一颗粒物流动通道25，第一颗粒物流动通道25与颗粒物盛放 容器24相连通；所述固定模块22位于转动模块21的外侧，且固定模块22上 设有若干与第一颗粒物流动通道25相互配合的第二颗粒物流动通道26，第二 颗粒物流动通道26与密封箱体23内部相连通；当转动模块21旋转到一定角 度时，第一颗粒物流动通道25与第二颗粒物流动通道26相连通；所述密封箱 体23上设有进气气嘴27和出气口28。所述的若干第一颗粒物流动通道25和 若干第二颗粒物流动通道26分别在转动模块21和固定模块22上均匀分布； 所述的进气气嘴27开设在密封箱体23的底部右侧，作为洁净空气的入口。出 气口28开设在密封箱体23的中部侧面上，用于粉末状颗粒物的排出。

如图4所示，所述的均匀混合箱3上分别设有颗粒物入口31、稀释气流入 口32、第一气溶胶粒径谱仪接入口33、第二气溶胶粒径谱仪接入口34、PM2.5 切割器安装孔35、采样管安装孔36和废气流排出口37。

所述的洁净空气源1，其通过进气气嘴27输入至密封箱体23内，还通过 流量计9与稀释气流入口32输入至均匀混合箱3内。所述的粉末状颗粒物发 生装置2，其通过出气口28及气流管道与颗粒物入口31相连。所述的第一气 溶胶粒径谱仪4，其输入端通过第一切换阀10和第一气溶胶粒径谱仪接入口 33相连，还通过第一切换阀10与PM2.5切割器6的输出端相连。所述的第二 气溶胶粒径谱仪5，其输入端通过第二切换阀11和第二气溶胶粒径谱仪接入口 34相连，其输入端还通过第二切换阀11与采样管7的输出端相连。所述的 PM2.5切割器6、采样管7的输入端分别通过PM2.5切割器安装孔35、采样管 安装孔36安装在均匀混合箱3底部，且PM2.5切割器6和采样管7位于均匀 混合箱3的同一高度；所述气量平衡器8与废气流排出口37相连。

所述的均匀混合箱3为顶端带弧形封顶的圆形筒，箱体体积为700L，直 径为800mm，高度为1350mm。在圆形筒的顶端中心开设一个直径6mm的孔 作为颗粒物入口31。在圆形筒的右侧开设一个直径6mm的孔作为稀释气流入 口32。在圆形筒的底端左侧开设一个直径6mm的废气流排出口37用于接气 量平衡器8排出废气流。在圆形筒底部同一圆周上均分开设两个直径为28mm 的孔，其中一个作为PM2.5切割器安装孔35，另外一个作为用于安装与切割 器相同高度的采样管7的采样管安装孔36。均匀混合箱3下端侧面上开设一个 直径100mm的孔作为观察视窗38。均匀混合箱3采用316不锈钢材质，其内 壁经过特殊刨光处理，表面粗糙度小于0.0025mm，以防止静电及颗粒吸附。

如图1所示，该PM2.5切割器切割效率测试装置的具体工作过程为：

首先，在颗粒物盛放容器24中投入粉末状颗粒物，再开启电机驱动转动 模块2，在离心力的作用下，颗粒物盛放容器24中的颗粒物沿着转动模块2 上均分的十个第一颗粒物流动通道25流出，当转动模块21上的第一颗粒物流 动通道25与固定模块22的上的第二颗粒物流动通道26重合时，粉末状颗粒 物可以沿着固定模块22上的第二颗粒物流动通道26进入密封箱体23中。将 洁净的空气由粉末颗粒物发生装置2底部的进气气嘴27通入，洁净空气流将 粉末状颗粒物发生装置2产生的颗粒物逆向吹起，随着气流由出气口28进入 气流通道最终到达均匀混合箱3，通过调节流量计9控制稀释气流的流量，颗 粒物在均匀混合箱3上部空间被均匀稀释，然后随稀释空气向下移动，最终从 均匀混合箱3底部排出。

其次，在均匀混合箱3的顶部左侧面和底部右侧面分别接入第一气溶胶粒 径谱仪4和第二气溶胶粒径谱仪5，当两个位置测得的颗粒物总数浓度偏差不 超过5％，单一粒径段偏差不超过3％时，则表示均匀混合箱3中颗粒物基本混 合均匀。在均匀混合箱3底部同一圆周上均分开设两个孔，其中一个安装PM2.5 切割器6，另外一个安装与切割器6相同高度的采样管7。在均匀混合器箱3 外侧开设两个孔33和34，分别安装两个换向阀10、11，再接入两台气溶胶粒 径谱仪4、5。待均匀混合箱3中颗粒物基本混合均匀后，改变两个换向阀4 和5的位置，再分别测量进入采样管7和PM2.5切割器6之后的气溶胶数浓度， 两台气溶胶粒径谱仪测得的数浓度即为切割前和切割后的颗粒物数浓度。对于 某一粒径D，设切割前后的颗粒物的数浓度分别为N₁、N₂，则切割器的切割 效率为(N₁-N₂)/N₁*100％。在混合箱底部侧面接入气量平衡器将混合箱中的 废气流及时排出，避免废气流对混合箱中颗粒物浓度的干扰，从而影响测量结 果。

对于切割器的切割效率，需要满足以下要求：σ_g＝1.2±0.1。具体计算公式 如(1)和(2)所示：

${\sigma }_g=\frac{D_{a16}}{D_{a50}}---\left(1\right)$

${\sigma }_g=\frac{D_{a50}}{D_{a84}}---\left(2\right)$

其中，σ_g为切割效率的几何标准差；D_a16为切割器对颗粒物的切割效率为 16％时对应的粒子空气动力学直径；D_a50为切割器对颗粒物的切割效率为50％ 时对应的粒子空气动力学直径；D_a84切割器对颗粒物的切割效率为84％时对 应的粒子空气动力学直径。

本发明还涉及一种上述PM2.5切割器切割效率测试装置的测试方法，该方 法包括以下步骤：

(1)在颗粒物盛放容器中投入粉末状颗粒物。

(2)在电机驱动下，转动模块工作，当转动模块上的第一颗粒物流动通 道和固定模块上的第二颗粒物流动通道相连通时，颗粒物盛放容器中的粉末状 颗粒物依次经过第一颗粒物流动通道、第二颗粒物流动通道进入至密封箱体 内。

(3)采用洁净空气源通过进气气嘴向密封箱体内通入洁净空气，通入至 密封箱体内的洁净空气流将密封箱体内的粉末状颗粒物逆向吹起，被吹起的粉 末状颗粒物由出气口及气流管道进入到均匀混合箱中。

(4)采用洁净空气源通过稀释气流入口向均匀混合箱通入洁净空气作为 稀释气流，并通过流量计控制进入均匀混合箱内的稀释气流的流量。

(5)进入均匀混合箱中的粉末状颗粒物，先在均匀混合箱的上部空间被 稀释气流均匀稀释，再随稀释气流向均匀混合箱下方移动。

(6)通过调节第一切换阀和第二切换阀，将第一气溶胶粒径谱仪接入口 与第一气溶胶粒径谱仪之间、第二气溶胶粒径谱仪接入口与第二气溶胶粒径谱 仪之间的颗粒物流动通道打开，将PM2.5切割器与第一气溶胶粒径谱仪之间、 采样管与第二气溶胶粒径谱仪之间的颗粒物流动通道关闭。

(7)采用第一气溶胶粒径谱仪和第二气溶胶粒径谱仪，分别采集均匀混 合箱内部上方和均匀混合箱内部下方的粉末状颗粒物的浓度与粒径数据，并对 采集的数据进行分析，当第一气溶胶粒径谱仪和第二气溶胶粒径谱仪采集的粉 末状颗粒物总数浓度偏差小于等于粉末状颗粒物总数浓度偏差阈值，单一粒径 段偏差小于等于单一粒径段偏差阈值时，均匀混合箱中的粉末状颗粒物混合均 匀。所述的粉末状颗粒物总数浓度偏差阈值为5％；所述的单一粒径段偏差阈 值为3％。

此时，通过调节第一切换阀和第二切换阀，将第一气溶胶粒径谱仪接入口 与第一气溶胶粒径谱仪之间、第二气溶胶粒径谱仪接入口与第二气溶胶粒径谱 仪之间的颗粒物流动通道关闭，将PM2.5切割器与第一气溶胶粒径谱仪之间、 采样管与第二气溶胶粒径谱仪之间的颗粒物流动通道打开。

(8)采用第一气溶胶粒径谱仪，测量进入PM2.5切割器的粉末状颗粒物 的粒径为D时的气溶胶数浓度N₂；采用第二气溶胶粒径谱仪，测量进入采样 管的粉末状颗粒物的粒径为D时的气溶胶数浓度N₁；采用公式η＝(N₁-N₂) /N₁*100％，计算出粉末状颗粒物的粒径为D时的PM2.5切割器的切割效率η；

(9)通过气量平衡器，将均匀混合箱中的废气流排出。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发 明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员 对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定 的保护范围内。