CN101896807B - 用于表征空气流中荷电尘埃颗粒的尺寸分布的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及在静止条件以及瞬变条件下均可以可靠地表征空气流中荷电尘埃颗粒的尺寸分布的装置。该装置包含颗粒荷电单元，置于颗粒荷电单元的下游的第一颗粒沉淀单元，置于第一颗粒沉淀单元的下游的第二颗粒沉淀单元，以及数据评价单元。第一颗粒沉淀单元布置成部分减小具有大于第一颗粒尺寸限制的尺寸的荷电尘埃颗粒的浓度，并产生与荷电尘埃颗粒沉淀在第一颗粒沉淀单元内部对应的第一输出信号。第二颗粒沉淀单元布置成沉淀基本上所有进入的荷电尘埃颗粒，并产生与荷电尘埃颗粒沉淀在第二颗粒沉淀单元内部对应的第二输出信号。数据评价单元布置成基于颗粒沉淀单元的输出信号，计算大于下颗粒尺寸限制的尘埃颗粒的颗粒数目浓度和平均直径。该装置使得能够同时产生和记录输出信号，且因此能够在任意时刻立即确定颗粒数目浓度和平均颗粒直径。

Description

用于表征空气流中荷电尘埃颗粒的尺寸分布的装置

技术领域

本发明涉及用于表征空气流中荷电尘埃颗粒的尺寸分布的装置。

背景技术

为了保障人类健康，防止危害健康的尘埃颗粒被吸入是重要的。特别危害健康的尘埃颗粒是超细颗粒，该超细颗粒是当量直径介于约10nm和约2.5μm，更特别地介于约20nm和约300nm的颗粒。超细颗粒可以由于不完全燃烧过程而形成，且它们可能从比如汽车交通的燃烧源以及其它局部燃烧源的废气散发到空气中。公知的是，吸入超细颗粒可能引起严重肺部损伤。

尘埃颗粒的局部探测优选地涉及确定尘埃颗粒的总颗粒数目浓度和平均直径。

从WO 2007/000710A2已知用于确定前述参数的装置。该已知装置布置成对空气流采样并且包含颗粒浓度变化部分，该颗粒浓度变化部分能够致使超细颗粒的浓度在至少一个时间间隔期间至少在第一浓度水平和第二浓度水平之间变化。颗粒浓度变化部分置于颗粒检测部分的上游，该颗粒检测部分能够产生依赖于在第一浓度水平和第二浓度水平之间的变化而改变的测量信号。响应于所应用的颗粒浓度变化，该已知装置在连续时间间隔期间以串行方式确定与改变的颗粒浓度水平关联的测量信号。为了确定总颗粒数目浓度和平均颗粒直径，需要与至少两个改变的颗粒浓度水平的集合相对应的包含至少两个测量信号的集合。可以周期性地确定不同的测量信号集合以跟进总颗粒数目浓度和平均颗粒直径在时间进程上的演变。

为了准确确定尘埃颗粒的总颗粒数目浓度和平均直径，该已知装置需要这样的环境，其中尘埃颗粒的总浓度和颗粒尺寸分布(即颗粒浓度与颗粒尺寸的函数关系)不应该只是时间的缓变函数，优选地在时间上基本上静止。在测量单次确定总颗粒数目浓度和平均颗粒直径所需的串行测量信号的集合所需的时间间隔期间，总颗粒数目浓度和平均颗粒直径应保持基本恒定。由于对测量准确度的最低所需要求的原因，无法使该时间间隔任意小，该最低所需要求通常使得必需至少在一最短时间阶段期间对信号求平均。为了在非静止环境(比如在具有机动车辆的位置处或附近存在的环境)下准确工作，需要这样的装置，其在高瞬变条件下也可以确定尘埃颗粒的总颗粒数目浓度和平均直径，其中在高瞬变条件下这些参数在时间进程期间可能快速地改变。这样的境况例如可能发生在存在机动车辆的位置处或附近。

发明内容

本发明的目的是提供在开篇段落中提出的那种类型的装置，该装置在静止条件下以及在瞬变条件下均可以可靠地表征空气流中荷电尘埃颗粒的尺寸分布。

根据本发明，该目的是这样实现的：该装置包含(a)颗粒荷电单元，该颗粒荷电单元布置成通过使进入该装置的尘埃颗粒荷电而创建荷电尘埃颗粒的尺寸分布，(b)置于颗粒荷电单元下游的第一颗粒沉淀单元，该第一颗粒沉淀单元布置成部分减小具有大于第一颗粒尺寸限制的尺寸的荷电尘埃颗粒的浓度，并产生与荷电尘埃颗粒沉淀在第一颗粒沉淀单元内部对应的第一输出信号，(c)置于第一颗粒沉淀单元的下游的第二颗粒沉淀单元，该第二颗粒沉淀单元布置成沉淀基本上所有进入的荷电尘埃颗粒，并产生与荷电尘埃颗粒沉淀在第二颗粒沉淀单元内部对应的第二输出信号，以及(d)数据评价单元，该数据评价单元布置成基于第一输出信号和第二输出信号，计算具有大于第一颗粒尺寸限制的尺寸的尘埃颗粒的颗粒数目浓度和平均直径。

本发明是基于这样的认识，该已知装置在瞬变条件下的不准确主要是由于下述事实引起的：确定荷电尘埃颗粒的总颗粒数目浓度和平均直径涉及响应于颗粒浓度变化部分中两种不同电场强度的连续(串行)应用而调节颗粒尺寸分布，这需要第一有限时间量。此外，每个相继产生的输出信号(对应于通过应用电场强度而获得的颗粒尺寸分布)必须被采样第二有限时间量，以实现为了获得最小指定程度的测量准确度所需的充分的数据平均。对于颗粒浓度和/或颗粒尺寸分布在第一和/或第二有限时间量期间明显地改变的情形，将获得总颗粒数目浓度和平均颗粒直径的不准确值(如果不是完全错误值的话)。

根据本发明的装置通过使用分别来自第一和第二颗粒沉淀单元的同时产生的输出信号，替代相继产生的输出信号，实现更可靠表征空气流中荷电尘埃颗粒的尺寸分布。每个颗粒沉淀单元提供输出信号，该输出信号与已经沉淀在颗粒沉淀单元内的荷电尘埃颗粒的长度浓度成比例。由于第二颗粒沉淀单元置于第一颗粒沉淀单元的下游，并且由于后者布置成部分减小具有大于第一颗粒尺寸限制的尺寸的荷电尘埃颗粒的浓度(意味着在通过第一颗粒沉淀单元时，这些颗粒的浓度减小到非零值)，第一和第二输出信号指示待表征的荷电尘埃颗粒的尺寸分布的不同子集。

结合第一和第二输出信号使得可获得关于大于第一颗粒尺寸限制的荷电尘埃颗粒的信息。两个输出信号同时被记录且因此也可以同时被平均，并且用作数据评价单元的输入，该数据评价单元布置成根据这些输出信号计算大于第一颗粒尺寸限制的荷电尘埃颗粒的总颗粒数目浓度和平均直径。

该计算是基于这样的事实：发现大于第一颗粒尺寸限制的颗粒的总颗粒数目浓度与大于第一颗粒尺寸限制的荷电尘埃颗粒在第一颗粒沉淀单元内部的受控部分沉淀对应的第一输出信号有关。发现由颗粒沉淀单元产生的输出信号之和与空气流中荷电尘埃颗粒的总长度浓度有关。通过取大于第一颗粒尺寸限制的尘埃颗粒的总长度浓度和总数目浓度之间的比例，随后发现大于第一颗粒尺寸限制的尘埃颗粒的平均直径。

根据本发明的装置的实施例定义于权利要求2。在此实施例中，该装置进一步包含置于第一颗粒沉淀单元的下游和第二颗粒沉淀单元的上游的第三颗粒沉淀单元，该第三颗粒沉淀单元布置成沉淀基本上所有进入的具有小于第二颗粒尺寸限制的颗粒尺寸的荷电尘埃颗粒，并产生与荷电尘埃颗粒沉淀在第三颗粒沉淀单元内部对应的第三输出信号，其中数据评价单元进一步布置成基于第一输出信号、第二输出信号和第三输出信号，计算具有比第二颗粒尺寸限制大的尺寸的尘埃颗粒的颗粒数目浓度和平均直径。

发现第一、第二和第三输出信号(单独地以及组合地)包含关于所有荷电尘埃颗粒的长度浓度以及分别由第一和第二颗粒沉淀单元沉淀和/或传输的荷电尘埃颗粒的长度浓度的信息。

此实施例使得能够在颗粒尺寸分布的多个颗粒尺寸间隔进行更详细表征。由于所有输出信号同时被测量，它们在有限时间阶段上求平均以改善信号准确度也可以同时完成，这允许在瞬变条件下也能获得关于尘埃颗粒的浓度和尺寸分布的可靠信息。

根据本发明的装置的实施例定义于权利要求3。在此实施例中，第二颗粒尺寸限制为使得空气流中大于第一颗粒尺寸限制的荷电尘埃颗粒的至少90％具有小于第二颗粒尺寸限制的尺寸，以及数据评价单元进一步布置成根据具有大于第一颗粒尺寸限制的尺寸的尘埃颗粒的平均直径以及根据第二颗粒尺寸限制的数值，确定空气流中大于第一颗粒尺寸限制的荷电尘埃颗粒的尺寸分布的相对宽度。此实施例使得能够更详细表征颗粒尺寸分布。

根据本发明的装置的实施例定义于权利要求4。在此实施例中，颗粒荷电单元为扩散荷电单元，该扩散荷电单元包含电晕放电源、至少部分围绕电晕放电源的多孔屏蔽电极、至少部分围绕多孔屏蔽电极的参考电极、以及用于在多孔屏蔽电极和参考电极之间应用电势差的装置。此实施例实现一种方便且可控方式使一尺寸分布的尘埃颗粒在由装置表征之前荷电，而没有在颗粒荷电过程期间由于静电沉淀在颗粒荷电单元内部引起的颗粒浓度显著减小的困扰，因为颗粒扩散荷电是在仅较低的电场强度下实施。

根据本发明的装置的实施例定义于权利要求5。在此实施例中，第二颗粒沉淀单元包含布置在法拉第笼内的颗粒过滤器，该法拉第笼经由灵敏电流计连接到参考电势，灵敏电流计布置成将输出信号转发到数据评价单元。此实施例实现一种方便的方式来表征尘埃颗粒的荷电尺寸分布，因为可以容易地使颗粒过滤器捕获来自空气流的所有尘埃颗粒以及它们的电荷。

根据本发明的装置的实施例定义于权利要求6。在此实施例中，第二颗粒沉淀单元包含平行板沉淀器，平行板沉淀器的板(plate)其中之一经由灵敏电流计连接到参考电势，灵敏电流计布置成将输出信号转发到数据评价单元。此实施例实现一种方便的方式来表征尘埃颗粒的荷电尺寸分布，因为可以容易地调节平行板沉淀器的板之间的电场强度从而沉淀基本上所有来自空气流的荷电尘埃颗粒以及它们的电荷。

根据本发明的装置的实施例定义于权利要求7。在此实施例中，第一颗粒尺寸限制设置在介于10nm和20nm的尺寸范围内的颗粒直径。该颗粒尺寸限制设置下有效颗粒尺寸限制，在该下有效颗粒尺寸限制之上，尘埃颗粒尺寸分布可以在与颗粒关联的电荷的基础上被表征，且该下有效颗粒尺寸限制足够低以使得能够对涵盖大多数实际感兴趣的颗粒尺寸的宽尺寸范围的尘埃颗粒进行表征。

附图说明

本发明的实例现在将参考附图予以详细描述，附图中：

图1A为根据本发明的装置的第一实施例的示意图示；

图1B为分别在图1A实施例中使用的颗粒荷电单元、第一颗粒沉淀单元和第二颗粒沉淀单元的实施例的示意图示；

图2A为根据本发明的装置的第二实施例的示意图示；

图2B为分别在图2A实施例中使用的颗粒荷电单元、第一颗粒沉淀单元、第二颗粒沉淀单元和第一颗粒沉淀单元的实施例的示意图示；

图3A为示意性示出对于包含电场E₁或者电场E₂应用在其板之间的平行板沉淀器的颗粒沉淀单元，扩散荷电颗粒的分数颗粒沉淀效率与颗粒尺寸的函数关系的曲线图；

图3B为示意性示出第一电场E₁和第二电场E₂相继应用在颗粒沉淀单元中包含的平行板沉淀器的板之间的曲线图。

应注意，这些图是图解性的且未按比例绘制。出于附图清楚和方便的原因，这些图各部分的相对尺度和比例关系在尺寸上放大或者缩小地示出。

具体实施方式

图1A示出根据本发明的装置的第一实施例。装置1布置成通过使空气流70相继通过第一颗粒沉淀单元10和第二颗粒沉淀单元20来采样包含尘埃颗粒的空气流70。为此目的，装置1包含通风器60。替代通风器，也可以使用另一排气装置，例如布置成借助由空气密度局部差异导致的热烟囱效应来排放空气的泵或加热元件。

由装置1采样的尘埃颗粒在进入第一颗粒沉淀单元10之前被荷电。为此目的，装置1包含置于第一颗粒沉淀单元10的上游的颗粒荷电单元50。如图1B所示，颗粒荷电单元50包含电晕放电源51、至少部分围绕电晕放电源51的多孔屏蔽电极52、至少部分围绕多孔屏蔽电极52的参考电极53以及用于在多孔屏蔽电极52和参考电极53之间应用电势差的装置54。颗粒荷电发生在所采样的空气流70中的尘埃颗粒通过置于多孔屏蔽电极52和参考电极53之间的导管期间。通过将多孔屏蔽电极52和参考电极53之间的电场保持优选地低于500V/cm，颗粒荷电在较低的电场强度发生，这保证在颗粒荷电单元50内部发生尘埃颗粒的最小荷电诱导损耗(例如通过沉积在参考电极53上)。在这些条件下的颗粒荷电通常称为颗粒扩散荷电。其它类型的颗粒荷电单元，例如包含UV光源或者通过电离辐射的颗粒荷电单元也是可能的。

第一颗粒沉淀单元10布置成产生第一输出信号41，以及第二颗粒沉淀单元20布置成产生第二输出信号42。由于尘埃颗粒经由扩散荷电而荷电，输出信号41和42具有一大小，该大小与已经分别沉淀在颗粒沉淀单元10和20中的荷电尘埃颗粒的长度浓度成比例。

如图1B所示，第一颗粒沉淀单元10包含平行板沉淀器11。在第一颗粒沉淀单元10的第一工作模式中，平行板沉淀器11布置成在其板之间产生第一电场E₁。电场E₁的大小为使得在平行板沉淀器11的板之间通过并且具有大于第一颗粒尺寸限制d₁的颗粒尺寸的荷电尘埃颗粒的浓度减小到非零值。这在图3A中说明，图3A示意性示出对于已经利用扩散荷电而荷电的尘埃颗粒，分数颗粒沉淀效率与颗粒尺寸的函数关系。从图3A清楚的是，当第一电场E₁应用在平行板沉淀器11的板之间时，所有尺寸大于第一颗粒尺寸限制d₁的荷电颗粒具有小于单位(unity)的分数颗粒沉淀效率，使得它们的浓度减小到非零值。也仍然有可能的是，对于小于第一颗粒尺寸限制d₁的荷电颗粒，仅诱导平行板沉淀器11内部的部分沉淀效率。

在平行板沉淀器11中，荷电尘埃颗粒的沉淀发生在经由灵敏电流计(未示出)连接到参考电势的板上，该电流计能够产生代表平行板沉淀器11中每单位时间沉积的电荷数量的第一输出信号41。

如图1B所示，第二颗粒沉淀单元20包含布置在法拉第笼22内的颗粒过滤器21。颗粒过滤器21能够从通过法拉第笼22的空气流70捕获尘埃颗粒。法拉第笼22经由灵敏电流计(未示出)连接到参考电势，该电流计能够产生代表颗粒过滤器21中每单位时间沉积的电荷数量的第二输出信号42。

出于本发明的目的，第二颗粒沉淀单元可以可替换地实施为一平行板沉淀器，该平行板沉淀器布置成在其板之间产生能够在第二颗粒沉淀单元内部沉淀基本上所有进入的荷电尘埃颗粒的电场。

在图1B所示实施例中，第一颗粒沉淀单元10和第二颗粒沉淀单元20为超细颗粒沉淀单元，该超细颗粒沉淀单元能够沉淀当量直径在大约10nm至2.5μm，优选地大约15nm至500nm，最优选地大约20nm至300nm范围内的颗粒。在一般周围空气中，对总颗粒数目浓度的最大贡献通常来自小于300nm的尘埃颗粒，这种尘埃颗粒通常是由诸如汽车引擎的燃烧源产生的。

第一输出信号41和第二输出信号42由数据评价单元40记录，该数据评价单元40布置成根据这些输出信号计算与大于第一颗粒尺寸限制d₁的颗粒有关的总颗粒数目浓度和平均颗粒直径。同时记录第一输出信号41和第二输出信号42允许在瞬变条件下也能立即确定总颗粒数目浓度和平均颗粒直径。

在装置1的第一工作模式中，第一输出信号41是大小为I₁-I₂的电流，而第二输出信号42是大小为I₂的电流，其中I₁代表与捕获基本上所有的具有大于第一颗粒尺寸限制d₁的尺寸的荷电尘埃颗粒关联的电流。换言之，电流I₁的大小可以通过第一输出信号41和第二输出信号42之和来获得，而电流I₂的大小是从第二输出信号42直接获得。

不希望受任何理论约束，下文提供电流I₁和I₂如何与进入装置1的尘埃颗粒的浓度和尺寸分布以及存在于其中的各种过程和装置参数有关的更详细解释。发现在颗粒扩散荷电的条件下，具有有效直径d的颗粒上的基本电荷平均数目p_av遵守关系：

p_av＝A·d                    (1)

其中A表示基本上不依赖于d的常数。

方程(1)中常数A的值以及另外关于颗粒荷电特性与颗粒荷电单元60中存在的各种过程和荷电参数的函数关系的更详细信息可以或者凭经验获得，或者借助例如气溶胶荷电的富克斯理论(见例如M.Adachi et al.，Journal of Aerosol Science，16(1985)pp.109-123)获得。

发现电流I₁遵守关系：

$I_1=\underset{d=0}{\overset{\∞}{\∫}}{p}_{\mathrm{av}}\mathrm{e\φ}\frac{\mathrm{dN}\left(d\right)}{d\ln \left(d\right)}d\ln \left(d\right)=\mathrm{Ae\φ}\underset{d=0}{\overset{\∞}{\∫}}d\frac{\mathrm{dN}\left(d\right)}{d\ln \left(d\right)}d\ln \left(d\right)=\mathrm{Ae\φL}---\left(2\right)$

其中积分是在所有尘埃颗粒的所有颗粒尺寸d上进行。在方程(2)中，e表示基本电荷，φ表示通过装置1的体积空气流，L为颗粒长度浓度，以及N(d)表示颗粒数目浓度与颗粒尺寸的函数关系。隐含地假定进入装置1的所有荷电尘埃颗粒也被陷捕在装置1内部。比例dN(d)/dln(d)代表归一化颗粒尺寸分布。因而，I₁与颗粒长度浓度L成比例。这里应注意，归一化颗粒尺寸分布在颗粒尺寸的对数上的积分根据下述方程得到总颗粒数目浓度N：

$N=\underset{d=0}{\overset{\∞}{\∫}}\frac{\mathrm{dN}\left(d\right)}{d\ln \left(d\right)}\·d\ln \left(d\right)---\left(3\right)$

关于装置1中的第一颗粒沉淀单元10，在平行板沉淀器11的板之间应用的电场E₁根据下述方程诱导具有直径d的荷电尘埃颗粒的分数沉淀程度ξ(E₁)：

$\mathrm{\ξ}\left(E_1\right)=\frac{p_{\mathrm{av}}\mathrm{eC}{E}_1\mathrm{\λ}}{3\mathrm{\π\ηd}{v}_{\mathrm{air}}\mathrm{\δ}}---\left(4\right)$

其中p_av由方程(1)给出。

在方程(4)中，C表示颗粒尺寸依存的坎宁安(Cunningham)滑移修正因数(对于更详细信息，见例如W.C.Hinds，Aerosol Technology.Properties，Behaviour and Measurement of Airborne Particles，2^nd Ed.(1999)，John Wiley&Sons，Chapter 3)，λ表示平行板沉淀器11的板的长度，δ表示平行板沉淀器11的板的间距，v_air为平行板沉淀器11的板之间的平均空气流速度，以及η为空气粘度。

为第二输出信号42的电流I₂是从在平行板沉淀器11内部已经逃脱沉淀的荷电颗粒导出且近似由下述方程给出：

$I_2=\underset{d=d_1}{\overset{\∞}{\∫}}{p}_{\mathrm{av}}\mathrm{e\φ}[1-\mathrm{\ξ}\left(E_1\right)]\frac{\mathrm{dN}\left(d\right)}{d\ln \left(d\right)}d\ln \left(d\right)---\left(5\right)$

其中积分是在所有颗粒尺寸d＞d₁上进行，d₁表示第一颗粒尺寸限制d₁，在d₁处ξ(E₁)≈1。这里应注意，通过不只是涉及任何给定有效直径d的颗粒上的平均电学颗粒电荷P_ave，而替代地涉及任何给定有效直径d的颗粒上的统计颗粒电荷分布(读者可参考较早提到的M.Adachi等人的参考资料以得到更详细信息)，可以将方程(5)重写为更详尽的形式。

d₁的合适值为p_av≈1时的有效颗粒直径。取决于所选择的颗粒荷电条件，d₁为10nm，优选地15nm，更优选地20nm，由此对第一电场E₁的大小设置上限以确保对于d＞d₁，ξ(E₁)＜1。d₁的后面的数值足够低以使得下述假定成立，尺寸小于d₁的尘埃颗粒将在许多实际感兴趣的情形中对电流I₁或者对普通周围空气中所有尘埃颗粒的总数目浓度N没有显著贡献。

为第一输出信号41的电流I₁和I₂之间差值现在可以根据下述方程来描述：

$I_1-I_2\≈\underset{d=d_1}{\overset{\∞}{\∫}}{p}_{\mathrm{av}}\mathrm{e\φ\ξ}\left(E_1\right)\frac{\mathrm{dN}\left(d\right)}{d\ln \left(d\right)}d\ln \left(d\right)=C_1(d_{\mathrm{av}},\mathrm{\σ})N(d>d_1)---\left(6\right)$

其中N(d＞d₁)表示大于d₁的荷电尘埃颗粒的数目浓度。在较小的第一颗粒尺寸限制d₁≈10-20nm，N(d＞d₁)在许多情形中将接近所有尘埃颗粒的数目浓度N。参数C₁(d_av，σ)代表一常数，该常数的值可预计在特定程度上依赖于所有大于d₁的荷电尘埃颗粒的平均颗粒尺寸d_av以及由参数σ说明的颗粒尺寸分布的特性。例如，σ可代表对数正态颗粒尺寸分布中的几何标准偏差。发现对于大多数尘埃颗粒尺寸小于约150-200nm直径的情形(周围空气中通常是这种情形)，参数C₁(d_av，σ)基本上不依赖于d_av和σ二者，得到的结果为：

$N(d>d_1)=\frac{(I_1-I_2)}{C_1}---\left(7\right)$

其中C₁为常数。

对于大于d₁的荷电尘埃颗粒的平均颗粒直径d_av，我们得到：

$d_{\mathrm{av}}=\frac{L}{N(d>d_1)}=\left(\frac{I_1}{I_1-I_2}\right)\·\frac{C_1}{\mathrm{Ae\φ}}---\left(8\right)$

方程(8)中d_av的结果可以用于检查大多数尘埃颗粒尺寸小于约150-200nm这一假定的正确性。如果不正确，必须说明C₁(d_av，σ)对d_av和σ二者的依存性。颗粒尺寸分布可以例如根据下述方程近似表示为用参数N、d_av和σ表征的对数正态颗粒尺寸分布：

$\mathrm{dN}\left(d\right)=\frac{N}{\sqrt{2\mathrm{\π}}\ln \mathrm{\σ}}\exp \left\{\frac{{[\ln \left(d\right)-\ln \left(d_{\mathrm{av}}\right)+\frac{{\ln }^2\mathrm{\σ}}{2}]}^2}{2\·{\left[\ln \left(\mathrm{\σ}\right)\right]}^2}\right\}d\ln \left(d\right)---\left(9\right)$

通过结合方程(1)、(4)和(6)-(9)，对于已知颗粒尺寸分布(且因而具有d_av、σ和N(d＞d₁)的已知值)可以建立关系C₁(d_av，σ)，并且可以将该关系用于检查根据方程(7)和(8)的N(d＞d₁)和d_av结果得到内部一致性(如果需要的话，以迭代方式进行)。可替换地，对于具有N(d＞d₁)和d_av已知值的已知颗粒尺寸分布，可以凭经验建立关系C₁(d_av，σ)。

在第一颗粒沉淀单元10的第二工作模式中，第一电场E₁和第二电场E₂相继应用在平行板沉淀器11的板之间。这在图3B中说明，图3B示意性示出分别在第一时间阶段t₁和第二时间阶段t₂期间相继应用第一电场E₁和第二电场E₂。

第二电场E₂的大小高于第一电场E₁的大小，且使得尺寸小于第二颗粒尺寸限制d₂的荷电尘埃颗粒的浓度减小到零，而尺寸大于第二颗粒尺寸限制d₂的荷电尘埃颗粒的浓度减小到非零值，第二颗粒尺寸限制d₂高于第一颗粒尺寸限制d₁。这在图3A中说明，图3A示意性示出荷电颗粒的分数颗粒沉淀效率与颗粒尺寸的函数关系。从图3A清楚的是，当电场E₁应用在平行板沉淀器11的板之间时，所有大于第一颗粒尺寸限制d₁的荷电颗粒具有小于单位的分数颗粒沉淀效率，使得它们的浓度减小到非零值。当电场E₂应用在平行板沉淀器11的板之间时，仅仅大于第二颗粒尺寸限制d₂的荷电颗粒具有小于单位的分数颗粒沉淀效率，而小于第二颗粒尺寸限制d₂的荷电颗粒具有单位的分数颗粒沉淀效率，使得在退出第一颗粒沉淀单元10的空气流70中，它们的浓度减小到零。

依赖于应用在平行板沉淀器11的板之间的电场(E₁或E₂)，输出信号42或者携带关于在平行板沉淀器11中已经逃脱沉淀的大于第一颗粒尺寸限制的荷电尘埃颗粒d₁的信息，或者携带关于在平行板沉淀器11中已经逃脱沉淀的大于第二颗粒尺寸限制d₂的荷电尘埃颗粒的信息。数据评价单元40布置成根据第一输出信号41和第二输出信号42计算或者与大于第一颗粒尺寸限制d₁的荷电尘埃颗粒有关的或者与大于第二颗粒尺寸限制d₂的荷电尘埃颗粒有关的颗粒数目浓度和平均颗粒直径。按此方式，可以进行对颗粒尺寸分布的更详细表征。

由于第二工作模式要求在平行板沉淀器11的板之间相继应用两个不同电场，尘埃颗粒的浓度和尺寸分布需要在等于t₁和t₂之和的时间阶段基本恒定。通过监视第一和第二输出信号41和42在时间间隔t₁+t₂期间是否保持基本恒定，可以判定装置1是否能够仅在第一模式下操作(在瞬变条件下也可以使用)，或者境况是否足够静止从而也允许装置1在第二模式下操作以便对尘埃颗粒的尺寸和浓度分布进行更详细表征。

不希望受任何理论约束，下文提供了在装置1的第二工作模式中，大于第二颗粒尺寸d₂的尘埃颗粒的浓度N(d＞d₂)如何可以分别根据第一和第二输出信号41和42来确定的更详细解释。

在装置1的第二工作模式中，第一输出信号41为是大小为I₁-I₃的电流，而第二输出信号42是大小为I₃的电流，其由下述方程给出：

I₁和I₃之间的差根据下述方程给出关于大于第二颗粒尺寸限制d₂的荷电尘埃颗粒的信息：

$I_1-I_3\≈\underset{d=d_1}{\overset{d_2}{\∫}}{p}_{\mathrm{ve}}\mathrm{e\φ}\frac{\mathrm{dN}\left(d\right)}{d\ln \left(d\right)}d\ln \left(d\right)+\underset{d=d_2}{\overset{\∞}{\∫}}{p}_{\mathrm{av}}\mathrm{e\φ\ξ}\left(E_2\right)\frac{\mathrm{dN}\left(d\right)}{d\ln \left(d\right)}d\ln \left(d\right)---\left(11\right)$

$\≈\mathrm{Ae\φ}\frac{d_2+d_1}{2}[N(d>d_1)-N(d>d_2)]+C_2(d_{\mathrm{av}},\mathrm{\σ})N(d>d_2)$

方程(11)右边第一项与尺寸大于d₁但小于d₂的荷电尘埃颗粒的颗粒长度浓度成比例。方程(11)右边第二项含有参数C₂(d_av，σ)，对于用参数N、d_av和有效颗粒尺寸分布参数σ表征的任何颗粒尺寸分布，通过计算或测量为装置1中各种过程、荷电和设计参数的函数的电流I₁和I₃以及参数N、d_av和σ，可以先验获得或推知该参数。N(d＞d₂)表示大于第二颗粒尺寸限制d₂的尘埃颗粒的数目浓度。颗粒尺寸限制d₁和d₂可以分别在平行板沉淀器11中的大小分别为E₁和E₂的电场处作为根d₁和d₂而获得的，在这些根处：

$\frac{p_{\mathrm{av}}\mathrm{eCE\λ}}{3\mathrm{\π\ηd}{v}_{\mathrm{air}}\mathrm{\δ}}-1=0---\left(12\right)$

(见方程(4))。

对于任何已知颗粒尺寸分布，利用d₁和d₂的已知值，也可以推知N(d＞d₁)和N(d＞d₂)，这允许在电流I₁、I₂和I₃已知时推知参数C₂(d_av，σ)。当随后针对具有未知颗粒尺寸分布的未知气溶胶测量电流I₁、I₂和I₃时，对电流I₁和I₂的记录足以根据方程(7)和(8)获得N(d＞d₁)和d_av。电流I₁和I₃于是随后也可用于借助已知参数C₂(d_av，σ)根据方程(11)推知浓度N(d＞d₂)，在C₂(d_av，σ)仅仅弱依赖于σ的情形下这是最容易的。对于期望更准确确定N(d＞d₂)的情形，有效颗粒尺寸分布参数σ必须先验已知从而能够在d_av已知值处在最前面确定C₂(d_av，σ)的更准确值。对于确定在方程(6)中引入的参数C₁(d_av，σ)的更准确值，这也会是有用的。特别是对于对数正态颗粒尺寸分布，σ代表颗粒尺寸分布的标准偏差，且发现根据下述方程近似与d_av有关：

$\mathrm{\σ}=\exp \{2-2\sqrt{[1-\ln \sqrt{\left(\frac{d_{\mathrm{upper}}}{d_{\mathrm{av}}}\right)}]}\}---\left(13\right)$

其中颗粒尺寸d_upper是对于应用在平行板沉淀器11的板之间的电场强度E_upper(在该电场强度下，由第二颗粒沉淀单元20测量的电流I₂减少为由第一颗粒沉淀单元10和第二颗粒沉淀单元20测量的电流I₁-I₂和I₂之和的仅几个百分点)，根据方程(12)作为根d＝d_upper而获得的。清楚的是，d_upper代表整个颗粒尺寸分布的有效上限颗粒尺寸，大于第一颗粒尺寸限制d₁的荷电尘埃颗粒尺寸小于d_upper。d_av和d_upper之间的比例可以方便地用于评价由参数σ表达的颗粒尺寸分布的相对宽度。

N(d＞d₂)以及N(d＞d₁)的确定使得能够更详细表征颗粒尺寸分布。大于第二颗粒尺寸限制d₂的尘埃颗粒的平均颗粒直径d_av(d＞d₂)可以根据下述方程从N(d＞d₁)、N(d＞d₂)和d_av推知：

$d_{\mathrm{av}}(d>d_2)=\frac{N(d>d_1)d_{\mathrm{av}}-[N(d>d_1)-N(d>d_2)]\·\frac{d_1+d_2}{2}}{N(d>d_2)}---\left(14\right)$

从上文将清楚的是，一系列相继增加的场强度(E₁、E₂、E₃等)可以串行应用在平行板沉淀器11的板之间，由此允许串行地确定一系列相继减小的颗粒数目浓度(N(d＞d₁)、N(d＞d₂)、N(d＞d₃)等)，由此得到甚至更多的关于颗粒尺寸分布特性的信息。第一和第二输出信号41和42之和(为电流I₁)的恒定程度可用于评估相继获得的颗粒数目浓度的可靠性和/或相对准确度。当第一和第二输出信号41和42之和在确定颗粒数目浓度系列所需的总时间间隔期间保持基本恒定时，获得最高的可靠性。

图2A示出根据本发明的装置的第二实施例。除了第一颗粒沉淀单元10和第二颗粒沉淀单元20，装置2进一步包含第三颗粒沉淀单元30，该第三颗粒沉淀单元30置于第一颗粒沉淀单元10的下游和第二颗粒沉淀单元20的上游。

如图2B所示，第三颗粒沉淀单元30包含平行板沉淀器31，其中在其上发生荷电尘埃颗粒沉淀的那个板经由灵敏电流计(未示出)连接到参考电势，该电流计能够产生代表在平行板沉淀器31中每单位时间沉积的电荷数量的第三输出信号43。

平行板沉淀器31布置成在其板之间产生第二电场E₂ ^＊。第二电场E₂ ^＊的大小为使得在退出平行板沉淀器31的空气流中，尺寸小于第二颗粒尺寸限制d₂的荷电尘埃颗粒的浓度减小到零，而尺寸大于第二颗粒尺寸限制d₂的荷电尘埃颗粒的浓度减小到非零值，第二颗粒尺寸限制d₂高于第一颗粒尺寸限制d₁。特别地，第三颗粒沉淀单元30中电场E₂ ^＊的大小可以增加到这样的程度，使得至少90％的荷电尘埃颗粒沉淀在串行组合的第一颗粒沉淀单元10和第三颗粒沉淀单元30内部，其中在第一颗粒沉淀单元10中电场E₁应用在平行板沉淀器11的板之间，其中在第三颗粒沉淀单元30中电场E₂ ^＊应用在平行板沉淀器31的板之间。在那种情况下，第二颗粒尺寸限制d₂代表在方程(13)中引入的颗粒尺寸d_upper。根据方程(13)，比例d_av/d_upper可以就有效尺寸偏差参数σ而言用于评价颗粒尺寸分布的有效宽度。

在装置2中，同时产生的第一、第二和第三输出信号41、42和43分别代表分开的电流，这些电流总得来看时合计到达根据方程(2)的总电流I₁，总电流I₁代表在装置2的任意颗粒沉淀单元10、30、20中每单位时间沉淀的所有荷电尘埃颗粒的总电荷。

特别地，输出信号41根据方程(6)代表电流I₁-I₂，输出信号42和43之和根据方程(5)代表电流I₂。

当平行板沉淀器31中的电场强度E₂ ^＊选择为使得

$1-\mathrm{\ξ}\left(E_2\right)=(1-\mathrm{\ξ}\left(E_1\right))(1-\mathrm{\ξ}\left(E_2^{*}\right))---\left(15\right)$

时，输出信号42根据方程(10)代表电流I₃(其说明电场强度E₂)。ξ(E)由方程(4)给出。应注意，由于图2B中应用在平行板沉淀器11的板之间的电场强度E₁对串行组合平行板沉淀器11和31中整体荷电颗粒沉淀的影响，电场E₂(在图1B中应用在平行板沉淀器11的板之间以达成基本上全部沉淀所有进入的具有小于d₂的颗粒尺寸的荷电尘埃颗粒)以及E₂ ^＊(在图2B中应用在平行板沉淀器31的板之间以达成基本上全部沉淀所有进入串行组合平行板沉淀器11和31的具有小于d₂的颗粒尺寸的荷电尘埃颗粒)彼此不同。这里隐含地假定图1B中的平行板沉淀器11和图2B中的平行板沉淀器11和31相关的工艺和设计参数相同。如果不相同，这可以由任何本领域技术人员容易地予以说明。

图2A中的输出信号43代表电流I₂-I₃，其中I₂和I₃分别由方程(5)和(10)给出，而说明方程(15)。

来自装置2的输出信号41、42和43可用于表征荷电尘埃颗粒的尺寸分布，并且按照上文针对装置1在工作于第二工作模式时所解释的相似方式获得d_av、σ、N(d＞d₁)和N(d＞d₂)的值。

替代将装置2中颗粒沉淀单元的数目限制为三个(如图2A所示)，装置2可包含多个颗粒沉淀单元，每个颗粒沉淀单元通过在平行板沉淀器的板之间施加不同电场强度，对于尺寸大于颗粒尺寸限制的颗粒，能够诱导不同程度的荷电颗粒沉淀，由此使得能够对于尺寸大于相应一系列颗粒尺寸限制的颗粒，同时确定一系列颗粒数目浓度。所确定的一系列颗粒数目浓度可以附加地用于确定颗粒尺寸分布，以及从该所确定的颗粒尺寸分布推知有效颗粒尺寸分布参数σ(例如借助方程(9))并据此检查颗粒尺寸分布的σ的先验假定值的正确性和/或根据方程(13)建立的σ的预定值的正确性。甚至有可能按此方式以迭代方式确定σ的值，直至确定了与σ的值一致的相应一系列颗粒尺寸间隔的一系列颗粒数目浓度，因而涉及内部一致性检查。

替代涉及仅仅一个单一值σ来说明颗粒尺寸分布的有效宽度，应清楚的是，有时需要涉及若干不同的尺寸分布参数σ_i以更准确地说明颗粒尺寸分布的特性，例如当该颗粒尺寸分布是若干对数正态颗粒尺寸分布叠加的结果时，其中每个对数正态尺寸分布i根据方程(8)由其自己的参数N_i、d_av，i和σ_i集合来描述。

图2A所示实施例的优点为，即使在其中尘埃颗粒的浓度和尺寸分布在时间上不是基本恒定的境况下，在高瞬变条件下也可以执行对颗粒尺寸分布的可靠和准确表征。

尽管本发明已经在附图和前述描述中予以详细说明和描述，这些说明和描述被认为是说明性或示例性的且不是限制性的；本发明不限于所公开的实施例。通过研究附图、公开内容和所附权利要求，本领域技术人员在实践所要求保护的发明中可以理解和达成对所公开实施例的改动。在权利要求中，用词“包含”不排除其它元件，且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。在互不相同的从属权利要求中列举了某些措施的纯粹事实并不表示不能有利地使用这些措施的组合。权利要求中的任何参考符号不应解读为限制其范围。

Claims (7)

1.用于表征空气流(70)中荷电尘埃颗粒的尺寸分布的装置(1)，包含：

-颗粒荷电单元(50)，其布置成通过使进入该装置(1)的尘埃颗粒荷电来创建荷电尘埃颗粒的尺寸分布，

-置于该颗粒荷电单元(50)的下游的第一颗粒沉淀单元(10)，其布置成沉淀基本上所有具有小于第一颗粒尺寸限制的尺寸的进入的荷电尘埃颗粒，部分减小具有大于该第一颗粒尺寸限制的尺寸的荷电尘埃颗粒的浓度，并产生与荷电尘埃颗粒沉淀在该第一颗粒沉淀单元(10)内部对应的第一输出信号(41)，

-置于该第一颗粒沉淀单元的下游的第二颗粒沉淀单元(20)，其布置成沉淀基本上所有进入的荷电尘埃颗粒，并产生与荷电尘埃颗粒沉淀在该第二颗粒沉淀单元(20)内部对应的第二输出信号(42)，

-数据评价单元(40)，其布置成基于该第一输出信号(41)和该第二输出信号(42)，计算具有大于该第一颗粒尺寸限制的尺寸的尘埃颗粒的颗粒数目浓度和平均直径。

2.根据权利要求1的装置(1)，进一步包含置于该第一颗粒沉淀单元(10)的下游和该第二颗粒沉淀单元(20)的上游的第三颗粒沉淀单元(30)，该第三颗粒沉淀单元(30)布置成沉淀基本上所有进入的具有小于第二颗粒尺寸限制的颗粒尺寸的荷电尘埃颗粒，并产生与荷电尘埃颗粒沉淀在该第三颗粒沉淀单元(30)内部对应的第三输出信号(43)，其中该数据评价单元(40)进一步布置成基于该第一输出信号(41)、该第二输出信号(42)和该第三输出信号(43)，计算具有大于该第二颗粒尺寸限制的尺寸的尘埃颗粒的颗粒数目浓度和平均直径。

3.根据权利要求2的装置(1)，其中该第二颗粒尺寸限制为使得该空气流(70)中大于该第一颗粒尺寸限制的该荷电尘埃颗粒的至少90％具有小于该第二颗粒尺寸限制的尺寸，以及其中该数据评价单元(40)进一步布置成根据具有大于该第一颗粒尺寸限制的尺寸的尘埃颗粒的平均直径以及根据该第二颗粒尺寸限制的数值，确定该空气流(70)中大于该第一颗粒尺寸限制的荷电尘埃颗粒的尺寸分布的相对宽度。

4.根据权利要求1的装置(1)，其中该颗粒荷电单元(50)为扩散荷电单元，该扩散荷电单元包含电晕放电源(51)、至少部分围绕该电晕放电源(51)的多孔屏蔽电极(52)、至少部分围绕该多孔屏蔽电极(52)的参考电极(53)、以及用于在该多孔屏蔽电极(52)和该参考电极(53)之间应用电势差的装置(54)。

5.根据权利要求1-4中任意一项的装置(1)，其中该第二颗粒沉淀单元(20)包含布置在法拉第笼(22)内的颗粒过滤器(21)，该法拉第笼(22)经由灵敏电流计连接到参考电势，该灵敏电流计布置成将该第二输出信号(42)转发到该数据评价单元(40)。

6.根据权利要求1至4任意一项的装置(1)，其中该第二颗粒沉淀单元(20)包含平行板沉淀器(21)，该平行板沉淀器(21)的板其中之一经由灵敏电流计连接到参考电势，该灵敏电流计布置成将该第二输出信号(42)转发到该数据评价单元(40)。

7.根据权利要求1-4中任意一项的装置(1)，其中该第一颗粒尺寸限制设置在介于10nm和20nm的尺寸范围内的颗粒直径。

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