CN103926178A - 对可吸入颗粒物分类并测量浓度的机构及其检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种对可吸入颗粒物分类并测量浓度的机构及其检测方法，细粒子采集探头的一端依次连通保温干燥室、气溶胶中和器、电晕放电器的一端，电晕放电器的另一端分为两路，一路依次连通低压串级撞击器、多通道静电计，另一路依次连通高压电极电场、空气净化器。本发明体积小、响应快，可以全天候检测与播放PM值，按照标准数据接口设计，可以与多种外接设备兼容，采集到的细粒子样气与自由电子碰撞形成电子雪崩，根据颗粒物的惯性按气动力学粒径将颗粒分成多个等级，各个粒径的带电细粒子沉积所产生的电流值由多通道静电计测得，根据各个粒径电流值反映出颗粒物浓度，并以各种形式表现测量结果，为环境监测治理提供辅助支持和海量可靠数据。
Description
技术领域
本发明属于环保电子检测设备领域，涉及一种对可吸入颗粒物分类并测量浓度的机构及其检测方法，可为环境监测治理提供辅助支持和海量可靠数据。
背景技术
雾霾是雾和霾的组合词。雾霾现象常见于城市。中国不少地区将“霾”并入“雾”一起作为灾害性天气现象进行预警预报，统称为“雾霾天气”。近年来，由于空气质量恶化，雾霾现象出现增多且危害加重。如遇雾霾天气尽量做好防范措施，如：戴口罩，并尽量避免户外活动。2013年1月份全国出现大面积雾霾天气，2014年1月4日，国家减灾办、民政部通报2013年自然灾情，首次将雾霾天气纳入。
二氧化硫、氮氧化物和可吸入颗粒物这三项是雾霾主要组成，前两者为气态污染物，最后一项颗粒物才是加重雾霾天气污染的罪魁祸首，它们与雾气结合在一起，让天空瞬间变得阴沉灰暗。颗粒物的英文缩写为PM，北京监测的是细颗粒物（PM2.5），也就是直径小于等于2.5微米的污染物颗粒。这种颗粒本身既是一种污染物，又是重金属、多环芳烃等有毒物质的载体。
城市有毒颗粒物来源：首先是汽车尾气。使用柴油的车子是排放细颗粒物的“重犯”。使用汽油的小型车虽然排放的是气态污染物，比如氮氧化物等，但碰上雾天，也很容易转化为二次颗粒污染物，加重雾霾。
雾是由大量悬浮在近地面空气中的微小水滴或冰晶组成的气溶胶系统，多出现于秋冬季节，是近地面层空气中水汽凝结或凝华的产物。雾的存在会降低空气透明度，使能见度恶化。
霾是由空气中的灰尘、硫酸、硝酸、有机碳氢化合物等粒子组成的。它也能使大气浑浊，视野模糊并导致能见度恶化。
目前在颗粒物分析方面，质量浓度测量最常使用的方法为重力分析法，此外，DMM-230、β-射线分析仪、TEOM等也被用于颗粒物质量排放的测试。颗粒物粒径分布和数量浓度检测方面，主要分析仪器为扫描电迁移率颗粒物粒径谱仪（SMPS）和静电低压撞击器（ELPI）。然而，上述几类分析方法大都利用了离线(off-line)分析技术，无法做到实时采样监测的效果。由于这些技术在进行分析前都需要用过滤器来收集样品，因此难免会带来基体干扰的问题；并且这些方法非常耗时，一般需要几个小时甚至几天的时间才能收集足够的样品来进行化学分析。
发明内容
本发明所要解决的问题在于，克服现有技术的不足，提供一种对可吸入颗粒物分类并测量浓度的机构及其检测方法，对可吸入颗粒物分类并测量浓度的机构体积小、响应快，可以全天候检测与播放PM值，按照标准数据接口设计，可以与多种外接设备兼容，采集到的细粒子样气与自由电子碰撞形成电子雪崩，根据颗粒物的惯性按气动力学粒径将颗粒分成多个等级，各个粒径的带电细粒子沉积所产生的电流值由多通道静电计测得，根据各个粒径电流值反映出颗粒物浓度，并以各种形式表现测量结果，为环境监测治理提供辅助支持和海量可靠数据。
本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：
依据本发明提供的一种对可吸入颗粒物分类并测量浓度的机构，包括细粒子探头、低压串级撞击器、高压电极电场、空气净化器、气溶胶中和器、电晕放电器、保温干燥室、多通道静电计，所述的细粒子采集探头的一端依次连通保温干燥室、气溶胶中和器、电晕放电器的一端，电晕放电器的另一端分为两路，一路依次连通低压串级撞击器、多通道静电计，另一路依次连通高压电极电场、空气净化器。
一种对可吸入颗粒物分类并测量浓度的机构的检测方法，包括以下步骤：
（1）细粒子探头采集到的细粒子样气，在保温干燥室进行温度的恒定与湿度的降低，再流经气溶胶中和器去静电，后进入电晕放电器；
（2）空气净化器将采集到的常规空气净化为纯净气体，纯净气体进入高压电极电场被电离为阳离子与自由电子；
（3）自由电子在电晕放电器与细粒子样气碰撞形成电子雪崩，集结附着在细粒子表面，带上电荷的细粒子流经低压串级撞击器，根据颗粒物的惯性按气动力学粒径将颗粒分成多个等级，各个粒径的带电细粒子沉积所产生的电流值由多通道静电计测得，根据各个粒径电流值反映出颗粒物浓度。
本发明与现有技术相比具有显著的优点和有益效果：
由于本发明采用低压串级撞击器，对撞击式采样器进行思路拓展与技术改进。撞击式采样器截留的原理是在一定抽气流量下，颗粒物随气流进入采样器，不同粒径的颗粒具有不用的动量，当气流改变方向时，由于颗粒物的惯性而脱离气流，动量大于某一临界值的颗粒便会撞击在收集板上，被收集板截留。串级式撞击采样器样品分析结果的计算将截留粒径不同的撞击器按照截留粒径大小串联构成串级式撞击采样器，根据颗粒物的惯性按气动力学粒径将颗粒分成多个等级，它在采样过程中将颗粒物按照一定粒径范围分别采到各级上。这种截留不是100％的，对不同粒径截留效率不同。
低压串级撞击器是在气流改变方向的路径，加载适当大小的环形电场，根据电场中的库仑定律变式， ，推到可得：。(其中E:电场强度 K:静电常量 Q:带电量 R:转弯半径 )
利用不同粒径的颗粒所带电量不同的比例特性，在电场强度一定的情况下，转弯半径大的颗粒，脱离气流撞击到收集级表面，转弯半径小的颗粒继续随着空气气流进入下一级撞击器，碰撞并产生新的阳离子和新的电子，进行第二次采集过程，以此来提高颗粒的截留效率。
本发明采用低压串级撞击器，避免了由于采用过滤器收集样品带来的基体干扰问题,并且缩短了收集样品的时间,整个气路保证空气以一个稳定的流速经过整个检测流程。使用这种方法样气持续进入测量系统，可以实现100%的采样时间。同时不需要反馈补偿，避免外界环境质量对仪器精度影响，处理速度快，可以根据静电计测量的电流大小得到浓度值，实现细粒子的在线监测。高灵敏度静电计的精度就是整个仪器的精度。仪器测量颗粒物的浓度分布是通过测量电流获得的，颗粒物荷电电量本来就非常小，所以要求整个静电计具有非常高的灵敏度。预计设计的静电计测量量程在400000fA，且精度能够达到1fA(其中:fA表示10的-15次方安培)。
低压串级撞击器的实现对放电电压的要求非常严格，电晕起始电压指开始发生电晕放电时的电压，也称临界电压，与之相应的场强称为电晕起始场强或临界场强。如果向电除尘器施加的电压从零逐渐增加，当电压很低时，回路中没有电流即没有产生电晕放电。当电压升到某一数值后，回路开始出现电流，说明电晕线周围的气体开始电离，即电晕放电开始。如果电压再次升高，电晕区域增大，电极间产生强烈火花，甚至有可能产生电弧，电极间气体会发生击穿现象，形成短路。此时的电压称为击穿电压。所以必须将电压保持在临界电压和击穿电压之间，保持电晕现象的稳定性，使颗粒物均匀带上电荷。
本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
其中：1、细粒子探头，2、低压串级撞击器，3、高压电极电场，4、空气净化器，5、气溶胶中和器，6、电晕放电器，7、保温干燥室，8、多通道静电计。
具体实施方式
以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提供的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。
如图1所示的一种对可吸入颗粒物分类并测量浓度的机构，包括细粒子探头、低压串级撞击器、高压电极电场、空气净化器、气溶胶中和器、电晕放电器、保温干燥室、多通道静电计，所述的细粒子采集探头1的一端依次连通保温干燥室7、气溶胶中和器5、电晕放电器6的一端，电晕放电器的另一端分为两路，一路依次连通低压串级撞击器2、多通道静电计8，另一路依次连通高压电极电场3、空气净化器4。
一种对可吸入颗粒物分类并测量浓度的机构的检测方法，包括以下步骤：
（1）细粒子探头1采集到的细粒子样气，在保温干燥室7进行温度的恒定与湿度的降低，再流经气溶胶中和器5去静电，后进入电晕放电器6；
（2）空气净化器4将采集到的常规空气净化为纯净气体，纯净气体进入高压电极电场3被电离为阳离子与自由电子；
（3）自由电子在电晕放电器6与细粒子样气碰撞形成电子雪崩，集结附着在细粒子表面，带上电荷的细粒子流经低压串级撞击器2，根据颗粒物的惯性按气动力学粒径将颗粒分成多个等级，各个粒径的带电细粒子沉积所产生的电流值由多通道静电计测得，根据各个粒径电流值反映出颗粒物浓度。
本发明按照标准数据接口设计，可以与多种外接设备兼容，应用于传感器、固定源检测设备、生产检测线分析仪、车载尾气监测仪、手持式便携检测仪，可以各种形式表现测量结果，为环境监测治理提供辅助支持和海量可靠数据。
Claims (2)
1. 一种对可吸入颗粒物分类并测量浓度的机构，包括细粒子探头、低压串级撞击器、高压电极电场、空气净化器、气溶胶中和器、电晕放电器、保温干燥室、多通道静电计，其特征在于：所述的细粒子采集探头的一端依次连通保温干燥室、气溶胶中和器、电晕放电器的一端，电晕放电器的另一端分为两路，一路依次连通低压串级撞击器、多通道静电计，另一路依次连通高压电极电场、空气净化器。
2.一种用于权利要求1所述的对可吸入颗粒物分类并测量浓度的机构的检测方法，其特征在于：包括以下步骤：
细粒子探头采集到的细粒子样气，在保温干燥室进行温度的恒定与湿度的降低，再流经气溶胶中和器去静电，后进入电晕放电器；
空气净化器将采集到的常规空气净化为纯净气体，纯净气体进入高压电极电场被电离为阳离子与自由电子；
自由电子在电晕放电器与细粒子样气碰撞形成电子雪崩，集结附着在细粒子表面，带上电荷的细粒子流经低压串级撞击器，根据颗粒物的惯性按气动力学粒径将颗粒分成多个等级，各个粒径的带电细粒子沉积所产生的电流值由多通道静电计测得，根据各个粒径电流值反映出颗粒物浓度。
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