CN106769707A - 一种势阱电压可调的颗粒物粒径谱测量装置及其测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种势阱电压可调的颗粒物粒径谱测量装置，包括颗粒物检测腔、采样气体入口、绝缘块、电离针、电离高压源、势阱电压器、势阱高压源、法拉第杯、多孔金属电极、出气口、静电计、真空泵、控制器、显示器和存储器，所述电离针接入电离高压源的高压后，形成电晕荷电区，所述势阱电压器接入势阱高压源的高压后，形成颗粒物分级区，所述法拉第杯与静电计构成电流检测区。本发明还提供一种势阱电压可调的颗粒物粒径谱测量装置的测量方法。本发明的测量装置体积小、集成度高、数字化显示，测量方法原理简单，为实现气溶胶颗粒物粒径谱的在线实时监测提供了技术保障。
Description
技术领域
本发明涉及大气环境检测技术领域，具体是一种势阱电压可调的颗粒物粒径谱测量装置及其测量方法。
背景技术
近年来，随着国际发展水平的不断上升，空气环境质量也变得更加恶化，人们对公共健康日益关注，尤其是对大气环境中的颗粒物变得格外重视。来自欧洲的一项研究称，长期接触空气中的污染颗粒会增加患肺癌的风险。另一项报告称，这些颗粒或其他空气污染物的浓度短期内还会上升。欧洲流行病学家发现，肺癌与局部地区的空气污染超细颗粒有明显的关联，因此有必要对环境中的超细颗粒物进行监测。
国际上传统检测颗粒物粒径谱一般采用惯性冲击法、光散射法和过滤法，此类方法很难精准检测300nm以下的细颗粒物。现在国际主流研究方法是通过电迁移原理检测大气细颗粒物，根据不同粒径的电迁移率不一致来分辨出不同粒径的粒子，然后根据捕获的带电量反演出粒子浓度大小，其在原理上没有粒径检测下限。
国际上最主要的公司例如TSI、MSP、Grimm公司的几款基于电迁移测量原理的颗粒物粒径谱测量仪都包括差分电迁移分析仪（DMA），需要零气发生装置或者洁净鞘气发生器，结构复杂，装置体积都比较庞大，无法便携式测量，价格也都很昂贵；通过DMA对各个粒径进行精确扫描来获取粒径谱，其响应时间都在一分钟以上。这类仪器一般只有科研院所或者一些专门的环境监测机构才有，很难向大众推广。
发明内容
本发明的目的在于提供一种势阱电压可调的颗粒物粒径谱测量装置及其测量方法，弥补现有细粒子粒径谱测量技术的不足，尤其是解决现有测量仪器体积庞大、结构复杂以及不能实时测量等问题。
本发明的技术方案为：
一种势阱电压可调的颗粒物粒径谱测量装置，包括颗粒物检测腔、设置在颗粒物检测腔前端的采样气体入口、均匀嵌入颗粒物检测腔前部侧壁中的若干绝缘块、穿透绝缘块的电离针、与电离针连接的电离高压源、设置在颗粒物检测腔内后部的势阱电压器、与势阱电压器连接的势阱高压源、设置在颗粒物检测腔后端的法拉第杯、设置在法拉第杯内部的多孔金属电极、设置在法拉第杯侧壁上的出气口、与多孔金属电极连接的静电计、与出气口连接的真空泵、其输入端与静电计的输出端连接的控制器、其输入端与控制器的输出端连接的显示器以及与控制器交互式连接的存储器；所述控制器的输出端与电离高压源、势阱高压源和真空泵的输入端连接；所述电离针接入电离高压源的高压后，形成电晕荷电区，所述势阱电压器接入势阱高压源的高压后，形成颗粒物分级区，所述法拉第杯与静电计构成电流检测区。
所述的势阱电压可调的颗粒物粒径谱测量装置，还包括放电电流检测单元，所述放电电流检测单元的输出端与控制器的输入端连接，用于将电离针在电晕放电状态下产生的电流实时反馈给控制器。
所述的一种势阱电压可调的颗粒物粒径谱测量装置的测量方法，包括以下步骤：
a、控制器控制真空泵将采样气流通过采样气体入口抽吸至颗粒物检测腔，采样气流首先进入电晕荷电区，采样气流中的颗粒物与经电离针电晕放电产生的单极性带电离子发生混合碰撞，使得颗粒物带电，之后混合着自由单极性带电离子和带电颗粒物的采样气流进入颗粒物分级区；
b、势阱电压器去除采样气流中混合的自由单极性带电离子，同时控制器根据存储器中预存的各固定粒径与截止电压的标定关系，实时调节势阱高压源由小到大依次输出各固定粒径对应的截止电压作为势阱电压器的分级扫描电压；
c、在某一分级扫描电压下，势阱电压器捕获其粒径在该分级扫描电压对应的固定粒径以下的带电颗粒物，而其粒径大于该分级扫描电压对应的固定粒径的带电颗粒物则随着采样气流进入法拉第杯，其所带的电荷转移至多孔金属电极上；
d、采样气流经过法拉第杯后从出气口流出，控制器获取静电计检测的多孔金属电极上的电流值，根据浓度计算公式反演得到其粒径大于该分级扫描电压对应的固定粒径的颗粒物浓度；
e、重复步骤c和d，得到每个分级扫描电压下，其粒径大于该分级扫描电压对应的固定粒径的颗粒物浓度；
f、将得到的其粒径大于各固定粒径的颗粒物浓度两两相邻做差值，即得到其粒径在相邻固定粒径之间的颗粒物浓度，进而绘制出采样气流中的颗粒物粒径分布图谱。
所述的势阱电压可调的颗粒物粒径谱测量装置的测量方法，步骤b中，所述各固定粒径与截止电压的标定关系，通过以下步骤获得：
b1、利用零气系统产生零气并输入所述测量装置，测量无粒子状态下该装置的背景电流值，作为该装置的基底电流值；
b2、利用单分散气溶胶发生器产生某一固定粒径的带电粒子并输入所述测量装置，调节势阱电压器提供的势阱电压，通过显示器观察静电计检测的电流值变化，将静电计检测的电流值到达基底电流值时的势阱电压作为该固定粒径对应的截止电压；
b3、再利用单分散气溶胶发生器产生其粒径比前次标定的粒径大固定值的带电粒子，重复上述步骤，获取其对应的截止电压，多次标定得到各固定粒径对应的截止电压，并将各固定粒径与截止电压的标定关系存储于存储器中。
所述的势阱电压可调的颗粒物粒径谱测量装置的测量方法，步骤f中，所述颗粒物粒径分布图谱在显示器上显示，并保存在存储器中。
所述的势阱电压可调的颗粒物粒径谱测量装置的测量方法，还包括以下步骤：通过将所述电离针在电晕放电状态下产生的电流实时反馈给控制器来改变电离高压源的输出电压，以保证所述电流恒定。
本发明的有益效果为：
（1）本发明的测量装置与传统的DMA装置有本质区别，无需使用清洁鞘气，没有鞘气入口装置，也无需配套使用零气发生器或者洁净鞘气发生器，简化了测量仪器的结构，降低了装置生产制作成本；
（2）本发明的测量方法与传统测量方法相比，极大地节约了测量时间，能够在很短的时间内获取粒径分布浓度，可用于颗粒物粒径的快速测量场合，如移动源排放尾气颗粒物粒径的实时快速检测；
（3）本发明的测量方法基于粒子电迁移理论，可检测出纳米级别的颗粒物，理论上没有检测粒径下限，同时无需工作液和温控系统且具有更短的响应时间；
（4）本发明的测量装置操作简单、集成度高、数字化显示，同时安装过程也极为方便，适用于携带检测。
附图说明
图1是本发明的装置结构示意图；
图2是本发明的装置标定时的电流随势阱电压变化图；
图3是采用本发明的装置测量时的粒径分布示意图；
图4是采用本发明的装置测量时的电流与势阱电压示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例进一步说明本发明。
如图1所示，一种势阱电压可调的颗粒物粒径谱测量装置，包括颗粒物检测腔1、采样气体入口2、绝缘块3、电离针4、电离高压源5、势阱电压器6、势阱高压源7、法拉第杯8、多孔金属电极9、出气口10、静电计11、真空泵12、控制器13、显示器14、存储器15和放电电流检测单元16。采样气体入口2设置在颗粒物检测腔1的前端；绝缘块3有若干个，均匀嵌入颗粒物检测腔1的前部侧壁中；电离针4的一端穿透绝缘块3进入颗粒物检测腔1的内前部，一端与电离高压源5连接；电离针4接入电离高压源5的高压后，其针尖周边形成电晕荷电区。
势阱电压器6设置在颗粒物检测腔1的内后部，连接势阱高压源7；势阱电压器6接入势阱高压源7的高压后，形成颗粒物分级区。法拉第杯8设置在颗粒物检测腔1的后端，多孔金属电极9设置在法拉第杯8的内部，出气口10设置在法拉第杯8的侧壁上，并与真空泵12连接。静电计11的输入端与多孔金属电极9连接，静电计11的输出端与控制器13的输入端连接。法拉第杯8与静电计11构成电流检测区。控制器13的输出端与电离高压源5的输入端、势阱高压源7的输入端、真空泵12的输入端、显示器14的输入端连接，控制器13与存储器15交互式连接，电离针4通过放电电流检测单元16与控制器13的输入端连接。
一种势阱电压可调的颗粒物粒径谱测量装置的测量方法，包括以下步骤：
S1、控制器13控制真空泵12将采样气流通过采样气体入口2抽吸至颗粒物检测腔1，采样气流首先进入电晕荷电区，采样气流中的颗粒物与经电离针4电晕放电产生的单极性带电离子发生混合碰撞，使得颗粒物带电，之后混合着自由单极性带电离子和带电颗粒物的采样气流进入颗粒物分级区；采用放电电流检测单元16将电离针4在电晕放电状态下产生的电流实时反馈给控制器13来改变电离高压源5的输出电压，以保证电离针4在电晕放电状态下产生的电流恒定。
S2、势阱电压器6去除采样气流中混合的自由单极性带电离子，同时控制器13根据存储器15中预存的各固定粒径与截止电压的标定关系，实时调节势阱高压源7由小到大依次输出各固定粒径对应的截止电压作为势阱电压器6的分级扫描电压；
其中，截止电压是指同一粒径的粒子被势阱电压器6所能捕捉到的最小电压，各固定粒径与截止电压的标定关系，通过以下步骤获得：
S21、利用零气系统产生零气并输入所述测量装置，测量无粒子状态下该装置的背景电流值，作为该装置的基底电流值；
S22、利用单分散气溶胶发生器产生某一固定粒径的带电粒子并输入所述测量装置，调节势阱电压器6提供的势阱电压，通过显示器14观察静电计11检测的电流值变化，将静电计11检测的电流值到达基底电流值时的势阱电压作为该固定粒径对应的截止电压；
S23、再利用单分散气溶胶发生器产生其粒径比前次标定的粒径大固定值的带电粒子，重复上述步骤，获取其对应的截止电压，多次标定得到各固定粒径对应的截止电压，并将各固定粒径与截止电压的标定关系存储于存储器15中。
S3、在某一分级扫描电压下，势阱电压器6捕获其粒径在该分级扫描电压对应的固定粒径以下的带电颗粒物，而其粒径大于该分级扫描电压对应的固定粒径的带电颗粒物则随着采样气流进入法拉第杯8，其所带的电荷转移至多孔金属电极9上。
S4、采样气流经过法拉第杯8后从出气口10流出，控制器13获取静电计11检测的多孔金属电极9的电流值，根据浓度计算公式反演得到其粒径大于该分级扫描电压对应的固定粒径的颗粒物浓度。其中，浓度为数目浓度，下同，也可根据等效换算关系得到颗粒物质量浓度和粒子表面积。
S5、重复步骤S3和S4，得到每个分级扫描电压下，其粒径大于该分级扫描电压对应的固定粒径的颗粒物浓度。
S6、将得到的其粒径大于各固定粒径的颗粒物浓度两两相邻做差值，即得到其粒径在相邻固定粒径之间的颗粒物浓度，进而绘制出采样气流中的颗粒物粒径分布图谱，在显示器14上显示，并保存在存储器15中。
本发明的工作原理：
操作人员首先对本发明的测量装置进行标定，以获取不同固定粒径对应的截止电压，标定的具体过程如下：
目标是获取不同固定粒径对应的截止电压，首先利用零气系统产生零气并将产生的零气输入本发明的测量装置，测量无粒子下的装置背景电流值，以此电流值为基底电流值，默认此时的电流值对应的粒子数为零；接着利用单分散气溶胶发生器产生某一固定粒径的带电粒子输入本发明的测量装置，调节势阱电压，通过显示器14观察静电计11检测的电流值变化，如图2所示，随着势阱电压的增大，静电计11检测的电流值会逐渐变小，最终到达基底电流值时，再增大势阱电压，静电计11检测的电流值会保持不变，此时的势阱电压即为此时输入固定粒径对应的截止电压；再利用单分散气溶胶发生器产生其粒径比前次标定的粒径大固定值的粒子，重复上述步骤，获取其对应的截止电压，针对不同粒径图谱的不同需求，粒径间隔可为20nm到100nm之间，针对要求更高的粒径图谱，可选取间隔为20nm的粒径进行标定，获取对应的截止电压，多次标定不同固定粒径的标准粒子得到其对应的截止电压，最后将不同固定粒径的粒子对应的截止电压存储于存储器15中。
接入电离高压源5的高压后，电离针4电晕放电，其针尖周边形成电晕荷电区；控制器13控制真空泵12将带有颗粒物的采样气流通过采样气体入口2抽吸至颗粒物检测腔1，采样气流首先进入电晕荷电区，其中的颗粒物与经电离针4电晕放电产生的单极性带电离子发生混合碰撞，碰撞后单极性带电离子附着在颗粒物上，使颗粒物带电，之后混合着自由单极性带电离子和带电颗粒物的采样气流进入由势阱电压器6接入势阱高压源7的高压后形成的颗粒物分级区。
势阱电压器6通过势阱高压源7提供不同的势阱电压，首先将采样气流中混合的多余单极性带电离子去除，由于不同粒径带电颗粒物的电迁移率不同，在同一电场中受到的电迁移力不一致导致带电颗粒物在电场中运动速度不一致，带电颗粒物在电场中受到电迁移力的作用沿着电场线的方向运动，同时由于采样气流的流速作用，带电颗粒物会向势阱电压器6运动，粒径越小的带电颗粒物，其电迁移率越大，所以最先被势阱电压器6捕获，被捕获的带电颗粒物会发生电荷转移，最后变为中性颗粒物。
势阱电压越大，势阱电压器6捕获的带电颗粒物粒径越大，采样气流经过势阱电压器6后从出气口10流走。静电计11通过检测法拉第杯8里面的多孔金属电极9的电流便可以获取其粒径大于势阱电压器6实时提供势阱电压所对应的固定粒径的颗粒物浓度。如图3所示，粒径谱是一个连续状态的曲线，可以等分为连续的柱状图表示，通过势阱电压器6提供不同的势阱电压，计算其粒径处于相邻两势阱电压对应的固定粒径之间的颗粒物浓度。
如图4所示，通过势阱电压器6提供固定粒径D1、D2对应的截止电压V1、V2，获取此时对应的电流值，减去基底电流值反演得到此时相应的颗粒物浓度C1、C2，两者做差，得到两个固定粒径D1、D2之间粒径的颗粒物浓度C2-C1，可近似等效为一种粒径的颗粒物浓度，多次计算便可以获取多个固定粒径之间的颗粒物浓度，势阱电压差值越小，获取颗粒物浓度的两个固定粒径差便会越小，当势阱电压器6提供的势阱电压成连续状态时，对应的固定粒径也会是连续状态，获取的颗粒物浓度差便可等效为一种粒径下的颗粒物浓度，最终通过控制器13计算获取此时的颗粒物粒径分布。
在实际测量粒径分布时，控制器13控制真空泵12抽吸采样气流进入颗粒物检测腔1；控制器13调节势阱高压源7，使得势阱电压器6提供的势阱电压为各固定粒径对应的截止电压；控制器13获取静电计11检测的电流值，并存储于存储器15中；控制器13调取存储器15中的数值，并进行相关计算，得出相邻两个固定粒径之间的颗粒物浓度，即可得到此时采样气流中的颗粒物粒径分布图谱。
以上所述实施方式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，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。
Claims (6)
1.一种势阱电压可调的颗粒物粒径谱测量装置，其特征在于：包括颗粒物检测腔（1）、设置在颗粒物检测腔（1）前端的采样气体入口（2）、均匀嵌入颗粒物检测腔（1）前部侧壁中的若干绝缘块（3）、穿透绝缘块（3）的电离针（4）、与电离针（4）连接的电离高压源（5）、设置在颗粒物检测腔（1）内后部的势阱电压器（6）、与势阱电压器（6）连接的势阱高压源（7）、设置在颗粒物检测腔（1）后端的法拉第杯（8）、设置在法拉第杯（8）内部的多孔金属电极（9）、设置在法拉第杯（8）侧壁上的出气口（10）、与多孔金属电极（9）连接的静电计（11）、与出气口（10）连接的真空泵（12）、其输入端与静电计（11）的输出端连接的控制器（13）、其输入端与控制器（13）的输出端连接的显示器（14）以及与控制器（13）交互式连接的存储器（15）；所述控制器（13）的输出端与电离高压源（5）、势阱高压源（7）和真空泵（12）的输入端连接；所述电离针（4）接入电离高压源（5）的高压后，形成电晕荷电区，所述势阱电压器（6）接入势阱高压源（7）的高压后，形成颗粒物分级区，所述法拉第杯（8）与静电计（11）构成电流检测区。
2.根据权利要求1所述的势阱电压可调的颗粒物粒径谱测量装置，其特征在于：还包括放电电流检测单元（16），所述放电电流检测单元（16）的输出端与控制器（13）的输入端连接，用于将电离针（4）在电晕放电状态下产生的电流实时反馈给控制器（13）。
3.根据权利要求1所述的一种势阱电压可调的颗粒物粒径谱测量装置的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
a、控制器（13）控制真空泵（12）将采样气流通过采样气体入口（2）抽吸至颗粒物检测腔（1），采样气流首先进入电晕荷电区，采样气流中的颗粒物与经电离针（4）电晕放电产生的单极性带电离子发生混合碰撞，使得颗粒物带电，之后混合着自由单极性带电离子和带电颗粒物的采样气流进入颗粒物分级区；
b、势阱电压器（6）去除采样气流中混合的自由单极性带电离子，同时控制器（13）根据存储器（15）中预存的各固定粒径与截止电压的标定关系，实时调节势阱高压源（7）由小到大依次输出各固定粒径对应的截止电压作为势阱电压器（6）的分级扫描电压；
c、在某一分级扫描电压下，势阱电压器（6）捕获其粒径在该分级扫描电压对应的固定粒径以下的带电颗粒物，而其粒径大于该分级扫描电压对应的固定粒径的带电颗粒物则随着采样气流进入法拉第杯（8），其所带的电荷转移至多孔金属电极（9）上；
d、采样气流经过法拉第杯（8）后从出气口（10）流出，控制器（13）获取静电计（11）检测的多孔金属电极（9）上的电流值，根据浓度计算公式反演得到其粒径大于该分级扫描电压对应的固定粒径的颗粒物浓度；
e、重复步骤c和d，得到每个分级扫描电压下，其粒径大于该分级扫描电压对应的固定粒径的颗粒物浓度；
f、将得到的其粒径大于各固定粒径的颗粒物浓度两两相邻做差值，即得到其粒径在相邻固定粒径之间的颗粒物浓度，进而绘制出采样气流中的颗粒物粒径分布图谱。
4.根据权利要求3所述的势阱电压可调的颗粒物粒径谱测量装置的测量方法，其特征在于，步骤b中，所述各固定粒径与截止电压的标定关系，通过以下步骤获得：
b1、利用零气系统产生零气并输入所述测量装置，测量无粒子状态下该装置的背景电流值，作为该装置的基底电流值；
b2、利用单分散气溶胶发生器产生某一固定粒径的带电粒子并输入所述测量装置，调节势阱电压器（6）提供的势阱电压，通过显示器（14）观察静电计（11）检测的电流值变化，将静电计（11）检测的电流值到达基底电流值时的势阱电压作为该固定粒径对应的截止电压；
b3、再利用单分散气溶胶发生器产生其粒径比前次标定的粒径大固定值的带电粒子，重复上述步骤，获取其对应的截止电压，多次标定得到各固定粒径对应的截止电压，并将各固定粒径与截止电压的标定关系存储于存储器（15）中。
5.根据权利要求3所述的势阱电压可调的颗粒物粒径谱测量装置的测量方法，其特征在于，步骤f中，所述颗粒物粒径分布图谱在显示器（14）上显示，并保存在存储器（15）中。
6.根据权利要求3所述的势阱电压可调的颗粒物粒径谱测量装置的测量方法，其特征在于，还包括以下步骤：采用放电电流检测单元（16）将电离针（4）在电晕放电状态下产生的电流实时反馈给控制器（13）来改变电离高压源（5）的输出电压，以保证所述电晕放电电流的恒定。
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