CN106769739B - 一种测定雾霾带电颗粒百分比的系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测定雾霾带电颗粒百分比的系统，包括一个进气口，一个出气口和一个电场发生器。所述进气口设有四个测量孔，所述出气口设有四个测量孔和一个抽气风扇，所述电场发生器包括导电极板、屏蔽箱、灰斗、固定卡槽和并联导线五部分。所述导电极板两面贴有绝缘薄膜，所述屏蔽箱包含两层，中间用绝缘泡沫隔开，内侧也贴有绝缘薄膜，所述导电极板每隔一个用并联导线连接，并最后各自引出一条导线。本发明所述一种测定雾霾带电颗粒百分比的系统，通过测量进气口和出气口的质量分数浓度，可以实现对雾霾带电颗粒百分比进行实时测量。

Description

一种测定雾霾带电颗粒百分比的系统

技术领域

本发明属于大气科学领域，特别涉及一种能够测定雾霾带电颗粒百分比的系统。

背景技术

雾霾是由雾滴和霾粒共同组成的复杂气溶胶系统，雾霾天气发生时，能见度急剧下降，影响航班起降，造成道路拥堵甚至发生交通事故。同时大气污染加剧，不仅对人的呼吸系统、免疫系统、心脑血管系统等造成严重影响，而且对工业、农业、养殖业、旅游业等造成严重影响，甚至影响国民经济发展、破坏生态系统平衡。尤其是雾霾天气时大气中的气溶胶使空气混浊，很多有害物质会随着人的呼吸进入人体，且进入人体后不易排出，会停留在肺泡造成危害，长期吸入易致咳嗽、胸闷、流涕、咽炎、鼻炎、支气管炎等症甚至引发各种癌症。由害之大此可见，雾霾的影响之深、危。我们必须对此进行深入研究，以求早日解决这一问题。

针对雾霾这一问题，许多学者提出了不同的治理措施，比如有些学者研究发现雾霾期间各种微生物活动对雾霾的形成和发展都有影响，他们认为应以大气环境与生物科学协同努力研究与防治雾霾；有些学者则认为可以大力发展生物质能、太阳能等清洁能源代替化石能源；有人研究发现雾霾中含有大量重金属离子，对人体健康造成严重威胁，因此应大量建设城市绿化带，发挥植物吸收重金属的作用；有人认为应该加强坏境科普知识，大力发展公共交通工具，加强体育锻炼，提高自身免疫力等；有人认为应该设定机动车排放标准，机动车加装尾气净化装置后再上路；还有人认为燃煤应该脱硫、脱硝后再使用，工业废气应脱硫、脱硝后再排放。但这些措施治标不治本，追根究底，雾霾还是要从源头着手，加快推进产业结构和布局调整，推进节能减排。

目前空气净化领域的净化方式主要有过滤法、吸附法、负离子法、低温等离子法、新风法等。其中过滤法和吸附法是比较传统的净化方法。其优点是构造简单，方便易用；其缺点是不能长时间连续净化空气，使用一段时间后必须对滤网清理或者更换吸附剂，不管从便利还是经济角度都不是理想的选择。负离子法的原理是空气中的气体分子当受到能量激发时，其外层电子可跃出轨道形成正离子。跃出的自由电子附着在另一气体分子上，就形成了负离子。人工产生负离子的方法有紫外线照射、热离子发射、放射性物质辐射、电荷分离、高压水喷射和电晕放电等六种。其优点是能除去空气中的尘埃、花粉、细菌、烟雾、异味等污染物，其缺点是易使尘埃吸附在墙纸和玻璃等表面，不能清除出室内。同时，由于通常使用的离子发生器会伴有臭氧产生，负离子浓度过高过低都会失去自然平衡，这种状况持续过久会影响人体健康。低温等离子法的优点是可以处理空气中较低浓度的挥发性有机物及微生物。其缺点是不能彻底降解污染物，且往往伴有其他副产物以及臭氧的产生，从而引起二次污染。新风法的优点是可以有效驱除有害气体和防霉除异味，缺点是需要定期更换过滤网，如果不定期更换过滤网，很可能成为室内的污染源。

近年来，有人发现雾霾会对输电线路和冲击放电路径有影响，于是一些学者研究发现雾霾是带电的。ErkkiLamminenet al.(2011)的研究指出，原有粒子在空气中近似呈电中性，而新排放或反应生成的粒子会因粒径大小、材料及生成方法的不同而带不同的电量，尤其是高温和碰撞会使粒子的带电量急剧增加。因此，考虑静电除霾方式，荷兰艺术家达恩·罗塞加德提出了一项利用静电吸附原理治理雾霾的方法。然而，如今市场上的静电除霾器和静电除尘器都是利用负离子法在极板一侧利用高压电源将空气电离来产生带电颗粒，因而本质上还是负离子法。

发明内容

本发明的目的是提供一种测定雾霾带电颗粒百分比的系统，以实现在城市制造大范围电场来实现大面积高效降低雾霾天污染指数的可行性研究。

本发明提供的技术方案为：

一种测定雾霾带电颗粒百分比的系统，包括电场发生器及其两端的进气口和出气口，所述电场发生器包括：

屏蔽箱，其设置成两端开口的空心长方体；

金属极板，其在屏蔽箱内沿竖直方向布置，所述金属极板设置有多个，并且等间距平行布置，所述金属极板分为阳极板和阴极板，所述阳极板和阴极板依次间隔排列，所述阳极板通过导线依次连通并且连接到直流电源正极，所述阴极板通过另一个导线依次连通并且连接到直流电源负极；

灰斗，其设置在所述金属极板下方，用来收集落下的尘埃；

所述进气口处设置有进气测量孔，所述出气口处设置有出气测量孔，所述进气测量孔和出气测量孔与测量雾霾质量分数浓度的粉尘仪相连接；

所述出气口处设置有抽气风扇，以使空气经进气口流入到电场发生器中，并从相邻两个金属极板间流过，最终从所述出气口流出。

优选的是，整个系统可拆卸，便于携带和运输，便于清理。

优选的是，所述电场发生器可通过调整极板间距和输入电流来控制匀强电场的大小。

优选的是，所述屏蔽箱采用双层机构，内层内侧贴有绝缘薄膜，外层接地，内外层之间用绝缘泡沫填充。

优选的是，所述金属极板的两侧分别贴有绝缘薄膜。

优选的是，所述进气口包括进气段和进气测量段，所述进气段呈收缩状，所述进气测量段的四个端面中心处分别设置有进气测量孔。

优选的是，所述出气口包括出气测量段和出气段，所述出气段呈扩张状，所述出气测量段的四个端面中心处分别设置有出气测量孔。

优选的是，所述抽气风扇设置在出气测量段和出气段之间。

优选的是，所述屏蔽箱内两端的顶部和底部分别固定设置有卡槽，所述卡槽上沿长度方向等间距设置有多个凹槽，所述金属极板上下两端分别与所述凹槽配合固定。

优选的是，所述卡槽采用绝缘塑料材质制成。

优选的是，所述卡槽上相邻两个凹槽之间的距离为10mm。

优选的是，所述灰斗呈上部开口的空心箱体状，并且采用绝缘塑料材质制成。

本发明的有益效果为：本发明提供了一种测定雾霾带电颗粒百分比的系统，具有结构简单，可拆卸，操作方便等优势，能够通过测量进气口和出气口的质量分数浓度，实现对雾霾带电颗粒百分比进行实时测量。

附图说明

图1为本发明所述的测定雾霾带电颗粒百分比的系统总体结构示意图。

图2为本发明所述的金属极板结构示意图。

图3为本发明所述的带电颗粒受力分析示意图。

图4为加电场前后出气口处粉尘浓度比较示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

如图1所示，本发明提供了一种测定雾霾带电颗粒百分比的系统，用于测量和计算雾霾带电颗粒百分比，包括电场发生器110、进气口120、出气口130三部分，其中进气口120和出气口130分别位于电场发生器110的左右两端。

所述电场发生器110主要由金属极板111、外部屏蔽箱112、灰斗113、固定用卡槽114和并联各极板的导线115组成。

所述外部屏蔽箱112呈两端开口的空心长方体，其为双层结构，内层为540mm×520mm×550mm的不锈钢箱体，两端开口；外层为540mm×560mm×590mm的不锈钢箱体，两端开口。内层内侧贴绝缘薄膜，外层接地，内外层之间用绝缘泡沫填充。

所述屏蔽箱112内两端顶部和底部分别设置有卡槽114，所述卡槽114采用500mm×20mm×20mm的硬塑料长方体，其中间每隔一定距离设一1mm的凹槽，用来固定所述金属极板111。

所述金属极板111采用500mm×500mm的不锈钢板，其厚度为1mm，所述金属极板111竖直布置，上下两端分别卡入到卡槽114上的凹槽内。所述金属极板111设置有多个，相互平行设置。所述卡槽4各凹槽间距10mm，即相邻两个金属极板111之间的最小距离为10mm。如图2所示，所述金属极板111两侧贴有绝缘薄膜116，形成一个三层结构，防止颗粒接触壁面后失去电荷从而被风吹起造成二次扬尘影响测量结果。

所述灰斗113为500mm×500mm×10mm，上部开口的塑料箱体，其设置在金属极板111的下方，用来收集落下的颗粒物。

将多个相互平行设置的金属极板111分为阳极板和阴极板，所述阳极板和阴极板依次间隔排列。使用导线115将全部的阳极板依次连通，并连接到直流电源正极。使用另一个导线将全部的阴极板依次连通，并连接到直流电源负极，从而在金属极板111间产生匀强电场。

所述进气口120设置在电场发生器110的左端，所述进气口120由进气段和测量段组成，所述进气口120由进气段和测量段组成。所述进气段采用一端尺寸为540mm×540mm，另一端尺寸为500mm×500mm，高为100mm的不锈钢棱柱体，两头开口，即进气段呈收缩状。所述测量段采用500mm×500mm×100mm的不锈钢箱体，两端开口，在测量段四个面的中心处分别设置有直径为10mm的进气测量孔121。

所述出气口130设置在电场发生器110的右端，所述出气口130由测量段和出气段组成。所述测量段采用500mm×500mm×100mm的不锈钢箱体，两头开口，位于测量段四个面的几何中心设置有出气测量孔131。所述出气段采用500mm×500mm×100mm的不锈钢箱体，两头开口。所述测量段和出气段中间连接一500mm×500mm×100mm的抽气风扇132。

进气测量孔121和出气测量孔131与粉尘仪相连接，通过粉尘仪测量空气中粉尘浓度。

本发明提供的测定雾霾带电颗粒百分比的系统具体实施步骤为：

首先，设定需要测量的空间距离，将极板通过固定卡槽固定为所需间距，将各极板间隔互相并联形成阴阳两极，并引出两根导线。然后，将仪器各部分按图1组合，将阴阳极引出的导线与直流变压电源连接，给抽气风扇接上220V交流电源，将进气口和出气口的测量孔与粉尘仪连接。最后接通抽气风扇和粉尘仪电源，待稳定后打开直流变压电源，调整到需要测量的电压值使极板间产生匀强电场并开始记录测量数据。

测量一段时间后便可得到两组不同的粉尘浓度数据，则可计算得到雾霾中带电颗粒百分比为：

为进气口粉尘浓度，/>为出气口粉尘浓度。

如图3所示，带电颗粒受力分析如下：

流向：受抽气风扇牵引力F和空气阻力f作用

运动状态：

展向：受电场力，其中/>

运动状态：

垂向：受重力

运动状态：

消去，并令/>，则/>

其中为颗粒沿流向运动的距离，/>为颗粒初速度，/>为极板间的电压，/>为颗粒质量，/>为极板间距离，/>为颗粒沿展向运动的距离，/>为颗粒沿垂向运动的距离，/>为重力加速度，/>为颗粒荷质比。

我们考虑最远处的颗粒运动情况，即

（为极板间距离，/>为极板高度，/>为极板长度）

在极板高度H，极板长度L，风扇牵引力F，空气阻力f，颗粒荷质比Q和颗粒初速度v₀不变的情况下，可根据以上公式来调整极板间距和电压大小来确定所需电场强度。

如图4所示，初始情况下，将抽气风扇132开启，但不为金属极板111通电，测量出气口130处的粉尘浓度。经过一定时间后，为金属极板111通电，查看出气口130处的粉尘浓度的变化。在图4中，可知，雾霾中带电颗粒的比重可达到50%左右。

综上所述，本发明上述实施例的一种测定雾霾带电颗粒百分比的系统，包括一个进气口、一个出气口和一个电场发生器，所述电场发生器的阴阳极板间距可调，所述电场发生器下置有灰斗用于收集静电除霾产生的灰尘，所述电场发生器外为屏蔽箱，用于屏蔽外电场的影响。所述电场发生器的阴阳极各引出一根导线与直流变压电源相连，则可通过调节直流变压电源的输出电压来调整极板间的匀强电场强度。粉尘仪通过导管与测量孔连接，通过进出口测量孔的粉尘浓度便可测量出雾霾中带电颗粒的百分比。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (10)

1.一种测定雾霾带电颗粒百分比的系统，其特征在于，包括电场发生器及其两端的进气口和出气口，所述电场发生器包括：

屏蔽箱，其设置成两端开口的空心长方体；

金属极板，其在屏蔽箱内沿竖直方向布置，所述金属极板设置有多个，并且等间距平行布置，所述金属极板分为阳极板和阴极板，所述阳极板和阴极板依次间隔排列，所述阳极板通过导线依次连通并且连接到直流电源正极，所述阴极板通过另一导线依次连通并且连接到直流电源负极；

灰斗，其设置在所述金属极板下方，用来收集落下的尘埃；

所述进气口处设置有进气测量孔，所述出气口处设置有出气测量孔，所述进气测量孔和出气测量孔与测量雾霾质量分数浓度的粉尘仪相连接；

所述出气口处设置有抽气风扇，以使空气经进气口流入到电场发生器中，并从相邻两个金属极板间流过，最终从所述出气口流出；

所述颗粒最远运动情况为：

L为极板长度，v₀为初速度，U为极板间的电压，D为极板间距离，g为重力加速度，F为抽气风扇牵引力，f为空气阻力，Q为颗粒荷质比，H为极板高度，

通过以上公式调整极板间距和电压大小，来确定所需电场强度。

2.根据权利要求1所述的测定雾霾带电颗粒百分比的系统，其特征在于，所述屏蔽箱采用双层机构，内层内侧贴有绝缘薄膜，外层接地，内外层之间用绝缘泡沫填充。

3.根据权利要求1所述的测定雾霾带电颗粒百分比的系统，其特征在于，所述金属极板的两侧分别贴有绝缘薄膜。

4.根据权利要求1所述的测定雾霾带电颗粒百分比的系统，其特征在于，所述进气口包括进气段和进气测量段，所述进气段呈收缩状，所述进气测量段的四个端面中心处分别设置有进气测量孔。

5.根据权利要求4所述的测定雾霾带电颗粒百分比的系统，其特征在于，所述出气口包括出气测量段和出气段，所述出气段呈扩张状，所述出气测量段的四个端面中心处分别设置有出气测量孔。

6.根据权利要求5所述的测定雾霾带电颗粒百分比的系统，其特征在于，所述抽气风扇设置在出气测量段和出气段之间。

7.根据权利要求1所述的测定雾霾带电颗粒百分比的系统，其特征在于，所述屏蔽箱内两端的顶部和底部分别固定设置有卡槽，所述卡槽上沿长度方向等间距设置有多个凹槽，所述金属极板上下两端分别与所述凹槽配合固定。

8.根据权利要求7所述的测定雾霾带电颗粒百分比的系统，其特征在于，所述卡槽采用绝缘塑料材质制成。

9.根据权利要求8所述的测定雾霾带电颗粒百分比的系统，其特征在于，所述卡槽上相邻两个凹槽之间的距离为10mm。

10.根据权利要求1所述的测定雾霾带电颗粒百分比的系统，其特征在于，所述灰斗呈上部开口的空心箱体状，并且采用绝缘塑料材质制成。