CN109709006B - 一种耐温型超细颗粒物粒径分级检测装置及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种耐温型超细颗粒物粒径分级检测装置及其检测方法。检测装置包括耐温荷电模块、粒径分级检测模块和主控制模块。耐温荷电模块包括耐温荷电壳体、电晕针组件、鞘气保护罩和金属半球壳体。粒径分级检测模块包括粒径分级检测腔体、上电极、下电极、第一多孔板、第二多孔板、耐温法拉第杯壳体和多孔金属电极。主控制模块包括放大器、静电计、控制器、扫描电压模块、电晕电压模块和耐温真空泵模块。本发明能够弥补现有高温超细颗粒物测量技术的不足，尤其能解决现有测量设备结构复杂、体积庞大以及无法实现高温超细颗粒物粒径谱的直接在线测量的问题。

Description

一种耐温型超细颗粒物粒径分级检测装置及其检测方法

技术领域

本发明涉及高温固定源和移动源超细颗粒物分级检测技术领域，具体涉及一种耐温型超细颗粒物粒径分级检测装置及其检测方法。

背景技术

近年来随着经济发展水平的不断上升，空气污染情况不断恶化，人们逐渐把目光投向大气污染领域。治理大气污染，最重要的还是源头减排。其中，燃烧源超细颗粒物排放的控制已经成为当前大气污染防控的重点工作之一。

常温环境下超细颗粒物粒径分布的测量方法研究方面，国际上常采用电迁移分级方法。电迁移分级方法根据不同粒径粒子的电迁移率不一致来分辨不同粒径的粒子，然后根据检测的带电量反演出粒子浓度大小，其在原理上没有检测下限。

目前，现有的超细颗粒物粒径测量装置，通常采用同心圆柱式DMA电迁移分级装置，该装置对加工和装配精度要求高，一定的系统参数偏差会导致扩散系数变大、粒径分辨率降低等问题，且在进行高温超细颗粒物粒径谱测量时需要将样气稀释降温到50℃以下，可能会导致颗粒物凝并增长，从而降低了粒径谱的实际测量精度，无法实现高温超细颗粒物粒径谱的直接在线测量。此外，高温环境下超细颗粒物存在显著的扩散效应，颗粒物荷电和电迁移特性与粒径分布的相互关系也存在不明确等问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种耐温型超细颗粒物粒径分级检测装置及其检测方法，该检测装置及其检测方法能够弥补现有高温超细颗粒物测量技术的不足，尤其能解决现有测量设备结构复杂、体积庞大以及无法实现高温超细颗粒物粒径谱的直接在线测量的问题。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种耐温型超细颗粒物粒径分级检测装置，包括耐温荷电模块和粒径分级检测模块。

所述耐温荷电模块包括耐温荷电壳体、安装在耐温荷电壳体底部内侧的电晕针组件、罩设在电晕针组件外侧的鞘气保护罩和安装在耐温荷电壳体上端开口处的金属半球壳体；所述金属半球壳体的顶部开设有荷电样气进气口；所述耐温荷电壳体的底部开设有第一样气出气口；所述鞘气保护罩的下端开设有荷电鞘气进气口，鞘气保护罩的顶部开设有荷电鞘气出气口；所述电晕针组件包括安装在耐温荷电壳体底部内侧的耐温绝缘块、安装在耐温绝缘块上的铜柱和安装在铜柱顶端的电晕针。

所述粒径分级检测模块包括粒径分级检测腔体、设置在粒径分级检测腔体中段顶部内壁上的上电极以及设置在粒径分级检测腔体中段底部内壁上且与上电极正对设置的下电极；所述粒径分级检测腔体的左右两端内部均安装有从外向内依次设置的第一多孔板和第二多孔板；所述第一多孔板和第二多孔板均包括多孔板主体和开设在多孔板主体上的若干均匀分布的通气孔；所述粒径分级检测腔体的左右两端均为外窄内宽的喇叭形；所述粒径分级检测腔体，其中段顶部开设有与第一样气出气口相连通的样气进气口，其中段底部开设有分级样气出气口，其左端开设有鞘气进气口，其右端开设有鞘气出气口；所述粒径分级检测腔体的底部安装有位于分级样气出气口正下方的耐温法拉第杯壳体；所述耐温法拉第杯壳体内部安装有多孔金属电极，耐温法拉第杯壳体的底部开设有第二样气出气口。

该装置还包括主控制模块；所述主控制模块包括放大器、静电计、控制器、扫描电压模块、电晕电压模块和耐温真空泵模块；所述放大器的输入端接多孔金属电极，输出端接静电计的输入端；所述静电计的输出端接控制器的输入端；所述控制器的输出端分别接扫描电压模块的输入端、电晕电压模块的输入端、耐温真空泵模块的输入端；所述扫描电压模块的输出端分别接上电极和下电极；所述电晕电压模块的输出端接铜柱；所述耐温真空泵模块的输出端分别接荷电鞘气进气口、鞘气进气口和鞘气出气口。

进一步的，所述耐温荷电壳体、鞘气保护罩、粒径分级检测腔体、第一多孔板、第二多孔板和耐温法拉第杯壳体的材质均为氧化铝陶瓷。所述上电极和下电极均采用厚膜陶瓷加工工艺制备，二者分别设置在粒径分级检测腔体中段内壁的上下两侧且对立设置。其中，厚膜陶瓷加工工艺加工电极是以陶瓷板为基底，将调制好的浆料印刷在基底上，最后烧结形成厚膜，即此处的上、下电极。

进一步的，所述第一多孔板与第二多孔板的间距为1～20mm；所述第二多孔板与上电极或下电极的横向间距为1～20mm；所述通气孔的孔径为0.5～5mm。

进一步的，所述金属半球壳体为开口向下的中空半球体，且其内外径与耐温荷电壳体的内外径均相等；金属半球壳体接地。

进一步的，所述鞘气保护罩的上端为上窄下宽的喇叭形。

进一步的，所述电晕针单个放置，电晕针的材质为钨、铜、不锈钢中的任意一种，电晕针的针尖曲率半径为10～50mm。

进一步的，所述多孔金属电极采用泡沫金属材料制备的多孔金属板；所述泡沫金属材料的电阻率低于3.5×10^-8Ω·m；所述泡沫金属材料包括银、紫铜、金；所述泡沫金属材料的孔隙密度为20～150。

本发明还涉及一种上述耐温型超细颗粒物粒径分级检测装置的检测方法，该方法包括以下步骤：

(1)控制器通过耐温真空泵模块控制荷电鞘气气流以一定流速从荷电鞘气进气口进入耐温荷电模块，同时，静电计中内置泵控制高温下的样气气流以一定流速通过荷电样气进气口进入耐温荷电模块。

(2)荷电鞘气气流进入鞘气保护罩，经过由电晕电压模块控制电晕针发生电晕放电所产生的荷电区域，产生带电离子，并在鞘气保护罩上端与进入耐温荷电模块的高温样气气流混合。

(3)控制器通过耐温真空泵模块控制鞘气气流以一定流速通过鞘气进气口进入粒径分级检测模块，鞘气经由左侧的第一多孔板和第二多孔板，变为层流状态。

(4)含有带电离子的样气气流从金属半球壳体处向下流动，流经耐温荷电壳体与鞘气保护罩之间的区域，由第一样气出气口离开耐温荷电模块，从样气进气口进入粒径分级检测模块，与从鞘气进气口进入到粒径分级检测腔体中的鞘气层流混合。

(5)混合后的气流由从鞘气进气口进入的鞘气层流牵引，进入上电极与下电极之间的扫描电场区域，扫描电压模块控制扫描电场区域产生一定扫描电场，气流中的带电超细颗粒物在扫描电场区域发生电迁移，只有一定粒径的带电超细颗粒物被偏转至粒径分级检测腔体底部，从分级样气出气口进入到耐温法拉第杯壳体中，剩余颗粒物随鞘气气流由鞘气出气口离开粒径分级检测模块，耐温真空泵模块控制剩余鞘气气流循环使用。

(6)偏转至耐温法拉第杯壳体中的带电超细颗粒物与多孔金属电极发生碰撞，在碰撞过程中产生电荷转移，最终由第二样气出气口离开粒径分级检测模块。

(7)放大器通过对多孔金属电极上的电荷转换放大，传输给静电计进行检测，得到偏转至耐温法拉第杯壳体中的带电超细颗粒物带电量，进而采用反演算法反演出相应扫描电压下对应粒径的带电超细颗粒物数目，得到该粒径下的超细颗粒物浓度。

(8)在样气气流和鞘气气流流速稳定的情况下，控制器通过扫描电压模块改变上电极和下电极之间的扫描电压，分级检测不同粒径下的超细颗粒物浓度，绘制出粒径谱。

进一步的，步骤(2)中所述的耐温荷电模块1，要采用公式(1)进行高温下的温度修正，求得粒子获得的电荷平均数n：

其中，t为充电时间，N_i为离子浓度，c_i为离子的平均热扩散速度，k为玻尔兹曼常数，T为环境温度，ε₀为空气介电常数，d_p为粒子粒径，e为单个电子所带电荷量(1.6×10^{- 19}C)。

进一步的，步骤(2)中所述的耐温荷电模块1，还要采用公式(2)求得带电量为n的粒子部分：

其中，f_n为平衡稳定状态下带有n个电荷颗粒物在总浓度中所占的比率，N_p，n为带有n个电荷的离子浓度。

进一步的，步骤(5)中所述的粒径分级检测模块，要根据公式(3)和公式(4)获得粒子运动轨迹的变化规律，建立粒径分级模型：

其中，ρ是空气密度，是速度矢量，p是气压，/>是单位张量，μ是空气动力粘度，/>是力场，/>是线性微分三维算子，T是转置矩阵。

进一步的，步骤(7)中所述的反演算法为多参数相融合的超细颗粒物粒径分布的高精度反演算法。

和现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)本发明采用氧化铝陶瓷材料作为装置中的绝缘材料，并利用厚膜陶瓷加工工艺在粒径分级检测腔体上加工上、下电极，可耐800℃高温，在达到高温检测要求的同时不增加制作工艺难度。

(2)本发明的粒径分级检测模块在高温环境下检测时，超细颗粒物一加热再生，可完成自清洁，避免引起多孔板的堵塞。

(3)本发明将粒径分级检测腔体的左右两端设计成外窄内宽的喇叭形，并在粒径分级检测腔体的中段内侧设置氧化铝陶瓷材质的第一多孔板和第二多孔板，大大增加了鞘气气流的稳定性与均匀性，提高了超细颗粒物的分级检测效率。

(4)本发明所述的检测装置结构简单、体积小，可实现高达800℃高温固定源和移动源的超细颗粒物分级检测。

(5)本发明采用基于平板电迁移检测方法，相比于传统圆柱电迁移检测方法，结构更加简单，体积更加轻便，检测效果和检测结果的准确性更高。

(6)本发明所采用的检测方法中的反演算法为多参数相融合的超细颗粒物粒径分布的高精度反演算法，考虑了高温下超细颗粒物高温扩散效应，引入温度修正进行精确反演，可用于高温环境下超细颗粒物的分级检测。

附图说明

图1是本发明中检测装置的结构示意图；

图2是本发明中第一多孔板的侧视图；

图3是本发明中第二多孔板的侧视图；

图4是本发明中多孔金属电极的侧视图；

图5是本发明中检测方法的方法流程图。

其中：

1、耐温荷电模块，11、耐温荷电壳体，12、耐温绝缘块，13、铜柱，14、电晕针，15、鞘气保护罩，16、金属半球壳体，17、荷电鞘气进气口，18、荷电鞘气出气口，191、荷电样气进气口，192、第一样气出气口，2、粒径分级检测模块，21、上面板，22、下面板，23、喇叭口，24、第一多孔板，25、第二多孔板，261、鞘气进气口，262、鞘气出气口，263、样气进气口，264、分级样气出气口，27、上电极，28、下电极，291、耐温法拉第杯壳体，292、多孔金属电极，293、第二样气出气口，3、主控制模块，31、放大器，32、静电计，33、控制器，34、扫描电压模块，35、电晕电压模块，36、耐温真空泵模块。

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所示的一种耐温型超细颗粒物粒径分级检测装置，包括耐温荷电模块1、粒径分级检测模块2和主控制模块3。

所述耐温荷电模块1包括耐温荷电壳体11、安装在耐温荷电壳体11底部内侧的电晕针组件、罩设在电晕针组件外侧的鞘气保护罩15和安装在耐温荷电壳体11上端开口处的金属半球壳体16。所述金属半球壳体16的顶部开设有荷电样气进气口191。所述耐温荷电壳体11的底部开设有第一样气出气口192。鞘气保护罩15嵌入安装在耐温荷电壳体11内腔中。耐温荷电壳体11与鞘气保护罩15之间的区域的横截面为环形，所述第一样气出气口开设在该环形区域的底部，且其数量为对称设置的两个，这样能够保证气流流动的均匀性。所述鞘气保护罩15的下端开设有荷电鞘气进气口17，鞘气保护罩15的顶部开设有荷电鞘气出气口18。所述电晕针组件包括安装在耐温荷电壳体11底部内侧的耐温绝缘块12、安装在耐温绝缘块12上的铜柱13和安装在铜柱13顶端的电晕针14。鞘气保护罩15起到对电晕针组件的保护作用。当鞘气以一定流速从荷电鞘气进气口17进入鞘气保护罩15，再由荷电鞘气出气口18流出，与样气混合。设置好鞘气与样气的流速，就会阻止样气进入鞘气保护罩15污染电晕针。同时，鞘气保护罩15也会阻止环形区域内的混合气体进入，防止电晕针15受到污染。

进一步的，所述金属半球壳体16为开口向下的中空半球体，且其内外径与耐温荷电壳体11的内外径均相等，即金属半球壳体16与耐温荷电壳体11相切。金属半球壳体16接地。金属半球壳体16罩设在荷电鞘气出气口18的上方外侧。金属半球壳体16相比于圆柱壳体，内壁更圆滑，有助于减少粒子损失(气流内的粒子会碰撞到内壁造成损失)。同时，金属半球壳体的圆滑内壁有助于混合气体从鞘气保护罩15上端流向环形区域。

进一步的，所述鞘气保护罩15的上端为上窄下宽的喇叭形。上窄下宽的喇叭形有助于内部鞘气聚集，在鞘气保护罩15上端与样气混合，同时防止样气进入鞘气保护罩15污染电晕针14。

进一步的，所述电晕针14单个放置，电晕针14的材质为钨、铜、不锈钢中的任意一种，电晕针14的针尖曲率半径为10～50mm。电晕针14的针尖位于荷电鞘气出气口18处。电晕针14针尖周围的区域为荷电区域。

所述粒径分级检测模块2包括粒径分级检测腔体。所述粒径分级检测腔体包括正对设置且相互平行的上面板21与下面板22以及连接在上面板21与下面板22之间的中间隔板。上面板21、下面板22和中间隔板围成一个左右两端开口的腔体，在该腔体的左右两端开口处分别安装有一喇叭口23。所述喇叭口23为外窄内宽的喇叭形，也就是通过喇叭口23将粒径分级检测腔体的左右两端设计为外窄内宽的喇叭形。外窄内宽的喇叭形使左端进入的鞘气气流缓和地进入粒径分级检测腔体，而不是由一个较小的空间突然进入一个较大的空间，有助于提高鞘气气流的均匀性。所述上面板21的底部安装有上电极27。所述下面板22的顶部安装有下电极28。所述上电极27与下电极28正对设置。所述上电极27和下电极28均采用厚膜陶瓷加工工艺制备而成。所述粒径分级检测腔体的左右两端内部均安装有从外向内依次设置的第一多孔板24和第二多孔板25。所述第一多孔板24嵌入安装在喇叭口23中。所述第二多孔板25垂直安装在上面板21与下面板22之间。所述喇叭口23采用氧化铝陶瓷斜板制备。鞘气气流通过具有若干均匀分布通气孔的多孔板，会再次提高鞘气气流的均匀性。设计两块多孔板既能够达到双倍提高均匀性的作用，又不会因为多孔板数量过多而使粒径分级检测腔体内部的气压增大，影响气流流速。第一多孔板设计在喇叭口中，可以结合喇叭口与多孔板的结构特征，进一步提高鞘气气流的均匀性。但考虑到粒径分级检测模块的总体尺寸，喇叭口尺寸不宜过大，故设计第二块多孔板垂直安装在上面板与下面板之间，也使鞘气气流在进入电场区域前经过第二多孔板，再次提高了气流均匀性。

进一步的，如图2和图3所示，所述第一多孔板24和第二多孔板25均采用多孔氧化铝陶瓷板制备。所述第一多孔板24和第二多孔板25均包括多孔板主体和开设在多孔板主体上的若干均匀分布的通气孔。所述通气孔包括m行、n列，将每一行的通气孔的中心点连线，将每一列的通气孔的中心点连线，这两条线相垂直，而且各行的通气孔的中心点连线相互平行，各列的通气孔的中心点连线也相互平行。通过设置均匀分布的通气孔，能够提高气流的均匀性，使其最终变为层流。简单的说，即通过多孔板后，每一股小气流都要相互等距平行流动，故多孔板上的通气孔都要相互等距平行。

所述第一多孔板为直四棱柱状，且此立方体的底面为等腰梯形。所述第一多孔板24和第二多孔板25均为长方体状。喇叭口23上设有与第一多孔板24相适应的缺口，便于第一多孔板24安装在其中。所述第一多孔板24与第二多孔板25的间距为1～20mm；所述第二多孔板25与上电极27或下电极28的横向间距为1～20mm；所述通气孔的孔径为0.5～5mm。综合考虑粒径分级检测装置各部分尺寸与总体尺寸，设计各板之间间距。通气孔孔径过小会使粒径分级检测腔体内气压增大，影响气流流速，孔径过大会使均匀性变差。结合经验最终选定取值范围。

所述粒径分级检测腔体，其中段顶部开设有与第一样气出气口192相连通的样气进气口263，其中段底部开设有分级样气出气口264，其左端开设有鞘气进气口261，其右端开设有鞘气出气口262。样气进气口263、分级样气出气口264均与粒径分级腔体的内腔相连通。样气进气口263开设在上面板21上，且位于上电极27的左端内侧。分级样气出气口264开设在下面板22上且位于下电极28的右端内侧。鞘气进气口261即为左侧喇叭口的左端开口。鞘气出气口262即为右侧喇叭口的右端开口。鞘气从鞘气进气口进入到左侧喇叭口中，依次经过左侧的第一多孔板和第二多孔板后，进入到上、下电极之间的电场内，然后再依次通过右侧的第二多孔板和第一多孔板后，从鞘气出气口流出，流出后的鞘气再通入到鞘气进气口处循环使用。

所述粒径分级检测腔体的底部安装有位于分级样气出气口264正下方的耐温法拉第杯壳体291。耐温法拉第杯壳体291安装在下面板22的底部。所述耐温法拉第杯壳体291内部安装有多孔金属电极292，耐温法拉第杯壳体291的底部开设有与分级样气出气口264正对设置的第二样气出气口293。

如图4所示，所述多孔金属电极292包括与耐温法拉第杯壳体291内壁相连的固定圆盘以及嵌入设置在固定圆盘中间的电极。所述多孔金属电极292采用泡沫金属材料制备的多孔金属板；所述泡沫金属材料的电阻率低于3.5×10^-8Ω·m；所述泡沫金属材料包括银、紫铜、金；所述泡沫金属材料的孔隙密度为20～150。

如图1所示，所述主控制模块3包括放大器31、静电计32、控制器33、扫描电压模块34、电晕电压模块35和耐温真空泵模块36。所述放大器31的输入端接多孔金属电极292，输出端接静电计32的输入端；所述静电计32的输出端接控制器33的输入端；所述控制器33的输出端分别接扫描电压模块34的输入端、电晕电压模块35的输入端、耐温真空泵模块36的输入端；所述扫描电压模块34的输出端分别接上电极27和下电极28；所述电晕电压模块35的输出端接铜柱13；所述耐温真空泵模块36的输出端分别接荷电鞘气进气口17、鞘气进气口261和鞘气出气口262。

进一步的，所述耐温荷电壳体、鞘气保护罩、粒径分级检测腔体、第一多孔板、第二多孔板和耐温法拉第杯壳体的材质均为氧化铝陶瓷。所述上电极和下电极均采用厚膜陶瓷加工工艺制备，二者分别设置在粒径分级检测腔体中段内壁的上下两侧且对立设置。其中，厚膜陶瓷加工工艺加工电极是以陶瓷板为基底，将调制好的浆料印刷在基底上，最后烧结形成厚膜，即此处的上、下电极。

本发明还涉及一种上述耐温型超细颗粒物粒径分级检测装置的检测方法，该方法包括以下步骤：

(1)控制器33通过耐温真空泵模块36控制荷电鞘气气流以一定流速从荷电鞘气进气口17进入耐温荷电模块1，同时，静电计32中内置泵控制高温下的样气气流以一定流速通过荷电样气进气口191进入耐温荷电模块1。

(2)荷电鞘气气流进入鞘气保护罩15，经过由电晕电压模块35控制电晕针14发生电晕放电所产生的荷电区域，产生带电离子，并在鞘气保护罩上端与进入耐温荷电模块1的高温样气气流混合。

具体地说，高温下超细颗粒物在耐温荷电模块1中会产生无规运动加剧、多重荷电和静电吸附等现象，耐温荷电模块1采用公式(1)进行高温下的温度修正，求得粒子获得的电荷平均数n：

其中，t为充电时间，N_i为离子浓度，c_i为离子的平均热扩散速度，k为玻尔兹曼常数，T为环境温度，ε₀为空气介电常数，d_p为粒子粒径，e为单个电子所带电荷量(1.6×10^{- 19}C)。

所述耐温荷电模块1中自由离子会与带电离子继续发生碰撞，最终颗粒物达到电荷平衡分布状态，采用公式(2)求得带电量为n的粒子部分：

其中，f_n为平衡稳定状态下带有n个电荷颗粒物在总浓度中所占的比率，N_p，n为带有n个电荷的离子浓度。

(3)控制器33通过耐温真空泵模块36控制鞘气气流以一定流速通过鞘气进气口261进入粒径分级检测模块2，鞘气经由左侧的第一多孔板和第二多孔板，变为层流状态。

(4)含有带电离子的样气气流从金属半球壳体16处向下流动，流经耐温荷电壳体11与鞘气保护罩15之间的区域，由第一样气出气口192离开耐温荷电模块1，从样气进气口263进入粒径分级检测模块2，与从鞘气进气口261进入到粒径分级检测腔体中的鞘气层流混合。

(5)混合后的气流由从鞘气进气口261进入的鞘气层流牵引，进入上电极27与下电极28之间的扫描电场区域，扫描电压模块34控制扫描电场区域产生一定扫描电场，气流中的带电超细颗粒物在扫描电场区域发生电迁移，只有一定粒径的带电超细颗粒物被偏转至粒径分级检测腔体底部，从分级样气出气口264进入到耐温法拉第杯壳体291中，剩余颗粒物随鞘气气流由鞘气出气口262离开粒径分级检测模块，耐温真空泵模块36控制剩余鞘气气流循环使用。从鞘气出气口262流出的鞘气气流经过过滤处理后，再通入到鞘气进气口261处进行循环使用。

具体地说，高温下超细颗粒物在粒径分级检测模块2中的上面板21与下面板22间的扫描电场区域内存在显著的扩散效应，根据公式(3)和公式(4)获得粒子运动轨迹的变化规律，建立粒径分级模型：

其中，ρ是空气密度，是速度矢量，p是气压，/>是单位张量，μ是空气动力粘度，/>是力场，/>是线性微分三维算子，T是转置矩阵。

(6)偏转至耐温法拉第杯壳体291中的带电超细颗粒物与多孔金属电极292发生碰撞，在碰撞过程中产生电荷转移，最终由第二样气出气口293离开粒径分级检测模块2。

(7)放大器31通过对多孔金属电极292上的电荷转换放大，传输给静电计32进行检测，得到偏转至耐温法拉第杯壳体291中的带电超细颗粒物带电量，进而采用反演算法反演出相应扫描电压下对应粒径的带电超细颗粒物数目，得到该粒径下的超细颗粒物浓度。

(8)在样气气流和鞘气气流流速稳定的情况下，控制器33通过扫描电压模块34改变上电极27和下电极28之间的扫描电压，分级检测不同粒径下的超细颗粒物浓度，绘制出粒径谱。

进一步的，步骤(7)中所述的反演算法为多参数相融合的超细颗粒物粒径分布的高精度反演算法。具体地说，该多参数相融合的超细颗粒物粒径分布的高精度反演算法为：通过基于标准单分散源的耐温荷电模块1标定实验，得到不同粒径超细颗粒物的电荷分布、平均带电数目及内、外荷电效率等关键荷电参数；通过基于标准单分散源的粒径分级检测模块2标定实验，得到带电颗粒物的粒径与扫描电压模块34施加的分级电压间的对应关系、粒径分级检测模块2分级部分的传递函数及粒径分级检测模块2检测部分的收集和检测效率。完成上述标定实验获得各模块的性能参数后，结合超细颗粒物扩散荷电模型与超细颗粒物粒径分级模型考虑高温下超细颗粒物高温扩散效应，引入温度修正进行高精度反演。

本发明所述的检测方法在耐温荷电模块中引入高温下的温度修正(详见公式(1))，探讨温度对检测结果的影响，使结果更加准确。在粒径分级检测模块中考虑温度场的影响，建立粒径分级模型。现在的检测装置都是常温条件下，但本发明所述的检测方法是在高温下检测，考虑了高温带来的影响。在完成标定实验获得各模块的性能参数后，需要考虑高温下超细颗粒物高温扩散效应，引入温度修正进行高精度反演。

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。

Claims (10)

1.一种耐温型超细颗粒物粒径分级检测装置，其特征在于：包括耐温荷电模块和粒径分级检测模块；

所述耐温荷电模块包括耐温荷电壳体、安装在耐温荷电壳体底部内侧的电晕针组件、罩设在电晕针组件外侧的鞘气保护罩和安装在耐温荷电壳体上端开口处的金属半球壳体；所述金属半球壳体的顶部开设有荷电样气进气口；所述耐温荷电壳体的底部开设有第一样气出气口；所述鞘气保护罩的下端开设有荷电鞘气进气口，鞘气保护罩的顶部开设有荷电鞘气出气口；所述电晕针组件包括安装在耐温荷电壳体底部内侧的耐温绝缘块、安装在耐温绝缘块上的铜柱和安装在铜柱顶端的电晕针；

所述粒径分级检测模块包括粒径分级检测腔体、设置在粒径分级检测腔体中段顶部内壁上的上电极以及设置在粒径分级检测腔体中段底部内壁上且与上电极正对设置的下电极；所述粒径分级检测腔体的左右两端内部均安装有从外向内依次设置的第一多孔板和第二多孔板；所述第一多孔板和第二多孔板均包括多孔板主体和开设在多孔板主体上的若干均匀分布的通气孔；所述粒径分级检测腔体的左右两端均为外窄内宽的喇叭形；所述粒径分级检测腔体，其中段顶部开设有与第一样气出气口相连通的样气进气口，其中段底部开设有分级样气出气口，其左端开设有鞘气进气口，其右端开设有鞘气出气口；所述粒径分级检测腔体的底部安装有位于分级样气出气口正下方的耐温法拉第杯壳体；所述耐温法拉第杯壳体内部安装有多孔金属电极，耐温法拉第杯壳体的底部开设有第二样气出气口。

2.根据权利要求1所述的一种耐温型超细颗粒物粒径分级检测装置，其特征在于：该装置还包括主控制模块；所述主控制模块包括放大器、静电计、控制器、扫描电压模块、电晕电压模块和耐温真空泵模块；所述放大器的输入端接多孔金属电极，输出端接静电计的输入端；所述静电计的输出端接控制器的输入端；所述控制器的输出端分别接扫描电压模块的输入端、电晕电压模块的输入端、耐温真空泵模块的输入端；所述扫描电压模块的输出端分别接上电极和下电极；所述电晕电压模块的输出端接铜柱；所述耐温真空泵模块的输出端分别接荷电鞘气进气口、鞘气进气口和鞘气出气口。

3.根据权利要求1所述的一种耐温型超细颗粒物粒径分级检测装置，其特征在于：所述耐温荷电壳体、鞘气保护罩、粒径分级检测腔体、第一多孔板、第二多孔板和耐温法拉第杯壳体的材质均为氧化铝陶瓷；所述上电极和下电极均采用厚膜陶瓷加工工艺制备，二者分别设置在粒径分级检测腔体中段内壁的上下两侧且对立设置。

4.根据权利要求1所述的一种耐温型超细颗粒物粒径分级检测装置，其特征在于：所述第一多孔板与第二多孔板的间距为1～20mm；所述第二多孔板与上电极或下电极的横向间距为1～20mm；所述通气孔的孔径为0.5～5mm。

5.根据权利要求1所述的一种耐温型超细颗粒物粒径分级检测装置，其特征在于：所述金属半球壳体为开口向下的中空半球体，且其内外径与耐温荷电壳体的内外径均相等；金属半球壳体接地。

6.根据权利要求1所述的一种耐温型超细颗粒物粒径分级检测装置，其特征在于：所述鞘气保护罩的上端为上窄下宽的喇叭形。

7.根据权利要求1所述的一种耐温型超细颗粒物粒径分级检测装置，其特征在于：所述电晕针单个放置，电晕针的材质为钨、铜、不锈钢中的任意一种，电晕针的针尖曲率半径为10～50mm。

8.根据权利要求1所述的一种耐温型超细颗粒物粒径分级检测装置，其特征在于：所述多孔金属电极采用泡沫金属材料制备的多孔金属板；所述泡沫金属材料的电阻率低于3.5×10^-8Ω·m，孔隙密度为20～150。

9.根据权利要求1～8任意一项所述的耐温型超细颗粒物粒径分级检测装置的检测方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

(1)控制器通过耐温真空泵模块控制荷电鞘气气流以一定流速从荷电鞘气进气口进入耐温荷电模块，同时，静电计中内置泵控制高温下的样气气流以一定流速通过荷电样气进气口进入耐温荷电模块；

(2)荷电鞘气气流进入鞘气保护罩，经过由电晕电压模块控制电晕针发生电晕放电所产生的荷电区域，产生带电离子，并在鞘气保护罩上端与进入耐温荷电模块的高温样气气流混合；

(3)控制器通过耐温真空泵模块控制鞘气气流以一定流速通过鞘气进气口进入粒径分级检测模块，鞘气经由左侧的第一多孔板和第二多孔板，变为层流状态；

(4)含有带电离子的样气气流从金属半球壳体处向下流动，流经耐温荷电壳体与鞘气保护罩之间的区域，由第一样气出气口离开耐温荷电模块，从样气进气口进入粒径分级检测模块，与从鞘气进气口进入到粒径分级检测腔体中的鞘气层流混合；

(5)混合后的气流由从鞘气进气口进入的鞘气层流牵引，进入上电极与下电极之间的扫描电场区域，扫描电压模块控制扫描电场区域产生一定扫描电场，气流中的带电超细颗粒物在扫描电场区域发生电迁移，只有一定粒径的带电超细颗粒物被偏转至粒径分级检测腔体底部，从分级样气出气口进入到耐温法拉第杯壳体中，剩余颗粒物随鞘气气流由鞘气出气口离开粒径分级检测模块，耐温真空泵模块控制剩余鞘气气流循环使用；

(6)偏转至耐温法拉第杯壳体中的带电超细颗粒物与多孔金属电极发生碰撞，在碰撞过程中产生电荷转移，最终由第二样气出气口离开粒径分级检测模块；

(7)放大器通过对多孔金属电极上的电荷转换放大，传输给静电计进行检测，得到偏转至耐温法拉第杯壳体中的带电超细颗粒物带电量，进而采用反演算法反演出相应扫描电压下对应粒径的带电超细颗粒物数目，得到该粒径下的超细颗粒物浓度；

(8)在样气气流和鞘气气流流速稳定的情况下，控制器通过扫描电压模块改变上电极和下电极之间的扫描电压，分级检测不同粒径下的超细颗粒物浓度，绘制出粒径谱。

10.根据权利要求9所述的耐温型超细颗粒物粒径分级检测装置的检测方法，其特征在于：步骤(2)中所述的耐温荷电模块1，要采用公式(1)进行高温下的温度修正，求得粒子获得的电荷平均数n：

其中，t为充电时间，N_i为离子浓度，c_i为离子的平均热扩散速度，k为玻尔兹曼常数，T为环境温度，ε₀为空气介电常数，d_p为粒子粒径，e为单个电子所带电荷量(1.6×10^-19C)；

步骤(2)中所述的耐温荷电模块1，还要采用公式(2)求得带电量为n的粒子部分：

其中，f_n为平衡稳定状态下带有n个电荷颗粒物在总浓度中所占的比率，N_p，n为带有n个电荷的离子浓度；

步骤(5)中所述的粒径分级检测模块，要根据公式(3)和公式(4)获得粒子运动轨迹的变化规律，建立粒径分级模型：

其中，ρ是空气密度，是速度矢量，p是气压，/>是单位张量，μ是空气动力粘度，/>是力场，/>是线性微分三维算子，T是转置矩阵；

步骤(7)中所述的反演算法为多参数相融合的超细颗粒物粒径分布的高精度反演算法。