CN112665927B - 一种气溶胶颗粒物分尺寸收集装置和收集方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及颗粒物采集技术领域，公开了一种气溶胶颗粒物分尺寸收集装置和收集方法，包括依次相连接的进气管、烘干器、电离装置、气泵和静电场装置，电离装置包括箱体，箱体中依次布置有对气溶胶电离的电离区域和筛分气溶胶中带电颗粒和不带电颗粒的颗粒筛分区域，气泵用于对带电颗粒加速，使带电颗粒能够进入静电场装置中的静电场深处，静电场装置中通过静电场可对使带电颗粒按颗粒质量的大小按高度分布在静电场中，再通过收集装置收集颗粒，通过上述收集装置能够对空气中的颗粒进行筛分，有利于提升对空气中颗粒的物质成分检测效率。

Description

一种气溶胶颗粒物分尺寸收集装置和收集方法

技术领域

本发明涉及颗粒物采集技术领域，具体涉及气溶胶颗粒物的不同尺寸大小的颗粒物分离设备和采集方法。

背景技术

气溶胶颗粒物粒径筛选设备在大气监测和研究中有着广泛地应用。因此，可以说气溶胶颗粒物粒径筛选设备是大气气溶胶监测研究的重要设备。现有技术中气溶胶粒物粒径筛选的方法常见的有滤膜收集法、静电收集法、撞击取样分离法等。其中滤膜收集法，滤膜由于尺寸为皮米级，其价格高昂，只适用于实验室科研使用，无法普及到工业应用中；静电收集法能源消耗过大且存在污染；撞击取样分离法，撞击取样分离法，需要撞击取样分离器撞击取样分离器，需要专门定制，价格高昂且无法保证工作效率。因此设计一种以保证工作效率为前提的且具有成本低、环保的收集装置和收集方法是现在需要解决的技术问题。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种颗粒物分尺寸收集装置和收集方法，具体方案如下：

一种颗粒物分尺寸收集装置，包括，

水平设置的进气管，待测气溶胶从进气管导入；

倾斜于平面的烘干器，烘干器呈管状结构，烘干器的下端与进气管相连接，烘干器内设有对空气干燥的加热电阻丝；

电离装置，其与烘干器的上端相连接，包括箱体，箱体中依次布置有电离区域和颗粒筛分区域，包括设置在箱体入口处的磁场，构成磁场的两极分别对称设置在位于入口所在平面的上方和下方，干燥气溶胶颗粒水平穿过两个磁极构成的磁场，磁场中设有对干燥气溶胶颗粒中颗粒电离的电极板；颗粒筛分区域中布置有方向向上的电场力，电场的电场力与带电颗粒的所受重力相对应，使带电颗粒在颗粒筛分区域中保持水平移动，电场中位于带电颗粒移动路径的下方设有挡板，挡板用于阻挡不带电颗粒的移动，位于挡板的底部设有用于收集不带电颗粒的第二收集槽；

气泵，其与电离装置相连接，用于对从电离装置中排出的气溶胶进行增压；

静电场装置，其与气泵相连接，包括构成密闭空间的壳体，壳体的上端或下端设有竖向导入气溶胶的入口，壳体中布置有静电场，静电场在壳体中实施有竖直向上的电场力，壳体相对于入口的一端设置有穿过静电场的转动轴，转动轴位于静电场中的部分安装有叶片，壳体位于静电场部分的内侧壁上安装有逐层设置的多个颗粒收集装置，所述颗粒收集装置包括管体，管体在壳体的内壁环绕一周构成闭环结构，管体面向转动轴的方向的管壁上开开设有沿管体周向设置的环状开口，管体的内部侧壁上附着有聚乙烯薄膜，管体内的底部开设有第三收集槽。

进一步，所述加热电阻丝在烘干器内呈螺旋围绕烘干器的内壁布置，烘干器的内壁中附有聚乙烯薄膜，烘干器内接近平面的一侧设置有凹陷的第一收集槽，烘干器与水平面构成15︒的倾斜角。

进一步，所述箱体的两端分别设有水平对齐的入口和出口，入口处设有入射狭缝，出口处设有出射狭缝。

进一步，所述挡板上附有聚乙烯薄膜。

进一步，所述电离区域中设有导线，导线的两端分别与烘干器中的加热电阻丝两端电连接。

进一步，壳体位于管体的内环中设置有紧贴管体的套管，套管的两侧设有竖向设置的气缸，两个气缸的伸缩杆均与套管的侧部固定连接，套筒的侧壁上设有至少一根竖向设置的棱柱，棱柱与套筒的侧壁焊接固定，侧壁上开设有多层环形缺口，多层环形缺口均与管体上的环状开口相对应。

进一步，一种气溶胶颗粒物分尺寸收集方法，具体步骤如下：

步骤1，待测气溶胶颗粒从进气管导入到烘干器中；

步骤2，首先烘干器预热10s，再从烘干器的底部导入待测气溶胶，待测气溶胶被加热电阻丝加热蒸发液态颗粒中的水分，液态颗粒经蒸发后凝结出固态颗粒，凝结出的固态颗粒附着在烘干器的内壁上，干燥后的气溶胶从烘干器顶部排出；

步骤3，被干燥处理后的待测气溶胶导入电离装置中，电离装置中的电离区域对干燥气溶胶的颗粒电离，使部分颗粒带正电，干燥气溶胶进入颗粒筛分区域后，颗粒筛分区域中的电场对带电颗粒施加方向向上的电场力，带电颗粒的所受重力与受到的电场力相平衡，使带电颗粒在颗粒筛分区域中保持水平移动，直至送出电离装置，干燥气溶胶中的不带电颗粒受重力作用落入到位于颗粒筛分区域底部的收第二集槽中；

步骤4，带电颗粒离开电离装置后通过气泵压缩后加速排出；

步骤5，加速的带电颗粒被送入静电场装置中，射入一竖直向上的静电场中，随着竖直向上的电场力的作用下，带电颗粒根据颗粒质量的大小由低到高分层的悬浮在静电场中，等待至带电颗粒的位置基本固定后，通过转动轴上的叶片带动，把逐层的带电颗粒导流到位于静电场侧部相对应的颗粒收集装置中；

步骤6，分别收集烘干器、收集槽以及多个颗粒收集装置中的颗粒，然后分别进行激光诱导检测。

和现有技术相比较，本发明的优点如下：

1、烘干器与水平面构成15︒的倾斜角，减缓了气溶胶在烘干器中的移动速度，使得烘干更完全；

2、从烘干器与电离装置中收集残留下的气溶胶颗粒提升了实验精准度；

3、在电离装置的电离区域中设置与烘干器中加热电阻丝电连接的导线，并通过电路转化实现了为烘干器电加热功能，节省了能源；

4、套筒通过上下移动实现了控制管体上的环状开口闭合或开启，等待颗粒在静电场中稳定后再打开环状开口对颗粒进行收集，确保数据的准确性。

附图说明

图1为本发明的结构图；

图2为烘干器的结构图；

图3为电离装置的结构图；

图4为控制电路的结构图；

图5为静电场装置的结构图；

图6为颗粒收集装置的结构图。

附图标记：

1、进气管；2、烘干器；3、加热电阻丝；4、第一收集槽；5、电离装置；6、箱体；7、入射狭缝；8、出射狭缝；9、电离区域；10、颗粒筛分区域；11、磁场；12、电极板；13、电场；14、挡板；15、第二收集槽；16、导线；17、控制电路；18、气泵；19、静电场装置；20、壳体；21、静电场；22、转动轴；23、叶片；24、管体；25、环状开口；26、第三收集槽；28、套管；29、气缸；30、棱柱；31、环形缺口；32、安装座；33、管夹。

具体实施方式

下面将结合附图对发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

基于发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于发明保护的范围。

在发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在发明中的具体含义。

实施例1

如图1所示，一种气溶胶颗粒物分尺寸收集装置，包括，

水平设置的进气管1，待测气溶胶从进气管1导入；

如图2所示，倾斜于平面的烘干器2，烘干器2呈管状结构，烘干器2的下端与进气管1相连接，烘干器2内设有对空气干燥的加热电阻丝3，加热电阻丝3与外接电源电连接，所述加热电阻丝3在烘干器2内呈螺旋围绕烘干器2的内壁布置，根据上述结构收集烘干器2中的颗粒物方法为：通过抖动烘干器2使附着在烘干器2内壁上的颗粒物掉落在收集器皿中；进一步，烘干器2的内壁中附有聚乙烯薄膜，烘干器2内接近平面的一侧设置有凹陷的第一收集槽4，导入烘干器2的气溶胶受热蒸发其中的水汽的过程中会凝结一部分气溶胶颗粒，凝结出的气溶胶颗粒从聚乙烯薄膜的内壁上滑落，聚集到第一收集槽4中，烘干器2与水平面构成30︒～15︒的倾斜角，优选的角度为15︒；

如图3所示，电离装置5，其与烘干器2的上端相连接，包括箱体6，所述箱体6的两端分别设有水平对齐的入口和出口，入口处设有入射狭缝7，出口处设有出射狭缝8，箱体6中依次布置有电离区域9和颗粒筛分区域10，包括设置在箱体6入口处的磁场11，构成磁场11的两极分别对称设置在位于入口所在平面的上方和下方，磁场11中设有电极板12，当干燥的气溶胶颗粒水平穿过磁场11时，电极板12分离气溶胶颗粒物中的负离子，使气溶胶颗粒物成为带有正离子带电颗粒。

颗粒筛分区域10中布置有方向向上的电场力13，电场13的电场力与带电颗粒的所受重力相对应，使带电颗粒在颗粒筛分区域10中保持水平移动，如质量较大的带电颗粒所带正电荷较多，受到的电场力可与自身重力平衡，如质量较少的带电颗粒所带正电荷较少，受到的电场力也可与自身重力平衡；电场13中位于带电颗粒移动路径的下方设有挡板14，此路径与入射狭缝7和出射狭缝8构成的直线相重合，优选的位于带电颗粒的移动路径的上方和下方分别设置有挡板14，所述挡板14上附有聚乙烯薄膜，挡板14用于阻挡不带电颗粒的移动，位于挡板14的底部设有用于收集不带电颗粒的第二收集槽15。

如图4所示为了节约能耗，本发明对电离装置5进行进一步的优化，具体方案如下：

电极板12位于磁场11的负极，位于磁场11的正极位置设置有导线16，导线16的两端分别与烘干器2中的加热电阻丝3两端电连接，当干燥的气溶胶颗粒水平穿过磁场11时，电极板12分离气溶胶颗粒物中的负离子，负离子受磁场11影响向正极方向流动形成电流，电流流入导线16中，导线16把电流导入到烘干器2中，导线16输入至加热电阻丝3的电路中设有控制电路17，所述控制电路17中一侧串联有设有熔断电路和稳压电路，保证电流能够平稳持续的输入到烘干器2。如果加热电阻丝3接收到从电离装置5中传输的电流，则可停止外接电源的电流供应，起到了节约能耗的技术效果。

气泵18，其与电离装置5相连接，用于对从电离装置5中排出的气溶胶进行增压；

如图5所示，静电场装置19，其与气泵18相连接，包括构成密闭空间的壳体20，壳体20的上端或下端设有竖向导入气溶胶的入口，壳体20中布置有静电场21，静电场21在壳体20中实施有竖直向上的电场力，壳体20相对于入口的一端设置有穿过静电场21的转动轴22，转动轴22位于静电场21中的部分安装有叶片23，壳体20位于静电场21部分的内侧壁上安装有逐层设置的多个颗粒收集装置。

如图6所示，收集装置的结构为一管体24，管体24在壳体20的内壁环绕一周构成闭环结构，管体24与壳体20之间设置有安装座32，安装座32的一端与管体24通过管夹33相连接，安装座32的另一端与壳体20之间通过角码和螺丝固定相连接，管体24面向转动轴22的方向的管壁上开开设有沿管体24周向设置的环状开口25，管体24的内部侧壁上附着有聚乙烯薄膜，管体24内的底部开设有第三收集槽26；

如图5所示，壳体20位于管体24的内环中设置有紧贴管体24的套管28，套管28长度为0.9m～1.12m套管28的两侧设有竖向设置的气缸29，两个气缸29的伸缩杆均与套管28的侧部固定连接，套筒的侧壁上设有至少一根竖向设置的棱柱30，棱柱30与套筒的侧壁焊接固定，侧壁上开设有多层环形缺口31，多层环形缺口31均与管体24上的环状开口25相对应。

实施例2

一种气溶胶颗粒物分尺寸收集方法，具体步骤如下：

步骤1，待测气溶胶（包括固态或液体颗粒）从进气管1导入到烘干器2中；

步骤2，首先烘干器2预热10s，再从烘干器2的底部导入待测气溶胶，待测气溶胶被加热电阻丝3加热蒸发液态颗粒中的水分，液态颗粒经蒸发后凝结出固态颗粒，凝结出的固态颗粒附着在烘干器2的内壁上，干燥后的气溶胶从烘干器2顶部排出；

步骤3，被干燥处理后的待测气溶胶导入电离装置5中，电离装置5中的电离区域9对干燥气溶胶的颗粒电离，使部分颗粒带正电，干燥气溶胶进入颗粒筛分区域10后，颗粒筛分区域10中的电场13对带电颗粒施加方向向上的电场力，带电颗粒的所受重力与受到的电场力相平衡，使带电颗粒在颗粒筛分区域10中保持水平移动，直至送出电离装置5，干燥气溶胶中的不带电颗粒受重力作用落入到位于颗粒筛分区域10底部的收第二集槽中15；

步骤4，带电颗粒离开电离装置5后通过气泵18压缩后加速排出；

步骤5，加速的带电颗粒被送入静电场装置19中，射入一竖直向上的静电场21中，静电场21为直流电场，静电场21电压范围在24V～36V之间，优选的电压为24V，这一过程中转动轴22的转速为200r/s的低速状态，随着竖直向上的电场力的作用下，带电颗粒根据颗粒质量的大小由低到高分层的悬浮在静电场21中，这一过程中转动轴22保持200r/s的低转速，等待至带电颗粒的位置基本固定后，转动轴22加速到12000r/s的高速旋转，通过转动轴22上的叶片23带动，把逐层的带电颗粒导流到位于静电场21侧部对应的颗粒收集装置中；优选如果设置有套管28，当转动轴22加速到10000r/s时，控制套管28中的缺口与颗粒收集装置中的入口重合，让颗粒物进入对应的颗粒收集装置中；

步骤6，分别收集烘干器2、收集槽以及多个颗粒收集装置中的颗粒，然后分别进行激光诱导检测。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离发明各实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种气溶胶颗粒物分尺寸收集装置，其特征在于，包括，

水平设置的进气管，待测气溶胶从进气管导入；

倾斜于平面的烘干器，烘干器呈管状结构，烘干器的下端与进气管相连接，烘干器内设有对空气干燥的加热电阻丝；

电离装置，其与烘干器的上端相连接，包括箱体，箱体中依次布置有电离区域和颗粒筛分区域，包括设置在箱体入口处的磁场，构成磁场的两极分别对称设置在位于入口所在平面的上方和下方，干燥气溶胶颗粒水平穿过两个磁极构成的磁场，磁场中设有对干燥气溶胶颗粒中颗粒电离的电极板；颗粒筛分区域中布置有方向向上的电场力，电场的电场力与带电颗粒的所受重力相对应，使带电颗粒在颗粒筛分区域中保持水平移动，电场中位于带电颗粒移动路径的下方设有挡板，挡板用于阻挡不带电颗粒的移动，位于挡板的底部设有用于收集不带电颗粒的第二收集槽；

气泵，其与电离装置相连接，用于对从电离装置中排出的气溶胶进行增压；

静电场装置，其与气泵相连接，包括构成密闭空间的壳体，壳体的上端或下端设有竖向导入气溶胶的入口，壳体中布置有静电场，静电场在壳体中实施有竖直向上的电场力，壳体相对于入口的一端设置有穿过静电场的转动轴，转动轴位于静电场中的部分安装有叶片，壳体位于静电场部分的内侧壁上安装有逐层设置的多个颗粒收集装置，所述颗粒收集装置包括管体，管体在壳体的内壁环绕一周构成闭环结构，管体面向转动轴的方向的管壁上开设有沿管体周向设置的环状开口，管体的内部侧壁上附着有聚乙烯薄膜，管体内的底部开设有第三收集槽。

2.根据权利要求1所述的气溶胶颗粒物分尺寸收集装置，其特征在于，所述加热电阻丝在烘干器内呈螺旋围绕烘干器的内壁布置，烘干器的内壁中附有聚乙烯薄膜，烘干器内接近平面的一侧设置有凹陷的第一收集槽，烘干器与水平面构成15︒的倾斜角。

3.根据权利要求1所述的气溶胶颗粒物分尺寸收集装置，其特征在于，所述箱体的两端分别设有水平对齐的入口和出口，入口处设有入射狭缝，出口处设有出射狭缝。

4.根据权利要求3所述的颗粒物分尺寸收集装置，其特征在于，所述挡板上附有聚乙烯薄膜。

5.根据权利要求1所述的气溶胶颗粒物分尺寸收集装置，其特征在于，所述电离区域中设有导线，导线的两端分别与烘干器中的加热电阻丝两端电连接。

6.根据权利要求1所述的气溶胶颗粒物分尺寸收集装置，其特征在于，壳体位于管体的内环中设置有紧贴管体的套管，套管的两侧设有竖向设置的气缸，两个气缸的伸缩杆均与套管的侧部固定连接，套筒的侧壁上设有至少一根竖向设置的棱柱，棱柱与套筒的侧壁焊接固定，侧壁上开设有多层环形缺口，多层环形缺口均与管体上的环状开口相对应。

7.一种基于权利要求1所述的气溶胶颗粒物分尺寸收集装置的收集方法，其特征在于，具体步骤如下：

步骤1，待测气溶胶从进气管导入到烘干器中；

步骤2，首先烘干器预热10s，再从烘干器的底部导入待测气溶胶，待测气溶胶被加热电阻丝加热蒸发液态颗粒中的水分，液态颗粒经蒸发后凝结出固态颗粒，凝结出的固态颗粒附着在烘干器的内壁上，干燥后的气溶胶从烘干器顶部排出；

步骤3，被干燥处理后的待测气溶胶导入电离装置中，电离装置中的电离区域对干燥气溶胶的颗粒电离，使部分颗粒带正电，干燥气溶胶进入颗粒筛分区域后，颗粒筛分区域中的电场对带电颗粒施加方向向上的电场力，带电颗粒的所受重力与受到的电场力相平衡，使带电颗粒在颗粒筛分区域中保持水平移动，直至送出电离装置，干燥气溶胶中的不带电颗粒受重力作用落入到位于颗粒筛分区域底部的收第二集槽中；

步骤4，带电颗粒离开电离装置后通过气泵压缩后加速排出；

步骤5，加速的带电颗粒被送入静电场装置中，射入一竖直向上的静电场中，随着竖直向上的电场力的作用下，带电颗粒根据颗粒质量的大小由低到高分层的悬浮在静电场中，等待至带电颗粒的位置基本固定后，通过转动轴上的叶片带动，把逐层的带电颗粒导流到位于静电场侧部相对应的颗粒收集装置中；

步骤6，分别收集烘干器、收集槽以及多个颗粒收集装置中的颗粒，然后分别进行激光诱导检测。

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