CN112924342B - 差分式全散射悬浮颗粒浓度监测装置及其使用方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了差分式全散射悬浮颗粒浓度监测装置及其使用方法和应用。所述差分式全散射悬浮颗粒浓度监测装置包括气路循环系统和光路检测系统；气路循环系统还包括用于维持气路流体流量恒定的尾气抽吸单元、以及与颗粒粒径分级器连接的中和荷电器；粒径分级器入口段包括鞘气入口和与中和荷电器相连的尾气入口；出口段包括与鞘气入口同轴心分布的待检测气体出口；光路检测系统与检测仓连接，以实现检测仓中光强的检测。所述使用方法为根据不同电压下的光强衰减，计算在该电压范围内沉降的特定粒径颗粒的浓度。所述应用为在工业尾气悬浮颗粒物粒径分布及浓度监测上的应用。本发明具有适用广、成本低，尤其对于气体温度和湿度要求低的优势。
Description
技术领域
本发明涉及工业尾气监测技术领域，更具体地，涉及差分式全散射悬浮颗粒浓度监测装置及其使用方法和应用。
背景技术
近年来空气质量日益恶化，空气颗粒物源头解析表明工业生产及燃煤产生的颗粒物占大气中20～30％。2011年7月18日中国环境保护部和国家质量监督检验检疫总局联合发布的最新《火电厂大气污染物排放标准(GB13223-2011)》指出，对于燃煤电厂，尾气中颗粒物浓度由50mg·Nm-3(火电厂大气污染物排放标准，GB13223-2003)降低至30mg·Nm-3。对比修订前后工业尾气质量排放标准发现，现行排放标准中提高了工业尾气排放要求，使得工业尾气排放要求更加严格。为了降低排放，又不能耽误生产的正常运作，势必要对尾气进行治理。
然而，当前的工业尾气，尤其是与燃煤相关的工厂尾气排放要么不达标，要么在治理尾气上投入资金太大，这对行业的发展十分不利。究其根源是因为在不了解污染物组成的情况下，难以做出脱除效率进一步的改进，降低处理成本。现行研究表明，影响脱除效率的关键在于探究悬浮颗粒物的粒径分布和浓度，只有在掌握其物理特性后才能进行工业设备改进。但是，目前对工业废气悬浮颗粒粒径分布和浓度的监测十分困难。
现有技术中对悬浮物颗粒浓度及粒径分布的监测已作出了一定的研究，例如，公开号为CN102284360B的专利文件公开了一种静电除尘器可吸入颗粒物PM10捕集效率的确定方法，其以线板式静电除尘器简化模型为研究对象，同时计入了电场荷电和扩散荷电，建立了静电除尘器内流场、电场和颗粒场的数学模型，通过FLUENT加载模型和自定义函数来实现，采用FVM方法进行数值计算，应用Deutsch-Anderson方法计算了PM10颗粒群的分级效率，最后利用最小二乘法对PM10颗粒群的分级效率随颗粒粒径变化的曲线进行了威布尔分布拟合，可以作为静电除尘器PM10捕集效率计算方法的参考。但是，该技术方案只是停留在计算机模拟上，忽略了很多实际无法避免的因素，例如，现实中如何实现不同颗粒落入点的计数问题。再例如，现有技术中监测颗粒物粒径分布和浓度的仪器MLPS，利用不同粒径的颗粒带电量不同，导致电迁移率不同，进而在某一确定的电场强度下，运动轨迹不同。这样，筛选特定粒径的颗粒从一个狭缝飞出，然后通过冷凝结晶的方式使颗粒变大，以方便光学检测对其进行数量上的统计。进一步的，通过改变电场强度，测量不同粒径分布的颗粒物浓度，达到监测粒径分布和颗粒物浓度的效果。但其因为监测原理上的缺陷，一方面，因为需要使颗粒冷凝结晶才能计数，导致该装置迫不得已的需要在较窄的温度范围(15～35°)内进行监测；另一方面，监测对象是高浓度的悬浮颗粒物，而其采用颗粒从窄缝中流出的方式，非常容易在冷热交替频繁且湿度较高的工况下发生堵塞。即使在实验环境中为其提供良好的工况环境，其仍存在上述缺陷，如果将其应用到环境恶劣、高温高湿悬浮颗粒物浓度大的工业尾气监测上，势必无法实现。此外，该设备造价昂贵，一台设备的价格为数十万元，成本过高，无法成为大多数企业的设备选择，更无法进行工业尾气悬浮颗粒物脱除的研究和推广。
发明内容
本发明首要解决的技术问题是针对现有技术中缺少可以应用在工业尾气上、监测数据准确、成本低的悬浮颗粒物粒径及浓度监测装置的技术问题，提供一种差分式全散射悬浮颗粒浓度监测装置。
本发明另一个需要解决的技术问题是提供一种上述监测装置的使用方法。
本发明再一个需要解决的技术问题是提供一种上述监测装置的应用。
为了实现上述技术问题的解决，本发明采用的技术方案为。
一种差分式全散射悬浮颗粒浓度监测装置，包括气路循环系统和光路检测系统；所述气路循环系统包括依次连通且组成闭合回路的颗粒粒径分级器、检测仓、鞘气动力单元以及过滤装置；所述气路循环系统还包括用于维持气路流体流量恒定的尾气抽吸单元、以及与所述颗粒粒径分级器连接的中和荷电器；所述颗粒粒径分级器由入口段、电场段和出口段组成，入口段包括与所述过滤装置连接的鞘气入口、与所述中和荷电器连接的尾气入口以及沿气流流动方向贯穿入口段的隔板；电场段包括与所述鞘气入口轴线方向平行的导电极板；出口段包括与所述鞘气入口同轴心分布的待检测气体出口；所述光路检测系统与所述检测仓连接，以实现检测仓中颗粒浓度的检测。
本发明的工作原理为。
首先，尾气通过中和荷电器进行电荷分配使得尾气中的悬浮颗粒物由部分带正电颗粒、部分带负电颗粒以及部分不带电颗粒组成。这些带电及不带电颗粒的数量分布符合玻尔兹曼分布，玻尔兹曼分布可由下式表达，
式中，di为某一颗粒粒径；fi为粒径di的颗粒不同带电量时的数量频率；n为电子数量；e为电子电量，e＝1.602176634×10-19C；k为玻尔兹曼常数；T为绝对温度，K。
考虑到某一电压可能沉降同一粒径不同带电量的颗粒，因此定义不同电压下粒径di的颗粒沉降数量频率表达式为fi(Ui)，其中Ui为粒径di颗粒对应的扫描电压。
在本发明中，导电极板中的正极板接高压电源，接地极板接地，通电后导电极板间形成均匀电场，其电场强度为：
式中，E为电场强度，V·m-1；U为高压电源电压，V；d为两平行极板的间距，m。
之后，尾气通过尾气入口进入颗粒粒径分级器，同时伴随鞘气经过颗粒粒径分级器内部的均匀电场。根据高压导电体极性，将荷电后与正极板异性的荷电颗粒定为测量颗粒，同性荷电颗粒为干扰颗粒，不荷电颗粒为无关颗粒。带电颗粒在其中的运动轨迹为，测量颗粒在电场力作用下向正极板运动，干扰颗粒向接地极板运动。高压电源的电压与颗粒粒径之间的关系为：
式中，Ui为粒径di颗粒对应的扫描电压，V；di为某一颗粒粒径，m；w为电场区域宽度，m；l为电场区域长度，m；d为两极板间距，m；n为电子数量；e为电子电荷量；Cc为Cunningham slip校正因子；μ为空气黏度系数，Pa·s；Q为总流量，m3·h-1。
再之后，逐渐由低至高的设定高压电源的电压，在高压电源的电压逐渐升高的过程中，最先沉降的颗粒为粒径较小的测量颗粒，随着高压电源电压的逐步增加，沉降颗粒的粒径也逐步变大，直至全部测量颗粒均沉降在两导电极板上。这里，如果将测量颗粒粒径按数值分为有限的粒径段，某一粒径段颗粒开始沉降时的电压为沉降电压，相邻粒径段颗粒的沉降电压之间的某一电压值为扫描电压。那么，在某一粒径段的测量颗粒沉降过程中，由于颗粒荷电量的不同，不同的荷电量对应不同的沉降电压，新增沉降颗粒为该粒径中沉降电压小于扫描电压的测量颗粒，而沉降电压大于扫描电压的测量颗粒将同无关颗粒一起通过粒径分级器，由此，可利用全散射法通过本次与上一次出射光强的差值反演该粒径沉降颗粒的质量浓度，并通过玻尔兹曼分布反演该粒径沉降颗粒和其余颗粒的数量频率，进而得到该粒径颗粒物质量浓度。
传统的颗粒物浓度监测装置为通过使某一特定电压下带电颗粒经过狭缝，再使这些经过狭缝的颗粒冷凝变大以计量其数量的方式进行监测颗粒物浓度，其存在狭缝易堵塞、监测条件苛刻的缺陷，不适用于工业尾气的监测。本发明采用将悬浮物颗粒以粒径值的大小分为若干粒径段，之后先沉降所需要监测的部分测量颗粒，放走剩余粒径段的颗粒进入检测仓进行光强信号的测量，然后再逐级增加扫描电压值的工作方式。不仅有效避免了颗粒粒径分级器出口过窄容易造成堵塞的情况；同时还扩展了悬浮物颗粒浓度监测的适用工况，尤其节省了使颗粒冷凝变大的计数过程，对温度没有太高的要求。这样既可以在较为广阔的条件下进行颗粒物粒径和浓度的监测，又降低了设备的成本，使得本发明非常适合工业尾气的监测，可对工业尾气悬浮物颗粒的组成及其特性的研究打下坚实的基础，进一步提高工业尾气治理效率和降低治理成本。
为了实现监测装置的在线使用，还可以在监测装置上加设信息处理系统，所述信息处理系统包括电性连接的控制器、处理器和显示器。需要说明的是此处提到的控制器、处理器和显示器以及其使用方法和控制方法均为本领域技术人员可以获知的现有技术。所述导电极板、抽吸单元尾气、鞘气动力单元、光路检测系统分别与所述信息处理系统电性连接。这样可以实现控制器控制导电极板的电压、恒流量抽气泵的抽气量、处理器处理光路检测系统的信号并在显示器上显示的目的。
作为本发明进一步的技术方案，所述隔板在轴向上沿气流流动方向延伸长度覆盖入口段，鞘气和尾气分别在隔板两侧运动，隔板与导电极板中正极板和接地极板在径向上距离的间隔比值在16～50范围内。
本发明主要针对工业尾气中小颗粒的粒径和浓度监测，由于气体分子的随机运动，颗粒将无规则运动，最终实现颗粒由高浓度区域向低浓度区域扩散，对于粒径小于几个微米的粒子，扩散现象尤为明显。为避免入口段中尾气颗粒向鞘气进行扩散，在尾气入口和鞘气入口间增设隔板，隔板在轴向上沿气流流动方向延伸的长度恰好覆盖入口段，使两股流体在入口段内沿各自的轨道内流动。
在电场段，干扰颗粒向接地极板运动，其最长运动距离为隔板与接地极板的径向距离ba；测量颗粒在电场力作用下向正极板方向运动，忽略隔板厚度，其最短运动距离为隔板与正极板径向距离bs。为保证测量结果准确需排除干扰颗粒的影响，即满足测量颗粒开始沉降于正极板时，干扰颗粒已全部沉降于接地极板。令bs＝mba，其中颗粒在电场中的沉降速度为，
干扰颗粒在电场中运动最长时间为粒径最大、荷电量最低的颗粒运动时间，
测量颗粒在电场中运动最短时间为粒径最小、荷电量最高的颗粒运动时间，
满足正电颗粒已全部被下极板沉降，负电颗粒还未被上极板沉降，则，
tmax<tmin
式中，Cc为Cunningham slip校正因子，是粒径di的函数；U0为测量颗粒还未沉降，干扰颗粒已全部沉降的扫描电压，V。
根据三种切割器切割粒径分别确定上述公式中的粒径最大值和粒径最小值，最终计算得到m的取值范围为[16，∞)，理论上隔板与极板的位置关系满足该范围即可排除干扰颗粒的影响，保证测量结果的准确性。但同时考虑到隔板与导电极板中接地极板的径向间隔不宜过小，过小则易堵塞颗粒，因此隔板与正极板和接地极板径向距离的间隔比值越大，两极板间距越大，此时为满足相同粒径范围的颗粒粒径和浓度的测量，或增大电场区域的面积，或增大电压，或减小流量。考虑到电场区域面积过大会造成电场分布不均匀，影响监测结果，同时极板面积过大会导致装置体积过大，增加占地面积，不易安置；扫描电压过大会增加装置成本，降低装置安全度；流量过小则不符合实际监测工况。考虑现实情况，最终确定m的取值范围为16～50。
作为本发明进一步的技术方案，所述导电极板为平面板或瓦状板。
本发明中导电极板优选的为平面板或瓦状板，但是并不局限于上述形状的导电极板，例如不规则形状的导电极板也是可以的。凡是可以实现提供给悬浮颗粒一定的电场强度，并可以使得荷电颗粒沉积在导电极板上的形状都是可以的。
作为本发明进一步的技术方案，所述导电极板的面积为0.03m2～0.3m2。
本发明中导电极板的面积大小决定了监测装置处理量的大小和处理的持续时间。通过上述描述，可以了解到本发明中荷电颗粒持续在两导电极板上沉积，这导致监测装置在连续工作状态下，会有越来越多的颗粒物沉积在导电极板上，为了保证在一定的时间内监测装置的监测数据准确，需要设定导电极板的在合适的面积内。这个面积不能过小，过小的面积处理量有限，这样就需要频繁的清理导电极板上沉积的颗粒，增加操作成本；过大的面积会造成电场分布不均匀，影响监测结果，同时极板面积过大会导致装置体积过大，增加占地面积，不易安置。因此，本发明中设定导电极板的面积为0.03m2～0.3m2。
作为本发明进一步的技术方案，所述气路循环系统还包括串联的流量计。
流量计用于监测所述气路循环系统中的载体流量大小，为所述恒流量抽吸泵的控制提供参考数据，可以帮助实现更为稳定和准确的悬浮颗粒物浓度监测。
作为本发明进一步的技术方案，颗粒粒径分级器的入口处设有粒径切割器。
切割器有三种类型，其切割粒径分别为1μm、10μm、100μm，根据不同工况选择不同的切割器配合使用。
作为本发明进一步的技术方案，所述光路检测系统包括依次连接的激光发射器、所述检测仓、光电转换器以及信息处理系统。
为了使用上述装置，本发明还提供使用方法，具体如下。
一种所述差分式全散射悬浮颗粒浓度监测装置的检测方法，包括如下步骤：
切割器切割粒径分别为1μm、10μm、100μm，以1nm为起点，分别以每100nm、1μm、10μm为一粒径段，取每段中间值作为该段粒径值，表示为d1、d2、d3…d10，每段粒径值对应的扫描电压为U1、U2、U3…U10；
S0.打开激光发射器电源，采集检测仓充满空气时所述信息处理系统得到的光强信号I，由于空气中颗粒浓度相对尾气中颗粒物浓度较低，可忽略不计，因此将光强信号I视为入射激光光强信号；
S1.调节粒径分级器电压至U0，此时干扰颗粒已全部沉降于接地极板，采集记录所述检测仓充满尾气时所述信息处理系统到的光强信号I0；
S2.调节扫描电压为U1；
S3.观察出射光强是否发生变化。若出射光强度变大，表明部分测量颗粒发生沉降，若光强不变，则无新增沉降颗粒；
S4.出射光强度变大，新增沉降颗粒为扫描电压U1对应粒径d1的测量颗粒，记录出射光强信号I1；
S5.判断该粒径的沉降电压范围(某一粒径测量颗粒开始沉降的电压至该粒径测量颗粒全部沉降的电压范围)是否与下一粒径的沉降电压范围发生重叠；
S6.若粒径为d1的颗粒沉降电压范围不与相邻及其他颗粒沉降电压范围发生重叠，此时扫描电压U1大于该粒径全部沉降时的电压，并小于下一粒径开始沉降时的电压。扫描电压U1可沉降粒径d1的全部测量颗粒，其余粒径的测量颗粒和无关颗粒可直接通过颗粒粒径分级器进入所述检测仓，所述光路检测系统得到粒径为d1的测量颗粒贡献的光强衰减Id1为Id1＝I1-I0，计算粒径为d1的测量颗粒的质量浓度M1-，其物理量之间的关系如下：
式中，I为入射光光强；ρp为颗粒密度，kg·m-3；L为激光光程，m；Kext为消光系数，m为颗粒折射率，λ为激光波长；
S7.利用玻尔兹曼分布反演得到该粒径颗粒质量浓度，以粒径为d1的测量颗粒为例，其物理量之间的关系如下：
式中，M1为粒径为d1的全部颗粒的质量浓度；f1(U1)为电压U1时，粒径为d1的沉降颗粒占该粒径颗粒的数量频率；
S11.增大扫描电压至U2，返回S3；
S3.观察出射光强是否发生变化，若出射光强度变大，表明部分颗粒发生沉降，若光强不变，则无新增沉降颗粒；
S4.出射光强度变大，新增沉降颗粒为扫描电压U2对应粒径d2的测量颗粒，记录出射光强信号I2；
S5.判断粒径d2的颗粒是否与其他粒径的沉降电压范围重叠；
S8.若该粒径的测量颗粒沉降电压范围与相邻及其他颗粒沉降电压范围发生重叠，判断粒径d2的沉降电压范围是否单向重叠，即仅与更大粒径颗粒沉降电压范围发生重叠；
S9a.若粒径d2的沉降电压范围与下一粒径的沉降范围重叠，此时扫描电压U2为该粒径与下一粒径的沉降电压之间的某一电压值。扫描电压可沉降该粒径部分测量颗粒，其余测量颗粒和无关颗粒可直接通过颗粒粒径分级器进入所述检测仓，根据上一次与本次出射光强的差值反演沉降颗粒质量浓度。此时沉降于极板上的为粒径为d1的测量颗粒和粒径为d2的部分测量颗粒，新增沉降颗粒为粒径为d2的部分测量颗粒，则粒径为d2的沉降颗粒物贡献的光强信号为Id2，Id2＝I2-I1，沉降颗粒的质量浓度为M2-，
S9b.利用玻尔兹曼分布反演得到该粒径颗粒质量浓度，
式中，f2(U2)为电压U2时，粒径为d2的新增沉降颗粒占该粒径颗粒的数量频率；
S11.增大扫描电压至U3，返回S3；
S3.观察出射光强是否发生变化，若出射光强度变大，表明部分颗粒发生沉降，若光强不变，则无新增沉降颗粒；
S4.出射光强度变大，新增沉降颗粒为扫描电压U3对应粒径d3的测量颗粒，记录出射光强信号I3；
S5.判断粒径d3的测量颗粒是否与其他粒径的沉降电压范围重叠；
S8.若该粒径与其他颗粒沉降电压范围发生重叠，判断粒径d3的沉降电压范围是否单向重叠；
S10a.若粒径d3的测量颗粒沉降电压范围同时与前后颗粒沉降电压范围发生重叠，此时扫描电压U3为该粒径与下一粒径的沉降电压之间的某一电压值。扫描电压可沉降该粒径部分测量颗粒，其余测量颗粒和无关颗粒可直接通过颗粒粒径分级器进入所述检测仓后根据上一次与本次出射光强的差值反演沉降颗粒质量浓度。极板上新增沉降颗粒为粒径d2和粒径d3的部分荷负电颗粒，两者对应的光强信号为Id3，Id3＝I3-I2，得到粒径为d3的颗粒物的质量浓度M3；
式中，f2(U3)为电压U3时，粒径为d2的新增沉降颗粒占该粒径颗粒的数量频率；
S10b.利用玻尔兹曼分布反演得到该粒径颗粒质量浓度，
式中，f3(U3)为电压U3时，粒径为d3的新增沉降颗粒占该粒径颗粒的数量频率；
S11.调节扫描电压为下一扫描电压，回到S3开始下一次测量；
S12.若出射光强不变，根据此时扫描电压对应的粒径值判断是否达到切割器粒径范围上限；
S13.未达上限则继续增大扫描电压，重复S3～S12测量；
S14.已达上限则结束循环，得到整个尾气颗粒粒径分布及浓度。
S15.关闭尾气入口，进行吹扫。
结合上述使用方法，本发明的监测装置的具体应用为。
一种所述的差分式全散射悬浮颗粒浓度监测装置在工业尾气监测方面的应用。
本发明的有益效果为。
传统的颗粒物浓度监测装置为逐一扫描粒径，通过使某一特定电压下带电颗粒经过狭缝，再使这些经过狭缝的颗粒冷凝变大以计量其数量的方式进行监测颗粒物浓度及粒径分布，其存在装置成本高、狭缝易堵塞、监测条件苛刻的缺陷，不适用于工业尾气的监测。本发明采用分段扫描粒径，首先在较小扫描电压下沉降的颗粒为粒径最小的颗粒，放走其余颗粒进入检测仓后利用全散射法根据测量颗粒沉降前后的光强衰减变化反演沉降颗粒浓度，并通过玻尔兹曼分布计算该粒径段的颗粒物浓度，然后通过调节电压改变沉降颗粒粒径从而实现对气溶胶浓度和粒径分布的在线监测的工作方式：分段扫描极大的降低了装置对扫描电压的要求；同时将测量颗粒沉降在极板上而不是经过狭缝有效避免了颗粒在狭缝中易堵塞的情况；全散射法不需冷凝颗粒，直接计量颗粒数量，扩展了悬浮物颗粒浓度监测的适用工况，尤其是节省了使颗粒冷凝变大的计数过程，对温度没有太高的要求。这样既降低了设备的成本，又可以在较为广泛的条件下进行颗粒物粒径和浓度的监测，使得本发明非常适合工业尾气的监测，可对工业尾气悬浮物颗粒的组成及其特性的研究打下坚实的基础，以进一步提高工业尾气治理效率和降低治理成本。
附图说明
图1为本发明的差分式全散射悬浮颗粒浓度监测装置系统结构示意图。
图2为本发明的颗粒粒径分级器俯视结构示意图。
图3为本发明的颗粒粒径分级器侧视剖面结构示意图。
图4为本发明的使用方法流程图。
图中，1-粒径切割器，2-中和荷电器，3-粒径分级器，4-检测仓，5-尾气流量计，6-尾气抽吸单元，7-鞘气动力单元，8-过滤装置，9鞘气流量计，10-激光发射器，11-光电接收器，12-信息处理系统，13-鞘气入口，14-尾气入口，15-待检测气体出口，16-入口段，17-电场段，18-出口段，19-隔板，20-正极板，21-接地极板。
具体实施方案
为了使本发明的技术方案更清楚以及易于理解，下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。显然，实施例中技术方案并不完全代表权利要求所要求的保护范围。
实施例1。
参考图1～3，本实施例1为一种应用在工业尾气上的差分式全散射悬浮颗粒浓度监测装置，包括气路循环系统和光路检测系统；所述气路循环系统包括依次连通且组成闭合回路的颗粒粒径分级器3、检测仓4、鞘气动力单元7、过滤装置8以及鞘气流量计9；所述气路循环系统还包括用于维持气路流体流量恒定的尾气流量计5、尾气抽吸单元6以及与所述颗粒粒径分级器3连接的中和荷电器2、粒径切割器1；所述颗粒粒径分级器由入口段16、电场段17和出口段18组成，入口段16包括与所述过滤装置连接的鞘气入口13、与所述中和荷电器连接的尾气入口14以及沿轴向贯穿入口段16的隔板19，隔板19与正极板20和接地极板21在径向上距离的间隔比值在16～50范围内；电场段17包括与所述鞘气入口轴线方向平行的导电极板20、21，导电极板20和21的面积为0.03m2～0.3m2；出口段包括与所述鞘气入口同轴心分布的待检测气体出口15；所述光路检测系统与所述检测仓4连接，以实现检测仓4中光强的检测。所述光路检测系统包括依次连接的激光发射器10、所述检测仓4、光电转换器11以及信息处理系统12。
本实施例1中更为具体的隔板19与正极板20和接地极板21的径向间距比值为16，导电极板面积为0.1m2。
实施例2。
本实施例2基本与实施例1相同，不同之处在于本实施例中更为具体的隔板19与正极板20和接地极板21的径向间距比值为18，导电极板面积为0.18m2。
实施例3。
本实施例3基本与实施例1相同，不同之处在于本实施例中更为具体的隔板19与正极板20和接地极板21的径向间距比值为50，导电极板面积为0.3m2。
实施例4。
参考图4，本实施例4提供了一种差分式全散射悬浮颗粒浓度监测装置的检测方法，包括如下步骤：
S0.打开激光发射器电源，采集检测仓4充满空气时所述信息处理系统12得到的光强信号I为423μw；
S1.调节粒径分级器3电压至100V，此时干扰颗粒已全部沉降于接地极板21，采集记录所述检测仓4充满尾气时所述信息处理系统12到的光强信号I0为315μw；
S2.调节扫描电压为415V；
S3.观察出射光强是否发生变化。若出射光强度变大，表明部分颗粒发生沉降，若光强不变，则无新增沉降颗粒；
S4.出射光强度变大，新增沉降颗粒为粒径50nm的颗粒，记录出射光强值I1为317μw；
S5.判断粒径50nm颗粒的沉降电压范围(该测量颗粒开始沉降的电压至该粒径测量颗粒全部沉降的电压范围)是否与粒径150nm颗粒的沉降电压范围发生重叠；
S6.50nm粒径的测量颗粒沉降电压范围不与相邻及其他颗粒沉降电压范围发生重叠，此时扫描电压大于该粒径全部沉降的电压，并小于粒径150nm测量颗粒开始沉降的电压。扫描电压可沉降该粒径全部测量颗粒，其余测量颗粒和无关颗粒可直接通过颗粒粒径分级器3进入所述检测仓4，并根据上一次与本次出射光强的差值反演测量颗粒质量浓度；
所述光路检测系统得到出射光强信号I1为317μw，粒径为50nm的荷负电颗粒贡献的光强衰减Id1为Id1＝I1-I0＝2μw，计算粒径为50nm的荷负电颗粒的质量浓度M1-＝1.53mg·m-3，其物理量之间的关系如下：
式中，I为入射光光强；ρp为颗粒密度，kg·m-3；Kext为消光系数，m为颗粒折射率，λ为激光波长；
S7.利用玻尔兹曼分布反演得到该粒径颗粒质量浓度；
粒径为50nm的颗粒，M1＝8.06mg·m-3，其物理量之间的关系如下：
式中，M1为粒径为50nm的全部颗粒的质量浓度；f1(U1)为电压U1＝415V，粒径d1＝50nm时的沉降颗粒占该粒径颗粒的数量频率；
S11.增大扫描电压至1600V，回到S3；
S3.观察出射光强是否发生变化。若出射光强度变大，表明部分颗粒发生沉降，若光强不变，则无新增沉降颗粒；
S4.出射光强度变大，新增沉降颗粒为粒径150nm的颗粒，记录出射光强值I2＝321μw；
S5.判断粒径150nm颗粒的沉降电压范围(该测量颗粒开始沉降的电压至该粒径测量颗粒全部沉降的电压范围)是否与粒径250nm颗粒的沉降电压范围发生重叠；
S8粒径150nm的测量颗粒沉降电压范围与相邻及其他颗粒沉降电压范围发生重叠，判断粒径150nm的沉降电压范围(该粒径测量颗粒开始沉降的电压至该粒径测量颗粒全部沉降的电压范围)是否同时与前后相邻粒径颗粒的沉降电压范围发生重叠；
S9a.仅发生单向重叠，即粒径150nm的测量颗粒沉降电压范围仅与更大粒径的颗粒沉降电压范围发生重叠，此时扫描电压为该粒径与下一粒径的沉降电压之间的某一电压值。扫描电压可沉降粒径150nm部分测量颗粒，其余测量颗粒和无关颗粒可直接通过颗粒粒径分级器3进入所述检测仓4后根据上一次与本次出射光强的差值反演沉降颗粒质量浓度；
粒径d2＝150nm，扫描电压U2＝1600V，沉降于极板上的为粒径50nm的测量颗粒和粒径150nm的部分测量颗粒，新增沉降颗粒为粒径150nm的部分测量颗粒，此时出射光强I2＝321μw，则粒径d2＝150nm的沉降颗粒物贡献的光强信号为Id2，Id2＝I2-I1＝4μw，沉降颗粒的质量浓度为M2-＝2.17mg·m-3，
S9b.利用玻尔兹曼分布反演得到该粒径颗粒质量浓度M2＝9.08mg·m-3，
式中，f2(U2)为电压U2＝1600V，粒径d2＝150nm时的新增沉降颗粒占该粒径颗粒的数量频率；
S11.增大扫描电压至2500V，回到S3；
S3.观察出射光强是否发生变化。若出射光强度变大，表明部分颗粒发生沉降，若光强不变，则无新增沉降颗粒；
S4.出射光强度变大，新增沉降颗粒为粒径250nm的颗粒，记录出射光强值I3＝333μw；
S10a.粒径250nm的测量颗粒沉降电压范围同时与前后颗粒沉降电压范围发生重叠，此时扫描电压为该粒径与下一粒径的沉降电压之间的某一电压值。扫描电压可沉降该粒径部分测量颗粒，其余测量颗粒和无关颗粒可直接通过颗粒粒径分级器3进入所述检测仓4后根据上一次与本次出射光强的差值反演沉降颗粒质量浓度；
粒径为d3＝250nm，扫描电压U3＝2500V，极板上新增沉降颗粒为粒径150nm和粒径250nm的部分荷负电颗粒，出射光强I3＝333μw，两者对应的光强信号为Id3，Id3＝I3-I2＝12μw，得到粒径250nm的颗粒物的质量浓度M3-＝1.48mg·m-3；
式中，f2(U3)为电压U3时，粒径为d2的新增沉降颗粒占该粒径颗粒的数量频率；
S10b.利用玻尔兹曼分布反演得到该粒径颗粒质量浓度M3＝13.79mg·m-3，
式中，f3(U3)为电压U3＝2500V时，粒径d3＝250nm的新增沉降颗粒占该粒径颗粒的数量频率；
S11.调节扫描电压为3300V，回到S3开始下一次测量；
S3.观察出射光强是否发生变化。若出射光强度变大，表明部分颗粒发生沉降，若光强不变，则无新增沉降颗粒；
S4.出射光强度变大，新增沉降颗粒为粒径350nm的颗粒，记录出射光强值I4＝338μw；
S10a.粒径350nm的测量颗粒沉降电压范围同时与前后颗粒沉降电压范围发生重叠，此时扫描电压为该粒径与下一粒径的沉降电压之间的某一电压值。扫描电压可沉降该粒径部分测量颗粒，其余测量颗粒和无关颗粒可直接通过颗粒粒径分级器3进入所述检测仓4后根据上一次与本次出射光强的差值反演沉降颗粒质量浓度；
粒径为d4＝350nm，扫描电压U4＝3300V，极板上新增沉降颗粒为粒径250nm和粒径350nm的部分荷负电颗粒，出射光强I4＝338μw，两者对应的光强信号为Id4，Id4＝I4-I3＝5μw，得到粒径350nm的颗粒物的质量浓度M4-＝3.02mg·m-3；
式中，f3(U4)为电压U4时，粒径为d3的新增沉降颗粒占该粒径颗粒的数量频率；
S10b.利用玻尔兹曼分布反演得到该粒径颗粒质量浓度M4＝25.52mg·m-3，
式中，f4(U4)为电压U4＝3300V时，粒径d4＝350nm的新增沉降颗粒占该粒径颗粒的数量频率；
S11.调节扫描电压为4200V，回到S3开始下一次测量；
S3.观察出射光强是否发生变化。若出射光强度变大，表明部分颗粒发生沉降，若光强不变，则无新增沉降颗粒；
S4.出射光强度变大，新增沉降颗粒为粒径450nm的颗粒，记录出射光强值I5＝344μw；
S10a.粒径450nm的测量颗粒沉降电压范围同时与前后颗粒沉降电压范围发生重叠，此时扫描电压为该粒径与下一粒径的沉降电压之间的某一电压值。扫描电压可沉降该粒径部分测量颗粒，其余测量颗粒和无关颗粒可直接通过颗粒粒径分级器3进入所述检测仓4后根据上一次与本次出射光强的差值反演沉降颗粒质量浓度；
粒径为d5＝450nm，扫描电压U5＝4200V，极板上新增沉降颗粒为粒径150nm、粒径250nm、粒径350nm和粒径450nm的部分荷负电颗粒，出射光强I5＝344μw，两者对应的光强信号为Id5，Id5＝I5-I4＝6μw，得到粒径450nm的颗粒物的质量浓度M5-＝4.47mg·m-3；
S10b.利用玻尔兹曼分布反演得到该粒径颗粒质量浓M5＝35.62mg·m-3；
S11.调节扫描电压为5800V，回到S3开始下一次测量；
S3.观察出射光强是否发生变化。若出射光强度变大，表明部分颗粒发生沉降，若光强不变，则无新增沉降颗粒；
S4.出射光强度变大，新增沉降颗粒为粒径550nm的颗粒，记录出射光强值I2＝349μw；
S5.判断粒径550nm颗粒的沉降电压范围(该测量颗粒开始沉降的电压至该粒径测量颗粒全部沉降的电压范围)是否与其余粒径颗粒的沉降电压范围发生重叠；
S8粒径550nm的测量颗粒沉降电压范围与相邻及其他颗粒沉降电压范围发生重叠，判断粒径150nm的沉降电压范围(该粒径测量颗粒开始沉降的电压至该粒径测量颗粒全部沉降的电压范围)是否同时与前后相邻粒径的沉降电压范围发生重叠；
S9a.仅发生单向重叠，即粒径550nm的测量颗粒沉降电压范围仅与下一颗粒沉降电压范围发生重叠，此时扫描电压为该粒径与下一粒径的沉降电压之间的某一电压值。扫描电压可沉降粒径550nm部分测量颗粒，其余测量颗粒和无关颗粒可直接通过颗粒粒径分级器3进入所述检测仓4后根据上一次与本次出射光强的差值反演沉降颗粒质量浓度；
粒径d6＝550nm，扫描电压U6＝5800V，新增沉降颗粒为粒径550nm的部分测量颗粒，此时出射光强I2＝349μw，则粒径d6＝550nm的沉降颗粒物贡献的光强信号为Id6，Id6＝I6-I5＝5μw，沉降颗粒的质量浓度为M6-＝4.58mg·m-3，
S9b.利用玻尔兹曼分布反演得到该粒径颗粒质量浓度M6＝38.08mg·m-3；
S11.调节扫描电压为6670V，回到S3开始下一次测量；
S3.观察出射光强是否发生变化。若出射光强度变大，表明部分颗粒发生沉降，若光强不变，则无新增沉降颗粒；
S4.出射光强度变大，新增沉降颗粒为粒径650nm的颗粒，记录出射光强值I7＝352μw；
S10a.粒径650nm的测量颗粒沉降电压范围同时与前后颗粒沉降电压范围发生重叠，此时扫描电压为该粒径与下一粒径的沉降电压之间的某一电压值。扫描电压可沉降该粒径部分测量颗粒，其余测量颗粒和无关颗粒可直接通过颗粒粒径分级器3进入所述检测仓4后根据上一次与本次出射光强的差值反演沉降颗粒质量浓度；
粒径为d7＝650nm，扫描电压U7＝6670V，极板上新增沉降颗粒为粒径350nm、粒径450nm、粒径550nm和粒径650nm的部分荷负电颗粒，出射光强I7＝352μw，两者对应的光强信号为Id7，Id7＝I7-I6＝3μw，得到粒径650nm的颗粒物的质量浓度M7-＝3.31mg·m-3；
S10b.利用玻尔兹曼分布反演得到该粒径颗粒质量浓度M7＝28.00mg·m-3；
S11.调节扫描电压为8300V，回到S3开始下一次测量；
S3.观察出射光强是否发生变化。若出射光强度变大，表明部分颗粒发生沉降，若光强不变，则无新增沉降颗粒；
S4.出射光强度变大，新增沉降颗粒为粒径750nm的颗粒，记录出射光强值I8＝354μw；
S10a.粒径750nm的测量颗粒沉降电压范围同时与前后颗粒沉降电压范围发生重叠，此时扫描电压为该粒径与下一粒径的沉降电压之间的某一电压值。扫描电压可沉降该粒径部分测量颗粒，其余测量颗粒和无关颗粒可直接通过颗粒粒径分级器3进入所述检测仓4后根据上一次与本次出射光强的差值反演沉降颗粒质量浓度；
粒径为d8＝750nm，扫描电压U8＝8300V，极板上新增沉降颗粒为粒径650nm和粒径750nm的部分荷负电颗粒，出射光强I8＝354μw，两者对应的光强信号为Id8，Id8＝I8-I7＝2μw，得到粒径750nm的颗粒物的质量浓度M7-＝2.59mg·m-3；
S10b.利用玻尔兹曼分布反演得到该粒径颗粒质量浓度M7＝22.43mg·m-3；
S11.调节扫描电压为9200V，回到S3开始下一次测量；
S3.观察出射光强是否发生变化。若出射光强度变大，表明部分颗粒发生沉降，若光强不变，则无新增沉降颗粒；
S4.出射光强度变大，新增沉降颗粒为粒径850nm的颗粒，记录出射光强值I7＝357μw；
S10a.粒径850nm的测量颗粒沉降电压范围同时与前后颗粒沉降电压范围发生重叠，此时扫描电压为该粒径与下一粒径的沉降电压之间的某一电压值。扫描电压可沉降该粒径部分测量颗粒，其余测量颗粒和无关颗粒可直接通过颗粒粒径分级器3进入所述检测仓4后根据上一次与本次出射光强的差值反演沉降颗粒质量浓度；
粒径为d9＝850nm，扫描电压U9＝9200V，极板上新增沉降颗粒为粒径250nm、粒径550nm、粒径750nm和粒径850nm的部分荷负电颗粒，出射光强I7＝357μw，两者对应的光强信号为Id9，Id9＝I9-I8＝3μw，得到粒径850nm的颗粒物的质量浓度M9-＝4.48mg·m-3；
S10b.利用玻尔兹曼分布反演得到该粒径颗粒质量浓度M9＝39.88mg·cm-3；
S11.调节扫描电压为10000V，回到S3开始下一次测量；
S3.观察出射光强是否发生变化。若出射光强度变大，表明部分颗粒发生沉降，若光强不变，则无新增沉降颗粒；
S4.出射光强度变大，新增沉降颗粒为粒径950nm的颗粒，记录出射光强值I10＝360μw；
S10a.粒径950nm的测量颗粒沉降电压范围同时与前后颗粒沉降电压范围发生重叠，此时扫描电压为该粒径与下一粒径的沉降电压之间的某一电压值。扫描电压可沉降该粒径部分测量颗粒，其余测量颗粒和无关颗粒可直接通过颗粒粒径分级器3进入所述检测仓4后根据上一次与本次出射光强的差值反演沉降颗粒质量浓度；
粒径为d10＝950nm，扫描电压U10＝10000V，极板上新增沉降颗粒为粒径450nm和粒径950nm的部分荷负电颗粒，出射光强I10＝360μw，两者对应的光强信号为Id10，Id10＝I10-I9＝3μw，得到粒径950nm的颗粒物的质量浓度M10-＝5.08mg·cm-3；
S10b.利用玻尔兹曼分布反演得到该粒径颗粒质量浓度M10＝46.42mg·cm-3；
S11.调节扫描电压为11000V，回到S3开始下一次测量；
S12.若出射光强不变，根据此时扫描电压对应的粒径值判断是否达到切割器粒径范围上限；
S14.颗粒粒径已达上限，结束循环，得到整个尾气颗粒粒径分布及浓度；
S15.关闭尾气入口，吹扫。
监测结果如表1所示：
表1实施例4监测结果
对比例1。
本对比例1是为了验证实施例4的监测结果准确度，将尾气均分成两股，分别通入利用传统技术Scanning Mobility Particle Sizer(SMPS)和本发明所述差分式全散射悬浮颗粒浓度监测装置，同时监测颗粒物浓度和粒径分布。实验条件如表2所示，对比结果如表3所示，
表2实施例4和对比例1实验条件
表3实施例4和对比例1对比结果
注1.
通过上述数据对比，发现本发明与SMPS在监测结果上的最大偏差绝对值为5.03％，最小偏差绝对值为0.08％，对比结果表明本发明测量结果准确性较高。
表4对比例监测结果表
注2.
通过上述数据对比，发现本发明与SMPS在监测结果上的相似度为2.81％，对比结果表明本发明测量结果准确性较高，稳定性较佳，可以满足工业尾气及其他领域的悬浮颗粒监测。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种差分式全散射悬浮颗粒浓度监测装置，其特征在于，包括气路循环系统和光路检测系统；
所述气路循环系统包括依次连通且组成闭合回路的颗粒粒径分级器、检测仓、鞘气动力单元以及过滤装置；所述气路循环系统还包括用于维持气路流体流量恒定的尾气抽吸单元、以及与所述颗粒粒径分级器连接的中和荷电器；
所述颗粒粒径分级器包括入口段、电场段和出口段；所述入口段包括与所述过滤装置连接的鞘气入口、与所述中和荷电器连接的尾气入口以及沿气相流动方向贯穿入口段的隔板；电场段包括与所述鞘气入口轴线方向平行的导电极板；出口段包括与所述鞘气入口同轴心分布的待检测气体出口；所述光路检测系统与所述检测仓连接，以实现检测仓中颗粒浓度的检测。
2.根据权利要求1所述的差分式全散射悬浮颗粒浓度监测装置，其特征在于，所述隔板沿轴向气流流动方向延伸且覆盖入口段，隔板贴近接地极板，同两极板沿径向的间距比值范围是16～50。
3.根据权利要求1所述的差分式全散射悬浮颗粒浓度监测装置，其特征在于，所述导电极板为平面板或瓦状板。
4.根据权利要求1所述的差分式全散射悬浮颗粒浓度监测装置，其特征在于，所述导电极板的面积为0.03m2～0.3m2。
5.根据权利要求1所述的差分式全散射悬浮颗粒浓度监测装置，其特征在于，所述气路循环系统还包括串联的流量计。
6.根据权利要求1所述的差分式全散射悬浮颗粒浓度监测装置，其特征在于，颗粒粒径分级器的尾气入口处设有粒径切割器。
7.根据权利要求1所述的差分式全散射悬浮颗粒浓度监测装置，其特征在于，所述光路检测系统包括依次连接的激光发射器、所述检测仓、光电转换器以及信息处理系统。
8.一种根据权利要求7所述的差分式全散射悬浮颗粒浓度监测装置的检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
S0.打开激光发射器电源，采集检测仓充满空气时所述信息处理系统得到的光强信号I；
S1.调节粒径分级器电压至U0，此时干扰颗粒已全部沉降于接地极板，采集记录所述检测仓充满尾气时所述信息处理系统到的光强信号I0；
S2.调节扫描电压为U1；
S3.观察出射光强是否发生变化，若出射光强度变大，表明部分测量颗粒发生沉降，若光强不变，则无测量颗粒沉降；
S4.若出射光强度变大，新增沉降颗粒为扫描电压对应粒径的测量颗粒，记录出射光强值；
S5.判断该测量颗粒粒径是否与其他粒径的沉降电压范围重叠；
S6.若该测量颗粒粒径的沉降电压范围不与相邻及其他颗粒沉降电压范围发生重叠，粒径为d1的测量颗粒可全部沉降，扫描电压为U1，所述光路检测系统得到出射光强信号I1，沉降颗粒贡献的光强衰减Id1为Id1＝I1-I0，计算粒径为d1的沉降颗粒质量浓度M1-，其关系如下：
式中，I为入射光光强；ρp为颗粒密度，kg·m-3；Kext为消光系数，m为颗粒折射率，λ为激光波长；
S7.利用玻尔兹曼分布反演得到该粒径颗粒质量浓度，颗粒粒径为d1，扫描电压为U1，其关系如下：
式中，M1为粒径为d1的全部颗粒质量浓度；f1(U1)为电压U1时，粒径为d1的沉降颗粒占该所有粒径颗粒的数量频率；
S8.若该粒径与其他颗粒沉降电压范围发生重叠，判断该粒径是否与前后相邻粒径的沉降电压范围均重叠；
S9a.若该粒径的测量颗粒仅与下一颗粒沉降电压范围发生单向重叠，粒径为d2的测量颗粒部分沉降，扫描电压为U2，出射光强为I2，则粒径为d2的沉降颗粒物贡献的光强信号为Id2，Id2＝I2-I1，沉降颗粒的质量浓度为M2-，
S9b.利用玻尔兹曼分布反演得到该粒径颗粒质量浓度，
式中，f2(U2)为电压U2时，粒径为d2的新增沉降颗粒占该粒径颗粒的数量频率；
S10a.若该粒径的测量颗粒同时与前后颗粒沉降电压范围发生重叠，扫描电压为U3，极板上新增沉降颗粒为粒径d2和粒径d3的部分测量颗粒，出射光强为I3，两者对应的光强信号为Id3，Id3＝I3-I2，得到粒径为d3的颗粒物的质量浓度M3-；
式中，f2(U3)为电压U3时，粒径为d2的新增沉降颗粒占该粒径颗粒的数量频率；
S10b.利用玻尔兹曼分布反演得到该粒径颗粒质量浓度，
式中，f3(U3)为电压U3时，粒径为d3的新增沉降颗粒占该粒径颗粒的数量频率；
S11.调节扫描电压为下一扫描电压，回到S3开始下一次测量；
S12.若出射光强不变，根据此时扫描电压对应的粒径值判断是否达到切割器粒径范围上限；
S13.未达上限则继续增大扫描电压，重复S3～S12测量；
S14.已达上限则结束循环，得到整个尾气颗粒粒径分布及浓度；
S15，关闭尾气入口，进行吹扫。
9.一种根据权利要求1～7任一项所述的差分式全散射悬浮颗粒浓度监测装置在工业尾气检测方面的应用。
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2019
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