CN1837778A - 现场检测气溶胶粒子浓度的方法及其检测仪 - Google Patents
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Abstract
一种现场检测气溶胶粒子浓度的方法及其检测仪，主要步骤包括将管状探头置于含气溶胶粒子的气流中，管状探头内有一个正高压电极和一个负高压电极金属丝，两电极之间形成至少一个电晕场；含气溶胶粒子的气流通过上述电晕场，使气流中至少有部分待测气溶胶粒子在电晕场带上负电荷；在电晕场，带负电荷的气溶胶粒子沉积在正高压电极上；检测与正高压电极连接的电路内出现的电流或电压的变化数据；将检测数据与标准的或常规的检测方法进行对比标定，得到此方法中电流或电压的变化与气溶胶粒子浓度之间的关系曲线或经验公式；根据上述关系曲线或经验公式，得到气溶胶粒子的浓度。可用于检测各种油烟雾、工业烟尘和烟雾、沙尘、飘尘及可吸入颗粒物。
Description
技术领域
本发明涉及一种气溶胶粒子的检测方法及其检测装置。
背景技术
气溶胶粒子是指悬浮在大气或空气中的直径从不足1微米到上百微米的固体或液体粒子。一般是自然产生(如火山爆发和沙尘暴)或人为活动的结果。后者的成份可大致分为三类：硫酸盐气溶胶，生物质燃烧气溶胶和化石燃料燃烧产生的黑烟。气溶胶对人类生活的影响极大。大多数空气污染都与气溶胶相关。不论是热电厂产生的成吨计的烟尘，还是数以万计的机动车排放的烟雾，以及餐厅烹调产生的油烟气溶胶，都会对人们的呼吸和循环系统造成损害。以后者为例，当烹饪温度达到230-280℃时，油烟中就可能产生致癌物质.。据台湾卫生署分析，台湾家庭主妇患肺癌的比例居高不下，主要原因即是长期处于烹调油烟污染的环境。南京市调查发现，人群中51.6％的肺鳞癌和61.0％的肺腺癌的发生归因于家庭油烟污染。所以控制人为活动中气溶胶的产生，净化含有害气溶胶的空气是人类为自身健康所必须付出的努力。但为了较好地完成这一系统工程，需先找到能准确快速地检测或监测气溶胶浓度的方法和手段，同时研制出使用方便，可靠性高的设备。这是环保领域当务之急的课题之一。但到目前为止，还没有能适用于大多数气溶胶的普适性检测技术。人们只能针对不同的气溶胶研究出不同的检测方法，而且这些方法大多较复杂，检测周期较长，通常是现场采样，然后带回实验室进行处理和分析，不能在现场立即得到结果，很不方便。
以烹饪油烟气溶胶的检测为例，由于饮食习惯的差异，国外对相关研究兴趣不大。尚未开发出现场检测油烟气溶胶浓度的设备。美国专利(申请号5,849,596)提出了一种测定食用油油烟浓度的方法，即先加热确定量的食用油到一定温度，再用硫酸吸收产生的油烟，再通过已制定好的色谱-浓度标示对照确定酸液中溶解的油烟凝结物浓度，最后换算成所测油烟雾浓度。这种方法的准确性不会很高，色谱-浓度标示制作难度大，不太适用于现场快速检测。
国内对饮食业烹饪油烟的排放标准和测量手段已颁布了一套试行法规(GB18483-2001，2002年1月1日实行)。该方法是先用特别的采样机在规定的条件下对油烟雾采样，让含油烟雾的气流通过装有不锈钢丝网滤芯的采集头以截留微小的油烟气溶胶颗粒，然后将收集了油烟的滤芯取出放于盛有四氯化碳溶剂的容器中，在超声波作用下让油烟凝结物溶解，将溶有油烟凝结物的溶剂移入比色管中定容，最后用红外分光光度法测出其油烟含量，再换祘成所测的油烟浓度。整个过程一般需数天时间，这对于需现场快速获得检测结果的情况(如环保局人员到餐厅检测油烟排放是否合乎标准)显然不太适用。此外，由于油烟气溶胶颗粒的惯性比气体分子的惯性大得多。因此，为保证测量的准确性，该方法要求等速采样，这使得采样机的结构变得十分复杂，成本上升，而工作可靠性则降低。四氯化碳的致癌性也使得分析人员心存顾虑。
非食用油(如煤焦油，木焦油，矿物油和天然沥青等)受热产生的油烟雾会造成严重的室外环境污染。以沥青油烟雾为例，凡加工，制造和使用沥青，煤炭，石油及含沥青的物质，在加热和燃烧的过程中均会产生成分复杂的沥青油烟气溶胶，由于严重污染空气，国家已规定了严格的排放标准(GB16297-1996)。现有污染源为80mg/m3，新污染源为40mg/m3。目前对这类油烟雾浓度的检测仍缺少完备的手段。中国专利(申请号02221112)提出一种检测样品中沥青含量的仪器，是将样品在仪器的燃烧室中燃烧，用电子天平测量反应物后计算出相应沥青含量。该设备并不适合检测沥青油烟气溶胶浓度。
再以总悬浮颗粒物(TSP)或烟尘的检测为例，常规的方法是抽取一定体积的空气通过已恒重的滤膜或滤筒，气流中的气溶胶粒子被阻留在膜上或筒中，由采样前后的重量差及采样体积，可计算出TSP或烟尘浓度(如果有水分，需加热烘干后在称量)。对于可吸入尘(飘尘，IP)，也可采用前述重量差法。此外，还有压电晶体振荡法和β射线吸收法。后者是通过测定清洁滤带(未采尘)和采尘滤带对射线吸收程度的差异来测量采尘量的，由于含尘空气的体积已知，故可计算出IP的浓度。从近年来这方面公开的专利看，快速检测或监测TSP，IP或烟尘的技术发展较快，但大体趋势仍然集中在两个方向。一是利用气溶胶粒子对各种光线(可见光，红外光，激光等)的作用(阻挡，吸收，漫反射等)，通过测量光线照射前后的变化来获取气溶胶浓度的信息。如英国专利(中国申请号02804173)，中国专利(申请号02232672)，中国专利(申请号01136683)，美国专利(中国申请号99103172)，美国专利(中国申请号97119085)，中国专利(申请号93211786)，中国专利(申请号91202747)，中国专利(申请号01254195)，中国专利(申请号96114134)和中国专利(申请号94202316)。这一类方法的局限是，当检测或监测环境较恶劣时(如烟道气流腐蚀性强，水汽量大，粘性油烟浓度大)，检测误差增大，甚至仪器很快就会失效或损坏。另一发展方向是β射线吸收法的优化或改进。如中国专利(申请号02200914)，中国专利(申请号99205791)和中国专利(申请号02238238)。除了由前一类方法的局限外，β射线源的价格和安全也会造成一些问题。
考虑到气溶胶粒子对人体健康危害程度的不同，有时还需测定粒子大小的分布。粒子粒径的分布有两种表示方式，一是不同粒径的数目分布，一是不同粒径的重量浓度分布。前者可用光散射式粒子计数器测定。后者可用根据撞击捕获原理制成的采样器分级捕集不同粒径范围的气溶胶粒子，再用称重法测定浓度分布。一般来讲，这些设备多较贵，检测过程复杂，检测周期也长。
发明内容
本发明的目的是提出一种新的适合于大多数气溶胶粒子浓度的现场检测气溶胶粒子浓度的方法及其检测仪，解决研制一种现场快速检测或长期监测气溶胶粒子浓度的方法和相关设备；并解决由此技术方便地得到气溶胶粒子粒径浓度分布状况的问题。
本发明的技术方案：
这种现场检测气溶胶粒子浓度的方法，其特征在于主要步骤包括：
(1)、将管状探头置于含气溶胶粒子的气流中，管状探头内有一个正高压电极和一个负高压电极金属丝，两电极之间形成至少一个电晕场；
(2)、含气溶胶粒子的气流通过上述电晕场，使气流中至少有部分待测气溶胶粒子在电晕场带上负电荷；
(3)、在电晕场，带负电荷的气溶胶粒子沉积在正高压电极上；
(4)、检测与正高压电极连接的电路内出现的电流或电压的变化数据；
(5)、将检测数据与标准的或常规的检测方法进行对比标定，得到此方法中电流或电压的变化与气溶胶粒子浓度之间的关系曲线或经验公式；根据上述关系曲线或经验公式，得到气溶胶粒子的浓度。
本发明现场检测气溶胶粒子浓度的检测仪，其特征在于：检测仪包括管状探头和与管状探头连接的检测仪主机；
管状探头包括以下部件：
一个绝缘的管状外壳；
套在管状外壳内的金属管状正高压电极；
与管状外壳内壁固定、并设于正高压电极两端的两个支柱；
直接在两支柱之间、并置于绝缘外壳中轴线的负高压电极金属丝和金属弹簧，
沉积电极；
检测仪主机包括：
正高压电极接线与负高压电极接线之间的回路中连接变压器、整流电路、调压器、直流低压电源；
与沉积电极正高压接线连接的检测回路，该回路包括串联的电阻、连接电阻两端的放大电路、与放大电路连接的中央芯片、显示屏、与中央芯片连接的电源电路和输出检测信号的接口。
冷却风扇、控制开关和电源插座。
上述气溶胶粒子包括烹饪油烟雾，矿物油烟雾，工业生产产生的烟尘和烟雾，大气中的沙尘，飘尘及可吸入颗粒物。
上述含气溶胶粒子的气流处于静态或基本不流动时，采用抽气装置或加热装置扰动气流。
上述含气溶胶粒子的气流在进入电晕场之前被加热，使其中的水汽或水雾变成水蒸气分子。
上述负高压电极具有至少一个尖端，通过调整尖端与正高压电极之间的距离和电压，产生所需强度和作用区域大小的电晕场。
上述用于沉积气溶胶粒子的正高压电极是产生电晕场所用的正高压电极，或是另一带正电的沉积电极。
上述检测与沉积气溶胶粒子的正高压电极连接的电路内出现的电流或电压的变化的方法包括：在沉积气溶胶粒子的电极相连的回路中串接一电阻。
上述得到的实时检测数据存储在检测仪主机内；或通过与检测仪主机相连的数据线传到远方的计算机中；或在检测仪主机中加入远程无线通讯部件，直接将得到的实时数据传到远方的计算机中。
上述沉积电极是平行或垂直于气流方向的网状沉积电极、板状沉积电极或管状沉积电极。
本发明提出了一种普适性的气溶胶粒子浓度的检测原理，突破以往“采集柎頄分析”的检测模式。根据上述原理，本发明提出了相应的检测技术，通过它可以方便，灵敏和快速地检测出空气或管道气流中大多数气溶胶粒子的浓度或长期监测气溶胶粒子浓度的变化情况。根据上述原理和技术，本发明设计出了具体的气溶胶浓度现场检测管状探头和检测仪。
本发明提出的气溶胶粒子浓度的检测或监测原理如下：
当导电电极上有曲率较大的尖端或表面而又远离其他导体时，由于尖端或高曲率表面附近的电场较强，使电场内的气体电离，生成大量电子和阴离子，引起气体导电(并伴随发光)。如果此时气体中存在有气溶胶粒子，他们将通过与捕获电子和阴离子的气体粒子碰撞而被荷电。带上负电荷的气溶胶粒子在电场力和/或流动气流的作用下，可被推向具有与粒子荷电相反电性的导电电极，失去荷电而沉积，同时引起与该电极连接的电路内出现电流或电压的变化。这种变化与气溶胶粒子的浓度呈正的关系。通过适当的手段检测或监测这种变化，并对数据进行必要的处理和分析，同时与标准的或常规的检测方法得到的数据进行对比标定，即可得到气溶胶粒子的浓度信息。
这种方法适合大多数含有气溶胶粒子的气流或空气。合适的粒子直径范围可从小于0.1微米到数百微米。合适的气溶胶粒子比电阻从104-5×1011Ωcm。因此对烹饪油烟气溶胶粒子，大多数工业生产排放的烟尘，烟雾和大气中的人为和自然产生的气溶胶粒子均有效。相反，对于水雾粒子，由于其比电阻太小，较不敏感。对于干燥气流中比电阻特别大的粉尘粒子，也不够敏感，但如气流湿度稍大，这些粒子表面被润湿，则敏感度将明显提高。上述这些特性十分有利于实际生产和生活中气溶胶粒子浓度的现场快速检测或长期监控。本发明可用于检测各种油烟雾、工业烟尘和烟雾、沙尘、飘尘及可吸入颗粒物。
附图说明
图1是实施例一的一种适于油烟浓度现场检测的一种管状探头的结构示意图；
图2是实施例二的一种适于烟尘浓度现场检测的一种管状探头的结构示意图；
图3是实施例三的一种适于空气飘尘现场检测的一种管状探头的结构示意图；
图4是实施例四的一种直接采用电晕正高压极作为沉积电极的管状探头的结构示意图；
图5是本发明的一种现场检测气溶胶粒子浓度检测仪的示意图。
图6是沉积电极与检测回路相连的电路原理图。
1-外壳、2-负高压电极金属丝、3-管状正高压电极、4-支柱、5-金属弹簧、61-网状沉积电极、62-板状沉积电极、63-管状沉积电极、7-电加热丝网、8-正高压电极接线、9-负高压电极接线、10和11是电加热丝的接线、12-沉积电极的回路接线、13-抽风扇、14-风扇电机、15-风扇支架、16、17-风扇电机的电源线、18-绝缘线。R0-电阻、19-放大电路、F-保险管、R1-保护电阻。
101-管状探头、102-插头、103-电缆线、104-检测仪主机、105-检测回路、106-中央芯片、107-液晶显示屏、108-直流低压电源、109-直流变压器、110-调压器、111-变压器、112-整流电路、113-控制开关、114-冷却风扇、115-交流电源插座、116-外接直流电源插座、117-接口。
具体实施方式
这种检测或监测的主要步骤如下：
(1)、将管状探头置于含气溶胶粒子的气流中，管状探头内有一个正高压电极和一个负高压电极金属丝，两电极之间形成至少一个电晕场。
(2)、含气溶胶粒子的气流通过上述电晕场，使气流中至少有部分待测气溶胶粒子在电晕场带上负电荷。
(3)、在电晕场，带负电荷的气溶胶粒子沉积在正高压电极上。
(4)、检测与正高压电极连接的电路内出现的电流或电压的变化数据。
(5)、将检测数据与标准的或常规的检测方法进行对比标定，得到此方法中电流或电压的变化与气溶胶粒子浓度之间的关系曲线或经验公式；根据上述关系曲线或经验公式，得到气溶胶粒子的浓度。
根据上述检测原理和技术，可以设计出具体的现场检测元件和设备。
管状探头实施例一：图1显示的是一种烹饪油烟检测管状探头的示意图。图中标号1是管状探头的管状外壳，由绝缘材料制成。标号2是产生电晕的负高压电极金属丝。标号3是产生电晕的管状正高压电极，由金属材料制成，标号8是与正高压电极相连的正高压接线，通常应接地，以保证安全。标号4是与外壳固连的支柱，其作用是支撑负高压电极金属丝2，使其保持在管状正高压电极3的中心轴线位置。标号5是金属弹簧，其作用是使负高压电极金属丝2绷紧，并始终保持为一直线状态，从而防止由于弯曲造成的与管状正高压电极3间的放电。标号9是与负高压电极金属丝连接的负高压接线。标号61是网状沉积电极，其网平面垂直于气流方向，由导电材料制成，标号12是与沉积电极连接的回路接线。标号7是电加热丝网，其作用是加热网状沉积电极，使其上附着的油烟污垢杯分解，剥离或消除。标号10和11是电加热丝的接线，可以接交流，也可以接直流电源。电热丝网7和网状沉积电极61可以买零件自制，也可请专业厂家按要求定制。
该管状探头的工作原理如下：含油烟气溶胶粒子的气流从右端进入管状探头后，通过负高压电极金属丝2与管状正高压电极3形成的电晕场，油烟气溶胶粒子带上负电荷后从电晕场排出，在穿过网状沉积电极61时失去电荷而沉积，引起与网状沉积电极61相连回路中的电压或电流变化。沉积在网状沉积电极61上的油烟污垢能因电加热丝网7的通电而去除。
管状探头实施例二：图2显示的是一种烟尘浓度现场检测管状探头的设计示意图。与实施例一不同的是电加热丝网7设置于管状外壳1的气流进口处，其作用是加热进入管状探头的气流，使其中的水汽或水雾成为水蒸气分子。含烟尘和水汽的气流从右端进入管状探头后，预先被电加热丝网7加热，使水汽成为水蒸气分子。沉积在网状沉积电极61上的烟尘可以在检测完成后通过抖动管状探头而倒出。当然也可以在沉积电极附近设置另一层电加热丝网，用于加热网状沉积电极，使其上附着的油烟污垢杯分解，剥离或消除。
管状探头实施例三：图3显示的是一种空气中飘尘现场检测管状探头的设计示意图。与实施例一不同的是沉积电极是板状沉积电极62，板状沉积电极平面平行于气流方向，由导电材料制成，12是沉积电极的回路接线。高压值可控可调，以获取飘尘粒径的重量浓度分布。在管状探头进口附近设置抽风扇13，其功能是将含飘尘的空气抽入管状探头管内。驱动抽风扇的电机14，其功率和转速可调，以适合不同的技术要求。抽风扇由支撑风扇转轴的支架15支撑。风扇电机的电源线16、17与检测仪主机连接。
该管状探头的工作原理如下：含飘尘的空气由于抽风扇13的开启从右端进入管状探头，在通过电晕场后，带上负电荷的飘尘粒子从电晕场排出，在穿过板状沉积电极62时失去电荷而沉积，引起与板状沉积电极62相连回路中的电压或电流变化。沉积在板状沉积电极62上的飘尘可以在检测完成后通过抖动管状探头而倒出。
管状探头实施例四：图4显示的是一种直接采用电晕正高压极作为沉积电极的管状探头设计示意图。与实施例一不同的是：管状外壳1的内壁通长套有金属管，金属管前段(图中右半段)作为管状正高压电极3，金属管后段(图中左半段)作为管状沉积电极63使用。两个支柱4设置于管状外壳的前端和后端，支柱4之间自前至后依次直线连接负高压电极金属丝2、绝缘线6、金属弹簧5。
该管状探头的工作原理如下：含气溶胶粒子的气流从右端进入管状探头后通过电晕场，气溶胶粒子在金属管的前段管状正高压电极3内带上负电荷，在金属管的后段失去电荷而沉积在管状沉积电极63上，引起与管状正高压电极3相连回路中的电压或电流变化。沉积在管内壁上的气溶胶粒子可以在检测完成后通过抖动管状探头而倒出或清除。
检测仪实施例：图5显示的是一种气溶胶粒子浓度现场检测仪的设计示意图。管状探头101与检测仪主机104通过插头102和电缆线103连接。电缆线103包括被屏蔽起来的正高压电极接线、负高压电极接线、电加热丝的接线、沉积电极的回路接线、风扇电机的电源线，屏蔽线应采用金属丝网包裹屏蔽。
管状探头所需的两类高压均由调压器110所提供，所需高压值由中央芯片106确定。在需测量气溶胶粒子粒径的重量浓度分布的情况下，高压值应可由仪器操作者自己调整。其他情况下可在芯片中预先设置。有两种方式提供调压器的输入高电压：一是将通常的220伏交流电压通过变压器111变成足够高的交流电压后，再通过整流器112变为直流高压。另一选择是采用直流低压电源108通过直流变压器109转换为直流高压。直流低压电源108通常为24伏的铅酸电池，其功率最好不低于10瓦。通过外接220伏交流电源插座115或外接直流电源插座116为直流低压电源108充电。这一方式的优点是不用外接交流电源，在现场使用非常方便。变压器111和调压器110可以定制或购买。比如直流变压器109，市场上已有的产品可以将直流电压在零到数万伏之间调整。
与沉积电极相连的检测回路105，其功能是取出因气溶胶粒子沉积引起的电压变化。这种变化被送入中央芯片106进行放大，处理和分析，并根据预先得到的关系曲线或经验公式，将变化值换算为气溶胶粒子的浓度值，最后通过液晶显示屏107显示出来。同时还可通过接口117与计算机相连，可将暂存于芯片中的数据输入计算机，作进一步的分析处理和打印。也可以在检测仪主机中加入远程无线通讯部件，直接将得到的实时数据传到远方的计算机中。
上述检测仪中的大多数零部件都可以直接购买而不必自己制作。比如，最重要的中央芯片106可采用单片机来实现，如采用型号为89S52的单片机就能胜任，其主频是24兆，可以输入8K的控制程序，并自带A-D转换，只需再加一个简单的放大电路即可。显示屏可采用128×128图形点阵液晶显示模块，带中英文字库，，可显示8行汉字或英文，有内置T6963C控制器，自带负压和LED背光。可由单片机提供的编程，让液晶显示屏自动显示所需的界面，如气溶胶粒子浓度和检测时间。
为了给检测仪中的变压器和中央芯片散热，可以在机箱内设置冷却风扇114和控制开关113，风扇自动开关受芯片预先设置的命令所控制，风扇电机所需电流由调压器110提供。冷却风扇114可采用普通小型常规产品，其启动和关闭时间可编程后由中央芯片(即单片机)控制。
参见图6，管状探头与检测回路105连接的实施例：在沉积气溶胶粒子的电极相连的回路中串接一电阻R0。电阻R0的作用是串联于沉积电极回路中，一旦有气溶胶粒子沉积，就有电流流过其中，通过检测电阻R0上的电压变化就可得知气溶胶粒子浓度的信息。由于这种电压变化较微弱，所以要将电压值通过放大电路19放大，然后通过输出端送到检测仪的中央芯片106作进一步处理和分析。
图中标号9是保险管，其作用是当电晕极之间由于某种原因发生放电时，保险管将由于通过过大的电流而自动烧断，从而保护了后面的整流二极管和变压器。
整流电路112是桥式整流二极管，其功能是将变压器111送出的交流高压变为直流，提供给管状正高压电极2所需的直流负高压。变压器111的输入端可直接连接220V交流电源，通过一个控制开关，该交流电源还可提供电加热丝网7所需的电流。保护电阻R1连接于检测回路中，可对过大的电晕放电电流有一定保护作用。
本发明的具体说明如下：
1、建立强度和大小合适的稳定电晕场，防止正负电极之间的火花放电。
按前述电晕场产生的条件分析，有多种产生方式，一种是让带负高压的电极具有至少一个尖端，通过调整尖端与正电极之间的距离和电压，产生所需强度和作用区域大小的电晕场。这种方法尤其需要防止尖端的火花放电。一旦放电，将使电极尖端很快氧化烧蚀，使电晕从不稳到最终消失。同时由于放电的影响，使正高压电路上的电压或电流变化不能反映正确的气溶胶粒子浓度。另一种电晕场产生方式是采用较细的金属丝作为负高压电极(电晕极)，采用金属圆管作为正高压极。让负高压电极与正高压电极金属管内壁保持等距，这样就能有效地防止正负极之间的放电。金属管的内径决定了电晕产生所需的电压，内径越大，所需电压越高。一般所需直流电压不应低于1千伏特，否则不易产生稳定的电晕场。金属丝的直径也决定电晕产生的条件，丝越粗，所需电压越大。但过粗的金属丝很难产生电晕，因为其表面曲率太大。一般情况下，金属丝直径不应大于0.5厘米。
2、带电气溶胶粒子造成的电压或电流变化的测量方法。
至少有两种方式设置正高压电极(称为沉积电极)，来让带电的气溶胶粒子失去电荷并沉积其上。最简单的作法是直接利用产生电晕的正高压电极(负高压极为电晕极)作为沉积电极。并在沉积电极和电晕极之间的回路中串接一只电阻，电阻值可从数十欧姆到数十万欧姆。测量该电阻上因带电气溶胶粒子失去电荷造成的电压或电流变化。一般的气溶胶粒子浓度下，这种变化十分微小，多为微伏或微安级别。所以这种方法虽然简单，但要求电晕场十分稳定，如一旦放电，产生的电压或电流变化将远大于微伏或微安级别，使得到的测量数据完全失真。第二种方法则是采用另一正高压电极作为沉积电极，由于与电晕电路不直接连接，所以受电晕场稳定性的影响较小，因而灵敏度较高。同时沉积电极的形状，尺寸，材料和安装方式都不受原电晕场电极的约束，设计时较为灵活方便。此时仍然可测量串接于沉积电极回路中某一电阻上的电压或电流变化来获取气溶胶粒子浓度的信息。沉积电极的正高压一般不应低于300伏特，否则难以吸附带电气溶胶粒子。
3、合适的电晕场和气流通道之间的关系确定。
电晕场的形状和尺寸，以及它们与气流通道之间的关系对于检测数据的可靠性和灵敏度均十分重要。以前述圆管型电晕场为例(金属圆管为正高压极，中心金属细丝为负高压极)，管内径越小。产生稳定电晕所需电压越低，变压器体积就越小，价格就越低，也越易控制。但正负电极间的几何位置精度要求就越高，管内壁和金属丝表面的光滑度要求也越高。安装要求也越严格。否则就容易造成放电，影响检测。另一方面，管径较小将使得进入气流受到的阻碍较大，不能使管内和管外流过的气流保持相同的速度(即所谓等速采样的要求)。一般情况下，管的内径部应大于5毫米。作为正高压电极的金属管长度也很重要，管太短，由于端口效应，产生电晕的中心区长度较短，不能使通过其中的多数气溶胶粒子带电，使测出数据的误差较大。一般情况下，管长度不应小于10毫米。但如果管太长，部分带电气溶胶粒子可能会直接在管内壁上沉积而不能达到后面的沉积电极，也使得检测数据出现误差。一般情况下，管长度不应大于500毫米。当然，对于直接以产生电晕的正高压阳极作为沉积电极的情况，管的后段就需要足够长，以充分吸附带电气溶胶粒子。
4、沉积电极的设计，安装和清洁问题。
沉积电极应采用导电材料制作，需与正高压连接，可以设计为平行于气流方向的板状(类似静电除尘器中的集尘板)或管状，也可以采用一层或多层金属网垂直于气流方向安装，使大部分带电气溶胶粒子在电场力的作用下撞击到网格上，失去电荷并沉积下来。而少部分未带电荷的粒子则可能从网眼中穿过或被网拦截。这种设计可以降低沉积电极所需的电压，使带电的气溶胶粒子基本上都能被沉积，提高了检测数据的准确率。但网眼的尺寸需仔细考虑，过大则不能有效吸附带电气溶胶粒子，过小则较容易被沉积的粒子堵住，不能持续工作。所以应根据具体的含气溶胶粒子气流确定沉积网的疏密程度。比如对于湿度较大的气流，网眼应稍大。对于较干燥的含小颗粒粒子(如空气中的飘尘)的气流，网眼可以较小。一般情况下，网眼直径或边长不应小于0.01毫米，不应大于20毫米。对于含黏度较大的液态气溶胶粒子的情况(如油烟，沥青烟等)，不论沉积电极如何安置，网眼尺寸有多大，电极的表面均可能很快被污染或掩盖，使失去吸引带电粒子的功能。所以要在使用一定时间后对其表面进行清洗，这会带来一定的不便。一个简单的办法是对沉积电极加热，使沉积物受热分解或剥离，然后被气流吹走。如果沉积电极本身就有电热材料制成，则只需对其通电即可达到使表面清洁的目的。
5、水汽影响的排除。
一般来讲，气体分子由于体积和质量远远小于气溶胶粒子，即使带电，也因惯性极小，在气动力作用下也难于在沉积电极上沉积或失去电荷。所以对检测数据基本不产生影响。水汽或水雾则不同，它也是一种气溶胶粒子。虽然其比电阻小，对电晕场不敏感。但如果气流中水汽浓度过高(湿度过大)，难免会影响检测数据的准确性。此外，正由于比电阻小，就容易造成电晕场因湿度太大而短路放电。影响数据准确性，甚至带来安全问题。解决的办法是在进入电晕场之前，加热气流，使其中的水汽或水雾变成水蒸气分子，从而不会影响检测的准确性，也不会产生不必要的放电。这种加热温度只需接近或稍高于100℃即可，不会对气溶胶粒子的状态产生任何明显的影响。加热的方式以采用电热单元较为方便。
6、等速采样问题的解决方案。
由于气溶胶粒子的体积，质量和惯性远远高于气体分子。所以当采用气泵抽取管道(烟道，烟囱等)中气流时，必须考虑所谓等速采样的问题。否则检测得到的数据就会出现较大的误差。为此，需要在进气口外安装一气体流速管状探头，用检测出的管道气流速度控制抽气泵，达到进入电晕场气流的速度与外面管道速度一致的目的。当然，如果不用气泵抽气，让管道中的气流直接进入电晕场中，只要阻力不是太大，就能使通过电晕场的气流速度与外面管道中的流速一致。
7、沉积电极回路中电压或电流的变化与气溶胶粒子浓度之间的关系曲线或经验公式的确定方法。
可以根据不同的气溶胶粒子类型分别通过实验确定。以烹饪油烟为例。选用同一油烟发生源(实验使用油烟发生器或油烟产生较均匀的餐厅排烟道)，用本发明提供的方法和设备与国家标准(GB18483-2001)规定的油烟检测设备同时检测油烟浓度值，将各自得到的数据进行比较。改变油烟浓度后再次进行比对。经多次实验后即可得到所需关系曲线或经验公式。对烟尘检测也可按此方式进行，在没有烟尘发生器的情况下，可以直接到现场进行比对，参照的标准方法有重量差法和β射线吸收法。
8、气溶胶粒子粒径的重量浓度分布测量方法。
从电晕场排出来的带电气溶胶粒子的运动受两种力的作用，一是电场力，它使粒子向沉积电极运动，二是气流中气体分子的推理力，它使粒子随气流向前运动。如果沉积电极德表面与气流方向平行，则这两种力的作用方向就相互垂直。所以当电场力较大时，一定质量的带电粒子就能被沉积电极而不再随气流向前运动。反之，如气体推力占优势，则不能被沉积电极吸附。所以，当气流速度一定时，只需控制沉积电极的电压，就能控制吸附到沉积电极上的粒子的质量。电压较小时，电场力较小，只有小质量的带电粒子才能被吸附。这时得到的检测值就只包括这种质量和比此质量小的粒子的浓度。随电压的增大，电场力也增大，较大质量的粒子也能被吸附。此时就能得到较大质量及小于此质量的粒子的浓度。依此类推，当电压足够大时，所有的带电粒子都能被沉积电极所吸附。这时得到的就是气流中全部气溶胶粒子的浓度。根据电压的调整，就能方便地算出气流中不同粒径(质量)的气溶胶粒子的浓度分布情况。比如，对人体伤害极大的可吸入胸腔的气溶胶粒子(TP)，它的在捕集效率50％时的截止粒子直径是10微米(D50＝10+/-1μm)，上截止点为30微米，常用PM10表示，是空气质量的重要监测目标。PM10的测量通常采用具有入口切割器的特别采样器，将动力学当量粒径小于30微米的气溶胶粒子截留后称重来得到。过程复杂而时间周期长，不能现场得到结果。如采用本发明方法，只需按预先通过实验对比得到的能被沉积电极吸附的粒子质量(可换算为当量直径)和沉积电极电压之间的关系曲线，将沉积电极电压调整倒相应于30微米时的值，开动检测仪，就可方便得到PM10，甚至PM2.5等数据，而不需制作特别的切割器和采样器。
9、气溶胶粒子浓度的长期监测方法。
从技术上看，长期监测和现场快速检测没有本质的差别。实际上只需在监测现场设置好检测管状探头，并接上导线与主机相连，使管状探头一直处于工作状态即可。得到的实时监测数据可以在主机内存储，也可以通过与主机相连的数据线传到远方工作室中的计算机中。进一步，可以在主机中加入远程无线通讯部件，通过它直接将得到的实时数据传到远方的计算机中。
Claims (10)
1.一种现场检测气溶胶粒子浓度的方法，其特征在于主要步骤包括：
(1)、将管状探头置于含气溶胶粒子的气流中，管状探头内有一个正高压电极和一个负高压电极金属丝，两电极之间形成至少一个电晕场；
(2)、含气溶胶粒子的气流通过上述电晕场，使气流中至少有部分待测气溶胶粒子在电晕场带上负电荷；
(3)、在电晕场，带负电荷的气溶胶粒子沉积在正高压电极上；
(4)、检测与正高压电极连接的电路内出现的电流或电压的变化数据；
(5)、将检测数据与标准的或常规的检测方法进行对比标定，得到此方法中电流或电压的变化与气溶胶粒子浓度之间的关系曲线或经验公式；根据上述关系曲线或经验公式，得到气溶胶粒子的浓度。
2.根据权利要求1所述现场检测气溶胶粒子浓度的方法所用的检测仪，其特征在于：检测仪包括管状探头和与管状探头连接的检测仪主机；
管状探头包括以下部件：
一个绝缘的管状外壳；
套在管状外壳内的金属管状正高压电极；
与管状外壳内壁固定、并设于正高压电极两端的两个支柱；
直接在两支柱之间、并置于绝缘外壳中轴线的负高压电极金属丝和金属弹簧，
沉积电极；
检测仪主机包括：
正高压电极接线与负高压电极接线之间的回路中连接变压器、整流电路、调压器、直流低压电源；
与沉积电极正高压接线连接的检测回路，该回路包括串联的电阻、连接电阻两端的放大电路、与放大电路连接的中央芯片、显示屏、与中央芯片连接的电源电路和输出检测信号的接口。
冷却风扇、控制开关和电源插座。
3.根据权利要求1或2所述的现场检测气溶胶粒子浓度的方法，其特征在于：上述气溶胶粒子包括烹饪油烟雾，矿物油烟雾，工业生产产生的烟尘和烟雾，大气中的沙尘，飘尘及可吸入颗粒物。
4.根据权利要求1或2所述的现场检测气溶胶粒子浓度的方法，其特征在于：上述含气溶胶粒子的气流处于静态或基本不流动时，采用抽气装置或加热装置扰动气流。
5.根据权利要求1或2所述的现场检测气溶胶粒子浓度的方法，其特征在于：上述含气溶胶粒子的气流在进入电晕场之前被加热，使其中的水汽或水雾变成水蒸气分子。
6.根据权利要求1或2所述的现场检测气溶胶粒子浓度的方法，其特征在于：上述负高压电极具有至少一个尖端，通过调整尖端与正高压电极之间的距离和电压，产生所需强度和作用区域大小的电晕场。
7.根据权利要求1或2所述的现场检测气溶胶粒子浓度的方法，其特征在于：上述用于沉积气溶胶粒子的正高压电极是产生电晕场所用的正高压电极，或是另一带正电的沉积电极。
8.根据权利要求1或2所述的现场检测气溶胶粒子浓度的方法，其特征在于：上述检测与沉积气溶胶粒子的正高压电极连接的电路内出现的电流或电压的变化的方法包括：在沉积气溶胶粒子的电极相连的回路中串接一电阻。
9.根据权利要求1或2所述的现场检测气溶胶粒子浓度的方法，其特征在于：上述得到的实时检测数据存储在检测仪主机内；或通过与检测仪主机相连的数据线传到远方的计算机中；或在检测仪主机中加入远程无线通讯部件，直接将得到的实时数据传到远方的计算机中。
10.根据权利要求1或2所述的现场检测气溶胶粒子浓度的检测仪，其特征在于：上述沉积电极是平行或垂直于气流方向的网状沉积电极、板状沉积电极或管状沉积电极。
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