技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及大氣環(huán)境檢測技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種勢阱電壓可調(diào)的顆粒物粒徑譜測量裝置及其測量方法。

背景技術(shù)：

近年來，隨著國際發(fā)展水平的不斷上升，空氣環(huán)境質(zhì)量也變得更加惡化，人們對公共健康日益關(guān)注，尤其是對大氣環(huán)境中的顆粒物變得格外重視。來自歐洲的一項研究稱，長期接觸空氣中的污染顆粒會增加患肺癌的風險。另一項報告稱，這些顆?；蚱渌諝馕廴疚锏臐舛榷唐趦?nèi)還會上升。歐洲流行病學家發(fā)現(xiàn)，肺癌與局部地區(qū)的空氣污染超細顆粒有明顯的關(guān)聯(lián)，因此有必要對環(huán)境中的超細顆粒物進行監(jiān)測。

國際上傳統(tǒng)檢測顆粒物粒徑譜一般采用慣性沖擊法、光散射法和過濾法，此類方法很難精準檢測300nm以下的細顆粒物?，F(xiàn)在國際主流研究方法是通過電遷移原理檢測大氣細顆粒物，根據(jù)不同粒徑的電遷移率不一致來分辨出不同粒徑的粒子，然后根據(jù)捕獲的帶電量反演出粒子濃度大小，其在原理上沒有粒徑檢測下限。

國際上最主要的公司例如TSI、MSP、Grimm公司的幾款基于電遷移測量原理的顆粒物粒徑譜測量儀都包括差分電遷移分析儀（DMA），需要零氣發(fā)生裝置或者潔凈鞘氣發(fā)生器，結(jié)構(gòu)復雜，裝置體積都比較龐大，無法便攜式測量，價格也都很昂貴；通過DMA對各個粒徑進行精確掃描來獲取粒徑譜，其響應時間都在一分鐘以上。這類儀器一般只有科研院所或者一些專門的環(huán)境監(jiān)測機構(gòu)才有，很難向大眾推廣。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種勢阱電壓可調(diào)的顆粒物粒徑譜測量裝置及其測量方法，彌補現(xiàn)有細粒子粒徑譜測量技術(shù)的不足，尤其是解決現(xiàn)有測量儀器體積龐大、結(jié)構(gòu)復雜以及不能實時測量等問題。

本發(fā)明的技術(shù)方案為：

一種勢阱電壓可調(diào)的顆粒物粒徑譜測量裝置，包括顆粒物檢測腔、設(shè)置在顆粒物檢測腔前端的采樣氣體入口、均勻嵌入顆粒物檢測腔前部側(cè)壁中的若干絕緣塊、穿透絕緣塊的電離針、與電離針連接的電離高壓源、設(shè)置在顆粒物檢測腔內(nèi)后部的勢阱電壓器、與勢阱電壓器連接的勢阱高壓源、設(shè)置在顆粒物檢測腔后端的法拉第杯、設(shè)置在法拉第杯內(nèi)部的多孔金屬電極、設(shè)置在法拉第杯側(cè)壁上的出氣口、與多孔金屬電極連接的靜電計、與出氣口連接的真空泵、其輸入端與靜電計的輸出端連接的控制器、其輸入端與控制器的輸出端連接的顯示器以及與控制器交互式連接的存儲器；所述控制器的輸出端與電離高壓源、勢阱高壓源和真空泵的輸入端連接；所述電離針接入電離高壓源的高壓后，形成電暈荷電區(qū)，所述勢阱電壓器接入勢阱高壓源的高壓后，形成顆粒物分級區(qū)，所述法拉第杯與靜電計構(gòu)成電流檢測區(qū)。

所述的勢阱電壓可調(diào)的顆粒物粒徑譜測量裝置，還包括放電電流檢測單元，所述放電電流檢測單元的輸出端與控制器的輸入端連接，用于將電離針在電暈放電狀態(tài)下產(chǎn)生的電流實時反饋給控制器。

所述的一種勢阱電壓可調(diào)的顆粒物粒徑譜測量裝置的測量方法，包括以下步驟：

a、控制器控制真空泵將采樣氣流通過采樣氣體入口抽吸至顆粒物檢測腔，采樣氣流首先進入電暈荷電區(qū)，采樣氣流中的顆粒物與經(jīng)電離針電暈放電產(chǎn)生的單極性帶電離子發(fā)生混合碰撞，使得顆粒物帶電，之后混合著自由單極性帶電離子和帶電顆粒物的采樣氣流進入顆粒物分級區(qū)；

b、勢阱電壓器去除采樣氣流中混合的自由單極性帶電離子，同時控制器根據(jù)存儲器中預存的各固定粒徑與截止電壓的標定關(guān)系，實時調(diào)節(jié)勢阱高壓源由小到大依次輸出各固定粒徑對應的截止電壓作為勢阱電壓器的分級掃描電壓；

c、在某一分級掃描電壓下，勢阱電壓器捕獲其粒徑在該分級掃描電壓對應的固定粒徑以下的帶電顆粒物，而其粒徑大于該分級掃描電壓對應的固定粒徑的帶電顆粒物則隨著采樣氣流進入法拉第杯，其所帶的電荷轉(zhuǎn)移至多孔金屬電極上；

d、采樣氣流經(jīng)過法拉第杯后從出氣口流出，控制器獲取靜電計檢測的多孔金屬電極上的電流值，根據(jù)濃度計算公式反演得到其粒徑大于該分級掃描電壓對應的固定粒徑的顆粒物濃度；

e、重復步驟c和d，得到每個分級掃描電壓下，其粒徑大于該分級掃描電壓對應的固定粒徑的顆粒物濃度；

f、將得到的其粒徑大于各固定粒徑的顆粒物濃度兩兩相鄰做差值，即得到其粒徑在相鄰固定粒徑之間的顆粒物濃度，進而繪制出采樣氣流中的顆粒物粒徑分布圖譜。

所述的勢阱電壓可調(diào)的顆粒物粒徑譜測量裝置的測量方法，步驟b中，所述各固定粒徑與截止電壓的標定關(guān)系，通過以下步驟獲得：

b1、利用零氣系統(tǒng)產(chǎn)生零氣并輸入所述測量裝置，測量無粒子狀態(tài)下該裝置的背景電流值，作為該裝置的基底電流值；

b2、利用單分散氣溶膠發(fā)生器產(chǎn)生某一固定粒徑的帶電粒子并輸入所述測量裝置，調(diào)節(jié)勢阱電壓器提供的勢阱電壓，通過顯示器觀察靜電計檢測的電流值變化，將靜電計檢測的電流值到達基底電流值時的勢阱電壓作為該固定粒徑對應的截止電壓；

b3、再利用單分散氣溶膠發(fā)生器產(chǎn)生其粒徑比前次標定的粒徑大固定值的帶電粒子，重復上述步驟，獲取其對應的截止電壓，多次標定得到各固定粒徑對應的截止電壓，并將各固定粒徑與截止電壓的標定關(guān)系存儲于存儲器中。

所述的勢阱電壓可調(diào)的顆粒物粒徑譜測量裝置的測量方法，步驟f中，所述顆粒物粒徑分布圖譜在顯示器上顯示，并保存在存儲器中。

所述的勢阱電壓可調(diào)的顆粒物粒徑譜測量裝置的測量方法，還包括以下步驟：通過將所述電離針在電暈放電狀態(tài)下產(chǎn)生的電流實時反饋給控制器來改變電離高壓源的輸出電壓，以保證所述電流恒定。

本發(fā)明的有益效果為：

（1）本發(fā)明的測量裝置與傳統(tǒng)的DMA裝置有本質(zhì)區(qū)別，無需使用清潔鞘氣，沒有鞘氣入口裝置，也無需配套使用零氣發(fā)生器或者潔凈鞘氣發(fā)生器，簡化了測量儀器的結(jié)構(gòu)，降低了裝置生產(chǎn)制作成本；

（2）本發(fā)明的測量方法與傳統(tǒng)測量方法相比，極大地節(jié)約了測量時間，能夠在很短的時間內(nèi)獲取粒徑分布濃度，可用于顆粒物粒徑的快速測量場合，如移動源排放尾氣顆粒物粒徑的實時快速檢測；

（3）本發(fā)明的測量方法基于粒子電遷移理論，可檢測出納米級別的顆粒物，理論上沒有檢測粒徑下限，同時無需工作液和溫控系統(tǒng)且具有更短的響應時間；

（4）本發(fā)明的測量裝置操作簡單、集成度高、數(shù)字化顯示，同時安裝過程也極為方便，適用于攜帶檢測。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的裝置結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明的裝置標定時的電流隨勢阱電壓變化圖；

圖3是采用本發(fā)明的裝置測量時的粒徑分布示意圖；

圖4是采用本發(fā)明的裝置測量時的電流與勢阱電壓示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施例進一步說明本發(fā)明。

如圖1所示，一種勢阱電壓可調(diào)的顆粒物粒徑譜測量裝置，包括顆粒物檢測腔1、采樣氣體入口2、絕緣塊3、電離針4、電離高壓源5、勢阱電壓器6、勢阱高壓源7、法拉第杯8、多孔金屬電極9、出氣口10、靜電計11、真空泵12、控制器13、顯示器14、存儲器15和放電電流檢測單元16。采樣氣體入口2設(shè)置在顆粒物檢測腔1的前端；絕緣塊3有若干個，均勻嵌入顆粒物檢測腔1的前部側(cè)壁中；電離針4的一端穿透絕緣塊3進入顆粒物檢測腔1的內(nèi)前部，一端與電離高壓源5連接；電離針4接入電離高壓源5的高壓后，其針尖周邊形成電暈荷電區(qū)。

勢阱電壓器6設(shè)置在顆粒物檢測腔1的內(nèi)后部，連接勢阱高壓源7；勢阱電壓器6接入勢阱高壓源7的高壓后，形成顆粒物分級區(qū)。法拉第杯8設(shè)置在顆粒物檢測腔1的后端，多孔金屬電極9設(shè)置在法拉第杯8的內(nèi)部，出氣口10設(shè)置在法拉第杯8的側(cè)壁上，并與真空泵12連接。靜電計11的輸入端與多孔金屬電極9連接，靜電計11的輸出端與控制器13的輸入端連接。法拉第杯8與靜電計11構(gòu)成電流檢測區(qū)?？刂破?3的輸出端與電離高壓源5的輸入端、勢阱高壓源7的輸入端、真空泵12的輸入端、顯示器14的輸入端連接，控制器13與存儲器15交互式連接，電離針4通過放電電流檢測單元16與控制器13的輸入端連接。

一種勢阱電壓可調(diào)的顆粒物粒徑譜測量裝置的測量方法，包括以下步驟：

S1、控制器13控制真空泵12將采樣氣流通過采樣氣體入口2抽吸至顆粒物檢測腔1，采樣氣流首先進入電暈荷電區(qū)，采樣氣流中的顆粒物與經(jīng)電離針4電暈放電產(chǎn)生的單極性帶電離子發(fā)生混合碰撞，使得顆粒物帶電，之后混合著自由單極性帶電離子和帶電顆粒物的采樣氣流進入顆粒物分級區(qū)；采用放電電流檢測單元16將電離針4在電暈放電狀態(tài)下產(chǎn)生的電流實時反饋給控制器13來改變電離高壓源5的輸出電壓，以保證電離針4在電暈放電狀態(tài)下產(chǎn)生的電流恒定。

S2、勢阱電壓器6去除采樣氣流中混合的自由單極性帶電離子，同時控制器13根據(jù)存儲器15中預存的各固定粒徑與截止電壓的標定關(guān)系，實時調(diào)節(jié)勢阱高壓源7由小到大依次輸出各固定粒徑對應的截止電壓作為勢阱電壓器6的分級掃描電壓；

其中，截止電壓是指同一粒徑的粒子被勢阱電壓器6所能捕捉到的最小電壓，各固定粒徑與截止電壓的標定關(guān)系，通過以下步驟獲得：

S21、利用零氣系統(tǒng)產(chǎn)生零氣并輸入所述測量裝置，測量無粒子狀態(tài)下該裝置的背景電流值，作為該裝置的基底電流值；

S22、利用單分散氣溶膠發(fā)生器產(chǎn)生某一固定粒徑的帶電粒子并輸入所述測量裝置，調(diào)節(jié)勢阱電壓器6提供的勢阱電壓，通過顯示器14觀察靜電計11檢測的電流值變化，將靜電計11檢測的電流值到達基底電流值時的勢阱電壓作為該固定粒徑對應的截止電壓；

S23、再利用單分散氣溶膠發(fā)生器產(chǎn)生其粒徑比前次標定的粒徑大固定值的帶電粒子，重復上述步驟，獲取其對應的截止電壓，多次標定得到各固定粒徑對應的截止電壓，并將各固定粒徑與截止電壓的標定關(guān)系存儲于存儲器15中。

S3、在某一分級掃描電壓下，勢阱電壓器6捕獲其粒徑在該分級掃描電壓對應的固定粒徑以下的帶電顆粒物，而其粒徑大于該分級掃描電壓對應的固定粒徑的帶電顆粒物則隨著采樣氣流進入法拉第杯8，其所帶的電荷轉(zhuǎn)移至多孔金屬電極9上。

S4、采樣氣流經(jīng)過法拉第杯8后從出氣口10流出，控制器13獲取靜電計11檢測的多孔金屬電極9的電流值，根據(jù)濃度計算公式反演得到其粒徑大于該分級掃描電壓對應的固定粒徑的顆粒物濃度。其中，濃度為數(shù)目濃度，下同，也可根據(jù)等效換算關(guān)系得到顆粒物質(zhì)量濃度和粒子表面積。

S5、重復步驟S3和S4，得到每個分級掃描電壓下，其粒徑大于該分級掃描電壓對應的固定粒徑的顆粒物濃度。

S6、將得到的其粒徑大于各固定粒徑的顆粒物濃度兩兩相鄰做差值，即得到其粒徑在相鄰固定粒徑之間的顆粒物濃度，進而繪制出采樣氣流中的顆粒物粒徑分布圖譜，在顯示器14上顯示，并保存在存儲器15中。

本發(fā)明的工作原理：

操作人員首先對本發(fā)明的測量裝置進行標定，以獲取不同固定粒徑對應的截止電壓，標定的具體過程如下：

目標是獲取不同固定粒徑對應的截止電壓，首先利用零氣系統(tǒng)產(chǎn)生零氣并將產(chǎn)生的零氣輸入本發(fā)明的測量裝置，測量無粒子下的裝置背景電流值，以此電流值為基底電流值，默認此時的電流值對應的粒子數(shù)為零；接著利用單分散氣溶膠發(fā)生器產(chǎn)生某一固定粒徑的帶電粒子輸入本發(fā)明的測量裝置，調(diào)節(jié)勢阱電壓，通過顯示器14觀察靜電計11檢測的電流值變化，如圖2所示，隨著勢阱電壓的增大，靜電計11檢測的電流值會逐漸變小，最終到達基底電流值時，再增大勢阱電壓，靜電計11檢測的電流值會保持不變，此時的勢阱電壓即為此時輸入固定粒徑對應的截止電壓；再利用單分散氣溶膠發(fā)生器產(chǎn)生其粒徑比前次標定的粒徑大固定值的粒子，重復上述步驟，獲取其對應的截止電壓，針對不同粒徑圖譜的不同需求，粒徑間隔可為20nm到100nm之間，針對要求更高的粒徑圖譜，可選取間隔為20nm的粒徑進行標定，獲取對應的截止電壓，多次標定不同固定粒徑的標準粒子得到其對應的截止電壓，最后將不同固定粒徑的粒子對應的截止電壓存儲于存儲器15中。

接入電離高壓源5的高壓后，電離針4電暈放電，其針尖周邊形成電暈荷電區(qū)；控制器13控制真空泵12將帶有顆粒物的采樣氣流通過采樣氣體入口2抽吸至顆粒物檢測腔1，采樣氣流首先進入電暈荷電區(qū)，其中的顆粒物與經(jīng)電離針4電暈放電產(chǎn)生的單極性帶電離子發(fā)生混合碰撞，碰撞后單極性帶電離子附著在顆粒物上，使顆粒物帶電，之后混合著自由單極性帶電離子和帶電顆粒物的采樣氣流進入由勢阱電壓器6接入勢阱高壓源7的高壓后形成的顆粒物分級區(qū)。

勢阱電壓器6通過勢阱高壓源7提供不同的勢阱電壓，首先將采樣氣流中混合的多余單極性帶電離子去除，由于不同粒徑帶電顆粒物的電遷移率不同，在同一電場中受到的電遷移力不一致導致帶電顆粒物在電場中運動速度不一致，帶電顆粒物在電場中受到電遷移力的作用沿著電場線的方向運動，同時由于采樣氣流的流速作用，帶電顆粒物會向勢阱電壓器6運動，粒徑越小的帶電顆粒物，其電遷移率越大，所以最先被勢阱電壓器6捕獲，被捕獲的帶電顆粒物會發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移，最后變?yōu)橹行灶w粒物。

勢阱電壓越大，勢阱電壓器6捕獲的帶電顆粒物粒徑越大，采樣氣流經(jīng)過勢阱電壓器6后從出氣口10流走。靜電計11通過檢測法拉第杯8里面的多孔金屬電極9的電流便可以獲取其粒徑大于勢阱電壓器6實時提供勢阱電壓所對應的固定粒徑的顆粒物濃度。如圖3所示，粒徑譜是一個連續(xù)狀態(tài)的曲線，可以等分為連續(xù)的柱狀圖表示，通過勢阱電壓器6提供不同的勢阱電壓，計算其粒徑處于相鄰兩勢阱電壓對應的固定粒徑之間的顆粒物濃度。

如圖4所示，通過勢阱電壓器6提供固定粒徑D1、D2對應的截止電壓V1、V2，獲取此時對應的電流值，減去基底電流值反演得到此時相應的顆粒物濃度C1、C2，兩者做差，得到兩個固定粒徑D1、D2之間粒徑的顆粒物濃度C2-C1，可近似等效為一種粒徑的顆粒物濃度，多次計算便可以獲取多個固定粒徑之間的顆粒物濃度，勢阱電壓差值越小，獲取顆粒物濃度的兩個固定粒徑差便會越小，當勢阱電壓器6提供的勢阱電壓成連續(xù)狀態(tài)時，對應的固定粒徑也會是連續(xù)狀態(tài)，獲取的顆粒物濃度差便可等效為一種粒徑下的顆粒物濃度，最終通過控制器13計算獲取此時的顆粒物粒徑分布。

在實際測量粒徑分布時，控制器13控制真空泵12抽吸采樣氣流進入顆粒物檢測腔1；控制器13調(diào)節(jié)勢阱高壓源7，使得勢阱電壓器6提供的勢阱電壓為各固定粒徑對應的截止電壓；控制器13獲取靜電計11檢測的電流值，并存儲于存儲器15中；控制器13調(diào)取存儲器15中的數(shù)值，并進行相關(guān)計算，得出相鄰兩個固定粒徑之間的顆粒物濃度，即可得到此時采樣氣流中的顆粒物粒徑分布圖譜。

以上所述實施方式僅僅是對本發(fā)明的優(yōu)選實施方式進行描述，并非對本發(fā)明的范圍進行限定，在不脫離本發(fā)明設(shè)計精神的前提下，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員對本發(fā)明的技術(shù)方案作出的各種變形和改進，均應落入本發(fā)明的權(quán)利要求書確定的保護范圍內(nèi)。