小型化快速测量细粒子粒径分布的平板装置及其测量方法与流程

技术领域

本发明涉及大气环境细粒子检测技术领域，具体是一种小型化快速测量细粒子粒径分布的平板装置及其测量方法。

背景技术：

近年来随着生活水平的不断上升，空气污染的不断恶化，人们逐渐把目光投向环境污染这块，对公共健康日益关注，尤其是对大气环境中的颗粒物变得格外重视。虽然细颗粒物只是地球大气成分中含量很少的组分，但它对空气质量和能见度等有重要的影响。研究表明，颗粒越小对人体健康的危害越大。同时细颗粒物能飘到较远的地方，影响范围较大，因此在测量颗粒物浓度时有必要对颗粒物进行分级。

目前国际上普遍采用光散射和空气动力学飞行时间测量相结合的方法来实现光散射粒径或者空气动力学粒径的测量，如光学粒子计数器、空气动力学粒径谱分析仪，但都很难测量粒径在300nm以下的大气细粒子。对于粒径在100nm以下的大气细粒子的粒径测量，国际上主要通过带电粒子在电场中的电迁移特性，根据不同粒径粒子的电迁移率不同，来实现粒径的分级。

传统的纳米级别的粒子分级仪器，设计了扫描电迁移率粒径谱仪（SMPS）+法拉第杯静电计（FCE）的组合测量系统，体积都比较庞大，分为好几个独立模块，而且价格都比较昂贵。例如德国Grimm公司的研发人员将电迁移扫描和法拉第杯微电流检测相结合，结构复杂、体积庞大，不适宜移动污染源的检测；同时现有技术一般都采用宏观的机械结构，对零件的加工装配提出了极高的要求，同时一般都难以做到小型化和实时监测。如美国Chen D.R.教授在检测模块的结构尺寸上做出了很大的贡献，体积方面做成了小型化，但是其检测模块的扫描是固定不变的，同时单个静电计检测测量比多个静电计并行测量慢，实时性差，不适合快速测量粒径谱的场合，如移动污染源颗粒物排放快速检测。

目前常见商业化的粒径检测仪器中迁移管大都采用圆柱结构，其由内外两个同心圆柱电极构成，对电极的同轴度要求极高，其很小误差也会导致电场的不均匀而降低DMA的检测性能；并且电极尺寸越小，其同轴度精度越难控制，这大大增强了DMA迁移管微型化的难度。同时电荷收集设备需使用法拉第杯，增加了系统复杂性、体积和成本，且测量系统关键核心模块无法一体集成和屏蔽。最终导致整个测量系统加工装配工艺难度大，结构复杂、体积大、成本高。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种小型化快速测量细粒子粒径分布的平板装置及其测量方法，弥补现有细粒子粒径分布测量技术的不足，尤其是解决现有测量设备不能快速实时测量、体积庞大、不易携带等问题。

本发明的技术方案为：

一种小型化快速测量细粒子粒径分布的平板装置，该装置包括单极性平板荷电模块、平板检测模块以及微电流信号处理与电压控制模块；

所述单极性平板荷电模块包括相互平行且正对设置的第一上面板和第一下面板、均匀开设在第一上面板和第一下面板上且垂直对应的放电腔室、设置在放电腔室内的放电针以及用于封闭放电腔室的导电多孔板；所述第一上面板与第一下面板之间构成鞘气进气通道；

所述平板检测模块包括相互平行且正对设置的第二上面板和第二下面板、设置在第二上面板上的若干分离电极、与分离电极一一对应连接的若干电压源、用于集中安装电压源的多端口阵列电压源、设置在第二下面板上且与分离电极一一对应的敏感电极、与敏感电极一一对应连接的若干静电计以及设置在第二上面板和第二下面板后端的废气出口；所述第二上面板与第一上面板之间相互平行且构成样气进气通道；

所述微电流信号处理与电压控制模块包括控制器、与放电针连接的单极性高压源及其控制电路、与多端口阵列电压源连接的扫描电压控制电路、与静电计连接的微电流检测处理电路、与鞘气进气通道、样气进气通道和废气出口连接的真空泵及其驱动电路、与控制器交互连接的存储器以及输入端与控制器的输出端连接的显示器；所述微电流检测处理电路的输出端连接控制器的输入端，所述控制器的输出端分别连接单极性高压源及其控制电路的输入端、扫描电压控制电路的输入端和真空泵及其驱动电路的输入端。

所述的小型化快速测量细粒子粒径分布的平板装置，所述第一上面板、第一下面板、第二上面板和第二下面板均采用氧化铝陶瓷制备；所述第一上面板与第一下面板的间距为2～6mm，所述第二上面板与第二下面板的间距为1～8mm，所述样气进气通道的进气口缝为0.5～2mm。

所述的小型化快速测量细粒子粒径分布的平板装置，所述放电针呈阵列垂直对称结构，由钨、铜或不锈钢制备，其针尖的曲率半径为10～200um。

所述的小型化快速测量细粒子粒径分布的平板装置，所述分离电极与敏感电极之间构成扫描电场区域，所述扫描电场区域的长度为10～150mm，宽度为10～50mm；所述敏感电极采用多孔金属板制备，所述多孔金属板采用泡沫金属材料制备, 其中所述泡沫金属材料的电阻率低于3.0×10^-8Ω·m，包括银、紫铜、金,所述泡沫金属材料的孔隙密度在20～140之间。

所述的小型化快速测量细粒子粒径分布的平板装置，所述分离电极采用条形电极，各个分离电极互不接触；所述敏感电极采用条形电极并与对应的分离电极宽度相同，各个敏感电极之间互不接触。

所述的小型化快速测量细粒子粒径分布的平板装置，各个分离电极连为一体。

所述的一种小型化快速测量细粒子粒径分布的平板装置的测量方法，该方法包括以下步骤：

a、控制器通过真空泵及其驱动电路控制鞘气气流以一定的流速进入单极性平板荷电模块，同时控制样气气流以一定的流速进入平板检测模块；

b、鞘气气流进入单极性平板荷电模块中由放电针的尖端电晕放电所产生的单极性荷电区域，与通过导电多孔板扩散出放电腔室的单极性带电离子混合；

c、载有带电离子的鞘气气流进入平板检测模块，与样气气流混合，鞘气气流中的带电离子与样气气流中的细粒子发生电荷转移，使样气气流中的细粒子带上电荷；

d、混合后的气流进入分离电极与敏感电极之间构成的扫描电场区域，通过扫描电压控制电路来控制加载在各个分离电极上的扫描电压，使气流中的带电细粒子在扫描电场区域发生电迁移，并由于粒径的不同而偏转至对应的敏感电极上，再以电流形式传入对应的静电计；

e、控制器通过调用存储器中预存的偏转至各个敏感电极上的带电细粒子的粒径与加载在各个分离电极上的扫描电压之间的标定关系，得到在一定的扫描电压下偏转至各个敏感电极上的带电细粒子的粒径；

f、控制器通过微电流检测处理电路获取静电计检测的各个敏感电极上的电流值，调用存储器中预存的各个敏感电极上的基底电流值，相减得到各个敏感电极上的真实电流值，用以表征对应粒径下的带电细粒子数浓度，进而绘制出样气气流中的细粒子粒径分布图谱，所述细粒子粒径分布图谱在显示器上显示，并保存在存储器中。

所述的小型化快速测量细粒子粒径分布的平板装置的测量方法，步骤d中，所述通过扫描电压控制电路来控制加载在各个分离电极上的扫描电压，包括以下情形：

d1、控制加载在各个分离电极上的扫描电压相同，使所述扫描电场区域构成恒定匀强电场区域；

d2、控制加载在各个分离电极上的扫描电压相同，通过改变分离电极的数量来改变所述扫描电场区域的范围，进而得到不同范围的匀强电场区域；

d3、控制加载在各个分离电极上的扫描电压依次从样气进气到样气出气递变，使所述扫描电场区域构成阶梯匀强电场区域。

所述的小型化快速测量细粒子粒径分布的平板装置的测量方法，步骤e中，所述偏转至各个敏感电极上的带电细粒子的粒径与加载在各个分离电极上的扫描电压之间的标定关系，通过以下步骤获得：

e1、将过滤后无粒子的样气气流导入所述平板装置，逐步增加加载在各个分离电极上的扫描电压，通过显示器观察静电计检测的各个敏感电极上的电流值变化，当电流值稳定时，记录下来作为各个敏感电极上的基底电流值；

e2、将标准粒子发生器产生的含有某种粒径细粒子的样气气流导入所述平板装置，调试加载在各个分离电极上的扫描电压，通过显示器观察静电计检测的各个敏感电极上的电流值变化，当且仅当距离鞘气进气通道最近的敏感电极上的电流值大于基底电流值时，记录当前加载在各个分离电极上的扫描电压；随后逐渐减小加载在各个分离电极上的扫描电压，通过显示器观察静电计检测的各个敏感电极上的电流值变化，当且仅当距离鞘气进气通道次近的敏感电极上的电流值大于基底电流值时，记录当前加载在各个分离电极上的扫描电压；依次类推，直到所有敏感电极上的电流值均为基底电流值时停止记录，得到该种粒径与加载在各个分离电极上的扫描电压之间的标定关系；

e3、依次控制标准粒子发生器产生含有各种粒径细粒子的样气气流，重复步骤e2，得到偏转至各个敏感电极上的带电细粒子的粒径与加载在各个分离电极上的扫描电压之间的标定关系。

本发明的有益效果为：

（1）本发明采用多静电计并行测量比单静电计测量速度更快，适合快速检测粒径谱的场合，如移动污染源颗粒物排放快速检测；

（2）本发明检测时只需要敏感电极，无需法拉第杯等外部收集设备，使得结构简单，易于小型化和低成本；

（3）本发明的单极性平板荷电模块和平板检测模块的结构均为平板结构，易于一体集成和小型化；

（4）本发明的平板检测模块内的第二上面板上的分离电极数量可以根据实际需要灵活配置，易于提高粒径检测的分辨率和速度，但同时并不增加制作工艺难度和测量系统的体积和成本；

（5）本发明整个的制作材料是耐高温陶瓷和金属，可以适用于高温颗粒物检测条件下，因此可以应用在固定高温烟气的检测场合，同时微型化的结构也可以应用到移动源尾气检测方面；

（6）本发明集成度高、体积小、成本低，一体化设计便于随身携带，可实现移动式污染源监测和大区域宽范围的多节点联网监测。

附图说明

图1是本发明的装置结构示意图；

图2是本发明的单极性平板荷电模块放电腔室的分布俯视图；

图3是本发明的平板检测模块的示意图；

图4是本发明的平板检测模块分离电极的分布俯视图；

图5是本发明的平板检测模块敏感电极的分布俯视图；

图6是本发明的扫描电场部分示意图；

图7是本发明的方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例进一步说明本发明。

如图1～图6所示，一种小型化快速测量细粒子粒径分布的平板装置，包括单极性平板荷电模块1、平板检测模块2以及微电流信号处理与电压控制模块3。

单极性平板荷电模块1用于对洁净鞘气的荷电，采用平板型结构，包括相互平行且正对设置的第一上面板11和第一下面板12，均匀布置在第一上面板11上的六根放电针14与均匀布置在第一下面板12上的六根放电针上下垂直对应，第一上面板11和第一下面板12上分别挖有用于放置放电针14的放电腔室13，第一上面板11和第一下面板12上的放电腔室13垂直对应，放电腔室13的开口用导电多孔板15封闭。第一上面板11与第一下面板12之间构成鞘气进气通道10。

平板检测模块2用于对样气气流中的细粒子分级，采用平板型结构，包括相互平行且正对设置的第二上面板21和第二下面板22，第二上面板21上的十二个分离电极23通过穿孔导线29与十二个电压源24一一对应连接，十二个电压源24集中安装在多端口阵列电压源25中，第二下面板22上的十二个敏感电极26通过穿孔导线29与十二个静电计27一一对应连接。第二上面板21与第一上面板11之间相互平行且构成样气进气通道20。

微电流信号处理与电压控制模块3是信号控制与数据采集处理部分，包括控制器31、单极性高压源及其控制电路32、扫描电压控制电路33、微电流检测处理电路34、真空泵及其驱动电路35、存储器36和显示器37。

单极性高压源及其控制电路32的输入端连接控制器31的输出端，单极性高压源及其控制电路32的输出端连接放电针14。扫描电压控制电路33的输入端连接控制器31的输出端，扫描电压控制电路33的输出端连接多端口阵列电压源25的输入端。微电流检测处理电路34的输出端连接控制器31的输入端，微电流检测处理电路34的输入端连接静电计27的输出端。真空泵及其驱动电路35的输入端连接控制器31的输出端，真空泵及其驱动电路35与设置在第二上面板21和第二下面板22后端的废气出口28以及鞘气进气通道10和样气进气通道20的入口连接。存储器36与控制器31交互连接。显示器37的输入端与控制器31的输出端连接。

第一上面板11、第一下面板12、第二上面板21和第二下面板22均采用氧化铝陶瓷制备。第一上面板11与第一下面板12的间距为2～6mm，第二上面板21与第二下面板22的间距为1～8mm，以保证样气进气通道20的进气口缝为0.5～2mm。

十二个放电针14呈阵列垂直对称结构，由钨、铜或不锈钢制备，其针尖的曲率半径为10～200um。

分离电极23与敏感电极26之间构成扫描电场区域，扫描电场区域的长度为10～150mm，宽度为10～50mm。敏感电极26采用多孔金属板制备，多孔金属板采用泡沫金属材料制备, 其中泡沫金属材料的电阻率低于3.0×10^-8Ω·m，包括银、紫铜、金，泡沫金属材料的孔隙密度在20～140之间。

采用厚膜陶瓷印刷技术，在第二上面板21上刷出均匀分布且结构相同的分离电极23，在第二下面板22上刷出与分离电极23上下垂直对应的敏感电极26。分离电极23和敏感电极26均采用条形电极，相互对应的分离电极23和敏感电极26宽度相同。分离电极23的一种配置形式是：各个分离电极23彼此绝缘互不接触，各自通过穿孔导线29与多端口阵列电压源25中的电压源24一一对应连接，通过多端口阵列电压源25给分离电极23提供扫描电压，接通电压的分离电极23与第二下面板22上对应的敏感电极26之间形成匀强电场，当接通电压的分离电极23数目增多时，匀强电场区域会变大；同理，当接通电压的分离电极23数目减少时，匀强电场区域会变小；本发明所描述的平板装置的分离电极23结构配合多端口阵列电压源25，实现了实际应用中可调匀强电场范围的要求。

上述多端口阵列电压源25与每个分离电极23单独连接互不影响的结构，通过控制提供给每个分离电极23的扫描电压大小来控制分离电极23与敏感电极26之间构成的扫描电场区域的电场强度的大小。这种独立提供扫描电压的结构可以控制各个分离电极23之间接通相同电压，在平板检测模块2形成匀强电场；同理，这种独立提供扫描电压的结构还可以控制各个分离电极23之间接通递变电压，在平板检测模块2形成递变电场，实现了实际应用中可调电场强度范围的要求。

每个敏感电极26在第二下面板22上的位置不同，不同位置的敏感电极26表示获取不同粒径的带电细粒子，每个敏感电极26上获取的电流值表示对应粒径的细粒子数浓度；本发明所描述的平板装置的敏感电极26结构实现了实际应用中快速获取细粒子粒径分布的要求。

分离电极23的另一种配置形式是：各个分离电极23连为一体，通过厚膜陶瓷印刷技术一次印刷而成。当分离电极23采用连为一体的电极结构时，测量时加载在各个分离电极23上的扫描电压一致。

如图7所示，一种小型化快速测量细粒子粒径分布的平板装置的测量方法，包括以下步骤：

S1、控制器31通过真空泵及其驱动电路35控制鞘气气流以一定的平稳流速进入单极性平板荷电模块1，同时控制样气气流以一定的平稳流速进入平板检测模块2。

S2、鞘气气流进入单极性平板荷电模块1中由放电针14的尖端电晕放电所产生的单极性荷电区域，与通过导电多孔板15扩散出放电腔室13的单极性带电离子混合；

放电针14呈阵列垂直对称结构，单极性高压源及其控制电路32给放电针14提供高压，在放电腔室13内放电针14的尖端放电产生单极性荷电区域，电晕放电产生的单极性带电离子通过封闭放电腔室13的导电多孔板15扩散出放电腔室13平缓进入鞘气进气通道10与鞘气气流混合。

S3、载有带电离子的鞘气气流进入平板检测模块2，与样气气流混合，鞘气气流中的带电离子与样气气流中的细粒子发生电荷转移，使样气气流中的细粒子带上电荷。

S4、混合后的气流再以层流状态进入分离电极23与敏感电极26之间构成的扫描电场区域，通过扫描电压控制电路33来控制加载在各个分离电极23上的扫描电压，使气流中的带电细粒子在扫描电场区域发生电迁移，并由于粒径的不同而偏转至对应的敏感电极26上，再以电流形式传入对应的静电计27。

S5、控制器31通过调用存储器36中预存的偏转至各个敏感电极26上的带电细粒子的粒径与加载在各个分离电极23上的扫描电压之间的标定关系，得到在一定的扫描电压下偏转至各个敏感电极26上的带电细粒子的粒径。

S6、控制器31通过微电流检测处理电路34获取静电计27检测的各个敏感电极26上的电流值，调用存储器36中预存的各个敏感电极26上的基底电流值，相减得到各个敏感电极26上的真实电流值，用以表征对应粒径下的带电细粒子数浓度，进而绘制出样气气流中的细粒子粒径分布图谱，在显示器37上显示，并保存在存储器36中。最终的废气由真空泵及其驱动电路35抽出过滤后，循环再利用。

上述步骤S4中，通过扫描电压控制电路33来控制加载在各个分离电极23上的扫描电压，包括以下情形：

（1）控制加载在各个分离电极23上的扫描电压相同，平板检测模块2内形成恒定匀强电场区域。

（2）控制加载在各个分离电极23上的扫描电压相同，通过改变分离电极23的数量，平板检测模块2内形成不同范围的恒定匀强电场区域，为不同粒径的带电细粒子进入匀强电场区域，最后被检测到提供了保障。带电细粒子在偏转过程中可能会因带电量太少而不被检测到。通过改变平板检测模块2的电场范围，整体提高了带电细粒子的检出效率，拓宽了细粒子粒径的测量范围。

（3）控制加载在各个分离电极23上的扫描电压依次从样气进气到样气出气递变，平板检测模块2内形成阶梯匀强电场区域。带电细粒子进入阶梯匀强电场区域后，第一种形式是：分离电极23的电压依次从样气进气到样气出气递增，带电细粒子在偏转过程中，随着匀强电场区域电场强度的递增，带电细粒子的偏转速度也越来越快，整体减少了带电细粒子的偏转时间，缩短了整个测量时间；第二种形式是：分离电极23的电压依次从样气进气到样气出气递减，不同粒径的细粒子从一个匀强电场区域进入另一个匀强电场区域，经过匀强电场区域的多次分离，整体提高了对细粒子粒径测量的分辨率。

上述步骤S5中，偏转至各个敏感电极26上的带电细粒子的粒径与加载在各个分离电极23上的扫描电压之间的标定关系，主要由以下过程得到：将标准粒子发生器产生的样气气流导入本发明所描述的平板装置，通过控制多端口阵列电压源25与每个分离电极23接通的电压来标定第二下面板22上每个位置的敏感电极26代表的粒径，具体通过以下步骤获得：

S51、首先将过滤后无粒子的样气气流导入本发明所描述的平板装置，逐步增加多端口阵列电压源25与每个分离电极23接通的电压，观察第二下面板22上每个位置的敏感电极26上的电流信号，并记录下来作为测量无粒子状态下的装置背景电流值，并以该背景电流值作为各个敏感电极26上的基底电流值。

S52、然后将标准粒子发生器产生的含有某种粒径细粒子的样气气流导入本发明所描述的平板装置，调试多端口阵列电压源25与每个分离电极23接通的电压，通过观察，当且仅当距离鞘气进气通道（10）最近的敏感电极26上的电流值大于基底电流值时，记录当前加载在各个分离电极23上的扫描电压；随后逐渐减小加载在各个分离电极23上的扫描电压，通过观察，当且仅当距离鞘气进气通道10次近的敏感电极26上的电流值大于基底电流值时，记录当前加载在各个分离电极23上的扫描电压；依次类推，直到所有敏感电极26只能检测到背景电流值时停止记录，将整个测试记录保存在存储器36中，得到该种粒径与加载在各个分离电极23上的扫描电压之间的标定关系。

S53、依次控制标准粒子发生器产生含有各种粒径细粒子的样气气流，重复步骤S52，得到偏转至各个敏感电极26上的带电细粒子的粒径与加载在各个分离电极23上的扫描电压之间的标定关系。

以上所述实施方式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，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。