一种势阱电压可调的颗粒物粒径谱测量装置的制作方法

本实用新型涉及大气环境检测技术领域，具体是一种势阱电压可调的颗粒物粒径谱测量装置。

背景技术：

近年来，随着国际发展水平的不断上升，空气环境质量也变得更加恶化，人们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。来自欧洲的一项研究称，长期接触空气中的污染颗粒会增加患肺癌的风险。另一项报告称，这些颗粒或其他空气污染物的浓度短期内还会上升。欧洲流行病学家发现，肺癌与局部地区的空气污染超细颗粒有明显的关联，因此有必要对环境中的超细颗粒物进行监测。

国际上传统检测颗粒物粒径谱一般采用惯性冲击法、光散射法和过滤法，此类方法很难精准检测300nm以下的细颗粒物。现在国际主流研究方法是通过电迁移原理检测大气细颗粒物，根据不同粒径的电迁移率不一致来分辨出不同粒径的粒子，然后根据捕获的带电量反演出粒子浓度大小，其在原理上没有粒径检测下限。

国际上最主要的公司例如TSI、MSP、Grimm公司的几款基于电迁移测量原理的颗粒物粒径谱测量仪都包括差分电迁移分析仪（DMA），需要零气发生装置或者洁净鞘气发生器，结构复杂，装置体积都比较庞大，无法便携式测量，价格也都很昂贵；通过DMA对各个粒径进行精确扫描来获取粒径谱，其响应时间都在一分钟以上。这类仪器一般只有科研院所或者一些专门的环境监测机构才有，很难向大众推广。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种势阱电压可调的颗粒物粒径谱测量装置，弥补现有细粒子粒径谱测量技术的不足，尤其是解决现有测量仪器体积庞大、结构复杂以及不能实时测量等问题。

本实用新型的技术方案为：

一种势阱电压可调的颗粒物粒径谱测量装置，包括颗粒物检测腔、设置在颗粒物检测腔前端的采样气体入口、均匀嵌入颗粒物检测腔前部侧壁中的若干绝缘块、穿透绝缘块的电离针、与电离针连接的电离高压源、设置在颗粒物检测腔内后部的势阱电压器、与势阱电压器连接的势阱高压源、设置在颗粒物检测腔后端的法拉第杯、设置在法拉第杯内部的多孔金属电极、设置在法拉第杯侧壁上的出气口、与多孔金属电极连接的静电计、与出气口连接的真空泵、其输入端与静电计的输出端连接的控制器、其输入端与控制器的输出端连接的显示器以及与控制器交互式连接的存储器；所述控制器的输出端与电离高压源、势阱高压源和真空泵的输入端连接；所述电离针接入电离高压源的高压后，形成电晕荷电区，所述势阱电压器接入势阱高压源的高压后，形成颗粒物分级区，所述法拉第杯与静电计构成电流检测区。

所述的势阱电压可调的颗粒物粒径谱测量装置，还包括放电电流检测单元，所述放电电流检测单元的输出端与控制器的输入端连接，用于将电离针在电晕放电状态下产生的电流实时反馈给控制器。

本实用新型的有益效果为：

（1）本实用新型与传统的DMA装置有本质区别，无需使用清洁鞘气，没有鞘气入口装置，也无需配套使用零气发生器或者洁净鞘气发生器，简化了测量仪器的结构，降低了装置生产制作成本；

（2）本实用新型能够在很短的时间内获取粒径分布浓度，可用于颗粒物粒径的快速测量场合，如移动源排放尾气颗粒物粒径的实时快速检测；

（3）本实用新型基于粒子电迁移理论，可检测出纳米级别的颗粒物，理论上没有检测粒径下限，同时无需工作液和温控系统且具有更短的响应时间；

（4）本实用新型操作简单、集成度高、数字化显示，同时安装过程也极为方便，适用于携带检测。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图；

图2是本实用新型标定时的电流随势阱电压变化图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例进一步说明本实用新型。

如图1所示，一种势阱电压可调的颗粒物粒径谱测量装置，包括颗粒物检测腔1、采样气体入口2、绝缘块3、电离针4、电离高压源5、势阱电压器6、势阱高压源7、法拉第杯8、多孔金属电极9、出气口10、静电计11、真空泵12、控制器13、显示器14、存储器15和放电电流检测单元16。采样气体入口2设置在颗粒物检测腔1的前端；绝缘块3有若干个，均匀嵌入颗粒物检测腔1的前部侧壁中；电离针4的一端穿透绝缘块3进入颗粒物检测腔1的内前部，一端与电离高压源5连接；电离针4接入电离高压源5的高压后，其针尖周边形成电晕荷电区。

势阱电压器6设置在颗粒物检测腔1的内后部，连接势阱高压源7；势阱电压器6接入势阱高压源7的高压后，形成颗粒物分级区。法拉第杯8设置在颗粒物检测腔1的后端，多孔金属电极9设置在法拉第杯8的内部，出气口10设置在法拉第杯8的侧壁上，并与真空泵12连接。静电计11的输入端与多孔金属电极9连接，静电计11的输出端与控制器13的输入端连接。法拉第杯8与静电计11构成电流检测区。控制器13的输出端与电离高压源5的输入端、势阱高压源7的输入端、真空泵12的输入端、显示器14的输入端连接，控制器13与存储器15交互式连接，电离针4通过放电电流检测单元16与控制器13的输入端连接。

本实用新型的工作原理：

操作人员首先对本实用新型的测量装置进行标定，以获取不同固定粒径对应的截止电压，标定的具体过程如下：

目标是获取不同固定粒径对应的截止电压，首先利用零气系统产生零气并将产生的零气输入本实用新型的测量装置，测量无粒子下的装置背景电流值，以此电流值为基底电流值，默认此时的电流值对应的粒子数为零；接着利用单分散气溶胶发生器产生某一固定粒径的带电粒子输入本实用新型的测量装置，调节势阱电压，通过显示器14观察静电计11检测的电流值变化，如图2所示，随着势阱电压的增大，静电计11检测的电流值会逐渐变小，最终到达基底电流值时，再增大势阱电压，静电计11检测的电流值会保持不变，此时的势阱电压即为此时输入固定粒径对应的截止电压；再利用单分散气溶胶发生器产生其粒径比前次标定的粒径大固定值的粒子，重复上述步骤，获取其对应的截止电压，针对不同粒径图谱的不同需求，粒径间隔可为20nm到100nm之间，针对要求更高的粒径图谱，可选取间隔为20nm的粒径进行标定，获取对应的截止电压，多次标定不同固定粒径的标准粒子得到其对应的截止电压，最后将不同固定粒径的粒子对应的截止电压存储于存储器15中。

接入电离高压源5的高压后，电离针4电晕放电，其针尖周边形成电晕荷电区；控制器13控制真空泵12将带有颗粒物的采样气流通过采样气体入口2抽吸至颗粒物检测腔1，采样气流首先进入电晕荷电区，其中的颗粒物与经电离针4电晕放电产生的单极性带电离子发生混合碰撞，碰撞后单极性带电离子附着在颗粒物上，使颗粒物带电，之后混合着自由单极性带电离子和带电颗粒物的采样气流进入由势阱电压器6接入势阱高压源7的高压后形成的颗粒物分级区。采用放电电流检测单元16将电离针4在电晕放电状态下产生的电流实时反馈给控制器13来改变电离高压源5的输出电压，以保证电离针4在电晕放电状态下产生的电流恒定。

势阱电压器6通过势阱高压源7提供不同的势阱电压，首先将采样气流中混合的多余单极性带电离子去除，由于不同粒径带电颗粒物的电迁移率不同，在同一电场中受到的电迁移力不一致导致带电颗粒物在电场中运动速度不一致，带电颗粒物在电场中受到电迁移力的作用沿着电场线的方向运动，同时由于采样气流的流速作用，带电颗粒物会向势阱电压器6运动，粒径越小的带电颗粒物，其电迁移率越大，所以最先被势阱电压器6捕获，被捕获的带电颗粒物会发生电荷转移，最后变为中性颗粒物。

势阱电压越大，势阱电压器6捕获的带电颗粒物粒径越大，采样气流经过势阱电压器6后从出气口10流走。静电计11对法拉第杯8里面的多孔金属电极9的电流进行检测。在采用本实用新型实际测量粒径分布时，控制器13控制真空泵12抽吸采样气流进入颗粒物检测腔1；控制器13调节势阱高压源7，使得势阱电压器6提供的势阱电压为各固定粒径对应的截止电压；控制器13获取静电计11检测的电流值，并存储于存储器15中；控制器13调取存储器15中的数值，并进行相关计算，得出相邻两个固定粒径之间的颗粒物浓度，即可得到此时采样气流中的颗粒物粒径分布图谱。

以上所述实施方式仅仅是对本实用新型的优选实施方式进行描述，并非对本实用新型的范围进行限定，在不脱离本实用新型设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本实用新型的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本实用新型的权利要求书确定的保护范围内。