一種勢阱電壓可調的顆粒物粒徑譜測量裝置的制作方法

本實用新型涉及大氣環境檢測技術領域，具體是一種勢阱電壓可調的顆粒物粒徑譜測量裝置。

背景技術：

近年來，隨著國際發展水平的不斷上升，空氣環境質量也變得更加惡化，人們對公共健康日益關注，尤其是對大氣環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，這些顆粒或其他空氣污染物的濃度短期內還會上升。歐洲流行病學家發現，肺癌與局部地區的空氣污染超細顆粒有明顯的關聯，因此有必要對環境中的超細顆粒物進行監測。

國際上傳統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。現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），需要零氣發生裝置或者潔凈鞘氣發生器，結構復雜，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境監測機構才有，很難向大眾推廣。

技術實現要素：

本實用新型的目的在于提供一種勢阱電壓可調的顆粒物粒徑譜測量裝置，彌補現有細粒子粒徑譜測量技術的不足，尤其是解決現有測量儀器體積龐大、結構復雜以及不能實時測量等問題。

本實用新型的技術方案為：

一種勢阱電壓可調的顆粒物粒徑譜測量裝置，包括顆粒物檢測腔、設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、設置在顆粒物檢測腔內后部的勢阱電壓器、與勢阱電壓器連接的勢阱高壓源、設置在顆粒物檢測腔后端的法拉第杯、設置在法拉第杯內部的多孔金屬電極、設置在法拉第杯側壁上的出氣口、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，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，所述法拉第杯與靜電計構成電流檢測區。

所述的勢阱電壓可調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下產生的電流實時反饋給控制器。

本實用新型的有益效果為：

（1）本實用新型與傳統的DMA裝置有本質區別，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生器或者潔凈鞘氣發生器，簡化了測量儀器的結構，降低了裝置生產制作成本；

（2）本實用新型能夠在很短的時間內獲取粒徑分布濃度，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）本實用新型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且具有更短的響應時間；

（4）本實用新型操作簡單、集成度高、數字化顯示，同時安裝過程也極為方便，適用于攜帶檢測。

附圖說明

圖1是本實用新型的結構示意圖；

圖2是本實用新型標定時的電流隨勢阱電壓變化圖。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例進一步說明本實用新型。

如圖1所示，一種勢阱電壓可調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。

勢阱電壓器6設置在顆粒物檢測腔1的內后部，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。法拉第杯8設置在顆粒物檢測腔1的后端，多孔金屬電極9設置在法拉第杯8的內部，出氣口10設置在法拉第杯8的側壁上，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構成電流檢測區。控制器13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。

本實用新型的工作原理：

操作人員首先對本實用新型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，首先利用零氣系統產生零氣并將產生的零氣輸入本實用新型的測量裝置，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為零；接著利用單分散氣溶膠發生器產生某一固定粒徑的帶電粒子輸入本實用新型的測量裝置，調節勢阱電壓，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生器產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；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，其中的顆粒物與經電離針4電暈放電產生的單極性帶電離子發生混合碰撞，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。采用放電電流檢測單元16將電離針4在電暈放電狀態下產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在電暈放電狀態下產生的電流恒定。

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生電荷轉移，最后變為中性顆粒物。

勢阱電壓越大，勢阱電壓器6捕獲的帶電顆粒物粒徑越大，采樣氣流經過勢阱電壓器6后從出氣口10流走。靜電計11對法拉第杯8里面的多孔金屬電極9的電流進行檢測。在采用本實用新型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調節勢阱高壓源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調取存儲器15中的數值，并進行相關計算，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實用新型的優選實施方式進行描述，并非對本實用新型的范圍進行限定，在不脫離本實用新型設計精神的前提下，本領域普通技術人員對本實用新型的技術方案作出的各種變形和改進，均應落入本實用新型的權利要求書確定的保護范圍內。