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专利名称：测量悬浮颗粒物质的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于测量大气中悬浮颗粒物质(suspended particulatematter)的粒径分布(a particle size distribution)的方法和设备。尤其是，本发明涉及这样一种用于测量悬浮颗粒物质的方法和设备，即这种方法和设备能够以高分辨率在宽粒径范围内对悬浮颗粒物质的粒径分布进行测量。
背景技术：
大气中那些粒径不超过10微米的悬浮尘埃被称作悬浮颗粒物质(SPM)。虽然这种悬浮颗粒物质包含有离散的泥土，但是这些悬浮颗粒物质的大部分是从柴油发动机汽车中排出的黑烟、未燃烧的燃油以及含硫的化合物。在Kanto地区，大约35％的悬浮颗粒物质是从柴油发动机汽车中排出的。一般认为，悬浮颗粒物质对人类健康是有害的。特别是，在包含在从柴油发动机汽车中排出的废气中的颗粒物质，被称作DEP(柴油机废气颗粒)。那些尺寸不超过2.5微米的小粒径颗粒物质，被称作细微颗粒物质(PM2.5)，在欧洲和美国，已经对这种细微颗粒物质进行了积极研究。一般认为，这种PM2.5的大部分是从柴油发动机汽车中排出的。
作为一种用于对大气中上述悬浮颗粒物质(SPM)或者细微颗粒物质(PM2.5)的粒径分布进行测量的设备，在实际应用中通常使用一种基于级联碰撞采样器系统(cascade impacter system)的测量设备。在这种基于级联碰撞采样器系统的测量设备中，使得包括有颗粒的流体与一个收集板发生碰撞，用以突然改变流体的流动方向，从而将颗粒从流体中分离出来。在这种测量设备中，碰撞采样器相互被串联连接起来，以便它们能够形成一个多级设备，其中在所述碰撞采样器的收集效率为50％时粒径互不相同。随后，利用每一级为50％收集效率时的粒径作为代表粒径，并且由每一级中均具有代表粒径的颗粒收集测量结果得出所述流体中的粒径分布。
就此而言，在相应于用于测量SPM和PM2.5的级联碰撞采样器系统的测量设备中，会遇到下述问题。一般来说，粒径的测量上限被设定为约10微米，此外粒径的分辨率取决于板式集尘电极的数目。因此，不可能以高分辨率对粒径分布进行测量。

发明内容
本发明的目的在于，提供一种用于测量悬浮颗粒物质的方法和设备，该方法和设备能够以较高的分辨率在较宽的粒径范围内对大气中悬浮颗粒物质(SPM)和细微颗粒物质(PM2.5)的粒径分布进行测量，其中该粒径范围包括不小于10微米的粒径。
为了实现前述目的，本发明提供了一种用于测量大气中悬浮颗粒物质的方法，该方法包括将大气中的悬浮颗粒物质抽吸入一个容器中；在该容器内对大气中的悬浮颗粒物质进行充电；电收集充过电的悬浮颗粒物质；在收集起来的悬浮颗粒物质被分散开的条件下利用激光束对收集起来的悬浮颗粒物质进行照射；对利用激光束向悬浮颗粒物质进行照射所获得的衍射和散射光线的空间强度分布进行测量；并且利用测量结果对悬浮颗粒物质的粒径分布进行计算。
优选地，根据本发明用于测量大气中悬浮颗粒物质的方法还包括有将收集起来的悬浮颗粒物质分散到介质流体(medium fluid)中，其中，利用激光束对分散在介质流体中的悬浮颗粒物质进行照射。
可选择地，根据本发明用于测量大气中悬浮颗粒物质的方法优选地还包括有使得悬浮颗粒物质粘附到一块位于容器内的透明板的表面上，其中，利用激光束对其上粘附有悬浮颗粒物质的透明板进行照射。可以采样前述方法中的任何一种。
为了实现前述目的，本发明还提供了一种用于测量大气中悬浮颗粒物质的设备，该设备包括有一个容器；一个泵，用于将大气抽吸入所述容器中；一个放电电极，该放电电极被设置在所述容器中，用于通过产生单极性离子来对所述容器中的悬浮颗粒物质进行充电；一个集尘电极，该集尘电极相对于放电电极具有电势差，用于将所述容器中由放电电极充过电的悬浮颗粒物质收集起来；一个分散机构，用于分散由集尘电极收集起来的悬浮颗粒物质；一个光学照射系统，用于利用激光束对分散开的悬浮颗粒物质进行照射；一个光学测量系统，用于对光线的空间强度分布进行测量，所述光线在利用激光束对悬浮颗粒物质进行照射时被悬浮颗粒物质衍射和散射；以及一个计算部分，用于利用所述测量结果对收集起来的悬浮颗粒物质的粒径分布进行计算。
根据本发明用于测量悬浮颗粒物质的设备，优选的是所述分散机构具有一个分散罐(dispersing tank)，在该分散罐中盛装有介质流体。可选择地，优选的是所述分散机构具有一块透明板，所述悬浮颗粒物质粘附在该透明板的表面上。
优选地，所述泵包括有一个气动机械，该气动机械能够强行对大气进行抽吸和供给。更具体地说，所述泵包括有一个压缩机或者鼓风机。
作为用于在其中分散收集起来的悬浮颗粒物质的中间溶液，可以使用洁净的水，比如蒸馏水，有机溶剂，或者添加有诸如表面活性剂这样的分散剂的有机溶剂。
根据本发明，基于激光束衍射和散射方法的粒径分布测量，被用于对大气中的悬浮颗粒物质的粒径分布进行测量，其中基于激光束衍射和散射理论的粒径分布测量方法，能够以高分辨率在宽粒径范围内对粒径分布加以测量。另外，为了在激光束照射过程中获得足够高的衍射和散射光线强度，不是利用激光束直接对大气中的悬浮颗粒物质进行照射，而是在这种条件下利用激光束对悬浮颗粒物质进行照射，即悬浮颗粒物质以足够高的浓度有效地聚集和扩散，以达到本发明的目的。
总的说来，在基于激光衍射法的粒径分析仪中，对散射条件下用激光束照射颗粒组所获得的衍射和散射光线的空间强度分布进行测量。通过利用符合米氏(Mie)散射理论或者夫琅和费(Fraunhofer)衍射理论的光线强度分布，根据衍射和散射光线的空间强度分布的测量结果，通过基于米氏(Mie)散射理论或夫琅和费(Fraunhofer)衍射理论的计算，得到待测颗粒组的粒径分布。根据这种基于激光衍射法的粒径分析仪，当介质中的待测颗粒组的浓度保持在合适的范围内时，可以以高分辨率在宽粒径范围内得出粒径分布，该介质中分散有待测颗粒组。
但是，对于大气中的悬浮颗粒物质来说，由于大气中悬浮颗粒物质的浓度太低，所以即使通过直接利用激光束对大气中的悬浮颗粒物质进行照射来对衍射和散射光线进行测量，也难以获得足够高的衍射和散射光线强度，以得到悬浮颗粒物质的粒径分布。
因此，根据本发明，以下述方式对利用激光束照射悬浮颗粒物质所获得的衍射和散射光线的空间强度分布进行测量。将大气抽吸入一个容器中，并且电收集包含于大气中的悬浮颗粒物质。也就是说，放电电极产生单极性离子，并且利用放电电极所产生的单极性离子来对悬浮颗粒物质进行充电。接着，设置一个相对于放电电极具有预定电势差的集尘电极，并且由该集尘电极收集充过电的悬浮颗粒物质。将由此收集起来的悬浮颗粒物质分散到一定的浓度范围之内，该浓度范围适合于基于激光衍射法的粒径分布分析。利用激光束对由此分散开的悬浮颗粒物质进行照射，并且对衍射和散射光线的空间强度分布进行测量。由于前述内容，可以以高分辨率在宽粒径范围内得出悬浮颗粒物质的粒径分布，其中所述宽粒径范围与基于激光衍射法的普通粒径分析中的粒径范围相同。也就是说，可以以高分辨率在从亚微米至10微米或者更大的宽粒径范围内得出悬浮颗粒物质的粒径分布。
优选地，收集起来的悬浮颗粒物质被分散到介质流体中，并且在分散状态下利用激光束照射悬浮颗粒物质，以便对衍射和散射光线进行测量。可选择地，将悬浮颗粒物质收集起来，与此同时被粘附到一块透明板的表面上，使得悬浮颗粒物质分散开来。随后，在分散状态下利用激光束照射悬浮颗粒物质，以对衍射和散射光线进行测量。通过这些方法中的任何一种，均可以以高精度对由收集起来的悬浮颗粒物质衍射和散射的衍射和散射光线进行测量。
根据本发明，由于利用了一个泵将大气抽吸入一个容器中，并且以电学方式对包含于大气中的悬浮颗粒物质进行充电和收集，所以利用所述泵的流速和驱动时间可以轻易地对输送至所述容器中的大气体积进行控制，并且还可以将输送至容器中的大气中的几乎所有悬浮颗粒物质收集起来。因此，对于每一种粒径来说，均可以简便地得出恒定体积大气中存在的悬浮颗粒物质的量。


图1是根据本发明一实施例的悬浮颗粒物质测量设备的布局图；图2是一布局图，示出了一个根据本发明另一实施例的悬浮颗粒物质测量设备中的主要部分；以及图3是一布局图，示出了一个根据本发明再一实施例的悬浮颗粒物质测量设备中的主要部分。
具体实施例方式
参照附图，下面将对本发明的一个实施例进行说明。
图1是一个根据本发明一实施例的悬浮颗粒物质测量设备的布局图。图1中一起示出了显示光学结构和管道结构的示意性视图，并示出了电子结构的方框图。
所述悬浮颗粒物质测量设备包括有一个收集容器1，一个泵2，一个放电电极3，一个集尘电极4，一个高压电源5，一个接地电位(groundingpotential)6，一个分散罐11，一个循环管道14，一个循环泵15，以及一个粒径分析仪20。收集容器1具有一个能够被自由开闭的盖1a，一个大气入口1b，以及一个连通口1c，该连通口1c通达泵2(用于收集颗粒的压缩机)的抽吸口。在盖1a关闭的条件下，当泵2受到驱动时，大气经由入口1b被抽吸入收集容器1中。在该收集容器1中，上部设置有放电电极3，下部设置有集尘电极4，该集尘电极4与放电电极3相对。高压通过高压电源作用到放电电极3上。由于前述内容，放电电极3周围的空气被电离，产生单极性离子。
另一方面，在本示例中，集尘电极4与接地电位6连接在一起。由于集尘电极4与放电电极3之间的电势差，所以单极性离子移向集尘电极4。在该步骤中，单极性离子在集尘容器1内与包含于大气中的悬浮颗粒物质P发生接触，悬浮颗粒物质P充电。由此充过电的悬浮颗粒物质P在放电电极3与集尘电极4之间电势差的作用下，移向集尘电极4。从而，将充过电的悬浮颗粒物质P收集在集尘电极4上。
已经被收集在集尘电极4上的悬浮颗粒物质P在分散罐11中被分散开来。例如，在分散罐11中盛装有蒸馏水、有机溶剂或者介质流体L，在它们中添加有诸如表面活性剂这样的分散剂。悬浮颗粒物质P在分散罐11中以这样一种方式分散开来，即将盖1a从收集容器1上卸下，将集尘电极4从收集容器1中手动取出，并且随后将集尘电极4浸到分散罐11中的介质流体L中，使得将固附在集尘电极4上的悬浮颗粒物质P转移到中间介质L中。可选择地，正如在图2中图示所述设备的主要部分的布局视图所示出的那样，在集尘电极4的一个表面上安装有一个由导电材料制成的佩特里培养皿状元件(Petri-dish-shaped member)4a，并且在该佩特里培养皿状元件4a中盛装有与分散罐11中的中间介质L相同的中间介质L。悬浮颗粒物质P可以由佩特里培养皿状元件4a内的中间介质L收集起来。利用一个未示出的泵将佩特里培养皿元件4a内含有悬浮颗粒物质P的中间介质L导入到分散罐11中。可选择地，手动地将佩特里培养皿元件4a内含有悬浮颗粒物质P的中间介质L转移到分散罐11中。
分散罐11具有一个搅拌器12和一个超声波振荡器13。分散罐11的底部与循环管道14的一个端部相连通。循环管道14与一个基于激光衍射方法的粒径分析仪20的贯流分析室21(a flow cell)的入口相连通。另外，该贯流分析室21出口的循环管道14开口于所述分散罐11的上部。分散罐11在其底部还具有一个用于排出分散罐内的物质的排出阀11a。
在悬浮颗粒物质P已经被转移到盛装于分散罐11内的介质流体L中之后，驱动搅拌器12和超声波振荡器13。由于前述内容，悬浮颗粒物质P可以被均匀地分散到介质流体L中，并且气泡从介质流体L中去除。
当循环泵15开始工作时，使介质流体L和分散在介质流体L中的悬浮颗粒物质P经由循环管道14流入到贯流分析室21中，并且返回到分散罐11中。
基于激光衍射法的粒径分析仪20包括有前述的贯流分析室21，一个光学照射系统22，一个光学测量系统23，一个数据采样电路24以及一个计算机25。光学照射系统22向贯流分析室21发射激光束。光学测量系统23测量由光学照射系统22所发射的激光束的衍射和散射光线的空间强度分布。数据采样电路24对光学测量系统23的输出值进行数据采样。计算机25利用由数据采样电路24采样得到的衍射和散射光线空间强度分布数据，对包含于介质流体L中的颗粒组的粒径分布进行计算。
光学照射系统22包括有一个激光源22a，一个聚光透镜22b，一个空间过滤器(spatial filter)22c，以及一个校准透镜22d。利用这种光学照射系统22，由激光源22a发出的激光束形成平行的光通量，并且对贯流分析室21进行照射。照射到贯流分析室21上的激光束被贯流分析室21内流动的介质流体L中的悬浮颗粒物质P衍射和散射。利用光学测量系统23，对这种衍射和散射光线的空间强度分布进行测量。
光学测量系统23包括有一个聚光透镜23a，一个环形检测器23b，一组前广角散射光学传感器23c，以及一组侧部/后部散射光传感器23d。聚光透镜23a和环形透镜23b被设置在与贯流分析室21相对的光学照射系统22的光轴上。所述那组前广角散射光传感器23c被设置在光学照射系统22的光轴外侧，并且被设置在贯流分析室21的前方(位于环形检测器23b侧部)。所述那组侧部/后部散射光传感器23d被设置在贯流分析室21的侧部和后部(位于光照射系统22侧部)。环形检测器23b是一光学传感器阵列，在该阵列中具有光接收面的光传感器同心排列，并且其形状呈环形、1/2环形或者1/4环形，这些环形的曲率半径彼此不同。环形检测器23b能够对由会聚透镜23a会聚的预定前角内的衍射和散射光线的强度分布进行检测。因此，利用由这组传感器组成的此光学测量系统23，可以在较宽的范围内对衍射和散射光线的空间强度分布进行测量，其中所述衍射和散射光线由分散在贯流分析室21内介质流体L中的悬浮颗粒物质P衍射和散射，所述较宽的范围从微小的前角直至后部。
由光学检测系统23检测到、用于各个衍射和散射角度的光线强度检测信号由具有一个放大器和一个A-D转换器的数据采样电路24进行放大并且进行数字化，并作为衍射和散射光线的空间强度分布数据送入计算机25中。
在计算机25中，通过利用衍射和散射光线的这种空间强度分布，使用根据米氏(Mie)散射理论和夫琅和费(Fraunhofer)衍射理论的计算方法，来对使得激光束衍射和散射的悬浮颗粒物质的粒径分布进行计算，其中米氏(Mie)散射理论和夫琅和费(Fraunhofer)衍射理论在基于激光衍射法的粒径分析中是公知的。
在前述结构中，可以利用泵的每单位时间的流速和驱动时间来对输入收集容器1中的大气的总体积进行控制。通过合适地设定输入收集容器1中的大气总体积，在由集尘电极4收集起来的悬浮颗粒物质P被分散到盛装于分散罐11内的介质流体L中时，悬浮颗粒物质P在介质流体L中的浓度可以达到这样一个值，在该值处，衍射和散射光线的空间强度分布足以由光学测量系统22测量出来。
根据由这种基于激光衍射法的粒径分析仪20进行的粒径分布测量，可以以高分辨率在从亚微米直至10微米或者更大的宽粒径范围内对粒径分布进行测量。
当以规则的间隔重复进行下述操作时，可以连续地对大气中悬浮颗粒物质的状况进行监控。将预定体积的大气抽吸入收集容器1中；将悬浮颗粒物质P收集到集尘电极4上；将由此收集起来的悬浮颗粒物质P分散到盛装于分散罐11内的介质流体L中；利用激光束对悬浮颗粒物质P进行照射；对衍射和散射光线的空间强度分布进行测量，以得出粒径分布；将排出阀11a打开，以排出分散罐11中的流体；将新的介质流体L倾倒入分散罐11中；将在集尘容器1中重新收集到的悬浮颗粒物质分散到介质流体L中；并且接着开始对衍射和散射光线的空间强度分布进行测量的测量操作。
当在每次测量操作中使输入集尘容器1中的大气总体积保持恒定时，使得在每次测量中所获得的衍射和散射光线的绝对强度与大气中悬浮颗粒物质P的浓度发生关联。从而，从衍射和散射光线的绝对强度的变化，可适时地对大气中悬浮颗粒物质P的浓度变化进行监控。
当用参照颗粒进行标定时，可以利用用于收集分散于介质流体L中的悬浮颗粒物质所需的大气总体积，并且利用在前面所获得的衍射和散射光线的绝对强度，来计算出包含于单位体积大气内的悬浮颗粒物质P的粒径分布与各粒径下的颗粒数目之间的关系。
在前述实施例中，当在收集容器1内的集尘电极4上收集起来的悬浮颗粒物质P被分散到盛装于分散罐11内的介质流体L中并且利用激光束对其进行照射时，可以从所获得的衍射和散射光线的空间强度分布得出悬浮颗粒物质P的粒径分布。但是，本发明并不局限于通过激光束的衍射和散射进行粒径分布测量的上述湿式测量方法，而本发明还可以应用于利用激光束衍射和散射进行粒径分布测量的干式测量方法，其中在该干式测量方法中不使用介质流体。
在采用干式测量方法的情况下，优选地采用下述方法。利用一个透明板，当悬浮颗粒物质P被收集在透明板的表面上时，悬浮颗粒物质P被分散开来，并且利用激光束对分散在透明板上的悬浮颗粒物质P进行照射。也就是说，透明板被设置在收集容器1中的集尘电极4上，并且将大气中已经被输送进收集容器1内并且充过电的悬浮颗粒物质P收集到透明板上。图3示出了用于干式测量方法的基于激光衍射法的粒径分析仪的主要结构。正如在图3中所示出的那样，取代图1的设备结构中所示的贯流分析室21，透明板26被设置在光学照射系统22的光路上，并且利用激光束对其进行照射，其中在收集容器1中收集起来的悬浮颗粒物质P被粘附到所述透明板26上。此时，为了防止悬浮颗粒物质P从透明板26的表面上掉落下来，正如图3中所示出的那样，根据需要，可以使用另外一个透明板27，以便可以将悬浮颗粒物质P置于这两个透明板26与27之间。
即使在前述干式测量方法中，只要悬浮颗粒物质P在透明板26上的浓度(每单位面积上存在的颗粒量)合适，以与前述湿式测量方法相同的方式，可以精确地对由悬浮颗粒物质P衍射和散射的激光束的空间强度分布进行测量。从而，可以获得与前述实施例相同的效果。
正如前面所描述的那样，根据本发明，利用一个泵将大气抽吸入集气容器中，并且由设置在集气容器内的放电电极对包含于大气中的悬浮颗粒物质进行充电，从而由集尘电极将悬浮颗粒物质收集起来。将由此收集起来的悬浮颗粒物质以合适的浓度分散到介质流体中，或者可选择地，将由此所收集起来的悬浮颗粒物质粘附到透明板的表面上，并且分散开来。随后，利用激光束对分散开的悬浮颗粒物质进行照射，并且对由悬浮颗粒物质衍射和散射的光线的空间强度分布进行测量。利用测量结果，根据激光衍射法的原理得出悬浮颗粒物质的粒径分布。因此，与利用传统的级联碰撞取样器进行的粒径分布测量相比，本发明方法的优点在于，粒径的分辨率可以大大提高，并且还可以测量不小于10微米的粒径范围内的粒径分布。
权利要求
1.一种测量大气中悬浮颗粒物质的方法，该方法包括将大气中的悬浮颗粒物质抽吸入一个容器中；在所述容器内对大气中的悬浮颗粒物质进行充电；电收集充过电的悬浮颗粒物质；在收集起来的悬浮颗粒物质被分散开的条件下，利用激光束对收集起来的悬浮颗粒物质进行照射；对利用激光束照射悬浮颗粒物质所获得的衍射和散射光线的空间强度分布进行测量；以及利用测量结果计算悬浮颗粒物质的粒径分布。
2.根据权利要求1所述的测量大气中悬浮颗粒物质的方法，还包括有将收集起来的悬浮颗粒物质分散到介质流体中，其中，利用激光束对分散在介质流体中的悬浮颗粒物质进行照射。
3.根据权利要求1所述的测量大气中悬浮颗粒物质的方法，还包括有使得悬浮颗粒物质粘附到所述容器内一块透明板的表面上，其中，利用激光束对其上粘附有悬浮颗粒物质的透明板进行照射。
4.一种测量大气中悬浮颗粒物质的设备，包括一个容器；一个泵，用于将大气抽吸入所述容器中；一个放电电极，该放电电极被设置在所述容器中，用于通过产生单极性离子对所述容器内的悬浮颗粒物质进行充电；一个集尘电极，该集尘电极相对于放电电极具有电势差，用于将悬浮颗粒物质收集起来，该悬浮颗粒物质已经在所述容器内由放电电极充电；一个分散机构，用于分散由集尘电极收集起来的悬浮颗粒物质；一个光学照射系统，用于利用激光束对分散开的悬浮颗粒物质进行照射；一个光学测量系统，用于对在利用激光束照射悬浮颗粒物质时由悬浮颗粒物质衍射和散射的光线的空间强度分布进行测量；以及一个计算部分，用于利用测量结果对收集起来的悬浮颗粒物质的粒径分布进行计算。
5.根据权利要求4所述的测量大气中悬浮颗粒物质的设备，其中，所述分散机构具有一个分散罐，该分散罐包括装盛在其中的介质流体。
6.根据权利要求4所述的测量大气中悬浮颗粒物质的设备，其中，所述分散机构具有一块透明板，悬浮颗粒物质粘附在该透明板的表面上。
7.根据权利要求5所述的测量大气中悬浮颗粒物质的设备，其中，所述分散罐设置在所述集尘电极上。
全文摘要
本发明涉及一种测量大气中悬浮颗粒物质的方法和设备。在此方法和设备中，利用一个泵将大气中的悬浮颗粒物质抽吸到一个容器内。在该容器内对大气中的悬浮颗粒物质进行充电，以电收集它们。在收集起来的悬浮颗粒物质被分散成合适浓度的条件下，利用激光束对收集起来的悬浮颗粒物质进行照射。对通过用激光束照射悬浮颗粒物质所获得的衍射和散射光线的空间强度分布进行测量。从测量结果得出悬浮颗粒物质的粒径分布。
文档编号G01N15/00GK1397793SQ02126129
公开日2003年2月19日 申请日期2002年7月17日 优先权日2001年7月17日
发明者足立元明, 奥山喜久夫, 十时慎一郎, 樋口三千郎, 岛冈治夫, 深井秋博 申请人:株式会社岛津制作所