专利名称：气溶胶粒子浓度和尺寸分布的快速检测方法及其装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种气溶胶粒子的检测方法，特别是一种检测气溶胶粒子浓度和尺寸 分布的方法及其装置。
背景技术：
许多气溶胶粒子对人体有明显伤害，如非食用油(煤焦油，木焦油，矿物油和天 然浙青等)受热产生的油烟雾会造成严重的环境污染。以浙青油烟雾为例，凡加工，制造和 使用浙青，煤炭，石油及含浙青的物质，在加热和燃烧的过程中均会产生成分复杂的浙青油 烟气溶胶，由于严重污染空气，国家已规定了严格的排放标准(GB16^7-1996)。现有污染 源为80mg/m3，新污染源为40mg/m3。目前对这类油烟雾浓度的检测缺少完备的手段。专利 号为02221112. 8的中国专利提出一种检测样品中浙青含量的仪器，是将样品在仪器的燃 烧室中燃烧，用电子天平测量反应物后计算出相应浙青含量。该设备并不适合检测浙青油 烟气溶胶浓度。再以总悬浮颗粒物(TSP)或烟尘的检测为例，常规的方法是抽取一定体积的空气 通过已恒重的滤膜或滤筒，气流中的气溶胶粒子被阻留在膜上或筒中，由采样前后的重量 差及采样体积，可计算出TSP或烟尘浓度(如果有水分，需加热烘干后在称量)。对于可吸入 尘(飘尘，IP)，也可采用前述重量差法。此外，还有压电晶体振荡法和β射线吸收法。后 者是通过测定清洁滤带(未采尘)和采尘滤带对射线吸收程度的差异来测量采尘量的，由于 含尘空气的体积已知，故可计算出IP的浓度。从近年来这方面公开的专利看，快速检测或 监测TSP，IP或烟尘的技术发展较快，但大体趋势仍然集中在两个方向。一是利用气溶胶粒 子对各种光线(可见光，红外光，激光等)的作用(阻挡，吸收，漫反射等)，通过测量光线照射 前后的变化来获取气溶胶浓度的信息。如专利号为02804173. 9的高灵敏度的颗粒检测，专 利号为02232672. 3的烟尘浓度连续检测激光发射装置，专利申请号为01136683. 4的单端 不透明度法测尘装置，专利申请号为99103172. 5的带粒子传感器的烟尘探测器，专利号为 97119085. 2的烟尘检测器，专利申请号为93211786. 4的烟尘光电探测探头，专利申请号为 91202747. 9的便携式光电烟尘浓度检测仪，专利申请号为012Μ195. 8的烟尘、烟气排放监 测装置，专利号为96114134. 4的粉尘排放连续自动监测装置和专利号为94202316. 1的烟 尘黑度监测记录仪。这一类方法的局限是，当检测或监测环境较恶劣时(如烟道气流腐蚀性 强，水汽量大，粘性油烟浓度大)，检测误差增大，甚至仪器很快就会失效或损坏。另一发展 方向是β射线吸收法的优化或改进。如专利号为02200914.0的射线电离型烟、尘传感器， 专利号为99205791. 4的多功能烟尘、气探测枪和专利号为02238238. 0的β射线颗粒物烟 尘排放连续监测仪。除了由前一类方法的局限外，β射线源的价格和安全也会造成一些问 题。考虑到气溶胶粒子对人体健康�：Τ潭鹊牟煌惺被剐璨舛Ｗ哟笮〉姆植�。 粒子粒径的分布有两种表示方式，一是不同粒径的数目分布，一是不同粒径的重量浓度分 布。前者可用光散射式粒子计数器测定。后者可用根据撞击捕获原理制成的采样器分级捕集不同粒径范围的气溶胶粒子，再用称重法测定浓度分布。一般来讲，这些设备价格较贵， 检测过程复杂，受环境条件干扰较大，检测周期也长。申请人:曾于2006年4月25日提出了发明名称为《一种现场检测气溶胶粒子浓度 的方法及其检测仪》的专利申请，目前已授予专利权，专利号为2006102003813。使用该方 法和设备可方便、快速的对大多数气溶胶粒子的总浓度和粒径进行检测。但当气溶胶粒子 尺寸分布较分散时，该方法对粒子浓度的检测精确度还需要进一步提高，气溶胶粒子粒径 的分布也需更详细的测量和计算。对此，本发明对上述专利技术进行了进一步的改进。
发明内容
本发明提供一种气溶胶粒子浓度和尺寸分布的快速检测方法及其装置，要解决当 气溶胶粒子尺寸分布较分散时，粒子浓度的精确检测问题，以及现有检测方法无法检测出 粒子粒径分布比例的问题。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是
这种气溶胶粒子浓度和尺寸分布的快速检测方法，检测步骤如下 步骤一，形成一个含气溶胶粒子的气流；
步骤二，让上述气流通过至少一个管形电晕区，使气流中至少有部分待测气溶胶粒子 在电晕区带上负电荷；
步骤三，在现场实际测量前，先预先测得电晕区的长度L，管径H和气流速度Vtl，查出或 测出粒子的密度d，用具有确定直径D的气溶胶粒子气流进行标定实验，确定该直径粒子在 电晕场中的运动时间内，能够从进口附近某处，刚好到达出口管壁处所需的电晕场电压P， 然后改变气流速度，重新测出在该气流速度Vtl下的对应该直径粒子所需的电晕场电压P，再 改变粒子直径D重新进行测量，得到气流速度，粒子直径和电晕场电压三者的经验公式 当气流速度为一定值V。，电晕场电压增大到1\时，L= 2 2N_2k D2(2 2N_2-2 1^Hn 式中N是粒子按直径划分的档次数； Y1, t，Y3,….. 为粒子在电荷收集网上放电的电量 H11H2,……nN为由小到大各尺寸档的粒子数； D为粒子直径；
让是&与第N档次粒子浓度之间的比例系数； 将上述公式存入计算机，作为以后实测时候选用的参数；
步骤四，进行实际测量，先测量气流速度，在气流速度较平稳的情况下，按此流速根据 上述实验参数选定一组电晕场电压Pk到IV从最低电压P1开始，测量出Y1,然后增加电压 到P2,测出Y2,逐次增加，直到电压Pn，得到Yn ；同时根据步骤三中的公式，求解Y1到Yn的N 个方程后得到H1, n2，……nN之间的比例关系，即各尺寸档粒子的数量比；
步骤五，用本发明的方法与国家标准规定的非现场检测方法同时检测同一种气溶胶粒 子的浓度值，经本发明的方法测出Yn，并由国家标准规定的非现场检测方法得到第N档次 粒子浓度值；经比较找到\与第N档次粒子浓度值之间的对应关系，即比例系数k的值； 步骤六，最后根据公SYn= 2 2N_2k D2 (2 2N_2-2，已知Yn、k、D，求出各尺寸档的粒 子数η ；
步骤七，已知不同种类粒子的密度或比重d，将各尺寸档的粒子数η分别乘上各档粒子的单个质量再求和，得到气流中总的粒子浓度值。所述步骤一，气溶胶粒子包括烹饪油烟雾，矿物油烟雾，工业生产产生的烟尘和烟 雾，大气中的沙尘，飘尘及可吸入颗粒物。所述步骤一，形成一个含气溶胶粒子的气流的方法包括对于静态或基本不流动 的空气，采用抽气泵抽取含气溶胶粒子的空气，形成所需气流；对于原本有一定流速的管道 内或管道外气流，不用气泵，直接让原气流进入电晕场，实现绝对的等速采样；对于管道内 气流速度过小的情况，仍需采用气泵抽�。纬纱锏揭欢魉俚钠�。所述步骤二中的电晕区由管状探头形成，管状探头的外壳内有一个接正高压的金 属管作为阳极和一个接负高压的金属丝作为阴极，在两电极之间形成至少一个电晕�。� 晕场气流出口附近有一个垂直于气流方向设置的电荷收集网。所述步骤三，确定在气流速度Vtl下对应该直径粒子所需的电晕场电压P的具体方 法如下
方法一，通过实验直接测得所需的电晕场电压，先采用较小的电晕场电压，使电晕管壁 上不吸附任何粒子，然后慢慢逐渐增大电压，直到观察到电晕场出口处的管壁上开始出现 被吸附气溶胶粒子为止，这时的电压就是相对于粒子直径D的Pi。依次类推，找到P2，P3直 到IV然后改变气流速度，重新测出在该流速下的各电压值；
方法二，通过计算得到所需的电晕场电压，根据公式q = S3IdD3Vtl2 / (3L2 )，计算得 到所需电场力q，再根据电场力q和电晕场电压P的关系式得出电晕场电压P。
所述步骤三，粒子的档次划分方法为，即最小的粒子，直径为D1=D,第二档的直径为 D2=2D，第三档位1)3=40，依次类推，第N档的粒子直径η D。所述步骤五，国家标准规定的非现场检测方法为重量差法或β射线吸收法。这种气溶胶粒子浓度和尺寸分布的快速检测装置，包括外壳、阳极、阴极、电源和 变压器，所述阳极为连接电源正高压的金属管，阴极为连接电源负高压的金属丝，金属丝 轴向设置于金属管中心处，金属管的气流入口处安装有送风机，金属管的气流出口处安装 有抽风机，气流出口处有一个垂直于气流方向设置的电荷收集网。所述送风机为风扇或鼓风机。本发明的原理如下
在高电压产生的强电场下，气体将发生局部电离。在电场力的作用下，空间中的固态 或液态气溶胶粒子荷电并被分离出来。本发明就是基于这种类似于静电除尘的原理进行构 )思ο
在电晕极和阳极间施加足够高的直流电压，就会在空间中产生电场，电晕极附近的电 场强度最高，使电晕极周围的气体电离(电晕放电)。气体电离后产生大量正离子和自由电 子。自由电子在电场力的作用下飞向阳极，当通过含气溶胶粒子的气体时，自由电子附着 在尘粒上形成负离子。负离子在电场力的作用下飞向带正电的管壁(阳极)或电晕场外带正 电的电荷收集网上，同时释放出一定电荷量。如果电荷量与粒子浓度呈正相关关系，则可 以据此实现气溶胶粒子浓度的快速检测。为此，下列条件是必须的
(1)建立均勻或非均勻电晕场，比如用金属管作为正极(阳极)，位于管轴心的金属丝作 为高压负极(电晕极)，再将位于金属管出口附近，且与电晕极垂直的金属丝网连接正极，作 为气溶胶粒子放电的电荷收集网。
6
(2)电晕场的长度设计原则是既能让气流中的粒子有足够时间荷电，当电压一定 时，又能使得绝大部分荷电粒子只能在电荷收集网上失去电荷。(3)进入电晕区的气流为紊流状态，由于紊流的混掺作用，气流从电晕区出来后， 其中的气溶胶粒子趋向于均勻分布，即某一时刻，电荷收集网平面上各处接触的粒子数基
本一致。(4)通过电晕区的气流速度除边界层外，都是均勻分布。如果粒子趋向管壁方向的 速度与气流速度相比小得多，认为与收集网相接触的粒子均具有与之垂直的相同速度。如果不考虑反电晕，粒子聚集和电晕不均勻性等因素的影响以及粒子在收集网上 的有效失电比(即能够失去电荷的粒子数与气流中所含粒子总数之比)不小于收集网实际 截面积与总截面积之比，则可以推导出下列公式。设在时刻t，检测区气流中的气溶胶粒子浓度为C，可表为 C = [N(4 3ir3/3)d]/[vA(i/t)](1)
其中N是Λ时间内流经检测区的粒子数；r是粒子平均半径，d是粒子密度；ν是检测 区气流流速；A是检测区(电晕管)横截面积.
粒子在收集网上有效放电后，连接收集网的电路上就会出现电流。电流通过一个阻值 为R的电阻时，电阻上就会出现电压降(不是原静电场电压)。在Λ时间内，假定N个粒子 中有η个粒子能在收集网上有效放电，则η与由此产生的电流i之间有下列关系 η = i(i/t)/q(2)
其中q是一个粒子的平均荷电量。设有效失电比
η= Ν/η(3)
由于在一定流速范围内，n只与收集网材料，结构设计和几何尺寸相关，当这些参数确 定之后，n就是一固定值参数。考虑到在时刻t，流经电阻的电流与电压之间的关系
V = IR(4)
由上述公式，可推出任一时刻t，流经电阻的电压与气溶胶粒子浓度之间的基本关系式
是
C= (4 π r3d η V) / (3vARq)(5)
由此公式可以定性看出，测出的流经电阻的电压V越高，离子浓度C就越大，这就是气 溶胶粒子浓度检测依据的基本原理。但为定量计算，还应知道粒子的荷电量。粒子荷电的 机理有两种，分别是电场荷电和扩散荷电。根据相关理论公式，对不同的粒子直径，可以 计算出两种荷电机理的荷电量，如下表所示。荷电时间(S)荷电时间(S)
0. 01 0.11.00.001 0. 01 0.1 1. O
粒子半径(ym) 电场荷电获得的电量(λ)扩散荷电获得的电量(Xe)
1.0117 3253974070.12 0.16
0. 20 0. 24
10.011700 32500 39700 407001.01.4
1.8 2.2100. 01170000 3250000 3970000 4070000 5.412
16 100
上面的计算结果表明如下事实
(1)气溶胶粒子主要靠电场荷电。扩散荷电比例很�。梢院雎浴�(2)如果电晕管长度 较短，即使气流速度较慢，粒子荷电时间也很短，所荷电量较小。以5m/s的气流速度计算， 油烟粒子在长度为IlOmm的电晕管中的荷电时间仅有0. 022s。(3)粒子尺寸越大，荷电量也 大，且与粒子的半径或直径的平方成正比。也就是说，荷电量与粒子的表面积成正比。(4) 如果粒子尺寸较集中，比如通过控制油烟气流的温度，将油烟粒子的直径控制在一定范围 (如5-10 μ m)，就可以假定每个粒子的荷电量近似相等，最终得到集电极电路上的电信号与 油烟粒子浓度成正比的关系。但如果气溶胶粒子的直径分布较分散，则需要先得知不同尺 寸粒子的分布比例，然后根据粒子直径与荷电量的关系，计算出气流中不同尺寸粒子的质 量，最终得到总的粒子浓度。本发明测量计算不同尺寸气溶胶粒子数量或质量分布的原理如下
在电晕区中，带负电荷的气溶胶粒子受两种力的作用，一是电场力，它使粒子向带正电 的电晕管壁方向运动，二是气流中气体分子的推力，它使粒子随气流向前运动。如果管壁的 表面与气流方向平行，则这两种力的作用方向就相互垂直。所以，当电场力较大而气流速度 较小时，一定质量的带负电的气溶胶粒子就可能被管壁吸引而不再随气流向前运动(单区 静电除尘器就是采用这一原理工作的)。反之，如气体推力占优势，则带负电的粒子来不及 被管壁吸引就被排除，只能在管外的电荷收集网上放电，已授权发明专利ZL2006102003813 中，直径分布较集中的粒子浓度的检测，就是采用这种原理，使绝大部分气溶胶粒子都能在 电荷收集网上放电。所以，当气流速度和电晕场(或电晕管)长度一定时，只需控制电晕场的电压大小， 就能控制吸引到管壁上的粒子的质量。电压较小时，电场力较�。挥行≈柿康拇缌Ｗ硬� 能被管壁吸引。这时在电荷收集网上放电的就只有比这种质量大的粒子。由此得到的就是 这种较大粒子的浓度。随电压的增大，电场力也增大，中等质量的粒子也能被管壁吸附。根 据电荷收集网上的放电电荷就能得到更大质量粒子的浓度。依此类推，当电压足够小时，所 有的带电粒子都能在电荷收集网上放电。反之，当电压足够大时，所有的带电粒子都能被管 壁吸附，这时电荷收集网上就无粒子放电。根据电压的调整和电荷收集网上放电量的相应 变化，就能将粒子按质量归类。如果假定粒子都近似球形，就可以方便地算出气流中不同直 径的气溶胶粒子的浓度分布情况。具体的计算方法如下
如图一所示，在电晕场中，作为阴极的电晕极通常为直径较小的金属丝1。接正高压 的阳极通常为金属板或金属管。电荷收集网2位于电晕场气流出口附近，并垂直于气流方 向。带负电荷的气溶胶粒子在电晕场中受到气体分子的推力F和电场力q的联合作用，其 运动轨迹接近一抛物线。假定电晕场内气流速度与场外速度一致(即完全达到等速采样的 条件)，F通常为零，气溶胶粒子在进入电晕场之前，具有与电晕极方向平行的速度Vtl (等于 场外的气流速度)，则进入电晕场带上负电荷的粒子，在电场力作用下的动力学方程是
q = ma(6)
其中m是粒子质量，a是垂直于电晕极并朝向管壁的加速度。粒子的运动学方程是
权利要求
1.一种气溶胶粒子浓度和尺寸分布的快速检测方法，其特征在于检测步骤如下 步骤一，形成一个含气溶胶粒子的气流；步骤二，让上述气流通过至少一个管形电晕区，使气流中至少有部分待测气溶胶粒子 在电晕区带上负电荷；步骤三，在现场实际测量前，先预先测得电晕区的长度L，管径H和气流速度Vtl，查出或 测出粒子的密度d，用具有确定直径D的气溶胶粒子气流进行标定实验，确定该直径粒子在 电晕场中的运动时间内，能够从进口附近某处，刚好到达出口管壁处所需的电晕场电压P， 然后改变气流速度，重新测出在该气流速度Vtl下的对应该直径粒子所需的电晕场电压P，再 改变粒子直径D重新进行测量，得到气流速度，粒子直径和电晕场电压三者的经验公式 当气流速度为一定值V。，电晕场电压增大到1\时，L= 2 2N_2k D2(2 2N_2-2 1^Hn 式中N是粒子按直径划分的档次数； Y1, t，Y3,….. 为粒子在电荷收集网上放电的电量 H11H2,……nN为由小到大各尺寸档的粒子数； D为粒子直径；让是&与第N档次粒子浓度之间的比例系数； 将上述公式存入计算机，作为以后实测时候选用的参数；步骤四，进行实际测量，先测量气流速度，在气流速度较平稳的情况下，按此流速根据 上述实验参数选定一组电晕场电压Pk到IV从最低电压P1开始，测量出Y1,然后增加电压 到P2,测出Y2,逐次增加，直到电压Pn，得到Yn ；同时根据步骤三中的公式，求解Y1到Yn的N 个方程后得到H1, n2，……nN之间的比例关系，即各尺寸档粒子的数量比；步骤五，用本发明的方法与国家标准规定的非现场检测方法同时检测同一种气溶胶粒 子的浓度值，经本发明的方法测出Yn，并由国家标准规定的非现场检测方法得到第N档次 粒子浓度值；经比较找到\与第N档次粒子浓度值之间的对应关系，即比例系数k的值； 步骤六，最后根据公式&= 2 2N_2k D2 (2 2N_2-2 1Irv已知A、k、D，求出各尺寸档的粒 子数η ；步骤七，已知不同种类粒子的密度或比重d，将各尺寸档的粒子数η分别乘上各档粒子 的单个质量再求和，得到气流中总的粒子浓度值。
2.根据权利要求1所述的气溶胶粒子浓度和尺寸分布的快速检测方法，其特征在于 所述步骤一，气溶胶粒子包括烹饪油烟雾，矿物油烟雾，工业生产产生的烟尘和烟雾，大气 中的沙尘，飘尘及可吸入颗粒物。
3.根据权利要求1所述的气溶胶粒子浓度和尺寸分布的快速检测方法，其特征在于 所述步骤一，形成一个含气溶胶粒子的气流的方法包括对于静态或基本不流动的空气，采 用抽气泵抽取含气溶胶粒子的空气，形成所需气流，对于原本有一定流速的管道内或管道 外气流，不用气泵，直接让原气流进入电晕�。迪志缘牡人俨裳杂诠艿滥谄魉俣� 过小的情况，仍需采用抽气泵抽�。纬纱锏揭欢魉俚钠�。
4.根据权利要求1所述的气溶胶粒子浓度和尺寸分布的快速检测方法，其特征在于 所述步骤二中的管形电晕区由管状探头形成，管状探头的外壳内有一个接正高压的金属管 (2)作为阳极和一个接负高压的金属丝(1)作为阴极，在两电极之间形成至少一个电晕�。� 电晕场气流出口附近有一个垂直于气流方向设置的电荷收集网(3 )。
5.根据权利要求1所述的气溶胶粒子浓度和尺寸分布的快速检测方法，其特征在于 所述步骤三，确定在气流速度Vtl下对应该直径粒子所需的电晕场电压P的具体方法如下方法一，通过实验直接测得所需的电晕场电压，先采用较小的电晕场电压，使电晕管壁 上不吸附任何粒子，然后慢慢逐渐增大电压，直到观察到电晕场出口处的管壁上开始出现 被吸附气溶胶粒子为止，这时的电压就是相对于粒子直径D的P1 ；依次类推，找到P2，P3直到IV然后改变气流速度，重新测出在该流速下的各电压值；方法二，通过计算得到所需的电晕场电压，根据公式q = S3IdD3Vtl2 / (3L2 )，计算得 到所需电场力q，再根据电场力q和电晕场电压P的关系式得出电晕场电压P。
6.根据权利要求1所述的气溶胶粒子浓度和尺寸分布的快速检测方法，其特征在于 所述步骤三，粒子的档次划分方法为，即最小的粒子，直径为D1=D,第二档的直径为&=2D， 第三档位1)3=40，依次类推，第N档的粒子直径为0,=2 D。
7.根据权利要求1所述的气溶胶粒子浓度和尺寸分布的快速检测方法，其特征在于 所述步骤五，国家标准规定的非现场检测方法为重量差法或β射线吸收法。
8.一种气溶胶粒子浓度和尺寸分布的快速检测装置，包括外壳、阳极、阴极、电源和变 压器，其特征在于所述阳极为连接电源正高压的金属管(2)，阴极为连接电源负高压的金 属丝(1)，金属丝(1)轴向设置于金属管(2)中心处，金属管(2)的气流入口处安装有送风 机，金属管(2)的气流出口处安装有抽风机，气流出口处有一个垂直于气流方向设置的电荷 收集网(3)。
9.据权利要求8所述的气溶胶粒子浓度和尺寸分布的快速检测装置，其特征在于所 述送风机为风扇或鼓风机。
全文摘要
一种气溶胶粒子浓度和尺寸分布的快速检测方法及其装置，形成一个含气溶胶粒子的气流；让上述气流通过至少一个电晕区，使气流中至少有部分待测气溶胶粒子在电晕区带上负电荷；在现场实际测量前，先预先测得电晕区的长度L，管径H和气流速度v0，查出或测出粒子的密度d，用具有确定直径D的气溶胶粒子气流进行标定实验，再进行实际测量，最后根据公式YN=22N-2kD2(22N-2-21-N)nN，已知YN、 k、D，求出各尺寸档的粒子数n；将各尺寸档的粒子数n分别乘上各档粒子的单个质量再求和，得到气流中总的粒子浓度值。通过本发明的方法可以方便、灵敏和快速地检测出空气或管道气流中气溶胶粒子的尺寸分布比例和浓度。
文档编号G01N15/02GK102147350SQ20111006436
公开日2011年8月10日 申请日期2011年3月17日 优先权日2011年3月17日
发明者何宗彦 申请人:何宗彦
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
