大气颗粒物双极性荷电装置制造方法
【专利摘要】一种用于实现颗粒物双极性荷电装置，利用交频高压场致电离方式产生双极性自由离子区，实现从纳米级至微米级宽粒径范围的颗粒物高效荷电，包括前级粒子切割器、颗粒物荷电腔、高压电离腔、交频高压电源；本发明结构紧凑，维护方便，可实现纳米级至微米级宽粒径范围内的大气颗粒物的有效荷电；可用于基于电迁移特性监测仪器的颗粒物前期荷电并使其达到波尔兹曼电荷平衡分布。
【专利说明】大气颗粒物双极性荷电装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种能够实现大气颗粒物宽粒径范围内双极性高效荷电的方法及装置，属于大气气溶胶监测【技术领域】。
【背景技术】
[0002]近年来，大气污染日益严重，灰霾事件频发，且臭氧和大气细颗粒物浓度不断升高为其主要特征。由于浓度最高的纳米级细颗粒物在质量浓度中所占比例几乎可以忽略，因此仅仅对颗粒物质量浓度进行监测已经不能满足空气质量预报、污染控制及科学研究的实际需求，加强颗粒物粒径和浓度测量具有重要现实意义。长期以来，光学方法因其原位、在线、快速、无接触的测量优势常用于人类生产生活直接排放到大气中的一次颗粒物粒径及浓度测量，而对于由大气中污染气体通过光化学反应转化而来的、粒径更小、浓度更高、对生态系统影响更大的二次颗粒物，通常需要借助电学与光学相结合的方法进行粒径分级和测量。自然环境下的细颗粒物荷电状态通常是未知的，需要借助外加辅助方法实现颗粒物的重新荷电并达到已知的荷电状态(波尔兹曼电荷平衡分布)，此类装置常被称为电荷中和源。
[0003]长期以来，放射性物质作为一种稳定的电离源被应用于实现颗粒物的稳定高效荷电。出于安全性的考虑，此类电荷中和源在国内使用受到严格的管理和控制。专利200910117124.7提出了一种单极性气溶胶静电中和器，利用高压电离产生单极性荷电区，由于单极性离子浓度较高，因此该类中和源主要面向实验室研究，用于纳米级超细颗粒物的荷电及测量。对于近微米级的大颗粒物，往往因为荷电量过高而导致电极吸附损失。200710059569.5中设计了一种双极性气溶胶静电中和器，该中和器包括静电中和箱体、高压电源输出装置、两个高压电极，在静电中和箱体上设置有进气口、出气口和混合空气口，进气口、出气口的位置相对，两个高压电极为集束针状电极，分别固定在箱体两侧，箱体内部固定有柱状接地板，所述高压电源输出装置的输出接到两个高压电极。高压电源输出装置用于输出O?±10KV的可调节电压。该电荷中和源需要洁净气流作为电荷载气，这很难满足多种外场观测条件下的颗粒物荷电需求。同时，由于正负电极相对，需要较大的载气流速才能有效降低自由电荷的吸附损失。由于未设置任何粒径切割装置，环境空气中大粒径颗粒物的进入将获取大量的自由电荷从而降低小颗粒物的荷电效率。本发明旨在获取一种能够实现复杂条件下大气颗粒物纳米级至微米级宽粒径范围内的高效荷电方法和装置。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是:克服现有技术的不足，提供一种大气颗粒物稳定高效的荷电方法和装置，使其能够用于基于颗粒物电迁移特性的粒径谱快速分级测量；且结构简单，后期维护方便，能够实现复杂条件下大气颗粒物纳米级至微米级宽粒径范围内颗粒物的高效荷电。
[0005]为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为:大气颗粒物双极性荷电装置，利用撞击式粒子切割方法，实现环境大气颗粒物的粒径初级切割，去除大颗粒物对自由电荷的过量吸附及对荷电腔体的污染；利用强交变电场实现场致电离获取足量双极性自由电荷，实现从纳米级至微米级颗粒物的高效荷电。
[0006]本发明的大气颗粒物双极性荷电装置包括:撞击式粒子切割器1、颗粒物荷电腔
2、高压电离腔3和交频高压电源4 ;所述的撞击式粒子切割器I外部均为圆柱体结构，内部为圆柱形中空结构，由样气进气管5、切割器盖6、切割器壁7、惯性撞击台8组成；所述的切割器盖6与样气进气管5为一体化设计，样气进气管5端部有挡沿，且通过螺纹与切割器壁7连接，连接处有O形密封圈；惯性撞击台8与切割器壁7为一体化设计，且惯性撞击台8与切割器盖6、样气进气管5共轴安装；所述颗粒物荷电腔2外部为长方体结构，内部空间为圆柱形中空结构，由荷电腔壁9、样气出气口 10组成；荷电腔壁9前部与惯性撞击台8内部贯通连接，后部与样气出气口 10贯通连接；高压电离腔3外部为圆柱形结构，内部为圆柱形中空结构，由高压放电电极11、高压电极固定基座12和荷电腔壁13组成；高压放电电极11固定在高压电极固定基座12上，且与交频高压电源4相连接；所述高压放电电极11、固定基座12、荷电腔壁13密闭同轴安装，固定基座12与荷电腔壁13后期可拆分。
[0007]所述样气进气管5外端为圆柱形，用于连接外界采样管；另一端为小孔加速喷口设计，用以实现样气中颗粒物的瞬间加速。
[0008]所述的惯性撞击台8上部为经过粗糙化处理的金属薄层，下层为中空圆柱形结构，且圆柱面上开有矩形狭缝，实现惯性切割器腔体与撞击台内部空间的联通。
[0009]所述高压放电电极11为钨针，连接固定基座12—端为圆柱形结构，另一端为针形结构，且针尖位置与荷电腔壁9内表面相切。
[0010]所述的固定基座12为绝缘聚四氣乙稀材质，内部为中空圆柱形结构，用以安装闻压放电电极11。
[0011]所述的撞击式粒子切割器I内样气进气管5、切割器盖6、切割器壁7、惯性撞击台8均采用铝质；所述的颗粒物荷电腔2内荷电腔壁9、样气出气口 10均采用铝质；所述的高压电离腔3电离腔壁13为铝质。
[0012]所述的交频高压电源4提供O?±5KV交变高压。
[0013]所述撞击式粒子切割器1、颗粒物荷电腔2、高压电离腔3外壁均良好接地。
[0014]本发明的主要原理是:利用颗粒物惯性切割原理，在实现气流流速精确控制的前提下，通过合理化设计样气进气口直径及其到撞击台面的距离，实现颗粒物的粒径分离(粒径在I μ m以上的颗粒物被截留在惯性撞击室内)。利用交频高压电场将电离腔腔体内钨针电极周围空气电离，同时在交变电场的作用下，部分自由离子被输运至粒子荷电腔轴心区域内，待测气溶胶气样进入荷电区以后，瞬间与高浓度的单极性粒子完成荷电过程。由于钨针电极位于高压电离腔内，顾其对颗粒物的吸附损失较小。
[0015]本发明与现有技术相比具有以下优点:
[0016]( I)基本原理为双极性场致电离放电，彻底解决大气细颗粒物监测领域放射性荷电中和源的使用弊端。
[0017](2)高性能撞击式粒子过滤器，在实现颗粒物粒径精确分级的前提下，大大降低了气溶胶大粒径粒子对荷电系统的污染问题及自由电子的吸附；
[0018](3)电离腔与颗粒物荷电腔采用分离式设计，自由电荷在交变电场的作用下逐步输运至颗粒物荷电区，大大降低荷电腔体内部的高压静电吸附损失，进一步提高大气细颗粒物的荷电效率。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1为本发明系统结构示意图。
【具体实施方式】
[0020]如图1所示，本发明系统的一个实施例包括:撞击式粒子切割器1、颗粒物荷电腔
2、高压电离腔3和交频高压电源4。撞击式粒子切割器I外部均为圆柱体结构，内部为圆柱形中空结构，由样气进气管5、切割器盖6、切割器壁7、惯性撞击台8组成。样气进气管5外端为圆柱形，用于连接外界采样管；另一端为小孔加速喷口设计，在抽吸负压作用下实现样气中颗粒物的瞬间加速。切割器盖6与样气进气管5为一体化设计，端部有挡沿，且通过螺纹与切割器壁7连接，连接处有O形密封圈。惯性撞击台8上部为经过粗糙化处理的金属薄层，下层为中空圆柱形结构，且圆柱面上开有矩形狭缝，可以实现惯性切割器腔体与撞击台内部空间的联通。惯性撞击台8与切割器壁7为一体化设计，且与切割器盖6、样气进气管5共轴安装。样气进气管5、切割器盖6、切割器壁7、惯性撞击台8均采用铝质。
[0021]颗粒物荷电腔2外部为长方体结构，荷电腔壁2前后两端开有通孔，内部空间为圆柱形中空结构，由荷电腔壁9、样气出气口 10组成。颗粒物荷电腔内外空间、通孔共轴。荷电腔壁2侧壁与高压电离腔贯通连接。荷电腔壁9、样气出气口 10均采用铝质。
[0022]高压电离腔3外部为圆柱形结构，内部为圆柱形中空结构，由高压电极11、高压电极固定基座12、荷电腔壁13组成；高压放电电极11为钨针，连接固定基座12—端为圆柱形结构，另一端为针形结构，且针尖位置与荷电腔壁9内表面相切；固定基座12为绝缘材质，内部为中空圆柱形结构，用高压放电电极11密闭连接。高压放电电极11、固定基座12、荷电腔壁13密闭同轴安装，固定基座12与荷电腔壁13后期可拆分，方便高压放电电极的日常清洁。高压电离腔3顶部与颗粒物荷电腔2侧壁贯穿连接。的高压电离腔3电离腔壁13为招质。
[0023]交频高压电源4通过高压绝缘导线与高压放电电极11相连接，可提供O?±5KV交变高压。
[0024]本发明装置的工作过程为:在抽气气泵负吸力的作用下，采样气流经样气进气管5并经喷口加速后进入撞击式粒子切割器1，粒径较大的颗粒物由于离心力的作用撞击并被截留在惯性撞击台8上，而粒径较小的颗粒物随气流通过惯性撞击台8侧壁上的狭缝进入撞击台8内部，进而进入颗粒物荷电腔2内。
[0025]高压放电电极11在交频高压电源4提供的交频高压下，在高压放电电极11周围产生高强度周期性震荡电场，将空气不断电离并产生双极性电荷。双极性自由电荷在电场的作用下，逐步向远离放电针的区域运动，并最终达到颗粒物荷电腔2轴线位置。由于该轴线位置离高压放电电极11较远，可以有效降低电离过程中对颗粒物的静电吸附损失。荷电后的颗粒物在气流的作用下继续沿荷电腔2轴线运动，并由后端的样气出口离开颗粒物荷电腔2。
[0026]本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知常识。[0027]以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本【技术领域】的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
【权利要求】
1.大气颗粒物双极性荷电装置，其特征在于包括:撞击式粒子切割器(I)、颗粒物荷电腔(2)、高压电离腔(3)和交频高压电源(4);所述的撞击式粒子切割器(I)外部均为圆柱体结构，内部为圆柱形中空结构，由样气进气管(5)、切割器盖(6)、切割器壁(7)、惯性撞击台(8)组成；所述的切割器盖(6)与样气进气管(5)为一体化设计，样气进气管(5)端部有挡沿，且通过螺纹与切割器壁(7)连接，连接处有O形密封圈；惯性撞击台(8)与切割器壁(7)为一体化设计，且惯性撞击台(8)与切割器盖(6)、样气进气管(5)共轴安装；所述颗粒物荷电腔(2)外部为长方体结构，内部空间为圆柱形中空结构，由荷电腔壁(9)、样气出气口(10)组成；荷电腔壁(9)前部与惯性撞击台(8)内部贯通连接，后部与样气出气口( 10)贯通连接；高压电离腔(3)外部为圆柱形结构，内部为圆柱形中空结构，由高压放电电极(11)、高压电极固定基座(12)和荷电腔壁(13)组成；高压放电电极(11)固定在高压电极固定基座(12)上，且与交频高压电源(4)相连接；所述高压放电电极(11)、固定基座(12)、荷电腔壁(13)密闭同轴安装，固定基座(12)与荷电腔壁(13)后期可拆分。
2.根据权利要求1所述的大气颗粒物双极性荷电装置，其特征在于:所述样气进气管(5)外端为圆柱形，用于连接外界采样管；另一端为小孔加速喷口设计，用以实现样气中颗粒物的瞬间加速。
3.根据权利要求1所述的大气颗粒物双极性荷电装置，其特征在于:所述的惯性撞击台(8)上部为经过粗糙化处理的金属薄层，下层为中空圆柱形结构，且圆柱面上开有矩形狭缝，实现惯性切割器腔体与撞击台内部空间的联通。
4.根据权利要求1所述的大气颗粒物双极性荷电装置，其特征在于:所述高压放电电极(11)为钨针，连接固定基座(12)—端为圆柱形结构，另一端为针形结构，且针尖位置与荷电腔壁(9)内表面相切。
5.根据权利要求1所述的大气颗粒物双极性荷电装置，其特征在于:所述的固定基座(12)为绝缘聚四氟乙烯材质，内部为中空圆柱形结构，用以安装高压放电电极(11)。
6.根据权利要求1所述的大气颗粒物双极性荷电装置，其特征在于:所述的撞击式粒子切割器(I)内样气进气管(5)、切割器盖(6)、切割器壁(7)、惯性撞击台(8)均采用铝质；所述的颗粒物荷电腔(2)内荷电腔壁(9)、样气出气口(10)均采用铝制；所述的高压电离腔(3)电离腔壁(13)为铝制。
7.根据权利要求1所述的大气颗粒物双极性荷电装置，其特征在于:所述的交频高压电源(4)提供O?±5KV交变高压。
8.根据权利要求1所述的大气颗粒物双极性荷电装置，其特征在于:所述撞击式粒子切割器(I)、颗粒物荷电腔(2)、高压电离腔(3)外壁均良好接地。
【文档编号】B03C3/04GK103623925SQ201310573629
【公开日】2014年3月12日 申请日期:2013年11月14日 优先权日:2013年11月14日
【发明者】王杰, 张礁石, 余同柱, 桂华侨, 程寅, 王焕钦, 刘建国, 陆亦怀, 范煜, 罗喜胜 申请人:中国科学院合肥物质科学研究院