大氣顆粒物雙極性荷電裝置制造方法
【專利摘要】一種用于實現(xiàn)顆粒物雙極性荷電裝置，利用交頻高壓場致電離方式產(chǎn)生雙極性自由離子區(qū)，實現(xiàn)從納米級至微米級寬粒徑范圍的顆粒物高效荷電，包括前級粒子切割器、顆粒物荷電腔、高壓電離腔、交頻高壓電源；本發(fā)明結構緊湊，維護方便，可實現(xiàn)納米級至微米級寬粒徑范圍內(nèi)的大氣顆粒物的有效荷電；可用于基于電遷移特性監(jiān)測儀器的顆粒物前期荷電并使其達到波爾茲曼電荷平衡分布。
【專利說明】大氣顆粒物雙極性荷電裝置
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種能夠?qū)崿F(xiàn)大氣顆粒物寬粒徑范圍內(nèi)雙極性高效荷電的方法及裝置，屬于大氣氣溶膠監(jiān)測【技術領域】。
【背景技術】
[0002]近年來，大氣污染日益嚴重，灰霾事件頻發(fā)，且臭氧和大氣細顆粒物濃度不斷升高為其主要特征。由于濃度最高的納米級細顆粒物在質(zhì)量濃度中所占比例幾乎可以忽略，因此僅僅對顆粒物質(zhì)量濃度進行監(jiān)測已經(jīng)不能滿足空氣質(zhì)量預報、污染控制及科學研究的實際需求，加強顆粒物粒徑和濃度測量具有重要現(xiàn)實意義。長期以來，光學方法因其原位、在線、快速、無接觸的測量優(yōu)勢常用于人類生產(chǎn)生活直接排放到大氣中的一次顆粒物粒徑及濃度測量，而對于由大氣中污染氣體通過光化學反應轉(zhuǎn)化而來的、粒徑更小、濃度更高、對生態(tài)系統(tǒng)影響更大的二次顆粒物，通常需要借助電學與光學相結合的方法進行粒徑分級和測量。自然環(huán)境下的細顆粒物荷電狀態(tài)通常是未知的，需要借助外加輔助方法實現(xiàn)顆粒物的重新荷電并達到已知的荷電狀態(tài)(波爾茲曼電荷平衡分布)，此類裝置常被稱為電荷中和源。
[0003]長期以來，放射性物質(zhì)作為一種穩(wěn)定的電離源被應用于實現(xiàn)顆粒物的穩(wěn)定高效荷電。出于安全性的考慮，此類電荷中和源在國內(nèi)使用受到嚴格的管理和控制。專利200910117124.7提出了一種單極性氣溶膠靜電中和器，利用高壓電離產(chǎn)生單極性荷電區(qū)，由于單極性離子濃度較高，因此該類中和源主要面向?qū)嶒炇已芯浚糜诩{米級超細顆粒物的荷電及測量。對于近微米級的大顆粒物，往往因為荷電量過高而導致電極吸附損失。200710059569.5中設計了一種雙極性氣溶膠靜電中和器，該中和器包括靜電中和箱體、高壓電源輸出裝置、兩個高壓電極，在靜電中和箱體上設置有進氣口、出氣口和混合空氣口，進氣口、出氣口的位置相對，兩個高壓電極為集束針狀電極，分別固定在箱體兩側，箱體內(nèi)部固定有柱狀接地板，所述高壓電源輸出裝置的輸出接到兩個高壓電極。高壓電源輸出裝置用于輸出O?±10KV的可調(diào)節(jié)電壓。該電荷中和源需要潔凈氣流作為電荷載氣，這很難滿足多種外場觀測條件下的顆粒物荷電需求。同時，由于正負電極相對，需要較大的載氣流速才能有效降低自由電荷的吸附損失。由于未設置任何粒徑切割裝置，環(huán)境空氣中大粒徑顆粒物的進入將獲取大量的自由電荷從而降低小顆粒物的荷電效率。本發(fā)明旨在獲取一種能夠?qū)崿F(xiàn)復雜條件下大氣顆粒物納米級至微米級寬粒徑范圍內(nèi)的高效荷電方法和裝置。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是:克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種大氣顆粒物穩(wěn)定高效的荷電方法和裝置，使其能夠用于基于顆粒物電遷移特性的粒徑譜快速分級測量；且結構簡單，后期維護方便，能夠?qū)崿F(xiàn)復雜條件下大氣顆粒物納米級至微米級寬粒徑范圍內(nèi)顆粒物的高效荷電。
[0005]為了達到上述目的，本發(fā)明所采用的技術方案為:大氣顆粒物雙極性荷電裝置，利用撞擊式粒子切割方法，實現(xiàn)環(huán)境大氣顆粒物的粒徑初級切割，去除大顆粒物對自由電荷的過量吸附及對荷電腔體的污染；利用強交變電場實現(xiàn)場致電離獲取足量雙極性自由電荷，實現(xiàn)從納米級至微米級顆粒物的高效荷電。
[0006]本發(fā)明的大氣顆粒物雙極性荷電裝置包括:撞擊式粒子切割器1、顆粒物荷電腔
2、高壓電離腔3和交頻高壓電源4 ;所述的撞擊式粒子切割器I外部均為圓柱體結構，內(nèi)部為圓柱形中空結構，由樣氣進氣管5、切割器蓋6、切割器壁7、慣性撞擊臺8組成；所述的切割器蓋6與樣氣進氣管5為一體化設計，樣氣進氣管5端部有擋沿，且通過螺紋與切割器壁7連接，連接處有O形密封圈；慣性撞擊臺8與切割器壁7為一體化設計，且慣性撞擊臺8與切割器蓋6、樣氣進氣管5共軸安裝；所述顆粒物荷電腔2外部為長方體結構，內(nèi)部空間為圓柱形中空結構，由荷電腔壁9、樣氣出氣口 10組成；荷電腔壁9前部與慣性撞擊臺8內(nèi)部貫通連接，后部與樣氣出氣口 10貫通連接；高壓電離腔3外部為圓柱形結構，內(nèi)部為圓柱形中空結構，由高壓放電電極11、高壓電極固定基座12和荷電腔壁13組成；高壓放電電極11固定在高壓電極固定基座12上，且與交頻高壓電源4相連接；所述高壓放電電極11、固定基座12、荷電腔壁13密閉同軸安裝，固定基座12與荷電腔壁13后期可拆分。
[0007]所述樣氣進氣管5外端為圓柱形，用于連接外界采樣管；另一端為小孔加速噴口設計，用以實現(xiàn)樣氣中顆粒物的瞬間加速。
[0008]所述的慣性撞擊臺8上部為經(jīng)過粗糙化處理的金屬薄層，下層為中空圓柱形結構，且圓柱面上開有矩形狹縫，實現(xiàn)慣性切割器腔體與撞擊臺內(nèi)部空間的聯(lián)通。
[0009]所述高壓放電電極11為鎢針，連接固定基座12—端為圓柱形結構，另一端為針形結構，且針尖位置與荷電腔壁9內(nèi)表面相切。
[0010]所述的固定基座12為絕緣聚四氣乙稀材質(zhì)，內(nèi)部為中空圓柱形結構，用以安裝聞壓放電電極11。
[0011]所述的撞擊式粒子切割器I內(nèi)樣氣進氣管5、切割器蓋6、切割器壁7、慣性撞擊臺8均采用鋁質(zhì)；所述的顆粒物荷電腔2內(nèi)荷電腔壁9、樣氣出氣口 10均采用鋁質(zhì)；所述的高壓電離腔3電離腔壁13為鋁質(zhì)。
[0012]所述的交頻高壓電源4提供O?±5KV交變高壓。
[0013]所述撞擊式粒子切割器1、顆粒物荷電腔2、高壓電離腔3外壁均良好接地。
[0014]本發(fā)明的主要原理是:利用顆粒物慣性切割原理，在實現(xiàn)氣流流速精確控制的前提下，通過合理化設計樣氣進氣口直徑及其到撞擊臺面的距離，實現(xiàn)顆粒物的粒徑分離(粒徑在I μ m以上的顆粒物被截留在慣性撞擊室內(nèi))。利用交頻高壓電場將電離腔腔體內(nèi)鎢針電極周圍空氣電離，同時在交變電場的作用下，部分自由離子被輸運至粒子荷電腔軸心區(qū)域內(nèi)，待測氣溶膠氣樣進入荷電區(qū)以后，瞬間與高濃度的單極性粒子完成荷電過程。由于鎢針電極位于高壓電離腔內(nèi)，顧其對顆粒物的吸附損失較小。
[0015]本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比具有以下優(yōu)點:
[0016]( I)基本原理為雙極性場致電離放電，徹底解決大氣細顆粒物監(jiān)測領域放射性荷電中和源的使用弊端。
[0017](2)高性能撞擊式粒子過濾器，在實現(xiàn)顆粒物粒徑精確分級的前提下，大大降低了氣溶膠大粒徑粒子對荷電系統(tǒng)的污染問題及自由電子的吸附；
[0018](3)電離腔與顆粒物荷電腔采用分離式設計，自由電荷在交變電場的作用下逐步輸運至顆粒物荷電區(qū)，大大降低荷電腔體內(nèi)部的高壓靜電吸附損失，進一步提高大氣細顆粒物的荷電效率。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1為本發(fā)明系統(tǒng)結構示意圖。
【具體實施方式】
[0020]如圖1所示，本發(fā)明系統(tǒng)的一個實施例包括:撞擊式粒子切割器1、顆粒物荷電腔
2、高壓電離腔3和交頻高壓電源4。撞擊式粒子切割器I外部均為圓柱體結構，內(nèi)部為圓柱形中空結構，由樣氣進氣管5、切割器蓋6、切割器壁7、慣性撞擊臺8組成。樣氣進氣管5外端為圓柱形，用于連接外界采樣管；另一端為小孔加速噴口設計，在抽吸負壓作用下實現(xiàn)樣氣中顆粒物的瞬間加速。切割器蓋6與樣氣進氣管5為一體化設計，端部有擋沿，且通過螺紋與切割器壁7連接，連接處有O形密封圈。慣性撞擊臺8上部為經(jīng)過粗糙化處理的金屬薄層，下層為中空圓柱形結構，且圓柱面上開有矩形狹縫，可以實現(xiàn)慣性切割器腔體與撞擊臺內(nèi)部空間的聯(lián)通。慣性撞擊臺8與切割器壁7為一體化設計，且與切割器蓋6、樣氣進氣管5共軸安裝。樣氣進氣管5、切割器蓋6、切割器壁7、慣性撞擊臺8均采用鋁質(zhì)。
[0021]顆粒物荷電腔2外部為長方體結構，荷電腔壁2前后兩端開有通孔，內(nèi)部空間為圓柱形中空結構，由荷電腔壁9、樣氣出氣口 10組成。顆粒物荷電腔內(nèi)外空間、通孔共軸。荷電腔壁2側壁與高壓電離腔貫通連接。荷電腔壁9、樣氣出氣口 10均采用鋁質(zhì)。
[0022]高壓電離腔3外部為圓柱形結構，內(nèi)部為圓柱形中空結構，由高壓電極11、高壓電極固定基座12、荷電腔壁13組成；高壓放電電極11為鎢針，連接固定基座12—端為圓柱形結構，另一端為針形結構，且針尖位置與荷電腔壁9內(nèi)表面相切；固定基座12為絕緣材質(zhì)，內(nèi)部為中空圓柱形結構，用高壓放電電極11密閉連接。高壓放電電極11、固定基座12、荷電腔壁13密閉同軸安裝，固定基座12與荷電腔壁13后期可拆分，方便高壓放電電極的日常清潔。高壓電離腔3頂部與顆粒物荷電腔2側壁貫穿連接。的高壓電離腔3電離腔壁13為招質(zhì)。
[0023]交頻高壓電源4通過高壓絕緣導線與高壓放電電極11相連接，可提供O?±5KV交變高壓。
[0024]本發(fā)明裝置的工作過程為:在抽氣氣泵負吸力的作用下，采樣氣流經(jīng)樣氣進氣管5并經(jīng)噴口加速后進入撞擊式粒子切割器1，粒徑較大的顆粒物由于離心力的作用撞擊并被截留在慣性撞擊臺8上，而粒徑較小的顆粒物隨氣流通過慣性撞擊臺8側壁上的狹縫進入撞擊臺8內(nèi)部，進而進入顆粒物荷電腔2內(nèi)。
[0025]高壓放電電極11在交頻高壓電源4提供的交頻高壓下，在高壓放電電極11周圍產(chǎn)生高強度周期性震蕩電場，將空氣不斷電離并產(chǎn)生雙極性電荷。雙極性自由電荷在電場的作用下，逐步向遠離放電針的區(qū)域運動，并最終達到顆粒物荷電腔2軸線位置。由于該軸線位置離高壓放電電極11較遠，可以有效降低電離過程中對顆粒物的靜電吸附損失。荷電后的顆粒物在氣流的作用下繼續(xù)沿荷電腔2軸線運動，并由后端的樣氣出口離開顆粒物荷電腔2。
[0026]本發(fā)明未詳細闡述部分屬于本領域技術人員的公知常識。[0027]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出，對于本【技術領域】的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發(fā)明的保護范圍。
【權利要求】
1.大氣顆粒物雙極性荷電裝置，其特征在于包括:撞擊式粒子切割器(I)、顆粒物荷電腔(2)、高壓電離腔(3)和交頻高壓電源(4);所述的撞擊式粒子切割器(I)外部均為圓柱體結構，內(nèi)部為圓柱形中空結構，由樣氣進氣管(5)、切割器蓋(6)、切割器壁(7)、慣性撞擊臺(8)組成；所述的切割器蓋(6)與樣氣進氣管(5)為一體化設計，樣氣進氣管(5)端部有擋沿，且通過螺紋與切割器壁(7)連接，連接處有O形密封圈；慣性撞擊臺(8)與切割器壁(7)為一體化設計，且慣性撞擊臺(8)與切割器蓋(6)、樣氣進氣管(5)共軸安裝；所述顆粒物荷電腔(2)外部為長方體結構，內(nèi)部空間為圓柱形中空結構，由荷電腔壁(9)、樣氣出氣口(10)組成；荷電腔壁(9)前部與慣性撞擊臺(8)內(nèi)部貫通連接，后部與樣氣出氣口( 10)貫通連接；高壓電離腔(3)外部為圓柱形結構，內(nèi)部為圓柱形中空結構，由高壓放電電極(11)、高壓電極固定基座(12)和荷電腔壁(13)組成；高壓放電電極(11)固定在高壓電極固定基座(12)上，且與交頻高壓電源(4)相連接；所述高壓放電電極(11)、固定基座(12)、荷電腔壁(13)密閉同軸安裝，固定基座(12)與荷電腔壁(13)后期可拆分。
2.根據(jù)權利要求1所述的大氣顆粒物雙極性荷電裝置，其特征在于:所述樣氣進氣管(5)外端為圓柱形，用于連接外界采樣管；另一端為小孔加速噴口設計，用以實現(xiàn)樣氣中顆粒物的瞬間加速。
3.根據(jù)權利要求1所述的大氣顆粒物雙極性荷電裝置，其特征在于:所述的慣性撞擊臺(8)上部為經(jīng)過粗糙化處理的金屬薄層，下層為中空圓柱形結構，且圓柱面上開有矩形狹縫，實現(xiàn)慣性切割器腔體與撞擊臺內(nèi)部空間的聯(lián)通。
4.根據(jù)權利要求1所述的大氣顆粒物雙極性荷電裝置，其特征在于:所述高壓放電電極(11)為鎢針，連接固定基座(12)—端為圓柱形結構，另一端為針形結構，且針尖位置與荷電腔壁(9)內(nèi)表面相切。
5.根據(jù)權利要求1所述的大氣顆粒物雙極性荷電裝置，其特征在于:所述的固定基座(12)為絕緣聚四氟乙烯材質(zhì)，內(nèi)部為中空圓柱形結構，用以安裝高壓放電電極(11)。
6.根據(jù)權利要求1所述的大氣顆粒物雙極性荷電裝置，其特征在于:所述的撞擊式粒子切割器(I)內(nèi)樣氣進氣管(5)、切割器蓋(6)、切割器壁(7)、慣性撞擊臺(8)均采用鋁質(zhì)；所述的顆粒物荷電腔(2)內(nèi)荷電腔壁(9)、樣氣出氣口(10)均采用鋁制；所述的高壓電離腔(3)電離腔壁(13)為鋁制。
7.根據(jù)權利要求1所述的大氣顆粒物雙極性荷電裝置，其特征在于:所述的交頻高壓電源(4)提供O?±5KV交變高壓。
8.根據(jù)權利要求1所述的大氣顆粒物雙極性荷電裝置，其特征在于:所述撞擊式粒子切割器(I)、顆粒物荷電腔(2)、高壓電離腔(3)外壁均良好接地。
【文檔編號】B03C3/04GK103623925SQ201310573629
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2013年11月14日 優(yōu)先權日:2013年11月14日
【發(fā)明者】王杰, 張礁石, 余同柱, 桂華僑, 程寅, 王煥欽, 劉建國, 陸亦懷, 范煜, 羅喜勝 申請人:中國科學院合肥物質(zhì)科學研究院