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原文传递一种耐温型超细颗粒物粒径分级检测装置及其检测方法

专利名称：	一种耐温型超细颗粒物粒径分级检测装置及其检测方法
摘要：	本发明涉及一种耐温型超细颗粒物粒径分级检测装置及其检测方法。检测装置包括耐温荷电模块、粒径分级检测模块和主控制模块。耐温荷电模块包括耐温荷电壳体、电晕针组件、鞘气保护罩和金属半球壳体。粒径分级检测模块包括粒径分级检测腔体、上电极、下电极、第一多孔板、第二多孔板、耐温法拉第杯壳体和多孔金属电极。主控制模块包括放大器、静电计、控制器、扫描电压模块、电晕电压模块和耐温真空泵模块。本发明能够弥补现有高温超细颗粒物测量技术的不足，尤其能解决现有测量设备结构复杂、体积庞大以及无法实现高温超细颗粒物粒径谱的直接在线测量的问题。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	安徽;34
申请人：	中国科学院合肥物质科学研究院
发明人：	王焕钦;吕亮;陈明洁;孙强;虞发军;王程鹏;杨杰;周纪彤;桂华侨;刘建国
专利状态：	有效
申请日期：	2019-01-21T00:00:00+0800
发布日期：	2019-05-03T00:00:00+0800
申请号：	CN201910054116.6
公开号：	CN109709006A
代理机构：	合肥天明专利事务所(普通合伙)
代理人：	奚华保
分类号：	G01N15/02(2006.01);G;G01;G01N;G01N15
申请人地址：	230031 安徽省合肥市蜀山湖路350号
主权项：	1.一种耐温型超细颗粒物粒径分级检测装置，其特征在于：包括耐温荷电模块和粒径分级检测模块；所述耐温荷电模块包括耐温荷电壳体、安装在耐温荷电壳体底部内侧的电晕针组件、罩设在电晕针组件外侧的鞘气保护罩和安装在耐温荷电壳体上端开口处的金属半球壳体；所述金属半球壳体的顶部开设有荷电样气进气口；所述耐温荷电壳体的底部开设有第一样气出气口；所述鞘气保护罩的下端开设有荷电鞘气进气口，鞘气保护罩的顶部开设有荷电鞘气出气口；所述电晕针组件包括安装在耐温荷电壳体底部内侧的耐温绝缘块、安装在耐温绝缘块上的铜柱和安装在铜柱顶端的电晕针；所述粒径分级检测模块包括粒径分级检测腔体、设置在粒径分级检测腔体中段顶部内壁上的上电极以及设置在粒径分级检测腔体中段底部内壁上且与上电极正对设置的下电极；所述粒径分级检测腔体的左右两端内部均安装有从外向内依次设置的第一多孔板和第二多孔板；所述第一多孔板和第二多孔板均包括多孔板主体和开设在多孔板主体上的若干均匀分布的通气孔；所述粒径分级检测腔体的左右两端均为外窄内宽的喇叭形；所述粒径分级检测腔体，其中段顶部开设有与第一样气出气口相连通的样气进气口，其中段底部开设有分级样气出气口，其左端开设有鞘气进气口，其右端开设有鞘气出气口；所述粒径分级检测腔体的底部安装有位于分级样气出气口正下方的耐温法拉第杯壳体；所述耐温法拉第杯壳体内部安装有多孔金属电极，耐温法拉第杯壳体的底部开设有第二样气出气口。 2.根据权利要求1所述的一种耐温型超细颗粒物粒径分级检测装置，其特征在于：该装置还包括主控制模块；所述主控制模块包括放大器、静电计、控制器、扫描电压模块、电晕电压模块和耐温真空泵模块；所述放大器的输入端接多孔金属电极，输出端接静电计的输入端；所述静电计的输出端接控制器的输入端；所述控制器的输出端分别接扫描电压模块的输入端、电晕电压模块的输入端、耐温真空泵模块的输入端；所述扫描电压模块的输出端分别接上电极和下电极；所述电晕电压模块的输出端接铜柱；所述耐温真空泵模块的输出端分别接荷电鞘气进气口、鞘气进气口和鞘气出气口。 3.根据权利要求1所述的一种耐温型超细颗粒物粒径分级检测装置，其特征在于：所述耐温荷电壳体、鞘气保护罩、粒径分级检测腔体、第一多孔板、第二多孔板和耐温法拉第杯壳体的材质均为氧化铝陶瓷；所述上电极和下电极均采用厚膜陶瓷加工工艺制备，二者分别设置在粒径分级检测腔体中段内壁的上下两侧且对立设置。 4.根据权利要求1所述的一种耐温型超细颗粒物粒径分级检测装置，其特征在于：所述第一多孔板与第二多孔板的间距为1～20mm；所述第二多孔板与上电极或下电极的横向间距为1～20mm；所述通气孔的孔径为0.5～5mm。 5.根据权利要求1所述的一种耐温型超细颗粒物粒径分级检测装置，其特征在于：所述金属半球壳体为开口向下的中空半球体，且其内外径与耐温荷电壳体的内外径均相等；金属半球壳体接地。 6.根据权利要求1所述的一种耐温型超细颗粒物粒径分级检测装置，其特征在于：所述鞘气保护罩的上端为上窄下宽的喇叭形。 7.根据权利要求1所述的一种耐温型超细颗粒物粒径分级检测装置，其特征在于：所述电晕针单个放置，电晕针的材质为钨、铜、不锈钢中的任意一种，电晕针的针尖曲率半径为10～50mm。 8.根据权利要求1所述的一种耐温型超细颗粒物粒径分级检测装置，其特征在于：所述多孔金属电极采用泡沫金属材料制备的多孔金属板；所述泡沫金属材料的电阻率低于3.5×10-8Ω·m，孔隙密度为20～150。 9.根据权利要求1～8任意一项所述的耐温型超细颗粒物粒径分级检测装置的检测方法，其特征在于：该方法包括以下步骤： (1)控制器通过耐温真空泵模块控制荷电鞘气气流以一定流速从荷电鞘气进气口进入耐温荷电模块，同时，静电计中内置泵控制高温下的样气气流以一定流速通过荷电样气进气口进入耐温荷电模块； (2)荷电鞘气气流进入鞘气保护罩，经过由电晕电压模块控制电晕针发生电晕放电所产生的荷电区域，产生带电离子，并在鞘气保护罩上端与进入耐温荷电模块的高温样气气流混合； (3)控制器通过耐温真空泵模块控制鞘气气流以一定流速通过鞘气进气口进入粒径分级检测模块，鞘气经由左侧的第一多孔板和第二多孔板，变为层流状态； (4)含有带电离子的样气气流从金属半球壳体处向下流动，流经耐温荷电壳体与鞘气保护罩之间的区域，由第一样气出气口离开耐温荷电模块，从样气进气口进入粒径分级检测模块，与从鞘气进气口进入到粒径分级检测腔体中的鞘气层流混合； (5)混合后的气流由从鞘气进气口进入的鞘气层流牵引，进入上电极与下电极之间的扫描电场区域，扫描电压模块控制扫描电场区域产生一定扫描电场，气流中的带电超细颗粒物在扫描电场区域发生电迁移，只有一定粒径的带电超细颗粒物被偏转至粒径分级检测腔体底部，从分级样气出气口进入到耐温法拉第杯壳体中，剩余颗粒物随鞘气气流由鞘气出气口离开粒径分级检测模块，耐温真空泵模块控制剩余鞘气气流循环使用； (6)偏转至耐温法拉第杯壳体中的带电超细颗粒物与多孔金属电极发生碰撞，在碰撞过程中产生电荷转移，最终由第二样气出气口离开粒径分级检测模块； (7)放大器通过对多孔金属电极上的电荷转换放大，传输给静电计进行检测，得到偏转至耐温法拉第杯壳体中的带电超细颗粒物带电量，进而采用反演算法反演出相应扫描电压下对应粒径的带电超细颗粒物数目，得到该粒径下的超细颗粒物浓度； (8)在样气气流和鞘气气流流速稳定的情况下，控制器通过扫描电压模块改变上电极和下电极之间的扫描电压，分级检测不同粒径下的超细颗粒物浓度，绘制出粒径谱。 10.根据权利要求9所述的耐温型超细颗粒物粒径分级检测装置的检测方法，其特征在于：步骤(2)中所述的耐温荷电模块1，要采用公式(1)进行高温下的温度修正，求得粒子获得的电荷平均数n：其中，t为充电时间，Ni为离子浓度，ci为离子的平均热扩散速度，k为玻尔兹曼常数，T为环境温度，ε0为空气介电常数，dp为粒子粒径，e为单个电子所带电荷量(1.6×10-19C)；步骤(2)中所述的耐温荷电模块1，还要采用公式(2)求得带电量为n的粒子部分：其中，fn为平衡稳定状态下带有n个电荷颗粒物在总浓度中所占的比率，Np，n为带有n个电荷的离子浓度；步骤(5)中所述的粒径分级检测模块，要根据公式(3)和公式(4)获得粒子运动轨迹的变化规律，建立粒径分级模型：其中，ρ是空气密度，是速度矢量，p是气压，是单位张量，μ是空气动力粘度，是力场，是线性微分三维算子，T是转置矩阵；步骤(7)中所述的反演算法为多参数相融合的超细颗粒物粒径分布的高精度反演算法。
所属类别：	发明专利