基于多级差分电迁移的高温颗粒物粒径谱快速测量装置及方法

技术领域

本发明涉及机动车排放超细颗粒物粒径谱测量技术领域，具体涉及一种基于多级差分电迁移的高温颗粒物粒径谱快速测量装置及方法。

背景技术

在机动车排放超细颗粒物粒径谱测量技术领域中，通常利用超细颗粒物在电场中的偏转程度来对其电迁移率粒径进行区分和测量。超细颗粒物电迁移率粒径的测量主要分为两类，扫描和非扫描。基于扫描方式的具有代表性的仪器为SMPS(Scanning MobilityParticle Sizer)，基于非扫描方式的具有代表性的仪器为EEPS(Engine ExhaustParticle Sizer)和DMS(Differential Mobility Spectrometer)。其中，SMPS为一台DMA(Differential Mobility Analyzer)和一台CPC(Condensation Particle Counter)串联使用，由CPC检测DMA筛分出单分散超细颗粒物的数浓度，并且不断改变DMA中内电极的高压以完成粒径谱的扫描；EEPS等基于非扫描方式的粒径谱测量仪在测量期间内电极的高压不变，不同电迁移率的粒子在电场中的偏转程度不同，因此撞击在不同位置的接地电极上放电，EEPS等对这些电极上的电流进行测量，以反演出待测样气中超细颗粒物的粒径谱。

现有的基于扫描方式的粒径谱测量方法均存在一些问题，如传统SMPS、中国专利CN109709006A、中国专利CN102500559B提到的粒径分级方法等，使用的DMA仅有一个单分散颗粒物的出口，在一个内电极的高压下仅能筛分出一组含单分散超细颗粒物的样气，测量一组粒径谱的时间较长，时间分辨率较低，不适用于需要快速测量粒径谱的场合。而EEPS等基于非扫描方式的粒径谱测量仪器中，用于接收带电粒子的极板数量有限，粒径分辨率较低，且EEPS不能通过扫描高压、增加极板数量的方式来提高粒径分辨率，一是因为EEPS中用于测量电流的接地电极环绕在高压内电极周围，内电极高压发生变化时会引起后端静电计的零点漂移；二是因为相邻接地电极相隔较近，测量高湿度气体的时候会存在漏电现象。此外，由于开机时内电极高压引起的静电计零点漂移，接收极板后端静电计校零缓慢，仪器预热时间长，不适用于外场观测实验。

在一些特定的场合下，如机动车瞬态排放粒径谱特征研究，需要以较高的时间分辨率、粒径分辨率来测量高温、高湿度样气中超细颗粒物的粒径谱。因此，需要设计一种能够在保证粒径分辨率前提下提高测量时间分辨率的高温颗粒物粒径谱测量装置及方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于多级差分电迁移的高温颗粒物粒径谱快速测量装置及方法，该测量装置及方法能够解决现有技术中存在的不足，实现机动车排放颗粒物粒径谱的快速测量。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

基于多级差分电迁移的高温颗粒物粒径谱快速测量装置，包括单极性超细颗粒物荷电模块、多级差分电迁移率分析模块、基于热沉积的超细颗粒物收集模块和微电流检测模块；

所述单极性超细颗粒物荷电模块包括荷电腔体和开设在荷电腔体上的鞘气入口一、样气入口一和混合气体出口；所述单极性超细颗粒物荷电模块，用于使多分散超细颗粒物带电，不同粒径的超细颗粒物的带电量不同。

所述多级差分电迁移率分析模块包括接地外壳、安装在外壳下端开口处的底座、安装在底座上且向上伸入至接地外壳腔体内部中上方的高压电极、贯穿安装在接地外壳顶部的样气入口二、安装在接地外壳上端侧壁上的鞘气入口二、安装在鞘气入口二与样气入口二底部之间的接地外壳内的层流器、开设在样气入口二下方的接地外壳侧壁上的N个样气出口以及开设在接地外壳下端侧壁上的废气出口；所述样气入口二接混合气体出口；所述N个样气出口，用于将一组含多分散超细颗粒物的待测样气筛分成N组，并输出N组含有单分散超细颗粒物的样气。

所述基于热沉积的超细颗粒物收集模块包括N个与N个样气出口一一对应的收集器；所述微电流测量模块包括N个与N个收集器一一对应的静电计；所述收集器包括由自上向下依次设置的半导体加热贴片、热金属片、冷金属片和半导体制冷贴片；所述热金属片与冷金属片围成一收集腔体；所述半导体加热贴片安装在热金属片的顶部；所述半导体制冷贴片安装在冷金属片的底部；所述收集腔体上开设有气体入口和气体出口；所述冷金属片上连接有三同轴线缆，三同轴线缆的一端与冷金属片相连，另一端与静电计相连；所述混合气体出口接样气入口二，N个样气出口分别与N个收集器的收集腔体上的气体入口相连。所述基于热沉积的超细颗粒物收集模块，用于收集样气中的超细颗粒物。

进一步的，所述混合气体出口通过导电黑胶软管与样气入口二相连通，N个样气出口分别通过一根导电黑胶软管与N个收集器的收集腔体上的气体入口相连；所述废气出口与鞘气入口二相连；由废气出口流出的废气经过过滤器过滤后，由泵抽入至鞘气入口二中，形成相对封闭的循环气路；废气出口与鞘气入口二处的流量相等，样气入口二的流量和N个样气出口处的流量相等。

进一步的，该装置还包括控制模块，所述控制模块包括温度控制模块、高压控制模块和气体流量控制模块。

进一步的，所述单极性超细颗粒物荷电模块采用扩散荷电装置。

进一步的，所述底座采用绝缘材质。

本发明还包括一种涉及上述基于多级差分电迁移的高温颗粒物粒径谱快速测量装置的测量方法，该方法包括以下步骤：

(1)含多分散超细颗粒物的待测样气由样气入口一进入荷电腔体中，在荷电腔体中，待测样气中的多分散超细颗粒物带负电，带电后的多分散超细颗粒物随气流由混合气体出口流出荷电腔体，经样气入口二进入接地外壳内。

(2)带电后的多分散超细颗粒物进入到接地壳体内后，与由鞘气入口二进入到接地外壳内并在层流器作用下成层流状态的鞘气混合，在高压电极产生的电场力的作用下，由于带电量不同，带负电的多分散超细颗粒物中的各单分散超细颗粒物发生不同方向的偏转；在电场力的作用下，N组特定粒径的带电单分散超细颗粒物分别由N个样气出口流出，进入相应的基于热沉积的超细颗粒物收集模块的收集腔体中，其余粒径的带电超细颗粒物打在接地外壳上放电或由废气出口流出；分别由N个样气出口流出的N组特定粒径的带电单分散超细颗粒物的粒径由多级差分电迁移率分析模块的顶端至底部依次增大。

(3)半导体加热贴片对热金属片进行加热，半导体制冷贴片对冷金属片进行制冷，使热金属片与冷金属片产生温度差，在热金属片与冷金属片的热扩散作用下，各带电单分散超细颗粒物沉积在相应的基于热沉积的超细颗粒物收集模块的冷金属片上。

(4)带电单分散超细颗粒物沉积在冷金属片上后放电产生电流，电流沿三同轴线缆流入对应的静电计，静电计根据测量的电流值反演出各单分散超细颗粒物数浓度。

(5)在高压电极的同一高压下，采用N个基于热沉积的超细颗粒物收集模块和N个静电计，测得N组特定粒径(D

和现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明所述的粒径谱测量装置中使用的多级差分电迁移率分析仪具有N个样气出口作为N组特定粒径的带电单分散超细颗粒物的出口，在同一时刻，即一个高压电极的高压下，能够筛分出N组不同粒径单分散超细颗粒物，可以减少内电极高压的扫描时间，提高粒径谱测量的时间分辨率。

(2)本发明所述的粒径谱测量装置将待测颗粒物从多级差分电迁移率分析仪的N个样气出口引出以后进行测量，高压电极的高压变化不会引起后端静电计的零点漂移，而且通过扫描高压电极电压的方式能够提高粒径分辨率。

(3)本发明所述的粒径谱测量装置中的基于热沉积的超细颗粒物收集模块，能够在收集待测超细颗粒物的条件下对高温样气中的超细颗粒物带电量进行测量。现有的静态法拉第杯不能测量高温样气中颗粒物的带电量，动态法拉第杯不能对颗粒物进行收集。而本发明中的基于热沉积的超细颗粒物收集模块中冷金属片保护了后端静电计不受高温影响，可以对高温样气进行直接测量，且收集到的粒子可以进一步应用于其他实验。

附图说明

图1是本发明中测量装置的结构示意图；

图2是粒子在多级差分电迁移率分析模块中的运动轨迹示意图；

图3是待测样气中的多分散超细颗粒物的粒径谱示意图。

其中：

Q、单极性超细颗粒物荷电模块，T、基于热沉积的超细颗粒物收集模块，A、微电流测量模块，11、样气入口一，12、鞘气入口一，13、混合气体出口，14、样气入口二，15、第1级样气出口，16、第2级样气出口，17、第N级样气出口，18、气体入口，19、气体出口，20、层流器，21、鞘气入口二，22、废气出口，23、高压电极，24、接地外壳，25、半导体加热贴片，26、热金属片，27、半导体制冷贴片，28、冷金属片，29、三同轴线缆。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：

如图1所示的基于多级差分电迁移的高温颗粒物粒径谱快速测量装置，包括单极性超细颗粒物荷电模块Q、多级差分电迁移率分析模块、基于热沉积的超细颗粒物收集模块T和微电流检测模块A。

所述单极性超细颗粒物荷电模块Q包括荷电腔体和开设在荷电腔体上的鞘气入口一12、样气入口一11和混合气体出口13，其中，鞘气入口一11，用于向荷电腔体内通入鞘气。鞘气为洁净空气，作用是保证较高的荷电效率。所述单极性超细颗粒物荷电模块Q，用于使多分散超细颗粒物带电，不同粒径的超细颗粒物的带电量不同。

所述多级差分电迁移率分析模块包括接地外壳24、安装在接地外壳24下端开口处的底座、安装在底座上且向上伸入至接地外壳24腔体内部中上方的高压电极23、贯穿安装在接地外壳24顶部的样气入口二14、安装在接地外壳24上端侧壁上的鞘气入口二21、安装在鞘气入口二21与样气入口二14底部之间的接地外壳24内的层流器20、开设在样气入口二14下方的接地外壳24侧壁上的N个样气出口19以及开设在接地外壳24下端侧壁上的废气出口22。所述样气入口二14接混合气体出口13。在图1中，N个样气出口分别为第一级样气出口15、第二级样气出口16……第N级样气出口17。所述N个样气出口19，用于将一组含多分散超细颗粒物的待测样气筛分成N组，将N组含有单分散超细颗粒物的样气分别输出。所述N个样气出口19的位置由图2中的L决定，即带电粒子在竖直方向上的移动距离决定。

所述基于热沉积的超细颗粒物收集模块T包括N个与N个样气出口一一对应的收集器；所述微电流测量模块A包括N个与N个收集器一一对应的静电计；所述收集器包括由自上向下依次设置的半导体加热贴片25、热金属片26、冷金属片28和半导体制冷贴片27；其中，半导体加热贴片25，用于控制热金属片26的温度；半导体制冷贴片27，用于控制冷金属片28的温度。所述热金属片26，用于提供颗粒物热运动所需的能量。所述冷金属片28，用于收集颗粒物及其所带电荷。所述热金属片26与冷金属片28围成一收集腔体。所述半导体加热贴片25安装在热金属片26的顶部。所述半导体制冷贴片27安装在冷金属片28的底部。所述收集腔体上开设有气体入口18和气体出口19。所述冷金属片28上连接有三同轴线缆29，三同轴线缆29的一端与冷金属片28相连，另一端与静电计相连。所述混合气体出口13接样气入口二14，N个样气出口19分别与N个收集器的收集腔体上的气体入口18相连。所述基于热沉积的超细颗粒物收集模块T，用于收集样气中的超细颗粒物。

进一步的，所述混合气体出口13通过导电黑胶软管与样气入口二14相连通，N个样气出口19分别通过一根导电黑胶软管与N个收集器的收集腔体上的气体入口18相连。所述废气出口22与鞘气入口二21相连；由废气出口22流出的废气经过过滤器过滤后，由泵抽入至鞘气入口二21中，形成相对封闭的循环气路。废气出口与鞘气入口二处的流量相等，样气入口二的流量和N个样气出口处的流量相等。

进一步的，该装置还包括控制模块，所述控制模块包括温度控制模块、高压控制模块和气体流量控制模块。

进一步的，所述单极性超细颗粒物荷电模块Q采用扩散荷电装置。

进一步的，所述底座采用绝缘材质。

带电粒子在多级差分电迁移率分析模块中的运动轨迹模型如图2所示，在图2中，带电粒子为由单极性超细颗粒物荷电模块流出的带负电的颗粒物，粒子入口表示样气入口二，粒子出口表示N个样气出口之一，内电极高压表示高压电极的电压。在该模型中，气流状态为层流，层流状态由鞘气入口二通入的鞘气和层流器保证。

该运动轨迹模型的设计原理为：

其中，v

即，在所述装置中，d

本发明还包括一种涉及上述基于多级差分电迁移的高温颗粒物粒径谱快速测量装置的测量方法，该方法包括以下步骤：

(1)含多分散超细颗粒物的待测样气由样气入口一进入荷电腔体中，在荷电腔体中，待测样气中的多分散超细颗粒物带负电，带电后的多分散超细颗粒物随气流由混合气体出口流出荷电腔体，经样气入口二进入接地外壳内。

(2)带电后的多分散超细颗粒物进入到接地壳体内后，与由鞘气入口二进入到接地外壳内并在层流器作用下成层流状态的鞘气混合，在高压电极产生的电场力的作用下，由于带电量不同，带负电的多分散超细颗粒物中的各单分散超细颗粒物发生不同方向的偏转；在电场力的作用下，N组特定粒径的带电单分散超细颗粒物分别由N个样气出口流出，进入相应的基于热沉积的超细颗粒物收集模块的收集腔体中，其余粒径的带电超细颗粒物打在接地外壳上放电或由废气出口流出；分别由N个样气出口流出的N组特定粒径的带电单分散超细颗粒物的粒径由多级差分电迁移率分析模块的顶端至底部依次增大。

(3)半导体加热贴片对热金属片进行加热，半导体制冷贴片对冷金属片进行制冷，使热金属片与冷金属片产生温度差，在热金属片与冷金属片的热扩散作用下，各带电单分散超细颗粒物沉积在相应的基于热沉积的超细颗粒物收集模块的冷金属片上。

(4)带电单分散超细颗粒物沉积在冷金属片上后放电产生电流，电流沿三同轴线缆流入对应的静电计，静电计根据测量的电流值反演出各单分散超细颗粒物数浓度。

(5)在高压电极的同一高压下，采用N个基于热沉积的超细颗粒物收集模块和N个静电计，测得N组特定粒径(D

现有的仪器SMPS能做到最高的粒径分辨率，它的粒径分辨率取决于高压的精度；ELPI能做到最高的时间分辨率，1s以内；然而，SMPS扫描一个高粒径分辨率的谱需要100s以上，ELPI仅有14个通道。测量过程中要在两种分辨率中进行选择，常顾此失彼。本发明解决了传统SMPS扫描速度较慢的问题，使测量速度提升了N倍，将传统DMA的扫描时间缩短N倍，N不小于10，如果N＝10，可以将SMPS的时间分辨率提高一个数量级。跟DMS、EEPS相比，本发明采用扫描高压电极电压的方式，可以提高测量的粒径分辨率。EEPS、DMS在外场实验的使用中，开机上电是加上内电极高压，引起后端感应电流，导致静电计零点不稳定，校零需要很久的时间，本发明并通过多级DMA把待测样气引出到后端测量，显著缩短了预热时间。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。