測量懸浮顆粒物質的方法和設備的制作方法

專利名稱：測量懸浮顆粒物質的方法和設備的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用于測量大氣中懸浮顆粒物質(suspended particulatematter)的粒徑分布(a particle size distribution)的方法和設備。尤其是，本發明涉及這樣一種用于測量懸浮顆粒物質的方法和設備，即這種方法和設備能夠以高分辨率在寬粒徑范圍內對懸浮顆粒物質的粒徑分布進行測量。
背景技術：
大氣中那些粒徑不超過10微米的懸浮塵埃被稱作懸浮顆粒物質(SPM)。雖然這種懸浮顆粒物質包含有離散的泥土，但是這些懸浮顆粒物質的大部分是從柴油發動機汽車中排出的黑煙、未燃燒的燃油以及含硫的化合物。在Kanto地區，大約35％的懸浮顆粒物質是從柴油發動機汽車中排出的。一般認為，懸浮顆粒物質對人類健康是有害的。特別是，在包含在從柴油發動機汽車中排出的廢氣中的顆粒物質，被稱作DEP(柴油機廢氣顆粒)。那些尺寸不超過2.5微米的小粒徑顆粒物質，被稱作細微顆粒物質(PM2.5)，在歐洲和美國，已經對這種細微顆粒物質進行了積極研究。一般認為，這種PM2.5的大部分是從柴油發動機汽車中排出的。
作為一種用于對大氣中上述懸浮顆粒物質(SPM)或者細微顆粒物質(PM2.5)的粒徑分布進行測量的設備，在實際應用中通常使用一種基于級聯碰撞采樣器系統(cascade impacter system)的測量設備。在這種基于級聯碰撞采樣器系統的測量設備中，使得包括有顆粒的流體與一個收集板發生碰撞，用以突然改變流體的流動方向，從而將顆粒從流體中分離出來。在這種測量設備中，碰撞采樣器相互被串聯連接起來，以便它們能夠形成一個多級設備，其中在所述碰撞采樣器的收集效率為50％時粒徑互不相同。隨后，利用每一級為50％收集效率時的粒徑作為代表粒徑，并且由每一級中均具有代表粒徑的顆粒收集測量結果得出所述流體中的粒徑分布。
就此而言，在相應于用于測量SPM和PM2.5的級聯碰撞采樣器系統的測量設備中，會遇到下述問題。一般來說，粒徑的測量上限被設定為約10微米，此外粒徑的分辨率取決于板式集塵電極的數目。因此，不可能以高分辨率對粒徑分布進行測量。

發明內容
本發明的目的在于，提供一種用于測量懸浮顆粒物質的方法和設備，該方法和設備能夠以較高的分辨率在較寬的粒徑范圍內對大氣中懸浮顆粒物質(SPM)和細微顆粒物質(PM2.5)的粒徑分布進行測量，其中該粒徑范圍包括不小于10微米的粒徑。
為了實現前述目的，本發明提供了一種用于測量大氣中懸浮顆粒物質的方法，該方法包括將大氣中的懸浮顆粒物質抽吸入一個容器中；在該容器內對大氣中的懸浮顆粒物質進行充電；電收集充過電的懸浮顆粒物質；在收集起來的懸浮顆粒物質被分散開的條件下利用激光束對收集起來的懸浮顆粒物質進行照射；對利用激光束向懸浮顆粒物質進行照射所獲得的衍射和散射光線的空間強度分布進行測量；并且利用測量結果對懸浮顆粒物質的粒徑分布進行計算。
優選地，根據本發明用于測量大氣中懸浮顆粒物質的方法還包括有將收集起來的懸浮顆粒物質分散到介質流體(medium fluid)中，其中，利用激光束對分散在介質流體中的懸浮顆粒物質進行照射。
可選擇地，根據本發明用于測量大氣中懸浮顆粒物質的方法優選地還包括有使得懸浮顆粒物質粘附到一塊位于容器內的透明板的表面上，其中，利用激光束對其上粘附有懸浮顆粒物質的透明板進行照射。可以采樣前述方法中的任何一種。
為了實現前述目的，本發明還提供了一種用于測量大氣中懸浮顆粒物質的設備，該設備包括有一個容器；一個泵，用于將大氣抽吸入所述容器中；一個放電電極，該放電電極被設置在所述容器中，用于通過產生單極性離子來對所述容器中的懸浮顆粒物質進行充電；一個集塵電極，該集塵電極相對于放電電極具有電勢差，用于將所述容器中由放電電極充過電的懸浮顆粒物質收集起來；一個分散機構，用于分散由集塵電極收集起來的懸浮顆粒物質；一個光學照射系統，用于利用激光束對分散開的懸浮顆粒物質進行照射；一個光學測量系統，用于對光線的空間強度分布進行測量，所述光線在利用激光束對懸浮顆粒物質進行照射時被懸浮顆粒物質衍射和散射；以及一個計算部分，用于利用所述測量結果對收集起來的懸浮顆粒物質的粒徑分布進行計算。
根據本發明用于測量懸浮顆粒物質的設備，優選的是所述分散機構具有一個分散罐(dispersing tank)，在該分散罐中盛裝有介質流體。可選擇地，優選的是所述分散機構具有一塊透明板，所述懸浮顆粒物質粘附在該透明板的表面上。
優選地，所述泵包括有一個氣動機械，該氣動機械能夠強行對大氣進行抽吸和供給。更具體地說，所述泵包括有一個壓縮機或者鼓風機。
作為用于在其中分散收集起來的懸浮顆粒物質的中間溶液，可以使用潔凈的水，比如蒸餾水，有機溶劑，或者添加有諸如表面活性劑這樣的分散劑的有機溶劑。
根據本發明，基于激光束衍射和散射方法的粒徑分布測量，被用于對大氣中的懸浮顆粒物質的粒徑分布進行測量，其中基于激光束衍射和散射理論的粒徑分布測量方法，能夠以高分辨率在寬粒徑范圍內對粒徑分布加以測量。另外，為了在激光束照射過程中獲得足夠高的衍射和散射光線強度，不是利用激光束直接對大氣中的懸浮顆粒物質進行照射，而是在這種條件下利用激光束對懸浮顆粒物質進行照射，即懸浮顆粒物質以足夠高的濃度有效地聚集和擴散，以達到本發明的目的。
總的說來，在基于激光衍射法的粒徑分析儀中，對散射條件下用激光束照射顆粒組所獲得的衍射和散射光線的空間強度分布進行測量。通過利用符合米氏(Mie)散射理論或者夫瑯和費(Fraunhofer)衍射理論的光線強度分布，根據衍射和散射光線的空間強度分布的測量結果，通過基于米氏(Mie)散射理論或夫瑯和費(Fraunhofer)衍射理論的計算，得到待測顆粒組的粒徑分布。根據這種基于激光衍射法的粒徑分析儀，當介質中的待測顆粒組的濃度保持在合適的范圍內時，可以以高分辨率在寬粒徑范圍內得出粒徑分布，該介質中分散有待測顆粒組。
但是，對于大氣中的懸浮顆粒物質來說，由于大氣中懸浮顆粒物質的濃度太低，所以即使通過直接利用激光束對大氣中的懸浮顆粒物質進行照射來對衍射和散射光線進行測量，也難以獲得足夠高的衍射和散射光線強度，以得到懸浮顆粒物質的粒徑分布。
因此，根據本發明，以下述方式對利用激光束照射懸浮顆粒物質所獲得的衍射和散射光線的空間強度分布進行測量。將大氣抽吸入一個容器中，并且電收集包含于大氣中的懸浮顆粒物質。也就是說，放電電極產生單極性離子，并且利用放電電極所產生的單極性離子來對懸浮顆粒物質進行充電。接著，設置一個相對于放電電極具有預定電勢差的集塵電極，并且由該集塵電極收集充過電的懸浮顆粒物質。將由此收集起來的懸浮顆粒物質分散到一定的濃度范圍之內，該濃度范圍適合于基于激光衍射法的粒徑分布分析。利用激光束對由此分散開的懸浮顆粒物質進行照射，并且對衍射和散射光線的空間強度分布進行測量。由于前述內容，可以以高分辨率在寬粒徑范圍內得出懸浮顆粒物質的粒徑分布，其中所述寬粒徑范圍與基于激光衍射法的普通粒徑分析中的粒徑范圍相同。也就是說，可以以高分辨率在從亞微米至10微米或者更大的寬粒徑范圍內得出懸浮顆粒物質的粒徑分布。
優選地，收集起來的懸浮顆粒物質被分散到介質流體中，并且在分散狀態下利用激光束照射懸浮顆粒物質，以便對衍射和散射光線進行測量。可選擇地，將懸浮顆粒物質收集起來，與此同時被粘附到一塊透明板的表面上，使得懸浮顆粒物質分散開來。隨后，在分散狀態下利用激光束照射懸浮顆粒物質，以對衍射和散射光線進行測量。通過這些方法中的任何一種，均可以以高精度對由收集起來的懸浮顆粒物質衍射和散射的衍射和散射光線進行測量。
根據本發明，由于利用了一個泵將大氣抽吸入一個容器中，并且以電學方式對包含于大氣中的懸浮顆粒物質進行充電和收集，所以利用所述泵的流速和驅動時間可以輕易地對輸送至所述容器中的大氣體積進行控制，并且還可以將輸送至容器中的大氣中的幾乎所有懸浮顆粒物質收集起來。因此，對于每一種粒徑來說，均可以簡便地得出恒定體積大氣中存在的懸浮顆粒物質的量。


圖1是根據本發明一實施例的懸浮顆粒物質測量設備的布局圖；圖2是一布局圖，示出了一個根據本發明另一實施例的懸浮顆粒物質測量設備中的主要部分；以及圖3是一布局圖，示出了一個根據本發明再一實施例的懸浮顆粒物質測量設備中的主要部分。
具體實施例方式
參照附圖，下面將對本發明的一個實施例進行說明。
圖1是一個根據本發明一實施例的懸浮顆粒物質測量設備的布局圖。圖1中一起示出了顯示光學結構和管道結構的示意性視圖，并示出了電子結構的方框圖。
所述懸浮顆粒物質測量設備包括有一個收集容器1，一個泵2，一個放電電極3，一個集塵電極4，一個高壓電源5，一個接地電位(groundingpotential)6，一個分散罐11，一個循環管道14，一個循環泵15，以及一個粒徑分析儀20。收集容器1具有一個能夠被自由開閉的蓋1a，一個大氣入口1b，以及一個連通口1c，該連通口1c通達泵2(用于收集顆粒的壓縮機)的抽吸口。在蓋1a關閉的條件下，當泵2受到驅動時，大氣經由入口1b被抽吸入收集容器1中。在該收集容器1中，上部設置有放電電極3，下部設置有集塵電極4，該集塵電極4與放電電極3相對。高壓通過高壓電源作用到放電電極3上。由于前述內容，放電電極3周圍的空氣被電離，產生單極性離子。
另一方面，在本示例中，集塵電極4與接地電位6連接在一起。由于集塵電極4與放電電極3之間的電勢差，所以單極性離子移向集塵電極4。在該步驟中，單極性離子在集塵容器1內與包含于大氣中的懸浮顆粒物質P發生接觸，懸浮顆粒物質P充電。由此充過電的懸浮顆粒物質P在放電電極3與集塵電極4之間電勢差的作用下，移向集塵電極4。從而，將充過電的懸浮顆粒物質P收集在集塵電極4上。
已經被收集在集塵電極4上的懸浮顆粒物質P在分散罐11中被分散開來。例如，在分散罐11中盛裝有蒸餾水、有機溶劑或者介質流體L，在它們中添加有諸如表面活性劑這樣的分散劑。懸浮顆粒物質P在分散罐11中以這樣一種方式分散開來，即將蓋1a從收集容器1上卸下，將集塵電極4從收集容器1中手動取出，并且隨后將集塵電極4浸到分散罐11中的介質流體L中，使得將固附在集塵電極4上的懸浮顆粒物質P轉移到中間介質L中。可選擇地，正如在圖2中圖示所述設備的主要部分的布局視圖所示出的那樣，在集塵電極4的一個表面上安裝有一個由導電材料制成的佩特里培養皿狀元件(Petri-dish-shaped member)4a，并且在該佩特里培養皿狀元件4a中盛裝有與分散罐11中的中間介質L相同的中間介質L。懸浮顆粒物質P可以由佩特里培養皿狀元件4a內的中間介質L收集起來。利用一個未示出的泵將佩特里培養皿元件4a內含有懸浮顆粒物質P的中間介質L導入到分散罐11中。可選擇地，手動地將佩特里培養皿元件4a內含有懸浮顆粒物質P的中間介質L轉移到分散罐11中。
分散罐11具有一個攪拌器12和一個超聲波振蕩器13。分散罐11的底部與循環管道14的一個端部相連通。循環管道14與一個基于激光衍射方法的粒徑分析儀20的貫流分析室21(a flow cell)的入口相連通。另外，該貫流分析室21出口的循環管道14開口于所述分散罐11的上部。分散罐11在其底部還具有一個用于排出分散罐內的物質的排出閥11a。
在懸浮顆粒物質P已經被轉移到盛裝于分散罐11內的介質流體L中之后，驅動攪拌器12和超聲波振蕩器13。由于前述內容，懸浮顆粒物質P可以被均勻地分散到介質流體L中，并且氣泡從介質流體L中去除。
當循環泵15開始工作時，使介質流體L和分散在介質流體L中的懸浮顆粒物質P經由循環管道14流入到貫流分析室21中，并且返回到分散罐11中。
基于激光衍射法的粒徑分析儀20包括有前述的貫流分析室21，一個光學照射系統22，一個光學測量系統23，一個數據采樣電路24以及一個計算機25。光學照射系統22向貫流分析室21發射激光束。光學測量系統23測量由光學照射系統22所發射的激光束的衍射和散射光線的空間強度分布。數據采樣電路24對光學測量系統23的輸出值進行數據采樣。計算機25利用由數據采樣電路24采樣得到的衍射和散射光線空間強度分布數據，對包含于介質流體L中的顆粒組的粒徑分布進行計算。
光學照射系統22包括有一個激光源22a，一個聚光透鏡22b，一個空間過濾器(spatial filter)22c，以及一個校準透鏡22d。利用這種光學照射系統22，由激光源22a發出的激光束形成平行的光通量，并且對貫流分析室21進行照射。照射到貫流分析室21上的激光束被貫流分析室21內流動的介質流體L中的懸浮顆粒物質P衍射和散射。利用光學測量系統23，對這種衍射和散射光線的空間強度分布進行測量。
光學測量系統23包括有一個聚光透鏡23a，一個環形檢測器23b，一組前廣角散射光學傳感器23c，以及一組側部/后部散射光傳感器23d。聚光透鏡23a和環形透鏡23b被設置在與貫流分析室21相對的光學照射系統22的光軸上。所述那組前廣角散射光傳感器23c被設置在光學照射系統22的光軸外側，并且被設置在貫流分析室21的前方(位于環形檢測器23b側部)。所述那組側部/后部散射光傳感器23d被設置在貫流分析室21的側部和后部(位于光照射系統22側部)。環形檢測器23b是一光學傳感器陣列，在該陣列中具有光接收面的光傳感器同心排列，并且其形狀呈環形、1/2環形或者1/4環形，這些環形的曲率半徑彼此不同。環形檢測器23b能夠對由會聚透鏡23a會聚的預定前角內的衍射和散射光線的強度分布進行檢測。因此，利用由這組傳感器組成的此光學測量系統23，可以在較寬的范圍內對衍射和散射光線的空間強度分布進行測量，其中所述衍射和散射光線由分散在貫流分析室21內介質流體L中的懸浮顆粒物質P衍射和散射，所述較寬的范圍從微小的前角直至后部。
由光學檢測系統23檢測到、用于各個衍射和散射角度的光線強度檢測信號由具有一個放大器和一個A-D轉換器的數據采樣電路24進行放大并且進行數字化，并作為衍射和散射光線的空間強度分布數據送入計算機25中。
在計算機25中，通過利用衍射和散射光線的這種空間強度分布，使用根據米氏(Mie)散射理論和夫瑯和費(Fraunhofer)衍射理論的計算方法，來對使得激光束衍射和散射的懸浮顆粒物質的粒徑分布進行計算，其中米氏(Mie)散射理論和夫瑯和費(Fraunhofer)衍射理論在基于激光衍射法的粒徑分析中是公知的。
在前述結構中，可以利用泵的每單位時間的流速和驅動時間來對輸入收集容器1中的大氣的總體積進行控制。通過合適地設定輸入收集容器1中的大氣總體積，在由集塵電極4收集起來的懸浮顆粒物質P被分散到盛裝于分散罐11內的介質流體L中時，懸浮顆粒物質P在介質流體L中的濃度可以達到這樣一個值，在該值處，衍射和散射光線的空間強度分布足以由光學測量系統22測量出來。
根據由這種基于激光衍射法的粒徑分析儀20進行的粒徑分布測量，可以以高分辨率在從亞微米直至10微米或者更大的寬粒徑范圍內對粒徑分布進行測量。
當以規則的間隔重復進行下述操作時，可以連續地對大氣中懸浮顆粒物質的狀況進行監控。將預定體積的大氣抽吸入收集容器1中；將懸浮顆粒物質P收集到集塵電極4上；將由此收集起來的懸浮顆粒物質P分散到盛裝于分散罐11內的介質流體L中；利用激光束對懸浮顆粒物質P進行照射；對衍射和散射光線的空間強度分布進行測量，以得出粒徑分布；將排出閥11a打開，以排出分散罐11中的流體；將新的介質流體L傾倒入分散罐11中；將在集塵容器1中重新收集到的懸浮顆粒物質分散到介質流體L中；并且接著開始對衍射和散射光線的空間強度分布進行測量的測量操作。
當在每次測量操作中使輸入集塵容器1中的大氣總體積保持恒定時，使得在每次測量中所獲得的衍射和散射光線的絕對強度與大氣中懸浮顆粒物質P的濃度發生關聯。從而，從衍射和散射光線的絕對強度的變化，可適時地對大氣中懸浮顆粒物質P的濃度變化進行監控。
當用參照顆粒進行標定時，可以利用用于收集分散于介質流體L中的懸浮顆粒物質所需的大氣總體積，并且利用在前面所獲得的衍射和散射光線的絕對強度，來計算出包含于單位體積大氣內的懸浮顆粒物質P的粒徑分布與各粒徑下的顆粒數目之間的關系。
在前述實施例中，當在收集容器1內的集塵電極4上收集起來的懸浮顆粒物質P被分散到盛裝于分散罐11內的介質流體L中并且利用激光束對其進行照射時，可以從所獲得的衍射和散射光線的空間強度分布得出懸浮顆粒物質P的粒徑分布。但是，本發明并不局限于通過激光束的衍射和散射進行粒徑分布測量的上述濕式測量方法，而本發明還可以應用于利用激光束衍射和散射進行粒徑分布測量的干式測量方法，其中在該干式測量方法中不使用介質流體。
在采用干式測量方法的情況下，優選地采用下述方法。利用一個透明板，當懸浮顆粒物質P被收集在透明板的表面上時，懸浮顆粒物質P被分散開來，并且利用激光束對分散在透明板上的懸浮顆粒物質P進行照射。也就是說，透明板被設置在收集容器1中的集塵電極4上，并且將大氣中已經被輸送進收集容器1內并且充過電的懸浮顆粒物質P收集到透明板上。圖3示出了用于干式測量方法的基于激光衍射法的粒徑分析儀的主要結構。正如在圖3中所示出的那樣，取代圖1的設備結構中所示的貫流分析室21，透明板26被設置在光學照射系統22的光路上，并且利用激光束對其進行照射，其中在收集容器1中收集起來的懸浮顆粒物質P被粘附到所述透明板26上。此時，為了防止懸浮顆粒物質P從透明板26的表面上掉落下來，正如圖3中所示出的那樣，根據需要，可以使用另外一個透明板27，以便可以將懸浮顆粒物質P置于這兩個透明板26與27之間。
即使在前述干式測量方法中，只要懸浮顆粒物質P在透明板26上的濃度(每單位面積上存在的顆粒量)合適，以與前述濕式測量方法相同的方式，可以精確地對由懸浮顆粒物質P衍射和散射的激光束的空間強度分布進行測量。從而，可以獲得與前述實施例相同的效果。
正如前面所描述的那樣，根據本發明，利用一個泵將大氣抽吸入集氣容器中，并且由設置在集氣容器內的放電電極對包含于大氣中的懸浮顆粒物質進行充電，從而由集塵電極將懸浮顆粒物質收集起來。將由此收集起來的懸浮顆粒物質以合適的濃度分散到介質流體中，或者可選擇地，將由此所收集起來的懸浮顆粒物質粘附到透明板的表面上，并且分散開來。隨后，利用激光束對分散開的懸浮顆粒物質進行照射，并且對由懸浮顆粒物質衍射和散射的光線的空間強度分布進行測量。利用測量結果，根據激光衍射法的原理得出懸浮顆粒物質的粒徑分布。因此，與利用傳統的級聯碰撞取樣器進行的粒徑分布測量相比，本發明方法的優點在于，粒徑的分辨率可以大大提高，并且還可以測量不小于10微米的粒徑范圍內的粒徑分布。
權利要求
1.一種測量大氣中懸浮顆粒物質的方法，該方法包括將大氣中的懸浮顆粒物質抽吸入一個容器中；在所述容器內對大氣中的懸浮顆粒物質進行充電；電收集充過電的懸浮顆粒物質；在收集起來的懸浮顆粒物質被分散開的條件下，利用激光束對收集起來的懸浮顆粒物質進行照射；對利用激光束照射懸浮顆粒物質所獲得的衍射和散射光線的空間強度分布進行測量；以及利用測量結果計算懸浮顆粒物質的粒徑分布。
2.根據權利要求1所述的測量大氣中懸浮顆粒物質的方法，還包括有將收集起來的懸浮顆粒物質分散到介質流體中，其中，利用激光束對分散在介質流體中的懸浮顆粒物質進行照射。
3.根據權利要求1所述的測量大氣中懸浮顆粒物質的方法，還包括有使得懸浮顆粒物質粘附到所述容器內一塊透明板的表面上，其中，利用激光束對其上粘附有懸浮顆粒物質的透明板進行照射。
4.一種測量大氣中懸浮顆粒物質的設備，包括一個容器；一個泵，用于將大氣抽吸入所述容器中；一個放電電極，該放電電極被設置在所述容器中，用于通過產生單極性離子對所述容器內的懸浮顆粒物質進行充電；一個集塵電極，該集塵電極相對于放電電極具有電勢差，用于將懸浮顆粒物質收集起來，該懸浮顆粒物質已經在所述容器內由放電電極充電；一個分散機構，用于分散由集塵電極收集起來的懸浮顆粒物質；一個光學照射系統，用于利用激光束對分散開的懸浮顆粒物質進行照射；一個光學測量系統，用于對在利用激光束照射懸浮顆粒物質時由懸浮顆粒物質衍射和散射的光線的空間強度分布進行測量；以及一個計算部分，用于利用測量結果對收集起來的懸浮顆粒物質的粒徑分布進行計算。
5.根據權利要求4所述的測量大氣中懸浮顆粒物質的設備，其中，所述分散機構具有一個分散罐，該分散罐包括裝盛在其中的介質流體。
6.根據權利要求4所述的測量大氣中懸浮顆粒物質的設備，其中，所述分散機構具有一塊透明板，懸浮顆粒物質粘附在該透明板的表面上。
7.根據權利要求5所述的測量大氣中懸浮顆粒物質的設備，其中，所述分散罐設置在所述集塵電極上。
全文摘要
本發明涉及一種測量大氣中懸浮顆粒物質的方法和設備。在此方法和設備中，利用一個泵將大氣中的懸浮顆粒物質抽吸到一個容器內。在該容器內對大氣中的懸浮顆粒物質進行充電，以電收集它們。在收集起來的懸浮顆粒物質被分散成合適濃度的條件下，利用激光束對收集起來的懸浮顆粒物質進行照射。對通過用激光束照射懸浮顆粒物質所獲得的衍射和散射光線的空間強度分布進行測量。從測量結果得出懸浮顆粒物質的粒徑分布。
文檔編號G01N15/00GK1397793SQ02126129
公開日2003年2月19日 申請日期2002年7月17日 優先權日2001年7月17日
發明者足立元明, 奧山喜久夫, 十時慎一郎, 樋口三千郎, 島岡治夫, 深井秋博 申請人:株式會社島津制作所