[发明专利]用于表征空气流中带电大气颗粒的尺寸分布随着时间的演变的设备

说明书

技术领域

本发明总体上涉及一种用于表征空气流中带电大气颗粒（airborne particle）的尺寸分布随着时间的演变的设备。

背景技术

我们周围的空气包含不同尺寸和形状的颗粒，这些颗粒与废气和其他污染物一起造成一定区域内的总的空气污染。一些颗粒是人为的，并且可能来源于例如车辆中化石燃料的燃烧。其他颗粒则自然出现，并且可能来源于火山、尘暴、森林火灾等等。5-500nm尺寸范围内的颗粒被分类为超微颗粒（UFP）。像例如煤烟颗粒一样，已知UFP对人类而言是特别有害健康的。已经证明，大气UFP的吸入由于其在肺中的沉积而可能导致严重的肺损伤。

鉴于以上所述，测量我们周围的空气中UFP的特性是非常重要的。可以通过使用UFP测量设备来收集关于大气超微颗粒（UFP）的特性的信息，所述UFP测量设备允许实现大气颗粒的局部检测并且涉及测量空气中的颗粒数浓度N、数量平均颗粒直径d_p,av以及颗粒尺寸分布dN(d_p)/dln(d_p)。特别地，引起的与向UFP空气污染的暴露关联的健康危害据信与UFP长度浓度L = N*d_p,av有关。后一推论的原因来自以下考虑（参见例如H. Fissan et.al., Journal of Nanoparticle Research（2007）， Vol. 9，pp. 53 – 59）：吸入的大气颗粒的相对健康危害很可能与吸入之后沉积在呼吸道中的每单位体积吸入空气的颗粒表面面积关联。此外，当正确考虑了吸入大气颗粒的沉积效率与其在呼吸道不同区域中的直径的函数关系时，该沉积颗粒表面面积浓度可以被证明与吸入空气中的颗粒长度浓度L成比例（国际辐射防护委员会ICRP，1994）。

图1a中示出了WO2007/000710 A2中公开的一种现有技术UFP传感器。测量设备10包括可选地设有颗粒预滤器12的空气入口部分11。该UFP传感器进一步包括颗粒充电部分18，其能够在采样的空气流中的大气颗粒进入设备10中之后对这些大气颗粒充电。此外，UFP传感器10包括包含法拉第笼装置（Faraday cage arrangement）16的颗粒感测部分13，该法拉第笼装置与UFP传感器10的其余部分电绝缘并且经由灵敏电流计15连接到地电位。进入法拉第笼装置16的空气流中的带电颗粒与其电荷一起被法拉第笼内部的空气可渗透过滤介质捕获，从而产生电流I_s，该电流可以由电流计15测量，其等于法拉第笼装置16内部每单位时间沉积的电荷。电流I_s的幅度与进入法拉第笼装置16的空气流中大气带电UFP的浓度水平成比例，该比例因子由大气颗粒上的平均电荷确定。如果充电部分18中的颗粒充电通过扩散充电完成，那么I_s与颗粒长度浓度L = N*d_p,av成比例（M . Adachi et.al., Journal of Aerosol Sci. 16（2），pp. 109-123，1985）。

图1a中的UFP传感器进一步设置有颗粒浓度变化部分17，其设置在颗粒充电部分18的下游，能够造成带电UFP的浓度在第一浓度水平与第二浓度水平之间变化。在图1a中，浓度变化部分17被实施为平行板部分（也称为“板部分”），包括由平行板电极表面形成的空气导管19，在所述平行板电极表面之间可以施加电位差V_p。电极板之间的电位差创建了跨导管19的电场。如果跨导管没有施加电场，那么离开板部分的大气带电颗粒的浓度水平（第一浓度水平）将与进入板部分的大气带电颗粒的浓度水平基本上相同。如果跨导管在板之间施加了非零电场，那么进入板部分的大气带电颗粒的至少一部分将静电沉淀（precipitate）到电极表面之一上，从而将离开板部分的大气带电颗粒的浓度水平降低到更小的第二浓度水平。离开板部分的带电颗粒的浓度水平随后由法拉第笼装置16接收，引起由电流计15测量的传感器电流I_s。