等速天平煙塵顆粒物濃度直讀可攜式測量系統和方法與流程
2023-04-24 05:43:11
本發明涉及有組織或者無組織排放的顆粒物濃度測量，如煙塵直讀等，特別是涉及一種基於等速天平的煙塵等顆粒物濃度直讀的可攜式測量系統和方法。
背景技術：
目前的有組織排放或者無組織排放的顆粒物濃度測量，煙塵或者無組織排放的顆粒物濃度測試在全國範圍內屬於常規監測，日常的監測任務非常繁重。
在大氣顆粒物檢測的方法中，振蕩天平法為原理的現場煙塵直讀測試儀在國內外已經得到廣泛應用。但是採用振蕩天平法測量的煙塵流量一般在1l/min左右，應用在「空氣」顆粒物(如pm2.5\10\tsp)、「微克級別」的濃度的測量中。
而在有組織排放或者無組織排放的顆粒物濃度檢測中，其汙染物的特點是：排放的煙塵顆粒物流量大，顆粒物的濃度相對空氣中要高得多(一般毫克級別)，溼度大，顆粒密度多變等特點，按照gb16157(固定汙染源排氣中顆粒物和氣態汙染物採樣方法)的要求不能採用「全流」的方式用於「等速」或定流量(一般20～30l/min左右)的測量，尤其是在煙塵的高精度直讀方面；因此就很難將振蕩天平法應用到煙塵或是無組織排放的檢測中。
在目前的煙塵或者無組織排放的檢測中，通常是選用濾膜稱重法，與振蕩天平法相比，其需要在現場採集樣本、回實驗室熱處理後再稱量質量，進而獲得質量濃度、排放濃度等數據，周期長，耗費大量人力、財力、物力，不符合國家倡導的低碳環保、高效的政策；而且濾膜稱重法需要攜帶的設備很多，佔用較大空間；在目前已有的應用在固定源煙塵檢測的專利有「cn201520460472.5一種帶有分流結構的振蕩天平煙塵濃度直讀測量儀」，但其方法核心內容為採用「分流」方案，人為的將排放物分為兩股，但是分流的兩股排放物的實時「等速」性很難人為控制，而煙塵的「等速」將影響振蕩天平測量結果準確性，直接影響檢測結果的準確性；並且該分流系統非常複雜，不適合用於高空、狹窄、環境惡劣的可攜式快速現場測試。
技術實現要素：
針對上述問題，本專利提供了一種基于振蕩天平法的煙塵顆粒物濃度可攜式測量系統和方法，採用本裝置在目前的煙塵或者無組織排放的檢測中可以實現「現場直讀」(現場可得顆粒物濃度、排放濃度等最終檢測數據)、並且便於攜帶；檢測結果準確符合國家檢測標準。
本發明所採取的技術方案如下：
等速天平煙塵顆粒物濃度直讀可攜式測量系統和方法，包括質量採集單元、傳感器組件、採樣頭、中心處理單元，所述質量採集單元包括：振腔，在振腔內設有振膜和振杆，所述振杆頂端的入口孔徑為7-9mm，振杆的壁厚為0.45-0.55mm，振杆的末端孔徑為19-21mm；長度為100-120mm，振杆側面為曲線，所述振膜設置在振杆頂部；振腔上方設有進氣口，振腔下方設有出氣口，振腔內設有傳感器組件；所述傳感器組件包括溫度傳感器、流速傳感器、壓力傳感器；所述採樣頭安置到廢氣排放管道中，與進氣口連接；在廢氣管道中同樣設有傳感器組件；所述中心處理單元包括中心處理器、煙塵流量檢測及控制單元、採樣泵；所述中心處理單元與質量採集單元、傳感器組件相互通訊，採樣泵通過管路與振腔出氣口連接。
進一步的：所述振腔包括下腔以及鉸接在下腔一側的上腔蓋，下腔與上腔蓋之間設有密封條、減振器、保溫層以及隔振層，振腔四壁設有發熱元件。
進一步的：所述進氣口設置在上腔蓋上，具有進氣接口以及導向通道；所述導向通道上端與進氣接口連接，下端向下擴展將振膜罩住。
進一步的：還包括取樣管，所述取樣管設置在採樣頭與質量採集單元之間，所述取樣管內壁包裹有發熱元件。
進一步的：還包括取樣管，所述取樣管設置在質量採集單元與中心處理單元之間。
等速天平煙塵顆粒物濃度直讀可攜式測量系統和方法，包括如下步驟：
(1)在煙道中設置傳感器組件，通過傳感器組件將煙道中的煙溫、流速、煙氣壓力的相關信息傳遞給中心處理單元；
(2)通過質量採集單元完成煙道內煙塵中顆粒物的質量測量，通過質量採集單元內的傳感器組件將信息傳遞給中心處理單元；
(3)中心處理單元完成煙塵體積採集，結合質量採集單元的質量採集數據、以及煙道內煙氣的數據計算獲得質量濃度、排放濃度最終數據。
有益效果
本發明適合用於高空、狹窄、環境惡劣的可攜式快速現場測試。通過中心處理器實現了「現場直讀」、通過特殊結構的振杆能實現煙塵的「全流」、通過煙塵流量檢測及控制單元能實現煙塵流速的「等速」、並且實現了便攜、符合國家標準的測量系統和方法，大大縮短檢測周期。
附圖說明
圖1本發明的結構示意圖一；
圖2本發明的結構示意圖二；
圖3為本發明的一個振腔內部結構示意圖；
圖4為採用本發明的採樣和濾膜稱重法的煙塵顆粒物質量稱重對比數據；
圖中：1-溫度傳感器、2-流速傳感器、3-煙氣壓力傳感器、4-採樣彎頭、5-發熱元件、51保溫層；
6-質量採集單元、61-振膜、62-振杆、63-振腔、631上腔蓋、632下腔，進氣口66、出氣口65、減震器67；
7-廢氣排放管道；8-含顆粒的樣本氣流、9-中心處理單元、10-取樣管。
具體實施方式
下面結合具體實施例及附圖對本發明做進一步詳細說明。
如圖1、圖2、圖3所示，等速天平煙塵顆粒物濃度直讀可攜式測量系統和方法，包括質量採集單元、傳感器組件、採樣頭、中心處理單元，所述質量採集單元包括：振腔，在振腔內設有振膜和振杆，所述振杆頂端的入口孔徑為7-9mm，振杆的壁厚為0.45-0.55mm，振杆的末端孔徑為19-21mm；長度為100-120mm，振杆側面為曲線，所述振膜設置在振杆頂部；振腔上方設有進氣口，振腔下方設有出氣口，振腔內設有傳感器組件；所述傳感器組件包括溫度傳感器、流速傳感器、壓力傳感器；所述採樣頭安置到廢氣排放管道中，與進氣口連接；在廢氣管道中同樣設有傳感器組件；所述中心處理單元包括中心處理器、煙塵流量檢測及控制單元、採樣泵；所述中心處理單元與質量採集單元、傳感器組件相互通訊，採樣泵通過管路與振腔出氣口連接。
本發明在煙塵或者無組織排放的檢測中，通過上端開口小、下端開口大、側面為曲線的振杆，振杆上部為錐形杆、中間內凹、底部外凸，每部分之間都圓滑過渡，從頂端到末端為自由成型形成流暢的內凹的自由曲面，與以往的錐形振杆相比，此形狀的振杆在煙塵流量不穩定時，尤其是在煙塵顆粒密度多變的情況下，振動反饋結果穩定可靠，在煙塵顆粒密度穩定的情況下振杆上部的起主要作用，當煙塵顆粒密度不穩定時，位於下方的凸出的拱形空間，對于振動的反饋更為敏感，保證質量採集的精度，無需將振膜取下測量，更適合在煙塵或者無組織排放的檢測中使用。
振杆的入口孔徑控制在8mm左右，可以實現大流量的煙塵採集，例如20～30l/min左右的煙塵流量的檢測、採集。中心處理單元與各傳感器組件、質量採集單元均為通訊，可以恆定溫度在30至110攝氏度根據固定汙染源有組織或者無組織排放的採樣工況可設定；分辨能力可以達到0.1毫克，達到高精度，實現現場直讀。振腔內的傳感器組件的設置，通過中心處理器可以實現自動自動補償，以適應多樣化的工作環境。
振杆的各處具體參數在實際的使用過程中，根據不同的流量和分辨精度按照材料力學原理，調整振杆各參數獲得所需的質量解析度。
在中心處理單元中，設置的中心處理器可以是plc控制器，或是其他可以實現該功能的智能處理器，在此不做限定。
在本實施例中，採用電磁鐵產生的磁場為振杆提供策動力；煙塵流量檢測及控制單元通過流速傳感器的反饋對煙塵的流速實時調整(通過控制採樣泵的轉速來達到調整目的)，保證煙塵的流速在一個恆定值內；質量採集單元通過測量出一定間隔時間通氣前後兩個振杆的兩個固有頻率，可以計算出濾膜上的顆粒物質量，再除以此段時間內流過的煙塵總體積就可以得到顆粒物的平均濃度，以上所有數據處理都由中心處理器完成。
進一步的：所述振腔包括下腔以及鉸接在下腔一側的上腔蓋，下腔與上腔蓋之間設有密封條、減振器、保溫層以及隔振層，振腔四壁設有發熱元件。
減振器的具體結構以及形式在此不做限定，可以是彈性材料包裹振腔、或是其他相應的結構。
在本實施例中，通過在振腔的隔振層以及減振器，通過設置減震器，使得振動不外傳，避免引起二次振動；通過設置減振層在振杆的振動瞬心位置，避免振動能量耦合進來，使振杆的振動只有在有煙塵通過時才會發生，在煙塵處於大流量、顆粒物濃度變化時，可以很好的適應，避免振蕩不穩定；進一步提高結果的準確性。
進一步的：進氣口設置在上腔蓋上，具有進氣接口以及導向通道；導向通道上端與進氣接口連接，下端向下擴展將振膜罩住。
導向通道保證煙塵流通穩定性更好，保證採集的煙塵全部穿過振膜，結果準確穩定。
在本實施例中，取樣管如果設置在質量採集單元前與進氣口連通，那麼採樣管內壁上需要包裹有發熱元件，保證煙塵在進入質量採集單元時，處於高溫，如果取樣管設置在質量採集單元之後與出氣口連接，那無需設置發熱元件。
等速天平煙塵顆粒物濃度直讀可攜式測量系統和方法，包括如下步驟：
(1)在煙道中設置傳感器組件，通過傳感器組件將煙道中的煙溫、流速、煙氣壓力的相關信息傳遞給中心處理單元；
(2)通過質量採集單元完成煙道內煙塵中顆粒物的質量測量，通過質量採集單元內的傳感器組件將信息傳遞給中心處理單元；
(3)中心處理單元完成採樣體積採集，結合質量採集單元的質量採集數據、以及煙道內煙氣的數據計算獲得質量濃度、排放濃度最終數據。
當採樣氣流通過濾膜，其中的顆粒物沉積在濾膜上，濾膜的質量變化導致振蕩頻率的變化，通過振蕩頻率變化計算出沉積在濾膜上顆粒物的質量，再根據流量、現場環境溫度和氣壓計算出該時段顆粒物的質量濃度，在此不做贅述。
圖4所示，在本實施例中，提供了一種振杆的具體尺寸，杆頂端的入口孔徑8mm，振杆的壁厚0.5mm，振杆的末端孔徑20mm；長度110mm，在煙塵流量25l/min時，採用本方法與與濾膜稱重法測得的顆粒物質量對比數值，顆粒物的質量誤差在5％以內，採用本發明裝置採集的數據測量結果準確、可信度高，可以實現「全流」、「等速」、便攜。尤其適用於高空、狹窄、環境惡劣的可攜式快速現場測試。
以上所述，僅是本發明的較佳實施例而已，並非是對本發明作其它形式的限制，任何熟悉本專業的技術人員可能利用上述揭示的技術內容加以變更或改型為等同變化的等效實施例應用於其它領域，但是凡是未脫離本發明技術方案內容，依據本發明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與改型，仍屬於本發明技術方案的保護範圍。