CN102486440B - 烟气可吸入颗粒物自动采样仪 - Google Patents
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Abstract
一种采集烟气和废气一类含尘气流中可吸入颗粒物的自动装置，由两个流量自动调节系统协调实现从含尘气流中采集总颗粒物的等动力采样和利用粒径分级器从总颗粒物中分离可吸入颗粒物的恒速采样技术要求；该装置由混合采气嘴(1)、粒径分级器(2)、温湿度传感器(3)、冷凝过滤器(4)、混合气流量传感器(5)、抽气泵及拖动电机(6)、三通分配调节阀(7)、样气流量传感器(8)、含尘气流流速传感器(9)、温湿度修正计算电路(10)、样气流量调节器(11)、混合气流量调节器(12)、调速器(13)或调节阀(14)组成。
Description
所属领域
一种采集烟气和工业废气一类含尘气流中可吸入颗粒物的自动装置，用于环境监测。
背景技术
可吸入颗粒物(Inhalable particulate，缩写IP)是指通过口鼻进入人体呼吸道的空气动力学直径小于10微米颗粒物总称(记作PM10)。特别是其中空气动力学直径小于2.5微米的颗粒(记作PM2.5)能够进入人体肺泡甚至血液系统，对人体健康的危害很大，而且是形成酸雨、光化学烟雾以及霾的重要因素，因此成为衡量环境空气质量的重要指标，监测烟气和工业废气以及沙尘暴一类含尘气流中的可吸入颗粒物浓度尤为重要。
从含有不同粒径的总颗粒物中提取可吸入颗粒物须借助于专门设计的粒径分级器(也称粒径切割器)，当含尘气流以精确且恒定的流速通过粒径分级器时，不同粒径的颗粒物因惯性大小不等而被分离出来散落在相应的捕集器上，从而实现颗粒物的粒径分级。
从含尘气流中采集可吸入颗粒物须分两步进行：首先从含尘气流中采集总颗粒物，进而从总颗粒物中分离出可吸入颗粒物。在从含尘气流中采集总颗粒物时，要求实施‘等动力采样’或‘等速采样’，即：进入采样嘴的样气流速必须等于该点含尘气流的流速。由于含尘气流的速度会经常变化，样气流速在采样装置控制系统的作用下也必然跟踪其不断变化以符合‘等动力采样’的技术要求，但变化的流速不符合粒径分级器对气流速度要求恒定且精确的技术条件，因此基于现有技术设计的烟尘采样仪不能同时满足‘等动力’采样和‘精确而恒定流速’采样相互矛盾的技术要求，亦即无法从烟气或工业废气一类含尘气流中采集可吸入颗粒物。
国外文献曾报道一种由人工操作的实验室用采集烟气中可吸入颗粒物装置的雏形(Ashley D.Williamson、Randal S.Martin、D.Bruce Hrris、Thomas E.Ward：Design andCharacterization of an Isokinetic Sampling Train for Particle Size Measurements Using EmissionGas Recycle，JAPCA，Vo1.37(1987)，No.3，249-253p)，因其操作复杂、设备多而且笨重，不适合现场使用。
发明内容
本发明的目的是提供一种从含尘气流中采集可吸入颗粒物的自动装置，能同时满足‘等动力’采样和‘精确而恒定流速’采样的技术要求。
本发明解决技术问题所采用的方案是：设置两个流速自动调节系统，一个用来保持样气流速跟踪含尘气流的流速变化，以实现‘等动力’采样；另一个用来保持通过粒径分级器的气流速度精确而恒定，以实现粒径精准分级。
实现‘等动力’采样的随动调节系统由温湿度传感器(3)、样气流量传感器(8)、含尘气流流速传感器(95、温湿度修正计算电路(10)、样气流量调节器(11)和三通分配调节阀(7)组成，流速传感器(9)实时测量高温湿态下含尘气流速度，其输出信号作为样气流量调节器(11)的设定值；样气流量传感器(8)实时测量采样装置抽取的已在冷凝过滤器(4)内降为常温并去除水分的干样气流量Qs′，与其对应的输出信号在温湿度修正计算电路(10)中经温、湿度修正后得到高温湿态下的样气流量Qs作为样气流量调节器(11)的测量输入，并与作为设定值的高温湿态下含尘气流速度进行比较，其偏差信号经比例积分运算后控制三通分配调节阀(7)的开度来保持样气流速等于含尘气流的流速，即实现‘等动力’采样；提供粒径分级器所要求的精确而恒定的气流速度的定值调节系统由混合气流量传感器(5)、混合气流量调节器(12)、调速器(13)组成，混合气流量传感器(5)的输出信号作为混合气流量调节器(12)的测量值与根据粒径分级器设计数据确定的设定值进行比较，偏差信号经比例积分运算后输出，通过调速器(13)调节抽气泵的拖动电机转速，保持流经粒径分级器(2)的混合气流速度精确且恒定；或者由混合气流量调节器(12)的输出信号控制调节阀(14)的开度，保持流过粒径分级器(2)的混合气流速精确而且恒定。
附图说明
下面结合附图和两个实施例对本发明进一步说明。
图1是根据本发明提供的技术原理设计的采集含尘气流中可吸入颗粒物自动装置的第一实施例原理框图。
图中1-混合采气嘴，2-粒径分级器，3-温湿度传感器，4-冷凝过滤器，5-混合气流量传感器，6-抽气泵的拖动电机，7-三通分配调节阀，8-样气流量传感器，9-含尘气流流速传感器；10-温湿度修正计算电路，11-样气流量调节器，12-混合气流量调节器，13-调速器；虚线箭头表示测控系统信号传递方向，实线箭头表示气流流动方向。
图2是根据本发明提供的技术原理设计的采集含尘气流中可吸入颗粒物自动装置的第二实施例原理框图。
图3(a)为混合采气嘴1和粒径分级器内部气流组合示意图；图3(b)为混合采气嘴1和粒径分级器组合的外观示意图。
图中1-混合采气嘴，2-粒径分级器，3-温湿度传感器，4-冷凝过滤器，5-混合气流量传感器，6-抽气泵的拖动电机，7-三通分配调节阀，8-样气流量传感器，9-含尘气流流速传感器；10-温湿度修正计算电路，11-样气流量调节器，12-混合气流量调节器，14-调节阀；虚线箭头表示测控系统信号传递方向，实线箭头表示气流流动方向；Qs-样气流量，Qr-循环气流量。
第一实施例的气路连接方式：混合采气嘴(1)与粒径分级器(2)设计加工成一体，从粒径分级器(2)出来的混合气由温湿度传感器(3)测量温度和湿度数值后进入冷凝过滤器(4)降温并去除样气中所含水分，再与流量传感器(5)和抽气泵的拖动电机(6)串接后，由三通分配调节阀(7)将混合气分成两路，其中一路为循环气Qr，沿伴热循环管路进入混合采气嘴的循环气入口；另一路为样气，经流量传感器(8)排出；电路连接方式由虚线表示：混合气流量传感器(5)的输出信号接至混合气流量调节器(12)的测量信号输入端，混合气流量调节器(12)的输出接调速器(13)的控制信号输入端，调速器(13)的输出接抽气泵的拖动电机(6)，通过控制电机转速，保持混合气流量为恒定值，满足粒径分级器对流速的要求；样气流量传感器(8)的输出信号与温湿度传感器(3)的输出信号同时接入温湿度修正计算电路(10)，对样气流量传感器(8)测量的低温干气体流量信号进行温湿度修正计算后接入样气流量调节器(11)作为测量信号，含尘气流流速传感器(9)的输出信号接样气流量调节器(11)作为设定信号，样气流量调节器(11) 的输出信号接三通分配调节阀(7)的控制输入端，通过改变三通分配调节阀的开度使进入混合采样嘴的样气Qs与由传感器(9)测得的含尘气流速度相等，实现等动力采样。
第二实施例与第一实施例的区别仅在于混合气流量定值调节系统的执行单元由调节阀(14)替代调速器(13)，混合气流量调节器(12)的输出接调节阀(14)的控制输入端，通过改变调节阀的开度来保持混合气流量为恒定值，满足粒径分级器对流速的要求。
循环气管路需加装伴热带加热，用来保持进入混合采气嘴(1)的循环气的温度与含尘气流的温度一致，以免进入混合采气嘴的高温高湿样气与温度过低的循环气混合时被冷凝结水，影响粒径分级效果。
最佳实施例混合采样嘴(1)和粒径分级器(2)自行设计加工，内部结构及外形设计另案申报；温湿度传感器(3)采用市售元件，冷凝过滤器(4)自行设计并外委加工，混合气流量传感器(5)、样气流量传感器(8)选用市售热丝式流量传感器，抽气泵(6)和调速器(13)选用市售烟尘采样器的配套部件一由无刷电机拖动的刮板泵及调速电路，空载流量为60～801/min；含尘气流流速传感器(9)采用市售皮托管及配套微差压传感器；调节器(11)和(12)选用市售数字式比例积分调节器，输出信号均为4-20mA；与无刷电机配套购入；三通配比分配调节阀(7)和电动调节阀(14)选用市售商品，外接控制信号为4-20mA。
Claims (6)
1.一种采集含尘气流中可吸入颗粒物的自动装置，由两个流速自动调节系统协调实现从含尘气流中采集总颗粒物的等动力采样和利用粒径分级器从总颗粒物中分离可吸入颗粒物的恒速采样技术要求；该装置由混合采气嘴(1)、粒径分级器(2)、温湿度传感器(3)、冷凝过滤器(4)、混合气流量传感器(5)、拖动电机(6)、三通分配调节阀(7)、样气流量传感器(8)、含尘气流流速传感器(9)、温湿度修正计算电路(10)、样气流量调节器(11)、混合气流量调节器(12)、调速器(13)或调节阀(14)组成，其技术特征是：气路连接方式为混合采气嘴(1)与粒径分级器(2)设计加工成一体，粒径分级器(2)的出口与冷凝过滤器(4)、混合气流量传感器(5)和拖动电机(6)串接后，由三通分配调节阀(7)将混合气分成两路：其中一路为伴热循环气管路，与混合采气嘴(1)的循环气入口连接；另一路通过样气流量传感器(8)排出；电路连接方式为混合气流量传感器(5)的输出信号接至混合气流量调节器(12)的测量信号输入端，混合气流量调节器(12)的输出接调速器(13)的控制信号输入端，调速器(13)的输出接抽气泵的拖动电机(6)的供电端；样气流量传感器(8)的输出信号与温湿度传感器(3)的输出信号同时接入温湿度修正计算电路(10)，温湿度修正计算电路(10)的输出信号接入样气流量调节器(11)的测量端；含尘气流流速传感器(9)的输出信号接样气流量调节器(11)的设定端，样气流量调节器(11)的输出信号接三通分配调节阀(7)的控制输入端，通过改变三通分配调节阀的开度使进入混合采样嘴的样气与由传感器(9)测得的含尘气流速度相等，实现等动力采样。
2.根据权利要求1所述装置，其特征是：由混合气流量传感器(5)、混合气流量调节器(12)、调速器(13)和抽气泵的拖动电机(6)构成混合气流量定值调节系统，通过控制抽气泵拖动电机转速保持流经粒径分级器的混合气流速精确而恒定，满足粒径分级器的技术条件。
3.根据权利要求1所述装置，其特征是：由混合气流量传感器(5)、混合气流量调节器(12)、调节阀(14)构成混合气流量定值调节系统，通过改变调节阀(14)的开度保持流经粒径分级器的混合气流速精确而恒定，满足粒径分级器的技术条件。
4.根据权利要求1所述装置，其特征是：由温湿度传感器(3)、样气流量传感器(8)、含尘气流流速传感器(9)、温湿度修正计算电路(10)、样气流量调节器(11)和三通分配调节阀(7)构成样气流速跟踪含尘气流流速变化的随动调节系统，实现等动力采样。
5.根据权利要求1所述装置，其特征是：采用安装在样气排出管路或循环气管路上的两通调节阀代替三通分配调节阀(7)，具有相同效果。
6.根据权利要求1所述装置，其特征是：该自动装置还能够用来采集隧道和通风道内流动空气中的可吸入颗粒物以及沙尘暴所含可吸入颗粒物。
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