CN104165785B - 一种智能恒流低流量气体采集检测装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能恒流低流量气体采集检测装置，包括吸收器、气体流量传感器、抽气泵、以及用于接收、分析、处理气体流量传感器产生的信号和控制抽气泵的中央控制系统和闭环控制电路，在吸收器与气体流量传感器之间设有用于滤除气流中波动的尖峰并削减气流波动幅值的气路阻尼滤波器，在气体流量传感器与抽气泵之间设有用于缓冲和平稳抽气泵所产生的抽气气流的缓冲气容。本发明通过气路阻尼滤波器滤波和缓冲气容缓冲气流，同时结合电路脉宽调制调速，保证了采气体积的准确度和仪器的负载能力，流量电信号输出，数字显示，实现了流量闭环自动控制和自动恒流采样，提高了被测气体质量浓度的准确度。

Description

一种智能恒流低流量气体采集检测装置与方法

技术领域

本发明属于环境监测技术领域，涉及气体有害成分的采集检测装置与方法，具体涉及一种智能恒流低流量气体采集检测装置及方法。

背景技术

低流量个体空气采样器是用于采集大气环境及车间现场中的二氧化硫、一氧化碳、氮氧化物等有害气体的专用必备仪器，广泛适用于室内外大气环境监测、疾病预防、安监、军事、气象、科研教学、冶金、化工、铁路、建材等领域的卫生监测和评价。空气采样器测量空气中有害气体质量浓度的方法是计重法，其原理是先抽取一定体积的空气，空气中的有害成分被采样瓶中的吸收液吸收，在实验室分析出吸收液中有害成分的质量，再根据下列公式计算出空气中有害成分的质量浓度：

$\mathrm{\ρ}=\frac{m}{\mathrm{qt}}\×1000$

式中：ρ——气体的质量浓度,mg/m³；

m——吸收液中有害气体的质量，mg；

q——采样流量，L/min；

t——采样时间，min；

由上式可知，准确测量有害气体的质量浓度，在于控制好采样流量(q)和采样时间(t)，采样时间控制不存在大的问题，关键在于控制采样流量，采样流量的波动，必然导致采气累计体积的误差，由此导致气体质量浓度的误差，为了精确计量累计采气体积，提出了控制采样流量、恒流采样的课题。现有的气体采样器大多采用转子流量计计量瞬时采气流量，它存在两个问题：一是在采样时，当采样器转子流量计调定瞬时流量后，采样器随采样时间的增加，由于采样器的抽气泵震动头、气路阻力的变化，原调定的瞬时流量就会随之变化，由此带来了采气体积的误差；二是转子流量计不是电信号输出，无法实现反馈控制、自动补偿修正，即不能构成闭环控制系统。为了保证气体采样充分吸收，通常要求低流量采集吸收，这是因为过大流量采气会导致吸收液吸收采集对象不充分，在低流量闭环控制采气系统中，如何解决采样流量低端启动、低端流量平稳性及采样负载能力是问题的关键。

发明内容

本发明的目的是针对上述缺陷，提供一种智能恒流低流量气体采集检测装置，该装置解决了气体采样低端启动流量波动大的问题，并且兼顾了流量下限的平稳启动与流量上限的负载能力，实现了采样流量的自动闭环控制，提高了采气体积的准确性。

一种智能恒流低流量气体采集检测装置，包括吸收器、气体流量传感器、抽气泵、以及用于接收、分析、处理气体流量传感器产生的信号和控制抽气泵的中央控制系统和闭环控制电路，所述吸收器的出气口通过管道与气体流量传感器的进气口连通，所述气体流量传感器的出气口通过管道与抽气泵的进气口连通，在吸收器与气体流量传感器之间设有用于滤除气流中波动的尖峰并削减气流波动幅值的气路阻尼滤波器，在气体流量传感器与抽气泵之间设有用于缓冲和平稳抽气泵所产生的抽气气流的缓冲气容。

优选的，所述气路阻尼滤波器由依次密闭连通的进气管、气容管、出气管组成，所述气容管的内径为进气管或出气管的内径的3～5倍，所述气容管内设有气体过滤膜，所述气体过滤膜的孔径为0.15～0.6μm，厚度为0.3～1.5mm。

优选的，所述气容管由进气端气容管和出气端气容管两部分组成，所述进气端气容管和出气端气容管之间气密封连接。

优选的，所述出气端气容管的内部设有卡簧，所述气体过滤膜的边缘固定在卡簧上，所述气体过滤膜与出气端气容管之间设有密封圈。

优选的，在吸收器与气路阻尼滤波器之间设有用于分离并吸收水分的气水分离器。

一种智能恒流低流量气体采集检测方法，包括以下步骤：

1)通过中央控制系统启动抽气泵，并通过缓冲气容平稳抽气泵所产生的抽气气流，使密闭的管路内形成负压；

2)采集的气体在负压的作用下进入密闭的管路，首先通过吸收器，气体中的待测成分被吸收器中的吸收液吸收，然后检测待测成分的质量；

3)吸收待测成分后的气体通过气水分离器分离水分后进入气路阻尼滤波器，滤除气流中波动的尖峰并削减气流波动的幅值；

4)气体滤波后进入气体流量传感器，气体流量传感器将检测到的流量数据反馈到中央控制系统，由中央控制系统对数据进行分析、处理，并根据设定流量的大小对抽气泵进行调节；

5)气体通过缓冲气容和抽气泵排出；

6)根据待测成分的质量和气体流量、时间计算气体中的待测成分的浓度。

吸收器内装有分析对象的相应吸收液，用于吸收空气中的待测成分(如二氧化硫、一氧化碳、氮氧化物等有害气体)，待测成分被吸收后，即可用对应的化学分析方法测出其质量；气水分离器用于防止吸收液窜入气路阻尼滤波器、气体流量传感器等部件进入仪器内部，从而影响仪器的检测准确性和使用寿命。

气路阻尼滤波器中的气体过滤膜不仅能过滤空气中的固体杂质，防止杂质对流量检测的准确性造成影响和损坏后面的仪器部件，同时能增加气流的阻尼，使输出的气流变得更加平稳，气容管内较大直径的气容腔起滤除气流波动的尖峰及削减气流波动幅值的作用。气路阻尼滤波器中气体过滤膜的孔径、厚度是调节气流阻尼大小的关键，膜的孔径太小、厚度太大，会造成阻尼过大，负载能力过多地消耗在阻尼上，导致检测的流量上限达不到；反之，阻尼过小会造成气流不够平稳，影响检测结果。气容管的内径还会对检测的误差和灵敏度造成影响，气容管的内径太小，就起不到滤除气流的尖峰及削减气流波动幅值的作用，检测仪器显示的数值就会剧烈波动，从而增加了检测的误差，气容管的内径太大，又会造成检测的灵敏度达不到，检测仪器响应过慢，再者也受到采样仪器体积的限制。因此，阻尼的大小既要满足检测流量下限的准确度和稳定性，又要使流量上限具有满足要求的负载能力。气容管由两段组成是为了便于拆卸、更换气体过滤膜，防止过滤膜破损或吸附过多的杂质后影响阻尼滤波的效果。

气体流量传感器能计量采气流量，并为中央控制系统提供流量电信号；缓冲气容用于缓冲平稳抽气气流，在采样器流量范围的高端，在没有缓冲气容时，抽气泵脉动抽气产生的气流尖峰以及气流的波动，会造成气体流量传感器不能读数，而有了缓冲气容，就会使气体采样的进气(瞬时流量)变得很平稳，从而进一步提高气体流量检测的准确度。

本发明还具有操作简单、快速，使用方便等特点。

附图说明

图1是本发明装置的结构示意图；

图2是本发明装置中气路阻尼滤波器的剖面结构示意图；

图3是本发明装置中缓冲气容的剖面结构示意图。

图中：1-吸收器，2-气体流量传感器，3-抽气泵，4-气路阻尼滤波器，41-进气管，42-气容管(421-进气端气容管、422-出气端气容管、423-密封垫、424-卡簧、425-密封圈)，43-出气管，44-气体过滤膜，5-缓冲气容(51-锁紧板、52-压板、53-腔室、54-膜片、55-弹簧、56-进气口、57-出气口、58-螺钉)，6-气水分离器，7-中央控制系统，8-闭环控制电路。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

一种智能恒流低流量气体采集检测装置，包括吸收器1、气体流量传感器2、抽气泵3、以及用于接收、分析、处理气体流量传感器2产生的信号和控制抽气泵3的中央控制系统7和闭环控制电路8，所述吸收器1的出气口通过管道与气体流量传感器2的进气口连通，所述气体流量传感器2的出气口通过管道与抽气泵3的进气口连通，在吸收器1与气体流量传感器2之间设有用于滤除气流中波动的尖峰并削减气流波动幅值的气路阻尼滤波器4，在气体流量传感器2与抽气泵3之间设有用于缓冲和平稳抽气泵3所产生的抽气气流的缓冲气容5，在吸收器1与气路阻尼滤波器4之间设有用于分离并吸收水分的气水分离器6。

所述气路阻尼滤波器4由依次密闭连通的进气管41、气容管42、出气管43组成，所述气容管42的内径为进气管41或出气管43的内径的4倍，所述气容管42内设有气体过滤膜44，所述气体过滤膜44的孔径为0.3μm，厚度为0.8mm。所述气容管42由进气端气容管421和出气端气容管422两部分组成，所述进气端气容管421和出气端气容管422之间通过密封垫423气密封连接。所述出气端气容管422的内部设有卡簧424，所述气体过滤膜44的边缘固定在卡簧424上，所述气体过滤膜44与出气端气容管422之间设有密封圈425。

所述缓冲气容5包括锁紧板51和压板52，锁紧板51和压板52之间设有用于气体流通的密闭的腔室53，腔室53内设有两块平行的膜片54，膜片54之间设有弹簧55，腔室53上设有进气口56和出气口57，锁紧板51和压板52通过螺钉58固定。

在抽气泵3抽气时，则膜片54在负压的作用下向内收缩，当负压过大时，则膜片54在自身弹性和弹簧55回复力的作用下阻止膜片54向内收缩，阻止腔室53的体积减小，起到削减抽气尖峰能量的作用，从而使得进气气流相对平稳。

检测方法是：

1)先通过中央控制系统7和闭环控制电路8启动抽气泵3，并通过缓冲气容5平稳抽气泵3所产生的抽气气流，使密闭的管路内形成负压；

2)采集到的气体在负压的作用下进入密闭的管路，首先通过吸收器1，气体中的待测成分被吸收器1中的吸收液吸收，然后检测待测成分的质量；

3)吸收待测成分后的气体通过气水分离器6分离水分后进入气路阻尼滤波器4，滤除气流中波动的尖峰并削减气流波动的幅值；

4)气体滤波后进入气体流量传感器2，气体流量传感器2将检测到的流量数据反馈到中央控制系统7，由中央控制系统7对数据进行分析、处理，中央控制系统根据设定流量的大小对抽气泵3的抽气流量进行调节，闭环自动控制，实现恒定流量采样；

5)气体通过缓冲气容5和抽气泵3排出；

6)根据待测成分的质量和气体流量、时间计算气体中的待测成分的浓度。

本实施例与同类产品或检测方法相比具有以下优势：

通过增加气路阻尼滤波器4和缓冲气容5，有利于抽气泵3在流量低端的平稳启动，也保证了仪器在流量上限的负载能力；抽气泵3采用PWM脉宽调制，调整脉宽的占空比来调速，用流量信号作为反馈信号，进行流量闭环控制，从而自动恒流采集被测空气，大大提高了气体流量的稳定性及累计采气体积的准确度，保证了监测有害物质浓度的可靠性。

本发明通过气路阻尼滤波器4滤波和缓冲气容5缓冲气流，同时结合电路脉宽调制调速，保证了采气体积的准确度和仪器的负载能力，测得的流量电信号输出后用数字显示，实现了流量闭环自动控制和自动恒流采样，从而提高了被测气体质量浓度的准确度。

与没有气路阻尼滤波器4的检测装置相比，在同一系统中检测的流量下限由0.30L/min降低到0.05L/min，满足流量范围要求：0.05L/min～1.00L/min；流量稳定性由5％提高到2.5％以内，准确度提高到2.5％以内。

与没有缓冲气容5的检测装置相比，在同一系统中检测的流量下限由0.35L/min降低到0.20L/min，流量稳定性由8％提高到5％，准确度提高3％。

与CN 103512587 A公开的气路检测滤波器相比，检测的流量下限均可达到0.05L/min的要求，在0.10L/min采样流量时本发明流量稳定显示响应时间可缩短3～5秒，流量上限的负载能力在正常配置下还有不低于-8kPa的负载能力，流量上限增加0.4L/min。CN 103512587 A公开的气路检测滤波器不太适合串接于气路中采样，气路阻力大，流量范围不够宽，只适于气路压力信号滤波测量。

本发明中所涉及到的吸收器1、气体流量传感器2、抽气泵3、气水分离器6、中央控制系统7等均为本领域的常用设备，可通过各种商业途径获得。

Claims (5)

1.一种智能恒流低流量气体采集检测装置，包括吸收器(1)、气体流量传感器(2)、抽气泵(3)以及用于接收、分析、处理气体流量传感器(2)产生的信号和控制抽气泵(3)的中央控制系统(7)和闭环控制电路(8)，所述吸收器(1)的出气口通过管道与气体流量传感器(2)的进气口连通，所述气体流量传感器(2)的出气口通过管道与抽气泵(3)的进气口连通，其特征在于：在吸收器(1)与气体流量传感器(2)之间设有用于滤除气流中波动的尖峰并削减气流波动幅值的气路阻尼滤波器(4)，在气体流量传感器(2)与抽气泵(3)之间设有用于缓冲和平稳抽气泵(3)所产生的抽气气流的缓冲气容(5)，

所述气路阻尼滤波器(4)由依次密闭连通的进气管(41)、气容管(42)、出气管(43)组成，所述气容管(42)的内径为进气管(41)或出气管(43)的内径的3～5倍，所述气容管(42)内设有气体过滤膜(44)，所述气体过滤膜(44)的孔径为0.15～0.6μm，厚度为0.3～1.5mm，

所述气容管(42)由进气端气容管(421)和出气端气容管(422)组成，所述进气端气容管(421)和出气端气容管(422)气密封连接，

所述出气端气容管(422)的内部设有卡簧(424)，所述气体过滤膜(44)的边缘固定在卡簧(424)上，所述气体过滤膜(44)与出气端气容管(422)之间设有密封圈(425)。

2.如权利要求1所述的智能恒流低流量气体采集检测装置，其特征在于：在吸收器(1)与气路阻尼滤波器(4)之间设有用于分离并吸收水分的气水分离器(6)。

3.一种智能恒流低流量气体采集检测方法，其特征在于包括以下步骤：

1)通过中央控制系统(7)启动抽气泵(3)，并通过缓冲气容(5)平稳抽气泵(3)所产生的抽气气流，使密闭的管路内形成负压；

2)采集的气体在负压的作用下进入密闭的管路，首先通过吸收器(1)，气体中的待测成分被吸收器(1)中的吸收液吸收，然后检测待测成分的质量；

3)吸收待测成分后的气体通过气水分离器(6)分离水分后进入气路阻尼滤波器(4)，滤除气流中波动的尖峰并削减气流波动的幅值；

4)气体滤波后进入气体流量传感器(2)，气体流量传感器(2)将检测到的流量数据反馈到中央控制系统(7)，由中央控制系统(7)对数据进行分析、处理，并根据设定流量的大小对抽气泵(3)进行调节；

5)气体通过缓冲气容(5)和抽气泵(3)排出；

6)根据待测成分的质量和气体流量、时间计算气体中的待测成分的浓度。

4.如权利要求3所述的智能恒流低流量气体采集检测方法，其特征在于：所述气路阻尼滤波器(4)由依次密闭连通的进气管(41)、气容管(42)、出气管(43)组成，所述气容管(42)的内径为进气管(41)或出气管(43)的内径的3～5倍，所述气容管内设有气体过滤膜，所述气体过滤膜的孔径为0.15～0.6μm，厚度为0.3～1.5mm。

5.如权利要求3所述的智能恒流低流量气体采集检测方法，其特征在于：所述缓冲气容(5)包括锁紧板(51)和压板(52)，锁紧板(51)和压板(52)之间设有用于气体流通的密闭的腔室(53)，腔室(53)内设有两块平行的膜片(54)，膜片(54)之间设有弹簧(55)，腔室(53)上设有进气口(56)和出气口(57)，锁紧板(51)和压板(52)通过螺钉(58)固定。