CN104764631A - 一种便携式污染源稀释通道气溶胶采样装置及流化舱 - Google Patents

Abstract

一种便携式污染源稀释通道气溶胶采样装置及流化舱，包括采样嘴、采样管、皮托管、加热装置、稀释器、颗粒物切割器、流化舱、干燥器、过滤器、三通、电磁阀、抽气泵、循环气回路、单片机、管道温度传感器T_s、管道压力传感器P_s、皮托管差压传感器△P₁、温度传感器T_g、温度传感器T_c、压力传感器P_c、流量传感器Q_c、压力传感器P_r、流量传感器Q_r、键盘、显示器、通讯接口。本发明能将管道内高温度、高湿度、高浓度的样气稀释，实现样气等速采样和颗粒物恒流分离；将管道内的气溶胶样品采集到流化舱中，在流化舱内，气溶胶中颗粒物克服重力沉降作用处于流动状态。

Description

一种便携式污染源稀释通道气溶胶采样装置及流化舱

技术领域

本发明涉及一种便携式污染源稀释通道气溶胶采样装置及流化舱，属于环保监测仪器领域。

背景技术

从污染源排放管道（以下简称管道）中采集气溶胶样品时，由于管道内气体的湿度、温度比环境湿度、温度高，在采样系统中会发生许多动力学物理化学动态过程（成核作用、凝结作用、压缩作用等）和化学过程，影响采样结果。为避免采样过程中样气中颗粒物的粒径变化及样气成分变化，得到有代表性的监测结果，必须把管道中高温、高湿和高浓度样气的温度、湿度和浓度降低后采样。

从管道中采集特定粒径的气溶胶样品送至化验室自动分析仪器分析的过程中，需要的技术措施还包括：实施等速采样技术采集管道中的气溶胶样品；应用颗粒物切割器将特定粒径的颗粒物从样气中分离出来；将采集到的气溶胶样品盛在一个容器中带回化验室分析，期间，颗粒物样品在容器中应处于悬浮状态。现有技术不能同时完成上述要求。

已有的技术是：

1.用射流技术将样气从管道内取出后稀释，使样气湿度、温度、浓度降低后采集样品，缺点是采用射流技术时，采样流速不能跟踪管道内气体流速变化。因此，无法实现等速采样。

2. 现有的烟尘采样器能利用等速采样技术采集颗粒物样品，但不能将颗粒物按粒径分离，且不能解决高温、高湿样气结露问题。因此，现有技术不能将特定粒径的颗粒物样品从样气中分离出来，无法采集特定粒径的颗粒物样品。

3.利用颗粒物切割器分离样气中的特定颗粒物，要求进入颗粒物切割器的样气流速恒定，而等速采样时，须自动跟踪管道内气体流速的变化，实施等速采样，即当管道内气体流速变化时，进入颗粒物切割器的样气流速也变化，因而分离出的颗粒物粒径是不确定的，且随样气流速变化而变化，不能获得理想的样品。

4.利用气袋采集气溶胶样品，由于采样现场至化验室距离较远，将样品从现场送至化验室一般需要2~3个小时，在运输过程中，样气中的颗粒物因重力沉降原因沉降在气袋内。因此，无法为分析仪器提供足够的悬浮样品。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对现有技术所存在的不足，提供一种便携式污染源稀释通道气溶胶采样装置及流化舱，利用皮托管等速采样原理，利用稀释器、颗粒物切割器、循环气回路及压力、差压、温度、流量传感器和单片机测控技术，能实现管道内样气等速采样和颗粒物恒流分离的功能，将管道内的气溶胶样品采集到流化舱内，在流化舱内，气溶中胶颗粒物样品克服了重力沉降作用，悬浮于流化舱内。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种便携式污染源稀释通道气溶胶采样装置及流化舱，包括：采样嘴、采样管、皮托管、加热装置、稀释器、颗粒物切割器、流化舱、干燥器、过滤器、三通、电磁阀、抽气泵、循环气回路、单片机、管道温度传感器T_s、管道压力传感器P_s、皮托管差压传感器△P₁、温度传感器T_g、温度传感器T_c、压力传感器P_c、流量传感器Q_c、压力传感器P_r、流量传感器Q_r、键盘、显示器、通讯接口；所述采样嘴、采样管、稀释器、颗粒物切割器、流化舱、干燥器、过滤器、流量传感器Q_c、三通、流量传感器Q_r、电磁阀、抽气泵依次串联。

进一步的，所述皮托管与管道压力传感器P_s、皮托管差压传感器△P₁联接；所述管道温度传感器T_s、管道压力传感器P_s、皮托管差压传感器△P₁均与单片机电联接。

进一步的，所述采样管可由内抛光不锈钢管或玻璃制成，采样管一端接采样嘴，另一端接稀释器；采样管外壁上安装加热装置和温度传感器T_g；所述温度传感器T_g与单片机电联接；所述加热装置对采样管内样气进行加热保温，防止管道内高温、高湿的样气在采样管内壁上降温冷凝，使样气的形态和成分发生变化。

进一步的，所述稀释器由样气进气口、稀释气进气口、出气口及外壳组成；样气进气口伸入稀释器内部；稀释气进气口安装在外壳上，与稀释器内部相通；出气口安装在端盖上，与稀释器内部相通。

进一步的，稀释器的样气进气口与采样管相接，稀释气进气口接循环气回路，出气口接颗粒物切割器。

进一步的，所述颗粒物切割器入口处安装有温度传感器T_c、压力传感器P_c，所述温度传感器T_c、压力传感器P_c均与单片机电联接。

进一步的，所述流化舱是一个中空的密闭容器，流化舱内安装有风扇，流化舱进气管上安装有进气阀，流化舱出气管上安装有出气阀。

进一步的，所述循环气回路中安装有循环泵，循环泵的出气口通过管路接在稀释器的稀释气进气口上，循环泵的进气口通过管路并联于三通上；经过干燥器、过滤器干燥过滤的干态稀释气体在循环泵的作用下，由循环气回路进入稀释器内，将样气稀释，使样气的湿度、温度降低，避免样气进入颗粒物切割器时样气成分及颗粒物的形态发生变化。

进一步的，所述压力传感器P_r安装在流量传感器Q_r前，所述电动阀安装在抽气泵前；所述流量传感器Q_c、压力传感器P_r、流量传感器Q_r、电磁阀均与单片机电联接。

进一步的，所述键盘、显示器、通讯接口、抽气泵以及循环泵均与单片机电联接。

进一步的，等速采样是这样实现的：由皮托管将管道内的动压、静压经管道压力传感器P_s、皮托管差压传感器△P₁传至单片机，单片机根据皮托管差压传感器△P₁测量值计算出管道内的流速，并根据采样嘴的直径及管道内温度传感器T_s测得的温度值计算出等速采样流量值q_r′，控制抽气泵的转速，使通过流量传感器Q_r 的流量值Q_r′与等速采样流量值q_r′相等，实施等速采样。

进一步的，颗粒物恒流分离是这样实现的：在选用颗粒物切割器后，工作点流量值q_c就固定确定了，因此，要求通过颗粒物切割器的气体流量值是恒定的，此值通过单片机控制抽气泵和循环泵的转速实现。颗粒物切割器工作点流量q_c等于等速采样流量值q_r′与循环气回路流量值q_x之和，即q_c= q_r′+ q_x，其中：q_r′值是等速采样流量值，q_c值是由单片机根据流量传感器Q_c 测得的流量值、温度传感器T_c 测得的温度值和压力传感器P_c 测得的压力值计算出的。采样时，在抽气泵和循环泵的作用下，管道中的样气经采样嘴、采样管进入稀释器内，与此同时，由循环回路提供的稀释气体经稀释气进气管进入稀释器内，将样气稀释，经稀释的样气经稀释器的出气管进入颗粒物切割器，单片机根据设定的颗粒物切割器工作流量点q_c和等速采样流量值q_r′之差q_x=q_c- q_r′，控制循环泵的转速，使通过流量传感器Q_c 的流量值与设定的工作点流量q_c相等，实现颗粒物恒流分离。

本发明的有益效果是：1、利用稀释器可将高湿、高温、高浓度的气体处理后，采集到气溶胶样品；2、利用颗粒物切割器可除去大粒径的颗粒物，实现颗粒物恒流分离，将气溶胶样品采集到流化舱内；3、流化舱可使采集到的气溶胶中颗粒物样品克服重力沉降作用处于流动状态，悬浮于流化舱内；4、能实现等速采样，可计算出管道污染物的总排放量；5、重量轻、方便携带、操作简单、自动化智能化水平高。本发明的装置也适用于采集管道内的有害气体、烟尘、SVOCs样品及环境空气。

附图说明

图1是本发明的结构原理示意图；

图2是本发明的稀释器结构示意图。

1.采样嘴；2.采样管；3.皮托管；4.加热装置；5.管道温度传感器T_s；6.管道道压力传感器P_s；7.皮托管差压传感器△P₁；8.温度传感器T_g；9.稀释器；10.温度传感器T_c；11.压力传感器P_c；12.颗粒物切割器；13.进气阀；14.流化舱；15.风扇；16.出气阀；17.干燥器；18.过滤器；19.流量传感器Q_c；20.三通；21.压力传感器P_r；22.流量传感器Q_r；23.电磁阀；24.抽气泵；25.循环气回路；26.循环泵；27.单片机；28.键盘；29.显示器；30.通讯接口；31.样气进气口；32.稀释气进气口；33.外壳；34.出气口。

具体实施方式

下面结合附图1、附图2及实施例对本发明进一步说明。

如图1、图2所示，一种便携式污染源稀释通道气溶胶采样装置及流化舱，包括：采样嘴1、采样管2、皮托管3、加热装置4、稀释器9、颗粒物切割器12、流化舱14、干燥器17、过滤器18、三通20、电磁阀23、抽气泵24、循环气回路25、单片机27、管道温度传感器T_s 5、管道压力传感器P_s 6、皮托管差压传感器△P₁ 7、温度传感器T_g 8、温度传感器T_c 10、压力传感器P_c 11、流量传感器Q_c 19、压力传感器P_r 21、流量传感器Q_r 22、键盘28、显示器29、通讯接口30；所述采样嘴1、采样管2、稀释器9、颗粒物切割器12、流化舱14、干燥器17、过滤器18、流量传感器Q_c 19、三通20、流量传感器Q_r 22、电磁阀23、抽气泵24依次串联。

皮托管3与管道压力传感器P_s 6、皮托管差压传感器△P₁ 7联接；管道温度传感器T_s 5、管道压力传感器P_s 6、皮托管差压传感器△P₁ 7均与单片机27电联接，用于测量管道的温度、动压、静压、流速等参数。

采样管2内壁光滑，以减少样品的壁损失，可用内抛光不锈钢管或玻璃制成，采样管2一端接采样嘴1，另一端接稀释器9；采样管2外壁上安装加热装置4和温度传感器T_g 8，温度传感器T_g 8与单片机27电联接。工作时，在抽气泵24的作用下，样气从管道中通过采样嘴1、采样管2进入稀释器9内，为防止管道内高温、高湿的样气在采样管2内壁上降温冷凝，使样气的形态和成分发生变化，加热装置4对采样管2内样气进行加热保温。根据温度传感器T_g 8测得的采样管2内样气温度，单片机27测控加热装置4加热或停止加热，使采样管2内温度值与管道温度传感器T_s 5测得的管道温度值相等，以免样气因降温冷凝。

稀释器9由样气进气口31、稀释气进气口32、出气口34及外壳33组成；样气进气口31伸入稀释器9内部；稀释气进气口32安装在外壳33上，与稀释器9内部相通；出气口34安装在端盖上，与稀释器9内部相通。

稀释器9的样气进气口31与采样管2相接，稀释气进气口32接循环气回路25，出气口34接颗粒物切割器12。

颗粒物切割器12入口处安装有温度传感器T_c 10、压力传感器P_c 11，所述温度传感器T_c 10、压力传感器P_c 11均与单片机27电联接，测量颗粒物切割器12入口处的温度、压力，参入计算通过颗粒物切割器12的气体工况流量。

流化舱14是一个中空的密闭容器，流化舱14的进气管上安装有进气阀13，流化舱14的出气管上安装有出气阀16，流化舱14内安装有风扇15。风扇15的作用是保证流化舱14内的气溶胶颗粒物样品能保持流动状态，悬浮于气流中，避免因重力作用产生沉降。

干燥器17用于干燥气路中的样气，过滤器18用于过滤气路中的样气。

循环气回路25上安装有循环泵26，循环泵26的出气口通过管路接在稀释器9的稀释气进气口32上，循环泵26的进气口通过管路并联于三通20上。经过干燥器17、过滤器18干燥过滤的干态稀释气体在循环泵26的作用下由循环气回路25进入稀释器9内，将样气稀释，使样气的湿度、温度降低，避免样气进入颗粒物切割器12时样气成分及颗粒物的形态发生变化。

流量传感器Q_c 19与单片机27电联接，测量值参入计算通过颗粒物切割器12的样气的工况流量。

压力传感器P_r 21安装在流量传感器Q_r 22前；压力传感器P_r 21、流量传感器Q_r 22均与单片机27电联接，测量通过流量传感器Q_r 22的样气的标况流量、压力，参入计算通过流量传感器Q_r 22的样气的工况流量。

电磁阀23安装在抽气泵24前，用于检查气路的密封性时处于闭合状态；采样时处于畅通状态。

键盘28、显示器29、通讯接口30、抽气泵24以及循环泵26均与单片机27电联接。

等速采样是这样实现的：由皮托管3将管道内的动压、静压经管道压力传感器P_s 6、皮托管差压传感器△P₁ 7传至单片机27，单片机27根据皮托管差压传感器△P₁ 7测量值计算出管道内的流速，并根据采样嘴1的直径及管道内温度传感器T_s 5测得的温度值计算出等速采样流量值q_r′，控制抽气泵24的转速，使通过流量传感器Q_r 22的流量值Q_r′与等速采样流量值q_r′相等，实施等速采样。

颗粒物恒流分离是这样实现的：在选用颗粒物切割器12后，工作点流量值q_c就固定确定了，因此，要求通过颗粒物切割器12的气体流量值是恒定的，此值通过单片机27控制抽气泵24和循环泵26的转速实现。颗粒物切割器工作点流量q_c等于等速采样流量值q_r′与循环气回路流量值q_x之和，即q_c= q_r′+ q_x，其中：q_r′值是等速采样流量值，q_c值是由单片机27根据流量传感器Q_c 19测得的标况流量值、温度传感器T_c 10测得的温度值和压力传感器P_c 11测得的压力值计算出的。采样时，在抽气泵24和循环泵26的作用下，管道中的样气经采样嘴1、采样管2进入稀释器9内，与此同时，由循环回路25提供的稀释气体经稀释气进气管32进入稀释器9内，将样气稀释，经稀释的样气经稀释器9的出气管34进入颗粒物切割器12，单片机27根据设定的颗粒物切割器工作流量点q_c和等速采样流量值q_r′之差q_x=q_c- q_r′，控制循环泵26的转速，使通过流量传感器Q_c 19的流量值与设定的工作点流量q_c相等，实现颗粒物恒流分离。

采样时，打开进气阀13、出气阀16，在抽气泵24的作用下，样气从管道中被抽出，通过采样嘴1、采样管2进入稀释器9中，与此同时，经过干燥器17、过滤器18干燥、过滤的干态稀释气体在循环泵26的作用下由循环气回路25进入稀释器9内，将样气稀释，经稀释的样气的湿度、温度和浓度都随之降低后，进入颗粒物切割器12，在颗粒物切割器12中，根据空气动力学原理，利用粒子的惯性将颗粒物分离，气流中的大颗粒物的惯性大，穿过气流并逃离气流而被除去，被采集的气溶胶颗粒物样品因惯性小留在气流中，并随气流运动，进入流化舱14内。

当管道内的流速增大时，皮托管3测得信号传至单片机27，单片机27根据计算出的相应流量，控制抽气泵24的转速增加，使通过流量传感器Q_r 22的流量值增加至等速采样流量值q_r′，实现等速采样；与此同时，由单片机27控制循环泵26的转速降低，使流量传感器Q_c 19测得的流量值与设定的工作点流量值q_c相等，实现了颗粒物恒流分离；反之，亦然。

采样结束后，关闭出气阀16和进气阀13，气溶胶样品被采集保存在流化舱14内，将流化舱14取下，启动风扇15后，流化舱内的气溶胶颗粒物样品在风扇15的作用下，在流化舱14内保持流动状态，从而克服重力沉降作用，悬浮在流化舱14内。将样品进行化验时，将出气阀16打开，从流化舱14内抽取样品，送分析仪器分析化验。

本发明的装置也适用于采集管道内的有害气体、烟尘、SVOCs样品及环境空气。

综上所述，本发明利用稀释装置可将高湿、高温、高浓度的气体处理后，利用颗粒物切割器可除去大粒径的颗粒物，实现颗粒物恒流分离，将气溶胶样品采集到流化舱内，流化舱可使采集到的气溶胶中颗粒物样品克服重力沉降作用，处于流动状态，悬浮于流化舱内；能实现等速采样，可计算出管道污染物的总排放量；重量轻、方便携带；操作简单、自动化智能化水平高。

上面以举例方式对本发明进行了说明，但本发明不限于上述具体实施例，凡基于本发明所做的任何改动或变型均属于本发明要求保护的范围。

Claims (9)

1.一种便携式污染源稀释通道气溶胶采样装置及流化舱，其特征在于：包括：采样嘴、采样管、皮托管、加热装置、稀释器、颗粒物切割器、流化舱、干燥器、过滤器、三通、电磁阀、抽气泵、循环气回路、单片机、管道温度传感器T_s、管道压力传感器P_s、皮托管差压传感器△P₁、温度传感器T_g、温度传感器T_c、压力传感器P_c、流量传感器Q_c、压力传感器P_r、流量传感器Q_r、键盘、显示器、通讯接口；所述采样嘴、采样管、稀释器、颗粒物切割器、流化舱、干燥器、过滤器、流量传感器Q_c、三通、流量传感器Q_r、电磁阀、抽气泵依次串联。

2.根据权利要求1所述的便携式污染源稀释通道气溶胶采样装置及流化舱，其特征在于：采样管内壁光滑，可由内抛光不锈钢管或玻璃制成，采样管一端接采样嘴，另一端接稀释器；采样管外壁上安装加热装置和温度传感器T_g；所述温度传感器T_g与单片机电联接；所述加热装置对采样管内样气进行保温，防止管道内高温、高湿的样气进入稀释器前，在采样管内壁上降温冷凝，使样气发生变化。

3.根据权利要求1所述的便携式污染源稀释通道气溶胶采样装置及流化舱，其特征在于：所述稀释器由样气进气口、稀释气进气口、出气口及外壳组成；样气进气口伸入稀释器内部；稀释气进气口安装在外壳上，与稀释器内部相通；出气口安装在端盖上，与稀释器内部相通。

4.根据权利要求3所述的稀释器，其特征在于：稀释器的样气进气口与采样管相接，稀释气进气口接循环气回路，出气口接颗粒物切割器。

5.根据权利要求1所述的便携式污染源稀释通道气溶胶采样装置及流化舱，其特征在于：所述颗粒物切割器入口处安装有温度传感器T_c、压力传感器P_c，所述温度传感器T_c、压力传感器P_c均与单片机电联接。

6.根据权利要求1所述的便携式污染源稀释通道气溶胶采样装置及流化舱，其特征在于：所述流化舱是一个中空的密闭容器，流化舱内安装有风扇，流化舱进气管上安装有进气阀，流化舱出气管上安装有出气阀。

7.根据权利要求1所述的便携式污染源稀释通道气溶胶采样装置及流化舱，其特征在于：所述循环气回路中安装有循环泵，循环泵的出气口通过管路接在稀释器的稀释气进气口上，循环泵的进气口通过管路并联于三通上；经过干燥器、过滤器干燥过滤的干态稀释气体在循环泵的作用下由循环气回路进入稀释器内，将样气稀释，使样气的湿度、温度降低，避免样气进入颗粒物切割器时样气成分及颗粒物的形态发生变化。

8.根据权利要求1所述的便携式污染源稀释通道气溶胶采样装置及流化舱，其特征在于：所述压力传感器P_r安装在流量传感器Q_r前，所述电动阀安装在抽气泵前；所述流量传感器Q_c、压力传感器P_r、流量传感器Q_r、电磁阀均与单片机电联接。

9.根据权利要求1所述的便携式污染源稀释通道气溶胶采样装置及流化舱，其特征在于： 所述键盘、显示器、通讯接口、抽气泵以及循环泵均与单片机电联接。