CN107121176A - 用于环境污染现场监测的在线气体流量校准方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种用于环境污染现场监测的在线气体流量校准方法和装置，属于气体流量校准领域。装置由外壳、上腔体、上密封软垫、石英筒、左控制板、上红外发射管、下红外发射管、固体活塞、航空快速接头、下腔体、下快速气路接头、下密封软垫、右控制板、大口径快速切换阀、遮光贴膜、下红外接收管、下透光狭缝、上红外接收管、上透光狭缝、上快速气路接口、电气线缆、气路管道组成。本发明用固体活塞代替传统皂膜流量计中的皂液和皂膜，通过精密加工技术实现固体活塞和石英筒间的间隙密封；利用光电技术记录气流推动固体活塞经过两个透光狭缝之间的时间，实现气体流量精确测量；结合自动控制手段和通信技术，与环境污染现场监测设备联用实现在线气体流量校准。

Description

用于环境污染现场监测的在线气体流量校准方法和装置

技术领域

本发明属于气体流量校准领域，尤其涉及一种适用于环境污染现场监测的间隙密封原理活塞式在线气体流量校准方法和装置。

技术背景

面对当前大气污染的严重局面，为了保证环境监测结果的准确性和实时性，我国数十万套现场检测仪器和在线监测系统正在用于大气污染环境的现场监测。而监测结果的准确性与设备取样的流量计量是否准确高度关联，因此，研究适用于环境污染现场监测的精确气体流量校准方法和装置尤为必要。

目前国内气体污染物现场监测分析时常用的离线人工校准方法，流量校准设备是皂膜流量计，它在工作时是依靠气流将皂液吹出皂膜，持续测试流量时,极有可能将部分皂液带入采样泵等仪器设备中，导致仪器管路和电路出现故障。而且，产生单层均一的皂膜也存在一定难度，经常出现双气泡、不规则气泡、以及测定过程中气泡破损等情况，致使其测量不确定度增大，影响分析结果的准确性。此外，皂膜流量计每次测量都需要人工操作，无法实现自动在线校准。

发明内容

本发明的目的是提供一种适用于环境污染现场监测的在线气体流量校准方法及装置，它可以实现气体流量自动连续精确测量，并可快速集成到各种环境污染现场监测设备联用进行在线气体流量校准。

为了实现这一目标，本发明提供一种基于间隙密封原理的活塞式在线气体流量校准装置，包括外壳、上腔体、上密封软垫、石英筒、左控制板、上红外发射管、下红外发射管、固体活塞、航空快速接头、下腔体、下快速气路接头、下密封软垫、右控制板、大口径快速切换阀、遮光贴膜、下红外接收管、下透光狭缝、上红外接收管、上透光狭缝、上快速气路接口、电气线缆、气路管道组成。

采用新型石墨材料制成固体活塞代替传统皂膜流量计中的皂液和皂膜，通过精密加工技术实现固体活塞和石英筒间的间隙密封；利用光电技术记录气流推动固体活塞经过两个透光狭缝之间的时间，实现气体流量精确测量；结合自动控制手段和通信技术，与环境污染现场监测设备联用实现在线气体流量校准。

如图1所示，该在线气体流量校准装置包括外壳、流量测量主体单元、旁路、进气路、出气路组成，其中，进气路由外界穿过外壳进入装置内部，然后分为流量测量主体单元和旁路两条并联气路，最后再汇合为出气路，由装置内部穿过外壳达到外部。流量测量主体单元中，上、下腔体中间有孔，分别与进、出气路相连，并通过密封软垫与石英筒紧密贴合，形成流量测量主体单元的完整气路。石英筒两侧为左、右控制板，左控制板上安装有上、下红外发射管，右控制板在相应水平高度位置处安装有上、下红外接收管，石英筒右半侧贴有遮光贴膜，与红外发射管、接收管相应水平高度处留有上、下透光狭缝。石英筒内放置有固体活塞，石英筒内壁和固体活塞外壁通过精加工技术完成，实现间隙密封，其摩擦和气体泄露在流量校准过程中可忽略；固体活塞采用密度极小(小于3g/m³)的新型石墨材料制作，其重量对流量校准的影响可忽略。旁路中间设置有大口径快速切换阀，可控制旁路气路开关。

本发明对气体流量的校准具体操作如下：

1.在线气体流量校准装置处于工作状态时，上红外发射管和下红外发射管发射红外光线，水平向右发射的红外光线在通过石英筒后可分别穿过下透光狭缝和上透光狭缝，并被下红外接收管和上红外接收管接收，其余红外光线则被遮光贴膜阻挡。

2.大口径快速切换阀是在线气体流量校准装置的电驱动阀门，控制旁路的通断。在旁路连通时，气流从旁路经过，流量测量主体单元处于闲置状态；在旁路断开时，气流从流量测量主体单元经过，推动固体活塞从石英筒的底部向上移动，经过下透光狭缝时，活塞遮断下红外发射管发射的光线，下红外接收管将出现电平变化，此时控制器开始计时，固体活塞经过上透光狭缝时，上红外接收管将出现电平变化，控制器停止计时并控制大口径快速切换阀连通旁路，固体活塞在重力作用下回落到石英筒的底部，完成一次流量测定；气体流量Q、两个透光狭缝之间石英筒的体积V₀和固体活塞经过两个透光狭缝之间的时间差△t之间关系如式1所示。

Q＝V₀/△t (式1)

3.在线气体流量校准装置中航空快速接头包含电源线路和串行通信线路，接口定义如图2所示，实现装置的供电和通信控制功能。环境污染现场监测设备通过装置中航空快速接头对本发明中的在线气体流量校准装置进行供电，并通过 RS232串行通信接口对在线气体流量校准装置进行控制操作。

4.在线气体流量校准装置的进气路和出气路分别配制有下快速气路接头和上快速气路接口，用于气路快速连接。环境污染现场监测设备可以根据气路连接特征或需求选择将本发明的在线气体流量校准装置连接在前端或后端，进而选择不同的气路连接方式。当选择前端应用连接方式时，如图3所示，气路从在线气体流量校准装置的下快速气路接头进入，完成校准后从上快速气路接口流出，并经气路管道连接进入环境污染现场监测设备。当选择后端应用连接方式时，如图 4所示，气路首先进入环境污染现场监测设备，然后经气路管道流出，进入在线气体流量校准装置的下快速气路接头，完成校准后自上快速气路接口流出。环境污染现场监测设备与在线气体流量校准装置之间通过航空快速接头和电气线缆实现通信连接。

5.在线气体流量校准装置在与环境污染现场监测设备进行图2的电气连接，以及图3或图4的气路连接后，装置可对环境污染现场监测设备实现在线气体流量校准。流程如图5所示，上电后装置与设备首先进行握手校验，建立通信；之后装置将持续侦听设备通过电气线缆发送过来的校准指令；装置收到校准指令后，根据指令要求进行n次流量测量，并将数值滤波后的均值发送给监测设备，实现对监测设备中气体流速进行校准。

本发明将基于间隙密封原理，采用新型石墨材料做成的固体活塞代替皂膜，利用光电技术判断气流运动的起点和终点，并设计控制软件，实现自动化控制，最终开发出能够用于现场监测的在线气体流量校准方法和装置。

有益效果：本发明装置采用新型石墨材料做成的固体活塞代替皂膜，能够有效避免皂液被气流带入监测设备中导致仪器管路和电路出现故障的风险，以及皂膜形变造成的测量误差。结合自动控制技术，实现气体流量可控连续测量。利用通信技术和快速电气及气路接口，与环境污染现场监测设备联用，实现对其气体流量进行自动在线校准。

附图说明

图1为在线气体流量校准装置整体示意图

图2为在线气体流量校准装置航空快速接口定义图

图3为在线气体流量校准装置前端应用系统连接图

图4为在线气体流量校准装置后端应用系统连接图

图5为在线气体流量校准装置工作流程图

图中：1外壳、2上腔体、3上密封软垫、4石英筒、5左控制板、6上红外发射管、7下红外发射管、8固体活塞、9航空快速接头、10下腔体、11下快速气路接头、12下密封软垫、13右控制板、14大口径快速切换阀、15遮光贴膜、16下红外接收管、17下透光狭缝、18上红外接收管、19上透光狭缝、20上快速气路接口、21电气线缆、22气路管道

具体实施方式

如图1所示，该在线气体流量校准装置由石英筒4和固体活塞8构成流量测量主体单元，石英筒4内壁和固体活塞8外壁通过精加工技术完成，实现间隙密封，其摩擦和气体泄露在流量校准过程中可忽略；固体活塞8采用密度极小的新型石墨材料制作，其重量对流量校准的影响可忽略。

1.在线气体流量校准装置处于工作状态时，上红外发射管6和下红外发射管7发射红外光线，水平向右发射的红外光线在通过石英筒4后可分别穿过下透光狭缝17和上透光狭缝19，并被下红外接收管16和上红外接收管18接收，其余红外光线则被遮光贴膜15阻挡。

2.大口径快速切换阀14是在线气体流量校准装置的电驱动阀门，控制旁路的通断。在旁路连通时，气流从旁路经过，流量测量主体单元处于闲置状态；在旁路断开时，气流从流量测量主体单元经过，推动固体活塞8从石英筒4的底部向上移动，经过下透光狭缝17时，活塞遮断下红外发射管7发射的光线，下红外接收管16将出现电平变化，此时控制器开始计时，固体活塞8经过上透光狭缝时，上红外接收管19将出现电平变化，控制器停止计时并控制大口径快速切换阀14连通旁路，固体活塞8在重力作用下回落到石英筒4的底部，完成一次流量测定；气体流量Q、两个透光狭缝之间石英筒的体积V₀和固体活塞8经过两个透光狭缝之间的时间差△t之间关系如式1所示。

Q＝V₀/△t (式1)

3.在线气体流量校准装置中航空快速接头9包含电源线路和串行通信线路，接口定义如图2所示，实现装置的供电和通信控制功能。环境污染现场监测设备通过装置中航空快速接头9对本发明中的在线气体流量校准装置进行供电，并通过RS232串行通信接口对在线气体流量校准装置进行流量校准控制操作。

4.在线气体流量校准装置配置有下快速气路接头11和上快速气路接口20，用于气路快速连接。环境污染现场监测设备根据气路结构特征可以将本发明的装置连接在前端或后端，分别如图3和图4所示。前端应用时，气路从装置的下快速气路接头11进入，自上快速气路接口20流出并经气路管道22进入环境污染现场监测设备。后端应用时，气路首先进入环境污染现场监测设备，然后经气路管道22进入装置的下快速气路接头11，完成校准后自上快速气路接口20流出。

5.在线气体流量校准装置在与环境污染现场监测设备进行图2的电气连接，以及图3或图4的气路连接后，装置可对环境污染现场监测设备实现在线气体流量校准。流程如图5所示，上电后装置与设备首先进行握手校验，建立通信；之后装置将持续侦听设备通过电气线缆21发送过来的校准指令；装置收到校准指令后，根据指令要求进行n次流量测量，并将数值滤波后的均值发送给监测设备，实现对监测设备中气体流速进行校准。

Claims (5)

1.一种基于间隙密封原理的活塞式在线气体流量校准装置，其特征在于装置由外壳、流量测量主体单元、旁路、进气路、出气路组成，包括外壳、上腔体、上密封软垫、石英筒、左控制板、上红外发射管、下红外发射管、固体活塞、航空快速接头、下腔体、下快速气路接头、下密封软垫、右控制板、大口径快速切换阀、遮光贴膜、下红外接收管、下透光狭缝、上红外接收管、上透光狭缝、上快速气路接口、电气线缆、气路管道；

其中，进气路由外界穿过外壳进入装置内部，然后分为流量测量主体单元和旁路两条并联气路，最后再汇合为出气路，由装置内部穿过外壳达到外部；流量测量主体单元中，上、下腔体中间有孔，分别与进、出气路相连，并通过密封软垫与石英筒紧密贴合，形成流量测量主体单元的完整气路；石英筒两侧为左、右控制板，左控制板上安装有上、下红外发射管，右控制板在相应水平高度位置处安装有上、下红外接收管，石英筒右半侧贴有遮光贴膜，与红外发射管、接收管相应水平高度处留有上、下透光狭缝；石英筒内放置有固体活塞，石英筒内壁和固体活塞外壁通过精加工技术完成，实现间隙密封；固体活塞采用密度小于3g/m³的石墨材料制作，旁路中间设置有大口径快速切换阀，能控制旁路气路开关。

2.利用权利要求1所述装置的在线气体流量校准方法，其特征在于对气体流量的校准具体操作如下：

1).在线气体流量校准装置处于工作状态时，上红外发射管和下红外发射管发射红外光线，水平向右发射的红外光线在通过石英筒后分别穿过下透光狭缝和上透光狭缝，并被下红外接收管和上红外接收管接收，其余红外光线则被遮光贴膜阻挡；

2).大口径快速切换阀是在线气体流量校准装置的电驱动阀门，控制旁路的通断；在旁路连通时，气流从旁路经过，流量测量主体单元处于闲置状态；在旁路断开时，气流从流量测量主体单元经过，推动固体活塞从石英筒的底部向上移动，经过下透光狭缝时，活塞遮断下红外发射管发射的光线，下红外接收管将出现电平变化，此时控制器开始计时，固体活塞经过上透光狭缝时，上红外接收管将出现电平变化，控制器停止计时并控制大口径快速切换阀连通旁路，固体活塞在重力作用下回落到石英筒的底部，完成一次流量测定；气体流量Q、两个透光狭缝之间石英筒的体积V₀和固体活塞经过两个透光狭缝之间的时间差△t之间关系如式1所示：

Q＝V₀/△t (式1)。

3.如权利要求2所述的在线气体流量校准方法，其特征在于在线气体流量校准装置中航空快速接头包含电源线路和串行通信线路，环境污染现场监测设备通过装置中航空快速接头对在线气体流量校准装置进行供电，并通过RS232串行通信接口对在线气体流量校准装置进行控制操作，实现装置的供电和通信控制功能。

4.如权利要求2所述的在线气体流量校准方法，其特征在于在线气体流量校准装置的进气路和出气路分别配制有下快速气路接头和上快速气路接口，用于气路快速连接；环境污染现场监测设备根据气路连接特征或需求选择将在线气体流量校准装置连接在前端或后端，进而选择不同的气路连接方式；当选择前端应用连接方式时，气路从在线气体流量校准装置的下快速气路接头进入，完成校准后从上快速气路接口流出，并经气路管道连接进入环境污染现场监测设备；当选择后端应用连接方式时，气路首先进入环境污染现场监测设备，然后经气路管道流出，进入在线气体流量校准装置的下快速气路接头，完成校准后自上快速气路接口流出；环境污染现场监测设备与在线气体流量校准装置之间通过航空快速接头和电气线缆实现通信连接。

5.如权利要求2所述的在线气体流量校准方法，其特征在于在线气体流量校准装置在与环境污染现场监测设备进行电气连接，以及气路连接后，装置能对环境污染现场监测设备实现在线气体流量校准；上电后在线气体流量校准装置与设备首先进行握手校验，建立通信；之后在线气体流量校准装置将持续侦听设备通过电气线缆发送过来的校准指令；在线气体流量校准装置收到校准指令后，根据指令要求进行n次流量测量，并将数值滤波后的均值发送给监测设备，实现对监测设备中气体流速进行校准。