CN108918607A - 一种室内建材表面污染气体散发强度的实地监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于建筑材料表面污染物测试技术领域，公开了一种室内建材表面污染气体散发强度的实地监测装置，包括底部开口的环境舱主体，环境舱主体两端连接引风风管和出风风管，引风风管和出风风管分别设置管道风机、多级活性炭过滤器和电子文丘里式气体流量计；环境舱主体顶部安装恒流式气体采样泵和气体采样管；环境舱主体内部等距离均匀排布集成式舱内环境传感器，管道风机、电子文丘里式气体流量计、恒流式气体采样泵、集成式舱内环境传感器均连接微机控制系统，微机控制系统根据空气流量、污染物浓度计算污染源散发强度。本发明具有结构紧凑易携带，监测精度高，连续监测能力强，可有效排除监测建材部位外干扰，适用建材范围广等特点。

Description

一种室内建材表面污染气体散发强度的实地监测装置

技术领域

本发明属于建筑材料表面污染物测试技术领域，具体的说，是涉及一种实地测试建筑材料表面污染气体散发强度的监测系统。

背景技术

人们在对居住空间进行装修过程中会使用到各种装修材料，例如石灰、水泥、油漆以及各种装修用人造板材，这些建筑材料释放的气体对人体健康有着很大的不利影响，严重时甚至威胁到人们的生命。尤其是随着复合板材等人造装饰装修材料的广泛应用，甲醛以及各种挥发性有机化合物气体常常持续释放于室内空气中。因此，对建筑材料等进行挥发性有机物释放量的检测，使其在安全范围内使用具有较大意义，能够保证人们的身体健康不受装饰装修材料散发的污染物的损害。

普通的室内空气质量检测方法并不能判断污染源散发强度，只能根据某一些离散的测点来获取室内空气的平均污染程度，而不能得到局部污染源散发强度。在普通居住建筑或者公共建筑的室内环境中，室内空气污染很大一部分取决于室内建筑材料的污染源散发强度；而且，室内建筑材料的污染源散发强度会随着外界环境和建造安装时间而发生变化。因此，对室内建筑材料的污染源散发强度进行监测具有重要意义，一方面可以方便地多点监测快速确定室内空气中的污染源散发强度，另一方面可以大规模对不同测试点的室内建筑材料的污染源散发强度进行长期监测。

现阶段对建筑材料污染源散发强度的测定均为实验室测试方法，缺少现场测试方法。以最常见的木制板材甲醛源散发强度为例，测定方法主要包括穿孔法、干燥器法、气候箱法等。在现场测试过程中，需要考虑到材料所处的实际情况，并不能仅仅依靠实验室所检测的少量个别建材样品的检测结果而得到室内环境中建材在实际工况下的散发量情况。另外，实验室采用的采样检测方法一般均为离线采样检测方法，这样无法在时间上做到对建材污染物散发强度连续监测。标准GB 18580-2001中提出检测板材甲醛最常用的气候箱法，用该方法可以对板材的甲醛散发强度进行测试。气候箱法可以在保证对原来待测试材料产生尽可能小的破坏的同时，对建材污染物的散发条件进行准确控制。由于气候箱的体积与重量往往较大，不易于运输与现场测试；并且气候箱法的实验控制条件比较严格，难以在实际待测建材现场进行组装调试与运行测试工作。同时，气候箱缺乏必要的信息传输系统，无法做到远程监控，也无法实现长期对建材污染散发源监测的功能。另外，气候箱法的采样测试精度仅仅由单一的化学采样方法决定，无法做到交叉检定。

发明内容

基于方便、长期、可靠地对建筑材料散发的有害气体释放强度进行监测的目标，本发明提供了一种室内建材表面污染气体散发强度的实地监测装置，具有结构紧凑易携带，监测精度高，连续监测能力强，可有效排除监测建材部位外干扰，适用建材范围广等特点。

为了解决上述技术问题，本发明通过以下的技术方案予以实现：

一种室内建材表面污染气体散发强度的实地监测装置，包括环境舱主体，所述环境舱主体设置有用于与待测建材接触的底部开口，所述环境舱主体两端对称地密封连接有引风风管和出风风管，所述引风风管和所述出风风管的外端端部均设置有管道风机，所述引风风管和所述出风风管内均设置有多级活性炭过滤器和电子文丘里式气体流量计；所述环境舱主体顶部安装有多个恒流式气体采样泵，每个恒流式气体采样泵连接有延伸至所述环境舱主体内部空间中部位置的气体采样管；所述环境舱主体内部空间等距离均匀排布有多个集成式舱内环境传感器，每个所述集成式舱内环境传感器集成有TVOC传感器和甲醛传感器；所述管道风机、所述电子文丘里式气体流量计、所述恒流式气体采样泵、所述集成式舱内环境传感器均连接于微机控制系统并由微机控制系统供电，所述电子文丘里式气体流量计将测得的所述环境舱主体内部的空气流量信号实时传输给所述微机控制系统，所述集成式舱内环境传感器将测得的所述环境舱主体内部的污染物浓度信号实时传输给所述微机控制系统；所述微机控制系统测定并记录所述环境舱主体内部的污染物背景浓度，并控制两个所述管道风机的风量使所述环境舱主体内部的污染物浓度稳定；在30分钟内污染物浓度稳定的条件下，所述微机控制系统根据污染物背景浓度、所述环境舱主体内部的空气流量、所述环境舱主体内部的污染物浓度，利用污染源散发强度算法计算污染源散发强度。

优选地，所述环境舱主体的底面开口面积为1m²。

优选地，所述引风风管与所述环境舱主体、所述出风风管与所述环境舱主体均通过卡扣连接。

优选地，所述多级活性炭过滤器采用三级中高效活性炭过滤器串联，每一级中高效活性炭过滤器的厚度为30mm。

优选地，所述环境舱主体、所述引风风管、所述出风风管、所述气体采样管均由不锈钢制成；

优选地，所述集成式舱内环境传感器在横向、纵向、竖向上分别等间距布置。

优选地，所述恒流式气体采样泵的数量为4个，所述集成式舱内环境传感器的数量为27个。

优选地，所述微机控制系统包括液晶显示屏与人机交互控制面板、微处理器、PID模块、可控硅调压单元、RS485协议网络传输端口、RS232转接卡；

所述液晶显示屏与人机交互控制面板用于数据读取和人员操作；

所述微处理器用于接收所述电子文丘里式气体流量计测得的空气流量信号和接收所述集成式舱内环境传感器测得的污染物浓度信号，用于测定并记录背景浓度，用于向所述PID模块传输数字信号，用于根据空气流量信号和污染物浓度信号执行污染源散发强度算法；所述污染源散发强度算法如下：

其中，S为建材表面的所述污染源散发强度，μg/(m²·h)，V为所述环境舱主体的有效体积，1m³；Ct+△t为t+△t时刻的甲醛或者TVOC污染物浓度，μg/m³；△t作为差分时间，1/60h；Ct为t时刻的甲醛或者TVOC污染物浓度，μg/m³；C_ENV为环境舱主体内部的污染物背景浓度，μg/m³；Q_FAN为所述环境舱主体的空气流量，m³/h；A为环境舱主体的底部开口面积，1m²；

所述PID模块用于将所述微处理器传输的控制风机的数字信号转换为模拟信号，并将模拟信号传输给所述可控硅调压单元；

所述可控硅调压单元用于将所述PID模块传输的模拟信号转换为电压信号，并根据电压信号调节两个所述管道风机的转速；

所述RS485协议网络传输端口用于向外传输普通工业通信信号；

所述RS232转接卡用于通信接口转接。

本发明的有益效果是：

(一)本发明的室内建材表面污染气体散发强度的实地监测装置，将高精度的实验室离线化学监测同长期在线的电化学传感器相结合，既可以进行短期室内建材污染源散发强度现场测试，又可以长期监测室内建材污染物散发情况，从而营造一个健康的室内环境。

(二)本发明的室内建材表面污染气体散发强度的实地监测装置，能够方便的实现大规模进行多点测试或监测，将测试或监测结果同步到计算机，实现对室内建材的污染源散发强度进行综合评价。

(三)本发明的室内建材表面污染气体散发强度的实地监测装置，结构紧凑，其主要部件集中到一个体积较小的设备中，显著提高了便携性。

附图说明

图1是本发明所提供的实地监测装置的结构示意图；

图2是本发明所提供的实地监测装置的电器件连接示意图；

上述图中：1，管道风机；2，多级活性炭过滤器；3，电子文丘里式流量计；4，引风风管口；5，出风风管；6，环境舱主体；7，恒流式气体采样泵；8，集成式舱内环境传感器；9，气体采样管；10，微机控制系统；11，卡扣；12，待测试建材；

图2中虚线代表信号线，实线代表电源线。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及效果，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

如图1所示，本实施例公开了一种室内建材表面污染气体散发强度的实地监测装置，主要包括管道风机1、多级活性炭过滤器2、电子文丘里式流量计3、引风风管4、出风风管5、环境舱主体6、恒流式气体采样泵7、集成式舱内环境传感器8、气体采样管9、微机控制系统10、卡扣11。

环境舱主体6为底部开口的正方体结构，采用316型号不锈钢制成，不锈钢厚度为2.00mm(14GA)，其底部开口用于与待测建材12接触。环境舱主体6的设计尺寸为：1m*1m*1m，体积共1m³，因此与待测建材12接触的底面开口面积为1m²，即可以直接换算为单位面积(1m²)污染源散发强度的计算量。

环境舱主体6两端分别设置有连接引风风管4和出风风管5的接口，引风风管4和出风风管5对称设置，图1中环境舱主体6右端连接引风风管4，左端连接出风风管5。引风风管4与环境舱主体6、出风风管5与环境舱主体6均通过卡扣11连接，因而可以在保证稳固的前提下便于拆卸。引风风管4、出风风管5均采用与环境舱主体6同样材质的316型号不锈钢，管道内径为315mm，水平段长度为1.5m，垂直段长度为1.5m，与环境舱主体6连接的端口自带密封胶头，可以确保无漏风。

引风风管4和出风风管5的外端端部分别安装有管道风机1。两个管道风机1的型号均为DJT15-45B离心式管道风机，额定电源为220v/50Hz，额定功率为88w，额定风压为340Pa，额定风量为450m³/h。两个管道风机1均由微机控制系统10进行电压调整，进而达到对管道风机1调速的目的。引风风管4上的管道风机1和出风风管5上的管道风机1均由微机控制系统10统一协调控制，以保证两个管道风机1的实际风压和流量相等。

引风风管4和出风风管5内均安装有相同的电子文丘里式气体流量计3(介质：空气，使用环境：0-30℃，气压：与外界大气连通)，其流量范围为0-500m³/h，精度为3％。引风风管4和出风风管5中电子文丘里式气体流量计3测得的空气流量信号均接入微机控制系统10中，接入方式为有线接入，通讯协议为RS485，该协议稳定性较好，且是最常用的工业接口，兼容性强。

引风风管4和出风风管5内均安装有相同的多级活性炭过滤器2，本实施例中多级活性炭过滤器2采用三级中高效活性炭过滤器，每一级过滤器的厚度为30mm，共三级串联，总厚度为90mm。多级活性炭过滤器2用于对实地测试环境的背景污染物进行吸附去除，以达到尽可能减小背景浓度对待测建材12污染物散发强度所造成的系统误差。

环境舱主体6顶部安装有四组高精度的恒流式气体采样泵7，恒流式气体采样泵7精度为10-250ml/min，流量精度为5％，采样时间范围为0-999min，温度：-5-40℃，湿度：10-90％RH(不凝结)。每个恒流式气体采样泵7连接有一个气体采样管9，气体采样管9通过采样管接口固定于环境舱主体6顶面，气体采样管9顶端连接恒流式气体采样泵7、底端延伸至环境舱主体6内部空间的中部位置。气体采样管9为不锈钢材质，内径为10mm，不锈钢壁厚为1mm。实验人员通过恒流式气体采样泵7与气体采样管9定期对环境舱主体6内的空气样本进行化学采样，并且自行设定采样流量和采样时间。对于甲醛采样，采样方法应用中国国家标准GB/T 18883-2002中规定的酚试剂法与标准大型气泡吸收管方法进行采样，采样时间规定为20分钟，采样流量为0.5L/min。对于TVOC(总可挥发性有机物)采样，采样方法应用ISO方法，使用Tenax管方法采样。

环境舱主体6内部空间设置有集成式舱内环境传感器8，每个集成式舱内环境传感器8将TVOC传感器和甲醛传感器集成为一体。27个集成式舱内环境传感器8空间等距离(单个距离为0.25m)均匀排布在环境舱主体6内部空间中，即在横向、纵向、竖向上分别布置三排。TVOC传感器的采样范围为0～1000ppm，精度为0.1ppm，工作温度为-40℃～70℃，工作湿度为10％RH～95％RH(无凝结)；甲醛传感器的采样范围为0～5ppm，精度为0.01ppm，工作温度为0～50℃，工作湿度为15％RH-90％RH(无凝结)。TVOC传感器与甲醛传感器均为电化学传感器，连接方式均为RS-485数字信号输出。集成式舱内环境传感器8连接位于微机控制系统10中的RS232转接卡可以直接对实时数据进行处理，27个集成式舱内环境传感器8将测得的污染物浓度信号实时传输给微机控制系统10。

集成式舱内环境传感器8、恒流式气体采样泵7和气体采样管9满足电化学传感器与化学方法交叉检验的需求。

微机控制系统10的主要功能为数据处理与通讯，主要部件包括：液晶显示屏与人机交互控制面板，微处理器(嵌入式算法控制单元)，PID模块，可控硅调压单元，RS485协议网络传输端口，RS232转接卡。

理论上，经由多级活性炭过滤器2过滤后的空气污染物浓度，即污染物背景浓度值C_ENV值应为0μg/m³。实际上，活性炭过滤并不能完全吸收所有污染物，因此在实际的污染源散发强度监测过程中，仍然需要对实际输入的过滤后的空气进行浓度测试以进行校准，即微机控制系统10需要首先进行背景浓度测定。首先用一块不锈钢板将环境舱主体6底部密封，通过微机控制系统10设定管道风机1风量为最大风量；通过微机控制系统10内的微处理器接收来自环境舱主体6内部的27个集成式舱内环境传感器8所返回的污染物浓度C信号，经过平均计算后，得到污染物的背景浓度值C_ENV。同时，微机控制系统10内的微处理器将此背景浓度值进行储存，用于后续的污染源散发强度计算。

除此以外，为了使建材污染源散发强度测试值更加准确，在执行污染源散发强度算法之前还需要保证环境舱内的污染物浓度C保持在一个比较稳定的水平。本发明设定30分钟内污染物浓度C稳定时，即可判定PID模块控制稳定。

判断30分钟内污染物浓度C稳定的过程如下：首先，微机控制系统10中的微处理器实时接收来自集成式舱内环境传感器8测得的污染物浓度C信号，并根据该污染物浓度C信号，经过集成于微处理器的污染源算法所驱动的程序处理，输出空气流量的初始数字信号并传输给PID模块，PID模块输出相应的模拟信号并传输给可控硅调压单元，可控硅调压单元输出相应的电压信号并传输给管道风机1调节风机转速，从而使管道风机1运行达到设定的空气流量。由于环境舱主体6内部的污染物浓度C信号实时反馈到微处理器，微处理器计算污染物浓度C对于时间的变化速率，即计算(C_t+△t-C_t)/△t的值，△t取为1/60h；当污染物浓度C变化速率小于0时，则微处理器减小输出的空气流量数字信号，直到污染物浓度C变化速率等于0；当污染物浓度C变化速率大于0，则微处理器增大输出的空气流量数字信号，直到污染物浓度C变化速率等于0。这样，形成了一个信号控制闭环：由微处理器输出的空气流量数字信号到PID模块转换成模拟信号，再到可控硅调压单元转换成输出电压信号控制管道风机1的流量，变化的空气流量引起了环境舱主体6内部的污染物浓度C变化，信号再反馈到微处理器处理并输出空气流量数字信号。

PID模块运行之前需要进行参数整定，PID模块参数整定的方法很多，概括起来有两大类：一是理论计算整定法，它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定PID模块参数；这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。

可控硅调压单元的负载电流为8A，负载电压为220V，最大负载功率为1500W，控制电源输入电压为DC7V-24V。

在污染物的背景浓度值C_ENV测得之后，并且在环境舱主体6内的污染物浓度C稳定的条件下，微机控制系统10实时的对污染源散发强度S进行计算。微机控制系统10中的微处理器接收来自环境舱主体6内部的27个集成式舱内环境传感器8测得的污染物浓度C信号，经过由集成于微处理器的污染源算法所驱动的程序处理，可以得出环境舱主体6内部实时的污染源散发强度S，并通过液晶显示屏显示；并且，通过RS485协议网络传输端口接入RS232转接卡，这样可以将污染源散发强度信号传输到外部计算机或者联网的服务器上。同时，微机控制系统10中的微处理器实时接收来自电子文丘里式流量计3测得的空气流量信号，并通过液晶显示屏显示。

建材的污染源散发强度S(μg/(h·m²))求解算法如下：

该算法主要部分由求解环境舱主体6内部的质平衡微分方程所决定：

该方程如下：

对于环境舱主体6内部的27个集成式舱内环境传感器8，对其测试得到的污染物浓度值需要对其在空间上进行平均。由于每个集成式舱内环境传感器8之间的距离一致，共有27个污染物传感器点。故公式(1)离散化后变为：

最终，污染源散发强度S(μg/(h·m²))的计算公式为：

其中，S为建材表面的所述污染源散发强度，μg/(m²·h)，V为环境舱主体6的有效体积，1m³；Ct+△t为t+△t时刻的甲醛或者TVOC污染物浓度，μg/m³；△t作为差分时间，1/60h；Ct为t时刻的甲醛或者TVOC污染物浓度，μg/m³；C_ENV为环境舱主体6内部的污染物背景浓度，μg/m³；Q_FAN为环境舱主体6的空气流量，m³/h；A为环境舱主体6的底部开口面积，1m²。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种室内建材表面污染气体散发强度的实地监测装置，其特征在于，包括环境舱主体，所述环境舱主体设置有用于与待测建材接触的底部开口，所述环境舱主体两端对称地密封连接有引风风管和出风风管，所述引风风管和所述出风风管的外端端部均设置有管道风机，所述引风风管和所述出风风管内均设置有多级活性炭过滤器和电子文丘里式气体流量计；所述环境舱主体顶部安装有多个恒流式气体采样泵，每个恒流式气体采样泵连接有延伸至所述环境舱主体内部空间中部位置的气体采样管；所述环境舱主体内部空间等距离均匀排布多个集成式舱内环境传感器，每个所述集成式舱内环境传感器集成有TVOC传感器和甲醛传感器；所述管道风机、所述电子文丘里式气体流量计、所述恒流式气体采样泵、所述集成式舱内环境传感器均连接于微机控制系统并由微机控制系统供电，所述电子文丘里式气体流量计将测得的所述环境舱主体内部的空气流量信号实时传输给所述微机控制系统，所述集成式舱内环境传感器将测得的所述环境舱主体内部的污染物浓度信号实时传输给所述微机控制系统；所述微机控制系统测定并记录所述环境舱主体内部的污染物背景浓度，并控制两个所述管道风机的风量使所述环境舱主体内部的污染物浓度稳定；在30分钟内污染物浓度稳定的条件下，所述微机控制系统根据污染物背景浓度、所述环境舱主体内部的空气流量、所述环境舱主体内部的污染物浓度，利用污染源散发强度算法计算污染源散发强度。

2.根据权利要求1所述的一种室内建材表面污染气体散发强度的实地监测装置，其特征在于，所述环境舱主体的底面开口面积为1m²。

3.根据权利要求1所述的一种室内建材表面污染气体散发强度的实地监测装置，其特征在于，所述引风风管与所述环境舱主体、所述出风风管与所述环境舱主体均通过卡扣连接。

4.根据权利要求1所述的一种室内建材表面污染气体散发强度的实地监测装置，其特征在于，所述多级活性炭过滤器采用三级中高效活性炭过滤器串联，每一级中高效活性炭过滤器的厚度为30mm。

5.根据权利要求1所述的一种室内建材表面污染气体散发强度的实地监测装置，其特征在于，所述环境舱主体、所述引风风管、所述出风风管、所述气体采样管均由不锈钢制成。

6.根据权利要求1所述的一种室内建材表面污染气体散发强度的实地监测装置，其特征在于，所述集成式舱内环境传感器在横向、纵向、竖向上分别等间距布置。

7.根据权利要求1所述的一种室内建材表面污染气体散发强度的实地监测装置，其特征在于，所述恒流式气体采样泵的数量为4个，所述气体采样管的数量为4支，所述集成式舱内环境传感器的数量为27个。

8.根据权利要求1所述的一种室内建材表面污染气体散发强度的实地监测装置，其特征在于，所述微机控制系统包括液晶显示屏与人机交互控制面板、微处理器、PID模块、可控硅调压单元、RS485协议网络传输端口、RS232转接卡；

所述液晶显示屏与人机交互控制面板用于实时数据读取和人员操作；

所述微处理器用于接收所述电子文丘里式气体流量计测得的空气流量信号和接收所述集成式舱内环境传感器测得的污染物浓度信号，用于测定并记录背景浓度，用于向所述PID模块传输数字信号，用于根据空气流量信号和污染物浓度信号执行污染源散发强度算法；所述污染源散发强度算法如下：

其中，S为建材表面的所述污染源散发强度，μg/(m²·h)，V为所述环境舱主体的有效体积，1m³；Ct+△t为t+△t时刻的甲醛或者TVOC污染物浓度，μg/m³；△t作为差分时间，1/60h；Ct为t时刻的甲醛或者TVOC污染物浓度，μg/m³；C_ENV为环境舱主体内部的污染物背景浓度，μg/m³；Q_FAN为所述环境舱主体的空气流量，m³/h；A为环境舱主体的底部开口面积，1m²；

所述PID模块用于将所述微处理器传输的控制风机的数字信号转换为模拟信号，并将模拟信号传输给所述可控硅调压单元；

所述可控硅调压单元用于将所述PID模块传输的模拟信号转换为电压信号，并根据电压信号调节两个所述管道风机的转速；

所述RS485协议网络传输端口用于向外传输普通工业通信信号；

所述RS232转接卡用于通信接口转接。