CN109856328B - 一种建材挥发物现场采样装置及采样过程控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种建材挥发物现场采样装置及采样过程控制方法，该装置包括零气发生器和半封闭采样仓，零气发生器内设置依次连接的进气泵、空气过滤器、除湿器、加热装置、温湿传感器一、气体流量计和流量控制阀，除湿器两端通过切换电磁阀连接旁通支路；半封闭采样仓内设置内胆，内胆顶部开设透光孔，透光孔处设置透光片，透光片上方设置辐射加热灯，内胆底部开设采样口；内胆底部设置抽气口和吹气口，抽气口与半封闭采样仓的进气口之间通过三通接头连接循环泵的进气端，循环泵的出气端连接吹气口，内胆顶部设置取样口，内胆外侧壁上缠绕有加热带，本发明公开的采样装置及方法可以满足现场快速准确测定建材挥发物可达浓度的要求。

Description

一种建材挥发物现场采样装置及采样过程控制方法

技术领域

本发明涉及建材挥发物质无损检测技术领域，特别涉及一种建材挥发物现场采样装置及采样过程控制方法。

背景技术

近年来我国各地城市化建设推动了建材市场的快速扩张，人们在日常生活和公共场所中不免接触到各类建材。调查和研究结果表明，建材和家具中的和有机挥发物VOCs的散发是造成室内空气品质(IAQ)低劣的重要原因之一。除此之外，甲醛也一直是新建建筑中危害人们健康的主要物质之一。随着人们日益增长的健康需求，市场各方急需一种建材挥发物快速无损的现场检测方法。

以往建材检测手段通常采用实验室方法，将建材取样后，送到实验室中在标准环境舱室中进行气体挥发的采样，然后对采洋气体进行成分检定。该方法有许多局限性，一方面在进行建材取样时，难以确定送检样品与现场样品的一致性；另一方面建材有机挥发物散发情况与散发时间、环境条件等诸多因素有关，现场测量结果与实验室测量结果往往有很大出入，而消费者更关注的是现场测量结果。

当前普遍使用的室内测量方法，只能实现整体检测，无法确认污染源头建材；而室外建材现场测量方法目前还只能采用破坏取样的方法进行检定。少数半封闭式现场挥发物检测装置，其采样过程控制缺少严格的理论支撑，其测量结果未必准确可靠。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种建材挥发物现场采样装置及采样过程控制方法，以满足现场快速准确测定建材挥发物可达浓度的要求。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种建材挥发物现场采样装置，包括零气发生器和半封闭采样仓，所述零气发生器和半封闭采样仓上分别设置控制线路接口，所述零气发生器的出气口和半封闭采样仓的进气口之间连接供气软管；所述零气发生器内设置依次连接的进气泵、空气过滤器、除湿器、加热装置、温湿传感器一、气体流量计和流量控制阀，所述进气泵与零气发生器的进气孔连接，所述除湿器两端通过切换电磁阀连接旁通支路；所述半封闭采样仓内设置内胆，所述内胆顶部开设透光孔，所述透光孔处设置透光片，透光片上方设置辐射加热灯，所述内胆底部开设采样口；所述内胆底部设置抽气口和吹气口，所述抽气口与半封闭采样仓的进气口之间通过三通接头连接循环泵的进气端，循环泵的出气端连接吹气口，所述内胆顶部设置取样口，所述取样口一侧设置温湿传感器二，所述内胆外侧壁上缠绕有加热带。

上述方案中，所述零气发生器内设置有与零气发生器和半封闭采样仓内其余部件连接的主控板和直流电源。

上述方案中，所述采样口周边设置密封条。

一种建材挥发物现场采样过程控制方法，采用上述的一种建材挥发物现场采样装置，控制半封闭采样仓内的环境条件，包括采样表面空气流速、空气交换率、采样仓温度和采样仓湿度，对上述控制对象采用解耦控制方法，在采样仓内得到稳定的有机挥发物浓度，取样检定后反推有机挥发物的散发率。

上述方案中，采样表面空气流速采用开环控制方法，该状态量与控制量独立于其他变量，控制执行机构为循环泵，无温湿传感器反馈。

上述方案中，空气交换率采用单闭环控制方法，目标流量与气体流量计读数的差值作为流量控制阀的输入，可以稳定出气流量。

上述方案中，采样仓温度采用两闭环串联控制的方法，第一个闭环系统为零气发生器的出气口温度控制，执行机构为加热装置，采用PID控制，温湿传感器一提供温度反馈信号；第二个闭环系统为采样仓温度控制，执行机构为加热带，同样采用PID控制，取样口附近的温湿传感器二提供温度反馈信号。

上述方案中，采样仓湿度采用双闭环嵌套控制，外环控制取样口空气湿度，控制执行机构为零气发生器的出气口湿度，采用模糊控制，取样口附近的温湿传感器二提供湿度反馈信号；内环控制零气发生器的输出湿度，控制机构为除湿箱前端的切换电磁阀，采用切换控制，温湿传感器二提供湿度反馈信号。

通过上述技术方案，本发明提供的建材挥发物现场采样装置及采样过程控制方法具有以下优点：

1、装置重量轻便，可现场部署，环境条件控制效果堪比实验室环境仓；

2、采用无损采样过程，对建材外观和性能不会造成损坏；

3、有针对性设计的采样过程控制方法，能快速稳定采样仓内环境条件，控制效果优于参数整定仪表；

4、辐射加热方式能充分加热建材表面和内部，对已安装使用的建材同样可以实现局部加热采样。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为本发明实施例所公开的一种建材挥发物现场采样装置结构示意图；

图2为本发明实施例所公开的零气发生器内部结构示意图；

图3为本发明实施例所公开的半封闭采样仓内部结构示意图；

图4为本发明气流路径示意图；

图5为本发明采样表面流速控制示意图；

图6为本发明空气交换率控制示意图；

图7为本发明采样仓温度控制示意图；

图8为本发明采样仓湿度控制示意图。

图中，1、零气发生器；2、采样仓；3、进气孔；4、出气口；5、进气口；6、控制线路接口；7、辐射加热灯；8、取样口；9、进气泵；10、空气过滤器；11、除湿器；12、加热装置；13、气体流量计；14、主控板；15、直流电源；16、内胆；17、透光片；18、加热带；19、抽气口；20、循环泵；21、吹气口；22、温湿传感器一；23、流量调节阀；24、温湿传感器二；25、供气软管；26、采样口。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

本发明提供了一种建材挥发物现场采样装置及采样过程控制方法，该装置相较于传统实验室气体检测仓室具有可移动、可快速部署的优点；相较于其他现场挥发物采样装置，其环境控制效果更为稳定，结果更接近实验室测试结果。

如图1所示的建材挥发物现场采样装置包括恒温恒流量零气发生器1、半封闭采样仓2、连接两者的控制线路接口6、连接零气发生器的出气口4和采样仓的进气口5的供气软管25。零气发生器1通过进气孔3从外界泵入空气，处理后从零气发生器的出气口4排出，半封闭采样仓2通过采样仓的进气口5泵入纯净空气实现换气，通过取样口8连接检定装置实现采样。辐射加热灯7置于采样仓的透光片17上方用来给采样区域加热。

如图2所示，零气发生器1包括气流处理部分、电控部分、供电部分和外壳。其中气流处理部分依次连接进气孔3、进气泵9、空气过滤器10、除湿器11、加热装置12、温湿传感器一22、气体流量计13和流量控制阀23。进气泵9泵入的空气进入空气过滤器10，空气过滤器10包括颗粒物滤芯和活性炭滤芯分别滤除颗粒尘埃和有机挥发物；空气过滤器10流出气体通过切换电磁阀与除湿箱11和旁通支路相连，除湿箱11采用干燥剂除湿方法，除湿箱11出口与旁通支路出口通过三通接头与加热装置12相连；加热装置12为分流管式陶瓷加热片结构；温湿传感器一22用于反馈发生气体温度、湿度的状态；气体流量控制包括气体流量计13与流量调节阀23，用于控制出气量。电控部分包括带触摸屏的主控板14以及内置的人机接口程序和控制算法，主控板不仅用于控制零气发生器1输出气体的状态，还通过控制线路控制半封闭采样仓2内的温湿度。供电部分包括交流电直供接口和直流电源15提供的直流供电接口。

如图3所示，半封闭采样仓2由外壳、内胆以及设置在内胆16周边的各组件组成，包括取样口8、透光片17、加热带18、抽气口19、循环泵20、吹气口21、温湿传感器二24。内胆16为不锈钢材质，内表面采用镜面或涂层处理，以减少其上吸附的甲醛、VOCs等物质，内胆与外壳之间填充保温层；内胆16固定底面开设采样口26，采样口周边有密封条；内胆16顶部开孔并设有透光片17，用于观察仓内情况或通过辐射加热灯7加热采样区域；内胆16扣于采样区域后借助密封条形成局部密封，内部气体只能通过取样口8流出。内胆16外壁缠绕有加热带18，用于加热内胆中的采样气体温度。内胆16底部设有抽气口19和吹气口21，抽气口19与外壳上方进气口5通过三通接头相连，三通接头连接循环泵20的进气端，循环泵20出气端连接吹气口21，通过吹气控制采样区域上方空气流速。内胆上方设有取样口8，用于采集气体，附近设有温湿传感器二24。半封闭采样仓2中的辐射加热灯7、加热带18、循环泵20、温湿度探头22均通过控制线路与主控板14相连。

如图4所示，本实施例气流路径设计考虑了采样流量、温度、湿度及吸附率控制问题。气体由进气泵9泵入后，通过空气过滤器10滤除颗粒物、甲醛、VOCs等杂质，空气过滤器10内设有压力保护装置。之后气体通过切换电磁阀进入除湿器11或旁通支路，除湿器内采样干燥剂进行除湿，旁通支路不进行除湿，因此可以利用切换支路控制空气湿度。气体随后进入加热装置12与温湿传感器一22组成的温控系统中实现温度控制。流量控制阀控制进入半封闭采样仓2中的气体流量，该流量即仓内换气量，也是取样口8处的流量。进入采样仓中的气体与仓内抽气口19抽出的气体混合，在循环泵20的推动下从吹气口21吹出，以一定速度吹向采样区域，气体在仓内加热后继续由抽气口抽出、混合、吹气形成循环。为释放仓内压力，取样口8处不断有气体挤出，当采样流量与进气流量相等时仓内压力达到平衡状态。本实施例根据空气VOCs浓度散发模型进行设计通过装置的结构固定浓度散发模型中的材料取样面积A，仓室体积V；通过装置中流量控制阀23控制进出采样仓中的气体流量Q，稳定空气交换率；通过主控板中的采样过程控制程序控制温度、湿度、表面空气流速等参数稳定散发律/>上述模型中，当散发率/>为某一常数时，空气VOCs浓度Ca能自行稳定到浓度/>实验和研究结果表明，多数建材在大空间(开放环境)下几小时内散发率会由高点迅速下降，然后趋于稳定，此后相当一段时间内散发率与挥发环境有关。因此本发明装置通过过程控制方法稳定采样仓的环境条件，可以在仓内得到稳定的VOCs浓度，采样检定后可以反推出散发率/>结果可作为判断建材环保质量的依据。

如图5、图6、图7、图8所示，为了控制采样仓环境条件，需要有针对性的设计采样过程控制方法。本实施例控制对象为：采样表面空气流速、空气交换率、采样仓温度、采样仓湿度。控制目标参考实验室采样环境为：采样表面空气流速0.3米/秒、空气交换率1次/小时、空气温度60℃、空气相对湿度RH5％。

如图5所示，采样表面空气流速v控制，采用开环控制方法，该状态量与控制量独立于其他变量，控制执行机构为循环泵，无温湿传感器反馈。根据吹气口截面积S选择固定流量Q'的循环泵，流速v＝Q/S＝0.3米/秒。

如图6所示，空气交换率在本实施例中对应进气流量1L/min，采用单闭环控制方法，该状态量影响温度控制模型的参数，应自始至终保持恒定。本实施例使用PID控制，目标流量与气体流量计读数的差值作为流量调节阀23增减量的输入，选取合适的参数可以快速稳定出气流量。

如图7所示，采样仓温度控制采用两闭环串联控制的方法，第一个闭环系统为零气发生器的出气口温度控制，执行机构为加热装置，采用PID控制，目标温度为55℃，温湿传感器一22提供温度反馈信号。第二个闭环系统为采样仓温度控制，执行机构为加热带18，同样采用PID控制，采样仓目标温度为60℃，取样口8附近的温湿传感器二24提供温度反馈信号。

如图8所示，采样仓湿度控制采用双闭环嵌套控制，外环控制取样口8空气湿度，控制执行机构为零气发生器1的出气口湿度，采用模糊控制，目标湿度为RH5％，取样口8附近的温湿传感器一22提供湿度反馈信号，控制量为RH20％，5％，1％三个状态。内环控制零气发生器1的输出湿度，控制机构为除湿箱前端的切换电磁阀，采用切换控制，目标湿度为RH20％，RH5％，1％三个状态，由采样口湿度状态换算，温湿传感器二24提供反馈信号。

本发明的一种建材挥发物现场采样装置及采样过程控制方法，便于携带至样本现场，在现场可以实现快速部署、精准控制环境条件。实验结果与检测实验室中的标准气候仓检测的结果十分吻合，克服了常规建材挥发物检测方法对现场的损坏，排除了现场环境条件对检测结果的干扰。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种建材挥发物现场采样装置，其特征在于，包括零气发生器和半封闭采样仓，所述零气发生器和半封闭采样仓上分别设置控制线路接口，所述零气发生器的出气口和半封闭采样仓的进气口之间连接供气软管；所述零气发生器内设置依次连接的进气泵、空气过滤器、除湿器、加热装置、温湿传感器一、气体流量计和流量控制阀，所述进气泵与零气发生器的进气孔连接，所述除湿器两端通过切换电磁阀连接旁通支路；所述半封闭采样仓内设置内胆，所述内胆顶部开设透光孔，所述透光孔处设置透光片，透光片上方设置辐射加热灯，所述内胆底部开设采样口；所述内胆底部设置抽气口和吹气口，所述抽气口与半封闭采样仓的进气口之间通过三通接头连接循环泵的进气端，循环泵的出气端连接吹气口，所述内胆顶部设置取样口，所述取样口一侧设置温湿传感器二，所述内胆外侧壁上缠绕有加热带；所述零气发生器内设置有与零气发生器和半封闭采样仓内其余部件连接的主控板和直流电源；所述采样口周边设置密封条。

2.一种建材挥发物现场采样过程控制方法，采用如权利要求1所述的一种建材挥发物现场采样装置，其特征在于，控制半封闭采样仓内的环境条件，包括采样表面空气流速、空气交换率、采样仓温度和采样仓湿度，对上述控制对象采用解耦控制方法，在采样仓内得到稳定的有机挥发物浓度，取样检定后反推有机挥发物的散发率。

3.根据权利要求2所述的一种建材挥发物现场采样过程控制方法，其特征在于，采样表面空气流速采用开环控制方法，该状态量与控制量独立于其他变量，控制执行机构为循环泵，无温湿传感器反馈。

4.根据权利要求2所述的一种建材挥发物现场采样过程控制方法，其特征在于，空气交换率采用单闭环控制方法，目标流量与气体流量计读数的差值作为流量控制阀的输入，可以稳定出气流量。

5.根据权利要求2所述的一种建材挥发物现场采样过程控制方法，其特征在于，采样仓温度采用两闭环串联控制的方法，第一个闭环系统为零气发生器的出气口温度控制，执行机构为加热装置，采用PID控制，温湿传感器一提供温度反馈信号；第二个闭环系统为采样仓温度控制，执行机构为加热带，同样采用PID控制，取样口附近的温湿传感器二提供温度反馈信号。

6.根据权利要求2所述的一种建材挥发物现场采样过程控制方法，其特征在于，采样仓湿度采用双闭环嵌套控制，外环控制取样口空气湿度，控制执行机构为零气发生器的出气口湿度，采用模糊控制，取样口附近的温湿传感器二提供湿度反馈信号；内环控制零气发生器的输出湿度，控制机构为除湿箱前端的切换电磁阀，采用切换控制，温湿传感器二提供湿度反馈信号。