CN110441202A - 一种空气动力学粒径谱仪的校准系统及其校准方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种空气动力学粒径谱仪校准系统，包括粉尘环境模拟设备，该设备包括风洞，风洞依次连接混合段、扩散段和测试段，混合段的上游设置有密封端板，混合段设置有至少两个进粉口，每个进粉口均设置单分散颗粒发生供应装置，供应装置供应的单分散颗粒粒径不同，混合段还设置有洁净空气入口，该入口连接有洁净空气补充系统，测试段内放置有待标定空气动力学粒径谱仪和标准空气动力学粒径谱仪，测试段的下游端连接有排气管路，排气管路与滤筒除尘器或者滤袋除尘器的进气口连通，滤筒除尘器或者滤袋除尘器的出气口通过出气管连接排气风机，出气管设置有流量计，排气管路设置有补气口，该系统保证风洞内部气流稳定，过滤出风口的粉尘。
Description
技术领域
本发明涉及一种校准系统和校准方法，用于空气动力学粒径谱仪的校准。
背景技术
随着工业的不断发展，人类生存环境遭到破坏，其中空气污染形势严峻，空气中的悬浮颗粒物能够造成灰霾天气。尤其是可吸入粉尘对人体的危害最明显。可吸入粉尘指空气动力学当量直径小于等于10μm的颗粒物，也就是日常提到的M10，另外环境空气中空气动力学当量直径小于等于2.5μm的颗粒物，也称细颗粒物，日常也称作PM2.5。空气动力学粒径谱仪是通过测量粒子在气流中的流速来确定粒子的空气动力学直径，与一般的光散射粒子计数器相比，这种方法受粒子成分变化影响较小，且无多值性问题困扰。而空气动力学粒径谱仪需要标定粒子的空气动力学直径—粒子流速曲线，由于空气动力学粒径谱仪是利用气流的流速来判断粒径的直径，因此气流的速度变化就会影响校准结果。
而目前的校准系统一般都是利用风洞来模拟粉尘环境，而目前的系统粉尘模拟环境中气流的流动容易波动，其主要原因是目前的风洞环境的排风口的出风口会波动，风洞模拟的粉尘环境一般由几种情况排出，一种是直接排至空气中，这种情况容易导致实验室内粉尘越积越多，影响实验人员的健康，而另一种通入到水箱中将粉尘过滤。然由于校准的时间一般都比较长，因此水箱中的液面高度在使用的过程中可能因为蒸发而出现变化，而液面高度的变化直接导致出风口的阻力变化，从而影响了气流的流动，继而影响了风洞内部的气流的稳定性，而气流的波动直接影响了空气动力学粒径谱仪的校准结果的准确性。
发明内容
本发明所要解决的第一个技术问题是：提供一种空气动力学粒径谱仪校准系统，该校准系统可以在保证风洞内部气流稳定性的前提下，还能够过滤出风口的粉尘，使实验环境更洁净。
本发明所要解决的第二个技术问题是：提供一种空气动力学粒径谱仪校准方法，该校准方法使用了上述的校准系统，既能够保证风洞内部气流的稳定，又能够过滤出风口的粉尘，使实验环境更洁净。
为解决上述第一个技术问题，本发明的技术方案是：一种空气动力学粒径谱仪校准系统，包括粉尘环境模拟设备，该粉尘环境模拟设备包括风洞，所述风洞上依次连接的混合段、扩散段和测试段，所述混合段的上游端部设置有密封端板，所述混合段上设置有至少两个进粉口，每个进粉口均设置有单分散颗粒发生供应装置，各单分散颗粒发生供应装置的供应的单分散颗粒粒径不同，所述混合段上还设置有洁净空气入口，该洁净空气入口连接有洁净空气补充系统，所述测试段内放置有待标定空气动力学粒径谱仪和标准空气动力学粒径谱仪，测试段的下游端连接有排气管路，该排气管路上与滤筒除尘器或者滤袋除尘器的进气口连通，滤筒除尘器或者滤袋除尘器的出气口通过出气管连接排气风机，该出气管上设置有流量计，所述排气管路上还设置有补气口，该补气口处安装有补气阀。
作为一种优选的方案，所述滤筒除尘器或者滤袋除尘器的进气口处安装有三通，该三通的其中两个连接口分别连接排气管路的出口和滤筒除尘器或者滤袋除尘器的进气口，而另一个连接口作为所述补气口。
作为一种优选的方案，所述补气阀为电动调节阀。
作为一种优选的方案，所述风洞竖直设置，所述测试段为横截面相等的矩形段，该测试段上设置有操作窗口，该操作窗口上安装有操作门。
作为一种优选的方案，该扩散段和测试段之间还设置有过渡段，该过渡段的口径与扩散段的大端口径相等，所述测试段的口径大于过渡段的口径。
作为一种优选的方案，所述测试段还连接有滤膜采样装置。
作为一种优选的方案，所述混合段包括进气段、缩口段和连接段，该进气段各部位的横截面相等，该洁净空气入口设置于进气段上，该缩口段的大径端与进气段的下游端连通，缩口段的小径端和扩散段之间通过连接段连通，该连接段的各部位的横截面相等，所述进粉口设置于缩口段上。
作为一种优选的方案，所述进粉口的进粉方向朝向缩口段的大径端。
采用了上述技术方案后，本发明的效果是：该校准系统利用风洞进行粉尘模拟，利用多个单分散颗粒发生供应装置来提供不同的粒径分粉尘颗粒，洁净空气与粉尘颗粒先进入到混合段中进行混合，混合后再扩散段的扩散作用使粉尘尽可能的弥散均匀，最终在测试段中形成比较均匀的粉尘环境，而待标定空气动力学粒径谱仪和标准空气动力学粒径谱仪采样测试端的含尘气体进行校准，而多余的含尘气体则从排气管路排出，而排气风机则将排气管道的气体和补气口的气体抽入到滤袋除尘器或滤筒除尘器中除尘，最终洁净的气体排出，而在整个过程中，洁净空气的进入量和排气管道的排出量基本是一致的，当滤袋除尘器或者滤筒除尘器在过滤的过程中阻力增加，这样，除尘器的出气量降低，而由于补气口的存在，因此，出气量虽然降低，补气口的补气量也会减少，而同时排气管道的出气口与补气口连通的位置压强的变化并不大，因此出气量和出气的流量也不会发生波动，这样，风洞内部的气体流速也就不会发生波动，从而提高了校准的准确性的同时还能过滤粉尘。
又由于所述滤筒除尘器或者滤袋除尘器的进气口处安装有三通，该三通的其中两个连接口分别连接排气管路的出口和滤筒除尘器或者滤袋除尘器的进气口，而另一个连接口作为所述补气口，该补气口靠近除尘器的进气口，这样三通内的压力变化对排气管路的影响更小，这样风洞的气体流量更稳定。
又由于由于该扩散段和测试段之间还设置有过渡段，该过渡段的口径与扩散段的大端口径相等，所述测试段的口径大于过渡段的口径，这样，通过过渡段和测试段时又会再次形成一次扩容逸散，从而粉尘颗粒更加均匀。
又由于所述混合段包括进气段、缩口段和连接段，该进气段各部位的横截面相等，该洁净空气入口设置于进气段上，该缩口段的大径端与进气段的下游端连通，缩口段的小径端和扩散段之间通过连接段连通，该连接段的各部位的横截面相等，所述进粉口设置于缩口段上。所述进粉口的进粉方向朝向缩口段的大径端，这样，粉尘逆向进入后先与洁净空气冲击，这样就会冲散粉尘颗粒，然后先进入到缩口段，横截面减小，这样流速增加，之后进入到扩散段后会更好的扩散，逸散更均匀。
为解决上述第二个技术问题，本发明的技术方案是：一种空气动力学粒径谱仪的校准方法，该校准方法使用了上述校准装置，其包括以下步骤：
A、提供一个风洞模拟粉尘环境，从混合段加入洁净空气和第一种粒径的单分散粉尘颗粒并在风洞中得到分布均匀的流动的含尘气体，流动的含尘气体从排气管路经过滤筒除尘器或者滤袋除尘器排出，补气口处安装的补气阀打开，设定从滤筒除尘器或者滤袋除尘器排出的气体流量为Q1，滤筒除尘器或者滤袋除尘器处洁净空气的进入流量为Q2，补气口的流量为Q3，Q1＝Q2+Q3；
B、将待标定的空气动力学粒径谱仪和标准的空气动力学粒径谱仪的采样头放置于粉尘环境的测试段的同一横截面上；
C、待标定的空气动力学粒径谱仪和标准的空气动力学粒径谱仪分别采样测试段中的含尘气体，并持续一定时间；
D、根据待标定的空气动力学粒径谱仪和标准的空气动力学粒径谱仪的检测结果来校准待标定的空气动力学粒径谱仪在第一种粒径颗粒下的检测值；
E、关闭第一种粒径的单分散粉尘颗粒的供应，待标定的空气动力学粒径谱仪和标准的空气动力学粒径谱仪的检测浓度为0时，切换供应第二种粒径的单分散粉尘颗粒，然后重复步骤C和步骤D，校准第二种粒径颗粒下的检测值；
F、按照步骤E的流程依次关闭第二种粒径的单分散粉尘颗粒供应第三种粒径的单分散粉尘颗粒、关闭第三种粒径的单分散粉尘颗粒供应第四种粒径的单分散粉尘颗粒，直到把所有的单分散粉尘颗粒都校准，该待标定的空气动力学粒径谱仪校准完成。
其中优选的，在风洞模拟粉尘环境的使用过程中，流量计检测Q1的值，当该Q1的值小于Q2时，则关闭补气口并滤筒除尘器或者滤袋除尘器反吹清灰处理，清灰结束后再打开补气口继续校准动作。
采用了上述技术方案后，本发明的效果是：该校准方法使用了上述的校准系统，在对待标定的空气动力学粒径谱仪进行校准时，通过补气口自动补齐，而滤筒除尘器或滤袋除尘器的在过滤粉尘后阻力逐渐增加，出气量就会减少，而由于补气口的存在，因此，补气口的补齐量会自适应减少，而风洞的出气依旧能够保持稳定，从而提高校准结果的准确性。
另外，该校准方法还可以反吹清灰，从而保证除尘器长期有效的运行。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明实施例的结构示意图；
1.混合段；101.进气段；102.缩口段；103.连接段；2.扩散段；3.测试段；4.密封端板；5.单分散颗粒发生供应装置；6.洁净空气入口；7.洁净空气补充系统；8.待标定空气动力学粒径谱仪；9.标准空气动力学粒径谱仪；10.排气管路；11.滤筒除尘器；12.出气管；13.排气风机；14.流量计；15.补气阀；16.操作门；17.过渡段；18.滤膜采样装置。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明作进一步的详细描述。
如图1所示，一种空气动力学粒径谱仪校准系统，包括粉尘环境模拟设备，该粉尘环境模拟设备包括风洞，风洞上依次连接的混合段1、扩散段2和测试段3，混合段1的上游端部设置有密封端板4，混合段1上设置有至少两个进粉口，每个进粉口均设置有单分散颗粒发生供应装置5，各单分散颗粒发生供应装置5供应的单分散颗粒粒径不同，混合段1上还设置有洁净空气入口6，该洁净空气入口6连接有洁净空气补充系统7，测试段3内放置有待标定空气动力学粒径谱仪8和标准空气动力学粒径谱仪9，测试段3的下游端连接有排气管路10，该排气管路10上与滤筒除尘器11或者滤袋除尘器的进气口连通，滤筒除尘器11或者滤袋除尘器的出气口通过出气管12连接排气风机13，该出气管12上设置有流量计14，排气管路10上还设置有补气口，该补气口处安装有补气阀15。
本实施例中，补气阀15为电动调节阀，图1是用的滤筒除尘器11，滤筒除尘器11的进气口处安装有三通，该三通的其中两个连接口分别连接排气管路10的出口和滤筒除尘器11或者滤袋除尘器的进气口，而另一个连接口作为所述补气口，当然也可以选用滤袋除尘器。
本实施例中，风洞竖直设置，测试段3为横截面相等的矩形段，测试段3上设置有操作窗口，操作窗口上安装有操作门16，扩散段2和测试段3之间还设置有过渡段17，过渡段17的口径与扩散段2的大端口径相等，测试段3的口径大于过渡段17的口径，混合段1包括进气段101、缩口段102和连接段103，该进气段101各部位的横截面相等，该洁净空气入口6设置于进气段101上，该缩口段102的大径端与进气段101的下游端连通，缩口段102的小径端和扩散段2之间通过连接段103连通，该连接段103的各部位的横截面相等，进粉口设置于缩口段102上，进粉口的进粉方向朝向缩口段102的大径端。
本实施例中，测试段3还连接有滤膜采样装置18，该滤膜采样装置18可以用于标准空气动力学粒径谱仪9的校准。
使用过程中，多个单分散颗粒发生供应装置5来提供不同的粒径分粉尘颗粒，洁净空气与粉尘颗粒先依次进入到混合段1的进气段101、缩口段102和连接段103中进行混合，混合后再经过扩散段2的扩散作用，粉尘尽可能的弥散均匀，经过渡段17过渡，最终在测试段3中形成比较均匀的粉尘环境，待标定空气动力学粒径谱仪8和标准空气动力学粒径谱仪9的采样测试端对含尘气体进行校准，多余的含尘气体则从排气管路10排出，排气风机13将排气管道的气体和补气口的气体抽入到滤筒除尘器11中除尘，最终洁净的气体排出。
在上述的整个过程中，洁净空气的进入量和排气管道的排出量基本是一致的，滤袋除尘器或者滤筒除尘器11在过滤的过程中阻力增加时，滤筒除尘器11的出气量降低，由于补气口的存在，因此，出气量虽然降低，补气口的补气量也会减少，排气管道的出气口与补气口连通的位置压强的变化并不大，因此出气量和出气的流量也不会发生波动，这样，风洞内部的气体流速也就不会发生波动，从而在提高校准的准确性的同时还能过滤粉尘。
一种空气动力学粒径谱仪的校准方法，该校准方法使用了上述的校准装置，其包括以下步骤：
A、提供一个风洞模拟粉尘环境，从混合段1加入洁净空气和第一种粒径的单分散粉尘颗粒并在风洞中得到分布均匀的流动的含尘气体，流动的含尘气体从排气管路10经过滤筒除尘器11或者滤袋除尘器排出，补气口处安装的补气阀15打开，设定从滤筒除尘器11或者滤袋除尘器排出的气体流量为Q1，滤筒除尘器11或者滤袋除尘器处洁净空气的进入流量为Q2，补气口的流量为Q3，Q1＝Q2+Q3；
B、将待标定的空气动力学粒径谱仪和标准的空气动力学粒径谱仪的采样头放置于粉尘环境的测试段3的同一横截面上；
C、待标定的空气动力学粒径谱仪和标准的空气动力学粒径谱仪分别采样测试段3中的含尘气体，并持续一定时间；
D、根据待标定的空气动力学粒径谱仪和标准的空气动力学粒径谱仪的检测结果来校准待标定的空气动力学粒径谱仪在第一种粒径颗粒下的检测值；
E、关闭第一种粒径的单分散粉尘颗粒的供应，待标定的空气动力学粒径谱仪和标准的空气动力学粒径谱仪的检测浓度为0时，切换供应第二种粒径的单分散粉尘颗粒，然后重复步骤C和步骤D，校准第二种粒径颗粒下的检测值；
F、按照步骤E的流程依次关闭第二种粒径的单分散粉尘颗粒供应第三种粒径的单分散粉尘颗粒、关闭第三种粒径的单分散粉尘颗粒供应第四种粒径的单分散粉尘颗粒，直到把所有的单分散粉尘颗粒都校准，该待标定的空气动力学粒径谱仪校准完成。
在上述风洞模拟粉尘环境的使用过程中，流量计14检测Q1的值，当该Q1的值小于Q2时，则关闭补气口并滤筒除尘器11反吹清灰处理，清灰结束后再打开补气口继续校准动作，在对待标定的空气动力学粒径谱仪进行校准时，通过补气口自动补齐，而滤筒除尘器11或滤袋除尘器的在过滤粉尘后阻力逐渐增加，出气量就会减少，由于补气口的存在，补气口的补齐量会自适应减少，风洞的出气能够保持稳定，从而提高校准结果的准确性。
本实施例中提到的气路系统、风机为目前的常规技术，在2008年4月北京第五版第二十八次印刷的《机械设计手册第五版》中详细的公开了气缸、风机以及其他机构的具体结构和原理和其他的设计，属于现有技术，其结构清楚明了，2008年08月01日由机械工业出版社出版的现代实用气动技术第3版SMC培训教材中就详细的公开了气体回路和程序控制，表明了本实施例中的气路结构也是现有的技术，清楚明了，因此，气路连接清楚。
以上所述实施例仅是对本发明的优选实施方式的描述，不作为对本发明范围的限定，在不脱离本发明设计精神的基础上，对本发明技术方案作出的各种变形和改造，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。
Claims (10)
1.一种空气动力学粒径谱仪校准系统，其特征在于：包括粉尘环境模拟设备，该粉尘环境模拟设备包括风洞，所述风洞上依次连接的混合段、扩散段和测试段，所述混合段的上游端部设置有密封端板，所述混合段上设置有至少两个进粉口，每个进粉口均设置有单分散颗粒发生供应装置，各单分散颗粒发生供应装置的供应的单分散颗粒粒径不同，所述混合段上还设置有洁净空气入口，该洁净空气入口连接有洁净空气补充系统，所述测试段内放置有待标定空气动力学粒径谱仪和标准空气动力学粒径谱仪，测试段的下游端连接有排气管路，该排气管路上与滤筒除尘器或者滤袋除尘器的进气口连通，滤筒除尘器或者滤袋除尘器的出气口通过出气管连接排气风机，该出气管上设置有流量计，所述排气管路上还设置有补气口，该补气口处安装有补气阀。
2.如权利要求1所述的一种空气动力学粒径谱仪校准系统，其特征在于：所述滤筒除尘器或者滤袋除尘器的进气口处安装有三通，该三通的其中两个连接口分别连接排气管路的出口和滤筒除尘器或者滤袋除尘器的进气口，而另一个连接口作为所述补气口。
3.如权利要求2所述的一种空气动力学粒径谱仪校准系统，其特征在于：所述补气阀为电动调节阀。
4.如权利要求3所述的一种空气动力学粒径谱仪校准系统，其特征在于：所述风洞竖直设置，所述测试段为横截面相等的矩形段，该测试段上设置有操作窗口，该操作窗口上安装有操作门。
5.如权利要求4所述的一种空气动力学粒径谱仪校准系统，其特征在于：该扩散段和测试段之间还设置有过渡段，该过渡段的口径与扩散段的大端口径相等，所述测试段的口径大于过渡段的口径。
6.如权利要求5所述的一种空气动力学粒径谱仪校准系统，其特征在于：所述测试段还连接有滤膜采样装置。
7.如权利要求1至6任一项所述的一种空气动力学粒径谱仪校准系统，其特征在于：所述混合段包括进气段、缩口段和连接段，该进气段各部位的横截面相等，该洁净空气入口设置于进气段上，该缩口段的大径端与进气段的下游端连通，缩口段的小径端和扩散段之间通过连接段连通，该连接段的各部位的横截面相等，所述进粉口设置于缩口段上。
8.如权利要求7所述的一种空气动力学粒径谱仪校准系统，其特征在于：所述进粉口的进粉方向朝向缩口段的大径端。
9.一种空气动力学粒径谱仪的校准方法，其特征在于：该校准方法使用了如权利要求1中的校准装置，其包括以下步骤：
A、提供一个风洞模拟粉尘环境，从混合段加入洁净空气和第一种粒径的单分散粉尘颗粒并在风洞中得到分布均匀的流动的含尘气体，流动的含尘气体从排气管路经过滤筒除尘器或者滤袋除尘器排出，补气口处安装的补气阀打开，设定从滤筒除尘器或者滤袋除尘器排出的气体流量为Q1，滤筒除尘器或者滤袋除尘器处洁净空气的进入流量为Q2，补气口的流量为Q3，Q1＝Q2+Q3；
B、将待标定的空气动力学粒径谱仪和标准的空气动力学粒径谱仪的采样头放置于粉尘环境的测试段的同一横截面上；
C、待标定的空气动力学粒径谱仪和标准的空气动力学粒径谱仪分别采样测试段中的含尘气体，并持续一定时间；
D、根据待标定的空气动力学粒径谱仪和标准的空气动力学粒径谱仪的检测结果来校准待标定的空气动力学粒径谱仪在第一种粒径颗粒下的检测值；
E、关闭第一种粒径的单分散粉尘颗粒的供应，待标定的空气动力学粒径谱仪和标准的空气动力学粒径谱仪的检测浓度为0时，切换供应第二种粒径的单分散粉尘颗粒，然后重复步骤C和步骤D，校准第二种粒径颗粒下的检测值；
F、按照步骤E的流程依次关闭第二种粒径的单分散粉尘颗粒供应第三种粒径的单分散粉尘颗粒、关闭第三种粒径的单分散粉尘颗粒供应第四种粒径的单分散粉尘颗粒，直到把所有的单分散粉尘颗粒都校准，该待标定的空气动力学粒径谱仪校准完成。
10.如权利要求9所述的一种空气动力学粒径谱仪的校准方法，其特征在于：在风洞模拟粉尘环境的使用过程中，流量计检测Q1的值，当该Q1的值小于Q2时，则关闭补气口并滤筒除尘器或者滤袋除尘器反吹清灰处理，清灰结束后再打开补气口继续校准动作。
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