CN110487856A - 一种便携式阻容法粉尘含湿量在线测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种便携式阻容法粉尘含湿量在线测量装置及方法，属于粉尘测量技术领域。该测量装置探杆的一端与壳体相连，湿度传感器设置于探杆内部；第一过滤层和第二过滤层设置于探杆远离壳体的一端，加热膜铺设于探杆内壁；所述的第一过滤层采用静电滤网，第二过滤层采用SiO₂‑PTFE覆膜滤料，加热膜通过粘结剂粘结在探杆内壁；加热膜的基材为耐高温聚酯薄膜，加热膜内导电体为石墨烯，该加热膜通过导线与电源直接连接。壳体内还设置水冷组件，水冷组件中水槽及水冷套内的水循环流动，可以有效降低烟气温度，该测量装置针对不同粉尘特点进行综合开发，可以测量火电厂粉尘及矿山粉尘含湿量，具有响应速度快、测量精度高、通用性高等优点。

Description

一种便携式阻容法粉尘含湿量在线测量装置及方法

技术领域

本发明涉及粉尘测量技术领域，更具体地说，涉及一种便携式阻容法粉尘含湿量在线测 量装置及方法。

背景技术

近年来，国家针对环保产业制定了一系列相关政策，使得环保产业提升到了战略新兴产 业和国民经济新的支柱产业的地位。我国火力发电厂和露天矿山数量巨大，在生产过程中会 产生大量的粉尘，由于粉尘含湿量较高，除尘器滤料会存在结露、糊袋、清灰困难等现象， 大大影响了除尘效果，所以需要根据粉尘的含湿量来调整除尘器滤料性质以解决糊袋等问题。 因此，粉尘含湿量的测量是除尘中非常重要的一步。

粉尘含湿量检测方法主要有重量法、冷凝法、干湿球法、阻容法、激光法等，其中阻容 法多作为各类工业现场含湿量的在线实时测量方法。阻容法是利用湿敏元件的电容值或电阻 值随环境湿度变化的特性进行湿度测量。湿敏元件有电阻式、电容式两大类。以高分子电容 型湿度传感器为例，在传感器上下电极中间充满了湿敏材料，湿敏材料是一种高分子聚合物， 容易吸收空气中的水分子，由于水分子的介电常数比此类高分子聚合物大，从而导致电极间 介质的介电常数随着环境的相对湿度变化而变化。当环境湿度发生变化时，湿敏元件的电容 量随之发生改变，即当相对湿度增大时，电容量随之增大，反之减小。电容型湿度传感器具 有响应速度快、测量精度高、温度漂移小等优点。

火电厂粉尘与矿山粉尘具有不同的特性，火电厂粉尘具有温度高、粉尘分散度高、含有 腐蚀性物质等特点。而与火电厂粉尘相比，矿山粉尘具有温度低、湿度大、粉尘粒径小等特 点，如果将基于火电厂粉尘开发的含湿量测量方法用于矿山粉尘将会存在诸多问题。

经检索，中国专利号ZL201721018602.5，申请日为2017年8月15日，发明创造名称为： 一种便携式阻容法烟气含湿量测量仪，该申请案在烟气含湿量测量仪中设置过滤器、取样管、 加热部件、过滤干燥装置及温湿度传感器等，可克服高温恶劣烟道环境，进行含湿量测量。 但是由于矿山粉尘具有高湿的特点，其测量仪内部设置的过滤干燥装置中第一层滤芯使用的 井字形高压静电吸附网对高湿粉尘的吸附能力较低且会消耗大量电能，第二层滤芯使用的烧 结金属蜂窝状多孔介质在使用中孔道易被高湿粉尘堵塞，影响过滤效率；且探杆长度过长将 会影响设备的便携性。

中国专利号ZL200610037752.0，申请日为2006年1月13日，发明创造名称为：一种在 线阻容法高温烟气水分分析方法及仪器，该申请案设置了过滤器、阻容法湿度传感器、烟温 补偿处理电路、电压/电流转换电路等，可用于在高温环境下进行在线阻容法高温烟气测量。 该测量仪采用不锈钢烧结过滤器来降低粉尘对传感器的影响，但此测量仪未有效解决由于不 锈钢烧结过滤器透气性较低而造成的检测组件内烟气流量小等问题，这将会影响传感器测量 精度。

中国专利号ZL201820204743.4，申请日为2018年2月6日，发明创造名称为：一种烟气含湿量检测器，该申请案在烟气含湿量测量仪中设置有湿度传感器、安装座、加热件和过滤筒等，湿度传感器插装在过滤筒内且与安装座固定连接，加热件套设在过滤筒上；该含湿量测量仪将检测组件设置在前端，仅设置了能过滤颗粒直径较大的粉尘的过滤筒，但由于矿 山粉尘颗粒直径小，过滤筒难以过滤矿山粉尘，将会使得粉尘黏附在传感器表面，影响传感 器精度及使用寿命。

发明内容

1.发明要解决的技术问题

针对火电厂粉尘与矿山粉尘特性具有较大不同，现有的粉尘含湿量测量装置不能很好的 适应两种粉尘在线含湿量测量的问题，本发明提供了一种便携式阻容法粉尘含湿量在线测量 装置及方法；本发明解决了设备便携性差、通用性低等问题，使得仪器可以测量火电厂粉尘 及矿山粉尘含湿量，提高了测量粉尘时的准确性，延长了设备的使用寿命，提高了设备的通 用性及便携性。

2.技术方案

为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

本发明的一种便携式阻容法粉尘含湿量在线测量装置，包括探杆、湿度传感器、壳体、 第一过滤层、第二过滤层和加热膜；所述的探杆的一端与壳体相连，湿度传感器设置于探杆 内部；所述的第一过滤层和第二过滤层设置于探杆远离壳体的一端，所述的加热膜铺设于探 杆内壁。

作为本发明更进一步的改进，所述的第一过滤层采用静电滤网，第二过滤层采用SiO₂-PTFE覆膜滤料，两过滤层固定于一框架上，该框架安装于探杆内部。

作为本发明更进一步的改进，所述的加热膜通过粘结剂粘结在探杆内壁；加热膜的基材 为耐高温聚酯薄膜，加热膜内导电体为石墨烯，该加热膜通过导线与电源直接连接。

作为本发明更进一步的改进，所述的探杆远离壳体的一端采用斜切口设计，该斜切口入 口处设置导流片，导流片平行探杆长度方向设置。

作为本发明更进一步的改进，所述的探杆为可伸缩探杆。

作为本发明更进一步的改进，所述的壳体内部设置有水冷组件，该水冷组件包括水槽、 水泵、连接管和水冷套，所述的水泵、水槽、水冷套通过连接管连接，组成一水循环通路， 水冷套套于排气管外部，排气管一端连通探杆，另一端通于壳体外部。

作为本发明更进一步的改进，所述的水泵为微型水泵，水冷套内水流逆流流动，与排气 管内气体进行换热，水槽采用可拆卸设计。

作为本发明更进一步的改进，所述的壳体与探杆之间设置密封组件，该密封组件包括密 封圈及填料环，其中，密封圈为金属橡胶密封圈，填料环为聚四氟乙烯填料环，填料环设置 在壳体和密封圈之间。

作为本发明更进一步的改进，所述壳体上设置有数据接口、显示屏、电源开关和水泵开 关，显示屏为LCD液晶屏，数据接口连接外部数据传输装置，输出测量装置测得的数据。

作为本发明更进一步的改进，所述壳体采用PTFE材料，壳体内并排设置电路板和电池， 电路板表面喷涂三防漆，电池与电路板外部设置防尘盖板，防尘盖板上预留电线排线孔洞， 数据接口内设置充电接口对电池进行充电。

本发明的一种便携式阻容法粉尘含湿量在线测量方法，其步骤为：

步骤一、将可伸缩探杆展开，加热膜与电池通过导线形成一个完整的通路；

步骤二、打开电源开关给仪器通电，加热膜开始工作，对探杆内壁及湿度传感器进行恒 温加热；

步骤三、将探杆斜切口朝向迎风侧，第一过滤层和第二过滤层对进口气体进行过滤，过 滤后的气体通过湿度传感器，对其含湿量进行测量，测量后气体通过排气管排出；

步骤四、湿度传感器测得的数据由电路板上的数据处理单元进行处理后，在显示屏上直 接显示或通过数据接口连接外部设备进行显示；

步骤五、测量的粉尘是火电厂粉尘时，打开水泵开关，微型水泵开始工作，水槽和水冷 套内的水循环流动，对排气管内气体进行降温处理。

3.有益效果

采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下显著效果：

(1)本发明的一种便携式阻容法粉尘含湿量在线测量装置，鉴于矿山粉尘湿度大、粉尘 粒径小，其在可伸缩探杆前端采用多级过滤，前端使用精炼滤网过滤较大颗粒粉尘，后端的 SiO₂-PTFE覆膜滤料过滤小颗粒粉尘，由于该滤料具有较高的过滤效率及较强的疏水性，减 小了粉尘粘附在湿度传感器表面的可能性，提高了含湿量测量精度，延长了湿度传感器的使 用寿命。

(2)本发明的一种便携式阻容法粉尘含湿量在线测量装置，在可伸缩探杆内壁设置了加 热膜对可伸缩探杆内壁及湿度传感器进行加热，由于矿山粉尘湿度较大，设置加热膜可以防 止水气在湿度传感器上发生冷凝，提高了含湿量测量精度，并延长了湿度传感器使用寿命； 其中加热膜基材为耐高温聚酯加热膜，导电体为石墨烯，其加热原理是在电场的作用下，石 墨烯中的碳分子之间互相发生摩擦和撞击，产生的热能以辐射的方式向外传递，具有升温快， 温度恒定等优点。

(3)本发明的一种便携式阻容法粉尘含湿量在线测量装置，对探杆进行了可伸缩设计， 在不使用时将探杆收起，缩短了探杆的长度，使用时可将探杆前端拉出，提高了装置的便携 性；可伸缩探杆顶端采用斜切口设计，同时设置了导流片，保证了进风流量的同时使得探杆 内气流更加均匀，最终使传感器测量结果更加准确。

(4)本发明的一种便携式阻容法粉尘含湿量在线测量装置，在内部设置水泵，当测量火 电厂粉尘时，内部的水泵使得水槽及水冷套内的水循环流动，流动采用逆流流动，可以有效 提高换热效率，降低排气管内气体的温度，防止所测高温气体对测量人员造成伤害。

附图说明

图1为本发明的一种便携式阻容法粉尘含湿量在线测量装置的结构示意图；

图2为本发明的在线测量装置的壳体外部结构示意图；

图3为本发明的在线测量装置中壳体密封结构示意图；

图4为本发明的在线测量装置的测量原理框图。

示意图中标号说明：

1、导流片；2、第一过滤层；3、第二过滤层；4、探杆；5、加热膜；6、湿度传感器；7、 排气管；8、密封圈；9、填料环；10、壳体；11、电路板；12、防尘盖板；13、电池；14、 水槽；15、水泵；16、连接管；17、水冷套；18、数据接口；19、显示屏；20、电源开关； 21、水泵开关；22、测量按钮；23、高频振荡器；24、频率/电压转换器；25、校准电路；26、 电压/电流转换器；27、数据处理电路。

具体实施方式

为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。

实施例1

结合图1，本实施例的一种便携式阻容法粉尘含湿量在线测量装置，包括探杆4和壳体 10。所述的探杆4使用不锈钢材质，保证其耐腐蚀性。该探杆4为可伸缩探杆，即探杆4分 为两段，两段支杆采用卡扣方式连接，在不使用时远离壳体10的一段支杆(下文称前半段支 杆)可收缩入另一段支杆(下文称后半段支杆)中，缩短了探杆4的整体长度，使该测量装 置具有便携性。

结合图3，所述的探杆4与壳体10连接后采用密封组件进行密封，该密封组件包括密封 圈8及填料环9，其中，密封圈8为金属橡胶密封圈，填料环9为聚四氟乙烯填料环，填料环9设置在壳体10和密封圈8之间，两层密封结构均具有耐高温、耐腐蚀的特性，延长了密封圈的使用寿命，同时双层密封保证了设备的气密性。

值得说明的是，本实施例的探杆4远离壳体10的一端采用斜切口设计，该斜切口入口处 设置导流片1，导流片1平行探杆4长度方向设置，采用卡扣方式与探杆4连接，便于拆卸 及安装。本实施例的探杆4入口采用斜切口设计，在传统探杆结构设计上应用较少。发明人 率先采用了此设计，但同时发明人发现采用斜切口设计，在保证了进风流量的同时，探杆4 内气流的均匀性有了一定减弱，为了克服这一点，发明人在探杆4入口处设置了导流片1， 导流片1的设置使得探杆4内气流更加均匀，从而在斜切口+导流片1的共同作用下，保证了 探杆4内进风流量大且气流均匀，进一步确保了测量结果的准确性。

鉴于矿山烟尘湿度大、粉尘粒径小，本实施例在探杆4入口处设置了进口组合式过滤结 构，对进入探杆4内气流进行多级过滤。该组合式过滤结构由两层滤层组成，第一过滤层2 (也可以叫前端过滤层)采用静电滤网，第二过滤层3(也可以叫后端过滤层)采用SiO₂-PTFE 覆膜滤料，所述的静电滤网用于过滤较大颗粒粉尘，SiO₂-PTFE覆膜滤料具有较高的过滤效 率及较强的疏水性，对于过滤小颗粒粉尘的效果更优。通过这两层过滤，减小了粉尘粘附在 湿度传感器6表面的可能性，提高了含湿量测量精度，延长了湿度传感器6的使用寿命。本 实施例中两过滤层安装在一个PTFE材质的滤网框架上，框架为空心框架，其表面设置外螺 纹，探杆4内则设置内螺纹，框架与探杆4通过螺纹进行连接，使得进口组合式过滤结构能 够很方便的与探杆4连接。

本实施例的湿度传感器6设置在探杆4靠近壳体10一端中轴线位置，该湿度传感器6为 电容型湿度传感器，电容型湿度传感器具有响应速度快、测量精度高、温度漂移小等优点， 确保了含湿量测量的准确性。

此处要说明的是，矿山烟尘有其非常特殊的性质，就是湿度较大，这就导致湿度传感器 6在检测过程中，经常会出现水气在其上发生冷凝，进而影响测量精度的情况，而湿度传感 器6是整个测量装置的核心，其数据的测量准确度，影响着整个装置的使用。如何解决水气 在湿度传感器6上发生冷凝的问题，一直是行业内比较关心的问题。现有在线测量装置有采 用在探杆4上缠绕电阻丝对探杆4进行加热以蒸发水气等类似的方案，但多存在水气蒸发不 彻底、耗电量大、不便于携带以及不美观等问题。

鉴于此，本实施例创新的采用了沿探杆4内壁设置加热膜5对探杆4内腔进行加热的方 案，防止水气在湿度传感器6上发生冷凝，提高了含湿量测量精度，并延长了湿度传感器6 的使用寿命。所述的加热膜5通过粘结剂粘结在探杆4后半段支杆内壁，加热膜5通过导线 与电池13直接连接，形成回路，导线可沿壳体10内壁铺设。加热膜5的基材为耐高温聚酯薄膜，加热膜5内导电体为石墨烯，其在电场的作用下，石墨烯中的碳分子之间互相发生摩擦和撞击，产生的热能以辐射的方式向外传递。该加热膜5具有寿命长、加热速率快、耗电量小等优点。此外，为了保证探杆4的可伸缩性不会影响加热膜5的布置，探杆4的前半段 支杆所设置的卡扣结构不与加热膜5相接触。

结合图4，在线测量装置在湿度测量过程中，高频振荡器23向湿度传感器6输出高频信 号，湿度传感器6遇到气体中的水分后电容改变，频率也相应改变，其中，设置的加热膜有 效的防止了水汽冷凝造成的测量精度下降，并减小了温度漂移对测量精度的影响。同时，湿 度传感器6所测量的是气体的相对湿度，为湿空气中水蒸气分压力与相同温度下水的饱和压 力之比，所以，加热膜5的设置不会影响湿度传感器6的测量精度。高频信号通过频率/电压 转换器24转换为电压信号，转换的电压信号经过校准电路25校准后，经过电压/电流转换器 26转换成电流信号，最后由数据处理电路27进行数据处理后输出测得的含湿量。

结合图2，本实施例的壳体10上设置有数据接口18、显示屏19、电源开关20、水泵开关21和测量按钮22，显示屏19为LCD液晶屏，数据接口18连接外部数据传输装置，输出 测量装置测得的数据。壳体10采用PTFE材料，可以有效防止气体里所含有的腐蚀性物质对 设备外壳进行腐蚀，延长了设备的使用寿命。壳体10内并排设置电路板11和电池13，电路 板11表面喷涂三防漆，电池13与电路板11外部设置PVC塑料材质的防尘盖板12，防尘盖 板12上预留电线排线孔洞。喷涂三防漆并设置防尘盖板12有效的防止了被测气体中携带的 水气对电路板11及电路进行的腐蚀，并减少了因为水气、粉尘及腐蚀性物质附着在电路上发 生故障的可能性。数据接口18内还设置有充电接口，当电池13电量用尽后，通过数据接口 18对电池13充电，提高了该测量装置的便携性。

本实施例的在线测量装置，其具体运行过程为：将可伸缩探杆4完全展开，加热膜5与 电池13通过导线形成一个完整的通路。打开电源开关20给测量装置通电，加热膜5开始工 作，对探杆4内壁及湿度传感器6进行恒温加热。将探杆4斜切口朝向迎风侧，第一过滤层2和第二过滤层3对进口气体进行过滤，过滤后的气体通过湿度传感器6，对其含湿量进行测量，测量后气体通过排气管7排出。在加热膜5的作用下，能够显著降低水气在湿度传感器 6上发生冷凝，提高了湿度传感器6的测量准确性。湿度传感器6测得的数据由电路板11上 的数据处理单元进行处理后，在显示屏19上直接显示或通过数据接口18连接外部设备进行显示。

实施例2

本实施例的一种便携式阻容法粉尘含湿量在线测量装置，基本同实施例1，不同之处在 于：壳体10内部设置有水冷组件，该水冷组件包括水槽14、水泵15、连接管16和水冷套17，所述的水槽14、水泵15、水冷套17通过连接管16连接，组成一水循环通路，水冷套 17套于排气管7外部，排气管7一端连通探杆4，另一端通于壳体10外部。水泵15为微型 水泵，重约450g，在保证循环流量的同时提高了设备的便携性。水冷套17内水流与排气管7 内气体进行换热，降低排气管7内气体得温度，防止所测高温气体对测量人员造成伤害。水 流采取逆流流动，有效提高换热效率；水槽14采用可拆卸设计，提高了设备的便携性。

本实施例的在线测量装置，在测量火电厂粉尘时，可打开水泵开关21，微型水泵15开 始工作，水槽14和水冷套17内的水循环流动，对排气管7内气体进行降温处理。

以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也 只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员 受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结 构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种便携式阻容法粉尘含湿量在线测量装置，包括探杆(4)、湿度传感器(6)和壳体(10)，所述的探杆(4)的一端与壳体(10)相连，湿度传感器(6)设置于探杆(4)内部；其特征在于：还包括第一过滤层(2)、第二过滤层(3)和加热膜(5)；所述的第一过滤层(2)和第二过滤层(3)设置于探杆(4)远离壳体(10)的一端，所述的加热膜(5)铺设于探杆(4)内壁。

2.根据权利要求1所述的一种便携式阻容法粉尘含湿量在线测量装置，其特征在于：所述的第一过滤层(2)采用静电滤网，第二过滤层(3)采用SiO₂-PTFE覆膜滤料，两过滤层固定于一框架上，该框架安装于探杆(4)内部。

3.根据权利要求1所述的一种便携式阻容法粉尘含湿量在线测量装置，其特征在于：所述的加热膜(5)通过粘结剂粘结在探杆(4)内壁；加热膜(5)的基材为耐高温聚酯薄膜，加热膜(5)内导电体为石墨烯，该加热膜(5)通过导线与电源直接连接。

4.根据权利要求1-3任一项所述的一种便携式阻容法粉尘含湿量在线测量装置，其特征在于：所述的探杆(4)远离壳体(10)的一端采用斜切口设计，该斜切口入口处设置导流片(1)，导流片(1)平行探杆(4)长度方向设置。

5.根据权利要求4所述的一种便携式阻容法粉尘含湿量在线测量装置，其特征在于：所述的探杆(4)为可伸缩探杆。

6.根据权利要求5所述的一种便携式阻容法粉尘含湿量在线测量装置，其特征在于：所述的壳体(10)内部设置有水冷组件，该水冷组件包括水槽(14)、水泵(15)、连接管(16)和水冷套(17)，所述的水泵(15)、水槽(14)、水冷套(17)通过连接管(16)连接，组成一水循环通路，水冷套(17)套于排气管(7)外部，排气管(7)一端连通探杆(4)，另一端通于壳体(10)外部。

7.根据权利要求6所述的一种便携式阻容法粉尘含湿量在线测量装置，其特征在于：所述的水泵(15)为微型水泵，水冷套(17)内水流逆流流动，与排气管(7)内气体进行换热，水槽(14)采用可拆卸设计。

8.根据权利要求7所述的一种便携式阻容法粉尘含湿量在线测量装置，其特征在于：所述的壳体(10)与探杆(4)之间设置密封组件，该密封组件包括密封圈(8)及填料环(9)，其中，密封圈(8)为金属橡胶密封圈，填料环(9)为聚四氟乙烯填料环，填料环(9)设置在壳体(10)和密封圈(8)之间。

9.根据权利要求8所述的一种便携式阻容法粉尘含湿量在线测量装置，其特征在于：所述壳体(10)上设置有数据接口(18)、显示屏(19)、电源开关(20)、水泵开关(21)和测量按钮(22)，显示屏(19)为LCD液晶屏，数据接口(18)连接外部数据传输装置，输出测量装置测得的数据；壳体(10)内并排设置电路板(11)和电池(13)，电池(13)与电路板(11)外部设置防尘盖板(12)，防尘盖板(12)上预留电线排线孔洞，数据接口(18)内设置充电接口对电池(13)进行充电。

10.利用权利要求9所述的在线测量装置进行粉尘含湿量测量的方法，其步骤为：

步骤一、将可伸缩探杆(4)展开，加热膜(5)与电池(13)通过导线形成一个完整的通路；

步骤二、打开电源开关(20)给测量装置通电，加热膜(5)开始工作，对探杆(4)内壁及湿度传感器(6)进行恒温加热；

步骤三、将探杆(4)斜切口朝向迎风侧，第一过滤层(2)和第二过滤层(3)对进口气体进行过滤，过滤后的气体通过湿度传感器(6)，对其含湿量进行测量，测量后气体通过排气管(7)排出；

步骤四、湿度传感器(6)测得的数据由电路板(11)上的数据处理单元进行处理后，在显示屏(19)上直接显示或通过数据接口(18)连接外部设备进行显示；

步骤五、测量的粉尘是火电厂粉尘时，打开水泵开关(21)，微型水泵(15)开始工作，水槽(14)和水冷套(17)内的水循环流动，对排气管(7)内气体进行降温处理。