CN111398101A - 能够测量颗粒物质的系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种能够测量颗粒物质的系统，其技术特征在于包括:形成为管的形状的喷嘴；光测量单元，其由作为能量提供的光源和光检测器构成，并且邻近喷嘴设置；探测器，其具有中空形状并且喷嘴的一端插入其中；邻近光测量单元设置的微粒测量单元，用于测量通过喷嘴引入的颗粒；评估模型单元，其连接到微粒测量单元，以基于软件评估颗粒的体积；评估处理单元，其连接到评估模型单元，以评估颗粒的体积粒度分布、关于每个颗粒的粒度和时间的积分、以及颗粒的体积浓度中的每一个；吹扫提供单元，其与探测器的外端连接，以向探测器中提供吹扫；以及速度控制单元，其设置在探测器附近以控制提供到探测器中的吹扫速度，从而能够提高颗粒监测的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及一种能够测量颗粒的系统，更具体地，涉及一种能够测量颗粒的系统，其能够提高颗粒监测的可靠性，因为可以连续监测颗粒的特性，例如从大气或废气中提取的颗粒的浓度、粒度分布(size distribution)、微粒级别(particle grade)等。
发明的背景技术
一般来说，在处理石油化工相关产品的海洋燃烧设施或陆上工厂中，通过每个过程并对人体有害的各种有害物质在燃烧过程中产生并以废气的形式排放。
有害物质包括硫氧化物、氮氧化物、一氧化碳、亚硫酸气体、氯化氢和氨。由于这些有害物质不仅对人体有害，而且对环境也有很大影响，所以废气的排放受世界各地法律和行政法规的制约。
因此，在产生大量废气的地方，例如海洋燃烧设施、陆上工厂等处设置分析仪，用于提取通过排气管排放的废气的一部分以持续分析废气的各种成分，并且根据分析结果采取适当的措施。
作为分析和测量通过排气管排放的废气成分的方法，存在采样测量方法，该方法为从排气管排放的一些废气提取样本，以通过采样管线将样本传送到安装在特定位置的测量仪器并测量成分，以及原位(in-situ)测量方法，该方法直接将探测器(probe)插入排气管以在现场实时测量和分析废气成分。
近年来，有一种倾向于原位测量方法的趋势，因为符合直接地从排气管最精确地测量废气。
然而，引入探测器的一些废气可能与其他异物混合，例如水分或灰分，这些是阻碍气体分析精确性的因素。
此外，还存在一个问题，不方便地，为了去除残留在探测器中的异物，例如水分或灰分，需要提供单独的吹扫装置，这使得装置的配置变得复杂，并增加了安装成本。
相关的现有技术包括注册专利第10-1793550号(发明名称：Exhaust GasComponent Analysis System And Exhaust Gas Component Analysis Method，注册日期：2017年10月30日)和第10-2017-0088929号专利公开(发明名称：Exhaust Gas SamplingSystem and Operation Method of this type of Exhaust Gas Sampling System，公开日期：2017年8月2日)。
本发明的公开
有待解决的技术问题
本发明旨在解决上述相关技术的问题，并且本发明的目的是提供一种能够测量颗粒的系统，该系统能够提高颗粒监测的可靠性，因为可以连续监测颗粒的特性，例如从大气或废气中提取的颗粒的浓度、粒度分布、级别等。
通过本发明的特征可以理解本发明的其他目的，通过本发明的实施例可以更清楚地理解本发明的其他目的，并且可以通过权利要求中指示的手段和组合来实现本发明的其他目的。
解决问题的手段
本发明具有以下技术特征来解决如上所述的本发明要解决的问题。
根据本发明的能够测量颗粒的系统包括：形成为管的形状的喷嘴(nozzle)；光测量单元，其由作为能量提供的光源和光检测器(photodetector)构成，并且邻近喷嘴设置；探测器，其具有中空形状并且喷嘴的一端插入其中；邻近光测量单元设置的微粒测量单元，用于测量通过喷嘴引入的颗粒；评估模型单元(evaluationmodel unit)，其连接到(linkedto)微粒测量单元，以基于软件评估颗粒的体积；评估处理单元(evaluation processunit)，其连接到评估模型单元，以评估颗粒的体积粒度分布、关于每个颗粒的粒度和时间的积分(integration)、以及颗粒的体积浓度中的每一个；吹扫提供单元(purge supplyunit)，其与探测器的外端连接，以向探测器中提供吹扫；以及速度控制单元，其邻近探测器设置，以控制提供到探测器中的吹扫速度。
在根据本发明的能够测量颗粒的系统中，探测器由吹扫管和吹扫管中的采样管构成，吹扫管设置在探测器内，采样管设置在吹扫管内。
在根据本发明的能够测量颗粒的系统中，速度传感器设置在采样管中，以确定采样管的流动速率(flow rate)，并将确定的流动速率信号传输到速度控制单元。
在根据本发明的能够测量颗粒的系统中，速度传感器头围绕采样管的外周表面(outer circumferential surface)设置，暴露于探测器外部而设置在采样管上，并与速度控制单元连接。
在根据本发明的能够测量颗粒的系统中，向探测器中提供的吹扫通过邻近吹扫提供单元设置的压缩机或鼓风机产生。
在根据本发明的能够测量颗粒的系统中，旁通阀连接到压缩机，并且旁通阀控制提供到探测器中的吹扫流量。
在根据本发明的能够测量颗粒的系统中，筒状测量流量计(chimney measurementflow meter)邻近探测器的入口设置，以测量流动速率，从而向速度控制单元提供关于所测量的流动速率的信息。
在根据本发明的能够测量颗粒的系统中，质量流量传感器设置在采样管上，暴露于探测器外部，并且连接到速度控制单元以传输通道中的速度和温度。
在根据本发明的能够测量颗粒的系统中，在光源和光检测器之间形成测量体积，使得光源和光检测器产生气垫(air cushion)，该气垫阻挡由颗粒引起的污染。
发明效果
本发明可以通过解决上述问题的手段来提高颗粒监测的可靠性，因为可以连续监测颗粒的特性，例如从大气或废气中提取的颗粒的浓度、粒度分布、微粒级别等。
通过本发明的特征可以理解本发明的其他效果，通过本发明的实施例可以更清楚地理解本发明的其他效果，并且可以通过权利要求中指示的手段和组合来显示本发明的其他效果。
附图说明
图1是根据本发明的能够测量颗粒的系统的实施例的图，
图2是根据图1的用于测量通道速度的方法和用于控制吹扫气体的方法的实施例的图，
图3是根据图1的用于控制吹扫气体的方法的另一个实施例的图，
图4是根据图1的用于控制吹扫气体的方法的另一个另外的实施例的图，
图5是根据图1的用于测量通道速度的方法的另一个实施例的图，
图6是根据图1的用于测量通道速度的方法的另一个另外的实施例的图，和
图7是根据图1的用于测量通道速度的方法的又一实施例的图。
实施发明的具体模式
下面将描述的本发明的以下详细说明参考了附图，附图作为示例示出了可以实现本发明的具体实施例。这些实施例被充分详细描述，以使得本领域技术人员能够实现本发明。应当理解，本发明的各种实施例是不同的，但是无需相互排斥。例如，这里描述的特定形状、结构和特征可以在其他实施例中实现，而不脱离本发明关于实施例的技术精神和范围。此外，应当理解，可以改变每个公开的实施例中各个部件的位置或布置，而不脱离本发明的技术精神和范围。因此，不以限制性意义理解以下的详细说明，并且本发明的范围仅由所附权利要求连同对权利要求所要求保护的完整范围的等同物限定。附图中相同的附图标记在几个方面指代相同或相似的功能。
图1是根据本发明的能够测量颗粒的系统的实施例的图，图2是根据图1的用于测量通道速度的方法和用于控制吹扫气体的方法的实施例的图，图3是根据图1的用于控制吹扫气体的方法的另一个实施例的图，图4是根据图1的用于控制吹扫气体的方法的另一个另外的实施例的图，图5是根据图1的用于测量通道速度的方法的另一个实施例的图，图6是根据图1的用于测量通道速度的方法的另一个另外的实施例的图，以及图7是根据图1的用于测量通道速度的方法的又一实施例的图。
如图1至图7所示，根据本发明的能够测量颗粒的系统包括喷嘴1、光测量单元3、探测器10、微粒测量单元(PMU)、评估模型单元(B2)、评估处理单元(P)、吹扫提供单元4和速度控制单元(VCU)23。
环境空气中颗粒的微粒粒度越小，对人体健康的生物影响就越大。因此，粒度1的分类操作(其通常被给定为PM10、PM2.5或PM1.0的PM等级)被用于表征、评估或避免任何不利的健康影响。
本发明的一个目的是提供一种完善的监测系统，其连续监测废气流、机器、建筑物或大气中气体微粒气溶胶中的颗粒浓度和/或颗粒粒度分布。本发明的一个重要目的是提供可靠的PM等级测量数据。
参考图1，本发明提供了许多颗粒特性，例如质量浓度、微粒粒度分布曲线或PM级别。
本发明由以下主要元件构成。
-喷嘴1，其与光学测量系统一起设置(provided with)，所述光学测量系统由作为能量提供的几个光发射器、位于管外的探测器10、探测器吹扫管11和散射光检测器构成，所述散射光检测器被称为探测器采样管12，并且接收和传输散射光图像。
-电子微粒测量装置PMU(#A)，其设置有带有评估处理器和数据缓冲器的输入/输出接口，
-基于软件的评估模型(#B2)，
-评估过程C1、D1、E1、F1和G1，
-速度控制单元VCU(#G)，
-用于测量恒定速度的速度传感器，
-安装有电动马达42的抽吸泵，
嵌入探测器10中并由抽吸泵或真空泵驱动的喷射器44是优选的。
-通过吹扫提供单元4向探测器10中提供吹扫。
喷射器44产生与通道压力相关的负压，使得气体和颗粒气溶胶被吸入探测器中并被引导穿过光发射器和光检测器之间的测量体积。
从吹扫提供单元4进入探测器10的吹扫气流通过围绕测量体积31的气垫防止光源30和光检测器32被污染。在测量体积31中，通过颗粒引起的反向散射反射产生光检测器信号，该光检测器信号被转换为多信号图像A2，并且该多信号图像A2与微粒粒度和微粒存在成比例。
在微粒测量单元(PMU)中，微粒测量单元(PMU)包括用于光发射器和光检测器的电控装置。微粒测量单元(PMU)的主要任务是对多信号图像(A2)的基于软件的评估，评估模型单元(数学模型，B2)和最初生成的校准数据用于分析颗粒体积。
评估处理单元(P)由以下几个步骤组成。
评估处理步骤(C1)使用每个单个的颗粒体积的永久测量值，并在预定时间段(例如，5分钟)内保持该测量值，以计算微粒体积粒度分布，即相对于颗粒粒度(水平坐标)的微粒体积浓度(竖直坐标)。典型的细灰尘粒度范围，例如，从0.1μm到20μm，并且可以有更小或更大的粒度。
在评估处理步骤(D1)中，从总的微粒体积粒度分布中分离出对应于所需PM等级(通常是PM10、PM2.5或PM1)的一个或几个粒度等级。
在评估处理步骤(D1)中，总的PM等级相关的颗粒体积乘以安装过程中确定的微粒密度。结果，大致给出了以pg/m3为单位的PM质量浓度。
评估处理步骤(E1)，总颗粒体积粒度分布(C1)具有预定的时间段，例如5分钟。
在评估处理步骤(F1)中，将步骤E1的总颗粒体积乘以微粒密度，以获得该时间段内颗粒的总质量浓度。通常单位为mg/m3。
速度控制单元(VCU)23提供在步骤(G)中确定的5分钟的时间段内关于管道中平均气体体积流动速率的信息。在评估处理步骤(G1)中，总质量浓度乘以气体体积流动速率，以产生排放颗粒的质量流量。更长的积分时间会导致更长时间段内更大的输出。每月一次或上一年内一次，通常其以Mg/a表示。
除了光学测量之外，通过喷嘴1正确提取微粒气体气溶胶也很重要。单个颗粒的质量越大，在吸入管下游的弯曲部处积聚的颗粒越多。还优选的是，速度Vn保持与速度Vc相同，以避免采样损失。
这一原理被称为等速采样。如果Vn与Vc极其不同，则特定的微粒含量可能会受到速度差的影响。
较小和较轻的颗粒与动态的和有效的表面相关联，较少的等速提取(lessisokinetic extraction)并不重要。也就是说，像气体分子一样，微粒分子越小，微粒越小，并且微粒也精确地沿着气流流动，因此，不再发生微粒分离。在本发明的情况下，优选在高颗粒浓度下和/或对于重颗粒使用吸附等。
本发明提出了各种方法，测量速度Vc，第二，控制喷嘴处的速度Vn，第三，测量和控制测量体积31处的速度和气体流动速率。
参考图2所示，用于测量通道中的速度Vc的独立皮托管型或超声波型被用于通道速度测量方法和吹扫气体控制方法。速度控制单元(VCU)23计算用以控制电动马达42的转速所需的功率，该电动马达42驱动压缩机46或鼓风机43。产生用于驱动喷射器44的压缩气体以产生部分真空，其中气溶胶通过探测器10和测量元件从通道中提取。
内部质量流量传感器25(其可以是差压传感器)确定采样管12的流动速率。流量信号被传输到速度控制单元(VCU)23并用于闭合控制回路，使得速度Vn和通道的速度Vc通过速度控制单元(VCU)23中的马达42调整为相同。
速度控制单元(VCU)23另外使用吹扫气体阀40控制吹扫气体流量，使得在测量体积31前方的吹扫气体的速度与探测器采样管12的速度相同。
参照图3，吹扫气体通过一个鼓风机43或压缩机46或者通过多个鼓风机43和压缩机46产生。
对吹扫气体的控制的另一变形通过旁通阀47控制吹扫气体的流量。
参考图4，对吹扫气体控制的另外的变形是，速度控制单元(VCU)23通过对第二鼓风机/压缩机46的直接速度控制来直接控制吹扫气体流量。
参考图5，本发明提出将速度传感器头2集成到提取探测器的上部。速度传感器头2围绕探测器采样管12，并且包括旋转结构，该旋转结构包括至少一个垂直于通道流动方向的用作静压入口20的开口、至少一个沿流动方向的开口部分以及使用的总压吸入孔21。压差通过差压压力计22并提供给速度控制单元(VCU)23，速度控制单元(VCU)23用于速度和管道流量值、等速控制和质量流量计算。
参考图6，本发明提出将筒状测量流量计26集成到系统中。筒状测量流量计26由至少两个传感器头构成，并且测量流动速率以向速度控制单元(VCU)23提供测量的流动速率信息。
筒状测量流量计26根据双向脉冲时间延迟计算速度和管道流动速率值，该双向脉冲时间延迟通过气流改变，并用于速度控制单元23中的等速控制和质量流量计算。
尽管本发明举例说明了筒状测量流量计26集成到系统，但是根据情况可以选择皮托管型或超声波型。
参照图7，在本发明中，质量流量传感器25被设置为提取探测器，并且质量流量传感器25被广泛用于监测空气流量。
在内燃机应用中，质量流量传感器25将通道中的速度和温度传输到速度控制单元(VCU)23，速度控制单元(VCU)23计算速度和管道流量。
在上文中，已经基于优选实施例描述了本发明，但是本发明的技术精神不限于此，并且可以在权利要求的范围内进行修改或变化，该修改或变化对于本发明所属领域的技术人员是明显的，并且这些修改和变化旨在属于所附权利要求。
符号说明
1：喷嘴
2：速度传感器头
20：静压入口
21：总压吸入孔
22：差压压力计
23：速度控制单元
25：质量流量传感器
26：筒状测量流量计
3：光测量单元
30：光源
31：测量体积
32：光检测器
4：吹扫提供单元
40：吹扫气体阀
42：马达
43：鼓风机
44：喷射器
46：压缩机
47：旁通阀
7：速度传感器
10：探测器
11：吹扫管
12：采样管
B2：评估模型单元
PMU：微粒测量单元
P：评估处理单元
Vc：通道中的速度
Vn：喷嘴处的速度。
Claims (9)
1.一种能够测量颗粒的系统，其特征在于，包括:
喷嘴，其形成为管的形状；
光测量单元，其由作为能量提供的光源和光检测器构成，并且邻近所述喷嘴设置；
探测器，其具有中空形状并且所述喷嘴的一端插入其中；
微粒测量单元，其邻近所述光测量单元设置，用于测量通过所述喷嘴引入的所述颗粒；
评估模型单元，其连接到所述微粒测量单元，以基于软件评估所述颗粒的体积；
评估处理单元，其连接到所述评估模型单元，以评估所述颗粒的体积粒度分布、关于每个颗粒的粒度和时间的积分、和所述颗粒的体积浓度中的每一者；
吹扫提供单元，其与所述探测器的外端连接，以向所述探测器中提供吹扫；和
速度控制单元，其邻近所述探测器设置，以控制向所述探测器中提供的所述吹扫的速度。
2.根据权利要求1所述的能够测量颗粒的系统，其特征在于，所述探测器由吹扫管和在所述吹扫管中的采样管构成，所述吹扫管设置在所述探测器内，并且所述采样管设置在所述吹扫管内。
3.根据权利要求2所述的能够测量颗粒的系统，其特征在于，速度传感器设置在所述采样管中，以确定所述采样管的流动速率，并将所确定的流动速率信号传输到所述速度控制单元。
4.根据权利要求1所述的能够测量颗粒的系统，其特征在于，速度传感器头围绕所述采样管的外周表面设置，暴露于所述探测器外部而设置在所述采样管上，并且与所述速度控制单元连接。
5.根据权利要求1所述的能够测量颗粒的系统，其特征在于，向所述探测器中提供的所述吹扫由邻近所述吹扫提供单元设置的压缩机或鼓风机产生。
6.根据权利要求5所述的能够测量颗粒的系统，其特征在于，旁通阀连接到所述压缩机，并且所述旁通阀控制向所述探测器中提供的所述吹扫的流量。
7.根据权利要求1所述的能够测量颗粒的系统，其特征在于，筒状测量流量计邻近所述探测器的入口设置，以测量流动速率，从而向所述速度控制单元提供关于所测量的流动速率的信息。
8.根据权利要求1所述的能够测量颗粒的系统，其特征在于，质量流量传感器设置在所述采样管上，暴露于所述探测器外部，并且连接到所述速度控制单元以传输通道中的速度和温度。
9.根据权利要求1所述的能够测量颗粒的系统，其特征在于，在所述光源和所述光检测器之间形成测量体积，使得所述光源和所述光检测器产生气垫，所述气垫阻挡所述颗粒的污染。
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