CN111474097A - 一种抽取式超低浓度粉尘检测装置及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种抽取式超低浓度粉尘检测装置及其方法，包括中心体和侧块，所述中心体的底端开设有中心气口，且中心体的前端外侧安装有脚端体，所述脚端体的顶端安置有总出气口，且脚端体的中部侧端安装有中脚气口，所述脚端体的后端开设有端脚气口，所述侧块安置于中心体的顶端，且侧块的前端安置有样气进气口。本发明的有益效果是：该抽取式超低浓度粉尘检测装置及其方法，通过侧块的形状结构与中心体之间的配合组接，以及前块、中筒、端柱、前封盘和中心体之间的对接，即可来形成一个完成的装置体，方便进行气流的导向和输送，以便进行检测操作，同时其分类精细，即可方便进行拆解维护，更换零部件进行保养，具有很高的实用性能。
Description
技术领域
本发明涉及排放监测及燃烧调试技术领域，具体为一种抽取式超低浓度粉尘检测装置及其方法。
背景技术
颗粒物，又称尘，气溶胶体系中均匀分散的各种固体或液体微粒。颗粒物可分为一次颗粒物和二次颗粒物。一次颗粒物是由直接污染源释放到大气中造成污染的颗粒物，例如土壤粒子、海盐粒子、燃烧烟尘等等。二次颗粒物是由大气中某些污染气体组分(如二氧化硫、氮氧化物、碳氢化合物等)之间，或这些组分与大气中的正常组分(如氧气)之间通过光化学氧化反应、催化氧化反应或其他化学反应转化生成的颗粒物，例如二氧化硫转化生成硫酸盐。
目前抽取式粉尘仪又分为直接抽取式和抽取稀释法两种，抽取稀释法是按体积百分比稀释样品气，然后对稀释后的颗粒物气体进行测试，但是其缺点是整体结构偏大，安装不方便。
发明内容
本发明的目的在于提供一种抽取式超低浓度粉尘检测装置及其方法，以解决上述背景技术中提出的目前抽取式粉尘仪又分为直接抽取式和抽取稀释法两种，抽取稀释法是按体积百分比稀释样品气，然后对稀释后的颗粒物气体进行测试，但是其缺点是整体结构偏大，安装不方便。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种抽取式超低浓度粉尘检测装置及其方法，包括中心体和侧块，所述中心体的底端开设有中心气口，且中心体的前端外侧安装有脚端体，所述脚端体的顶端安置有总出气口，且脚端体的中部侧端安装有中脚气口，所述脚端体的后端开设有端脚气口，所述侧块安置于中心体的顶端，且侧块的前端安置有样气进气口，所述侧块的顶端外侧安装有遮护板，且侧块的上端外侧安置有气体加热块，所述气体加热块的底端内侧开设有凹扣槽，且气体加热块的中部前端安置有块气口，所述中心体的左端安装有前块，且前块的左端安置有中筒，所述中筒的左端安装有端柱，且端柱的左端安置有前封盘，所述前封盘的前端开设有冷却气入口。
优选的，所述中心气口与端脚气口和样气进气口之间均相互配合构成连通结构，且中脚气口与端脚气口之间相互连通。
优选的，所述侧块的形状结构与中心体的形状结构相吻合，且侧块的水平中轴线与遮护板的水平中轴线相重合。
优选的，所述块气口设置有两个，同时凹扣槽为“凹”字状结构。
优选的，所述前块与中筒之间相互配合构成卡合结构，且端柱关于中筒的中心呈环形状分布。
优选的，所述检测方法包括：采用前向45度角作为测量光路的设计散射角度，以获得最大的检测灵敏度，同时选用高强度激光发射器，选取7mW、650nm高强度红外调制解调激光器；选用高灵敏度的二极管光电检测器，选用高增益无失真信号放大电路设计；检测光路采用了多透镜组合光路强化设计，使光能量更集中和稳定，提高仪器的抗干扰能力和测量数据的一致性；采用了干扰数据软件滤波算法，消除因杂散波带来的数据误差，基于Mie散射理论，通过设计采样及回送单元、等速跟踪及控制单元(辅选)、加热及温度控制单元、测量及信号处理单元共同运作，实现对超低浓度工况下的烟尘浓度在线实时准确测量。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1、本发明通通过中心气口、总出气口、中脚气口、端脚气口、样气进气口之间的配合，可方便气体从样气进气口进入，而后经过中心体内进行运输，在流动至中心气口内端，之后再通入端脚气口内，最后经过总出气口输送出来，以完成其输送检测过程，方便更好的进行粉尘检测。
2、本发明通过侧块的形状结构与中心体之间的配合组接，以及前块、中筒、端柱、前封盘和中心体之间的对接，即可来形成一个完成的装置体，方便进行气流的导向和输送，以便进行检测操作，同时其分类精细，即可方便进行拆解维护，更换零部件进行保养，具有很高的实用性能。
3、本发明通过块气口可方便进行气流的输送，而且可经过气体加热块的运作，来对气流进行加热，以供其更好的进行检测操作，同时可经过凹扣槽的“凹”字状结构，方便更好的来与装置体之间进行装配使用，操控起来更加的简便。
4、本发明通过将探头直接连接到气体室的进气嘴，不再使用管道，从而避免管壁的粒子损耗；同时测量结束的尾气直接排回烟道当中，不会造成二次污染。气体室采用高硼硅玻璃管，同时在内壁添加增透膜，从而降低粒子损耗的同时提高光的透过率，使仪器的性能更稳定，测量更加准确。
5、本发明通过采用前向45度角作为测量光路的设计散射角度获得最大的检测灵敏度，同时选用高灵敏度的二极管光电检测器，提高仪器的最小检出限。本检测方法选用高增益无失真信号放大电路设计，经过多次模拟仿真实验，放大采集信号，减少受外界因素影响的干扰，提高信号的稳定性和准确性。本检测方法选用高速、高频采样电路设计，提高仪器的响应速度。
附图说明
图1为本发明一种抽取式超低浓度粉尘检测装置及其方法的气路及伴热结构示意图；
图2为本发明一种抽取式超低浓度粉尘检测装置及其方法的光路准直及聚光结构示意图；
图3为本发明一种抽取式超低浓度粉尘检测装置及其方法的粉尘末端黑洞结构示意图；
图4为本发明一种抽取式超低浓度粉尘检测装置及其方法的球型颗粒Mie散射示意图；
图5为本发明一种抽取式超低浓度粉尘检测装置及其方法的气幕流路及吹扫结构示意图；
图6为本发明一种抽取式超低浓度粉尘检测装置及其方法的颗粒物散射特性曲线示意图；
图7为本发明一种抽取式超低浓度粉尘检测装置及其方法的气路及控制图。
图中：1、中心体；2、中心气口；3、脚端体；4、总出气口；5、中脚气口；6、端脚气口；7、侧块；8、样气进气口；9、遮护板；10、气体加热块；11、凹扣槽；12、块气口；13、前块；14、中筒；15、端柱；16、前封盘；17、冷却气入口。
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，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
请参阅图1-7，本发明提供一种技术方案：一种抽取式超低浓度粉尘检测装置及其方法，包括中心体1、中心气口2、脚端体3、总出气口4、中脚气口5、端脚气口6、侧块7、样气进气口8、遮护板9、气体加热块10、凹扣槽11、块气口12、前块13、中筒14、端柱15、前封盘16和冷却气入口17，所述中心体1的底端开设有中心气口2，且中心体1的前端外侧安装有脚端体3，所述脚端体3的顶端安置有总出气口4，且脚端体3的中部侧端安装有中脚气口5，所述脚端体3的后端开设有端脚气口6，所述侧块7安置于中心体1的顶端，且侧块7的前端安置有样气进气口8，所述侧块7的顶端外侧安装有遮护板9，且侧块7的上端外侧安置有气体加热块10，所述气体加热块10的底端内侧开设有凹扣槽11，且气体加热块10的中部前端安置有块气口12，所述中心体1的左端安装有前块13，且前块13的左端安置有中筒14，所述中筒14的左端安装有端柱15，且端柱15的左端安置有前封盘16，所述前封盘16的前端开设有冷却气入口17；
中心气口2与端脚气口6和样气进气口8之间均相互配合构成连通结构，且中脚气口5与端脚气口6之间相互连通，通过中心气口2、总出气口4、中脚气口5、端脚气口6、样气进气口8之间的配合，可方便气体从样气进气口8进入，而后经过中心体1内进行运输，在流动至中心气口2内端，之后再通入端脚气口6内，最后经过总出气口4输送出来，以完成其输送检测过程，方便更好的进行粉尘检测；
侧块7的形状结构与中心体1的形状结构相吻合，且侧块7的水平中轴线与遮护板9的水平中轴线相重合，通过侧块7的形状结构与中心体1之间的配合组接，以及前块13、中筒14、端柱15、前封盘16和中心体1之间的对接，即可来形成一个完成的装置体，方便进行气流的导向和输送，以便进行检测操作，同时其分类精细，即可方便进行拆解维护，更换零部件进行保养，具有很高的实用性能；
块气口12设置有两个，同时凹扣槽11为“凹”字状结构，前块13与中筒14之间相互配合构成卡合结构，且端柱15关于中筒14的中心呈环形状分布，通过块气口12可方便进行气流的输送，而且可经过气体加热块10的运作，来对气流进行加热，以供其更好的进行检测操作，同时可经过凹扣槽11的“凹”字状结构，方便更好的来与装置体之间进行装配使用，操控起来更加的简便。
实施例一：
1.Mie散射理论
光散射法测量气溶胶浓度包括前向光散射和后向光散射。其中，前向方向光散射测量颗粒物质量浓度是目前国内外最常用的一种非接触直读测量法。本实施例将对前向光散射测量原理作系统分析。
首先，引入一个无量纲粒径参数α(α＝πd/λ，d为粒子直径，λ为入射光波长)来描述颗粒物的光学特性。当α<0.3(或d<0.05μm)时(非吸光粒子)，颗粒对入射光的散射光强度，I(θ)可用雷利(Rayleigh)散射公式求解；当α>1时，对应的粒度范围大约0.1μm～10μm，这时需要用Mie散射理论来描述，散射强度可以用Mie方程求解；当α>>1时，颗粒的散射就属于几何光学的范畴。而人们最关心的可吸入颗粒物粒度也是0.1μm～10μm，所以光散射法测量颗粒物质量浓度是基于Mie散射理论。此外，实际环境中的颗粒物形状并不规则，其Mie散射模式与球形颗粒差异甚大，特别当粒子粒度大于入射光波长时。非球形与球形颗粒光散射的差异是关于粒子吸收的函数，且随吸收系数的增加而减少。非球形颗粒的散射理论主要是研究立方体、圆柱体、椭球粒子及Chebyshev粒子等的散射特性。用光散射法测量时，光敏区是一系列的随机朝向且形状不定的颗粒，其散射情况很复杂，而球形近似事实上是估计散射光角分布的唯一可行途径。
Mie散射理论是对处于均匀介质中各向均匀同性的单个介质球在单色平行光照射下的麦克斯韦方程的精确解。下面仅给出Mie散射理论计算的结果，略去复杂的推导过程。
影响颗粒散射光强度的因素包括颗粒折射率、颗粒粒度、散射角、方位角及入射光特性等。当入射光为平面偏振光，设入射光沿Z轴正向入射，电矢量沿X轴方向，观察点P与球形颗粒的距离为r，散射角为θ，观察点与Z轴组成的平面即为散射面，φ为入射光振动面与散射面之间的夹角。则球形颗粒的散射光强IS表达式为：
当入射光为自然光，散射光强表达式为：
式2.1与2.2中的i1(θ)和i2(θ)为强度函数，且i1(θ)＝|S1(θ)|2，i2(θ)＝|S2(θ)|2，S1(θ)与S2(θ)为振幅函数。球形颗粒的强度函数和振幅函数与散射角θ、颗粒相对折射率n及粒径参数α有关，与方位角φ无关。振幅函数是由Bessel函数和Legendre函数组成的无穷级数，其表达式为：
式2.3与2.4中的αn、bn称为Mie系数，是n和α的函数；而τn、πn与散射角θ有关，其表达式分别为：
式2.7中pn(cosθ)和p′n(cosθ)是关于cosθ的Legendre函数和一阶缔合Legendre函数，各函数中的上标“，”表示对该函数求导；ωn(α)和∈n(α)是关于半奇阶Bessel函数和第二类Hankel函数的函数：
这样就建立了散射光强Is与颗粒直径d，折射率n以及散射角θ之间的数值关系。只要求出散射系数αn和bn，就可计算出球形颗粒的散射光强。Mie散射理论给出了球形颗粒散射光强的计算方法，为球形颗粒散射光通量的计算和光度计法测量气溶胶质量浓度提供了理论基础。
本检测方法基于Mie散射理论，通过设计采样及回送单元、等速跟踪及控制单元(辅选)、加热及温度控制单元、测量及信号处理单元共同运作，实现对超低浓度工况下的烟尘浓度在线实时准确测量；
根据Mie散射理论，大小不同颗粒的散射光强在空间各个方向的分布是不均匀的，当粉尘颗粒的粒径较小时，符合瑞利散射条件，散射特性曲线较平稳，但是伴随着颗粒粒径的增大，散射角θ对散射光强的影响很大，前向散射光强最大，通过反复实验得出45度角比135度角接受的光强更符合烟尘颗粒物浓度变化的趋势。故本检测方法最终采用前向45度角作为测量光路的设计散射角度，以获得最大的检测灵敏度；
采样管路设计：
实验中发现管道内有大量粉尘沉积，特别是一些大颗粒实验粉尘。当采样管道的内径和入口内径完全一致，在一定长度的传输管道内往往发生粒子的损失，即粒子粘附在采样管道内壁，这就是采样管的管壁损失。管壁损失与粒子的沉降运动、管道内的扩散沉积以及凝并现象有关。如果管道和粒子是带电的，还要考虑粒子的静电吸附；如果管道内出现紊流，还会发生紊流沉积等等。理论上估算粒子的损失有很大难度，所以需要尽量缩短采样管的长度。
因此，本检测方法对整体气路进行了优化和改进，将探头直接连接到气体室的进气嘴，不再使用管道，从而避免管壁的粒子损耗；同时测量结束的尾气直接排回烟道当中，不会造成二次污染。气体室采用高硼硅玻璃管，同时在内壁添加增透膜，从而降低粒子损耗的同时提高光的透过率，使仪器的性能更稳定，测量更加准确。
灵敏性设计：
根据Mie散射理论，大小不同颗粒的散射光强在空间各个方向的分布是不均匀的，当粉尘颗粒的粒径较小时，符合瑞利散射条件，散射特性曲线较平稳，但是伴随着颗粒粒径的增大，散射角θ对散射光强的影响很大，前向散射光强最大，通过反复实验得出45度角比135度角接受的光强更符合烟尘颗粒物浓度变化的趋势。故本检测方法最终采用前向45度角作为测量光路的设计散射角度，以获得最大的检测灵敏度；
本检测方法光路末端进行了黑洞设计，防止因内壁反射造成测量误差；
本检测方法检测光路采用了多透镜组合光路强化设计，使光能量更集中和稳定，提高仪器的抗干扰能力和测量数据的一致性；
本检测方法进行了杂散干扰波滤波电路设计，减少受外界因素影响的干扰，提高信号的稳定性和准确性。本检测方法采用了干扰数据软件滤波算法，消除了因杂散波带来的数据误差，提高仪器测量的准确性。
免维护性设计：
本检测方法采用气路全程高温伴热设计，从采样到出口，所有气路全程加热到120℃以上，避免因温度低、气路中凝结液态水导致粉尘溶于水而造成数据不准确，且防止气路堵塞。本检测方法进行了玻片、气体室、射流泵定时自动高压吹扫设计，可在界面设置自动吹扫时间，减少了维护成本。本检测方法采用零点、跨标自动补偿设计，仪器可进行自动调零校准功能，防止光路污染造成数据测量不准确。
准确性设计：
本检测方法采用了光路一致性可调节设计，将光路模块化设计，可对独立模块进行光路调整，使仪器的一致性更高。本检测方法综合采样流速跟随设计，在探头处增加皮托管，同时测量烟道内流速和仪器的采样流速，通过软件实现流速相等的功能。采样气路除水设计，在探头处增加一个自动排水模块，采集到的液态水会被自动排水模块排出，保护仪器。
可靠性设计：
本检测方法综合短路、过热、欠压、过压保护设计，降低了因操作人员的不规范操作或局部的故障而导致仪器整体损坏的机率。
实施例二：
性能测试：
根据JJF1716-2018粉尘浓度测量仪型式评价大纲要求验证本发明的准确性。使用镁粉作为标准粒子，测得的数据如下：
表1：
根据表1的数据可得出，本发明装置测试误差在15％以内，完全符合JJF1716-2018粉尘浓度测量仪型式评价大纲要求，通过实验证明了，我们的产品性能满足标准要求，同时又降低了企业的使用成本，可以在在线监测领域广泛应用。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种抽取式超低浓度粉尘检测装置，包括中心体(1)和侧块(7)，其特征在于：所述中心体(1)的底端开设有中心气口(2)，且中心体(1)的前端外侧安装有脚端体(3)，所述脚端体(3)的顶端安置有总出气口(4)，且脚端体(3)的中部侧端安装有中脚气口(5)，所述脚端体(3)的后端开设有端脚气口(6)，所述侧块(7)安置于中心体(1)的顶端，且侧块(7)的前端安置有样气进气口(8)，所述侧块(7)的顶端外侧安装有遮护板(9)，且侧块(7)的上端外侧安置有气体加热块(10)，所述气体加热块(10)的底端内侧开设有凹扣槽(11)，且气体加热块(10)的中部前端安置有块气口(12)，所述中心体(1)的左端安装有前块(13)，且前块(13)的左端安置有中筒(14)，所述中筒(14)的左端安装有端柱(15)，且端柱(15)的左端安置有前封盘(16)，所述前封盘(16)的前端开设有冷却气入口(17)。
2.根据权利要求1所述的一种抽取式超低浓度粉尘检测装置及其方法，其特征在于：所述中心气口(2)与端脚气口(6)和样气进气口(8)之间均相互配合构成连通结构，且中脚气口(5)与端脚气口(6)之间相互连通。
3.根据权利要求1所述的一种抽取式超低浓度粉尘检测装置及其方法，其特征在于：所述侧块(7)的形状结构与中心体(1)的形状结构相吻合，且侧块(7)的水平中轴线与遮护板(9)的水平中轴线相重合。
4.根据权利要求1所述的一种抽取式超低浓度粉尘检测装置，其特征在于：所述块气口(12)设置有两个，同时凹扣槽(11)为“凹”字状结构。
5.根据权利要求1所述的一种抽取式超低浓度粉尘检测装置，其特征在于：所述前块(13)与中筒(14)之间相互配合构成卡合结构，且端柱(15)关于中筒(14)的中心呈环形状分布。
6.如权利要求1-5所述的一种抽取式超低浓度粉尘检测装置的方法，其特征在于：所述检测方法包括：
采用前向45度角作为测量光路的设计散射角度，以获得最大的检测灵敏度，同时选用高强度激光发射器，选取7mW、650nm高强度红外调制解调激光器；
选用高灵敏度的二极管光电检测器，且选用高增益无失真信号放大电路设计；
光路采用了多透镜组合光路强化设计，使光能量更集中和稳定，提高仪器的抗干扰能力和测量数据的一致性；
采用干扰数据软件滤波算法，消除因杂散波带来的数据误差，基于Mie散射理论，通过设计采样及回送单元、等速跟踪及控制单元(辅选)、加热及温度控制单元、测量及信号处理单元共同运作，对超低浓度工况下的烟尘浓度在线实时准确测量。
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