CN112683739A - 一种雾滴气体发生装置及其应用 - Google Patents
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Abstract
本专利属于颗粒物监测仪技术领域。本专利公开了雾滴气体发生装置，包括：雾滴气体发生探头，液体进样单元，气体进样单元，探头控制单元。本专利的装置，采用超声雾化技术产生的雾滴代替颗粒物粉末作为光散射颗粒物监测仪的散射介质，来实现监测仪的校准。通过对雾化探头的控制，实现雾滴粒径的准确生成，以满足不同应用条件的光散射颗粒物监测仪的校准需求。装置尾气无需处理，可直接排放至大气环境中。
Description
技术领域
本专利属于颗粒物监测仪技术领域。
背景技术
颗粒物作为一种重要的空气污染物，成为了环境空气和固定污染源监测中的关注重点。研究表明，环境空气中的颗粒物除了能够直接进入并沉积在人类的呼吸系统中，还会吸附并携带一些溶解在其上的有害物质。因此，对颗粒物浓度的监测，是治理和改善环境空气质量，保障人民健康的根本手段。
光散射法是监测颗粒物浓度的一种常用方法，其监测设备体积小，成本低，因此得到了较为广泛的应用。颗粒物监测设备的准确标定，依赖于颗粒物发生装置的准确与稳定程度。常见的颗粒物发生装置通常采用气体喷嘴将固定粒径的颗粒物粉末或可变粒径的研磨棒料粉末与气体混合喷出，形成含有一定颗粒物浓度的气体。将该气体引入待校准的光散射颗粒物监测设备，并采用我国标准认可的β射线或手工称重等方法同时对该气体进行采样(或预先对该校准装置进行校准)，通过对结果的比对和校正，实现光散射颗粒物监测设备的校准。
上面所述的这类方法发生的颗粒物粉末均匀程度会受到材料粘性、气体流量波动等多种因素影响；且粒径也仅能通过研磨速度粗略调节，无法实现精确的选择和控制。因此，采用这类发生原理的颗粒物校准装置，在对颗粒物监测设备进行校准时，通常需要较长的稳定时间，并需要对采样时间内的数据进行平均，以在一定程度上减小颗粒物状态波动和误差对校准结果的影响。
此外，该方法在使用过程中还需要对尾气中的颗粒物进行过滤或吸附处理，以防止对环境造成污染。这部分功能增加了校准装置的体积和成本，同时也增加了装置的运行和维护费用。
颗粒物粉末粒径单一不可调节且受潮后易结块，粉尘粒径和浓度难以保证；研磨棒料产生的粉末粒径虽可调，但粒径一致性较差。
现有校准装置采用颗粒物粉末或棒料作为散射介质，因此产生的尾气中含有大量粉尘，需要经过滤或吸附处理后才能排放至大气；此外，颗粒物粉末是消耗品，尾气处理装置的运行和维护也需要大量费用的投入。
发明内容
本专利的第一目的是提供一种雾滴气体发生装置，包括：
雾滴气体发生探头，其用于将液体进样单元进入的液体生成特定粒径、特定数量的雾滴，所述雾滴与通过气体进样单元进入的气体混合形成校准所用的雾滴气体；
液体进样单元，其用于为雾滴气体发生探头提供所需液体并测量由雾滴气体发生探头实时消耗的液体质量；
气体进样单元，其用于依据校准装置控制单元的气体提供量数据为雾滴气体发生探头提供所需气体，同时控制和测量实时流经雾滴气体发生探头的气体流量并将气体流量数据反馈给校准装置控制单元；
探头控制单元，其用于依据粒径直径数据和粒径浓度数据，生成雾滴气体发生探头的驱动电压和驱动频率工作条件数据，依据工作条件数据对超声雾化探头的驱动电压和驱动频率进行控制。
进一步地，所述驱动电压和驱动频率工作条件数据是依据粒径直径数据和粒径浓度数据，探头控制单元根据粒径公式计算出雾滴气体发生探头中需要发生的超声波频率F和根据浓度公式计算出雾滴数量。
更进一步地，所述粒径公式为：
D＝C(8πT/ρF2)1/3
其中，C为雾化系数，取值范围为0.3-0.4，优选为0.34，D为雾滴直径，T为液体表面张力系数，ρ为液体密度，F为超声波频率。
更进一步地，所述浓度公式为：
其中，N为雾滴数量，M为液体进样单元反馈的液体消耗量，m为单个雾滴质量，ρ为液体密度，D为雾滴直径。
本专利的第二目的是提供了一种监测仪校准装置，包括：
雾滴气体发生探头，其用于依据探头控制单元生成的电压和驱动频率数据将液体进样单元进入的液体生成特定粒径、特定数量的雾滴，所述雾滴与通过气体进样单元进入的气体混合生成校准所用的雾滴气体；
液体进样单元，其用于为雾滴气体发生探头提供所需液体并测量由雾滴气体发生探头实时消耗的液体质量数据；同时将液体质量数据反馈给校准装置控制单元；
气体进样单元，其用于依据校准装置控制单元的气体提供量数据为雾滴气体发生探头提供所需气体，同时控制和测量实时流经雾滴气体发生探头的气体流量数据并将气体流量数据反馈给校准装置控制单元；
探头控制单元，其用于依据校准装置控制单元的粒径直径数据和粒径浓度数据，生成雾滴气体发生探头的驱动电压和驱动频率工作条件数据，依据这些数据对雾滴气体发生探头的驱动电压和驱动频率工作条件进行控制，并将雾滴粒径和雾滴数量数据反馈给校准装置控制单元；
校准装置控制单元，其用于依据预设粒径直径和粒径浓度数据，向液体进样单元、气体进样单元和探头控制单元下达参数指令并采集其反馈数据；并对光散射颗粒物监测仪的控制和采集雾滴气体数据，将计算得到的校准参数写入或下发给光散射颗粒物监测仪；
光散射颗粒物监测仪，其用于对雾滴气体发生探头产生的雾滴气体浓度数据和/或雾滴粒径直径数据进行采集、记录并反馈给校准装置控制单元；记录校准装置控制单元下发的校准参数。
进一步地，所述特定粒径、特定数量的雾滴是依据预设粒径直径和粒径浓度数据，探头控制单元生成雾滴气体发生探头的驱动电压和驱动频率工作条件数据，探头控制单元依据驱动电压和驱动频率工作条件数据，探头控制单元对雾滴气体发生探头的驱动电压和驱动频率工作条件进行控制，使得通过液体进样单元进入液体生成特定粒径、特定数量的雾滴。
进一步地，还包括阀体，其用于与具有主动进样功能的光散射颗粒物监测仪相连接，当监测仪具有主动进样功能时，阀体开启；当监测仪不具备主动进样功能时，阀体关闭。
本专利还提供了一种监测仪校准方法，包括如下步骤：
特定数量、特定粒径的雾滴与气体混合成特定浓度的雾滴气体；
采集和记录雾滴气体数据；
校准装置控制单元比较预设浓度数据和采集雾滴气体数据，对光散射颗粒物监测仪进行相应调整和修正。
进一步地，所述采集和记录雾滴气体数据是光散射颗粒物监测仪采集和记录雾滴气体数据，并将雾滴气体数据反馈给校准装置控制单元。
进一步地，所述特定数量、特定粒径的雾滴是依据雾滴需要量数据和预设粒径数据，探头控制单元生成雾滴气体发生探头的驱动电压和驱动频率条件数据，探头控制单元依据驱动电压和驱动频率条件数据对雾滴气体发生探头进行控制，使得通过液体进样单元进入的液体生成特定数量、特定粒径的雾滴。
进一步地，所述雾滴需要量数据是校准装置控制单元依据预设浓度数据计算雾滴需要量数据。
本专利的装置和方法，采用超声雾化技术产生的雾滴代替颗粒物粉末作为光散射颗粒物监测仪的散射介质，来实现监测仪的校准。通过对雾化探头的控制，实现雾滴粒径的准确生成，以满足不同应用条件的光散射颗粒物监测仪的校准需求。装置尾气无需处理，可直接排放至大气环境中。
附图说明
图1是校准装置系统图。
其中1是雾滴气体发生探头，2是液体进样单元，3是气体进样单元，4是探头控制单元，5是阀体，6是校准装置控制单元，7是光散射颗粒物监测仪。
具体实施方式
实施例
光散射颗粒物检测技术是利用光与颗粒物作用时发生散射的现象，通过收集和检测特定方向上的散射光强度，获取颗粒物的浓度信息。
超声雾化技术是利用各类超声换能器将电能转变为声能，作用在待测雾化液体介质中，并在气液界面处形成表面张力波，将液体分子间作用力破坏，使液体雾化形成雾滴。
本专利使用雾滴代替传统颗粒物粉末作为散射介质，装置排放的尾气中不含粉尘，因此无需任何尾气处理设备，结构相对简单；同时，由于装置不需要粉末或棒料，因此运行维护成本相对较低。
本专利采用超声雾化技术，将液体转化为粒径在微米、亚微米量级的雾滴；并通过对雾化探头的驱动电压、驱动电流的控制，实现不同粒径雾滴的筛选和稳定发生。同时，通过控制液体进样单元的重量和气体进样单元的流量，实现不同浓度雾滴气体的发生。通过装置中管路的输送，实现颗粒物监测设备的校准。
本专利提供了一套能够应用于光散射颗粒物监测设备的新型校准装置及方法，有效实现不同粒径颗粒物的稳定发生。同时，该装置运维及材料成本低，且使用过程中不产生任何污染物质，无需尾气处理。
本专利采用超声雾化技术，通过控制雾化探头的驱动电压和驱动频率等条件，发生不同数量、不同粒径的雾滴，与气体混合后得到不同浓度的雾滴气体，流入待校准的光散射颗粒物监测仪，通过采集校正装置中各单元数据，以及监测仪中散射光强度信号，计算得到校准参数写入监测仪，实现校准功能。
一种雾滴气体发生装置，包括：
雾滴气体发生探头1，其用于将液体进样单元2进入的液体生成特定粒径、特定数量的雾滴，所述雾滴与通过气体进样单元3进入的气体混合形成校准所用的雾滴气体；
液体进样单元2，其用于为雾滴气体发生探头1提供所需液体并测量由雾滴气体发生探头1实时消耗的液体质量；
气体进样单元3，其用于依据校准装置控制单元6的气体提供量数据为雾滴气体发生探头1提供所需气体，同时控制和测量实时流经雾滴气体发生探头1的气体流量并将气体流量数据反馈给校准装置控制单元6；
探头控制单元4，其用于依据粒径直径数据和粒径浓度数据，生成雾滴气体发生探头1的驱动电压和驱动频率工作条件数据，依据工作条件数据对雾滴气体发生探头1的驱动电压和驱动频率进行控制。所述驱动电压和驱动频率工作条件数据是依据粒径直径数据和粒径浓度数据，探头控制单元4根据粒径公式计算出雾滴气体发生探头1中需要发生的超声波频率F和根据浓度公式计算出雾滴数量。所述粒径公式为：D＝C(8πT/ρF2)1/3其中，C为雾化系数，取值范围为0.3-0.4,优选为0.34，D为雾滴直径，T 为液体表面张力系数，ρ为液体密度，F为超声波频率。所述浓度公式为：
其中，N为雾滴数量，M为液体进样单元反馈的液体消耗量，m为单个雾滴质量，ρ为液体密度，D为雾滴直径。
一种监测仪校准装置，包括：
雾滴气体发生探头1，其用于依据探头控制单元4的指令将液体进样单元2进入的液体，通过控制雾滴气体发生探头1的驱动电压和驱动频率条件生成特定粒径、特定数量的雾滴，所述雾滴与通过气体进样单元3进入的气体相混合，生成校准所用的雾滴气体。所述雾滴气体沿着雾滴气体发生探头1光散射颗粒物监测仪7之间的通道流向光散射颗粒物监测仪7。所述特定粒径、特定数量的雾滴是依据预设粒径直径和粒径浓度数据，探头控制单元4生成雾滴气体发生探头1的驱动电压和驱动频率工作条件数据；探头控制单元4依据驱动电压和驱动频率工作条件数据对雾滴气体发生探头1的驱动电压和驱动频率工作条件进行控制，使得通过液体进样单元2进入液体生成特定粒径、特定数量的雾滴；所述雾滴与通过气体进样单元3进入的气体进行稳定混合生成预设粒径和浓度的雾滴气体。
液体进样单元2，其用于为雾滴气体发生探头1提供所需液体并测量由雾滴气体发生探头1实时消耗的液体质量；同时将液体质量数据反馈给校准装置控制单元6。
气体进样单元3，其用于依据校准装置控制单元6的气体提供量数据为雾滴气体发生探头1提供所需气体，同时控制和测量实时流经雾滴气体发生探头1的气体流量并将气体流量数据反馈给校准装置控制单元6。
探头控制单元4，其用于依据校准装置控制单元6的粒径直径数据和粒径浓度数据，生成雾滴气体发生探头1的驱动电压和驱动频率工作条件数据，依据这些数据对雾滴气体发生探头1的驱动电压和驱动频率工作条件进行控制，并将雾滴粒径和雾滴数量数据反馈给校准装置控制单元6。所述驱动电压和驱动频率工作条件数据是依据校准装置控制单元6的粒径直径数据，探头控制单元4根据粒径公式计算出雾滴气体发生探头1中超需要发生的超声波频率F，并进一步通过调节雾滴气体发生探头1的驱动电压及驱动电流发生所需的超声波频率；和依据粒径浓度数据，探头控制单元4根据浓度公式计算出雾滴数量，控制气体进样单元3进入气体的流量，生成特定浓度。所述粒径公式为：D＝ C(8πT/ρF2)1/3其中，C为雾化系数，取值范围为0.3-0.4,优选为0.34，D为雾滴直径，T 为液体表面张力系数，ρ为液体密度，F为超声波频率。当液体种类固定后，表面张力系数及液体密度为确定常数，通过公式能够建立雾滴直径D与超声波频率F之间的对应关系。所述浓度公式为
其中，N为雾滴数量，M为液体进样单元反馈的液体消耗量，m为单个雾滴质量，ρ为液体密度，D为雾滴直径。
阀体5，其用于与具有主动进样功能的光散射颗粒物监测仪相连接，当监测仪具有主动进样功能时，阀体5开启；当监测仪不具备主动进样功能时，阀体5关闭。
校准装置控制单元6，其用于依据预设粒径直径和粒径浓度数据，向液体进样单元2、气体进样单元3和探头控制单元4下达参数指令并采集其反馈数据；通过对光散射颗粒物监测仪7的控制和采集雾滴气体数据，以获取其能够反映颗粒物浓度变化的物理量，同时将计算得到的校准参数写入光散射颗粒物监测仪7实现校准功能。
光散射颗粒物监测仪7，其用于对流入的雾滴气体浓度数据和/或雾滴粒径直径数据进行采集、记录并反馈给校准装置控制单元6；记录校准装置控制单元下发的校准参数。
一种监测仪校准方法，包括如下步骤：
依据预设粒径和浓度数据，计算雾滴数量和浓度值；所述计算雾滴数量和浓度值是校准装置控制单元6依据预设粒径和浓度数据进行计算。
依据预设浓度数据，计算气体需要量数据；所述计算气体需要量数据是校准装置控制单元6依据预设浓度数据计算气体需要量数据；
依据预设浓度数据，计算雾滴需要量数据；所述计算雾滴需要量数据是校准装置控制单元6依据浓度数据计算雾滴需要量数据；
依据雾滴需要量数据和预设粒径数据，探头控制单元4生成雾滴气体发生探头1的驱动电压和驱动频率条件数据，探头控制单元4依据驱动电压和驱动频率条件数据对雾滴气体发生探头1进行控制，使得通过液体进样单元进入的液体生成特定数量、特定粒径的雾滴；
所述驱动电压和驱动频率工作条件数据是依据校准装置控制单元6的粒径直径数据，探头控制单元4根据粒径公式计算出雾滴气体发生探头1需要发生的超声波频率F，并进一步通过调节雾滴气体发生探头1的驱动电压及驱动电流，使雾滴气体发生探头1发生所需的超声波频率；和依据粒径浓度数据，探头控制单元4根据浓度公式计算出雾滴数量，控制气体进样单元3进入气体的流量，生成特定浓度。
所述粒径公式为：
D＝C(8πT/ρF2)1/3
其中，C为雾化系数，取值范围为0.3-0.4,优选为0.34，D为雾滴直径，T为液体表面张力系数，ρ为液体密度，F为超声波频率。当液体种类固定后，表面张力系数及液体密度为确定常数，通过公式能够建立雾滴直径D与超声波频率F之间的对应关系。
所述浓度公式为：
其中，N为雾滴数量，M为液体进样单元反馈的液体消耗量，m为单个雾滴质量，ρ为液体密度，D为雾滴直径。
雾滴气体发生探头1生成特定数量、特定粒径的雾滴；
特定数量、特定粒径的雾滴与通过气体进样单元3进入的气体相混合生成特定浓度的雾滴气体；
采集和记录雾滴气体数据；所述采集和记录雾滴气体数据是光散射颗粒物监测仪7 采集和记录流入的雾滴气体数据，并将雾滴气体数据反馈给校准装置控制单元6。
校准装置控制单元6比较预设浓度数据和采集雾滴气体数据，对光散射颗粒物监测仪7进行相应调整和修正。
本专利的系统和方法，使用超声雾化技术产生的雾滴代替颗粒物粉末作为光散射颗粒物监测仪的散射介质，来实现监测仪的校准。通过对雾化探头驱动电压和驱动频率等条件的控制，实现雾滴粒径的准确生成，以满足不同应用条件的光散射颗粒物监测仪的校准需求。装置尾气无需处理，可直接排放至大气环境中。本专利的系统和方法能实现雾滴粒径的准确生成和实现雾滴气体浓度的精确控制。
Claims (10)
1.一种雾滴气体发生装置，其特征在于，包括：
雾滴气体发生探头，其用于将液体进样单元进入的液体生成特定粒径、特定数量的雾滴，所述雾滴与通过气体进样单元进入的气体混合形成校准所用的雾滴气体；
液体进样单元，其用于为雾滴气体发生探头提供所需液体并测量由雾滴气体发生探头实时消耗的液体质量；
气体进样单元，其用于依据校准装置控制单元的气体提供量数据为雾滴气体发生探头提供所需气体，同时控制和测量实时流经雾滴气体发生探头的气体流量并将气体流量数据反馈给校准装置控制单元；
探头控制单元，其用于依据粒径直径数据和粒径浓度数据，生成雾滴气体发生探头的驱动电压和驱动频率工作条件数据，依据工作条件数据对超声雾化探头的驱动电压和驱动频率进行控制。
2.依据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述驱动电压和驱动频率工作条件数据是依据粒径直径数据和粒径浓度数据，探头控制单元根据粒径公式计算出雾滴气体发生探头中需要发生的超声波频率F和根据浓度公式计算出雾滴数量。
3.依据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述粒径公式为：
D＝C(8πT/ρF2)1/3
其中，C为雾化系数，取值范围为0.3-0.4，D为雾滴直径，T为液体表面张力系数，ρ为液体密度，F为超声波频率。
4.依据权利要求所述3的装置，其特征在于，所述雾化系数C为0.34。
5.依据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述浓度公式为：
其中，N为雾滴数量，M为液体进样单元反馈的液体消耗量，m为单个雾滴质量，ρ为液体密度，D为雾滴直径。
6.一种监测仪校准装置，其特征在于，包括：
雾滴气体发生探头，其用于依据探头控制单元生成的电压和驱动频率数据将液体进样单元进入的液体生成特定粒径、特定数量的雾滴，所述雾滴与通过气体进样单元进入的气体混合形成校准所用的雾滴气体；
液体进样单元，其用于为雾滴气体发生探头提供所需液体并测量由雾滴气体发生探头实时消耗的液体质量数据；同时将液体质量数据反馈给校准装置控制单元；
气体进样单元，其用于依据校准装置控制单元的气体提供量数据为雾滴气体发生探头提供所需气体，同时控制和测量实时流经雾滴气体发生探头的气体流量数据并将气体流量数据反馈给校准装置控制单元；
探头控制单元，其用于依据校准装置控制单元的粒径直径数据和粒径浓度数据，生成雾滴气体发生探头的驱动电压和驱动频率工作条件数据，依据这些数据对雾滴气体发生探头的驱动电压和驱动频率工作条件进行控制，并将雾滴粒径和雾滴数量数据反馈给校准装置控制单元；
校准装置控制单元，其用于依据预设粒径直径和粒径浓度数据，向液体进样单元、气体进样单元和探头控制单元下达参数指令并采集其反馈数据；并对光散射颗粒物监测仪的控制和采集雾滴气体数据，将计算得到的校准参数写入或下发给光散射颗粒物监测仪。
光散射颗粒物监测仪，其用于对雾滴气体发生探头产生的雾滴气体浓度数据和/或雾滴粒径直径数据进行采集、记录并反馈给校准装置控制单元；记录校准装置控制单元下发的校准参数。
7.依据权利要求6所述的监测仪校准装置，其特征在于，所述特定粒径、特定数量的雾滴是依据预设粒径直径和粒径浓度数据，探头控制单元生成雾滴气体发生探头的驱动电压和驱动频率工作条件数据，探头控制单元依据驱动电压和驱动频率工作条件数据，探头控制单元对雾滴气体发生探头的驱动电压和驱动频率工作条件进行控制和调节，使得通过液体进样单元进入液体生成特定粒径、特定数量的雾滴。
8.依据权利要求6所述的监测仪校准装置，其特征在于，还包括阀体，其用于与具有主动进样功能的光散射颗粒物监测仪相连接，当监测仪具有主动进样功能时，阀体开启；当监测仪不具备主动进样功能时，阀体关闭。
9.一种监测仪校准方法，其特征在于，包括如下步骤：
特定数量、特定粒径的雾滴与气体混合成特定浓度的雾滴气体；
采集和记录雾滴气体数据；
校准装置控制单元比较预设浓度数据和采集雾滴气体数据，对光散射颗粒物监测仪进行相应调整和修正。
10.依据权利要求9所述的监测仪校准方法，其特征在于，
所述采集和记录雾滴气体数据是光散射颗粒物监测仪采集和记录雾滴气体数据和/或雾滴粒径直径数据，并将雾滴气体数据反馈给校准装置控制单元；
所述特定数量、特定粒径的雾滴是依据雾滴需要量数据和预设粒径数据，探头控制单元生成雾滴气体发生探头的驱动电压和驱动频率条件数据，探头控制单元依据驱动电压和驱动频率条件数据对雾滴气体发生探头进行控制，使得通过液体进样单元进入的液体生成特定数量、特定粒径的雾滴；所述雾滴需要量数据是校准装置控制单元依据预设浓度数据计算雾滴需要量数据。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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