CN113358425B - 基于无人机的火炬气排放气体采样装置及监测方法 - Google Patents

基于无人机的火炬气排放气体采样装置及监测方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于无人机的火炬气排放气体采样装置及监测方法，装置包括金属采样管、固定基座、固定板、软管、连接口和检测仪器；所述金属采样管的一端通过所述固定基座固定支撑，并与所述软管的一端连通；所述软管的另一端与所述检测仪器的所述连接口连通，进而实现由所述金属采样管、所述软管和所述检测仪器的进气口形成的进气通道。本发明从多个方面，全面提高气体采样的精确性。本发明提供的基于无人机的火炬气排放气体采样装置，还具有机构简单，拆装方便等优点，有利于多次进行监测任务。

Description

基于无人机的火炬气排放气体采样装置及监测方法
技术领域
本发明属于无人机与污染物监测技术领域，具体涉及一种基于无人机的火炬气排放气体采样装置及监测方法。
背景技术
化工企业火炬气气量较大，组分复杂，大多存在不完全燃烧状况，从而导致污染物排放量较大。然而，由于火炬气流速，排放口高度和燃烧温度均较高，常规监测方法无法完成对其排放浓度的准确监测，这导致长期以来，化工企业火炬气燃烧排放的VOC、NOx、SO2等气态污染物排放浓度与排放量数据难以准确核算。
无人机作为一种新兴的技术，借助无人机进行化工企业的火炬气排放气体采样与监测，目前主要面临以下困难：在使用无人机进行采样与监测的过程中，无人机会导致局部气流流速加快、气压降低等，从而对无人机的气体采样带来干扰。另外，当前用于无人机的气体采样装置存在机构复杂，拆装繁琐等问题，不利于多次进行监测任务。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种基于无人机的火炬气排放气体采样装置及监测方法，可有效解决上述问题。
本发明采用的技术方案如下：
本发明提供一种基于无人机的火炬气排放气体采样装置，包括：金属采样管(1)、固定基座(2)、固定板(3)、软管(4)、连接口(5)和检测仪器(6)；
所述金属采样管(1)的一端通过所述固定基座(2)固定支撑，并与所述软管(4)的一端连通；所述软管(4)的另一端与所述检测仪器(6)的所述连接口(5)连通，进而实现由所述金属采样管(1)、所述软管(4)和所述检测仪器(6)的进气口形成的进气通道；
所述固定基座(2)与所述固定板(3)连接固定；所述固定板(3)固定安装于无人机的正下方。
优选的，所述金属采样管(1)的材质为不锈钢材质，管壁进行钝化处理，进而降低气体样本中有机气体与金属采样管(1)发生反应导致待测气体损失以及金属采样管(1)腐蚀现象。
优选的，无人机为旋翼无人机；
金属采样管(1)沿着固定基座(2)向外伸出设定距离，布置在旋翼无人机的两个旋翼的中间位置，降低由于旋翼产生的向下流动的气流干扰，保证金属采样管(1)的进气口准确进气。
优选的，所述金属采样管(1)与无人机的机身轴向平行设置。
优选的，所述金属采样管(1)的一端与所述固定基座(2)通过螺纹或者焊接方式安装。
优选的，所述软管(4)的材质为特氟龙管，具有化学性质稳定，耐高温且不易与火炬气的成分发生反应的特点，进而降低气体在管路中的组分损失，保证检测的可靠性。
优选的，所述固定板(3)为工形板，一端与所述固定基座(2)连接，便于金属采样管(1)的稳定固定；
工形板的四端设有用于适配不同尺寸无人机的可安装螺栓的开槽，通过螺栓与无人机实现连接。
优选的，所述检测仪器(6)包括气泵与污染物浓度传感器；
所述气泵用于调节目标地点的空气样本采集速率；所述污染物浓度传感器用于检测通过所述金属采样管(1)和所述软管(4)输送的气体中污染物的浓度数据。
优选的，还包括数据存储介质；
所述数据存储介质与所述污染物浓度传感器通过电气连接，用于将污染物浓度传感器检测到的污染物浓度数据存储在数据存储介质中。
本发明还提供一种基于无人机的火炬气排放气体采样装置的监测方法，包括以下步骤：
步骤1，将基于无人机的火炬气排放气体采样装置固定安装于无人机的下方；
步骤2，操作无人机飞行到目标地点；
步骤3，当无人机飞行到目标地点时，获得来流速度V1、无人机的飞行速度V2以及无人机飞行时的攻角α；
步骤4，根据以下的气泵进气速率调节模型，计算得到调整后的气泵进气速率：
V＝L/S+V1sinα+V2sinδln(α+b)
其中：
V为调整后的气泵进气速率；
L是气泵的最小进气流量；
S是气泵的进气孔的截面积；
δ是检测仪器的水平面与机身水平面的夹角；
a是金属采样管的进气端距离无人机桨叶的距离；
b是金属采样管的进气端距离固定基座的距离；
步骤5，按步骤4得到的调整后的气泵进气速率对气泵进行调节，在调节稳定后，气体从金属采样管(1)的进气端进入，通过软管(4)后到达检测仪器(6)内，并通过污染物浓度传感器检测到当前的污染物浓度数据，并通过数据存储介质存储。
本发明提供的基于无人机的火炬气排放气体采样装置及监测方法具有以下优点：
本发明从多个方面，全面提高气体采样的精确性。本发明提供的基于无人机的火炬气排放气体采样装置，还具有机构简单，拆装方便等优点，有利于多次进行监测任务。
附图说明
图1为本发明提供的基于无人机的火炬气排放气体采样装置的结构示意图；
图2为本发明提供的基于无人机的火炬气排放气体采样装置与无人机的安装位置示意图；
其中：
1.金属采样管，2.固定基座，3.固定板，4.软管，5.连接口，6.检测仪器。
具体实施方式
为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供一种基于无人机的火炬气排放气体采样装置，具有结构简单、使用方便、采样准确的特点，能够完成对化工企业排放的气态污染物排放浓度与排放量的准确核算。
参考图1，本发明提供的基于无人机的火炬气排放气体采样装置，包括：金属采样管1、固定基座2、固定板3、软管4、连接口5和检测仪器6；
金属采样管1的一端通过固定基座2固定支撑，并与软管4的一端连通；软管4的另一端与检测仪器6的连接口5连通，进而实现由金属采样管1、软管4和检测仪器6的进气口形成的进气通道；
其中，金属采样管1的另一端伸出至远离无人机的桨叶位置，形成气体的入口；
固定基座2与固定板3连接固定；固定板3固定安装于无人机的正下方。
下面对主要部件详细介绍：
(1)金属采样管
金属采样管1的材质为不锈钢材质，管壁进行钝化处理，进而降低气体样本中有机气体与金属采样管1发生反应导致待测气体损失以及金属采样管1腐蚀现象，提高检测的准确性，并提高金属采样管的寿命。
金属采样管1与无人机的机身轴向平行设置。
金属采样管1的一端与固定基座2通过螺纹或者焊接方式安装。
无人机为旋翼无人机；金属采样管1沿着固定基座2向外伸出设定距离，布置在旋翼无人机的两个旋翼的中间位置，降低由于旋翼产生的向下流动的气流干扰，保证金属采样管1的进气口准确进气。
(2)软管
软管4的材质为特氟龙管，具有化学性质稳定，耐高温且不易与火炬气的成分发生反应的特点，进而降低气体在管路中的组分损失，保证检测的可靠性。
(3)固定板
固定板3为工形板，一端与固定基座2连接，便于金属采样管1的稳定固定。
工形板的四端设有用于适配不同尺寸无人机的可安装螺栓的开槽，通过螺栓与无人机实现有效连接。
无人机可采用旋翼无人机，工形板可以不进行过多改动而与不同型号旋翼无人机通过螺栓连接。
(4)检测仪器
检测仪器6包括气泵与污染物浓度传感器；
气泵用于调节目标地点的空气样本采集速率；污染物浓度传感器用于检测通过金属采样管1和软管4输送的气体中污染物的浓度数据，即：空气样本经内部管路输送到污染物浓度传感器进行检测污染物的浓度数据。
(5)数据存储介质
还包括数据存储介质；数据存储介质与污染物浓度传感器通过电气连接，用于将污染物浓度传感器检测到的污染物浓度数据存储在数据存储介质中。
下面介绍一个实施例：
本发明的一种典型实施方式中，如图1所示，基于无人机的化工企业火炬气排放气体采样装置，包括金属采样管1，金属采样管1的一侧与固定基座2通过螺纹或者焊接连接在一起，金属采样管1穿过固定基座2与软管4连接，软管4内径略小于金属采样管1的出口外径，两者通过软管的弹性收缩连接，固定基座2设有螺丝孔，与固定板3连接，通过固定基座的设置，可以使金属采样管1指向无人机的机身轴向，避免飞行时产生过大的迎风面而发生折断；
金属采样管1沿着固定基座向外伸出300mm，可以布置在两个旋翼的中间位置，降低由于旋翼产生的向下流动的气流干扰，影响金属采样管1的进气口进气；进气口的进气速率可根据气泵进气速率调节模型进行调节。
固定板3采用工形板。其尺寸大于固定基座2尺寸，便于安装，同时工形板四端设有用于适配不同尺寸无人机的开槽，使用螺栓通过该槽与无人机的机身架形成有效固定连接，不需要对无人机的机身进行改动；
金属采样管1的内壁进行钝化处理，可以减少火炬气中的有机气体与金属采样管1发生反应而导致的组分气体损失，因此，本发明提高了数据准确性，同时降低了金属采样管1的损耗；
此外，软管4的材质为特氟龙，该材质的软管化学性质稳定，不易与火炬气中的组分发生反应，同时耐高温，避免气体传输过程中的损失，从而提高了采样准确性；
检测仪器6上设有连接口5，软管4的另一端与连接口5相连，检测仪器6内部设有气泵，可以根据采样规范调整进气流量，有效保证检测的数据准确性与仪器安全，检测仪器内部设有存储介质，可以实时存储检测到的污染物浓度数据。
为克服现有技术不足，本发明还提供了基于无人机的化工企业火炬气排放气体监测方法，同时应用该采样装置，通过操作无人机到达目标地点进行气体采样，并将样本气体传输到检测仪器内，采样的数据实时存储在检测仪器的存储介质内，采样迅速，监测效果好，能够对目标区域进行快速采样与监测。具体方法包括以下步骤：
步骤1，将基于无人机的火炬气排放气体采样装置固定安装于无人机的下方；
步骤2，操作无人机飞行到目标地点；
步骤3，当无人机飞行到目标地点时，获得来流速度V1、无人机的飞行速度V2以及无人机飞行时的攻角α；
步骤4，根据以下的气泵进气速率调节模型，计算得到调整后的气泵进气速率：
V＝L/S+V1sinα+V2sinδln(α+b)
其中：
V为调整后的气泵进气速率；
L是气泵的最小进气流量；
S是气泵的进气孔的截面积；
δ是检测仪器的水平面与机身水平面的夹角；
a是金属采样管的进气端距离无人机桨叶的距离；
b是金属采样管的进气端距离固定基座的距离；
步骤5，按步骤4得到的调整后的气泵进气速率对气泵进行调节，在调节稳定后，气体从金属采样管1的进气端进入，通过软管4后到达检测仪器6内，并通过污染物浓度传感器检测到当前的污染物浓度数据，并通过数据存储介质存储。
本发明提供的基于无人机的火炬气排放气体采样装置及监测方法具有以下优点：
(1)采样管采用处理后的金属材料，有效降低气体组分发生反应导致的损失，同时提高了高温下的适用性；
(2)采用特氟龙软管，可以避免气体发生反应产生损耗；
(3)此外，对气体采样入口的进气速率参考来流速度、攻角等因素设计了气泵进气速率调节模型，气泵的进气速率可调节，既保证气体采集的速率符合检测的流量规范，又使得检测仪器能够输出更加稳定有效的污染物浓度数据，从而提高检测数据的有效性和准确性；通过设置气泵进气速率调节模型，也使得检测仪器的进气速率较为稳定，避免出现进气速率的突变，保护了检测仪器，提高检测仪器的使用寿命。
(4)通过对采样装置和无人机之间相对位置的设置，可避免无人机对气体采样带来的干扰。
因此，本发明从多个方面，全面提高气体采样的精确性。本发明提供的基于无人机的火炬气排放气体采样装置，还具有机构简单，拆装方便等优点，有利于多次进行监测任务。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于无人机的火炬气排放气体采样装置的监测方法，其特征在于，基于无人机的火炬气排放气体采样装置包括：金属采样管(1)、固定基座(2)、固定板(3)、软管(4)、连接口(5)和检测仪器(6)；
所述金属采样管(1)的一端通过所述固定基座(2)固定支撑，并与所述软管(4)的一端连通；所述软管(4)的另一端与所述检测仪器(6)的所述连接口(5)连通，进而实现由所述金属采样管(1)、所述软管(4)和所述检测仪器(6)的进气口形成的进气通道；
所述固定基座(2)与所述固定板(3)连接固定；所述固定板(3)固定安装于无人机的正下方；
基于无人机的火炬气排放气体采样装置的监测方法，包括以下步骤：
步骤1，将基于无人机的火炬气排放气体采样装置固定安装于无人机的下方；
步骤2，操作无人机飞行到目标地点；
步骤3，当无人机飞行到目标地点时，获得来流速度V1、无人机的飞行速度V2以及无人机飞行时的攻角α；
步骤4，根据以下的气泵进气速率调节模型，计算得到调整后的气泵进气速率：
V＝L/S+V1sinα+V2sinδln(a+b)
其中：
V为调整后的气泵进气速率；
L是气泵的最小进气流量；
S是气泵的进气孔的截面积；
δ是检测仪器的水平面与机身水平面的夹角；
a是金属采样管的进气端距离无人机桨叶的距离；
b是金属采样管的进气端距离固定基座的距离；
步骤5，按步骤4得到的调整后的气泵进气速率对气泵进行调节，在调节稳定后，气体从金属采样管(1)的进气端进入，通过软管(4)后到达检测仪器(6)内，并通过污染物浓度传感器检测到当前的污染物浓度数据，并通过数据存储介质存储。
2.根据权利要求1所述的基于无人机的火炬气排放气体采样装置的监测方法，其特征在于，所述金属采样管(1)的材质为不锈钢材质，管壁进行钝化处理，进而降低气体样本中有机气体与金属采样管(1)发生反应导致待测气体损失以及金属采样管(1)腐蚀现象。
3.根据权利要求1所述的基于无人机的火炬气排放气体采样装置的监测方法，其特征在于，无人机为旋翼无人机；
金属采样管(1)沿着固定基座(2)向外伸出设定距离，布置在旋翼无人机的两个旋翼的中间位置，降低由于旋翼产生的向下流动的气流干扰，保证金属采样管(1)的进气口准确进气。
4.根据权利要求1所述的基于无人机的火炬气排放气体采样装置的监测方法，其特征在于，所述金属采样管(1)与无人机的机身轴向平行设置。
5.根据权利要求1所述的基于无人机的火炬气排放气体采样装置的监测方法，其特征在于，所述金属采样管(1)的一端与所述固定基座(2)通过螺纹或者焊接方式安装。
6.根据权利要求1所述的基于无人机的火炬气排放气体采样装置的监测方法，其特征在于，所述软管(4)的材质为特氟龙管，具有化学性质稳定，耐高温且不易与火炬气的成分发生反应的特点，进而降低气体在管路中的组分损失，保证检测的可靠性。
7.根据权利要求1所述的基于无人机的火炬气排放气体采样装置的监测方法，其特征在于，所述固定板(3)为工形板，一端与所述固定基座(2)连接，便于金属采样管(1)的稳定固定；
工形板的四端设有用于适配不同尺寸无人机的可安装螺栓的开槽，通过螺栓与无人机实现连接。
8.根据权利要求1所述的基于无人机的火炬气排放气体采样装置的监测方法，其特征在于，所述检测仪器(6)包括气泵与污染物浓度传感器；
所述气泵用于调节目标地点的空气样本采集速率；所述污染物浓度传感器用于检测通过所述金属采样管(1)和所述软管(4)输送的气体中污染物的浓度数据。
9.根据权利要求8所述的基于无人机的火炬气排放气体采样装置的监测方法，其特征在于，还包括数据存储介质；
所述数据存储介质与所述污染物浓度传感器通过电气连接，用于将污染物浓度传感器检测到的污染物浓度数据存储在数据存储介质中。
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