CN210243421U

CN210243421U - 具有参比振子振荡天平

Info

Publication number: CN210243421U
Application number: CN201920337200.4U
Authority: CN
Inventors: Jianmin Gao; 高建民; Haichun Fan; 樊海春; Chaolong Zhao; 赵超龙; Xueling Zhang; 张雪岭; Xiaotao Yu; 俞晓涛
Original assignee: TIANJIN TONGYANG TECHNOLOGY DEVELOPMENT CO LTD
Current assignee: TIANJIN TONGYANG TECHNOLOGY DEVELOPMENT CO LTD
Priority date: 2019-03-18
Filing date: 2019-03-18
Publication date: 2020-04-03
Anticipated expiration: 2029-03-18

Abstract

本实用新型涉及空气质量监测设备技术领域，尤其涉及一种具有参比振子振荡天平，包括气体采样部分、预处理部分、振荡天平传感器部分、电路控制部分以及气路部分；所述气体采样部分为气体进气部分，与所述预处理部分连通，所述预处理部分包括动态加热模块和主采样管，所述主采样管设置在所述动态加热模块内，由动态加热部分进行动态加热，电路控制部分采集气路温度和湿度，并驱动动态加热模块；所述主路采样管的出口正对振荡天平传感器部分中的测量膜，所述气路部分使振荡天平传感器部分产生负压。本实用新型采用参比振子，实现了对振荡天平振子弹性系数的实时智能补偿，提高振荡天平法测量准确度。

Description

具有参比振子振荡天平

技术领域

本实用新型涉及空气质量监测设备技术领域，尤其涉及一种具有参比振子振荡天平。

背景技术

近年来，随着工业发展和城市化进程的不断加快，大气污染情况不断加剧，雾霾天气成为了常态化。大气中的超标颗粒物，对民众的身体健康存在巨大危害。大气污染监测和治理是目前最重要、最紧迫的事情。

对于污染治理，监测技术首当其冲。准确和适用范围广的大气监测方法可以达到事半功倍的效果。2012年《环境空气质量标准》(GB3095－2012)发布至今，空气质量自动监测站普遍配备了颗粒物在线监测仪，用于实时测量环境空气中的可吸入颗粒物(PM10)和细颗粒物(PM2.5)。颗粒物在线监测国标法中有两种测量方法，β射线法和振荡天平法。振荡天平法属于直接测量颗粒物重量方法，与手工采样称重方法最为接近。在测量精度上与β射线法相比具有很大优势。由于振荡天平法颗粒物监测仪采用振子谐振方法，振子的振动频率易受环境温度和湿度的影响，目前市场上所有的振荡天平法监测仪在使用时必须采用振子腔室恒温技术和严格除湿技术，才能保持良好的精度和稳定性，但是也带来了一个不利影响就是恒温会造成挥发性颗粒物的流失。虽然目前常用的膜动态技术可以对挥发的颗粒物进行补偿，但在使用时，仍然因精度和稳定性问题，造成PM2.5和PM10数值出现倒挂情况，即PM2.5的数值高于PM10的值。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服上述技术的不足，而提供一种具有参比振子振荡天平。

本实用新型为实现上述目的，采用以下技术方案：一种具有参比振子振荡天平，其特征在于：包括气体采样部分、预处理部分、振荡天平传感器部分、电路控制部分以及气路部分；所述气体采样部分为气体进气部分，与所述预处理部分连通，所述预处理部分包括动态加热模块和主采样管，所述主采样管设置在所述动态加热模块内，由动态加热部分进行动态加热，电路控制部分采集气路温度和湿度，并驱动动态加热模块；所述主采样管的出口正对振荡天平传感器部分中的测量膜，气流从振荡天平传感器部分内部通过，颗粒物在气流作用下被测量膜捕获，所述气路部分使振荡天平传感器部分产生负压。

优选地，所述振荡天平传感器部分包括外壳、参比振子、校准膜、主测量振子、测量膜、第一磁检测元件、第一驱动线圈、第一磁钢、第二磁检测元件、第二磁钢、第二驱动线圈、第一金属柱、第二金属柱、第三金属柱以及第四金属柱；所述主测量振子和参比振子处于同一腔室且底部分别固定在外壳的底部，主测量振子和参比振子的顶部分别安装所述测量膜和校准膜，所述第一磁钢固定在所述主测量振子的两侧，所述第二磁钢固定在所述参比振子的两侧，两个振子水平上处于同一高度，两个振子驱动和检测的方向分别互相垂直，所述第一金属柱和第二金属柱分别位于所述主测量振子的两侧，其上分别固定第一驱动线圈和第一检测元件，所述第三金属柱和第四金属柱分别位于所述主测量振子的两侧，其上分别固定第二驱动线圈和第二检测元件，电路控制部分会驱动第一驱动线圈和第二驱动线圈，同时检测第一磁检测元件和第二磁检测原件的信号反馈，主测量振子和参比振子会处于谐振状态，所述主测量振子和参比振子为管状中空结构，在气路负压作用下，主采样管的气流依次通过测量膜和主测量振子内部。

优选地，所述测量膜上带有石英纤维膜片。

优选地，所述第一磁检测元件为霍尔元件或线圈。

优选地，所述电路控制部分通过通讯分别控制第一流量控制器和第二流量控制器，第一流量控制器控制主测量气路流量，设定为1～3L/min，第二流量控制器控制旁路气路流量，两路的流量之和为16.67L/min。

本实用新型的有益效果是:1.采用参比振子，实现了对振荡天平振子弹性系数的实时智能补偿，提高振荡天平法测量准确度。

2.降低了振荡天平法对于现场实施的要求，不需要严苛的安装环境条件。

3.实现了无需高精度恒温恒湿条件下的振荡天平法测量，没有较高温度的恒温条件，减少了因挥发性颗粒物挥发而造成的误差，提高测量的准确性。

4.实现了振荡天平颗粒物测量设备的实时自动校准。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图；

图2是本实用新型中的俯视图；

图3是本实用新型的流程图。

具体实施方式

下面结合附图及较佳实施例详细说明本实用新型的具体实施方式。需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施方式例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

如图1所示，一种具有参比振子振荡天平，包括气体采样部分1、预处理部分2、振荡天平传感器部分3、电路控制部分401以及气路部分5；所述气体采样部分包括依次连接的采样头101、切割器102和雨水分离器103。

所述气体采样部分为气体进气部分，与所述预处理部分连通，所述预处理部分包括分流管201、侧管202、动态加热模块203和主采样管204，分流管与上部的切割器连接，下部与动态加热模块连接，所述主采样管设置在所述动态加热模块内，由动态加热部分进行动态加热，电路控制部分采集气路温度和湿度，并驱动动态加热模块；所述动态加热模块的上部通过分流管与切割器连通。根据不同的测量需求，切割器可选择PM10切割器，PM2.5切割器，PM1切割器等。本实用新型中，振荡天平无需昂贵的选择性渗透膜及膜动态系统，仅需简单的动态加热模块即可。对于温度、湿度、长期漂移等的补偿，由双振子方法进行解决。

如图2所示，所述振荡天平传感器部分包括外壳301、参比振子302、校准膜303、主测量振子304、测量膜305、第一磁检测元件306、第一驱动线圈307、第一磁钢308、第二磁检测元件309、第二磁钢310、第二驱动线圈311、第一金属柱314、第二金属柱315、第三金属柱312以及第四金属柱313；所述主采样管的出口正对振荡天平传感器部分中的测量膜305，气流从振荡天平传感器部分内部通过，颗粒物在气流作用下被测量膜捕获，所述气路部分使振荡天平传感器部分产生负压。所述主测量振子和参比振子处于同一腔室且底部分别固定在外壳的底部，主测量振子和参比振子的顶部分别安装所述测量膜和校准膜，所述第一磁钢固定在所述主测量振子的两侧，所述第二磁钢固定在所述参比振子的两侧，两个振子水平上处于同一高度，两个振子驱动和检测的方向分别互相垂直，所述第一金属柱和第二金属柱分别位于所述主测量振子的两侧，其上分别固定第一驱动线圈和第一检测元件，所述第三金属柱和第四金属柱分别位于所述主测量振子的两侧，其上分别固定第二驱动线圈和第二检测元件，电路控制部分会驱动第一驱动线圈和第二驱动线圈，同时检测第一磁检测元件和第二磁检测原件的信号反馈，主测量振子和参比振子会处于谐振状态，所述主测量振子和参比振子为管状中空结构，在气路负压作用下，主采样管的气流依次通过测量膜和主测量振子内部。

所述气路部分包括第一过滤器504、第二过滤器501、第一流量控制器503、第二流量控制器502和真空泵505，所述真空泵其中一个进气口与第一流量控制器的一端连通，所述第一流量控制器另一端与所述第一过滤器的一端连通，所述第一过滤器的另一端与所述主测量振子的下部连通；所述真空泵另一个进气口与第二流量控制器的一端连通，所述第二流量控制器另一端与所述第二过滤器的一端连通，所述第二过滤器的另一端与分流管侧部连通。在气路部分中真空泵和第一流量控制器和第二流量控制器作用下，实现气路负压，从而使恒定采样气流从采样头进入系统。通过雨水分离器时，颗粒物不受影响继续下行，而雨水及冷凝水被导流入玻璃瓶中，避免进入系统造成破坏。颗粒物随气路通过切割器，在切割粒径值以下的颗粒物不受切割影响，继续下行。高于切割粒径的颗粒物将被筛除。采样气流通过分流器，一部分通过采样管进入主测量气路，一部分进入旁路气路。电路控制部分通过通讯控制第一流量控制器、第二流量控制器。第一流量控制器控制主测量气路流量，可设定为1～3L/min，第二流量控制器控制旁路气路流量，两路的流量之和为16.67L/min。此流量是国标要求的实现最高切割效率的流量值。第一过滤器和第二过滤器用以保护第一流量控制器、第二流量控制器以及真空泵。

主测量气路气流在进入振荡天平传感部分前，由动态加热模块进行动态加热。可以减少采样气体的湿度。电路控制部分采集气路温度和湿度，并驱动加热部分。主采样管出口正对主测量振子的颗粒物测量膜，振子为管状中空结构，气流从其内部通过，颗粒物在气流作用下被测量膜捕获。

本实用新型中，此部分没有使用现有振荡天平中广泛使用的膜动态测量系统。而是由参比振子实现参数智能补偿。参比振子上不收集颗粒物，该校准膜类似砝码，质量是不变的。是用参比振子随温湿度变化的参数变化来校正主振子的参数，从而将温湿度的影响进行补偿。(再补充一些优点)这个补偿是可以实时进行的，同时达到了对测量的校准作用，因而设备可以一直工作在最优性能状态，测量更准确。另外，因为无需再使用较高恒温条件来维持振子的稳定工作，因而可以减少因挥发性颗粒物挥发而造成的测量误差，提高设备精度和稳定性。本实用新型中方法可以解决目前振荡天平方法中经常出现PM2.5和PM10 的数据倒挂问题。

谐振的频率和质量有一定相关性。不同的质量对应不同的频率，测量出实时频率值，即可计算得出顶部测量膜的质量。△m＝m₁-m₀＝k₀(1/f₁ ²-1/f₀ ²)(公式 1)。其中：f₀为初始频率值，m₀为初始质量，k₀为弹性系数。主测量振子的测量膜带有石英纤维膜片，振子为管状中空结构，在气路负压作用下，进气口气流通过石英膜、主测量振子内部等。颗粒物会被石英纤维膜捕获。可测量得出石英纤维膜上的颗粒物质量。参比振子顶部的膜为校准膜，类似砝码的作用，采用稳定材料制作，不吸湿，不变形，不随温度变化，质量为固定值，并且通过高精度电子天平称量后，将质量值输入系统，作为补偿计算的重要参数。主测量振子和参比振子的振子材料及尺寸都严格相同，因而其弹性系数非常接近，当出现温度湿度变化以及时间漂移时，两者的弹性系数也基本相同。主测量振子根据参比振子的弹性系数变化计算得出自己的弹性系数，从而达到校准和智能补偿的目的。参比振子的弹性系数为K_0REF，校准膜的质量为m_1REF，装上校准膜的实时振动频率为f_1REF，标况下不装校准膜的振动频率为f_0REF，

△m＝m_1REF-0＝K_0REF(1/f_1REF ²-1/f_0REF ²)。公式2

K_0REF＝m_1REF/(1/f_1REF ²-1/f_0REF ²)。公式3

也即，在输入标准膜质量后，根据标况下不装校准膜时参比振子的频率f_0REF以及其实时频率f_1REF，可得出K_0REF，在实验条件下，标定K_0REF和K_0m，得出两者之间的曲线关系，有以下关系式，

K_0m＝a*K_0REF ²+b*K_0REF+C。公式4

此处根据实际精度要求选择K_0REF的幂次，并不限定，在求得了主测量振子的弹性系数K_0m后，根据下式可求得一定时间△t内，主测量振子测量膜上的累计颗粒物质量差，其中：f₁为主测量振子该时间段末的谐振频率，f₀为主测量振子在该时间段的起始谐振频率，

△m＝m₁-m₀＝K_0m(1/f₁ ²-1/f₀ ²)。公式5

继而求得此时间段内平均质量浓度C。

C＝△m/△V＝△m/Q/△t。公式6

Q为主路流量。

因为主测量振子和参比振子都是同时工作的，因此其参数漂移也基本相同。所以，此实用新型中，可以通过参比振子和标准校准膜，对主测量振子进行自动校准，省去了常规方案中定期手工更换校准膜的不便。

本实用新型中，主测量振子和参比振子处于同一腔室，温湿度均衡。两个振子水平上处于同一高度。两个振子驱动和检测的方向分别互相垂直，因为两个振子的振动方向呈垂直状态。这种设计可以避免两个振子振动时振幅互相干扰，使两个振子频率检测更独立更准确。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims

1.一种具有参比振子振荡天平，其特征在于：包括气体采样部分、预处理部分、振荡天平传感器部分、电路控制部分以及气路部分；所述气体采样部分为气体进气部分，与所述预处理部分连通，所述预处理部分包括动态加热模块和主采样管，所述主采样管设置在所述动态加热模块内，由动态加热部分进行动态加热，电路控制部分采集气路温度和湿度，并驱动动态加热模块；所述主采样管的出口正对振荡天平传感器部分中的测量膜，气流从振荡天平传感器部分内部通过，颗粒物在气流作用下被测量膜捕获，所述气路部分使振荡天平传感器部分产生负压。

2.根据权利要求1所述的具有参比振子振荡天平，其特征在于，所述振荡天平传感器部分包括外壳、参比振子、校准膜、主测量振子、测量膜、第一磁检测元件、第一驱动线圈、第一磁钢、第二磁检测元件、第二磁钢、第二驱动线圈、第一金属柱、第二金属柱、第三金属柱以及第四金属柱；所述主测量振子和参比振子处于同一腔室且底部分别固定在外壳的底部，主测量振子和参比振子的顶部分别安装所述测量膜和校准膜，所述第一磁钢固定在所述主测量振子的两侧，所述第二磁钢固定在所述参比振子的两侧，两个振子水平上处于同一高度，两个振子驱动和检测的方向分别互相垂直，所述第一金属柱和第二金属柱分别位于所述主测量振子的两侧，其上分别固定第一驱动线圈和第一检测元件，所述第三金属柱和第四金属柱分别位于所述主测量振子的两侧，其上分别固定第二驱动线圈和第二检测元件，电路控制部分会驱动第一驱动线圈和第二驱动线圈，同时检测第一磁检测元件和第二磁检测原件的信号反馈，主测量振子和参比振子会处于谐振状态，所述主测量振子和参比振子为管状中空结构，在气路负压作用下，主采样管的气流依次通过测量膜和主测量振子内部。

3.根据权利要求2所述的具有参比振子振荡天平，其特征在于，所述测量膜上带有石英纤维膜片。

4.根据权利要求2所述的具有参比振子振荡天平，其特征在于，所述第一磁检测元件为霍尔元件或线圈。

5.根据权利要求3所述的具有参比振子振荡天平，其特征在于，所述气体采样部分包括依次连接的采样头、切割器和雨水分离器。

6.根据权利要求5所述的具有参比振子振荡天平，其特征在于，所述动态加热模块的上部通过分流管与所述切割器连通。

7.根据权利要求6所述的具有参比振子振荡天平，其特征在于，所述气路部分包括第一过滤器、第二过滤器、第一流量控制器、第二流量控制器和真空泵，所述真空泵其中一个进气口与第一流量控制器的一端连通，所述第一流量控制器另一端与所述第一过滤器的一端连通，所述第一过滤器的另一端与所述主测量振子的下部连通；所述真空泵另一个进气口与第二流量控制器的一端连通，所述第二流量控制器另一端与所述第二过滤器的一端连通，所述第二过滤器的另一端与分流管侧部连通。

8.根据权利要求7所述的具有参比振子振荡天平，其特征在于，所述电路控制部分通过通讯分别控制第一流量控制器和第二流量控制器，第一流量控制器控制主测量气路流量，设定为1～3L/min，第二流量控制器控制旁路气路流量，两路的流量之和为16.67L/min。