CN104568520A - 一种便携式污染源稀释通道颗粒物采样装置 - Google Patents

Abstract

一种便携式污染源稀释通道颗粒物采样装置，包括采样管、皮托管、加热装置、稀释器、样气管道、颗粒物切割器、分流器、采样滤膜、抽气泵、循环回路、单片机、管道温度传感器T_s、管道压力传感器P_s、皮托管差压传感器△P₁、温度传感器T_g、流量传感器q、流量传感器Q_r、键盘、显示器、通讯接口；所述采样管、稀释器、样气管道、颗粒物切割器、分流器、采样滤膜、流量传感器q、流量传感器Q_r、抽气泵依次串联。本发明能实现样气等速采样和样气中颗粒物粒径恒流分级采集的功能，还可以根据管道中样气流速、管道直径计算出特定粒径颗粒物的排放量。

Description

一种便携式污染源稀释通道颗粒物采样装置

技术领域

本发明涉及一种便携式污染源稀释通道颗粒物采样装置，属于环保监测仪器领域。

背景技术

从污染源排放管道（以下简称管道）中采集特定粒径的颗粒物样品时，由于管道内气体的湿度、温度比环境湿度、温度高，在采样系统中会发生许多动力学物理化学动态过程（成核作用、凝结作用、压缩作用等）和化学过程，影响采样结果。为避免采样过程中样气的粒径变化及样气成分变化，得到有代表性的监测结果，必须把采样系统中高温、高湿和高浓度样气的温度、湿度和浓度降低至仪器的正常工作范围内。

已有的方法是用稀释方法用干净气体将样气稀释，使样气湿度、温度、浓度降低后采集样品。现有技术是用射流技术产生伯努利效应，使样气从管道中流出。其缺点是：其一是射流泵体积大、重量大、携带不便，且不能实现等速采样，因而也不好计算管道中PM_2.5的排放量；其二是要得到两个以上的样品时，样品的均匀性差。

发明内容

针对现有技术所存在的不足，本发明提供一种便携式污染源稀释通道颗粒物采样装置，能实现样气等速采样和样气中颗粒物粒径恒流分级采集的功能，还可以根据管道中样气流速、管道直径计算出特定粒径颗粒物的排放量。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种便携式污染源稀释通道颗粒物采样装置，包括采样管、皮托管、加热装置、稀释器、样气管道、颗粒物切割器、分流器、采样滤膜、抽气泵、循环回路、单片机、管道温度传感器T_s、管道压力传感器P_s、皮托管差压传感器△P₁、温度传感器T_g、流量传感器q、流量传感器Q_r、键盘、显示器、通讯接口；所述采样管、稀释器、样气管道、颗粒物切割器、分流器、采样滤膜、流量传感器q、流量传感器Q_r、抽气泵依次串联。

进一步的，所述循环回路包括干燥器、过滤器、加热器以及循环泵，干燥器、过滤器、加热器以及循环泵依次串联；同时循环回路中循环泵端出口并联于稀释器上、将循环回路中的过滤器入口并联三通上。

进一步的，所述加热装置置于采样管前端及稀释器的外壁上，同时所述加热装置上还置有温度传感器Tg，所述温度传感器Tg以及加热装置均与单片机电联接。

进一步的，所述皮托管与采样管、管道温度传感器T_s并列设置在管道采样口，皮托管连接管道压力传感器P_s以及皮托管差压传感器△P₁，所述管道温度传感器T_s、管道压力传感器P_s以及皮托管差压传感器△P₁均与单片机电连接。

进一步的，所述颗粒物切割器入口置有温度传感器T_r、压力传感器P_r，所述温度传感器T_r、压力传感器P_r均与单片机电联接。

进一步的，所述分流器置于颗粒物切割器的出口与采样滤膜之间，所述分流器是一个封闭的圆柱形腔体，一根样气的分流器进气管从分流器上端面中心位置伸入分流器内部，样气的分流器出气管从分流器的下端面伸入分流器内部，且沿中心在同一圆周上均匀分布，所述分流器出气管数目一般为2-100根。

进一步的，所述分流器进气管与颗粒物切割器的出口相接，分流器出气管串接采样滤膜，采样滤膜出口串接一个流量传感器q；流量传感器q的出气口接多通管，多通管的一个出口与三通管连接，三通管的另外两个口分别与循环回路和流量传感器Q_r进气口相连，流量传感器Q_r出气口与抽气泵进气口相连。

进一步的，所述流量传感器q、流量传感器Q_r均与单片机电连接。

进一步的，所述键盘、显示器、通讯接口、抽气泵以及循环泵均与单片机电联接。

进一步的，所述采样管以及样气管道由抛光不锈钢管或玻璃制成。

本发明的有益效果是：1、利用稀释装置可将高湿、高温、高浓度的气体处理后，采集到原样品；2、在切割器后再增加分流器可实现同时获得多个样品，且因分离器内样品均匀，每个滤膜后后串接一个流量传感器，所以各个样品的均匀性好，采样体积明确；3、能同时实现等速采样，样气中颗粒物粒径恒流分级采样的功能要求，因此，可计算出管道污染物的总排放量；4、体积小、重量轻、方便携带；5、操作简单、自动化智能化水平高。本发明的装置也适用于采集管道内的有害气体、烟尘、SVOCs样品。

附图说明

图1是本发明的一种四通道PM_2.5颗粒物采样装置的结构原理示意图。

1.采样管；2.皮托管；3.加热装置；4.稀释器；5.样气管道；6.颗粒物切割器；7.分流器；8.采样滤膜（m₁、m₂、m₃、m₄）；9.流量传感器q（q₁、q₂、q₃、q₄）；10.多通管；11.三通；12.流量传感器Q_r；13.抽气泵；14.循环回路；15.干燥器；16.过滤器；17.加热器；18.循环泵；19.管道温度传感器T_s；20. 管道压力传感器P_s； 21.皮托管差压传感器△P₁；22.温度传感器T_g；23.温度传感器T_r；24.压力传感器P_r；25.分流器进气管；26.分流器出气管（C₁、C₂、C₃、C₄）；27.单片机；28.键盘；29.显示器；30.通讯接口。

具体实施方式

实施例1

本实施例为一种四通道PM_2.5颗粒物采样装置，如图1所述，一种便携式污染源稀释通道颗粒物采样装置，包括采样管1、皮托管2、加热装置3、稀释器4、样气管道5、颗粒物切割器6、分流器7、采样滤膜（m₁、m₂、m₃、m₄）8、抽气泵13、循环回路14、单片机27、管道温度传感器T_s 19、管道压传感器P_s 20、皮托管差压传感器△P₁ 21、流量传感器q（q₁、q₂、q₃、q₄）9、流量传感器Q_r 12、键盘28、显示器29、通讯接口30；循环回路14包括干燥器15、过滤器16、加热器17、循环泵18及连接管道，所述干燥器15、过滤器16、加热器17、循环泵18依次串联；采样管1、稀释器4、样气管道5、颗粒物切割器6、分流器7、采样滤膜（m₁、m₂、m₃、m₄）8、流量传感器q 9、流量传感器Q_r 12、抽气泵13依次串联（其中采样滤膜（m₁、m₂、m₃、m₄）8分别与流量传感器q（q₁、q₂、q₃、q₄）9串联后并联于4根分流器出气管（C₁、C₂、C₃、C₄）26与多通管10之间），并将循环回路14中循环泵18端出口并联于稀释器4上、将循环回路14中的过滤器16入口并联三通11上。

采样管1是采集样气的通道，要求内壁光滑，以减少样气的壁损失，可用内抛光不锈钢管或玻璃制成，在采样管1前端及稀释器4的外壁上，设有加热装置3，所述加热装置3上还安装有温度传感器Tg 22，所述温度传感器Tg 22与单片机27电联接；工作时，温度传感器Tg 22将加热装置内温度信号传至单片机27，单片机27控制加热装置3加热或停止工作，使装置内温度值与管道温度传感器Ts 19测得的管道温度值相等，以免样气因降温冷凝。

皮托管2与采样管1、管道温度传感器T_s 19并列安装在管道采样口处，皮托管2后连接管道压力传感器P_s 20、皮托管差压传感器△P₁ 21；管道温度传感器T_s 19、管道压力传感器P_s 20、皮托管差压传感器△P₁ 21分别与单片机27电联接，用于测量管道内的温度、动压、静压、流速等参数。

颗粒物切割器6入口处安装有温度传感器T_r 23、压力传感器P_r 24，所述温度传感器T_r 23、压力传感器P_r 24分别与单片机27电联接，用于测量颗粒物切割器6入口的压力、温度，参入计算通过颗粒物切割器6的样气工况流量值。

分流器7是一个封闭的圆柱形腔体，1根分流器进气管25从分流器7上端面中心位置伸入分流器7内部，4根分流器出气管（C1、C2、C3、C4）26从分流器7的下端面伸入分流器7内部，且沿中心在同一圆周上均匀分布，为了减少样气的壁损失，要求分流器进气管25、分流器出气管（C1、C2、C3、C4）26内壁光滑。分流器进气管25与颗粒物切割器6的出口相接，4根分流器出气管（C1、C2、C3、C4）26分别与4个采样滤膜（m₁、m₂、m₃、m₄）8串接，在4个采样滤膜（m₁、m₂、m₃、m₄）8出口后分别串接有4个流量传感器q（q₁、q₂、q₃、q₄）16，流量传感器q（q₁、q₂、q₃、q₄）9的出气口接多通管10，多通管10的一个出口与三通11连接，三通11的另外两个口分别与循环回路14和流量传感器Q_r 12相连。

循环泵18的排气口接在稀释器4入口上，干燥器15入口一端与三通11相连。

流量传感器q（q₁、q₂、q₃、q₄）9与单片机27电联接，分别用于测量通过滤膜（m₁、m₂、m₃、m₄）8的气体流量及体积。

流量传感器Q_r 12出气口与抽气泵13进气口相连，流量传感器Q_r 12与单片机27电联接，用于测量Q_r气路的流量及体积。

键盘28与单片机27电联接，用于输入相关信息；显示器29与单片机27电联接，用于显示采样相关信息；通讯接口30与单片机27电联接，用于输出相关采样信息。

采样时，在抽气泵13的作用下，样气从管道中被抽出，通过采样管1进入稀释器4中，同时，干净空气在循环泵18的作用下通过循环回路14进入稀释器4中，将样气稀释，样气的湿度、温度和浓度都随之降低后，通过样气管道5进入颗粒物切割器6，在颗粒物切割器6中，根据空气动力学原理，样气中的大颗粒物被除去，被采集的颗粒物样品在经过采样滤膜时被阻留在采样滤膜8（m₁、m₂、m₃、m₄）上。

等速采样是这样实现的：采样时，由皮托管2将管道内的动压、静压经管道压力传感器P_s 20、皮托管差压传感器△P₁ 21传至单片机27，单片机27根据皮托管差压传感器△P₁21测量值计算出管道内的流速，并根据采样管入口的直径（采样嘴直径）及管道温度传感器T_s 19测得的温度值计算出等速采样流量值q_r′（工况流量），控制抽气泵13的转速，使通过流量传感器Qr 12的流量值Qr（标况）与等速采样流量值q_r′（工况流量）相对应的标况流量值Qr′相等，实施等速采样。当管道内流速变大时，皮托管2测得信号传至单片机27，单片机27根据计算出的相应流量控制抽气泵13转速增加，使通过流量传感器Qr 12的流量值增加至等速采样流量值Qr′；反之，亦然。

颗粒物粒径恒流分级采样是这样实现的：在选用颗粒物切割器6后，工作点流量值q_c（工况流量）就固定确定了，因此，要求通过颗粒物切割器6的样气流量值是恒定的，此值通过单片机27控制抽气泵13和循环泵18的转速实现。颗粒物切割器6工作点流量q_c等于等速采样流量值q_r′（工况流量）与循环回路流量值q_x（工况流量）之和，即q_c= q_r′+ q_x，其中：q_r′值是等速采样流量值，q_c值是由单片机27根据流量传感器q（q₁、q₂、q₃、q₄）9测得的标况流量值Q_c、温度传感器Tr 23测得的Tr值和压力传感器Pr 24测得的Pr值计算出的。采样时，在抽气泵13和循环泵18的作用下，样气进入颗粒物切割器6，单片机27根据设定的颗粒物切割器6工作流量点q_c和等速采样流量值q_r′之差q_x=q_c- q_r′，控制循环泵18的转速，使通过流量传感器q（q₁、q₂、q₃、q₄）9的流量值（换算成颗粒物切割器入口处的工况流量值）与设定的工作点流量q_c相等，实现颗粒物粒径恒流分级采样。当管道内的流速增大时，单片机27首先控制抽气泵13的转速增加，使等速采样流量增加，与此同时，由单片机27控制循环泵18的转速降低，使流量传感器q（q₁、q₂、q₃、q₄）9测得的流量值（换算成颗粒物切割器入口处的工况流量值）与设定的工作点流量值q_c相等，实现了颗粒物粒径恒流分级采样；反之，亦然。

实施例2

本发明实施例为一种六通道的四通道PM_2.5颗粒物采样装置，需要6个分流器出气管分别于6个采样滤膜串联，在6个采样滤膜后分别串联6个流量传感器q，流量传感器q出气口与多通管相连，其与结构均与本实施例的结构相同。

实施例3

本发明实施例为一种二通道的四通道PM_2.5颗粒物采样装置，需要2个分流器出气管分别于2个采样滤膜串联，在2个采样滤膜后分别串联2个流量传感器q，流量传感器q出气口与多通管相连，其与结构均与本实施例的结构相同。

本发明的装置也适用于采集管道内的有害气体、烟尘、SVOCs样品。

综上所述，本发明利用稀释装置可将高湿、高温、高浓度的气体处理后，采集到原样品；在切割器再增加分流器可实现同时获得多个样品，且因分离器内样品均匀，每个滤膜后后串接一个流量传感器，所以各个样品的均匀性好，采样体积明确；能同时实现等速采样，样气中颗粒物粒径恒流分级采样的功能要求，因此，可计算出管道污染物的总排放量；体积小、重量轻、方便携带；操作简单、自动化智能化水平高。

上面以举例方式对本发明进行了说明，但本发明不限于上述具体实施例，凡基于本发明所做的任何改动或变型均属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种便携式污染源稀释通道颗粒物采样装置，其特征在于：包括采样管、皮托管、加热装置、稀释器、样气管道、颗粒物切割器、分流器、采样滤膜、抽气泵、循环回路、单片机、管道温度传感器T_s、管道压力传感器P_s、皮托管差压传感器△P₁、温度传感器T_g、流量传感器q、流量传感器Q_r、键盘、显示器、通讯接口；所述采样管、稀释器、样气管道、颗粒物切割器、分流器、采样滤膜、流量传感器q、流量传感器Q_r、抽气泵依次串联。

2.根据权利要求1所述的所述便携式污染源稀释通道颗粒物采样装置，其特征在于：所述循环回路包括干燥器、过滤器、加热器以及循环泵，干燥器、过滤器、加热器以及循环泵依次串联；同时循环回路中循环泵端出口并联于稀释器上、将循环回路中的过滤器入口并联三通上。

3.根据权利要求1所述的所述便携式污染源稀释通道颗粒物采样装置，其特征在于：所述加热装置置于采样管前端及稀释器的外壁上，同时所述加热装置上还置有温度传感器Tg，所述温度传感器Tg以及加热装置均与单片机电联接。

4.根据权利要求1所述的所述便携式污染源稀释通道颗粒物采样装置，其特征在于：所述皮托管与采样管、管道温度传感器T_s并列设置在管道采样口，皮托管连接管道压力传感器P_s以及皮托管差压传感器△P₁，所述管道温度传感器T_s、管道压力传感器P_s以及皮托管差压传感器△P₁均与单片机电连接。

5.根据权利要求1所述的所述便携式污染源稀释通道颗粒物采样装置，其特征在于：所述颗粒物切割器入口置有温度传感器T_r、压力传感器P_r，所述温度传感器T_r、压力传感器P_r均与单片机电联接。

6.根据权利要求1所述的所述便携式污染源稀释通道颗粒物采样装置，其特征在于：所述分流器置于颗粒物切割器的出口与采样滤膜之间，所述分流器是一个封闭的圆柱形腔体，一根样气的分流器进气管从分流器上端面中心位置伸入分流器内部，样气的分流器出气管从分流器的下端面伸入分流器内部，且沿中心在同一圆周上均匀分布，所述分流器出气管数目一般为2-100根。

7.根据权利要求1所述的所述便携式污染源稀释通道颗粒物采样装置，其特征在于：所述分流器进气管与颗粒物切割器的出口相接，分流器出气管串接采样滤膜，采样滤膜出口串接一个流量传感器q；流量传感器q的出气口接多通管，多通管的一个出口与三通管连接，三通管的另外两个口分别与循环回路和流量传感器Q_r进气口相连，流量传感器Q_r出气口与抽气泵进气口相连。

8.根据权利要求7所述的所述便携式污染源稀释通道颗粒物采样装置，其特征在于：所述流量传感器q、流量传感器Q_r均与单片机电连接。

9.根据权利要求1所述的所述便携式污染源稀释通道颗粒物采样装置，其特征在于：所述键盘、显示器、通讯接口、抽气泵以及循环泵均与单片机电联接。

10.根据权利要求1所述的所述便携式污染源稀释通道颗粒物采样装置，其特征在于：所述采样管以及样气管道由抛光不锈钢管或玻璃制成。