一种能够实现恒流量等速采样的采样系统

摘要

本发明涉及一种能够实现恒流量等速采样的采样系统，所述的采样系统包括采样检测装置、测速装置、微处理系统和报警设备。采样检测装置包括新型采样嘴、检测系统、干燥器、恒流量抽气泵，该新型采样嘴包括调节片、密封件、固定环、连接件；测速装置包括S型皮托管、差压变送器。本发明利用上述采样系统进行恒流量等速采样时，可以采集固定污染源烟气中的PM10或PM2.5等颗粒物。本发明所述采样嘴不需外加控制系统且能迅速随烟气流速变化自适应调节采样嘴口径，从而保证采样系统在较大烟气流速范围内及烟气流速波动时均能利用一个采样嘴实现连续自动等速采样。此外，在满足等速采样原理进行恒流量连续采样时，本发明进一步提出了新型采样嘴调节片材料的抗弯刚度值EI与可采样烟气流速范围的关系。

说明书

技术领域

本发明属于环境监测技术领域，属于采样技术。该采样系统在较大烟气流速范围 内及烟气流速波动时均能实现连续等速采样。

背景技术

当前，雾霾问题日益严重，引起社会的高度关注。空气中PM_2.5颗粒增多是雾霾形成 的主要原因。固定污染源排放的PM_2.5颗粒是空气PM_2.5的重要来源，如何合理监测固定污染 源排气中的PM_2.5对制定PM_2.5污染的控制措施和排放标准有重大意义。目前尚无单独针对 PM_2.5颗粒物的采样方法，只有总颗粒物的采样方法。

目前，针对固定污染源排气中颗粒物测定与气态污染物的采样方法的相关标准有 GB/T16157-1996、HJ/T76-2007等。上述标准都提出对固定污染源排气中颗粒物与气态污 染物进行采样时应该遵循等速采样原理。等速采样原理如下：“颗粒物具有一定的质量，在 烟道中由于本身运动的惯性作用，不能完全随气流改变方向，为了从烟道中取得有代表性 的烟尘样品，需等速采样，即烟气流速与采样速度相等。”HJ/T76-2007《固定污染源连续 监测系统技术要求及检测方法》规定：“当流速大于10m/s时，速度相对误差不超过±10%；当 流速小于或等于10m/s时，速度相对误差不超过±12%”。

对不同流速的烟气进行采样，烟气采样嘴放置于气流主体当中，采样嘴保持微负 压状态。当烟气流速大于采样速度时，行至采样口内边缘的部分气流及其携带的小颗粒会 改变流向而不进入采样嘴内，而该部分气流携带的一些大颗粒由于质量较大，在较大惯性 下，会继续按原方向前进，这使得进入采样嘴内内的大颗粒采样浓度高于主体真实浓度。而 烟气流速小于采样速度时，行至采样口外边缘的一部分气流及其携带的小颗粒被吸入到采 样嘴内，而其携带的部分大颗粒由于质量较大，在较大惯性下不能跟随改变了方向的气流 进入采样嘴内，最终致使大颗粒的采样浓度将低于真实浓度。当气流主体速度等于采样速 度时，行至采样口边缘的气流不会发生流向改变，其所携带的颗粒也不会改变运动方向，故 此时采样浓度和真实浓度相等。恒流量等速采样时，为使不同烟气流速下的采样都能满足 等速采样原理，需准备多种口径的采样嘴。采样嘴口径大小与烟气流速一一对应。当对流速 不同的烟气进行采样，需频繁更换采样嘴。

同时，在进行恒流量连续采样的时间段内，烟气流速可能会发生局部波动。由于烟 气流速的波动导致固定口径的采样嘴可能没有实现等速采样。

发明内容

本发明的目的在于克服现有采样技术的不足，提出一种结构设计巧妙、合理的新 型采样嘴从而保证该采样系统在较大烟气流速范围内及烟气流速波动时均能实现利用一 个采样嘴进行等速采样。此外，在满足等速采样原理进行恒流量连续采样时，本发明进一步 提出了新型采样嘴调节片的抗弯刚度值EI与可采样烟气流速范围的关系。

本发明所述的采样系统包括采样检测装置、测速装置、微处理系统和报警设备。所 述采样检测装置由新型采样嘴、检测系统、干燥器、恒流量抽气泵组成。所述新型采样嘴、检 测系统、干燥器、恒流量抽气泵通过管道依次连接。通过恒流量抽气泵抽气，带动烟气依次 进入采样嘴、检测系统、干燥器，并将检测后气体干燥后排出。所述新型采样嘴包括调节片、 密封件、固定环、连接件。该采样嘴入口由多片可发生收敛或扩散的调节片均匀分散固定在 固定环上形成。相邻两块调节片中间的缝隙采用密封件进行密封，从而确保烟气不会从缝 隙中逸出。密封件由弹性模量很小且不影响调节片的收敛或扩散的材料制成。固定环用于 调节片的固定和支撑。连接件的一端与固定环相连，一端与通过管件与检测系统进气口连 接。测速装置包括S型皮托管和差压变送器。S型皮托管固定在烟道壁面的上，对烟道中心位 置进行测速。S型皮托管出气口前后端分别通过管道与差压变送器进气口高低压力端相连。 差压变送器所测压力以电信号方式通过数据线输送微处理系统中。所述微处理系统通过数 据线分别与差压变送器、检测系统、报警设备连接。微处理系统中能对可采样烟气流速范围 进行报警阀值设定。微处理系统能通过数据线控制检测系统和报警设备。

在满足等速采样原理进行恒流量连续采样时，本发明还提出了新型采样嘴调节片 抗弯刚度值EI与可采样烟气流速范围的关系，其具体步骤如下。

步骤一：已知调节片的抗弯刚度EI、调节片截面与烟气流速方向的夹角θ₀、调节片 的宽度W和长度L。

步骤二：调节片发生收敛变形后采样嘴入口处半径r与烟气流速u的关系为：

式中，r₀为采样嘴没有进行采样时的初始半径，，ρ为烟气的 密度。

步骤三：确定采样流量q_v，在恒流量情况下进行连续采样。

步骤四：按等速采样原理计算得到采样嘴入口处半径r与烟气流速u的关系为：

式中，。

步骤五：令函数，其代表在烟气流速为u的情况下， 调节片发生收敛变形后采样嘴入口处半径与按照等速采样原理计算得到的半径之差。若a， b，r₀能满足：

（1）

则方程有两解为、。说明在速度为、时，采样嘴口径大小刚好能满足等速采 样。HJ/T76-2007《固定污染源连续监测系统技术要求及检测方法》规定：“当流速大于10m/ s时，速度相对误差不超过±10%；当流速小于或等于10m/s时，速度相对误差不超过±12%。” 那么，在、周围一定速度范围内都能实现等速采样。

步骤六：当时，、周围两个范围能重合的条件为：

（2）

式中，k^*为、的 最小值。那么，若a，b，r₀能满足公式（1）、（2）所述要求，在范围内都能实现等速 采样。

步骤七：,在ρ、θ₀、L、W一定的情况下，材料的抗弯刚度 值EI与a一一对应。那么，若EI，b，r₀能满足公式（1）、（2）所述要求，那么在范围 内都能实现等速采样。

发明所述能够实现恒流量等速采样的采样系统工作原理：通过恒流量抽气泵抽 气，使得伸入主体流动烟气的采样嘴末端为微负压，在微负压的作用下，烟气依次进入采样 嘴、检测系统、干燥器，并将检测后气体干燥后排出。采样嘴平面正对排气气流进行采样时， 调节片截面与烟气流动方向存在一定夹角，烟气的部分动压能会转化为对调节片的静压 力，从而使调节片发生一定的弯曲变形。当调节片的弯曲变形量与所受静压力达到平衡时， 采样嘴口径不再变化，采样嘴进口气体与主体烟气流速满足等速采样原理。当烟气流速发 生波动时，调节片所受静压力的波动会导致采样嘴调节片发生弹性弯曲。弹性弯曲模量与 静压力迅速达到平衡，此时采样嘴口径大小与烟气流速满足等速采样原理。在微处理系统 中对可采样烟气速度范围进行设定，该速度范围与调节片材料的抗弯刚度相关，可根据上 述公式（1）、（2）求解。测速系统所测的速度以电信号方式输入微处理系统。若该速度在所设 定的速度范围内，采样系统正常工作。若该速度不在所设定的速度范围内，微处理系统通过 数据线控制报警设备报警。

本发明具有的有益效果；

(1)对烟气的传统采样过程中，针对不同的烟气流速，需要频繁更换采样嘴以实现等速 采样；本发明所述采样嘴能迅速随烟气流速变化自动调整采样嘴口径大小，从而保证较大 烟气流速范围均能实现等速采样；

(2)本发明所述采样系统能抗拒烟气流速波动，实现等速采样，减小采样误差；

(3)本发明为制作采样嘴调节片的选材提供了理论支撑，提出能实现等速采样的判定 依据以及适用的烟气流速范围；

(4)本发明所述采样系统带有报警装置，在整个采样过程中能直观反映测量过程的准 确性；

(5)相比现阶段的采样技术，本发明所述的采样嘴不需外加控制系统且能迅速随烟气 流速变化自动调整采样嘴口径大小，实现等速采样。

附图说明

图1为本发明实施例中采样系统平面结构示意图；

图2为本发明实施例中调节片收敛示意图。

图中，1-新型采样嘴，2-S型皮托管，3-差压变送器，4-微处理系统，5-报警设备，6- 烟道，7-检测系统，8-干燥器，9-恒流量抽气泵，11-调节片，12-密封件，13-固定环，14-连接 件。

具体实施方式

为了更充分理解本发明的技术内容，下面结合具体实施例对本发明的技术方案进 行进一步的介绍和说明，但要求保护的范围并不局限于所述。

实施例

如图1所示，发明所述的采样系统包括采样检测装置、测速装置、微处理系统和报 警设备。所述采样检测装置由新型采样嘴1、检测系统7、干燥器8、恒流量抽气泵9组成。所述 新型采样嘴1、检测系统7、干燥器8、恒流量抽气泵9通过管道依次连接。恒流量抽气泵通过 恒流量抽气泵抽气，带动烟气依次进入采样嘴、检测系统、干燥器，并将检测后气体干燥后 排出。所述检测系统7选用光散射原理的检测器，可对采样气中的颗粒物进行检测。干燥器 能对检测后的气体进行干燥，防止气体湿度过高损坏恒流量抽气泵9。所述新型采样嘴包括 调节片11、密封件12、固定环13、连接件14。该采样嘴入口由多片可发生收敛或扩散的调节 片11均匀分散固定在固定环13上形成。如图2所示，调节片11截面与烟气流动方向存在夹角 为θ₀。烟气的部分动压能会转化为对调节片11的静压力F。调节片11在静压力F的作用下，发 生如图2中虚线所示弯曲形变，从而使采样嘴口径在某一值时与所受静压力F到达平衡。此 时，采样嘴口径与烟气流速满足等速采样原理。当烟气流速发生波动时，调节片11所受静压 力的波动会导致采样嘴调节片11发生弹性弯曲。弹性弯曲模量与静压力F迅速达到平衡，此 时采样嘴口径大小与烟气流速满足等速采样原理。相邻两块调节片11中间的缝隙采用密封 件12进行密封，从而确保烟气不会从缝隙中逸出。该密封件12由弹性模量很小且不影响调 节片11收敛或扩散的材料制成。固定环13用于调节片11的固定和支撑。连接件14的一端与 固定环13相连，一端与通过管件与检测系统7的进气口连接。测速装置包括S型皮托管2和差 压变送器3。S型皮托管2固定在烟道壁面6上，对烟道中心位置进行测速。S型皮托管出气口 前后端分别通过管道与差压变送器3进气口高低压力端相通。差压变送器3所测压力以电信 号方式通过数据线输送微处理系统4中。所述微处理系统4通过数据线分别与差压变送器3、 检测系统7、报警设备5连接。微处理系统中能对可采样烟气流速范围进行设定。微处理系统 能通过数据线控制检测系统和报警设备。

在满足等速采样原理进行恒流量连续采样时，本发明还提出了调节片抗弯刚度值 EI与烟气流速范围的关系，其具体步骤如下。

步骤一：已知调节片的抗弯刚度EI、调节片截面与烟气流速方向的夹角θ₀、调节片 的宽度W和长度L。

步骤二：调节片发生收敛变形后采样嘴入口处半径r与烟气流速u的关系为：

式中，r₀为采样嘴没有进行采样时的初始半径，，ρ为烟气的 密度。

步骤三：确定采样流量q_v，在恒流量情况下进行连续采样。

步骤四：按等速采样原理计算得到样嘴入口处半径r与烟气流速u的关系为：

式中，。

步骤五：令函数，其代表在烟气流速为u的情况下， 调节片发生收敛变形后采样嘴入口处半径与按照等速采样原理计算得到的半径之差。若a， b，r₀能满足：

（1）则方程有两解为、。说明在速度 为、时，采样嘴口径大小刚好能满足等速采样。HJ/T76-2007《固定污染源连续监测系 统技术要求及检测方法》规定：“当流速大于10m/s时，速度相对误差不超过±10%；当流速小 于或等于10m/s时，速度相对误差不超过±12%。”那么，在、周围一定速度范围内都能 实现等速采样。

步骤六：当时，、周围两个范围能重合的条件为：

（2）

式中，k^*为、的 最小值。那么，若a，b，r₀能满足公式（1）、（2）所述要求，在范围内都能实现等速采样。

步骤七：,在ρ、θ₀、L、W一定的情况下，材料的抗弯刚度 值EI与a一一对应。那么，若EI，b，r₀能满足公式（1）、（2）所述要求，那么在范围 内都能实现等速采样。