一种便携式移动污染源排放颗粒物采样测量系统及方法

摘要

本发明涉及一种便携式移动污染源排放颗粒物采样测量系统及方法。采样测量系统包括空压机、干燥器、过滤器、加热器、颗粒物采样测量模块和取样探头。所述空压机的出口接干燥器的入口，干燥器的出口接过滤器的入口。所述颗粒物采样测量模块包括稀释模块、放电模块、混合模块、分离模块和静电计。本发明能够解决现有技术中存在的不足，对移动污染源排放的高温、高浓度颗粒物实现采样和测量，且能够保持稳定的稀释比。

说明书

技术领域

本发明涉及移动污染源环境监测技术领域，具体涉及一种便携式移动污染源排放颗粒物采样测量系统及方法。

背景技术

燃烧和其他工业过程中产生的气溶胶通常有很宽的特性范围。颗粒浓度、温度、相对湿度在同一过程中有很大的变化。颗粒分布随气溶胶的特性改变而改变，在采样过程中有絮凝、凝结、形核等现象出现。从这样的过程中提取有效试样，对所应用的取样设备提出了更高的要求。为了得到一个有效的结果，稀释率、稀释温度、停留时间必须加以严格控制。

为应对内燃机的微粒排放问题，美国环境保护局（EPA）于1972年规定了用于检测柴油机排气微粒的测量方法，即全流定容稀释取样系统（CVS）。全流CVS作为一项成熟的测试方法广泛应用于世界上各个发动机检测试验室。但是全流稀释取样系统体积大，制造成本高，使用费用高，不能用于车载。中国专利CN100395533C公开了一种固定燃烧源排放颗粒物稀释采样系统，采用了两级稀释，其将一级稀释和二级稀释隔开，这样不仅会增加管道的传输损失而且使采样系统的体积增大难以实现便携化，除此之外，二级稀释仅采用多个喷孔喷射，会使稀释气流不均匀，很难保证稀释比稳定性。因此，需要设计一种能够保持稳定的稀释比和稀释气体温度的采样系统，且系统便携化能用于样气颗粒物稀释采样。

发明内容

本发明的目的在于提供一种便携式移动污染源排放颗粒物采样测量系统及方法，该测量系统及方法能够解决现有技术中存在的不足，对移动污染源排放的高温、高浓度颗粒物实现采样和测量，且能够保持稳定的稀释比。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种便携式移动污染源排放颗粒物采样测量系统，包括空压机、干燥器、过滤器、加热器、颗粒物采样测量模块和取样探头；所述空压机的出口接干燥器的入口，干燥器的出口接过滤器的入口。

具体地说，所述颗粒物采样测量模块包括稀释模块、放电模块、混合模块、分离模块和静电计。

所述稀释模块包括第一稀释管道、第二稀释管道、样气管和透气管；所述样气管包括依次相连通的第一管路、第二管路和第三管路；所述第一管路为两端开口的空心圆柱，第二管路和第三管路为对称设置的两个空心圆台，且两个空心圆台在二者连接处直径最小；所述透气管套设在第一管路的外侧；所述第一稀释管道套设在透气管的外侧；所述第二稀释管道的出口连接在两个空心圆台的连接处，且第二稀释管道与两个空心圆台相连通。

所述放电模块包括放电腔体、设置在放电腔体内的放电针以及分别开设在放电腔体上下两侧的离子出口与洁净空气入口。

所述混合模块包括混合腔体、开设在混合腔体上侧的稀释样气入口、开设在混合腔体右侧的荷电颗粒物出口；所述稀释样气入口接第三管路的出口。

所述分离模块包括分离腔体、设置在分离腔体内的分离电极、开设在分离腔体左侧的分离颗粒物入口以及开设在分离腔体上侧的分离颗粒物出口；所述分离颗粒物入口接荷电颗粒物出口；所述离子出口连接在混合腔体上，且与混合腔体相连通。

所述静电计安装在分离颗粒物出口处。

所述过滤器的出口分别接加热器的入口、第二稀释管道的入口、洁净空气入口；所述加热器的出口接第一稀释管道的入口；所述取样探头设置在样气管的入口处。

进一步的，该采样测量系统还包括第一流量计、第二流量计、第三流量计、第一压力计、第二压力计、第三压力计、第一温度计、第二温度计和第三温度计；所述第一流量计、第一压力计和第一温度计设置在加热器出口与第一稀释管道入口之间的管路上；所述第二流量计、第二压力计和第二温度计设置在过滤器出口与第二稀释管道入口之间的管路上；所述第三流量计、第三压力计和第三温度计设置在过滤器出口与洁净空气入口之间的管路上。

进一步的，该采样测量系统还包括上位机和电控单元；所述上位机与电控单元交互式连接；所述电控单元的输出端分别接加热器、第一流量计、第二流量计和第三流量计的控制端。

进一步的，所述离子出口为两端开口的空心圆台状，且该离子出口的直径从上向下逐渐变大。

进一步的，所述放电针安装在固定座上。

进一步的，所述稀释模块的外壳采用不锈钢材质，所述透气管采用透气钢，所述放电针采用钨材质，所述分离电极采用铜材质。

（1）空压机产生的压缩空气经过干燥器和过滤器后得到洁净空气；

（2）洁净空气分成三路：第一路经过加热器加热后得到热空气，热空气经过第一流量计后进入颗粒物采样测量模块的第一稀释管道中，设第一路中的气体流量为Q1；第二路经过第二流量计后进入颗粒物采样测量模块的第二稀释管道中，设第二路中的气体流量为Q2；第三路经过第三流量计后由洁净空气入口进入放电模块中，设第三路中的气体流量为Q3；

（3）样气颗粒物由取样探头进入颗粒物采样测量模块的样气管，由第一稀释管道流进的热空气穿过透气管后在样气管中与尾气混合，完成样气颗粒物的第一级稀释过程，该稀释过程为热稀释；第一级稀释混合后的气体继续向颗粒物采样测量模块的底部运动，在经过第二管路与第三管路的连接处时，由于第二稀释管道中的洁净空气的速度在该处达到最大，形成负压，对第一级稀释混合后的气体起到抽取的作用，加速气体的混合，完成样气颗粒物的第二级稀释过程，该稀释过程为常温稀释；经过二级稀释后的样气颗粒物由稀释样气入口进入混合模块；

（4）将固定座端部接入负3KV高压，放电模块外壳接地，放电针尖端产生尖端放电，电离进入放电模块的洁净空气气流，使洁净空气气流产生大量的负离子；

（5）在洁净空气气流的推动下，放电模块中的负离子通过离子出口进入混合模块，随着离子出口的截面逐渐减小，离子的流速逐渐变大；

（6）由稀释样气入口进入混合模块的样气颗粒物与由离子出口进入混合模块的负离子在混合腔体中发生碰撞，负离子附着在样气颗粒物上，完成样气颗粒物的带电，获得一定粒径范围颗粒物在荷电区域的带电效率P 和颗粒物物所带的基本电荷数目n；带电的样气颗粒物由荷电颗粒物出口进入分离模块；

（7）将分离电极接入负100V电压，分离模块外壳接地，从而在分离电极和分离模块内壁之间的环形区域内形成分离电场；多余的负离子在分离电场的电场力的作用下，被分离模块内壁收集，带电样气颗粒物在洁净空气气流和分离电场的电场力的作用下，由分离颗粒物出口流出，此时，采用静电计测量分离颗粒物出口流出的颗粒物的电流值I，设进入静电计的气体的流量为Q；

（8）采用第一压力计和第一温度计分别监测输入到第一稀释管道中的热空气的压力和温度；采用第二压力计和第二温度计分别监测输入到第二稀释管道中的空气的压力和温度；采用第三压力计和第三温度计分别监测输入到洁净空气入口的空气的压力和温度；

（9）采用电控单元控制加热器的温度以调节稀释气体的温度，并且控制第一流量计、第二流量计和第三流量计的流量来得到不同的稀释气流的流量；

（10）采用上位机来监测稀释比μ，并控制电控单元调节第一流量计、第二流量计和第三流量计来得到不同稀释气流的流量，从而得到不同的稀释比；

（11）采用公式N=μ*I/(P*n*e*(Q-Q1-Q2-Q3))，计算得到机动车尾气中的颗粒物数浓度；

其中，N表示样气颗粒物数浓度，稀释比μ=（Q-Q1-Q2-Q3）/Q，I为分离颗粒物出口中的颗粒物的电流值，e 为单个电荷的电量。

和现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

（1）本发明所述的采样测量系统具有结构简单、操作方便等特点，将稀释模块和测量模块的集成到一个结构中，可以降低颗粒物在传输过程中的损失，保证采样结果的准确性，且可以使整个系统小型化，便携化。

（2）本发明所述的采样测量系统利用透气钢作为稀释气体进气装置，可以保证稀释气流均匀稳定的进入到样气管中，减少样气颗粒物的扩散损失。

（3）本发明能够对移动污染源排放的高温、高浓度的颗粒物实现在线测量。

（4）本发明通过设置三路稀释气流，稀释比调节范围大，可以对高浓度的颗粒物完成测量。通过热稀释和冷稀释结合，保证纳米颗粒物不会被冷凝增长，实现高温颗粒物的测量。

附图说明

图1是本发明中测量系统的结构示意图；

图2是本发明中颗粒物采样测量模块的结构示意图；

图3是本发明中放电模块中放电针的安装示意图。

其中：

1、空压机，2、干燥器，3、过滤器，4、加热器，5、第一流量计，6、第二流量计，7、电控单元，8、取样探头，9、颗粒物采样测量模块，10、上位机， 11、第二压力计，12、第二 温度计，13、第一压力计，14、第一温度计，15、第三压力计，16、第三温度计，17、第三流量计，21、稀释模块，22、第一稀释管道，23、第二稀释管道，24、样气管，25、透气管，31、放电模块，32、固定座，34、放电针，33、洁净空气入口、35、离子出口，41、混合模块，42、稀释样气入口，43、混合腔体，44、荷电颗粒物出口，51、分离模块，52、分离电极，53、分离颗粒物出口，54、分离颗粒物入口，55、静电计。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：

如图1-图3所示的一种便携式移动污染源排放颗粒物采样测量系统，包括

空压机1、干燥器2、过滤器3、加热器4、颗粒物采样测量模块9和取样探头8。所述空压机1的出口接干燥器2的入口，干燥器2的出口接过滤器3的入口。

具体地说，所述颗粒物采样测量模块9包括稀释模块21、放电模块31、混合模块41、分离模块51和静电计55。

所述稀释模块21包括第一稀释管道22、第二稀释管道23、样气管24和透气管25。所述样气管24包括依次相连通的第一管路、第二管路和第三管路；所述第一管路为两端开口的空心圆柱，第二管路和第三管路为对称设置的两个空心圆台，且两个空心圆台在二者连接处直径最小，这样设计可以5保证稀释气体在进入样气管道处压力增大，加速进入样气管道，这样设计防止样气进入到稀释管道中带来测量损失。所述透气管25套设在第一管路的外侧；所述第一稀释管道22套设在透气管25的外侧。所述第二稀释管道23的出口连接在两个空心圆台的连接处，且第二稀释管道23与两个空心圆台相连通。

所述放电模块31包括放电腔体、设置在放电腔体内的放电针34以及分别开设在放电腔体上下两侧的离子出口35与洁净空气入口33。所述离子出口35为两端开口的空心圆台状，且该离子出口35的直径从上向下逐渐变大，这样设计可以保证离子加速进入混合模块中，增加离子与样气颗粒物碰撞机会，同时保证样气不会进入放电腔体中。

所述混合模块41包括混合腔体、开设在混合腔体上侧的稀释样气入口42、开设在混合腔体右侧的荷电颗粒物出口44。所述稀释样气入口42接第三管路的出口。

所述分离模块51包括分离腔体、设置在分离腔体内的分离电极52、开设在分离腔体左侧的分离颗粒物入口54以及开设在分离腔体上侧的分离颗粒物出口53。所述分离颗粒物入口54接荷电颗粒物出口44。所述离子出口35连接在混合腔体上，且与混合腔体相连通。

所述静电计55安装在分离颗粒物出口53处。

所述过滤器3的出口分别接加热器4的入口、第二稀释管道23的入口、洁净空气入口33。所述加热器4的出口接第一稀释管道22的入口。所述取样探头8设置在样气管24的入口处。

进一步的，该采样测量系统还包括第一流量计5、第二流量计6、第三流量计17、第一压力计13、第二压力计11、第三压力计15、第一温度计14、第二温度计12和第三温度计16。所述第一流量计5、第一压力计13和第一温度计14设置在加热器4出口与第一稀释管道22入口之间的管路上。所述第二流量计6、第二压力计11和第二温度计12设置在过滤器3出口与第二稀释管道23入口之间的管路上。所述第三流量计17、第三压力计15和第三温度计16设置在过滤器3出口与洁净空气入口33之间的管路上。

进一步的，该采样测量系统还包括上位机10和电控单元7。所述上位机10与电控单元7交互式连接。所述电控单元7的输出端分别接加热器4、第一流量计5、第二流量计6和第三流量计17的控制端。

进一步的，所述放电针34安装在固定座32上。所述放电针34包括对称安装在固定座32上的两个。

进一步的，所述稀释模块21的外壳采用不锈钢材质。所述透气管25采用透气钢。所述放电针34采用钨材质。所述分离电极52采用铜材质。

本发明还涉及一种上述测量系统的测量方法，该方法包括以下步骤：

（1）空压机产生的压缩空气经过干燥器和过滤器后得到洁净空气；

（2）洁净空气分成三路：第一路经过加热器加热后得到热空气，热空气经过第一流量计后进入颗粒物采样测量模块的第一稀释管道中，设第一路中的气体流量为Q1；第二路经过第二流量计后进入颗粒物采样测量模块的第二稀释管道中，设第二路中的气体流量为Q2；第三路经过第三流量计后由洁净空气入口进入放电模块中，设第三路中的气体流量为Q3；

（3）样气颗粒物由取样探头进入颗粒物采样测量模块的样气管，由第一稀释管道流进的热空气穿过透气管后在样气管中与尾气混合，完成样气颗粒物的第一级稀释过程，该稀释过程为热稀释；第一级稀释混合后的气体继续向颗粒物采样测量模块的底部运动，在经过第二管路与第三管路的连接处时，由于第二稀释管道中的洁净空气的速度在该处达到最大，形成负压，对第一级稀释混合后的气体起到抽取的作用，加速气体的混合，完成样气颗粒物的第二级稀释过程，该稀释过程为常温稀释；经过二级稀释后的样气颗粒物由稀释样气入口进入混合模块；

（4）将固定座端部接入负3KV高压，放电模块外壳接地，放电针尖端产生尖端放电，电离进入放电模块的洁净空气气流，使洁净空气气流产生大量的负离子；

（5）在洁净空气气流的推动下，放电模块中的负离子通过离子出口进入混合模块，随着离子出口的截面逐渐减小，离子的流速逐渐变大；

（6）由稀释样气入口进入混合模块的样气颗粒物与由离子出口进入混合模块的负离子在混合腔体中发生碰撞，负离子附着在样气颗粒物上，完成样气颗粒物的带电，获得一定粒径范围颗粒物在荷电区域的带电效率P 和颗粒物物所带的基本电荷数目n；带电的样气颗粒物由荷电颗粒物出口进入分离模块；

（7）将分离电极接入负100V电压，分离模块外壳接地，从而在分离电极和分离模块内壁之间的环形区域内形成分离电场；多余的负离子在分离电场的电场力的作用下，被分离模块内壁收集，带电样气颗粒物在洁净空气气流和分离电场的电场力的作用下，由分离颗粒物出口流出，此时，采用静电计测量分离颗粒物出口流出的颗粒物的电流值I，设进入静电计的气体的流量为Q；

（8）采用第一压力计和第一温度计分别监测输入到第一稀释管道中的热空气的压力和温度；采用第二压力计和第二温度计分别监测输入到第二稀释管道中的空气的压力和温度；采用第三压力计和第三温度计分别监测输入到洁净空气入口的空气的压力和温度；

（9）采用电控单元控制加热器的温度以调节稀释气体的温度，并且控制第一流量计、第二流量计和第三流量计的流量来得到不同的稀释气流的流量；

（10）采用上位机来监测稀释比μ，并控制电控单元调节第一流量计、第二流量计和第三流量计来得到不同稀释气流的流量，从而得到不同的稀释比；

（11）采用公式N=μ*I/(P*n*e*(Q-Q1-Q2-Q3))，计算得到机动车尾气中的颗粒物数浓度；

其中，N表示样气颗粒物数浓度，稀释比μ=（Q-Q1-Q2-Q3）/Q，I为分离颗粒物出口中的颗粒物的电流值，e 为单个电荷的电量。

上文中的稀释比μ是指整个系统的稀释比，μ=（样气流量+所有的稀释气体的流量）/样气的流量。在本发明中，稀释气体的流量分为三个部分，第一和第二稀释管道中进入的稀释气体以及从底部洁净空气入口33进去的稀释气体，这三部分稀释气体都对样气具有稀释作用。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。