基于浊度计获取气溶胶浓度的实时在线测量方法

摘要

一种基于浊度计获取气溶胶浓度的实时在线测量方法，通过将取样的高温高水蒸气份额气溶胶引入冷凝罐中，经罐内的冷水充分水洗和冷却后，形成浑浊的固液悬浮液，再通过实时测量固液悬浮液的浊度值、冷凝罐内冷水总体积、取样时间、气溶胶载气中不凝结空气流量以及水蒸气份额，间接得到气溶胶中颗粒的质量浓度，其中：根据浊度计的测量值，即浊度值与固液悬浮液浓度的对应关系、冷凝罐内冷水总体积和取样时间，得到气溶胶的取样质量流率；根据气溶胶载气中不凝结空气流量和水蒸气份额，得到气溶胶的取样流量，根据取样质量流率和取样流量之比，获得待测气溶胶的质量浓度。本发明适用于在压力0～5.0barg、温度25～180℃和水蒸气份额0～90％的载气条件下，亚微米气溶胶粒子浓度的实时测量。

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种气溶胶测量领域的技术，具体是一种基于浊度计获取压力0～5.0barg、温度25～180℃和水蒸气份额0～90％条件下气溶胶浓度的实时在线测量方法。

背景技术

气溶胶是指悬浮在气体介质中的固(液)态颗粒所组成的气态分散系统，在环境科学、疾病传播、化学工程以及核反应工程等领域有着广泛的应用。目前，气溶胶浓度的测量技术主要有两种通用方法：收集分析法(如滤膜收集法，分级采样法)和直读感应器法(如激光粒子计数器、振动质量监控器)。与前者相比，后者测量原理复杂，可实时获得气溶胶颗粒的粒径分布、浓度等信息。但是，由于受设备传感器元件工作环境的限制，还难以适用于高温、高压和高水蒸气份额条件下亚微米气溶胶粒子浓度的在线测量。上述类型的气溶胶是核电厂严重事故中的重点关注对象，有关其浓度的有效可靠测量是相关研究的必要基础。

发明内容

本发明针对现有在线测量技术无法实现在高温、高压和高水蒸气份额的载气条件下气溶胶浓度的实时测量，提出一种基于浊度计获取气溶胶浓度的实时在线测量方法，该方法可适用于在压力0～5.0barg、温度25～180℃和水蒸气份额0～90％的载气条件下，亚微米气溶胶粒子浓度的实时测量。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明通过将取样的高温高水蒸气份额气溶胶引入冷凝罐中，经罐内的冷水充分水洗和冷却后，形成浑浊的固液悬浮液，再通过实时测量固液悬浮液的浊度值、冷凝罐内冷水总体积、取样时间、气溶胶载气中不凝结空气流量以及水蒸气份额，间接得到气溶胶中颗粒的质量浓度，其中：根据浊度计的测量值，即浊度值与固液悬浮液浓度的对应关系、冷凝罐内冷水总体积和取样时间，得到气溶胶的取样质量流率；根据气溶胶载气中不凝结空气流量和水蒸气份额，得到气溶胶的取样流量。最后，根据取样质量流率和取样流量之比，获得待测气溶胶的质量浓度。

技术效果

本发明实现了高温、高压和高水蒸气份额载气条件下气溶胶质量浓度的实时在线测量，填补了在该类苛刻环境中气溶胶浓度实时测量的空白。

与现有技术相比，本发明采用先将取样的气溶胶分散于水溶液中，再实时测量水溶液浊度的策略，可完成气溶胶浓度的实时在线测量，方法简单且易于操作；不锈钢冷凝罐和内部的冷凝管设计，使其适用于高温、高压和高水蒸气份额的气溶胶条件。

附图说明

图1为本发明的测量回路流程图；

图2和图3为取样管线分散口的结构示意图；

图中：管道1、氧气浓度传感器2、取样口3、球阀4、取样管外壁加热器5、保温层6、冷凝罐7、冷水8、浊度传感器9、换热管10、排污塞11、干燥剂12、热式流量计13、调节阀14、分散口15。

具体实施方式

如图1所示，本实施例涉及一种基于浊度计获取气溶胶浓度的实时在线测量装置，具体为带有浊度传感器9的冷凝罐7，该冷凝罐7通过设置位于管道1内的取样口3获得待测气溶胶的样品，并经过分散口15分散成多个细小气泡弥散在罐内预先盛装的冷水8中，换热管10对罐内冷水8实现循环冷却。

所述的浊度传感器9最大工作压力5.0barg，其基于红外散射比浊法，使用前须标定好浊度值NTU与待测固液悬浮液质量浓度的对应关系。

所述的循环冷却，优选通过设置于冷凝罐7内的换热管10实现，该换热管用于带走取样气溶胶传递给冷水8中的热量，防止水温超过50℃，造成浊度计过热损坏。

所述的管道1内设有氧气浓度传感器2，该氧气浓度传感器2优选与取样口3并排设置，基于测量气与参比气中的氧浓度之比的对数与两极板间的电动势成正比，得到被测气体中氧含量，进而获得气溶胶载气中不凝结空气的体积份额。

所述的分散口15处设有一个间距0.5mm×0.5mm的细钢丝网，如图2所示。该结构将取样的气溶胶充分分散，增大其与罐内冷水8的接触面积，以实现取样气溶胶的快速冷却和粒子的充分水洗去除。

所述的取样口3至冷凝罐7之间设有取样管外壁加热器5和保温层6，确保恒温采样，以防止严重的蒸汽冷凝和粒子热泳沉积。

所述的取样口3至冷凝罐7之间设有球阀4以便控制采样。

所述的冷凝罐7上设有用于排出废气的出气管道，该出气管道上依次设有干燥剂12、热式流量计13以及调节阀14。

本实施例涉及上述装置的在线检测方法，包括以下步骤：

步骤一：开启外壁电加热器5，以防止高温气溶胶在取样管线上过早冷凝；换热管10通入低温冷却水，以导出冷凝罐7内的热量。

步骤二：打开球阀4，调节阀门14，通过热式流量计13测出气溶胶载气中空气部分的流量，根据氧气浓度传感器，计算出取样口3的取样流量，并且要求取样口3截面上的吸入流速与管道1内的气体流速尽可能相等，即等速取样方式，以减少取样口3的颗粒吸入损失。

步骤三：开启浊度传感器9，实时测量出冷水8中的浊度值，根据浊度传感器9已标定好的浊度值与水溶液颗粒浓度对应关系，得到冷水8中气溶胶颗粒浓度随时间变化的情况。

步骤四：计算气溶胶颗粒浓度

目前关于高温、高压和高水蒸份额气溶胶浓度的测量，基本上都是采用滤膜收集称重法，通过称量一段时间内取样气溶胶中固体颗粒的总质量和取样流量，计算得到气溶胶质量浓度。但是，收集称重法不方便操作、并且无法进行实时测量。本发明将取样气溶胶颗粒分散到水溶液中，并进行充分冷却，通过浊度计、热式流量计和氧气浓度传感器在线测量，得到颗粒的质量流率和取样流量，最终实时获得气溶胶的质量浓度。

经过具体实际实验，在压力0～5.0barg、温度25～180℃和水蒸气份额0～90％载气环境条件下，以等速取样方式(取样口3与管道1的管内流速相等)进行气溶胶质量浓度测量，，得实验得到的数据有：测量时间、取样气溶胶中不凝结气体(空气)的体积流量及其体积份额、罐内固液悬浮液的颗粒浓度，并且根据步骤四中的计算公式得到取样气溶胶的质量浓度.。

与现有技术相比，本方法能够解决高温高压、高水蒸气份额条件下气溶胶浓度的测量技术，为相关实验研究的开展提供可行的测量手段。

上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。