本發(fā)明屬于氣體流量校準領(lǐng)域，尤其涉及一種適用于環(huán)境污染現(xiàn)場監(jiān)測的間隙密封原理活塞式在線氣體流量校準方法和裝置。

技術(shù)背景

面對當(dāng)前大氣污染的嚴重局面，為了保證環(huán)境監(jiān)測結(jié)果的準確性和實時性，我國數(shù)十萬套現(xiàn)場檢測儀器和在線監(jiān)測系統(tǒng)正在用于大氣污染環(huán)境的現(xiàn)場監(jiān)測。而監(jiān)測結(jié)果的準確性與設(shè)備取樣的流量計量是否準確高度關(guān)聯(lián)，因此，研究適用于環(huán)境污染現(xiàn)場監(jiān)測的精確氣體流量校準方法和裝置尤為必要。

目前國內(nèi)氣體污染物現(xiàn)場監(jiān)測分析時常用的離線人工校準方法，流量校準設(shè)備是皂膜流量計，它在工作時是依靠氣流將皂液吹出皂膜，持續(xù)測試流量時,極有可能將部分皂液帶入采樣泵等儀器設(shè)備中，導(dǎo)致儀器管路和電路出現(xiàn)故障。而且，產(chǎn)生單層均一的皂膜也存在一定難度，經(jīng)常出現(xiàn)雙氣泡、不規(guī)則氣泡、以及測定過程中氣泡破損等情況，致使其測量不確定度增大，影響分析結(jié)果的準確性。此外，皂膜流量計每次測量都需要人工操作，無法實現(xiàn)自動在線校準。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種適用于環(huán)境污染現(xiàn)場監(jiān)測的在線氣體流量校準方法及裝置，它可以實現(xiàn)氣體流量自動連續(xù)精確測量，并可快速集成到各種環(huán)境污染現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備聯(lián)用進行在線氣體流量校準。

為了實現(xiàn)這一目標，本發(fā)明提供一種基于間隙密封原理的活塞式在線氣體流量校準裝置，包括外殼、上腔體、上密封軟墊、石英筒、左控制板、上紅外發(fā)射管、下紅外發(fā)射管、固體活塞、航空快速接頭、下腔體、下快速氣路接頭、下密封軟墊、右控制板、大口徑快速切換閥、遮光貼膜、下紅外接收管、下透光狹縫、上紅外接收管、上透光狹縫、上快速氣路接口、電氣線纜、氣路管道組成。

采用新型石墨材料制成固體活塞代替?zhèn)鹘y(tǒng)皂膜流量計中的皂液和皂膜，通過精密加工技術(shù)實現(xiàn)固體活塞和石英筒間的間隙密封；利用光電技術(shù)記錄氣流推動固體活塞經(jīng)過兩個透光狹縫之間的時間，實現(xiàn)氣體流量精確測量；結(jié)合自動控制手段和通信技術(shù)，與環(huán)境污染現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備聯(lián)用實現(xiàn)在線氣體流量校準。

如圖1所示，該在線氣體流量校準裝置包括外殼、流量測量主體單元、旁路、進氣路、出氣路組成，其中，進氣路由外界穿過外殼進入裝置內(nèi)部，然后分為流量測量主體單元和旁路兩條并聯(lián)氣路，最后再匯合為出氣路，由裝置內(nèi)部穿過外殼達到外部。流量測量主體單元中，上、下腔體中間有孔，分別與進、出氣路相連，并通過密封軟墊與石英筒緊密貼合，形成流量測量主體單元的完整氣路。石英筒兩側(cè)為左、右控制板，左控制板上安裝有上、下紅外發(fā)射管，右控制板在相應(yīng)水平高度位置處安裝有上、下紅外接收管，石英筒右半側(cè)貼有遮光貼膜，與紅外發(fā)射管、接收管相應(yīng)水平高度處留有上、下透光狹縫。石英筒內(nèi)放置有固體活塞，石英筒內(nèi)壁和固體活塞外壁通過精加工技術(shù)完成，實現(xiàn)間隙密封，其摩擦和氣體泄露在流量校準過程中可忽略；固體活塞采用密度極小(小于3g/m³)的新型石墨材料制作，其重量對流量校準的影響可忽略。旁路中間設(shè)置有大口徑快速切換閥，可控制旁路氣路開關(guān)。

本發(fā)明對氣體流量的校準具體操作如下：

1.在線氣體流量校準裝置處于工作狀態(tài)時，上紅外發(fā)射管和下紅外發(fā)射管發(fā)射紅外光線，水平向右發(fā)射的紅外光線在通過石英筒后可分別穿過下透光狹縫和上透光狹縫，并被下紅外接收管和上紅外接收管接收，其余紅外光線則被遮光貼膜阻擋。

2.大口徑快速切換閥是在線氣體流量校準裝置的電驅(qū)動閥門，控制旁路的通斷。在旁路連通時，氣流從旁路經(jīng)過，流量測量主體單元處于閑置狀態(tài)；在旁路斷開時，氣流從流量測量主體單元經(jīng)過，推動固體活塞從石英筒的底部向上移動，經(jīng)過下透光狹縫時，活塞遮斷下紅外發(fā)射管發(fā)射的光線，下紅外接收管將出現(xiàn)電平變化，此時控制器開始計時，固體活塞經(jīng)過上透光狹縫時，上紅外接收管將出現(xiàn)電平變化，控制器停止計時并控制大口徑快速切換閥連通旁路，固體活塞在重力作用下回落到石英筒的底部，完成一次流量測定；氣體流量q、兩個透光狹縫之間石英筒的體積v0和固體活塞經(jīng)過兩個透光狹縫之間的時間差△t之間關(guān)系如式1所示。

q＝v0/△t(式1)

3.在線氣體流量校準裝置中航空快速接頭包含電源線路和串行通信線路，接口定義如圖2所示，實現(xiàn)裝置的供電和通信控制功能。環(huán)境污染現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備通過裝置中航空快速接頭對本發(fā)明中的在線氣體流量校準裝置進行供電，并通過rs232串行通信接口對在線氣體流量校準裝置進行控制操作。

4.在線氣體流量校準裝置的進氣路和出氣路分別配制有下快速氣路接頭和上快速氣路接口，用于氣路快速連接。環(huán)境污染現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備可以根據(jù)氣路連接特征或需求選擇將本發(fā)明的在線氣體流量校準裝置連接在前端或后端，進而選擇不同的氣路連接方式。當(dāng)選擇前端應(yīng)用連接方式時，如圖3所示，氣路從在線氣體流量校準裝置的下快速氣路接頭進入，完成校準后從上快速氣路接口流出，并經(jīng)氣路管道連接進入環(huán)境污染現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備。當(dāng)選擇后端應(yīng)用連接方式時，如圖4所示，氣路首先進入環(huán)境污染現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備，然后經(jīng)氣路管道流出，進入在線氣體流量校準裝置的下快速氣路接頭，完成校準后自上快速氣路接口流出。環(huán)境污染現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備與在線氣體流量校準裝置之間通過航空快速接頭和電氣線纜實現(xiàn)通信連接。

5.在線氣體流量校準裝置在與環(huán)境污染現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備進行圖2的電氣連接，以及圖3或圖4的氣路連接后，裝置可對環(huán)境污染現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備實現(xiàn)在線氣體流量校準。流程如圖5所示，上電后裝置與設(shè)備首先進行握手校驗，建立通信；之后裝置將持續(xù)偵聽設(shè)備通過電氣線纜發(fā)送過來的校準指令；裝置收到校準指令后，根據(jù)指令要求進行n次流量測量，并將數(shù)值濾波后的均值發(fā)送給監(jiān)測設(shè)備，實現(xiàn)對監(jiān)測設(shè)備中氣體流速進行校準。

本發(fā)明將基于間隙密封原理，采用新型石墨材料做成的固體活塞代替皂膜，利用光電技術(shù)判斷氣流運動的起點和終點，并設(shè)計控制軟件，實現(xiàn)自動化控制，最終開發(fā)出能夠用于現(xiàn)場監(jiān)測的在線氣體流量校準方法和裝置。

有益效果：本發(fā)明裝置采用新型石墨材料做成的固體活塞代替皂膜，能夠有效避免皂液被氣流帶入監(jiān)測設(shè)備中導(dǎo)致儀器管路和電路出現(xiàn)故障的風(fēng)險，以及皂膜形變造成的測量誤差。結(jié)合自動控制技術(shù)，實現(xiàn)氣體流量可控連續(xù)測量。利用通信技術(shù)和快速電氣及氣路接口，與環(huán)境污染現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備聯(lián)用，實現(xiàn)對其氣體流量進行自動在線校準。

附圖說明

圖1為在線氣體流量校準裝置整體示意圖

圖2為在線氣體流量校準裝置航空快速接口定義圖

圖3為在線氣體流量校準裝置前端應(yīng)用系統(tǒng)連接圖

圖4為在線氣體流量校準裝置后端應(yīng)用系統(tǒng)連接圖

圖5為在線氣體流量校準裝置工作流程圖

圖中：1外殼、2上腔體、3上密封軟墊、4石英筒、5左控制板、6上紅外發(fā)射管、7下紅外發(fā)射管、8固體活塞、9航空快速接頭、10下腔體、11下快速氣路接頭、12下密封軟墊、13右控制板、14大口徑快速切換閥、15遮光貼膜、16下紅外接收管、17下透光狹縫、18上紅外接收管、19上透光狹縫、20上快速氣路接口、21電氣線纜、22氣路管道

具體實施方式

如圖1所示，該在線氣體流量校準裝置由石英筒4和固體活塞8構(gòu)成流量測量主體單元，石英筒4內(nèi)壁和固體活塞8外壁通過精加工技術(shù)完成，實現(xiàn)間隙密封，其摩擦和氣體泄露在流量校準過程中可忽略；固體活塞8采用密度極小的新型石墨材料制作，其重量對流量校準的影響可忽略。

1.在線氣體流量校準裝置處于工作狀態(tài)時，上紅外發(fā)射管6和下紅外發(fā)射管7發(fā)射紅外光線，水平向右發(fā)射的紅外光線在通過石英筒4后可分別穿過下透光狹縫17和上透光狹縫19，并被下紅外接收管16和上紅外接收管18接收，其余紅外光線則被遮光貼膜15阻擋。

2.大口徑快速切換閥14是在線氣體流量校準裝置的電驅(qū)動閥門，控制旁路的通斷。在旁路連通時，氣流從旁路經(jīng)過，流量測量主體單元處于閑置狀態(tài)；在旁路斷開時，氣流從流量測量主體單元經(jīng)過，推動固體活塞8從石英筒4的底部向上移動，經(jīng)過下透光狹縫17時，活塞遮斷下紅外發(fā)射管7發(fā)射的光線，下紅外接收管16將出現(xiàn)電平變化，此時控制器開始計時，固體活塞8經(jīng)過上透光狹縫時，上紅外接收管19將出現(xiàn)電平變化，控制器停止計時并控制大口徑快速切換閥14連通旁路，固體活塞8在重力作用下回落到石英筒4的底部，完成一次流量測定；氣體流量q、兩個透光狹縫之間石英筒的體積v0和固體活塞8經(jīng)過兩個透光狹縫之間的時間差△t之間關(guān)系如式1所示。

q＝v0/△t(式1)

3.在線氣體流量校準裝置中航空快速接頭9包含電源線路和串行通信線路，接口定義如圖2所示，實現(xiàn)裝置的供電和通信控制功能。環(huán)境污染現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備通過裝置中航空快速接頭9對本發(fā)明中的在線氣體流量校準裝置進行供電，并通過rs232串行通信接口對在線氣體流量校準裝置進行流量校準控制操作。

4.在線氣體流量校準裝置配置有下快速氣路接頭11和上快速氣路接口20，用于氣路快速連接。環(huán)境污染現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備根據(jù)氣路結(jié)構(gòu)特征可以將本發(fā)明的裝置連接在前端或后端，分別如圖3和圖4所示。前端應(yīng)用時，氣路從裝置的下快速氣路接頭11進入，自上快速氣路接口20流出并經(jīng)氣路管道22進入環(huán)境污染現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備。后端應(yīng)用時，氣路首先進入環(huán)境污染現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備，然后經(jīng)氣路管道22進入裝置的下快速氣路接頭11，完成校準后自上快速氣路接口20流出。

5.在線氣體流量校準裝置在與環(huán)境污染現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備進行圖2的電氣連接，以及圖3或圖4的氣路連接后，裝置可對環(huán)境污染現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備實現(xiàn)在線氣體流量校準。流程如圖5所示，上電后裝置與設(shè)備首先進行握手校驗，建立通信；之后裝置將持續(xù)偵聽設(shè)備通過電氣線纜21發(fā)送過來的校準指令；裝置收到校準指令后，根據(jù)指令要求進行n次流量測量，并將數(shù)值濾波后的均值發(fā)送給監(jiān)測設(shè)備，實現(xiàn)對監(jiān)測設(shè)備中氣體流速進行校準。