光散射式粉尘测试仪的标定装置与标定系统的制作方法

1.本实用新型涉及校准仪器技术领域，具体而言，涉及光散射式粉尘测试仪的标定装置与标定系统。


背景技术：

2.光散射式粉尘测试仪是一种较成熟的测试设备，主要采用mie散射理论来计算粉尘质量浓度，主要应用于石油化工、矿山、冶金、电厂、卫生监督、环境保护等领域。以mie散射理论为基础的光散射式粉尘测试仪在进行实际测量时需进行标定，以减小误差。
3.目前，工业所用的某些光散射式粉尘测试仪所测定的粉尘颗粒浓度一般是一个相对值，主要反应了粉尘颗粒浓度的变化趋势，一般不用在需要对粉尘颗粒浓度进行较为准确测量的场合，主要原因之一是其所用的标定方法存在缺陷，无法最大限度的缩短标定条件与实际测量条件存在的差距，因而不能有效地弥补mie散射理论适用条件与实际应用条件存在的差异，致使测量精度较低。
4.现有的标定方法主要为线下标定，即在试验室条件下完成对光散射式粉尘测试仪的标定，之后将标定后的光散射式粉尘测试仪安装到实际含尘管道上，对其内部颗粒浓度进行测量。现有的线下标定方法主要为两类：一种为溶液法，另一种为含尘室法。
5.(1)溶液法：水作为载体，将一定质量的粉尘颗粒放入到一定量的水中，通过人为搅拌，形成一定浓度的含尘溶液样品，来模拟含尘气体，之后将含尘溶液样品装入到样品池中(样品池的形状为长方体，材质为石英玻璃)，用光散射式粉尘测试仪对样品池内的颗粒浓度进行测量，并将测量值与样品池内颗粒的实际浓度值进行对比修正，最后完成标定。
6.溶液法主要存在以下不足：(a)水本身可使得入射光方向在分界面发生变化，对入射光产生散射、折射等光学现象，扰乱了颗粒对入射光所产生的散射，造成对粉尘颗粒浓度的测量产生很大的误差；(b)样品池对测量造成的影响较大，样品池四面的菱角对光的具有较强的散射作用，进而使样品的一部分散射光淹没在样品池造成的噪声中，造成对粉尘颗粒浓度的测量产生很大误差。
7.该种标定方法使光散射式粉尘测试仪发射的光线需同时穿过空气、样品池和水3种介质，这3种介质对光的散射程度存在较大差别，介质是非均一的；而在实际测量过程中，光散射式粉尘测试仪发射的光线所穿过的介质一般为一种物质，如空气或含尘气等，介质的均一性相对较好。该种标定方法未充分考虑到激光穿过介质均一性的不同对粉尘颗粒浓度测量产生的影响，测量误差较大。
8.(2)含尘室法：在圆形容器的下部装有主风分布板，上部装有过滤板，内部装有粉尘颗粒，构成含尘室。输送风从下部分布板进入，将内部粉尘颗粒扬起，之后空气从上部过滤板输出，并将内部粉尘颗粒截留在两板之间，使之基本呈悬浮状态，以模拟含尘气体，之后采用光散射式粉尘测试仪对其内部浓度进行测量和标定。
9.含尘室法主要存在以下不足：
10.(1)标定过程所用的粉尘颗粒为单一颗粒，具有较高的球形度、固定的粒径分布，
且含尘室内的颗粒浓度较低，而实际被测的粉尘颗粒往往形状不规则，不同装置的含尘管道内的颗粒浓度和颗粒粒径分布是不同的。因此，该标定方法未能充分考虑到粉尘颗粒不规则的形状、不同的浓度和粒径分布对标定结果的影响；(2)标定过程中的粉尘颗粒基本呈悬浮状态，整体上不随输送风的流动而流动，因此，含尘室内部颗粒浓度分布比较均匀稳定。而在实际生产中，粉尘颗粒在具有一定截面积的含尘管道内是随气体不断快速流动的，其内部颗粒浓度分布的均匀性和稳定性相对较差，且不同装置的含尘管道的截面积和表观气速也各不相同，含尘管道不同的截面积和表观气速对颗粒在管道内颗粒浓度分布的均匀性影响很大。因此，该标定方法未充分考虑到粉尘颗粒流动性、管道内的表观气速和管道截面积的不同所造成的内部颗粒浓度分布的不同对标定结果的影响。
11.综上，现有光散射式粉尘测试仪的标定方法主要为线下标定法，其无法有效的模拟实际含尘管道内的表观气速、截面积、含尘颗粒浓度及测试仪发射的光所穿过介质的均一性等关键参数，致使测量误差较大。


技术实现要素：

12.本实用新型的目的在于提供一种光散射式粉尘测试仪的标定装置与标定系统，旨在实现在含尘管道上进行标定，提高标定的精确度。
13.本实用新型的实施例是这样实现的：
14.第一方面，本实用新型提供一种光散射式粉尘测试仪的标定装置，包括用于连接光散射式粉尘测试仪的含尘管道、用于采集含尘样本的采样管线和安装在采样管线上的粉尘采样器，粉尘采样器的采样进口伸入至含尘管道内，采样管线上设置有用于检测流量的流量检测器、用于检测温度的温度检测器和用于检测压力的压力检测器。
15.在可选的实施方式中，还包括控制系统，控制系统与流量检测器、温度检测器、压力检测器和粉尘采样器电连接，以采集检测数据，并计算采样管线实际气速和采样管线的粉尘颗粒浓度。
16.在可选的实施方式中，采样管线上还设置有流速调节阀，流速调节阀与控制系统连接。
17.在可选的实施方式中，采样管线上还设置有采样泵，采样泵连接于采样管线的端部以提供采样动力，采样泵与控制系统连接，以通过控制系统调节采样泵开启与关闭。
18.在可选的实施方式中，采样管线的端部还连接有分支管线，分支管线上设置有用于控制开启或关闭的第一阀门，在分支管线与采样管线的连接处与采样泵之间还设置有用于控制开启或关闭的第二阀门。
19.在可选的实施方式中，温度检测器位于流量检测器和压力检测器之间，且压力检测器位于采样管线靠近粉尘采样器的一端。
20.在可选的实施方式中，采样管线上还设置有闸阀和连接管线，粉尘采样器的采样杆依次穿过闸阀和连接管线之后伸入至含尘管道内。
21.第二方面，本实用新型提供一种光散射式粉尘测试仪的标定系统，光散射式粉尘测试仪和前述实施方式中任一项的标定装置，光散射式粉尘测试仪安装于含尘管道上，以检测含尘管道内的颗粒浓度。
22.在可选的实施方式中，光散射式粉尘测试仪安装于含尘管道的垂直段上，光散射
式粉尘测试仪的安装位点与含尘管道上游弯头或阀门的间距大于或等于6倍的含尘管道的管径；光散射式粉尘测试仪的安装位点与含尘管道下游弯头的间距值与3倍的含尘管道的管径之差大于或等于500mm。
23.在可选的实施方式中，粉尘采样器的安装位点与含尘管道下游弯头或阀门的间距大于或等于3倍的含尘管道的管径。
24.本实用新型实施例的有益效果是：在使用时，通过粉尘采样器检测含尘管道内的流速，通过采样管线上的流量检测器、温度检测器和压力检测器检测采样管线上的流量、温度和压力，进而得到采样管线上的流速，通过调整采样管线的流量使之与含尘管道内的流速相等，以实现等速采样；然后，通过检测等速采样条件下采样管线的流量、温度和压力，计算粉尘颗粒的浓度，利用得到的浓度值对光散射式粉尘测试仪进行自动校准。
25.因此，本实用新型提供的标定装置可以实现在线标定，即直接在实际含尘管道上进行标定，精度较高，从根本上解决了现有标定方法存在的标定条件与实际工况差距较大的问题，经标定后光散射式粉尘测试仪可实现对粉尘颗粒浓度的较为准确的测量。除此之外，标定过程所产生的尾气等，可利用相应的尾气处理单元处置，如利用布袋除尘器来处理尾气，降低其含尘浓度，达标排放等，为常规手段，不做赘述。
附图说明
26.为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
27.图1为本实用新型实施例提供的标定系统的结构示意图。
28.图标:10-标定系统；001-光散射式粉尘测试仪；100-标定装置；110-含尘管道；120-采样管线；121-流量检测器；122-温度检测器；123-压力检测器；124-流速调节阀；125-第二阀门；126-闸阀；127-连接管线；130-粉尘采样器；140-控制系统；150-采样泵；160-分支管线；161-第一阀门。
具体实施方式
29.为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
30.因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
31.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
32.在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
33.此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
34.在本实用新型的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
35.请参照图1，本实用新型实施例提供一种光散射式粉尘测试仪的标定系统10，包括光散射式粉尘测试仪001和标定装置100，光散射式粉尘测试仪001安装于标定装置100上的含尘管道110上，以检测含尘管道110内的颗粒浓度，利用标定装置100提供含尘管道110的较为精确的实际浓度值，对光散射式粉尘测试仪001进行校准。
36.具体地，标定装置100包括用于连接光散射式粉尘测试仪001的含尘管道110、用于采集含尘样本的采样管线120和安装在采样管线120上的粉尘采样器130，粉尘采样器130的采样进口伸入至含尘管道110内，采样管线120上设置有用于检测流量的流量检测器121、用于检测温度的温度检测器122和用于检测压力的压力检测器123。
37.需要说明的是，利用流量检测器121、温度检测器122和压力检测器123的检测值可以得到采样管线120上流速值，利用粉尘采样器130可以得到含尘管道110上的实际流速值，通过调整采样管线120上的流量可以使粉尘采样器130的采样嘴(即采样进口)与含尘管道110上的流速值相同，实现等速采样。通过检测等速采样条件下采样管线的流量、温度和压力，计算粉尘颗粒的浓度，利用得到的浓度值对光散射式粉尘测试仪进行校准。
38.具体地，流量检测器121可以为一般的流量计，温度检测器122可以为温度传感器，压力检测器123可以为压力传感器。
39.具体地，粉尘采样器130为通用测试仪器，利用动压平衡的原理，采用等速采样的方式实现粉尘颗粒浓度的测量，主要由采样杆、前端法兰和采样嘴和滤筒等组成，其具体的组成、结构和操作方法为现有技术，因此不做赘述。
40.在一些实施例中，采样管线120上还设置有闸阀126和连接管线127，粉尘采样器130的采样杆依次穿过闸阀126和连接管线127之后伸入至含尘管道110内。连接管线127的后部与闸阀126以法兰连接的方式进行连接。闸阀126的后部连接粉尘采样器130的前端法兰，粉尘采样器130的采样杆部分首先穿过粉尘采样器130的前端法兰，并与该法兰采用填料密封的方式连接，之后直接穿过闸阀126和连接管线127进入到实际含尘管道110内部，对实际含尘管道110的粉尘颗粒进行采样，粉尘采样器130可根据需要在自由调整插入到实际含尘管道110的深度。粉尘采样器130的后部与采样管线120的前段可以采用快速接头的方式连接。
41.在一些实施例中，光散射式粉尘测试仪001安装于含尘管道110的垂直段上，光散射式粉尘测试仪001的安装位点与含尘管道110上游弯头、阀门等管阀件的间距大于或等于6倍的含尘管道110的管径；光散射式粉尘测试仪001的安装位点与含尘管道110下游弯头、阀门等管阀件的间距值与3倍的含尘管道110的管径之差大于或等于500mm(即距下游弯头的距离不小于3倍实际含尘管道110的管径加500mm)。粉尘采样器130的安装位点与含尘管道110下游弯头的间距大于或等于3倍的含尘管道110的管径(与光散射式粉尘测试仪001安装位点为距离不小于500mm)。通过调控光散射式粉尘测试仪001和粉尘采样器130的安装位点以进一步提高标定的准确度。
42.具体地，连接管线127可以以焊接的方式安装在实际含尘管道110的垂直段。
43.在一些实施例中，温度检测器122位于流量检测器121和压力检测器123之间，且压力检测器123位于采样管线120靠近粉尘采样器130的一端。具体地，可以在采样管线120上引出一根测压管，并与压力检测器123相连，用于测量采样管线120内的压力；可以在采样管线120上引出一根测温管，并与温度检测器122相连，用于测量采样管线120内的温度。
44.为实现标定的智能化处理，标定装置100还包括控制系统140，控制系统140与流量检测器121、温度检测器122、压力检测器123和粉尘采样器130电连接，以采集检测数据，并计算采样管线120实际气速和采样管线120的粉尘颗粒浓度，具体的计算方式参见说明书后续内容介绍。图1中的箭头虚线均为相应的信号线。
45.具体地，控制系统140可能是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。可以是通用处理器，包括中央处理器(central processing unit，cpu)、数字信号处理器(digital signal processing，dsp)、专用集成电路(application specific integrated circuit，asic)、现场可编程门阵列(field programmable gate array，fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件，可以实现或者执行本实用新型实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图，该通用处理器可以是微处理器，本实施例提供的控制系统140还可以是任何常规的处理器等。
46.在一些实施例中，采样管线120上还设置有流速调节阀124，流速调节阀124与控制系统140电连接，利用流速调节阀124可以实现采样管线120流速的调整，以使得采样管线120的流速与含尘管道110的流速相同。
47.具体地，流速调节阀124可以安装在温度检测器122之后，并与采样管线120以法兰的方式连接。流量检测器121安装在流速调节阀124之后，并与采样管线120以法兰的方式连接，用于测量采样管线120内的气体流量。
48.在一些实施例中，采样管线120上还设置有采样泵150，采样泵150连接于采样管线120的端部(末端)以提供采样动力，采样泵150与控制系统140电连接，以通过控制系统140调节采样泵150开启与关闭。利用采样泵150可以提供采用动力，将含尘气体抽出。具体地，采样泵150可以为一般的真空泵。
49.对于压力较高(一般大于0.1mpa)的含尘管道110，依靠其本身的压力可使含尘气体通过粉尘采样器130，因此不需要采样泵150辅助抽滤进行采样。为此，采样管线120的端部还连接有分支管线160，分支管线160上设置有用于控制开启或关闭的第一阀门161，在分支管线160与采样管线120的连接处与采样泵150之间还设置有用于控制开启或关闭的第二阀门125。
50.需要说明的是，对于压力不高(小于0.1mpa)的含尘管道110，需要采样泵150提供动力，此时关闭第一阀门161，打开第二阀门125；对于压力较高的含尘管道110，则关闭第二阀门125，打开第一阀门161。
51.具体地，第一阀门161、第二阀门125可以均为手动球阀，安装在流量检测器121之后，并以螺纹方式连接在管路上。
52.下面对标定装置100的操作原理进行说明：
53.(1)将粉尘采样器130插入到实际含尘管道110内部进行采样：将粉尘采样器130插入到闸阀126内，移动粉尘采样器130的前端法兰(由于前端法兰与粉尘采样器130的采样杆利用填料密封连接，故粉尘采样器130的采样杆可自由的拔插，且还能保持密封)，将粉尘采样器130的前端法兰与闸阀126的后端法兰连接，之后打开闸阀126，之后推动粉尘采样器130的采样杆穿过闸阀126和连接管线127，进入到实际含尘管道110内，具体的采样方法依据gb/t16157-1996《固定污染源排气中颗粒物测定与气态污染物采样方法》进行。
54.(2)对于压力不高(小于0.1mpa)的含尘管道110，关闭第一阀门161，打开第二阀门125，之后利用控制系统140分别打开流速调节阀124和采样泵150开始进行采样。将粉尘采样器130所测得的信号输入到控制系统140中，计算出实际含尘管道110的内部气速u
实
。
55.(3)将流量检测器121、温度检测器122和压力检测器123的信号输入至控制系统140内进行数据处理，计算出采样嘴处的气速u
采
。
56.(4)将实际含尘管道110的内部气速u
实
和采样嘴处的气速u
采
进行对比，若u
实
＞u
采
，控制系统140控制流速调节阀124，加大其开度，提高进入到粉尘采样器130的含尘气流量，之后重复步骤上述步骤，使u
实
＝u
采
；若u
实
＜u
采
，控制系统140控制流速调节阀124，减小其开度，减少进入到粉尘采样器130的含尘气流量，之后重复步骤上述步骤，使u
实
＝u
采
，最终实现等速采样，经过t min的采样后，计算出实际含尘管道110内的粉尘颗粒浓度c
采
，计算公式如下：
57.c
采
＝m/q
标况
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
58.q
标况
＝273.15q(101.325-p)/(101.325t)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
59.式中：t为温度检测器122所计量的温度，k；p为压力检测器123抽滤过程中所计量真空度，pa；q为流量检测器121经过t min所计量的工况流量，m3；q标况为标况下的流量，nm3；m为抽滤前后粉尘采样器130内滤筒的重量差值，mg；c
采
为实际含尘管道110内的粉尘颗粒浓度，mg/nm3。
60.(5)将粉尘采样器130所计算出的粉尘颗粒浓度c
采
手动输入到控制系统140，与光散射式粉尘测试仪001依据mie散射理论测出的粉尘颗粒浓度c
测
进行对比(c
测
为t min内所测的粉尘颗粒浓度的平均值)，若两者相对误差δ≤2％，则完成该点的标定；否则控制系统140自动调节光散射式粉尘测试仪001的相关设置值，改变相关的电信号，主要为电阻值，进而改变所测量的含尘气颗粒浓度c
测
，使两者相对误差δ≤2％，完成该点的标定；之后进行多个点的标定，并形成含尘气颗粒浓度c
测-电阻值的关系曲线，最终完成对光散射式粉尘测试仪001的标定。
61.(6)对于压力较高(一般大于0.1mpa)的实际含尘管道110，依靠其本身的压力可使含尘气体通过粉尘采样器130，因此不需要真空泵辅助抽滤进行采样，手动关闭第二阀门125，打开第一阀门161，其余步骤与上述原理相同，相关的计算公式如(3)和(4)所示，最终
完成对光散射式粉尘测试仪001的标定；
62.c
采
＝m/q
标况
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
63.q
标况
＝273.15q(101.325+p)/(101.325t)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
64.式中：t为温度检测器122所计量的温度，k；p为压力检测器123所计量采样管道的压力，pa；q为流量检测器121经过t min所计量的工况流量，m3；q标况为标况下的流量，nm3；m为抽滤前后粉尘采样器130内滤筒的重量差值，mg；c
采
为实际含尘管道110内的粉尘颗粒浓度，mg/nm3。
65.(7)标定后的光散射式粉尘测试仪001可对实际含尘管道110的颗粒浓度进行较为准确的测量。标定后，将粉尘采样器130从实际含尘管道110内抽出到闸阀126的后部，之后关闭闸阀126，将粉尘采样器130的前端法兰从闸阀126上卸下，最后完成粉尘采样器130从实际含尘管道110上的拆卸。
66.下面结合具体实施例对本实用新型的方案和效果进行具体说明：
67.实施例1
68.在某装置的实际含尘管道上完成对光散射式粉尘测试仪的标定，该管道内颗粒浓度随时间变化不大，比较稳定，具体的标定过程参照上述内容介绍。
69.之后，用标定后的光散射式粉尘测试仪对实际含尘管道内的粉尘颗粒浓度进行测量，其所测量的颗粒浓度c
测
；与此同时，仍采用粉尘采样器对实际含尘管道内的粉尘颗粒浓度进行测量，其所测量的颗粒浓度值c
采
；最后将c
测
和c
采
进行对比，对比结果如表1所示。由表1可知，光散射式粉尘测试仪所测量的颗粒浓度c
测
与粉尘采样器所测的颗粒浓度值c
采
基本一致，两者相对误差δ＜2％。
70.表1光散射式粉尘测试仪标定后实测数据
[0071][0072][0073]
实施例2
[0074]
在某装置的实际含尘管道完成对光散射式粉尘测试仪的标定，该管道内颗粒浓度随时间变化不大，比较稳定，具体的标定过程参照上述内容介绍。
[0075]
之后，用标定后的光散射式粉尘测试仪对实际含尘管道内的粉尘颗粒浓度进行测
量，其所测量的颗粒浓度c
测
；与此同时，仍采用粉尘采样器对实际含尘管道内的粉尘颗粒浓度进行测量，其所测量的颗粒浓度值c
采
；最后将c
测
和c
采
进行对比，对比结果如表2所示。由表2可知，光散射式粉尘测试仪所测量的颗粒浓度c
测
与粉尘采样器所测的颗粒浓度值c
采
基本一致，两者相对误差δ＜2％。
[0076]
表2光散射式粉尘测试仪标定后的实测数据
[0077][0078]
综上，本实用新型实施例所提供的标定装置具备以下优点：
[0079]
(1)可实现线上标定，即直接在实际含尘管道上进行标定，精度较高，从根本上解决了现有标定方法存在的标定条件与实际工况差距较大的问题，经标定后光散射式粉尘测试仪可实现对粉尘颗粒浓度的较为准确的测量；
[0080]
(2)可实现光散射式粉尘测试仪的自动化标定，减少了人为操作，提高了标定效率和准确度；
[0081]
(3)操作灵活，可根据实际需求直接将粉尘采样器插入到实际含尘管道内对光散射式粉尘测试仪进行线上标定，无需其它操作，对装置的正常运行无干扰。此外，该标定方法和系统也可实现光散射式粉尘测试仪的线下标定。
[0082]
以上仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。