便携式动压平衡型自动跟踪烟尘采样仪的研制

1 概述 
　　在烟尘测试技术中，有三种烟尘采样方法的仪器：预测流速法；平行采样法；等速管法。等速管法又分动压平衡型和静压平衡型，由于静压平衡型采样管的测静压孔易被烟尘堵塞，现已不太使用该方法的仪器，用等速管法的仪器通常用动压平衡型烟尘采样仪。 
　　在烟尘采样过程中，为了从烟道中采集到有代表性的烟尘样品，要求等速采样，即气体进入采样嘴的流速应与采样点的烟气流速相等。三种烟尘采样方法各有其特点，前期手动仪器，当工况不稳、变化大、频率高时，很难实现等速跟踪采样。等速管法动压平衡型烟尘采样仪器是用特制动压平衡型等速采样管采样，利用装置在采样管上的孔板的差压与皮托管指示的采样点气体动压相平衡来实现等速采样，这种方法不需事先测量测点的温度、压力、流速及烟气含湿量便可采样，等速响应快，适应烟尘浓度范围广，深受使用者欢迎。随着电子技术、计算机技术的发展，动压平衡型烟尘采样仪也就进行了半自动、全自动升级，该方法烟尘采样仪在性能上有了很大提高，但是该方法仪器有一个大的弱点，就是一种直径的采样嘴对应一个孔板，即要配备多只采样管才能适应不同烟气流速的烟尘测试，通常配Φ6mm、Φ8mm采样嘴的带孔板的采样管，这对烟尘测试工作者带来不便，烟尘测试现场条件通常较差，还需带上多只采样管，不同的流速段用不同的采样管，增加了烟尘测试工作者的劳动强度，这就对动压平衡型烟尘采样仪生产厂家提出了新的课题，如何用一只采样管来完成不同烟气流速的等速烟尘采样。本文将介绍一款既有动压平衡等速采样的特点，又只用一支带有固定孔径孔板的采样管，来完成不同流速的等速烟尘采样的动压平衡型等速烟尘采样仪。 
　　2 仪器方案设计 
　　2.1 原理 
　　利用装置在采样管上孔板的差压与采样管平行放置的皮托管指示的气体动压相平衡来实现等速采样，其原理可用下列关系式表示。当用皮托管测定气体流速时，流速与动压的关系式如下： 
　　（1） 
　　式中： 
　　——气体密度，kg/m3 
　　——气体流速，m/s 
　　——皮托管校正系数 
　　——气体动压，Pa 
　　用孔板测定采样流速时，孔板前后差压与流速的关系式如下： 
　　（2） 
　　式中： 
　　——孔板差压，Pa 
　　——流量系数 
　　——膨胀系数 
　　——采样速度，m/s 
　　——气体密度，kg/m3 
　　由于通过采样嘴进入孔板的气体和采样点处的气体是同一气体，如滤筒阻力不大，可以认为它们的密度是一致的，即，设，则上述两式可写成如下形式： 
　　（3） 
　　（4） 
　　如果制作孔板时，使孔板系数=，当孔板差压等于采样点处气体动压时，采样流速就等于采样点处的气体流速，即实现了等速采样。 
　　2.2 仪器系统构成 
　　仪器由一体化采样管（包括：温度传感器、S型皮托管、采样管）、干燥瓶、仪器主机、抽气泵构成，见图1。 
　　2.3 仪器主程序流程设计 
　　智能化仪器开机对各压力传感器自动校零，为采样后自动计算结果，设置和测量相关参数；根据测量动压大小，确定采样嘴直径，以利于在合适的流量范围采样，调整孔板前后差压，自动跟踪烟气动压完成等速采样。主程序流程图见图2。 
　　1.温度传感器；2.等速采样管；3.S型皮托管；4.差压传感器；5.压力传感器；6.绝压传感器；7.液晶显示屏；8.中央微处理器；9.按键键盘；10.微型打印机；11.旋片抽气泵；12.流量传感器；13.气路三通；14.气体干燥器；15.氧传感器；16.干湿球组件 
　　图1 仪器系统 
　　3 关键技术的解决 
　　3.1 等速采样管的研制及论证 
　　图2 仪器主程序流程图 
　　根据我国烟尘烟气固定污染源的烟气流速分布情况，按原有烟尘等速采样管制作技术，制作一支Φ8采样嘴的等速采样管，应用计算机技术，修正孔板差压与烟气动压的比例系数k，实现。以一支等速采样管，变更采样嘴直径来完成不同流速的等速烟尘采样。推导论证如下：采样流量Q可用下式表达为： 
　　（5） 
　　由式（5）可知，当动压的平方根与采样嘴直d的平方成反比时或动压与采样嘴直径的4次方成反比时，流量保持不变，孔板差压也将保持不变，即： 
　　式中： 
　　Q——采样流量 
　　v——采样速度 
　　S——采样嘴口面积 
　　d——采样嘴口直径 
　　或者可把等速采样流量视为复合变量（）的函数： 
　　也可用的反函数形式表示如下： 
　　（6） 
　　对于Ф8的采样嘴而言，等速采样只需要，其中=1，即： 
　　则、均可用的反函数形式表示： 
　　（7） 
　　若改变采样嘴直径d，保持流量Q不变，即孔板差压Pn不变，要维持等速采样，此时适于等速采样Pd应为： 
　　（8） 
　　（注：使仪器系统的抽气泵、流量传感器在有效工作段工作） 
　　结合式（7）和式（8），可得： 
　　即：　（9） 
　　孔板差压与烟气动压的比例系数： 
　　（10） 
　　通常仪器配备Φ6mm、Φ8mm、Φ12mm三种直径的采样嘴，用户可备选Φ4mm、Φ10mm、Φ14mm、Φ16mm的采样嘴。仪器在测量动压参数时，仪器已编程，根据动压大小，自动确定采样嘴直径，同时确定采样时孔板差压与烟气动压的比例系数k。 
　　3.2 仪器稳定性、可靠性的解决 
　　烟尘采样仪通常工作环境很恶劣，震动、温度、强电磁场等产生很强的干扰，一般的单片机很容易受到干扰而导致工作失常，针对上述情况，选用的工业控制计算机为中央控制系统，电源电路采用多次滤波，A/D转换采用硬件滤波与数字滤波相结合的方式，使仪器在强干扰条件下得以正常工作。仪器设计有采样自诊断功能，给出系统状态参数，判断系统是否在正常状态下工作。 
　　3.3 自动等速跟踪采样系统设计 
　　根据动压平衡原理，皮托管测得的动压信号给计算机，计算机发出抽气信号，改变孔板差压，孔板差压追踪动压等速采样，响应速度快，能地跟踪烟气流速的变化，界面上设计有等速精度显示，能实时观察等速跟踪情况。 
　　3.4 仪器软件设计 
　　烟尘采样仪处理的数据很多，操作繁杂，对用户素质要求较高，在设计用户操作界面时，充分体现以人为本的设计理念，采用640×480的彩色高亮度液晶屏，视觉效果好，操作采用中文菜单驱动人机对话方式，图文显示，用户可以借助丰富的在线操作提示直接操作，大大减轻了操作人员的负担。软件设计中设计了如下功能：（1）掉电数据保护功能，复电后可从掉电处恢复采样；（2）采样数据自动存储、设置参数自动记忆功能；（3）压力传感器开机自动校零功能；（4）通过键盘，对仪器各参数校准功能；（5）可查询、打印历史数据；（6）用户可模拟自动采样功能，帮助诊断仪器是否处于正常状态。 
　　4 试制结果及应用前景 
　　该仪器自2000年开始研制，经历了多次改进，产品日臻完善。2001年通过了技术质量监督部门的检定，各项指标合格，取得了型式批准和计量器具生产许可证，2001年获得第七届中国环保展览会金奖。产品行销国内外，取得了良好经济效益。与国内同类仪器相比，具有等速采样自动跟踪速度响应快优点，具有系统状态自检功能；与国外同类仪器相比具有体积小、重量轻、价格便宜等优势，适合中国国情。 
　　随着我国环境监测事业的发展，对各种燃煤锅炉都要进行监测，都要用到烟尘采样仪，即使一些大型锅炉安装了烟尘烟气在线监测系统（CEMS），测量结果需要溯源到国家标准方法，便携式烟尘采样仪能为CEMS系统提供标定工具。便携式烟尘采样仪不会因为CEMS系统的推广而淘汰，它只会与CEMS系统互补，共存。