CN107860598B - 一种便携式颗粒物切割器快速校准装置及其校准方法 - Google Patents
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Abstract
一种便携式颗粒物切割器快速校准装置及其校准方法，用于精准快速配置生成标准颗粒物浓度的气体以供试验，从而校准空气检测装置中的关键零部件：切割器，其中包括颗粒物储存送料装置15、洁净气体发生器11、混合舱体7、样品舱体5、切割器安装座2、β射线测试模块17、自动控制***、数据分析***。本发明通过特殊的双舱相嵌的设计以及结构合理化布局，实现校准装置轻量化紧凑化；所述各部件通过管路相连，在控制***指引下最终将气体导入β射线测试模块，实现自动化快速检测校准，简化装置操作步骤，缩短校准时间，大大提高效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种颗粒物切割器的校准装置及校准方法，特别是一种便携式颗粒物切割器快速校准装置及其校准方法。
背景技术
PM2.5是对空气中直径小于或等于2.5μm的固体颗粒或液滴的总称，又叫细颗粒物或入肺颗粒物，这类颗粒物在大气成分中所占比例较小，体积小，易被人体吸入，传播距离远，含有大量有毒物质，对人体健康有重大影响，对空气质量及大气能见度等影响较大，严重污染大气环境。
《环境空气PM10和PM2.5的测定重量法》中规定了用于大气颗粒物质量浓度监测的仪器主要是大气颗粒物采样器和监测仪，按工作原理分为手工分析法和自动分析法，主要包括微量天平(TEOM)法，β射线测量法、光散射测量法。这些方法的操作步骤主要分为两步，首先要把PM2.5与较大的颗粒物分离，然后测定分离出来的PM2.5的重量从而获得PM2.5颗粒物的浓度。PM2.5采样器的原理是通过抽气泵的作用，空气以一定流速流过采样器，较大的颗粒会因为惯性较大，撞击在涂了油的部件上而被截留，惯性较小的PM2.5绝大部分能随着空气顺利通过。但就PM2.5采样器的捕集能力及效果来说，直径小于2.5微米的颗粒也不是全都能通过，恰好为2.5微米的颗粒也有50％的概率能通过采样器；直径大于2.5微米的颗粒并非全被截留，因此利用PM2.5采样器分离捕集细颗粒物，不同现场的采集统计结果与真实值之间可能会存在偏差。按照《环境空气PM10和PM2.5的测定重量法》的标准要求，空气动力学直径在3.0微米以上的颗粒通过率要小于16％，而2.1微米以下颗粒的通过率要大于84％，进而确定结果落在一个可信的区间。PM2.5采样器在使用之前必须经过校准，现有切割器校准***没有统一形态和标准，生产商和检测机构根据自身需求搭建校准平台，以满足产品校准需求。这些校准装置存在容错率底，安装、操作繁琐，装置尺寸大、部件连接复杂，校准结果可信度偏低等问题。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种便携式颗粒物切割器快速校准装置及其校准方法，可实现切割器快速自动校准，并直接输出校准结果。该校准装置具有小型化轻量化、操作简洁化的特点，在线结果输出可大大提高校准效率。
本发明采用的技术方案是：提供一种便携式颗粒物切割器快速校准装置，包括颗粒物储存送料装置、洁净气体发生器、混合舱体、样品舱体、切割器安装座、β射线测试模块、自动控制***、数据分析***。
本发明所述的便携式颗粒物切割器快速校准装置，其混合舱体和样品舱体相嵌，混合舱体被样品舱体密封一端口，并且样品舱体能相对混合舱体做轴向运动。活塞密封样品舱体并且能在舱内做轴向运动，因此上述两个舱体都具有容积可变的特点，样品舱体有可控阀门用于控制两个舱体之间的连通。本发明所述的便携式颗粒物切割器快速校准装置，其洁净气体发生器和颗粒物储存送料装置安装在混合舱体的一端，用于将洁净气体和颗粒物喷进混合舱体，混合舱体内壁设有通气小孔，用于在混合舱体内产生微小气流，辅助气体和颗粒物均匀混合。
本发明所述的便携式颗粒物切割器快速校准装置，其混合舱体内部装有温湿度调节器和静电调节器用于控制试验气体的物理特性条件。
本发明所述的便携式颗粒物切割器快速校准装置，其洁净气体发生器能从大气或者样品舱体中获得气源，并将其过滤净化，然后输送至混合舱体。
本发明所述的便携式颗粒物切割器快速校准装置，其样品舱体与切割器安装座和β射线测试模块相连，样品舱体气体输出管道一分为二，通过换向阀将提起分别导向不同输出管路。其中一条管路直接通向β射线测试模块，另一条先通过切割器再通入β射线测试模块。
本发明所述的便携式颗粒物切割器快速校准装置，各部件通过管道相连通，管道进出口处分别设有可控阀门控制试验气体在装置中的位置及流通方向。
本发明所述的便携式颗粒物切割器快速校准装置，还包括用于实现装置自动运行的控制***，用于控制各个部件的启停，各管路阀门的开关，各部件的流程化运行和时序控制。
本发明所述的便携式颗粒物切割器快速校准装置，还包括用于整理试验数据的数据分析***，将β射线测试模块中先后采集的气体浓度数据进行转化、比对、计算、结果匹配和结果输出。
本发明还提供一种切割器校准方法，用于上述便携式颗粒物校准装置中，包括以下步骤：
S1将待校准切割器装入切割器安装座，然后将切割器校准装置打开，进入初始化准备，此时洁净气体发生器工作产生大量洁净气体，用于清洁混合舱体及样品舱体内残余的颗粒物，清理完成关闭所有阀门，***进入ready状态。
S2将足量的待试验的颗粒物放入颗粒物储存送料装置，设定试验气体浓度、温湿度、流速等参数并启动校准装置，洁净气体发生器与颗粒物储存送料装置按照设定浓度开始传送物料。
S3混合舱产生气流用于均匀混合颗粒物和洁净气体，同时样品舱体缓慢向混合舱体外部移动，混合舱体容积逐渐变大；
S4温湿度调节器和静电调节器开始工作调节合成气体的温湿度和静电参数。
S5待气体混合均匀，关闭混合舱体内部气流和所有连通外部的阀门，打开样品舱体上与混合舱体连通的阀门，同时样品舱体开始缓慢向混合舱体内移动，压缩混合舱体容积使得混合气体流入样品舱体内。
S6待气体全部进入样品舱体内部以后，静置20秒，然后气体输出管道的换向阀调节至直接输出到β射线测试模块，打开气体输出管道阀门，样品舱体活塞向样品舱体内移动压出待试验的样品气体，由β射线测试模块测试样品气体颗粒物浓度。
S7调节换向阀至切割器通道，继续移动活塞，将剩余气体输送通过切割器，由切割器切割过滤后将气体输送至β射线测试模块测出切割后气体颗粒物浓度。
S8β射线测试模块将两次测得的数据发送至数据分析***，内部设定了计算公式，经过计算比对后得出校准试验结果。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
(1)本发明提供的便携式颗粒物切割器快速校准装置利用混合舱体和样品舱体相嵌的原理并优化了各个部件的结构上的布局，一方面利用有限的空间实现更多的功能，另一方面在保持功能不变的前提下从原理上省略了不必要的管路阀门以及动力源，使得整个校准装置更加小巧轻便；
(2)结合β射线测试模块的实时测试功能，将现有需要使用“重量法”完成的试验后续处理过程直接简化为在线实时结果输出，大大提高了试验效率，避免试验过程中人为因素造成的试验结果偏差；
(3)内置适用于上述装置的自动化控制***和数据分析***，实现试验过程全程自动化运行，试验结果通过内部程序自动完成计算比对输出，简化了现有校准方式的繁琐流程。
附图说明
图1为本发明实施例结构原理图；
图2为本发明实施例控制***框图；
图3为实施例所提供的校准方法的步骤流程图。
具体实施例
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明实施例提供一种便携式颗粒物切割器快速校准装置，包括颗粒物储存送料装置15、洁净气体发生器11、混合舱体7、样品舱体5、切割器安装座2、β射线测试模块17、自动控制***、数据分析***。本实施例中切割器1为待测元件不包括在装置范围内；混合舱体7包括内部的温湿度调节器16、静电调节器14、通气小孔12等辅助器件；样品舱体5包括用于调节容积的活塞6；各个部件通过管路8、9连接，在部件进气或者出气口装有可控开关阀13、10、19，换向阀3，以及可伸缩管4。洁净气体发生器11可从大气9或者样品舱体5中获得气源，并将其过滤净化，然后输送至混合舱体7。混合舱体7和样品舱体5相嵌，混合舱体7被样品舱体5密封一端口，并且样品舱体5能相对混合7舱做轴向运动。活塞6密封样品舱体5并且能在舱内做轴向运动，因此上述两个舱体都具有容积可变的特点，样品舱体5有可控阀门19用于控制两个舱体之间的连通。洁净气体发生器11和颗粒物储存送料装置15安装在混合舱的一端，洁净气体发生器11将洁净气体喷出同时将颗粒物喷进混合舱体7，混合舱体7内壁设有通气小孔12，用于在混合舱体7内产生微小气流，辅助气体和颗粒物均匀混合。混合舱体7内部装有温湿度调节器16和静电调节器14用于控制试验气体的物理特性条件。1样品舱体5与切割器安装座2和β射线测试模块17相连，样品舱体5气体输出管道一分为二，通过换向阀3将提起分别导向不同输出管路。其中一条管路直接通向β射线测试模块17，另一条先通过切割器1再通入β射线测试模块17。各部件通过管道相连通，管道进出口处分别设有可控阀门控制试验气体在装置中的位置及流通方向。
本发明实施例用于实现装置自动运行的控制***，内置测试程序控制各个部件的启停，各管路阀门的开关，各部件的流程化运行和时序控制。如图2所示，由总控制器控制校准程序的运行，所有传感器信号，输入装置以及数据采集信号均为输入信号。传感器信号用于指示各执行机构的工作状态，输入装置用于输入试验参数，数据采集信号用于接受β射线测试模块的测试数据信号。控制器将控制信号输出至校准装置相关的执行机构，电机驱动器，阀门等装置。与控制相连的通信模块主要是将测试数据和数据处理程序发送至数据分析***，通过分析***的处理得到校准结果。本发明实施例用于整理试验数据的数据分析***，主要是关于气体浓度的计算方法，以及结果输出显示装置。
本实施例还提供一种切割器校准方法，如图3所示，本方法用于上述切割器校准装置中，包括以下步骤：
S1将待校准切割器装入切割器安装座，然后将所述的切割器校准装置打开，进入初始化准备，此时洁净气体发生器工作产生大量洁净气体，用于清洁混合舱体及样品舱体内残余的颗粒物，清理完成关闭所有阀门，***进入ready状态。该步骤主要完成试验前的准备工作。
S2将足量的待试验的颗粒物放入颗粒物储存送料装置，设定试验气体浓度、温湿度、流速等参数并启动校准装置，洁净气体发生器与颗粒物储存送料装置按照设定浓度开始传送物料。此时混合舱体内部空间处于压缩状态，洁净气体将定量颗粒物喷入混合舱体内。
S3混合舱体产生气流用于均匀混合颗粒物和洁净气体，同时样品舱体缓慢向混合舱体外部移动，混合舱体容积逐渐变大。此时的混合舱体内不但有洁净气体喷射的气流也有舱内气流小孔喷出的气流辅助颗粒物和洁净气体混合。混合舱体内的气流小孔气体源自混合舱体内，是混合舱体内气流循环，不影响洁净气体进入舱内的总气量。
S4温湿度调节器和静电调节器开始工作调节合成气体的温湿度和静电参数。该步骤是在混合过程中同步完成，需要舱内气流循环以便加快温湿度和静电调节速度。
S5待气体混合均匀，关闭混合舱体内部气流和所有连通外部的阀门，打开样品舱体上与混合舱体连通的阀门，同时样品舱体开始缓慢向混合舱体内移动，压缩混合舱体容积使得混合气体流入样品舱体内。该步骤是将混合完成的气体从混合舱体转移至样品舱体，考虑到舱体体积有限，样品舱体的设置旨在存放混合完成的气体样品，使得混合舱体在排出气体后可连续不断的制造试验气体。
S6待气体全部进入样品舱体内部以后，静置20秒，然后气体输出管道的换向阀调节至直接输出到β射线测试模块，打开气体输出管道阀门，样品舱体活塞向样品舱体内移动压出待试验的样品气体，由β射线测试模块测试样品气体颗粒物浓度。该步骤是试验气体的采样过程，利用活塞向样品舱体压缩实现样品气体的输送，控制活塞移动速度决定气体在出口管路的流速。此步骤测试的是未经切割的气体颗粒物浓度。
S7调节换向阀至切割器通道，继续移动活塞，将剩余气体输送通过切割器，由切割器切割过滤后将气体输送至β射线测试模块测出切割后气体颗粒物浓度。该步骤关键在于换向阀的管路选择，气体此时导向至切割器端，气体从样品舱体排出以一定流速通过切割器以便对切割器进行测试校准。
S8β射线测试模块将两次测得的数据发送至数据分析***，内部设定了计算公式，经过计算比对后得出校准试验结果。该步骤主要是测试***的内部计算过程，通过比对两次测量的数据，得出测试结果，从而判断切割器切割效果是否准确。
以上所揭露的仅为本发明的优选实施例而已，不能以此来限定本发明之权利范围，依本发明申请专利范围所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。
Claims (6)
1.一种便携式颗粒物切割器快速校准装置，其特征在于：包括颗粒物储存送料装置(15)、洁净气体发生器(11)、混合舱体(7)、样品舱体(5)、切割器安装座(2)、β射线测试模块(17)、自动控制***、数据分析***；
所述混合舱体(7)和样品舱体(5)相嵌，混合舱体(7)被样品舱体(5)密封一端口，并且样品舱体(5)能相对混合舱体(7)做轴向运动，活塞(6)密封样品舱体(5)并且能在样品舱体(5)内做轴向运动，因此上述两个舱体都具有容积可变的特点，样品舱体(5)有可控阀门(19)用于控制两个舱体之间的连通；
活塞(6)的进气口及出气口分别装有可伸缩管(4)；
所述洁净气体发生器(11)和颗粒物储存送料装置(15)安装在混合舱体(7)的一端，用于将洁净气体和颗粒物喷进混合舱体(7)；混合舱体(7)内壁设有通气小孔(12)，用于在混合舱体(7)内产生微小气流，辅助气体和颗粒物均匀混合；
所述混合舱体(7)内部装有温湿度调节器(16)和静电调节器(14)用于控制试验气体的物理特性条件；
所述样品舱体(5)与切割器安装座(2)和β射线测试模块(17)相连，样品舱体(5)气体输出管道一分为二，通过换向阀(3)将气体分别导向不同输出管路，其中一条管路直接通向β射线测试模块(17)，另一条先通过切割器(1)再通入β射线测试模块(17)。
2.如权利要求1所述的便携式颗粒物切割器快速校准装置，其特征在于：所述洁净气体发生器(11)能从大气或者样品舱体(5)中获得气源，并将其过滤净化，然后输送至混合舱体(7)。
3.如权利要求1所述的便携式颗粒物切割器快速校准装置，其特征在于：所述校准装置各部件通过管道相连通，管道进出口处分别设有可控阀门(10、13、19)控制试验气体在装置中的位置及流通方向。
4.如权利要求1所述的便携式颗粒物切割器快速校准装置，其特征在于，所述自动控制***用于控制各个部件的启停，各管路阀门的开关，各部件的流程化运行和时序控制。
5.如权利要求1所述的便携式颗粒物切割器快速校准装置，其特征在于，所述数据分析***用于整理试验数据，将β射线测试模块中先后采集的气体浓度数据进行转化、比对、计算、结果匹配和结果输出。
6.一种切割器校准方法，其特征在于，使用如权利要求1所述的便携式颗粒物切割器快速校准装置对切割器进行校准，包括以下步骤，
(1)将待校准切割器装入切割器安装座，然后将权利要求1所述的便携式颗粒物切割器快速校准装置打开，进入初始化准备，此时洁净气体发生器(11)工作产生大量洁净气体，用于清洁混合舱体(7)及样品舱体(5)内残余的颗粒物，清理完成关闭所有阀门，***进入ready状态；
(2)将足量的待试验的颗粒物放入颗粒物储存送料装置(15)，设定试验气体浓度、温湿度、流速的参数并启动校准装置，洁净气体发生器(11)与颗粒物储存送料装置(15)按照设定浓度开始传送物料；
(3)混合舱体(7)产生气流用于均匀混合颗粒物和洁净气体，同时样品舱体(5)缓慢向混合舱体(7)外部移动，混合舱体(7)容积逐渐变大；
(4)温湿度调节器(16)和静电调节器(14)开始工作调节合成气体的温湿度和静电参数；
(5)待气体混合均匀，关闭混合舱体(7)内部气流和所有连通外部的阀门，打开样品舱体(5)上与混合舱体(7)连通的阀门，同时样品舱体(5)开始缓慢向混合舱体(7)内移动，压缩混合舱体(7)容积使得混合气体流入样品舱体(5)内；
(6)待气体全部进入样品舱体(5)内部以后，静置20秒，然后气体输出管道的换向阀调节至直接输出到β射线测试模块(17)，打开气体输出管道阀门，样品舱体(5)活塞向样品舱体(5)内移动压出待试验的样品气体，由β射线测试模块(17)测试样品气体颗粒物浓度；
(7)调节换向阀至切割器通道，继续移动活塞，将剩余气体输送通过切割器，由切割器切割过滤后将气体输送至β射线测试模块(17)测出切割后气体颗粒物浓度；
(8)β射线测试模块(17)将两次测得的数据发送至数据分析***，内部设定了计算公式，经过计算比对后得出校准试验结果。
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