便携式动压平衡型自动跟踪烟尘采样仪的研制

摘要：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，这就对动压平衡型烟尘采样仪生产厂家提出了新的课题。便携式烟尘采样仪是我国燃煤锅炉烟尘测试的主要仪器，文章介绍了一种新型动压平衡型自动跟踪烟尘采样仪的原理、结构和功能，并介绍了其与国内、外仪器的比较及应用前景。

关键词：动压平衡；自动跟踪；烟尘采样；等速采样管

中图分类号：X933 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）28-0078-03

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最大的弱点，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，保证等速采样只需要，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：