CN112557240A - 一种烟气湿度测试仪校准装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于烟气湿度检测技术领域，具体涉及一种烟气湿度测试仪校准装置和方法，该装置包括气体发生系统、测试箱、重量法水分测量系统和控制系统；气体发生系统包括湿气发生系统、第一电磁阀、第一质量流量计、干气发生系统、第二电磁阀、第二质量流量计和混合仓；测试箱内设有湿度标准器、第一温度计、第二加热器和散热片；测试箱外壁设有测试孔；测试箱底部设有气体排出孔；重量法水分测量系统用于测量测试箱内的湿度；控制系统用于调节测试箱内的温度至预设温度，调节测试箱内的湿度至预设湿度，以及通过重量法水分测量系统校准湿度标准器。本发明能够满足检测高温高湿烟气湿度测试仪的校准要求，并解决烟气湿度测试仪校准装置的溯源问题。
Description
技术领域
本发明属于烟气湿度检测技术领域，具体涉及一种烟气湿度测试仪校准装置和方法。
背景技术
烟气湿度是指在标准状态下一定体积废气中水蒸气的体积与废气体积之比。固定污染源烟气连续监测系统(CEMS)是监测有组织废气排放的重要设备，其监测污染物数据的量化计算主要基于干烟气的条件，但工业排放的烟气并不是理想的干烟气，总是含有一定的湿度，所以烟气湿度成为烟气污染源监测中的一个必测因子，其测量的准确度直接关系到污染物排放总量、浓度计算及烟气净化系统效率的评估。烟气湿度测试仪是检测高温、高湿环境下烟气湿度的重要设备。
烟气湿度测试仪的测量原理主要有干湿球法、阻容法、激光法、高温红外、重量法等，该类仪器主要测量烟气排放中水蒸气的体积百分比，是检测烟气湿度的重要仪器。市场上常见的烟气湿度测试仪的湿度测量范围为0～40％Vol，温度范围为(20～180)℃。目前常见湿度校准装置，主要提供的是常温状态下的相对湿度参量，无法满足高温高湿烟气湿度测试仪的校准要求，且目前温湿度测量装置常采用精密湿度标准器或湿度传感器为主标准，该两种标准器如果长期处于高温高湿的环境下，需要经常校准方可满足要求，依据检定/校准规程中的溯源周期，溯源无法满足其要求。
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明提供一种烟气湿度测试仪校准装置和方法，能够满足检测高温高湿烟气湿度测试仪的校准要求，并解决烟气湿度测试仪校准装置的溯源问题。
为解决现有技术的不足，本发明提供的技术方案为：
本发明提供一种烟气湿度测试仪校准装置，包括气体发生系统、测试箱、重量法水分测量系统和控制系统；
所述气体发生系统包括湿气发生系统、第一电磁阀、第一质量流量计、干气发生系统、第二电磁阀、第二质量流量计和混合仓；所述湿气发生系统的出口通过湿气管路依次连接第一电磁阀、第一质量流量计和混合仓的入口；所述干气发生系统的出口通过干气管路依次连接第二电磁阀、第二质量流量计和混合仓的入口；所述混合仓的出口通过混合气管依次连接第三电磁阀和测试箱的入口；
所述测试箱内设有湿度标准器、第一温度计、第二加热器和散热片；所述测试箱外壁设有测试孔；所述测试箱底部设有气体排出孔；所述测试箱的出口通过采样管依次连接第四电磁阀和重量法水分测量系统的入口；
所述重量法水分测量系统用于测量测试箱内的湿度；
所述控制系统用于调节测试箱内的温度至预设温度，调节测试箱内的湿度至预设湿度，以及通过重量法水分测量系统校准湿度标准器。
优选的，所述湿气发生系统包括水箱和超声波雾化器；
所述干气发生系统包括气瓶、压力表和减压阀。
优选的，所述气体发生系统还设有第一加热器；
所述湿气发生系统的出口通过湿气管路依次连接第一电磁阀、第一加热器、第一质量流量计和混合仓的入口；
所述干气发生系统的出口通过干气管路依次连接第二电磁阀、第一加热器、第二质量流量计和混合仓的入口；
所述第一加热器和混合仓之间的湿气管路外表面设有第一加热丝和保温材料；
所述第一加热器和混合仓之间的干气管路外表面设有第二加热丝和保温材料；
所述混合气管外表面设有第三加热丝和保温材料。
优选的，所述混合仓采用迷宫结构；
所述混合仓设有第三加热器和第三温度计。
优选的，所述湿度标准器为阻容法湿度传感器，湿度测量范围为0～40％Vol。
优选的，所述测试箱内还设有风扇和气体加速器；
所述风扇位于测试箱底部；
所述气体加速器有两个，固定于测试箱内相对的两个侧面上。
优选的，所述采样管设有自限加热装置；
所述采样管的温度控制在120℃～130℃。
优选的，所述重量法水分测量系统包括冷凝器、冷凝管、干燥管、真空压力计、第二温度计、第三流量计和第二抽气泵；
所述采样管依次连接冷凝管、干燥管、真空压力计、第二温度计、第三流量计和第二抽气泵；
所述冷凝器用于冷却冷凝管。
本发明还提供一种烟气湿度测试仪校准方法，包括，
通过控制系统调节第一加热器、第二加热器、第三加热器、第一加热丝、第二加热丝和第三加热丝，使混合仓和测试箱的温度达到用户输入的预设温度；
通过控制系统打开第一电磁阀、第二电磁阀和第三电磁阀，打开超声波雾化器和减压阀，使湿气和干气在混合仓内混合后进入测试箱；
通过控制系统调节第一电磁阀、第二电磁阀和超声波雾化器使测试箱内湿度标准器所测的湿度达到用户输入的预设湿度；
将被检烟气湿度测试仪的测试枪置于测试孔内，根据预设湿度校准烟气湿度测试仪。
优选的，还包括，采用重量法校准湿度标准器；
所述采用重量法校准湿度标准器，包括，
称量冷凝管和干燥管的初始总重量；
安装冷凝管和干燥管；
通过控制系统打开第四电磁阀和第二抽气泵，重量法水分测量系统开始采样，控制系统记录真空压力计的测量值及第二温度计的测量值；
采样结束后拆卸冷凝管和干燥管；
称量冷凝管和干燥管，得到冷凝管和干燥管的总重量增量；
控制系统根据冷凝管和干燥管的总重量增量、真空压力计的测量值及第二温度计的测量值计算测试箱内的湿度；
控制系统根据计算得到的测试箱内的湿度校准湿度标准器。
本发明的有益效果：
1)本发明能够满足高温(20～180)℃、高湿0～40％Vol烟气湿度测试仪的校准要求，弥补现有技术的不足；
2)本发明中的重量法水分测量系统能够实现湿度标准器的定期校准，提高烟气湿度测试仪校准装置的准确性和可靠性，解决烟气湿度测试仪校准装置的溯源问题；
3)本发明采用迷宫结构的混合仓，可以提高混合气的均匀度，提高测量结果的准确性；
4)本发明采用全程加热方式，能够保证测试箱内混合气温度的稳定，便于提高烟气湿度测试仪校准装置的准确性。
附图说明
图1是本发明提供的烟气湿度测试仪校准装置的结构示意图；
图2是本发明提供的重量法水分测量系统的结构示意图；
其中，1、水箱；2、超声波雾化器；3、第一电磁阀；4、第二电磁阀；5、气瓶；6、第一压力表；7、减压阀；8、第一加热器；9、第一质量流量计；10、第二质量流量计；11、混合仓；12、第三电磁阀；13、测试箱；14、湿度标准器；15、第二加热器；16、散热片；17、测试孔；18、风扇；19、第四电磁阀；20、重量法水分测量系统；21、气体排出孔；22、第五电磁阀；23、水泵；24、第一抽气泵；25、恒温水槽；26、冷凝管、27、干燥管；28；真空压力表；29、第二温度计；30、第三流量计；31、第二抽气泵；32、冷凝器。
具体实施方式
下面结合实施方式对本发明作进一步描述。以下实施方式仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
本发明实施例提供一种烟气湿度测试仪校准装置，参见图1，包括气体发生系统、测试箱13、重量法水分测量系统20和控制系统。
参见图1，气体发生系统包括湿气发生系统、第一电磁阀3、干气发生系统、第二电磁阀4、第一质量流量计9、第二质量流量计10和混合仓11；湿气发生系统的出口通过湿气管路依次连接第一电磁阀3、第一质量流量计9和混合仓11的入口；干气发生系统的出口通过干气管路依次连接第二电磁阀4、第二质量流量计10和混合仓11的入口；混合仓11的出口通过混合气管依次连接第三电磁阀12和测试箱13的入口。
其中，第一电磁阀3、第二电磁阀4、第一质量流量计9、第二质量流量计10和第三电磁阀12的材质均为不锈钢。
参见图1，测试箱13内设有湿度标准器14、第一温度计、第二加热器15和散热片16；测试箱13外壁设有测试孔17；测试箱13底部设有气体排出孔21；测试箱13的出口通过采样管依次连接第四电磁阀19和重量法水分测量系统20的入口。湿度标准器14用于检测测试箱13内的湿度，第一温度计用于检测测试箱13内的温度，第二加热器15用于加热测试箱13使其温度恒定，散热片16用于对测试箱13进行降温。
其中，测试箱13和第四电磁阀19的材质为不锈钢。
重量法水分测量系统20用于定期对测试箱13内的湿度标准器14进行校准。
控制系统与第一电磁阀3、第二电磁阀4、第一加热器8、第一质量流量计9、第二质量流量计10、第一加热丝、第二加热丝、第三加热丝、第三加热器、第三温度计、第三电磁阀12、第二加热器15、第一温度计、湿度标准器14、第五电磁阀22、水泵23、第一抽气泵24、第四电磁阀19、冷凝器26、真空压力计28、第二温度计29、第三流量计30和第二抽气泵31电连接。
控制系统用于调节测试箱13内的温度至预设温度，调节测试箱13内的湿度至预设湿度，以及控制重量法水分测量系统20校准湿度标准器14。
优选的，参见图1，湿气发生系统包括水箱1和超声波雾化器2，通过超声波雾化器2将水箱内的水变成水蒸气。
在本发明的另一实施例中，湿气发生系统包括水箱和第三加热器，通过蒸发原理将水变成水蒸气。
优选的，参见图1，干气发生系统包括依次连接的气瓶5、第一压力表6和减压阀7。气瓶5内充有高纯氮气或洁净空气。
优选的，参见图1，气体发生系统还设有第一加热器8；湿气发生系统的出口通过湿气管路依次连接第一电磁阀3、第一加热器8、第一质量流量计9和混合仓11的入口；干气发生系统的出口通过干气管路依次连接第二电磁阀4、第一加热器8、第二质量流量计10和混合仓11的入口。第一加热器8的材质为不锈钢。
优选的，第一加热器8和混合仓11之间的湿气管路外表面设有第一加热丝和保温材料；第一加热器8和混合仓11之间的干气管路外表面设有第二加热丝和保温材料。通过第一加热器加热第一加热丝和第二加热丝，第一加热丝、第二加热丝和保温材料的设置能够保证混合气进入混合仓11时的温度，以增加烟气湿度测试仪校准装置整体的温度稳定性。
优选的，混合气管外表面设有第三加热丝和保温材料。通过第一加热器加热第三加热丝，第三加热丝和保温材料的设置能够保证混合气进入测试箱13的温度，以增加烟气湿度测试仪校准装置整体的温度稳定性。
优选的，混合仓11采用迷宫结构，迷宫结构能够增加两种气体的混合路径以及碰撞机会，保证干气和湿气充分的混合。
优选的，混合仓11设有第三加热器和第三温度计，保证混合气在混合仓内处于预设温度范围，以增加烟气湿度测试仪校准装置整体的温度稳定性。混合仓11的材质为不锈钢，第三温度计采用铂电阻温度计。
优选的，湿度标准器14和第一温度计位于测试箱14的顶部，第二加热器15和散热片16位于测试箱13的侧壁；测试孔17位于测试箱13的正面中部。
优选的，第一温度计为铂电阻温度计。
测量孔17用于插入被检烟气湿度测试仪的测试枪。测试孔17大小可根据被检烟气湿度测试仪测试枪的尺寸适当调节。测试孔17的数量可根据被检烟气湿度测试仪的数量设置多个。
优选的，测量孔17配有橡胶密封圈。橡胶密封圈材质为聚四氟乙烯，橡胶密封圈为锥形。使用时，将橡胶密封圈套在被检测枪上，再插入测试孔中，通过锥形结构挤压以保证密封性。可设置不同尺寸的橡胶密封圈以增加测试箱13的密封性。
优选的，湿度标准器14选用阻容法湿度传感器，其湿度测量范围为0～40％Vol。
优选的，测试箱13还设有两个气体加速器，气体加速器固定于测试箱内相对的两个侧面上。进入测试箱13的混合气，在气流加速器的作用下，在测试箱13内分布更加均匀。
优选的，参见图1，测试箱13内底部设有风扇18，风扇18能够加速测试箱13内混合气的流动。
优选的，参见图1，散热片16通过水泵23外接恒温水箱25，通过水冷的方式为测试箱13降温。
优选的，参见图1，气体排出孔21依次连接第五电磁阀22、第一抽气泵24和恒温水箱25。经气体排出孔21排出的气体经过恒温水箱25冷凝后排出。其中，第五电磁阀22的材质为不锈钢。气体排出孔21位常闭状态。在校准结束后，气体排出孔21打开，保障高温气体降温冷凝后排出。
优选的，采样管设有自限加热装置，采样管的温度控制在120～130℃。自限加热装置用于保证混合气中的水分处于气体状态。
参见图2，重量法水分测量系统20包括冷凝器32、冷凝管26、干燥管27、真空压力计28、第二温度计29、第三流量计30和第二抽气泵31；采样管依次连接冷凝管26、干燥管27、真空压力计28、第二温度计29、第三流量计30和第二抽气泵31。
冷凝器32用于冷却冷凝管26。
优选的，冷凝器32采用压缩机制冷，保证冷凝后混合气的温度低于5℃。
优选的，冷凝管26为螺旋状冷凝管，以增加混合气的冷凝路径，提高冷凝效率。
优选的，干燥管27为U型干燥管，U型干燥管内填充五氧化二磷，以进一步吸收混合气中的水分。
实际使用中，冷凝管26和干燥管27可配置多个，以提高检测效率。
真空压力计28用于检测第三流量计30的计前压力。
优选的，真空压力计28的精度等级为1.0级。
第二温度计29用于检测第三流量计30的计前温度。
优选的，第二温度计29的分度值为0.1℃。
第三流量计30用于控制气体流量。气体流量控制在0～5L/min范围内，优选1L/min。
优选的，第三流量计30为体积流量计，第三流量计30的测量范围为0～5L/min，第三流量计30的准确度不低于1.5％FS。
抽气泵31用于提供抽取气体的动力。
实际使用中，还需配备电子天平，用于称量冷凝管26和干燥管27的重量。电子天平的分度值为0.1mg。
具体使用中，
控制系统通过调节第一加热器8、第二加热器15、第三加热器、第一加热丝、第二加热丝和第三加热丝使测试箱13内的混合气升温，通过调节水泵23使测试箱13内的混合气降温，以保证测试箱13的温度满足预设温度。
具体使用中，控制系统主要依据预设湿度以及湿度标准器14的数值调节第一电磁阀3、第二电磁阀4和超声波雾化器2，以保证测试箱13的湿度环境满足设定要求。
优选的，控制系统以中控机、PLC控制系统为基础，采用PID控制，以完成整个烟气湿度测试仪校准装置的指令的输入、程序的控制、数据的记录等功能。
优选的，控制系统采用西门子PLC作为控制器，应用Labview软件设计操作界面及编写控制指令程序。软件操作界面具有预设温度、预设湿度以及大气压等参数输入窗口，具有检测数据输入窗口，可以实现原始数据记录保存与导出。软件操作界面还具有单独的重量法水分测量系统界面，该界面具有采样流量、采样时间、采样质量等输入窗口，具有自动计算湿度值，保存数据及数据导出等功能。
优选的，控制系统的软件操作界面还具有标准湿度校准功能，满足装置本身单点和线性校准需要。
本发明实施例还提供一种烟气湿度测试仪校准方法，包括以下步骤：
1)在控制系统的软件界面输入预设温度和预设湿度；
2)通过控制系统调节第一加热器、第二加热器、第三加热器、第一加热丝、第二加热丝和第三加热丝，使混合仓和测试箱的温度达到用户输入的预设温度；
3)通过控制系统打开第一电磁阀、第二电磁阀和第三电磁阀，打开超声波雾化器和减压阀，使水通过超声波雾化器后雾化形成湿气，湿气在湿气管路中加热后进入混合仓，同时干气在干气管路中加热后进入混合仓；
4)通过控制系统调节第一电磁阀、第二电磁阀和超声波雾化器使测试箱内湿度标准器所测的湿度达到用户输入的预设湿度：
如果湿度标准器测量的湿度低于预设湿度，则调大第一电磁阀，增加湿气流量，提高超声波雾化器雾化量，同时调小第二电磁阀，降低干气流量，从而提高测试箱内的湿度；
如果湿度标准器测量湿度高于设定湿度，则调小第一电磁阀，减少湿气流量，降低超声波雾化器雾化量，同时调大第二电磁阀，增加干气流量，提高干气体的混合体积比，从而降低测试箱内的湿度；
5)将被检烟气湿度测试仪的测试枪置于测试孔内并固定好，被检烟气湿度测试仪的数据稳定后，记录数据，根据预设湿度校准烟气湿度测试仪。
6)在控制系统的软件界面设定下一个预设温度和预设湿度，直至完成所有校准点的校准。
优选的，烟气湿度测试仪校准方法还包括采用重量法校准湿度标准器的步骤：
1)称量冷凝管和干燥管的初始总重量：
提前准备好至少3组冷凝管和干燥管，初始总重量分别为m11、m12、m13；
2)将冷凝管和干燥管安装在重量法水分测量系统的对应位置；
3)当测试箱的温度和湿度达到设定条件并稳定后，在控制系统的软件界面选择重量法水分测量系统界面，设置采样时间与采样流量，控制系统打开第四电磁阀和第二抽气泵，重量法水分测量系统开始采样，同时控制系统自动记录真空压力计的测量值及第二温度计的测量值；
4)采样结束后拆卸冷凝管和干燥管；
5)再次称量冷凝管和干燥管，总重量分别为m21、m22、m23，将总重量m21减去初始总重量m11就能得到一个冷凝管和干燥管的总重量增量，即为一个水分含量采样质量m；
6)控制系统根据冷凝管和干燥管的总重量增量、真空压力计的测量值及第二温度计的测量值计算测试箱内的湿度：
将水分含量采样质量m输入控制系统的软件界面中，同时控制系统将记录的真空压力计及第二温度计的测量值作为第三流量计的计前压力Pt与第三流量计的计前气体温度Tt；
控制系统自动依据公式(1)计算出湿度，采用同样步骤求取另外两组湿度值，取三组数据的平均值，作为校准湿度标准器的依据；
式中：
X为湿度，％；
m为采样质量，g；
Vt为测量状态下抽取的干气体积，Vt＝Qt×t，L；
Qt为第三流量计的读数，L/min；
t为采样时间，min；采样时间的设定主要是依据湿度的大小，保证最终采样质量不低于1mg；
Tt为第三流量计的计前气体温度，℃；
Pt为第三流量计的计前压力，Pa；
Ba为大气压力，Pa；
7)控制系统根据计算得到的测试箱内的湿度校准湿度标准器。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种烟气湿度测试仪校准装置，其特征在于，包括气体发生系统、测试箱、重量法水分测量系统和控制系统；
所述气体发生系统包括湿气发生系统、第一电磁阀、第一质量流量计、干气发生系统、第二电磁阀、第二质量流量计和混合仓；所述湿气发生系统的出口通过湿气管路依次连接第一电磁阀、第一质量流量计和混合仓的入口；所述干气发生系统的出口通过干气管路依次连接第二电磁阀、第二质量流量计和混合仓的入口；所述混合仓的出口通过混合气管依次连接第三电磁阀和测试箱的入口；
所述测试箱内设有湿度标准器、第一温度计、第二加热器和散热片；所述测试箱外壁设有测试孔；所述测试箱底部设有气体排出孔；所述测试箱的出口通过采样管依次连接第四电磁阀和重量法水分测量系统的入口；
所述重量法水分测量系统用于对测试箱内的湿度标准器进行校准；
所述控制系统用于调节测试箱内的温度至预设温度，调节测试箱内的湿度至预设湿度，以及控制重量法水分测量系统校准湿度标准器。
2.根据权利要求1所述的一种烟气湿度测试仪校准装置，其特征在于，
所述湿气发生系统包括依次连接的水箱和超声波雾化器；
所述干气发生系统包括依次连接的气瓶、压力表和减压阀。
3.根据权利要求1所述的一种烟气湿度测试仪校准装置，其特征在于，
所述气体发生系统还设有第一加热器；
所述湿气发生系统的出口通过湿气管路依次连接第一电磁阀、第一加热器、第一质量流量计和混合仓的入口；
所述干气发生系统的出口通过干气管路依次连接第二电磁阀、第一加热器、第二质量流量计和混合仓的入口；
所述第一加热器和混合仓之间的湿气管路外表面设有第一加热丝和保温材料；
所述第一加热器和混合仓之间的干气管路外表面设有第二加热丝和保温材料；
所述混合气管外表面设有第三加热丝和保温材料。
4.根据权利要求1所述的一种烟气湿度测试仪校准装置，其特征在于，
所述混合仓采用迷宫结构；
所述混合仓设有第三加热器和第三温度计。
5.根据权利要求1所述的一种烟气湿度测试仪校准装置，其特征在于，所述湿度标准器为阻容法湿度传感器，湿度测量范围为0～40%Vol。
6.根据权利要求1所述的一种烟气湿度测试仪校准装置，其特征在于，
所述测试箱内还设有风扇和气体加速器；
所述风扇位于测试箱底部；
所述气体加速器有两个，固定于测试箱内相对的两个侧面上。
7.根据权利要求1所述的一种烟气湿度测试仪校准装置，其特征在于，
所述采样管设有自限加热装置；
所述采样管的温度控制在120℃～130℃。
8.根据权利要求1所述的一种烟气湿度测试仪校准装置，其特征在于，所述重量法水分测量系统包括冷凝器、冷凝管、干燥管、真空压力计、第二温度计、第三流量计和第二抽气泵；
所述采样管依次连接冷凝管、干燥管、真空压力计、第二温度计、第三流量计和第二抽气泵；
所述冷凝器用于冷却冷凝管。
9.一种烟气湿度测试仪校准方法，其特征在于，包括，
调节权利要求1至8任意一项所述的第一加热器、第二加热器、第三加热器、第一加热丝、第二加热丝和第三加热丝，使混合仓和测试箱的温度达到用户输入的预设温度；
打开权利要求1至8任意一项所述的第一电磁阀、第二电磁阀和第三电磁阀，打开权利要求1至8任意一项所述的超声波雾化器和减压阀，使湿气和干气在混合仓内混合后进入测试箱；
调节权利要求1至8任意一项所述的第一电磁阀、第二电磁阀和超声波雾化器使测试箱内湿度标准器所测的湿度达到用户输入的预设湿度；
将被检烟气湿度测试仪的测试枪置于测试孔内，根据预设湿度校准烟气湿度测试仪。
10.根据权利要求9所述的一种烟气湿度测试仪校准方法，其特征在于，还包括，采用重量法校准湿度标准器；
所述采用重量法校准湿度标准器，包括，
称量冷凝管和干燥管的初始总重量；
安装冷凝管和干燥管；
通过控制系统打开第四电磁阀和第二抽气泵，重量法水分测量系统开始采样，控制系统记录真空压力计的测量值及第二温度计的测量值；
采样结束后拆卸冷凝管和干燥管；
称量冷凝管和干燥管，得到冷凝管和干燥管的总重量增量；
控制系统根据冷凝管和干燥管的总重量增量、真空压力计的测量值及第二温度计的测量值计算测试箱内的湿度；
控制系统根据计算得到的测试箱内的湿度校准湿度标准器。
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