1 概述
在煙塵測試技術(shù)中，有三種煙塵采樣方法的儀器：預(yù)測流速法；平行采樣法；等速管法。等速管法又分動壓平衡型和靜壓平衡型，由于靜壓平衡型采樣管的測靜壓孔易被煙塵堵塞，現(xiàn)已不太使用該方法的儀器，用等速管法的儀器通常用動壓平衡型煙塵采樣儀。
在煙塵采樣過程中，為了從煙道中采集到有代表性的煙塵樣品，要求等速采樣，即氣體進入采樣嘴的流速應(yīng)與采樣點的煙氣流速相等。三種煙塵采樣方法各有其特點，前期手動儀器，當工況不穩(wěn)、變化大、頻率高時，很難實現(xiàn)等速跟蹤采樣。等速管法動壓平衡型煙塵采樣儀器是用特制動壓平衡型等速采樣管采樣，利用裝置在采樣管上的孔板的差壓與皮托管指示的采樣點氣體動壓相平衡來實現(xiàn)等速采樣，這種方法不需事先測量測點的溫度、壓力、流速及煙氣含濕量便可采樣，等速響應(yīng)快，適應(yīng)煙塵濃度范圍廣，深受使用者歡迎。隨著電子技術(shù)、計算機技術(shù)的發(fā)展，動壓平衡型煙塵采樣儀也就進行了半自動、全自動升級，該方法煙塵采樣儀在性能上有了很大提高，但是該方法儀器有一個大的弱點，就是一種直徑的采樣嘴對應(yīng)一個孔板，即要配備多只采樣管才能適應(yīng)不同煙氣流速的煙塵測試，通常配Φ6mm、Φ8mm采樣嘴的帶孔板的采樣管，這對煙塵測試工作者帶來不便，煙塵測試現(xiàn)場條件通常較差，還需帶上多只采樣管，不同的流速段用不同的采樣管，增加了煙塵測試工作者的勞動強度，這就對動壓平衡型煙塵采樣儀生產(chǎn)廠家提出了新的課題，如何用一只采樣管來完成不同煙氣流速的等速煙塵采樣。本文將介紹一款既有動壓平衡等速采樣的特點，又只用一支帶有固定孔徑孔板的采樣管，來完成不同流速的等速煙塵采樣的動壓平衡型等速煙塵采樣儀。
2 儀器方案設(shè)計
2.1 原理
利用裝置在采樣管上孔板的差壓與采樣管平行放置的皮托管指示的氣體動壓相平衡來實現(xiàn)等速采樣，其原理可用下列關(guān)系式表示。當用皮托管測定氣體流速時，流速與動壓的關(guān)系式如下：
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式中：
——氣體密度，kg/m3
——氣體流速，m/s
——皮托管校正系數(shù)
——氣體動壓，Pa
用孔板測定采樣流速時，孔板前后差壓與流速的關(guān)系式如下：
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式中：
——孔板差壓，Pa
——流量系數(shù)
——膨脹系數(shù)
——采樣速度，m/s
——氣體密度，kg/m3
由于通過采樣嘴進入孔板的氣體和采樣點處的氣體是同一氣體，如濾筒阻力不大，可以認為它們的密度是一致的，即，設(shè)，則上述兩式可寫成如下形式：
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如果制作孔板時，使孔板系數(shù)=，當孔板差壓等于采樣點處氣體動壓時，采樣流速就等于采樣點處的氣體流速，即實現(xiàn)了等速采樣。
2.2 儀器系統(tǒng)構(gòu)成
儀器由一體化采樣管（包括：溫度傳感器、S型皮托管、采樣管）、干燥瓶、儀器主機、抽氣泵構(gòu)成，見圖1。
2.3 儀器主程序流程設(shè)計
智能化儀器開機對各壓力傳感器自動校零，為采樣后自動計算結(jié)果，設(shè)置和測量相關(guān)參數(shù)；根據(jù)測量動壓大小，確定采樣嘴直徑，以利于在合適的流量范圍采樣，調(diào)整孔板前后差壓，自動跟蹤煙氣動壓完成等速采樣。主程序流程圖見圖2。
1.溫度傳感器；2.等速采樣管；3.S型皮托管；4.差壓傳感器；5.壓力傳感器；6.絕壓傳感器；7.液晶顯示屏；8.微處理器；9.按鍵鍵盤；10.微型打印機；11.旋片抽氣泵；12.流量傳感器；13.氣路三通；14.氣體干燥器；15.氧傳感器；16.干濕球組件
圖1 儀器系統(tǒng)
3 關(guān)鍵技術(shù)的解決
3.1 等速采樣管的研制及論證
圖2 儀器主程序流程圖
根據(jù)我國煙塵煙氣固定污染源的煙氣流速分布情況，按原有煙塵等速采樣管制作技術(shù)，制作一支Φ8采樣嘴的等速采樣管，應(yīng)用計算機技術(shù)，修正孔板差壓與煙氣動壓的比例系數(shù)k，實現(xiàn)。以一支等速采樣管，變更采樣嘴直徑來完成不同流速的等速煙塵采樣。推導(dǎo)論證如下：采樣流量Q可用下式表達為：
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由式（5）可知，當動壓的平方根與采樣嘴直d的平方成反比時或動壓與采樣嘴直徑的4次方成反比時，流量保持不變，孔板差壓也將保持不變，即：
式中：
Q——采樣流量
v——采樣速度
S——采樣嘴口面積
d——采樣嘴口直徑
或者可把等速采樣流量視為復(fù)合變量（）的函數(shù)：
也可用的反函數(shù)形式表示如下：
（6）
對于Ф8的采樣嘴而言，保證等速采樣只需要，其中=1，即：
則、均可用的反函數(shù)形式表示：
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若改變采樣嘴直徑d，保持流量Q不變，即孔板差壓Pn不變，要維持等速采樣，此時適于等速采樣Pd應(yīng)為：
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（注：使儀器系統(tǒng)的抽氣泵、流量傳感器在有效工作段工作）
結(jié)合式（7）和式（8），可得：
即：?。?）
孔板差壓與煙氣動壓的比例系數(shù)：
（10）
通常儀器配備Φ6mm、Φ8mm、Φ12mm三種直徑的采樣嘴，用戶可備選Φ4mm、Φ10mm、Φ14mm、Φ16mm的采樣嘴。儀器在測量動壓參數(shù)時，儀器已編程，根據(jù)動壓大小，自動確定采樣嘴直徑，同時確定采樣時孔板差壓與煙氣動壓的比例系數(shù)k。
3.2 儀器穩(wěn)定性、可靠性的解決
煙塵采樣儀通常工作環(huán)境很惡劣，震動、溫度、強電磁場等產(chǎn)生很強的干擾，一般的單片機很容易受到干擾而導(dǎo)致工作失常，針對上述情況，選用*的工業(yè)控制計算機為控制系統(tǒng)，電源電路采用多次濾波，A/D轉(zhuǎn)換采用硬件濾波與數(shù)字濾波相結(jié)合的方式，使儀器在強干擾條件下得以正常工作。儀器設(shè)計有采樣自診斷功能，給出系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)，判斷系統(tǒng)是否在正常狀態(tài)下工作。
3.3 自動等速跟蹤采樣系統(tǒng)設(shè)計
根據(jù)動壓平衡原理，皮托管測得的動壓信號給計算機，計算機發(fā)出抽氣信號，改變孔板差壓，孔板差壓追蹤動壓等速采樣，響應(yīng)速度快，能準確地跟蹤煙氣流速的變化，界面上設(shè)計有等速精度顯示，能實時觀察等速跟蹤情況。
3.4 儀器軟件設(shè)計
煙塵采樣儀處理的數(shù)據(jù)很多，操作繁雜，對用戶素質(zhì)要求較高，在設(shè)計用戶操作界面時，充分體現(xiàn)以人為本的設(shè)計理念，采用640×480的彩色高亮度液晶屏，視覺效果好，操作采用中文菜單驅(qū)動人機對話方式，圖文顯示，用戶可以借助豐富的在線操作提示直接操作，大大減輕了操作人員的負擔。軟件設(shè)計中設(shè)計了如下功能：（1）掉電數(shù)據(jù)保護功能，復(fù)電后可從掉電處恢復(fù)采樣；（2）采樣數(shù)據(jù)自動存儲、設(shè)置參數(shù)自動記憶功能；（3）壓力傳感器開機自動校零功能；（4）通過鍵盤，對儀器各參數(shù)校準功能；（5）可查詢、打印歷史數(shù)據(jù)；（6）用戶可模擬自動采樣功能，幫助診斷儀器是否處于正常狀態(tài)。
4 試制結(jié)果及應(yīng)用前景
該儀器自2000年開始研制，經(jīng)歷了多次改進，產(chǎn)品日臻完善。2001年通過了技術(shù)質(zhì)量監(jiān)督部門的檢定，各項指標合格，取得了型式批準證書和計量器具生產(chǎn)許可證，2001年獲得第七屆中國環(huán)保展覽會金獎。產(chǎn)品行銷國內(nèi)外，取得了良好經(jīng)濟效益。與國內(nèi)同類儀器相比，具有等速采樣自動跟蹤速度響應(yīng)快優(yōu)點，具有系統(tǒng)狀態(tài)自檢功能；與國外同類儀器相比具有體積小、重量輕、價格便宜等優(yōu)勢，適合中國國情。
隨著我國環(huán)境監(jiān)測事業(yè)的發(fā)展，對各種燃煤鍋爐都要進行監(jiān)測，都要用到煙塵采樣儀，即使一些大型鍋爐安裝了煙塵煙氣在線監(jiān)測系統(tǒng)（CEMS），測量結(jié)果需要溯源到國家標準方法，便攜式煙塵采樣儀能為CEMS系統(tǒng)提供標定工具。便攜式煙塵采樣儀不會因為CEMS系統(tǒng)的推廣而淘汰，它只會與CEMS系統(tǒng)互補，長期共存。
