本发明是关于管道内颗粒物采集分析技术，具 体是关于一种适用于气体管道内颗粒物在线检 测 的装置及方法， 特别适用于高压和 /或高温气体（例如天然气、 烟气等）管道内颗粒物的在线检测。 背景技术

管道内颗粒物采集分析技术广泛应用于各气体 输送领域， 通常会涉及一些高压和 /或高温工况 条件。

例如， 天然气管道， 由于天然气气源及天然气管道磨损腐蚀等原因 ， 天然气输送过程中会含有 黑色的固体杂质等颗粒物。天然气站场采用过 滤分离设备来除去天然气中的颗粒物，从而保 证后续 压缩机、仪表及阀门等重要设备的正常运行。 过滤分离设备运行中具有一定的阻力， 增加了下游压 缩机的能耗，需要根据天然气管道内颗粒物的 实际情况选择合适的过滤分离设备和制定合理 的运行 方案以及天然气站场排污和清关作业安排。 此外， 天然气管道通常为高压工况。 因此， 对高压天然 气管道内颗粒物浓度和粒度分布等状况进行检 测是很有意义的。

再如，高温陶瓷过滤器是煤化工和催化裂化中 常用的过滤设备，其滤管断裂是目前所面临的 重 要问题，陶瓷滤管一但断裂对造成管道内的颗 粒物浓度迅速升高，严重危害下游的重要设备 的正常 运行， 例如造成烟气轮机的叶片磨损等， 而目前缺少对过滤器出口颗粒物浓度实时监测 的技术。 因 此，对高温过滤分离设备进出口进行颗粒物测 定来其性能进行评价并实时监测管道内颗粒物 浓度变 化对保护下游重要设备具有重要意义。

目前针对高压和 /或高温气体管道内颗粒物的检测主要分为离� �检测和在线检测。 离线检测是 指通过高精度的滤筒或滤膜将气体管道内的粉 尘等颗粒物收集，对其称重后计算出管道内的 颗粒物 浓度，再借助其他粒度分析仪测定出收集的颗 粒物粒径。这种离线检测方式可以比较客观的 测定出 管道内颗粒物特性， 但是当浓度较低时操作时间较长， 实时性不好。而目前大多数在线检测装置为 采用光学原理，只能在常温常压下进行检测， 所述检测设备如果用于高温或高压工况的检测 则需要 将高温气体降温或将高压气体降压后再通过仪 器检测， 而温度或压力的降低会使某些气体析出液 滴， 造成颗粒物团聚， 影响测量结果， 并且凝结的液滴也会污染光学镜头。 目前也有少数仪器也可 以直接用于高温或高压工况下在线测量， 例如， CN201060152Y公开了一种高压天然气管道内粉尘 在线检测装置， 该装置结构复杂， 且从现场使用情况来看， 浓度过低或过高时测量仪器测量结果不 准确。 此外， 针对天然气长输管线， 颗粒浓度变化大， 从几毫克至几百毫克， 粒径范围从 0.3微米 至 100 微米， 目前的检测技术尚不能达到对高压天然气管道 内颗粒物浓度长期在线监测的技术效 果， 也不能测量管道内液滴的含量。另一方面， 目前尚缺少颗粒物长期监测的技术在管道内颗 粒物 采集分析技术领域的应用。 发明内容

有鉴于上述现有气体管道内颗粒物检测技术存 在的缺点，本案发明人基于从事相关科研及现 场 经验和专业知识，创造性地提出了一种能够直 接在线检测和长期监测气体管道特别是高压或 高温气 体管道内颗粒物的装置及方法。

本发明的一个目的在于提供一种适用于气体管 道内颗粒物在线检测的装置， 该装置维护成本 低，可靠性强，可实现高压或高温气体管道内 颗粒物特性的测定，进一步且还可实现长期在 线监测。

本发明的另一目的在于提供利用所述装置对气 体管道内颗粒物在线检测的方法，所述气体管 道 可以是高温和 /或高压气体管道， 无需将高压气体减压、 或将高温气体降温即可在线实现管道内颗 粒物特性的测定， 进一步还能够实现长期在线监测。

为达到上述目的，一方面， 本发明提出一种适用于气体管道内颗粒物在线 检测的装置， 该装置 包括：

在线检测单元；所述在线检测单元包括通过管 路依次串接的主采样嘴以及流量分配器；所述 主 采样嘴的前端伸入需检测的气体管道内，末端 串接流量分配器气体进口；所述流量分配器设 置有一 个腔体， 腔体前侧设置一个气体进口， 后侧设置两个气体出口而分出主路及旁路两条 管路， 主路依 次串接二次采样嘴、在线颗粒物粒径谱仪以及 第一质量流量控制器，旁路串接第二质量流量 控制器; 主采样嘴从气体管道内采样后，所采气样从流 量分配器气体进口经扩散进入腔体后，分别经 二 次采样嘴和旁路出口排出。

本发明中， 所述"前"、 "后"或"末"的方向是指按照气体流动的上下游� �向而言， 即， 气流方向 是从"前"流向"后"或"末"。

根据本发明的具体实施方案， 本发明的装置， 可适用于高压和 /或高温气体管道内颗粒物的在 线检测。

在本发明的一具体实施方案中，所述气体管道 为高温气体管道，本发明的适用于气体管道内 颗 粒物在线检测的装置还包括：

预热吹扫单元； 该预热吹扫单元并联设于主采样嘴与流量分配 器之间的管路上，包括加热气体 储罐与保温管线， 用于对整个系统的管线进行吹扫和预热。

具体地说， 本发明的适用于高温气体管道内颗粒物在线检 测的装置包括：

( 1 ) 在线检测单元； 该在线检测单元包括通过管路依次串接的主采 样子系统、 二次采样子系 统、 颗粒物粒径在线分析仪以及第一流量计量控制 子系统； 其中：

所述主采样子系统包括管状主采样嘴，该主采 样嘴前端伸入需检测的高温气体管道内， 以引入 含有颗粒物的高温气体样品；

所述二次采样子系统包括气体流量分配器和一 个二次采样嘴； 所述流量分配器设置有一个腔 体， 腔体前侧设置一个气体进口， 后侧设置两个气体出口而分出主路及旁路两条 管路； 主路依次串 接二次采样嘴、颗粒物粒径在线分析仪以及第 一流量计量控制子系统，旁路串接第二流量计 量控制 子系统； 主采样子系统从高温气体管道内采样后， 所采气样从流量分配器气体进口经扩散进入腔 体后， 分别被下游方向的二次采样嘴采出以及从旁路 出口排出；

(2 )预热吹扫单元； 该预热吹扫单元并联设于主采样子系统与二次 采样子系统之间的管路上， 包括加热气体储罐与保温管线， 用于对整个系统的管线进行吹扫和预热。

本发明的适用于气体管道内颗粒物在线检测的 装置中，利用所述流量分配器的结构设计，可 以 让进入其腔体的气流在腔体内部形成湍流，进 而使其内的颗粒物混合均匀，来满足二次取样 嘴可以 采到具有代表性的样品。

根据本发明的具体实施方案，本发明的适用于 气体管道内颗粒物在线检测的装置中，所述流 量 分配器的腔体直径大于气体进口与主路出口， 所述旁路为从主路上引出的分支管路； 优选地， 气体 进口、腔体与主路出口设置在同一中心线上； 更优选地， 旁路出口的中心线方向与气体进口中心线 方向呈垂直设置。

本发明中，所述流量分配器的结构尺寸只要能 实现让所述流量分配器腔体的气流在腔体内部 形 成湍流而混合均匀的目的即可。根据本发明的 优选方案，所述流量分配器的腔体直径与气体 进口直 径的比例为 2~10： 1； 腔体长度 （沿采样气流方向） 与腔体直径的比例为 0.5~3： 1， 可根据气体流 速进行适当调整。

根据本发明的具体实施方案，本发明的适用于 气体管道内颗粒物在线检测的装置中，主采样 嘴 通过机械或液压结构伸缩至气体管道中的待测 位置。所述主采样嘴通常为管状采样嘴。优选 地， 所 述装置还包括随主采样嘴深入管道内的以下设 备中的一种或多种：

能测量压力和 /或温度的传感器， 和 /或具有测量流速功能的探头。

根据本发明的具体实施方案，本发明的适用于 气体管道内颗粒物在线检测的装置中，所述二 次 采样嘴前端伸入气体分配器内部，对进入流量 分配器中的气体中的粉尘进行二次采样，其末 端与第 一气体出口 （主路气体出口） 相连。

根据本发明的优选具体实施方案，本发明的适 用于气体管道内颗粒物在线检测的装置中，所 述 主路的在线颗粒物粒径谱仪与第一质量流量控 制器之间还进一步串接设置有第一颗粒物捕集 器。这 样， 在进行在线检测的同时也可对颗粒物进行离线 采集检测， 可同在线检测的结果相互验证。

根据本发明的具体实施方案，本发明的适用于 气体管道内颗粒物在线检测的装置还可进一步 包 括：

离线检测单元； 该离线检测单元包括第二颗粒物捕集器，该第 二颗粒物捕集器前端连接于主采 样嘴与流量分配器之间的管路上，后端连接于 旁路出口与第二质量流量控制器之间的管路上 。离线 检测单元的设置主要是用于将其检测结果同在 线检测的结果比较， 验证可靠性。

根据本发明的具体实施方案， 本发明的适用于气体管道内颗粒物在线检测的 装置还进一步包 括：

长期在线监测单元；该长期在线监测单元包括 粉尘浓度传感器和计算机，粉尘浓度传感器用 于 检测管道内的粉尘情况， 将管道内的颗粒物浓度值转成电流信号传输至 计算机以实现长期在线监 根据本发明的一具体实施方案， 本发明的装置包括：

在线检测单元； 该在线检测单元包括通过管路依次串接的主采 样嘴、第一阀门、三通球阀以及 流量分配器；所述主采样嘴的一端伸入需检测 的气体管道内，主采样嘴伸入气体管道的连接 处通过 管道接管及法兰密封， 主采样嘴另一端经第一阀门、三通球阀串接流 量分配器气体进口； 所述流量 分配器设置有一个腔体，腔体一侧设置一个气 体进口，另一侧设置两个气体出口而分出主路 及旁路 两条管路； 主路依次串接二次采样嘴、 在线颗粒物粒径谱仪、 第一颗粒物捕集器、 第一减压阀以及 第一质量流量控制器； 旁路依次串接第二阀门、第二减压阀以及第二 质量流量控制器； 主采样嘴从 气体管道内采样后，所采气样从流量分配器气 体进口经扩散进入腔体后，分别经二次采样嘴 和旁路 出口排出；

离线检测单元； 该离线检测单元包括通过管路依次串接的第二 颗粒物捕集器与第三阀门，第二 颗粒物捕集器前端连通所述三通球阀，第三阀 门末端的管路接设在第二阀门与第二减压阀之 间的管 路上；

长期在线监测单元；该长期在线监测单元包括 串接的粉尘浓度传感器和计算机，粉尘浓度传 感 器前端管路伸入需检测的气体管道内用于检测 管道内的粉尘情况，并将管道内的颗粒物浓度 值转成 电流信号传输至计算机以实现长期在线监测。 另一方面，本发明还提供了一种对气体管道内 颗粒物进行在线检测的方法，该方法是利用本 发 明所述的装置对气体管道内颗粒物进行在线检 测， 其中，

利用在线检测单元的主采样嘴从气体管道内采 集气样，所采气样从流量分配器气体进口经扩 散 进入腔体后， 分别进入主路与旁路；

利用颗粒物在线粒径谱仪对主路中二次采样嘴 所采气样中颗粒物的浓度和粒径进行测定，并 利 用第一质量流量控制器对进入颗粒物在线粒径 谱仪的气体流量进行计量和控制，利用第二质 量流量 控制器计量和控制进入旁路的多余气体的流量 ，以满足在线粒径谱仪自身流量的要求以及在 线检测 单元等速采样的要求。

根据本发明的具体实施方案，在利用包括预热 吹扫单元的装置对高温气体管道内颗粒物进行 在 线检测时，该方法还包括步骤:先利用预热吹� �单元将加热气体引入检测单元管线进行吹扫� �预热， 之后关闭预热吹扫单元运作； 然后再利用在线检测单元采样。

根据本发明的具体实施方案，本发明的气体管 道内颗粒物在线检测的方法中，第一质量流量 控 制器所测气体流量与第二质量流量控制器所测 气体流量之和为进入整个在线检测单元的气体 流量， 根据主采样嘴口径的大小得到进入主采样嘴时 气体的流速；当进入主采样嘴处的流速等于管 道内流 速时， 即达到等速采样， 能采集到管道中具有代表性的颗粒物。

根据本发明的优选具体实施方案， 本发明的方法中所述装置还包括所述的长期在 线监测单元， 该长期在线监测单元包括粉尘浓度传感器和计 算机， 粉尘浓度传感器用于检测管道内的粉尘情况， 将管道内的颗粒物浓度值转成电流信号传输至 计算机以实现长期在线监测；所述方法还包括 ：利用 长期在线监测单元计算管道内粉尘浓度 C， 与在线检测单元的检测结果进行分析比较； 其中， 按照 以下公式计算管道内粉尘浓度 C:

c _ a(AI + βΑΗ)

_ γ ^η

式中， C: 管道内粉尘浓度；

AI: 传感器输出电流变化值；

ΛΗ-. 湿度变化值；

V： 管道风速；

α、 β、 m为针对具体粉尘的粉尘浓度传感器标定系数� � 根据本发明的具体实施方案， 所述粉尘 浓度传感器为静电式粉尘浓度传感器（简称静 电传感器） 。 具体实施时， 可以通过实验研究风速和 湿度对静电式粉尘浓度传感器输出信号的影响 ，进一步确定出针对不同粉尘的静电式粉尘浓 度传感 器标定系数。例如， 根据本发明的具体实施方案， 所确定出的针对不同粉尘的静电式粉尘浓度传 感 器标定系数为： 800目滑石粉的标定系数 α为 1000， β为 1032， m为 2.18 ; 飞灰的标定系数 α为 400， 为 8.04， m为 1.88 ; 天然气管道内粉尘的标定系数， α为 400， 为6.07， m为 2.18。

根据上述模型公式，通过粉尘浓度传感器输出 电流变化、湿度变化和管道实时风速即可确定 出 管道内粉尘浓度实时显示。

为了验证本发明的上述经验模型公式的准确性 ， 本发明在环境温度为 15 °C， 环境湿度为 RH30%、 管道风速为 6.3m/s的实验条件下， 以 800目滑石粉作为管道输送介质进行了实验。 采用 经验模型计算出粉尘传感器电流输出值所对应 粉尘浓度并同实验结果（在线检测结果）相对 比， 如 图 1所示。 相对误差分析结果参见表 1。 从表 1中可以看出， 经验模型计算值与静电法测 800目滑 石粉浓度的实验结果的相对误差小于士 5%。

表 1 相对误差分析结果

在本发明的一具体实施方案中， 本发明的适用于气体管道内颗粒物在线检测的 装置包括： 在线检测单元； 该在线检测单元包括通过管路依次串接的主采 样嘴、第一阀门、三通球阀以及 流量分配器；所述主采样嘴的一端伸入需检测 的气体管道内，主采样嘴伸入气体管道的连接 处通过 管道接管及法兰密封， 主采样嘴另一端经第一阀门、三通球阀串接流 量分配器气体进口； 所述流量 分配器设置有一个腔体，腔体一侧设置一个气 体进口，另一侧设置两个气体出口而分出主路 及旁路 两条管路； 主路依次串接二次采样嘴、 在线颗粒物粒径谱仪、 第一颗粒物捕集器、 第一减压阀以及 第一质量流量控制器； 旁路依次串接第二阀门、第二减压阀以及第二 质量流量控制器； 主采样嘴从 气体管道内采样后，所采气样从流量分配器气 体进口经扩散进入腔体后，分别经二次采样嘴 和旁路 出口排出；

离线检测单元； 该离线检测单元包括通过管路依次串接的第二 颗粒物捕集器与第三阀门，第二 颗粒物捕集器前端连通所述三通球阀，第三阀 门末端的管路接设在第二阀门与第二减压阀之 间的管 路上；

长期在线监测单元；该长期在线监测单元包括 串接的粉尘浓度传感器和计算机，粉尘浓度传 感 器前端管路伸入需检测的气体管道内用于检测 管道内的粉尘情况，并将管道内的颗粒物浓度 值转成 电流信号传输至计算机以实现长期在线监测。

在本发明的上述具体实施方案中，所述在线检 测单元可以定期对气体管道内的颗粒物的浓度 和 粒径进行精确测定；所述长期在线监测单元可 以长期对管道内的颗粒物浓度进行监测。 以下以对高 压天然气管道内的颗粒物进行检测为例进行具 体说明（对高温气体管道内颗粒物进行检测时 主要是 先利用所述的预热吹扫单元将加热气体引入检 测单元管线进行吹扫和预热，之后关闭预热吹 扫单元 运作； 然后再利用在线检测单元采样） ：

所述主采样嘴可通过机械或液压结构伸缩至天 然气管道中的不同位置，此形式不限， 随主采样 嘴深入管道的可以有具有测量流速功能的探头 ，如皮托管等其形式不限，并且也可以伸入测 量压力 和温度的传感器。含尘天然气通过采样嘴进入 采样系统内进行颗粒物检测。检测方式分为两 种， 即 ( 1 )在线检测； （2 )离线检测。 两种检测方式可以通过三通球阀的切换和第二 阀门、 第三阀门的 开闭组合来实现。离线检测的主要目的是对在 线检测结果的相互验证，确保检测的准确性和 可靠性， 并且离线取样可以收集粉尘， 用于进一步的分析， 如成分、 粒度分布的分析等。

当进行在线检测时， 三通球阀为直通状态， 第三阀门关闭， 第二阀门开启。 天然气经三通球阀 进入流量分配器， 一部分气体（此部分气体可根据在线检测仪器 的需求来确定具体量。一般在线监 测仪器需要在一个稳定流量下测量， 因此在此处进行二次取样）通过二次采样嘴进 入在线粒径谱仪 进行颗粒浓度和粒径的检测，经检测后的天然 气中颗粒物经第一颗粒物捕集器来收集，进一 步气体 进入第一减压阀后通入第一质量流量控制器， 来对进入颗粒物在线粒径谱仪的天然气流量进 行计量 和控制， 来满足在线粒径谱仪自身流量的要求（此时流 量为恒定） 。 进入流量分配器中多余气体经 第二阀门、第二减压阀进入第二质量流量控制 器中，气体的流量通过第二质量流量控制器来 计量和 控制。通过调整进入流量控制器的气体流量大 小来满足整个采样系统等速采样的要求，第一 质量流 量控制器所测流量与第二质量流量控制器所测 流量之和为进入整个采样系统的流量，根据主 采样嘴 口径的大小可得到进入采样嘴时气体的流速。 当进入主采样嘴处的流速等于管道内流速时， 即达到 等速采样， 可以采集到管道中具有代表性的颗粒物。

当采样系统切换至离线检测时， 三通球阀切换至 90度方向， 第三阀门开启， 第二阀门关闭。 天然气经三通球阀进入第二颗粒物捕集器中， 颗粒物在此被捕集， 进一步天然气经第三阀门、第二 减压阀减压后进入第二质量流量控制器，然后 排放至安全区域。第二质量流量控制器对采样 的流量 进行计量和控制， 来满足等速采样的要求。

所述长期在线监测单元包括粉尘浓度传感器和 计算机。 粉尘浓度传感器检测管道内的粉尘情 况， 将管道内的颗粒物浓度值转成电流信号传输至 计算机， 可实现长期在线监测。

此外， 利用本发明的装置， 在进行在线检测的同时也可对颗粒物进行离线 采集检测， 可同在线 检测的结果相互验证。

根据本发明的具体实施方案， 所述在线检测单元、 离线检测单元中所述阀门形式不限， 可为实 现所述功能的任意种类。 所述在线粒径谱仪为采用光学原理的仪器， 例如， 可以采用 Palas 公司 WELAS系列光学在线粒径谱仪， 利用现有技术中的耐高压气溶胶导管可实现在 高压 12MPa下测 量， 也可以利用现有技术中的耐高温气溶胶导管可 实现在温度 650°C、 压力 5MPa下安全可靠的运 行。

根据本发明的具体实施方案，本发明还对在线 粒径谱仪中的光学传感器进行了改进，使其能 够 更好地应用于高压 （5=标准大气压）和高温工况（高于 20°C ) 下在线检测含尘颗粒的粒径和浓度。 具体而言：

本发明提供的光学传感器参见图 9所示， 其包含一个气溶胶检测导管 101， 在气溶胶检测导管 101周围均布着四个玻璃视窗 102， 在互成 90度的两个视窗外部布置两个消色差透镜 131与 132， 且两个消色差透镜 131与 132分别位于光学传感器内部的入射光路和接受 光路（出射光路）上， 在 入射光路和接收光路的消色差透镜 131与 132外部还分别设有小孔光阑 141与 142，在入射光路和 接收光路的小孔光阑 141与 142外部还分别设置汇聚透镜 （聚焦准直透镜） 151与 152。 入射光路 的汇聚透镜外部为光源， 接收光路的汇聚透镜外部为光电接收器 （光电探测器） 106。 此外， 如图 所示， 在接收光路上还设有平面反射镜 107， 以将来自消色差透镜 132的光反射至小孔光阑 142并 进一步经汇聚透镜 152后被光电探测器探测到。本发明对光学传感 器构造的描述中，所述的"外部" 是以气溶胶检测导管为中心、 远离气溶胶检测导管的方向。

含尘气体通过气溶胶导管引入至光学传感器内 部中，光学传感器内部的光路分为两部分， 即入 射光路和接受光路两部分，光源发出的光可通 过光纤或其他形式进入到光学传感器中，通过 汇聚透 镜 151、 小孔光阑 141和聚焦消色差透镜 131将光线聚焦于含尘气体流动 （图中垂直于纸面向下） 的通道中心即气溶胶检测导管 101中心，入射光路和接收光路中的小孔光阑气 体通过的通道中心位 置定义出一个虚拟的光学敏感区， 称之为光学测量体 108， 只有进入到该光学测量体的颗粒才会被 检测到。 进入到光学测量体区域的颗粒， 在光线的照射下发出散射光， 散射光通过接收光路接收， 通过光电探测器转换成电信号， 每个颗粒转对应一个电脉冲， 颗粒散射光强和颗粒大小符合 Mie 散射定律， 通过测量电脉冲的数目和幅值即可推算出颗粒 的大小和浓度。 通常用于颗粒粒度在线检测的光学传感器的标 定是在常温常压环境。高温或高压工况下，传 感 器所检测的含尘气体的密度与常温常压有很大 的不同，气溶胶检测导管内外气体的密度差较 大会使 光束射入气溶胶检测导管时光线发生偏折，导 致通过光阑反射光束的成像位置偏离于气溶胶 导管中 心， 使得照射到粒子上的光强降低， 并直接影响接收光路中探测到的光强， 导致系统对粒径测量值 偏小， 造成较大的测量误差。 而采用本发明的改进的光学传感器， 可以在不同温度、 压力下， 能通 过调节小孔光阑的位置来保证正确测量， 光学测量体积的大小不受高压和高温工况的影 响。

根据本发明的具体实施方案，应用包含上述在 线颗粒物粒径谱仪的装置对气体管道内颗粒物 进 行在线检测时，其中，所述在线颗粒物粒径谱 仪的光学传感器的入射光路和接收光路中的小 孔光阑 气体通过的气溶胶检测导管中心位置定义出一 个虚拟的光学测量体，所述对气体管道内颗粒 物进行 在线检测的方法还包括以下调整光路以对成像 位置进行修正的过程： 根据所测工况的温度、 压力， 通过调整小孔光阑的位置来保持光学测量体的 大小同常温常压下相同。具体地， 小孔光阑调节的距 离 按照以下方式确定： 计算所测温度、 压力下气体的折射率， 根据入射光路和接收光路的光 学几何关系以及气体折射定律计算出修正后的 自由空间的像距，接下来再根据透镜的焦距和 像距以 及自由空间光学成像原理计算出修正后的光阑 距离透镜的物距 _M ， 并根据修正前小孔光阑的初始 物距 _M 。最终确定出小孔光阑需要移动距离 ζίΜϋβ, 取值正数表明远离透镜方向， 取值负数为 靠近透镜方向。 更进一步的解释说明如下：

如图 10所示， 在高温或者高压下， 通过调整小孔光阑 141和 142的位置来保持光学测量体的 大小同常温常压下相同。 通过理论计算和仪器的实际检验， 光阑调整距离 ζί _Μ 在气体的压力 Ρ、 温 Γ、 影响下的调整方法。

再请参见图 1 1所示， 通过分析入射光路的特性来建立温度压力对光 阑成像的影响模型， 由于 光路具有对称性， 为方便分析特将光路进行了简化， 仅取光路的一半进行分析， 光路分析如图 1 1 所示。

与图 10中的入射光路对应， 小孔光阑中心位于 G点， 消色差透镜位于 0点， 玻璃视窗位于 Ρ 点， Α点为气溶胶导管中心位置。 为了便于分析， 选取光阑中心的成像进行分析， 当在常温常压环 境下进行检测时， 光阑成像位于 A点， 当气溶胶导管内通入高压或高温气体时， 玻璃视窗左侧的 密度发生变化， 直接导致气溶胶导管内的气体折射率发生了变 化， 光阑成像位置从 A点变为 B点， 因为 A点成像模糊， 因而在出射光路中的第二次成像受到了很大影 响， 颗粒进入此区域时散射光 强度变弱， 此时仪器测量结果不准确， 需要调整光路对成像的位置进行修正。通过改 变光阑距离透 镜的距离 OG使光阑的像再次回到 A点。 光阑在此位置时对应的常温常压工况下， 光阑的像应该 在 C点， 因此可以根据图 11中光线的几何关系， 根据几何光学以及折射定律来计算出光阑调整 的 距离。

具体计算过程如下：

透镜的直径为 2DO=D， 本发明的仪器在常温常压下， 光束覆盖到的玻璃视窗的半径为 EP。 令 DI=JT;,DH=J HI=J ，玻璃视窗与透镜间距 PO= 修正前光阑成像位置与玻璃视窗间距 AP=/。， 光束覆盖到的光学视窗的半径为 EP=R ； 修正后光阑成像位置与玻璃视窗间距 CP=/;， 光 束覆盖到的光学视窗的半径 FP=R &。 修正前常温常压下最边缘成像光束的入射角 ZDEH=ZJAO =a ₀ ,折射角 ZJBP =β ₀ ;修正后常温常压下最边缘成像光束的入� �角 ZKCO =ο ,折射角 ΖΚΑΡ =β!。 玻璃视窗厚度为 h， 光线进入到玻璃视窗的折射角 ZMEJ=oc _fl '， ZNFK=a , 玻璃视窗的折射率为 n _glass , 忽略其受高压和高温的影响， 根据光学几何关系，

修正前光路通过三角函数关系等可以得到以下 式子：

t _ar ,„ _ -y _a _RS ₀ -h*tana ₀ '

m ^na 。—— "— " (1) 根据气体折射定律：

« ₀ *sin« ₀ =^ _tes *sin« ₀ ' (2) 。X U ⁱⁿ A) (3) 其中： 《。是常温常压下空气折射率约等于 1， 为高温和高温工况下含尘气体的折射率。 通过上面得公式， 可以算出角度 oc。， α ₀ ', 及 Α)。

光路修正后， 采用同样的方法可以得到下式：

_ RS _{ -y _x _ RS ₀ — * (tan ₁ - tan ₀ ) - * tan α _χ '

^o^sin^ =« _g/ _*sina ₁ ' (5) * ^sin = ^sin A (6) 同样的方法， 将通过上面三个公式， 加上三角函数公式， 可以分别求得《m;和^^；， 根据几 何关系， 0 ₄ <0, ₀ <[ , 可以确定出角度 _αι ， α , Άβ。

最终想要求解到的为：

RS _X - y _x RS ₀ — * (tan a - tan α ₀ ) - z * tan a[

'l— — ( / 1 tan^ tan^

折射率 在高温高压下的影响可通过以下方式进行计算 ：

通常工业现场被测含尘气体的组分多为混合组 分，根据气体组份及每种气体对应的折射率， 通 过 Lorentz-Lorenz方程得到混合气体的有效折射率：

(8) n -2

其中 _ni 为单组分气体的折射率， φι是每种组份的体积分数

再根据可压缩气体状态方程推导出：

n ² -1 p pT ₀ Z ₀

(9)

«ο -1 Ρο Ρο ^ΤΖ

其中《。为气体标况下折射率， ρ«为标况下密度， Ρ为工况下绝对压力， 为标况下绝对压力，

Γ为工况下绝对温度， r _fl 为标况下绝对温度， ¾^BZ分别为标况下和工况下的压缩因子。 通过式 (1 (6)首先可以确定出 ^和 oc;大小，进而计算出成像偏移的距离仪器 和修正后光束 覆盖到的光学视窗的半径 R&， 再根据几何关系式 (7)， 计算出仪器修正后常温常压工况下成像距离 视窗距离 /， 可以计算出修正后的自由空间的像距 0 = + ， 仪器修正前后透镜的焦距/不变， 接 下来再根据自由空间光学成像原理： 丄 (10) 计算出修正后的物距 _Ul ， 根据修正前光阑的初始物距 M。最终确定出光阑需要移动距离

Au=u _r u ₀ , 正号表明远离透镜方向， 负号为靠近透镜方向。 按照上述计算， 得到气体温度压力和光 阑调整距离的关系， 可以保证其成像在高温和高压工况下与常温常 压下的位置相同。

现在举一具体实例来说明计算过程。

消色差透镜的直径 为 7.6mm， 常温常压下玻璃视窗距离气溶胶检测导管中心 位置 （光阑成 像） 的距离为 i¾=6.5mm， 视窗玻璃距离透镜的距离 为 10mm， 透镜焦距为 15.1mm， 光束覆盖到 的光学视窗的半径为 R =1.5mm。 此时像距为！ ¾=16.5mm， 物距 ^为 1811∞«， 当气溶胶导管内的 气体为压力为 5Mpa， 温度 13 °C的天然气时可以根据式 (8)和 (9)计算出此时天然气的折射率 n 为 1.0034。

再根据式 (7)可以求得 ο¾« 13 ° ， oc/«13.02° ， ^«12.95°， RS _; = 1.497mm, / =6.476mm和像偏移 距离 Δν«20μηι， 而光学传感器中用于颗粒测量的光学测量体的 大小仅为 50μηιχ70μηιχ70μηι大小， 像距偏移的距离己经足以影响光学测量体大小 ， 此时测量结果不准确。

再根据透镜的焦距和像距 w=L+ +h， 和式 (10)可计算出此时光阑距离透镜的距离 _Ul 为 185.2mm。 这样光阑远离消色差透镜的方向调节的距离为 _M =M _r M _fl =4.2mm。

由于光路具有可逆性， 光学传感器的出射光路也可以按照上述方法进 行调节。 根据本发明的具体实施方案，所述第一质量流 量控制器、第二质量流量控制器可以是集质量 流 量测量与流量控制于一体的仪器，也可以是将 具有流量控制功能的阀门和流量测量功能的仪 表组合 的组合设备。

根据本发明的具体实施方案，所述长期在线监 测单元的粉尘浓度传感器为现有技术中的静电 式 粉尘浓度传感器， 所述计算机可为任何具有实时显示功能的仪器 所替代。 综上所述，本发明提供了一种适用于气体管道 内颗粒物在线检测的装置及方法，装置结构简 单， 维护成本低，可靠性强，无需将高压气体降压 或将高温气体降温即可在线实现管道内颗粒物 特性的 测定， 进一步还可实现长期在线监测。经实践验证， 本发明的技术用于对天然气长输管线内的颗粒 物、 高温烟气管道内的颗粒物等进行检测， 适用颗粒浓度变化大， 从几毫克至几百毫克， 粒径范围 从 0.3微米至 100微米， 均可以精确测量， 并且在在线检测的同时进行离线取样， 二者结果能够相 吻合。 在长期在线监测时， 当管道浓度低至 lmg/m ³ 以下时仍可以进行测量。

与现有技术相比， 本发明具有以下特点和优点： 1. 无需降压可直接用于高压天然气管道内颗 粒物的浓度和粒径进行测定， 最高工作压力可达 12MPa， 可避免高压天然气降压降温导致液滴析 出影响颗粒测量； 无需降温可直接用于高温气体管道内颗粒物的 测定， 最高工作温度可达 650°C， 避免了高温气体降温导致某些成分析出影响颗 粒测量； 2. 集成在线检测和离线检测于一体， 两种 检测方式可进行切换； 3. 在进行在线检测的同时也可对颗粒物进行离线 采集， 可同在线检测的结 果相互验证； 4. 可实现粉尘浓度长期在线监测， 维护成本低。 附图说明

图 1为验证本发明中计算管道内粉尘浓度 C的公式的准确性的实验结果和计算结果的对� �图。 图 2为本发明的气体管道内颗粒物在线检测装置� �结构示意图。

图 3为本发明的装置中流量分配器的结构示意图� �

图 4为本发明实施例 1中 Coulter测量结果和在线测量结果对比图。

图 5为本发明实施例 2中的高温气体管道内颗粒物在线检测装置的� �构示意图。

图 6为本发明实施例 2中 Coulter分析仪测得的催化剂粒径分布图。

图 7为本发明实施例 2中在线分析仪测得的催化剂粒径分布图。

图 8为本发明实施例 2中过滤器下游的催化剂微观结构照片。

图 9为本发明的光学传感器原理图。

图 10为本发明的光学传感器光路调整原理图.

图 11为本发明的光学传感器光路调整分析图。 具体实施方式

为了对本发明的技术特征、 目的和效果有更加清楚的理解， 现对照附图进一步详细说明本发 明的测定方法的特点及所具有的技术效果， 但本发明并不因此而受到任何限制。 实施例 1

请参见图 2所示，本实施例主要是对高压天然气管道内� �颗粒物进行在线检测，所述装置包括 在线检测单元 I以及长期在线监测单元 II。 其中：

在线检测 I单元主要包括通过管路依次串接的主采样嘴 1、 管道接管 2、 法兰 3、 第一阀门 4、 三通球阀 5以及流量分配器 8 (本实施例中， 还设置有压力变送器 6、 温度变送器 7以监测流量分 配器 8内的温度压力） ， 从流量分配器 8分出两条管路， 一条管路依次串接二次采样嘴 9、 在线颗 粒物粒径谱仪 10 (采用 Palas公司 WELAS光学在线粒径谱仪， 利用现有技术的耐高压气溶胶导管 可实现在高压 12MPa下测量） 、 第一颗粒物捕集器 11、 第一减压阀 12以及第一质量流量控制器 13， 另一条管路依次串接第二阀门 16、 第二减压阀 17以及第二质量流量控制器 18。

关于流量分配器 8的具体结构请参见图 3所示， 其设置有一个腔体 801， 腔体前侧设置一个气 体进口 802， 后侧设置两个气体出口 （主路出口 803， 旁路出口 804)而分出主路及旁路两条管路； 其中， 所述流量分配器的腔体 801直径大于气体进口 802与主路出口 803， 所述旁路为从主路上引 出的分支管路； 气体进口 802、 腔体 801与主路出口 803设置在同一中心线上； 旁路出口 804的中 心线方向与主路出口 803中心线方向呈垂直设置。利用该流量分配器 8的结构设计，可以让进入其 腔体的气流在腔体内部形成湍流，进而使其内 的颗粒物混合均匀，来满足二次取样嘴可以采 到具有 代表性的样品。

进一步地，该实施例的装置还包括离线检测管 路，该离线检测管路包括通过管路依次串接的 第 二颗粒物捕集器 14与第三阀门 15， 第二颗粒物捕集器 14另一端连通所述三通球阀 5， 第三阀门 15的另一端接设在第二阀门 16与第二减压阀 17之间的管路上。

主采样嘴 1可伸入天然气管道中，用于采集高压天然气� �颗粒物样品，采样嘴同管道的连接方 式可利用法兰、 螺纹等方式， 形式不限， 图中显示是通过管道接管 2和法兰 3， 使管道内天然气密 封，可以通过机械或液压方式将采样嘴伸入与 取样管道中的不同位置。所述第一阀门 4设于所述采 样嘴 1与所述三通球阀 5之间， 用于控制所述主采样嘴 1的开启或关闭。

含尘天然气通过采样嘴 1进入采样系统内进行颗粒物检测。 检测方式分为两种， 即 （1 ) 在线 检测， （2 ) 离线检测。 两种检测方式可以通过三通球阀 5的切换和第三阀门 15、 第二阀门 16的 开闭组合来实现。

当进行在线检测时， 三通球阀 5为直通状态， 关闭第三阀门 15， 第二阀门 16开启。 天然气经 三通球阀 5进入流量分配器 8， 一部分气体通过二次采样嘴 9进入在线粒径谱仪 10进行颗粒浓度 和粒径的检测， 经检测后的天然气中颗粒物经颗粒物捕集器 1 1来收集， 进一步气体进入第一减压 阀 12后通入第一质量流量控制器 13， 来对进入颗粒物在线粒径谱仪 10的天然气流量进行计量和 控制， 来满足在线粒径谱仪自身流量的要求（此时流 量为恒定） 。 进入流量分配器 8中多余气体经 第二阀门 16， 第二减压阀 17进入第二质量流量控制器 18中， 气体的流量通过第二质量流量控制 器 18来计量和控制。 通过调整进入流量控制器的气体流量大小来满 足整个采样系统等速采样的要 求， 第一质量流量控制器 13所测流量 +第二质量流量控制器 18所测流量为进入整个采样系统的流 量，根据主采样嘴 1 口径的大小可得到进入采样嘴时气体的流速。 当进入采样嘴处的流速等于管道 内流速时， 即达到等速采样， 可以采集到管道中具有代表性的颗粒物。 在线检测时， 颗粒物经过线 粒径谱仪 10检测后由第一颗粒物捕集器 1 1收集， 在线检测的同时也可进行离线取样。

当采样系统切换至离线检测时， 三通球阀 5切换至 90度方向， 阀门 15开启， 阀门 16关闭。 天然气经三通球阀 5进入第二颗粒物捕集器 14中， 颗粒物在此被捕集， 进一步天然气经阀门 15、 减压阀 17减压后进入第二质量流量控制器 18， 然后排放至安全区域。 第二质量流量控制器 18对 采样的流量进行计量和控制， 来满足等速采样的要求。

长期在线监测单元 II包括静电式粉尘浓度传感器 19和计算机 20。粉尘浓度传感器检测管道内 的粉尘情况， 将管道内的颗粒物浓度值转成电流信号传输至 计算机。 管道内粉尘浓度 C， 同传感器 输出电流变化值 ^/， 湿度变化值 H和管道风速 之间的关系， 如下式所示：

c _ a(A7 + βΑΗ)

_ v ^m α, β,ηι为系数， 可实现粉尘浓度长期在线监测。

根据上述关系，通过粉尘传感器输出电流变化 ，湿度变化和管道实时风速即可确定出管道内 粉 尘浓度实时显示出来。

进一步地， 在线检测系统还含有伴热装置， 例如采用伴热带等缠绕在管路上， 可进一步防止在 粉尘进行在线检测时有液滴析出的情况， 提高检测精度。 利用本实施例的高压在线检测装置，于国内某 天然气站场对一台旋风分离器的进口管路内的 粉 尘含量进行了测定。 实验操作压力 5MPa， 温度 20°C。 实验为在线检测和离线捕集同时进行。 为了 进一步验证在线结果的可靠性，将在线测量结 果和切换至离线检测管路的测量结果（离线检 测结果 是通过将第二颗粒物捕集器 14收集到的颗粒进行称重，计算出浓度，并通� �� Coulter粒径分析仪分 析得到粒度分布， 也可采用其他粒径分析仪， 分析仪器原理类型不限） 进行了对比。 如图 4所示。 图为粒径分布的累积曲线图， 两条曲线趋势基本一致。

实施例 2

请参见图 5所示，本实施例是对高温气体管道内颗粒物� �行在线检测，所用装置包括在线检测 部分 I以及长期在线监测部分 II。 其中：

( 1 ) 在线检测单元； 该在线检测单元主要包括通过管路依次串接的 主采样子系统 （包括图中 的管状主采样嘴 217) 、 二次采样子系统 （包括图中的气体流量分配器 205和二次采样嘴 214) 、 颗粒物粒径在线分析仪（在线颗粒物粒径谱仪 ） 207以及第一流量计量控制子系统（包括图中显 示 的第一流量计 209、 第一流量调节阀 210) ； 具体地：

该在线检测单元包括通过管路依次串接的管状 主采样嘴 217、 第一阀门 201、 第二阀门 204以 及流量分配器 205; 所述管状主采样嘴 217的前端伸入需检测的高温气体管道 218内， 管状主采样 嘴 217伸入高温气体管道的连接处可通过螺纹方式 密封，或者通过管道接管及法兰密封，管状主 采 样嘴 217下游经第一阀门 201 (该第一阀门 201可用于控制所述采样嘴 217的开启或关闭） 、 第二 阀门 204串接流量分配器 205 (可设置压力传感器、 温度传感器对流量分配器 205内温度、 压力进 行监测） 。 从所述流量分配器 205分出主路及旁路两条管路； 主路依次串接二次采样嘴 214、 第三 阀门 206、 颗粒物粒径在线分析仪 207、 第一颗粒物捕集子系统 208以及第一流量计 209、 第一流 量调节阀 210; 旁路依次串接第四阀门 219以及第二流量计 215、 第二流量调节阀 216 (第二流量 计 215、 第二流量调节阀 216组成第二流量计量控制子系统） 。

关于流量分配器 205的具体结构同实施例 1中的流量分配器。

(2) 离线检测单元； 该离线检测单元包括通过管路依次串接的第五 阀门 211、 第二颗粒物捕 集子系统 212以及第六阀门 213，第五阀门 211的上游接设在第一阀门 201与第二阀门 204之间的 管路上， 第六阀门 213的下游端接设在第四阀门 219与第二流量计 215之间的管路上。

(3 ) 预热吹扫单元； 该预热吹扫单元包括加热的吹扫气体储罐 202， 通过第七阀门 203 以及 保温管线接设于第一阀门 201 与第二阀门 204之间的管路上， 用于在检测前将吹扫气体储罐 202 内的气体引入检测单元的管路进行吹扫和预热 ；

(4 ) 长期在线监测单元； 该长期在线监测单元包括串接的静电式粉尘浓 度传感器 220和计算 机 221，静电式粉尘浓度传感器 221前端管路伸入需检测的高温气体管道 218内用于检测管道内的 粉尘情况， 并将管道内的颗粒物浓度值转成电流信号传输 至计算机 221以实现长期在线监测。

利用本实施例的装置进行检测时， 先打开各管道的阀门， 利用预热吹扫单元， 将加热后的吹扫 气体储罐 202内的惰性气体对各管路进行吹扫和预热，以 防止取样后的气体冷却使气体中的颗粒团 聚影响测量结果， 吹扫气体加热温度尽量与主管道内被取样气体 的温度相同，各管路预热后的问题 也尽可能的接近主管道内被取样气体的温度。 预热后， 关闭第七阀门 203， 转入正式检测程序。

含尘高温气体通过主采样嘴 217进入主采样系统内进行检测。检测方式分为 在线检测，及离线 检测。 两种检测方式可以通过各阀门的切换及开闭组 合来实现。

本实施例可进行在线检测和离线采样检测，在 线检测实施方式为：关闭第五阀门 21 1和第六阀 门 213， 打开第一阀门 201、 第二阀门 204、 第三阀门 206和第四阀门 219， 含有颗粒物的气体进入 到二次采样子系统后， 一部分气体进入主路， 经二次采样嘴 214 采样进入颗粒物粒径在线分析仪 207进行颗粒浓度和粒径的检测，经检测后的高 温气体中的颗粒物经第一颗粒物捕集子系统 208来 收集，进一步气体经第一流量计 209和第一流量调节阀 210后放空，第一流量计 209和第一流量调 节阀 210可对进入颗粒物粒径在线分析仪 207的气体流量进行计量和控制，来满足颗粒物 粒径在线 分析仪 207自身流量的要求（此时流量为恒定） 。 进入流量分配器 205中的多余气体进入旁路， 经 第四阀门 219进入第二流量计 215和第二流量调节阀 216后放空，气体的流量通过第二流量计 215 和第二流量调节阀 216来计量和控制。 主路气体流量和旁路流量之和为进入整个采样 系统的流量， 根据管状主采样嘴 217口径的大小可得到进入采样嘴时气体的流速 。当进入管状主采样嘴的流速等 于高温烟气管道内流速时， 即达到等速采样， 可以采集到管道中具有代表性的颗粒物。

在线检测时， 颗粒物经颗粒物粒径在线分析仪 207检测后由第一颗粒物捕集子系统 208收集， 在线检测的同时也可进行离线取样。 离线所收集到的颗粒， 可进行其他分析， 比如计算颗粒浓度、 拍摄扫面电镜图片、也可以借助其他粒度分析 仪分析颗粒的成分、粒径等， 其结果可以同在线检测 结果进行对比， 进一步保证结果的准确性。

当采样系统切换至离线检测时， 关闭第二阀门 204、 第四阀门 219， 第五阀门 21 1、 第六阀门 213开启。高温气体经管状主采样嘴 217采样后经第五阀门 21 1进入第二颗粒物捕集子系统 212中， 颗粒物在此被捕集， 进一步气样经第六阀门 213进入第二流量计 215和第二流量调节阀 216， 然后 排放至安全区域。第二流量计 215和第二流量调节阀 216对采样的流量进行计量和控制，来满足等 速采样的要求。

长期在线监测单元 II包括静电式粉尘浓度传感器 220和计算机 221。粉尘浓度传感器检测管道 内的粉尘情况， 将管道内的颗粒物浓度值转成电流信号传输至 计算机， 可实现长期在线监测。本实 施例中， 管道内粉尘浓度 C， 同传感器输出电流变化值 /， 湿度变化值 H和管道风速 之间的关 系， 如下式所示： _c _ a(AI + βΑΗ)

_ γ ^η

α, β,ιη为标定系数，不同粉尘的标定系数见前� �确定。本实施例可实现粉尘浓度长期在线监� �。 利用本实施例的装置，于某石化公司催化裂化 装置上搭建了高温烟气过滤平台，将现有技术 的 高温气溶胶导管应用在 Palas公司 WELAS系列光学在线粒径谱仪上， 检测了高温烟气过滤器后烟 气的颗粒和浓度并且同切换至离线管路等速采 样的结果进行了对比，二者吻合度很好。采用 高温气 溶胶导管的光学在线检测仪器可以安全可靠的 在高温工况下测量， 测量结果准确。

验操作条件： 操作压力 0.21MPa， 过滤器下游的离线等动 （等速） 采样温度 550°C。 在线测量 仪器测得的下游催化剂颗粒浓度和离线方法的 测量结果如表 2所示。

表 2 离线在线测量结果对比

从上表可以看出在线检测和离线检测的结果相 差很小， 偏差小于 ±5%。 离线方法与在线方法测得的催化剂粒径分布：

使用 Coulter粒径分析仪 （Multisizer 3 ) 对离线等动采样得到的催化剂颗粒进行分析， 多次测 量结果取平均值，得到催化剂粒径分布的测量 结果。如图 6所示。过滤器出口粒径范围 0.7μηι至 4μηι 之间， 中位粒径 1.2μηι。 高温烟气过滤器能够除去 5μηι以上的催化剂颗粒。

在线测量的实验结果参见图 7: 在线检测粒径分布在 0.4μηι~3.5μηι之间， 中位粒径为 1.3μηι。 由图 6和图 7可知， 在线式检测方法得到的粒径分布与 Coulter分析仪测量结果差别很小， 使 用 Coulter分析仪得到的催化剂粒径分布结果较好� �验证了在线检测方法对颗粒物粒径分布测量� � 准确性， 二者存在的这点差别也是由于两种仪器测量原 理不同造成的。 使用扫描电镜 （SEM ) 观 察离线方法等动采样的到的过滤器下游的催化 剂颗粒微观结构，从图 8中也可以看出颗粒物的整体 粒径分布较小， 均小于 5μηι， 符合在线检测的结果和离线检测的结果， 再次验证了在线检测结果 的可靠性。 以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式， 并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技 术 人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下 所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保 护的范 围。