2018年省科技进步奖项目公示

—1—2018年省科技进步奖项目公示一、项目基本情况行业评审组：编号：奖励类别：推荐等级：二等奖项目名称粉尘浓度测量仪校准装置主要完成人朱永宏，樊玮，闫继伟，师恩洁，陈传岭，路兴杰，赵娜，张柯，段云，陈睿锋，周文辉，周彩霞主要完成单位河南省计量科学研究院推荐单位河南省质量技术监督局科技成果登记号9412016Y1320学科分类名称1计量学代码410552代码所属国民经济行业科学研究、技术服务和地质勘查业代码3591任务来源B-部委计划具体计划、基金的名称和编号：质检总局科技计划项目、项目名称：粉尘浓度测量仪校准装置的研究；项目编号：2012QK126已呈交的科技报告编号：授权发明专利（项）1授权的其他知识产权（项）9项目起止时间起始：2012年5月8日完成：2016年6月16日—2—二、项目简介（限1200字）1.任务背景和来源在大气中粉尘的存在是保持地球温度的主要原因之一，但是过多或过少的粉尘都会造成灾难性的影响。近年来，我国各地粉尘爆炸事故频频发生，在如此沉痛的粉尘爆炸事故面前，国家环保部和煤矿安全监察局非常重视，相继出台了一系列相关政策和技术标准，旨在严控生活环境和生产场所的粉尘浓度。目前粉尘浓度测量仪（即直读式测尘仪、激光粉尘测量仪、微电脑粉尘仪等）可实时显示粉尘浓度，克服了原有粉尘采样器在现场采样后要到实验室称重来计算浓度的不足，有利于现场人员实时监测控制粉尘浓度，但同时面临计量技术机构无法为这些仪器的量值溯源提供技术支撑的现状，制约了该仪器的推广应用。为解决上述问题，本项目于2012年正式立项，属于国家质检总局科研项目。项目名称：粉尘浓度测量仪校准装置的研究；项目编号：2012QK126。第一完成单位为河南省计量科学研究院。2.研究内容本项目旨在建立起一整套颗粒物浓度测量仪校准装置，研制完成的粉尘浓度测量仪校准装置，可为其他计量技术机构建立同类装置提供“模板”，能够实现对光散射式粉尘浓度测量仪、光电式粉尘浓度测量仪等多种原理的粉尘浓度测量仪的检定、校准及各种科研工作，从而推动颗粒物浓度测量行业的发展。在粉尘浓度测量仪校准装置的研制过程中，通过选用符合要求的标准粒子，有效降低了传统方法中粒子分散性、均匀性等多种因素对粉尘浓度值的影响，同时提高了进入混匀箱体内的粉尘的均匀性和稳定性；通过在混匀箱内同一高度，同一气流方向、同一直径方向安装等速采样头，保证了各个采样头之间浓度的均匀性；采用可变速的计量钢圈，通过调节送料钢圈的速度来实现输出气溶胶浓度的大范围调节，从而实现发生粉尘浓度的连续可调，保证粉尘颗粒在混匀箱内部得到充分的混匀。3.项目成果已发表论文8篇，已授权专利9项，已制定国家标准1项，地方标准规范4项。4.经济效益和社会效益通过本项目解决了粉尘浓度测量仪校准装置存在的发生粉尘气溶胶的均匀性低、稳定性不高，从而导致的准确度不高等问题。本标准装置可广泛应用于各级计量检测机构、科研院所和粉尘浓度仪器设备生产企业，用于粉尘浓度测试仪器设备的量值溯源、质量检测和相关科学研究，将我国粉尘浓度测量工作提高到了一个新水平，具有较高的经济效益和较好的社会效益。—3—三、主要科技创新1.主要科技创新（限5页，但不少于3500字）测定粉尘浓度的仪器种类较多，目前主要分为粉尘采样器和直读式测尘仪两大类，由于直读式测尘仪受其测量准确度、工作机理等多方面因素限制，未能得到推广应用，各行业普遍采用粉尘采样器，粉尘采样器测量准确度较高，但也存在影响量多、采样时间长等缺点。近几年，随着粉尘浓度测量技术的发展，各相关生产企业逐步规范化，有相当一部分企业配备了直接显示读数的光散射式数字粉尘测试仪。这就要求计量技术机构为这些光散射式数字粉尘测试仪的校准提供技术支撑，以保证这些仪器测量数据的准确可靠，而目前该项工作尚属空白状态。粉尘浓度测量的准确性难以保证，将直接影响企业的生产安全和人们的身体健康，因此，建立粉尘测试仪校准装置已刻不容缓。为了更好为环境监测服务，特别是在保护人类的健康和生命安全、减少矿难和我省职业病人数方面有着重大意义，同时，为下一步规范各生产企业的细微颗粒物测量仪器方面给予指导，从而促进颗粒物测量仪器市场的蓬勃发展。本项目于2012年立项，属于国家质检总局科技计划项目，项目名称：粉尘浓度测量仪校准装置的研究。项目编号：2012QK126。第一完成单位为河南省计量科学研究院。（附件2-2，10-9）针对存在的问题和市场需求，经过认真调研，根据研制计划，我们设计建立了颗粒物浓度测量仪校准装置。该装置基于颗粒物再悬浮的原理，通过对比滤膜称重法测得的粉尘浓度、被校粉尘仪测得的粉尘浓度进行校准，最终实现粉尘仪的校准可溯源至质量。（附件1-2，1-3，7-7，7-9）所研制的颗粒物浓度测量仪校准装置，可以实现以下功能：（1）粉尘发生器可发生出在（0.1～150）μm粒径范围内的标准粉尘，如ISO粉尘、SAE粉尘、PSL标准粒子等；（2）粉尘发生器部分为被校粉尘仪提供测量范围内的粉尘浓度；（3）实现粉尘在（0.1～500）mg/m3浓度范围内的连续可调；（4）可产生洁净压缩空气。达到的主要技术指标如下：（1）发生粉尘浓度范围：（0.1～500）mg/m3；（2）粉尘浓度稳定性：实验标准偏差均应小于5%；（3）粉尘浓度均匀性：实验标准偏差均应小于5%。解决了粉尘浓度测量仪校准装置存在的发生粉尘气溶胶的均匀性低、稳定性差，从而导致的准确度不高等问题。校准装置经中国计量科学研究院测试，计量性—4—能指标优秀，全面实现了设计目标。改进了我国粉尘浓度测量仪校准工作的技术水平，填补目前粉尘浓度测量仪校准装置的空白，项目组致力于研制一套功能完善、操作简便、稳定性好的标准装置，从而实现对粉尘浓度测量仪的量值传递。本项目创新点所属的学科分类名称为：计量学。在粉尘浓度测量仪校准装置的研制过程中，主要有以下关键科技创新点，支持其成立的材料有：发明专利：数字粉尘仪的标定系统及其标定方法；国家规程：JJG1003-2016流量积算仪检定规程；论文：《粉尘浓度测量仪校准装置的研制》，《pH响应型空心微球在CSTR中的振荡行为》，《颗粒物测量仪校准方法及校准装置的研究》，《Anewcalibrationdeviceofparticulatemattermassconcentrationmonitor，《EarthandEnvironmentalScience》《流量积算仪检定规程修订的讨论与检定软件（系统）的开发》、《烟气排放连续监测系统(CEMS)采样技术及PM2.5监测问题的研究》以及《烟气排放连续监测系统(CEMS)采样技术及PM2.5监测问题的研究》等8篇。(1)独特的粉尘气溶胶发生系统（附件1-2，10-1，10-2，7-1）为实现向扩散器持续供应粉尘颗粒，使用传动钢圈将粉末定量输送至扩散器。经过大量实验及数据分析，设计采用特制的送料钢圈宽度，即使在低供料率的情况下仍然可以持续稳定地输送粉末。钢圈按上部送料宽度不同分为三个规格：0.3mm、0.6mm、1.0mm，不同的质量浓度可以选择不同规格的钢圈，送料钢圈的速度可调，通过调节送料钢圈的速度，便可大范围调节输出气溶胶的浓度。当粉末从喷嘴中输出时，在喷嘴口形成的剪切力将团聚的粉末微粒分散开，从而形成气溶胶颗粒。采用一个专用的刮料装置，以保证带齿间的填料均衡，从而将储槽中的粉末多少对气溶胶质量流量的影响降到最小。(2)先进的等速采样头（附件2-3，7-8，7-10，10-2）与传统的箱式粉尘校准装置相比，首创性地在混匀箱内同一高度，同一气流方向、同一直径方向安装等速采样头，这样可保证不同采样头之间的浓度均匀性。系统配置了双气路采样装置，包括一个真空采样泵，两个质量流量计，用于滤膜采样或者无动力源的粉尘仪采样，采样流量通过质量流量计来调节并控制。气体质量流量计：流量测量范围：0～30L/min，准确度：±1%，标定气体：空气，数据输出：RS232。(3)高效的洁净空气源系统（附件7-3，7-4，10-1，10-3）传统箱式粉尘发生装置采用的未经洁净处理的压缩空气源，对发生粉尘的单分散性—5—和均匀性都有较大影响，本项目中，首次采用了洁净的压缩空气源系统，使用空气压缩机、冷干机和三级过滤器，将洁净压缩空气储存在缓冲罐内并配有稳压装置，保证了压缩空气洁净、干燥、压力稳定、可调，有效地保证了发生粉尘的单分散性和均匀性。(4)适用的可变速计量钢圈（附件1-2，7-1，7-3）为实现发生粉尘浓度的连续可调，采用可变速的计量钢圈，通过调节送料钢圈的速度，便可大范围调节输出气溶胶的浓度，即使是低流量时仍可达到高浓度，有利于低流量状态下的粉尘研究。(5)新型的刮料装置（附件1-2，7-1，10-1）采用一个专用的刮料装置，以保证带齿间的填料均衡，从而将储槽中的粉末多少对气溶胶质量流量的影响降到最小。（6）新型的粉尘混匀箱（附件10-1，10-3，10-5）采用不锈钢材质，经过防静电处理。根据颗粒物的布朗运动轨迹，对进入混匀箱内的气体流场进行分析，根据分析结果，在混匀箱体的底部设计四个采样口，四个采样口在一个同心圆上，并且每个采样口均深入到箱体1/4位置，以保证每个采样口达到等速采样。经过流体分析计算，设计出的粉尘混匀场所，即两端带弧形封顶的圆形筒，总体积为120L，直径35cm，高度130cm。设有一个内径6mm气溶胶入口；一个稀释空气入口(外管内径6mm，内管内径35mm)；内径为10mm的等速采样口共四个；一个内径10mm过剩空气排出口；一个内径100mm观察视窗。选用材料为304不锈钢板；由于不锈钢的表面粗糙程度与颗粒物在箱体内悬浮的运动轨迹密切相关，因此，采用内壁面均经过特殊刨光处理，表面粗糙度小于2.5μm，以防止静电及颗粒吸附；设计气流无死角，最长空气滞留时间21s；保证粉尘颗粒在混匀箱内部得到充足的混匀。内部流场湍流剧烈、平均湍流强度达到90％以上，分析结果表明混合箱采样口位置浓度均匀性，确保了不同仪器采集的粉尘浓度及粒径分布偏差不超过5％。两端带弧形封顶的圆形筒，采用内壁面均经过特殊刨光处理，表面粗糙度小于2.5μm，以防止静电及颗粒吸附；设计气流无死角，最长空气滞留时间21s；保证粉尘颗粒在混匀箱内部得到充分的混匀。(7)新型的除尘装置（附件10-1，10-3，10-5，10-7）系统采用负压模式，在混匀箱底部外接真空吸尘器抽取多余的气体及粉尘，确保混匀箱内部流场均匀，并在真空吸尘器前端设计一个三通球阀来调节箱体内压力。混匀箱底部外接真空吸尘器抽取多余的气体及粉尘，确保混匀箱内部流场均匀，有利于环境保护及检定人员身体健康。(8)标准物质的优选（附件7-2，7-4，10-6，10-7，10-8）—6—通过选用符合要求的特殊标准粒子，有效降低了传统方法中粉尘颗粒大小、粒子分散性、均匀性等多种因素对粉尘浓度值的影响，同时提高了进入混匀箱体内的粉尘的均匀性和稳定性。通过以上技术解决了粉尘浓度测量仪校准装置存在的发生粉尘气溶胶的均匀性低、稳定性差，从而导致的准确度不高等问题。校准装置经中国计量科学研究院测试，计量性能指标优秀，全面实现了设计目标。粉尘浓度测量仪校准装置主要应用于以粉尘浓度为技术指标的直读式粉尘浓度测量仪的校准，可广泛应用于基于光散射法、光吸收法、摩擦电法等原理的粉尘浓度测量仪校准。粉尘浓度测量仪的量值准确与否直接影响到煤矿、粉尘生产车间生产与人员的安全。本项目制定了粉尘浓度测量仪的校准方法，使得对此类设备的检校有了统一的技术规范，为下一步建立整套的颗粒物浓度测量仪校准装置提供了技术基础，为各级环境监测、科研、校准机构建立计量标准提供了技术手段，保证了计量检测科学准确（附件1-2,7-310-2）。该装置具有较好的均匀性和稳定性，本项目的完成可实现粉尘浓度测量仪的检定、校准及各种科研工作；同时在此装置的基础上进行改进，加装标准采样头等，进而进行PM10、PM2.5、PM1的校准工作及研究。本装置具有可塑性，为呼吸性粉尘仪PM10、PM2.5测尘仪的校准提供了技术上的支持，今后还将开展一系列研究工作