CN102288458A

CN102288458A - 一种多支路颗粒物等速采样总管及其设计方法

Info

Publication number: CN102288458A
Application number: CN2011101835349A
Authority: CN
Inventors: 曾立民; 黄昆
Original assignee: Peking University
Current assignee: Peking University
Priority date: 2011-06-30
Filing date: 2011-06-30
Publication date: 2011-12-21
Anticipated expiration: 2031-06-30
Also published as: CN102288458B

Abstract

本发明涉及一种多支路颗粒物等速采样总管及其设计方法，其特征在于：它包括一总管采样头，总管采样头通过前采样管连接主采样管，主采样管的另一端连接收缩管，收缩管的另一端收缩连接抽气管路，抽气管路的另一端连接抽气泵，抽气管路上设置有流量控制装置；主采样管包括若干节规格一致的外管，每一外管壁均垂直穿设并密封固定一内管，各内管位于相应外管内的一端弯折，弯折段与外管的轴向平行，且在该端部设置等速采样头，各内管位于相应外管外部的一端连接监测仪器。本发明结构简单，组装方便，能够实现多个颗粒物监测仪器共用一个采样通道，且能够减少颗粒物在采样通道中相互碰撞造成的损失，提高数据可靠性，可广泛用于大气中颗粒物的采样过程中。

Description

一种多支路颗粒物等速采样总管及其设计方法

技术领域

本发明涉及一种采样总管及其设计方法，特别是关于一种多支路颗粒物等速采样总管及其设计方法。

背景技术

研究表明大气中颗粒物会导致能见度降低，影响降水分布，参与非均相反应造成二次污染，影响人类健康等。目前颗粒物的问题越来越受重视，颗粒物的消光性、数谱分布、粒子成分等问题是目前大气气溶胶研究的热点，而分析颗粒物问题需要不同原理的多台仪器同时工作。若每台仪器均使用独立采样通道采样，则易造成数据间的可比性差，影响结果的可靠性；而如果采用普通的采样总管，会由于各仪器采样流量不一致，使得采样总管中的气流发生紊流，粒子之间碰撞几率增大，造成采样失去代表性。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种多支路颗粒物等速采样总管及其设计方法，该采样总管及其设计方法能够实现多个颗粒物监测仪器共用一个采样通道，且能够减少颗粒物在采样通道中相互碰撞造成的损失，提高数据可靠性，并且方便装卸。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种多支路颗粒物等速采样总管，其特征在于：它包括一总管采样头，所述总管采样头通过前采样管连接主采样管，所述主采样管的另一端连接收缩管，所述收缩管的另一端收缩连接抽气管路，所述抽气管路的另一端连接抽气泵，所述抽气管路上设置有流量控制装置；所述主采样管包括若干节规格一致的外管，每一所述外管壁均垂直穿设并密封固定一内管，各所述内管位于相应所述外管内的一端弯折，弯折段与所述外管的轴向平行，且在该端部设置等速采样头，各所述内管位于相应所述外管外部的一端连接监测仪器。

所述内管等速采样头采样口的内截面积与所述外管内截面积之比等于所述内管等速采样头采样口处的流量与同一水平位置下所述外管内的流量之比。

相邻所述等速采样头之间的间隔大于5倍所述外管直径。

所述总管采样头为PM₁₀切割头或PM_2.5切割头或倒U型弯采样管。

所述前采样管穿过墙体，所述总管采样头设置在墙体外侧，所述主采样管设置在墙体内侧，所述前采样管外壁设置有若干圈凹槽，任何一个所述凹槽位置均可与固定在墙体上的法兰圆盘配合连接。

所述主采样管的所述外管与所述内管的密封固定方式为：所述内管穿出所述外管壁的位置设置有与所述内管相匹配的卡套接头，所述卡套接头焊接在所述外管外壁上，所述卡套接头的另一端通过与所述内管和卡套接头相匹配的卡套和螺母固定密封。

各所述内管上设置的等速采样头的采样口外侧呈锥形，并设置呈流线型。

所述主采样管与所述前采样管之间、所述主采样管与所述收缩管之间，以及所述主采样管的各节所述外管之间均通过连接法兰连接；所述各连接法兰均采用平焊法兰，相邻所述连接法兰通过真空卡箍固定，所述连接法兰外侧呈一定坡度，所述真空卡箍内侧凹槽的倾斜角与所述连接法兰外侧的坡度相匹配；相邻所述连接法兰之间的密封面采用光滑面，且在相邻所述连接法兰之间的密封面上均设置一圈凹槽，相邻两所述凹槽之间设置有一O型密封圈。

上述一种多支路颗粒物等速采样总管的设计方法，其包括以下步骤：1)首先根据需要研究的大气中颗粒物的类型，选择总管采样头的形式，进而确定通过总管采样头的总气流量Q₀；2)根据需要，选择若干监测仪器；3)根据各监测仪器所需的气流量q与通过总管采样头的总气流量Q₀，选择相应规格的等速采样头，各等速采样头的具体选择方法如下：为了使得主采样管内气流分流时不扰动，就需要保证进入等速采样头的气流流速等于与该等速采样头采样口同一水平位置下整个总管内气流的流速；等速采样头的流速v_x＝q_x/s_x，同一水平位置下整个总管内相应气流的流速V_x＝Q_x-1/S；其中，q_x为等速采样头的采样流量，s_x为等速采样头采样口的内截面积，Q_x-1为同一水平位置下总管内相应的流量，S为外管内截面积，x＝1，2，3·，n；因此，等速采样头采样口的内截面积s_x与外管内截面积S之比等于等速采样头的采样流量q_x与同一水平位置下总管内相应的流量Q_x-1之比；而等速采样头的采样流量q_x等于与其连接的监测仪器的进样流量q_x，因此，即可确定相应的等速采样头规格；4)根据设置的等速采样头的数量及所需气流量，通过流量控制装置控制最后进入抽气泵的气流量。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明的主采样管包括若干节规格一致的外管，各外管数量可以根据需要调整，各外管上均设置有一内管，各内管的一端设置在相应外管内，且通过等速采样头进行采样，另一端连接颗粒物监测仪器，因此，本发明可以使多台颗粒物监测仪器共用一个采样通道，优化各仪器间数据的可比性，并减小采样装置占用的面积，减少抽气泵、采样头及流速调节装置的使用，减少能耗。2、本发明主采样管上间隔设置的若干内管的等速采样头处的采样流速与同一水平位置下主采样管内的流速一致，气流在主采样管内等速分离，不会发生紊流状况，使得颗粒物进入内管等速采样头时，气流为层流状态，减少了颗粒物之间的碰撞，减少了采样管的采样误差；虽然经过一个等速采样头后会发生绕流现象，出现扰动，但两个等速采样头之间有足够的空间使得气流趋于稳定，使得流经下个等速采样头管口时气流仍保持层流状态，实现下一个等速采样。3、本发明的主采样管包括若干节规格一致的外管，各外管之间，以及主采样管与前采样管，主采样管与收缩管之间通过连接法兰连接，各连接法兰的规格均一致，连接法兰用真空卡箍固定，连接法兰的密封面采用光滑面，连接法兰密封面上有凹槽，凹槽内设置有相匹配的O型密封圈，因此，可以保证各管之间连接的密封性。4、本发明的主采样管包括若干节规格一致的外管，各外管上均设置有一内管，各内管的管径可以有多个规格，规格的不同体现在内管等速采样头的内截面积与外管内截面积的不同比例，内管等速采样头的内截面积与外管的内截面积之比等于内管等速采样头的流量与同一水平位置外管的流量之比，从而能够获取等速的不同流量的气体。5、本发明装置的主要部件均为不锈钢材料，大部分部件通过法兰连接，结构简单，便于加工、组装、维修，清洗时只需拆开法兰及各个接口，对每个部件逐一清洗即可，总体费用低廉。本发明结构简单，组装方便，能够实现多个颗粒物监测仪器共用一个采样通道，且能够减少颗粒物在采样通道中相互碰撞造成的损失，提高数据可靠性，可广泛用于大气中颗粒物的采样过程中。

附图说明

图1是本发明结构示意图

图2是本发明其中一节外管与内管连接示意图

图3是本发明连接法兰示意图

图4是本发明连接法兰的俯视示意图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明包括总管采样头10，总管采样头10通过前采样管20连接主采样管30，主采样管30另一端连接收缩管40，收缩管40的另一端收缩，且通过抽气管路50连接抽气泵60，抽气管路50上设置有流量控制装置70。

如图1所示，总管采样头10的形式：可以是PM₁₀切割头(PM₁₀是指大气中直径小于或等于10微米的颗粒物)；可以是PM_2.5切割头(PM_2.5是指大气中直径小于或等于2.5微米的颗粒物)；也可以是倒U型弯采样管(用于采集TSP(总悬浮颗粒物))。总管采样头10具体采用哪种形式，主要根据颗粒物监测仪器80的要求来选择。总管采样头10与前采样管20采用直插式连接，之间设置有两个O型密封圈。

如图1所示，前采样管20为穿过墙体部分，主要功能是承接总管采样头10和主采样管30。前采样管20可以通过法兰圆盘21固定在墙体上，前采样管20外壁设置有若干圈凹槽，法兰圆盘21内侧设置有与前采样管20外壁凹槽相匹配的突起，调节使前采样管20外壁的其中一个凹槽位置与法兰圆盘21配合连接，进而可以调节总管采样头10离墙体的高度，并能垂直固定整个本发明，及起到防水密封的作用。

如图1、图2所示，主采样管30与前采样管20之间，以及主采样管30与收缩管40之间均通过连接法兰31连接。主采样管30包括若干节规格一致的外管32，相邻外管32之间也均通过连接法兰31连接，每节外管32上均穿设并密封固定有一内管33，各内管33的内径可以不同，各内管33的一端横向穿设在相应的外管32内，并向上弯折，弯折段与外管32的轴向平行，且在弯折段的端部设置有等速采样头34，相邻等速采样头34之间的间隔大于5倍外管32直径；各内管33的另一端横向穿出相应的外管32并均连接一个监测仪器80。

如图2所示，主采样管30的外管32与内管33的密封固定方式为：内管33穿出外管32壁的位置设置有与内管33相匹配的卡套接头35，卡套接头35焊接在外管32外壁上，卡套接头35的另一端通过与内管33及卡套接头35相匹配的卡套36和螺母37固定密封。

如图1，图2所示，上述实施例中，各内管33上设置的等速采样头34与内管33的内径一致，等速采样头34与内管33可以为一体的，等速采样头34的采样口外侧呈锥形并设置呈流线型特征，由于该段内管33与外管32的轴向平行，因此，在分割气流时，可以减小壁厚对气流的阻力。各等速采样头34的内径不一定相同，可以根据需要的气流量选择。

如图2、图3、图4所示，主采样管30与前采样管20之间、主采样管30与收缩管40之间、以及主采样管30的各节外管32之间所用的连接法兰31的规格均一致，以便于调整组件的数量及位置。各连接法兰31均采用平焊法兰，相邻连接法兰31通过真空卡箍38来固定，连接法兰31外侧呈一定坡度，真空卡箍38内侧凹槽的倾斜角与连接法兰31外侧的坡度相匹配。相邻连接法兰31之间的密封面采用光滑面，且在相邻连接法兰31之间的密封面上均设置一圈凹槽，连接时，在相邻两凹槽之间设置有一O型密封圈39进行密封。

如图1所示，收缩管40的收缩端通过管接头41连接抽气管50，管接头41包括卡套及螺母。

如图1所示，流量控制装置70包括流量控制阀和流量计。

上述实施例中，总管采样头10，前采样管20，主采样管30，收缩管40均采用不锈钢材料制成；法兰圆盘21可以采用普通的铁质材料制成。

本发明的工作过程为：气流从总管采样头10进入，在主采样管30内每经过一个内管33端部的等速采样头34，就被分离出一部分气流供给监测仪器80，最后剩余的气流经过收缩管40及流量控制装置70进入抽气泵60。

如图1～4所示，本发明的设计方法包括以下步骤：

1)首先根据需要研究的大气中颗粒物的类型，选择总管采样头10的形式，进而可以确定通过总管采样头10的总气流量Q0(切割头正常工作需要一定的气流)。例如：研究大气中直径小于或等于10微米的颗粒物采用PM₁₀切割头；研究大气中直径小于或等于2.5微米的颗粒物采用PM_2.5切割头；研究大气中的总悬浮颗粒物采用倒U型弯采样管等。

2)根据研究需要，选择若干监测仪器80。

3)根据各监测仪器80所需的气流量q与通过总管采样头10的总气流量Q₀，选择相应规格的等速采样头34，并调整各相应规格的等速采样头34之间的相对位置。各等速采样头34的具体选择方法如下：

为了使得主采样管30内气流分流时不扰动，就需要保证进入等速采样头34的气流流速等于与该等速采样头34采样口同一水平位置下整个总管内气流的流速；等速采样头34的流速v_x＝q_x/s_x，同一水平位置下整个总管内相应气流的流速V_x＝Q_x-1/S；其中，q_x为等速采样头34的采样流量，s_x为等速采样头34采样口的内截面积，Q_x-1为同一水平位置下总管内相应的流量，S为外管32内截面积，x＝1，2，3·，n；因此，等速采样头34采样口的内截面积s_x与外管32内截面积S之比等于等速采样头34的采样流量q_x与同一水平位置下总管内相应的流量Q_x-1之比；而等速采样头34的采样流量q_x等于与其连接的监测仪器80的进样流量q_x，因此，可以确定等速采样头34采样口的内截面积s_x，选择相应的等速采样头34，实现等速采样。

每经过一个等速采样头34后会发生绕流现象，出现气流扰动，但相邻两个等速采样头34之间有足够的空间使得气流趋于稳定，使得流经下个等速采样头34时气流还保持层流状态，实现下一个等速采样。

4)根据设置的等速采样头34的数量及所需气流量，通过流量控制装置70控制最后进入抽气泵60的气流量。

本发明按照等速采样头34采样口的内截面积s_x与外管32内截面积S的不同比例将等速采样头34进行分类，例如分成1/10，2/10，3/10等一系列，可以根据需要灵活选择。

下面列举一具体实施例：若设定总管采样头10处进入主采样管30的总气流量Q₀为20L/min(一般根据所选择的总管采样头10所需的流量来设定)，从上至下当经过第一个等速采样头34时，若该等速采样头34为1/10型，该等速采样头34处分离出的气流流量q₁(进入监测仪器80)为Q₀×(1/10)，即20×(1/10)＝2L/min；当经过第二个等速采样头34时，该等速采样头34采样口同一水平位置的整个总管内总气流的流量Q₁为(Q-q₁)，即20-2＝18L/min，若该等速采样头34同样为1/10型，则该等速采样头34处分离出的气流流量q₂(进入监测仪器80)为Q₁×(1/10)，即18×(1/10)＝1.8L/min；同理推出接下来若干等速采样头34所分离出的气流量q₃，q₄，…q_n，最后调节流量控制装置70，使得最后进入抽气泵60的流量q_e满足：q_e+q₁+q₂+q₃+q₄+…q_n＝Q₀。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims

1.一种多支路颗粒物等速采样总管，其特征在于：它包括一总管采样头，所述总管采样头通过前采样管连接主采样管，所述主采样管的另一端连接收缩管，所述收缩管的另一端收缩连接抽气管路，所述抽气管路的另一端连接抽气泵，所述抽气管路上设置有流量控制装置；所述主采样管包括若干节规格一致的外管，每一所述外管壁均垂直穿设并密封固定一内管，各所述内管位于相应所述外管内的一端弯折，弯折段与所述外管的轴向平行，且在该端部设置等速采样头，各所述内管位于相应所述外管外部的一端连接监测仪器。

2.如权利要求1所述的一种多支路颗粒物等速采样总管，其特征在于：所述内管等速采样头采样口的内截面积与所述外管内截面积之比等于所述内管等速采样头采样口处的流量与同一水平位置下所述外管内的流量之比。

3.如权利要求1所述的一种多支路颗粒物等速采样总管，其特征在于：相邻所述等速采样头之间的间隔大于5倍所述外管直径。

4.如权利要求2所述的一种多支路颗粒物等速采样总管，其特征在于：相邻所述等速采样头之间的间隔大于5倍所述外管直径。

5.如权利要求1或2或3或4所述的一种多支路颗粒物等速采样总管，其特征在于：所述总管采样头为PM₁₀切割头或PM_2.5切割头或倒U型弯采样管。

6.如权利要求1或2或3或4或5所述的一种多支路颗粒物等速采样总管，其特征在于：所述前采样管穿过墙体，所述总管采样头设置在墙体外侧，所述主采样管设置在墙体内侧，所述前采样管外壁设置有若干圈凹槽，任何一个所述凹槽位置均可与固定在墙体上的法兰圆盘配合连接。

7.如权利要求1或2或3或4或5或6所述的一种多支路颗粒物等速采样总管，其特征在于：所述主采样管的所述外管与所述内管的密封固定方式为：所述内管穿出所述外管壁的位置设置有与所述内管相匹配的卡套接头，所述卡套接头焊接在所述外管外壁上，所述卡套接头的另一端通过与所述内管和卡套接头相匹配的卡套和螺母固定密封。

8.如权利要求1或2或3或4或5或6或7所述的一种多支路颗粒物等速采样总管，其特征在于：各所述内管上设置的等速采样头的采样口外侧呈锥形，并设置呈流线型。

9.如权利要求1或2或3或4或5或6或7或8所述的一种多支路颗粒物等速采样总管，其特征在于：所述主采样管与所述前采样管之间、所述主采样管与所述收缩管之间，以及所述主采样管的各节所述外管之间均通过连接法兰连接；所述各连接法兰均采用平焊法兰，相邻所述连接法兰通过真空卡箍固定，所述连接法兰外侧呈一定坡度，所述真空卡箍内侧凹槽的倾斜角与所述连接法兰外侧的坡度相匹配；相邻所述连接法兰之间的密封面采用光滑面，且在相邻所述连接法兰之间的密封面上均设置一圈凹槽，相邻两所述凹槽之间设置有一O型密封圈。

10.一种如权利要求1～9任一项所述的多支路颗粒物等速采样总管的设计方法，其包括以下步骤：

1)首先根据需要研究的大气中颗粒物的类型，选择总管采样头的形式，进而确定通过总管采样头的总气流量Q₀；

2)根据需要，选择若干监测仪器；

3)根据各监测仪器所需的气流量q与通过总管采样头的总气流量Q₀，选择相应规格的等速采样头，各等速采样头的具体选择方法如下：

为了使得主采样管内气流分流时不扰动，就需要保证进入等速采样头的气流流速等于与该等速采样头采样口同一水平位置下整个总管内气流的流速；等速采样头的流速v_x＝q_x/s_x，同一水平位置下整个总管内相应气流的流速V_x＝Q_x-1/S；其中，q_x为等速采样头的采样流量，s_x为等速采样头采样口的内截面积，Q_x-1为同一水平位置下总管内相应的流量，S为外管内截面积，x＝1，2，3·，n；因此，等速采样头采样口的内截面积s_x与外管内截面积S之比等于等速采样头的采样流量q_x与同一水平位置下总管内相应的流量Q_x-1之比；而等速采样头的采样流量q_x等于与其连接的监测仪器的进样流量q_x，因此，即可确定相应的等速采样头规格；

4)根据设置的等速采样头的数量及所需气流量，通过流量控制装置控制最后进入抽气泵的气流量。