CN103063481B - 一种面源气体自动采样装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面源气体自动采样装置，包括测控模块以及依次连接的气体采样机构、气体输送机构和气路切换机构，所述气体采样机构包括：采样箱、进气阀、出气阀、进气流量传感器和出气流量传感器；所述气路切换机构为电动三通阀；所述测控模块用于测量所述进气流量传感器和出气流量传感器的信号进而控制所述进气阀、出气阀和电动三通阀。本发明还公开了利用该面源气体自动采样装置进行单点采样及多点采样的方法，根据风速自动确定采样流量，使采样箱内部尽可能的接近自然环境；且设定内外温度差和压强差的限值，保证采样的有效性，保证采样精度；整个采样装置利用测控模块自动调节，实现了面源气体采样的自动化，使操作更简便，更精确。

Description

一种面源气体自动采样装置

技术领域

本发明涉及气体采样领域，尤其涉及一种面源气体自动采样装置及采样方法。 

背景技术

对于面源气体(如土壤、水体和垃圾填埋场等面源排放的气体)的采样，一般有静态采样方法和动态采样方法。 

静态采样方法包括采样罩和静态采样箱等，通常是一个底部开口的采样罩或采样箱置于待采样的面源气体挥发源上，有的通入载气以吹扫出气体，采样时直接从取样口取出气体。静态采样箱(采样罩)内外部没有稳定的气流交换，内部环境与实际待测的气体真实环境相差很大，对气体的挥发率有较大的影响。 

动态采样方法一般利用动态采样箱，该动态采样箱的底部开有面源气体采样口，动态采样箱两侧壁带有进气口和出气口，通过吹风机吹或者真空泵吸，使稳定的气流从进气口进入采样箱又从出气口流出，这样一种动态平衡的状态比静态方法更真实的反映了实际的面源气体状况。动态采样方法简便易行，也比静态方法更为精确，但是对自然环境仍然存在一定程度的破坏，其中气压的差异可能使气体积聚；箱内流速与外部自然风速的差异会影响待测气体的挥发率；气温的改变也对采样的可靠性有较大的影响。 

由于保证采样环境与自然环境的最大程度的相似存在很多难点，国际上尚没有动态采样箱的标准规范，所以国外研究人员构建了各种各样的动态采样箱进行面源气体的采样。但是由于没有标准，所构建的动态采样箱在结构、采样方法、流量等参数上差距很大，所以相互之间无法比较。 

根据实际需要，往往需要进行多点采样，而构建多通道的采样系统来 进行多点采样却很少有人研究。在国内，对于动态采样箱的研究非常少。 

申请号为200710026451.2的发明专利申请公开了一种水体、土壤表面挥发性气体采样装置及其采样方法，该发明包含一个动态采样箱，以氮气为载气，调节气体流量计是输入气体与输出气体达到相同的流速，待动态平衡后用真空采样器采样。这种采样方法是一种典型的以纯净气体为载气的采样方法，以氮气为输入气体可以不用采集环境气体，用搅拌推进器混合样品可以使气体均匀，且该采样装置与方法不能实现多点自动采样。 

但是使用氮气为载气操作，成本较高，不如输入环境气体直接、方便；仅控制输入流量与输出流量相同不能达到最小的破坏自然环境的目的，需要改进。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种面源气体采样装置，从而解决现有技术中采样装置的采样不准确，且使用载气操作带来的对环境的破坏及成本较高的问题。 

为解决上述技术问题，本发明采取的技术方案为： 

一种面源气体自动采样装置，包括测控模块以及依次连接的气体采样机构、气体输送机构和气路切换机构， 

所述气体采样机构包括： 

采样箱，该采样箱的底部为面源气体采集口，该采样箱的两个相对的侧壁分别设有进气口和出气口； 

进气阀，与所述进气口连接； 

出气阀，与所述出气口连接； 

进气流量传感器，用于采集进气口的气体流量； 

出气流量传感器，用于采集出气口的气体流量； 

所述气体输送机构为真空泵，其吸气端连接所述出气阀； 

所述气路切换机构为电动三通阀，其中一个端口连接所述真空泵的出气端，另外两个端口分别用于接环境气体和气体分析仪； 

所述测控模块用于根据所述进气流量传感器和出气流量传感器的信 号以控制所述进气阀、出气阀和电动三通阀。 

对面源气体进行采样时，首先进行初始化工作，使电动三通阀切换至与环境气体连通，使采样箱的进气阀都打开到最大位置，当进气口的流量等于出气口的流量时，此时系统处于动态平衡状态，控制模块使电动三通阀切换至与气体分析仪相通，开始采样。 

作为优选，所述测控模块通过读取进气流量传感器及出气流量传感器的读数，若两个流量传感器的读数不同，说明进气量和出气量不等，此时，测控模块将调节进气阀或出气阀，直至进气量和出气量相等为止。 

作为优选，所述采样箱的内部安装有吊扇，加速采样箱内气体的挥发和流通，使采样箱内部快速达到动态平衡。 

作为优选，所述采样箱的顶部还安装有风速仪，所述测控模块读取该风速仪的信号进而控制所述进气阀、出气阀和电动三通阀。测控模块通过读取风速仪的数据，计算出平均风速，并且计算出此风速下最适合的进气量及出气量(最适流量)，进而调节进气阀和出气阀的关闭，当进气量和出气量分别与根据风速仪读数计算出的最适流量相等时，此时采样箱内达到动态平衡，电动三通阀则切换至与气体分析仪连通，开始采样。 

采样箱内外气压的差异可能使气体积聚；气温的改变也对采样的可靠性有较大的影响，因此作为优选，所述采样箱的内壁设有第一温度传感器，所述采样箱的外壁设有第二温度传感器，所述测控模块采集该第一温度传感器和第二温度传感器的信号进而控制所述进气阀、出气阀和电动三通阀。 

作为优选，所述采样箱的箱壁上嵌有压差传感器，所述测控模块采集该压差传感器的信号进而控制所述进气阀、出气阀和电动三通阀，用于测量采样箱的内外压差。 

如果第一温度传感器和第二温度传感器测得的内外温差超过限值，或者是压差传感器测得的内外压差超过限值，则测控模块发出警报信号，并控制电动三通阀切换至与环境气体连通，暂停采样。 

本发明中的采样箱箱体采用白色PVC板构造，形状为方体，底部开放，大小为长约50cm，宽约40cm，高约10cm。 

所述真空泵用于抽送气体，作为优选，所述真空泵流量为50-200L/min。 

本发明还提供了利用所述的面源气体自动采样装置的单点采样方法，包括如下步骤： 

(1)利用所述采样箱的面源气体采集口密封的罩在采样区域上，将进气阀的入口连通至不含有待测气体的环境中； 

(2)开启真空泵、进气阀、出气阀，并将电动三通阀切换至与环境气体连通； 

(3)测控模块采集所述进气流量传感器和出气流量传感器的信号进而通过调节所述进气阀和出气阀使采样箱内达到动态平衡状态； 

(4)将电动三通阀切换至与气体分析仪连通； 

(5)通过气体分析仪采集分析来自气体采集口的面源气体。 

进行单点采样时，所述采样箱的面源气体采集口密封的罩在采样区域上，如果是以液体水面为气源，则需要增加漂浮装置。装配好本发明自动采样装置后进行初始化工作，使电动三通阀切换至与环境气体相通，使采样箱的进气阀和出气阀都打开到最大位置，启动吊扇；通过测控模块读取风速仪的数据，计算出平均风速，并且计算出此风速下最适合的进气量和出气量，测控模块读取进气流量传感器和出气流量传感器的数据，并根据测得的当前流量与最适流量的差距，调整进气阀或出气阀，最终使进气口的流量与出气口的流量都等于最适流量，此时达到动态平衡；达到平衡后，将电动三通阀切换至与气体分析仪相通，开始采样，测控模块发出正在采样的信号；如果压差传感器测得的压差超过限值，或者第一温度传感器和第二温度传感器测得的内外温差超过限值，则测控模块发出报警信号，使电动三通阀切换至与环境气体相通，暂停采样。 

本发明还提供了利用所述的面源气体自动采样装置的多点采样方法，进行多点采样时，所述气体采样机构为多个，各个气体采样机构中的出气阀通过各自对应的控制阀并联接入所述真空泵的吸气端。 

具体包括如下步骤： 

(1)针对每一气体采样机构，利用所述采样箱的面源气体采集口密 封的罩在采样区域上，将进气阀的入口连通至不含有待测气体的环境中； 

(2)开启真空泵以及所有采样机构的进气阀、出气阀、控制阀，并将电动三通阀切换至与环境气体连通； 

(3)测控模块采集每一气体采样机构中进气流量传感器和出气流量传感器的信号，进而通过调节对应的进气阀和出气阀使各个采样箱内达到动态平衡状态； 

(4)将电动三通阀切换至与气体分析仪连通； 

(5)保持指定气体采样机构中控制阀的导通，而关闭其余控制阀，通过气体分析仪采集分析来自指定气体采样机构的面源气体。 

进行多点采样时与单点采样的区别仅在于，开启真空泵后需将多个采样箱均调节至平衡状态，然后使电动三通阀切换至与气体分析仪相通，保持指定气体采样机构中控制阀的导通，而关闭其余控制阀，对指定气体采样机构处的面源气体进行采样。 

与现有技术相比，本发明具有以下特点： 

1)根据风速确定采样流量，使采样箱内部尽可能的接近自然环境。 

2)设定内外温度差，压强差的限值，保证采样的有效性，防止过大的采样误差。 

3)利用测控模块自动调节，实现了采样的自动化，使操作更简便，更精确。 

4)避免使用载气，是操作更简便，降低成本。 

5)易于实现多点采样，可以构建多点采样系统。 

附图说明

图1为本发明自动采样装置应用于固态面源气体(如土壤)的结构示意图(单点采样)，其中，1，土壤等固态气体面源；2，进气流量传感器；3，进气阀；4，第一温度传感器；5，测控模块；6，吊扇；7，第二温度传感器；8，风速仪；9，采样箱；10，压差传感器；11，出气阀；12，出气流量传感器；13，真空泵；14，电动三通阀；15，气体分析仪； 

图2为本发明自动采样装置应用于液态面源气体(如污水池)的结构 示意图(单点采样)，其中，16，污水池等液态气体面源；17，漂浮装置； 

图3为本发明自动采样装置应用于固态面源气体(如土壤)的结构示意图(多点采样)，其中，18，控制阀。 

具体实施方式

本发明面源气体自动采样装置的构成如图1所示，包括采样箱9，该采样箱箱体采用白色PVC板构造，形状为方体，长约50cm，宽约40cm，高约10cm。该采样箱9的底部为面源气体采集口，该采样箱的两个相对的侧壁分别设有进气口和出气口；进气口连接有进气阀3，出气口连接有出气阀11，还设有真空泵13，该真空泵13的吸气端连接出气阀11，真空泵13的出气端连接有电动三通阀14，真空泵13用于抽送气体，其流量控制在50-200L/min，电动三通阀14的两个端口分别用于接环境气体和气体分析仪15； 

在进气阀3的前部设有进气流量传感器2，在出气阀11与真空泵13之间设有出气流量传感器12，用于监控采样箱9的进气量和出气量，该自动采样装置还设有测控模块5，用于采集进气流量传感器和出气流量传感器的信号以控制进气阀3、出气阀11和电动三通阀14的开闭。 

从图中可看出，采样箱9的内部安装有吊扇6，能够加速采样箱9内气体的流通，采样箱9的顶部还安装有风速仪8，测控模块5读取该风速仪8的信号进而辅助控制所述进气阀3、出气阀11和电动三通阀14。 

在采样箱9的内壁设有第一温度传感器4，采样箱9的外壁设有第二温度传感器7，采样箱9的箱壁上嵌有压差传感器10，利用温度传感器和压差传感器来判别采样箱9的内外环境，测控模块5根据这些传感器的信号来判别是否进行采样。 

利用本发明自动采样箱对面源气体进行采样的过程如下： 

如图1所示，对土壤等固态气体面源1进行单点采样时，所述采样箱9的面源气体采集口密封的罩在采样区域上，如果是液态面源气体(如污水池)，则需要增加漂浮装置，如图2所示，将漂浮装置17固定于采样箱9的下沿四周，然后放入污水池等液态气体面源16的表面，真空泵13等 其余装置置于水体边空地上。装配好本发明自动采样装置后进行初始化工作，使电动三通阀14切换至与环境气体相通，使采样箱9的进气阀3和出气阀11都打开到最大位置，启动吊扇6；通过测控模块5读取风速仪8的数据，计算出平均风速，并且计算出此风速下最适合的进气量和出气量，测控模块5读取进气流量传感器2和出气流量传感器12的数据，并根据测得的当前流量与最适流量的差距，调整进气阀3或出气阀11，最终使进气口的流量与出气口的流量都等于最适流量，此时达到动态平衡；达到平衡后，将电动三通阀14切换至与气体分析仪15相通，开始采样，测控模块5发出正在采样的信号；如果压差传感器测得的压差超过限值，或者第一温度传感器4和第二温度传感器7测得的内外温差超过限值，则测控模块5发出报警信号，使电动三通阀14切换至与环境气体相通，暂停采样。 

根据本发明自动采样装置也可构建多点采样系统，若把上述自动采样装置中除真空泵13、电动三通阀14和气体分析仪15的部分定义为气体采样机构，则多点采样系统中的气体采样机构为多个，各个气体采样机构中的出气阀通过各自对应的控制阀18并联接入真空泵13的吸气端，如图3所示，为上述单点采样系统经组装后的多点采样系统的结构示意图。 

进行多点采样时，与单点采样的区别仅在于，开启真空泵13后需将多个采样箱均调节至平衡状态，然后使电动三通阀14切换至与气体分析仪15相通，保持指定气体采样机构中控制阀18的导通，而关闭其余控制阀，对指定气体采样机构处的面源气体进行采样。 

Claims (6)

1.一种面源气体自动采样装置，包括测控模块以及依次连接的气体采样机构、气体输送机构和气路切换机构，其特征在于，

所述气体采样机构包括：

采样箱，该采样箱的底部为面源气体采集口，该采样箱的两个相对的侧壁分别设有进气口和出气口；

进气阀，与所述进气口连接；

出气阀，与所述出气口连接；

进气流量传感器，用于采集进气口的气体流量；

出气流量传感器，用于采集出气口的气体流量；

所述气体输送机构为真空泵，其吸气端连接所述出气阀；

所述气路切换机构为电动三通阀，其中一个端口连接所述真空泵的出气端，另外两个端口分别用于连接环境气体和气体分析仪；

所述测控模块用于测量所述进气流量传感器和出气流量传感器的信号进而控制所述进气阀、出气阀和电动三通阀；

所述采样箱的顶部还安装有风速仪，所述测控模块读取该风速仪的信号进而控制所述进气阀、出气阀和电动三通阀；

所述采样箱的内壁设有第一温度传感器，所述采样箱的外壁设有第二温度传感器，所述测控模块采集该第一温度传感器和第二温度传感器的信号进而控制所述进气阀、出气阀和电动三通阀；

所述采样箱的箱壁上嵌有压差传感器，所述测控模块采集该压差传感器的信号进而控制所述进气阀、出气阀和电动三通阀；

通过所述测控模块读取风速仪的数据，计算出平均风速，并且计算出此风速下最适合的进气量和出气量，测控模块读取进气流量传感器和出气流量传感器的数据，并根据测得的进气流量传感器和出气流量传感器的数据与最适合的进气量和出气量的差距，调整进气阀或出气阀，最终使进气口的流量与出气口的流量都等于最适合的进气量和出气量的差距，此时达到动态平衡；达到平衡后，将电动三通阀切换至与气体分析仪相通，开始采样，测控模块发出正在采样的信号；如果压差传感器测得的压差超过限值，或者第一温度传感器和第二温度传感器测得的内外温差超过限值，则测控模块发出报警信号，使电动三通阀切换至与环境气体相通，暂停采样。

2.根据权利要求1所述的面源气体自动采样装置，其特征在于，所述采样箱的内部安装有使气体混合均匀的吊扇。

3.根据权利要求1所述的面源气体自动采样装置，其特征在于，所述真空泵流量为50-200L/min。

4.根据权利要求1～3任一项所述的面源气体自动采样装置，其特征在于，所述气体采样机构为多个，各个气体采样机构中的出气阀通过各自对应的控制阀并联接入所述真空泵的吸气端。

5.利用权利要求1～3任一项所述的面源气体自动采样装置的单点采样方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)利用所述采样箱的面源气体采集口密封的罩在采样区域上，将进气阀的入口连通至不含有待测气体的环境中；

(2)开启真空泵、进气阀、出气阀，并将电动三通阀切换至与环境气体连通；

(3)测控模块采集所述进气流量传感器和出气流量传感器的信号，进而通过调节所述进气阀和出气阀使采样箱内达到动态平衡状态，具体过程为：通过测控模块读取风速仪的数据，计算出平均风速，并且计算出此风速下最适合的进气量和出气量，测控模块读取进气流量传感器和出气流量传感器的数据，并根据测得的进气流量传感器和出气流量传感器的数据与最适合的进气量和出气量的差距，调整进气阀或出气阀，最终使进气口的流量与出气口的流量都等于最适合的进气量和出气量的差距，此时达到动态平衡；

(4)将电动三通阀切换至与气体分析仪连通；

(5)通过气体分析仪采集分析来自气体采集口的面源气体；

如果压差传感器测得的压差超过限值，或者第一温度传感器和第二温度传感器测得的内外温差超过限值，则测控模块发出报警信号，使电动三通阀切换至与环境气体相通，暂停采样。

6.利用权利要求4所述的面源气体自动采样装置的多点采样方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)针对每一气体采样机构，利用所述采样箱的面源气体采集口密封的罩在采样区域上，将进气阀的入口连通至不含有待测气体的环境中；

(2)开启真空泵以及所有采样机构的进气阀、出气阀、控制阀，并将电动三通阀切换至与环境气体连通；

(3)测控模块采集每一气体采样机构中进气流量传感器和出气流量传感器的信号，进而通过调节对应的进气阀和出气阀使各个采样箱内达到动态平衡状态，对于每一气体采样机构，具体过程为：通过测控模块读取风速仪的数据，计算出平均风速，并且计算出此风速下最适合的进气量和出气量，测控模块读取进气流量传感器和出气流量传感器的数据，并根据测得的进气流量传感器和出气流量传感器的数据与最适合的进气量和出气量的差距，调整进气阀或出气阀，最终使进气口的流量与出气口的流量都等于最适合的进气量和出气量的差距，此时达到动态平衡；

(4)将电动三通阀切换至与气体分析仪连通；

(5)保持指定气体采样机构中控制阀的导通，而关闭其余控制阀，通过气体分析仪采集分析来自指定气体采样机构的面源气体；

如果压差传感器测得的压差超过限值，或者第一温度传感器和第二温度传感器测得的内外温差超过限值，则测控模块发出报警信号，使电动三通阀切换至与环境气体相通，暂停采样。