CN103278356A - 海洋大气颗粒物采样装置及其采样方法 - Google Patents

Abstract

本发明所述海洋大气颗粒物采样装置及其采样方法，采样装置包括一风向风速传感器与微处理器识别电路相连接；用于固定采样滤膜的滤膜架，滤膜架底座经连接管路与大流量气泵相连接，大流量气泵与微处理器识别电路相连接；控制器与微处理器识别电路相连接，控制大流量气泵。采样方法是：将采样装置固定于船体顶层甲板靠船头的位置；通过控制器设置采样风向和风速条件，用于船载走航时，风向设定为对着船头的方向正负90°，最小的采样风速设定为1.5m/s；采集风速风向传感器信号，若符合所设定的采样条件，控制器启动大流量气泵，微处理器识别电路同时记录采样流量、压力和温度参数，反之采样装置处于等待状态。控制风速风向，降低周围环境对采样结果的影响。

Description

海洋大气颗粒物采样装置及其采样方法

技术领域

    本发明涉及一种海洋大气颗粒物采样装置及其采样方法。

背景技术

大气颗粒物采样器是进行大气细颗粒采样的设备，是进行细颗粒分析和研究的基本设备。随着人们对细颗粒物研究的深入，颗粒物采样器的类型和结构也在不断改进，以满足不同的需要。

目前采用的细颗粒物采样装置主要有撞击式采样器和滤膜式采样器，撞击式采样器利用气流高速通过微孔，撞击在颗粒物收集盘而捕集，根据微孔孔径和流速的大小，可实现对颗粒物的分级采样，但该类采样器主要采用小流量采样。而滤膜式采样器则利用滤膜对颗粒物的捕集，通过配备不同的切割头也可实现对颗粒物的分级采样，该类采样器通常采用大流量采样方法，可短时间获得较多的颗粒物样品以供分析使用，因此，适合用于大气颗粒物样品采集。公开的技术如CN1808095A设计了一种多通道PM_2.5颗粒物采样器，该采样器能同时进行多种滤膜的大气颗粒物样品采集，但设计的采样流量小，采样时间长；新型专利CN2586967Y设计了一种中流量大气细颗粒物采样器，该采样器通过流量控制系统实现了采样流量的稳定性，但采样流量仍较低，对于大气本底颗粒物浓度较低的情况，如海洋大气环境或极地大气环境，仍需要较长的采集时间，才能收集到足够分析用的颗粒物样品。又如CN201707249U公开了一种利用分流器进行三通道大气颗粒物采样器，可对不同粒极的大气颗粒物进行采集。以上大气颗粒物采样器均无法对风向和风速产生反应，采样器连续进行采样，无法对风向和风速进行判断而选择有利的采样条件，避免周围环境对颗粒物样品的污染。显然，这些采样器只能适用于陆地大气颗粒物采样，却难以用于海洋大气颗粒物采样。

随着对全球气候变化和大气气溶胶研究的深入，海洋大气颗粒物已经引起广泛关注。海洋颗粒物样品的采集和分析变得十分重要和必要，然而海洋颗粒物采样与陆地大气颗粒物采样方法完全不同，海洋大气颗粒物采样需要借助船载走航，采样器安装在船上容易受到船上排放污染物的影响，特别是在风速和风向不利的情况下，导致采集的颗粒样品被严重污染，而由于海洋本底大气颗粒物浓度很低，一旦产生污染就无法获得海洋大气颗粒物的真实组成，导致采集的样品无效。

发明内容

本发明的目的，是针对现有的海洋大气颗粒物采样易受船上排放污染，采样不稳定的缺点，提供一种风向和风速可控制的海洋大气颗粒物采样装置及采样方法，它能实现海洋大气颗粒物的无污染采集，避免了在风向和风速不利的条件下，极易造成周围环境污染物对采集的大气颗粒物的影响，而无法获得真实颗粒物样品的问题。采用微处理控制系统，提高了设备运行的自动化程度和运行的稳定性，通过系统的高度集成，极大简化了采样装置的结构和采样操作。

本发明是这样实现的，所述海洋大气颗粒物采样装置，其特征是：风向风速传感器与微处理器识别电路相连接；用于固定采样滤膜的滤膜架，滤膜架固定在滤膜架底座上；滤膜架底座经连接管路与大流量气泵相连通，大流量气泵与微处理器识别电路相连接，大流量气泵出气口位于采样装置底部；旋进涡街流量计的流量传感器与连接管路相连接、旋进涡街流量计的信号输出端与微处理器识别电路连接；微处理器识别电路与控制器相连接，控制器控制大流量气泵的电源开关。

温度传感器一端与连接管路相连接、温度传感器另一端与微处理器识别电路相连接；压力传感器一端与连接管路相连接、压力传感器另一端与微处理器识别电路相连接。

本发明所述滤膜架由上、下两片组成，滤膜架上片的中间镂空形成框架，滤膜架下片中间位置为网孔，上、下两片夹紧采样滤膜；滤膜架上设有滤膜盖。

本发明所述海洋大气颗粒物采样装置的采样方法，其特征是：

（1）将安装在结构支架上的采样装置固定于船体顶层甲板靠船头的位置；

（2）通过微处理器识别电路设置采样风向和风速条件，用于船载走航时，风向设定为对着船头的方向正负90°，最小的采样风速设定为1.5 m/s；

（3）打开滤膜盖，将采样滤膜紧夹于滤膜架上，并将滤膜架固定于滤膜架底座；

（4）采样气体通过放置在滤膜架上的采样滤膜，颗粒物被收集在采样滤膜上，气体进入连接管，最后经大流量气泵出气口从采样装置底部排出；

（5）在采样过程中，微处理器识别电路通过采集风向风速传感器信号，判断是否符合采样条件，若满足步骤（2）风向风速条件，控制器启动大流量气泵进入工作采样状态，采样装置同时记录采样累计流量、瞬时流量、压力值和温度值等数据，反之采样装置处于等待状态。

微处理器识别电路首先收集来自于风向风速传感器测得的风向和风速信号值，将测得的风向风速信号值与设定值进行比较，当测得的风向为对着船头的方向，偏角在正负90°以内、并且测得的风速大于或等于1.5 m/s时，控制器接通大流量气泵的电源开关，启动大流量气泵，微处理器识别电路自动记录累计采样时间，并开始累计流量、自动通过温度传感器和压力传感器补偿修正采样流量、在采样条件符合所设定的风向风速工作状态下，船上烟囱排放的污染物或船体活动产生的污染物往船尾方向扩散输送，不会对样品采集造成污染。

当测得的风向发生改变不满足设定要求时，此时无论测得的风速多大，控制器切断大流量气泵的电源，采样装置进入等待状态。当测得的风速低于1.5 m/s，此时无论风向如何，控制器切断大流量气泵的电源，采样及检测工作停止，采样装置进入等待状态。

本发明通过滤膜架上滤膜的采样气体，其最大流量达到150 m³/s。

本发明的有益效果是，采用风向风速可控的海洋大气颗粒物采样装置，避免了海洋船载走航过程中，风向风速不利的条件下，船上污染物排放对采集的大气颗粒物的影响，而无法获得真实大气颗粒物样品的难题。采用微处理控制系统，通过系统的高度集成，极大简化了采样装置的结构和操作。

附图说明

图1为本发明所述海洋大气颗粒物采样装置的正面示意图。

图2为本发明所述海洋大气颗粒物采样装置置于船头的示意图。

图3为本发明所述滤膜架下片示意图。（中间位置为网孔）

图4为本发明所述滤膜架上片示意图。（中间镂空形成框架）

图中：1.滤膜盖、2.滤膜架、3.连接管路、4.旋进涡街流量计、5.大流量气泵、6.风向风速传感器、7.微处理器识别电路、8.控制器、9.温度传感器、10.压力传感器、11.气体出口、12.滤膜架底座、13.采样装置结构支架、14. 船体顶层甲板靠船头的位置、15.烟囱、16. 中间镂空、17. 网孔。

具体实施方式

本发明所述海洋大气颗粒物采样装置及其采样方法，如图1、2、3、4所示，

所述海洋大气颗粒物采样装置，风向风速传感器6与微处理器识别电路7相连接；用于固定采样滤膜的滤膜架2，滤膜架2固定在滤膜架底座12上；滤膜架底座12经连接管路3与大流量气泵5相连通，大流量气泵5与微处理器识别电路7相连接，大流量气泵5所设气体出口11位于采样装置底部；控制器8与微处理器识别电路7相连接，控制器8控制大流量气泵5的电源开关。

本发明所述旋进涡街流量计4的流量传感器与连接管路3相连接、旋进涡街流量计4的信号输出端与微处理器识别电路7相连接；温度传感器9一端与连接管路3相连接、温度传感器9另一端与微处理器识别电路7相连接；压力传感器10一端与连接管路3相连接、压力传感器10另一端与微处理器识别电路7相连接。

本发明所述滤膜架2由上、下两片组成，如图3、4所示，滤膜架上片的中间镂空16形成框架，滤膜架下片中间位置为网孔17，上、下两片夹紧采样滤膜；滤膜架上设有滤膜盖1。滤膜盖1如凉棚用于遮挡雨水，它采用可翻转方式固定在滤膜架底座12上。

采样滤膜固定在滤膜架上，采样气体通过放置在滤膜架的采样滤膜，大气中的颗粒物被收集在采样滤膜上，气体经连接管路进入大流量气泵，并从位于采样装置底部的大流量气泵出气口排出。根据设定的风向和风速，当测得的风向在设定的范围内且测得的风速高于或等于设定的风速值，控制器接通大流量气泵的电源，启动大流量气泵，采样装置开始运行；当测得的风向和风速有一项不符合设定要求时，控制器断开大流量气泵的电源，大流量气泵停止工作，微处理器识别电路记录停止的时间点，并停止收集采样气体的温度、压力和流量信息，此时采样装置处于等待工作状态。

以下结合图2说明本发明在船载走航采集海洋大气颗粒物的一个实施方案。图中箭头方向为风向。将采样装置固定于船体顶层甲板靠船头的位置14，通过微处理器识别电路7设置采样风向和风速条件，用于船载走航时，风向可设置为对着船头的方向正负90^o，即设定风向的夹角在0°至180°之间，避免船舶航行时来自烟囱等船舶本身的污染，因为若风向为顺着船头的方向，来自烟囱的污染物会影响采样结果。最小的采样风速为1.5m/s，若采样风速设置低于1.5m/s，由于污染物的扩散作用，容易对采样造成影响。打开滤膜盖1，将采样滤膜放置于滤膜架2上面，并将滤膜架2固定于滤膜架底座12，盖上滤膜盖1。接通采样装置电源，采样装置进入工作状态，微处理器识别电路7首先收集来自于风向风速传感器6测得的风向和风速信号值，将测得的风向风速信号值与设定值进行比较。当测得的风向为对着船头的方向，偏角在正负90^o以内，并且测得的风速大于或等于1.5m/s时，控制器8接通大流量气泵5的电源，启动大流量气泵5，微处理器识别电路7开绐记录累计采样时间，并开始累计流量、自动通过温度传感器9和压力传感器10补偿修正采样流量、在设定风向风速工作条件下，船上烟囱15排放的污染物或船体活动产生的污染物往船尾方向扩散输送，不会对样品采集造成污染。

当测得风向发生改变不满足设定要求时，如风由船尾往船头方向吹时，此时无论测得的风速多大，控制器8切断大流量气泵5的电源，大流量气泵5停止运行，采样装置进入等待状态。风向不利的情况下，会将烟囱15排放的污染物输送至采样位置，由于此时采样器已停止采样，因此不会对采集样品造成污染。

当测得的风速低于1.5m/s时，此时无论风向如何，控制器8切断大流量气泵5的电源，大流量气泵5停止运行，采样装置进入等待状态。风速小的时候，船上污染物仍容易通过扩散作用，传输到采样位置，此时若仍继续采样则会对采集样品造成污染。本发明可避免不利风速造成的采样污染。

图2中还标有采样装置结构支架13、船体顶层甲板靠船头的位置14、烟囱15。

本发明的采样装置内微处理器识别电路可记录实时的采样流量，累计采样流量和采样时间，并同时记录采样气体的温度和压力值，微处理器识别电路自动通过温度传感器和压力传感器的值补偿修正采样流量，确保在采样过程中环境温度变化比较大情况下，准确获得比较精确采样气体体积。根据实际需要可通过RS485接口实现多台采样装置的连接，并与远端计算机实现数据传输和远程监控。实现了海洋大气颗粒物的无污染、自动采集。

本发明所述的采样装置为大流量采样器，能有效捕集大气中的颗粒物，采样流量可达到150m³/h。当选用颗粒分层采集装置，应用撞击动力学原理分5-7层捕集不同粒经颗粒物。

本发明所述的采样装置采用旋进涡街流量计，流量测量无机械动件，抗腐蚀和震动，具有断电记忆功能。

本发明所述采样装置的滤膜盖采用可翻转方式固定在滤膜架底座上，滤膜盖和滤膜架采用特氟龙材料制作，避免滤膜架对采样造成污染。采样装置结构支架采用特殊表面处理铝合金材料制作，系统高度集成，具有强度高、抗风性能强，最大风速可达到60m/s，抗腐蚀性强，可长时间在海上运行而不腐蚀，耐低温，最低工作温度可达到零下40℃。

一般根据风吹到地面或水面的物体上所产生的各种现象，把风力的大小分为13个等级，最小是0级。现将风力的级别、现象及风速描述如下：

风力级别       现象           风速

0级：   风平浪静。       0～0.2米/秒

1级：   烟能表示风向。 0．3～1．5米/秒 2级：   人面感觉有风，树叶微动。 1．6～3．3米/秒 3级：   树叶及微技摇动不息，旌旗展开。 3．4～5．4米/秒 4级：   能吹起地面灰尘和纸张，树的小枝摇动。 5．5～7．9米/秒 5级：   有叶的小树摇摆，内陆的水面有小波。 8．0一10．7米/秒 6级：   大树枝摇动，电线呼呼有声，举伞困难。 10．8～13.8米/秒 7级：    全树动摇，迎风步行感觉不便。 13．9～17．l米/秒 8级：   微枝折毁，人向前行感觉阻力甚大。 17．2～20．7米/秒 9级：   草房遭受破坏，大树枝可折断。 20．8～24．4米/秒 10级：  树木可被吹倒，，一般建筑物遭破坏。 24．5～28．4米/秒 11级：陆上少见，大树被吹倒，一般建筑物遭严重破坏。 28．5～32．6米/秒 12级：   陆上绝少，其催毁力极大。 32．7～36．9米/秒     本发明根据海上调查船现场分析比较得出，当风速达到1.5米/秒或以上，基本可以降低周围环境影响。

本发明不仅适用于海洋大气颗粒物采样，同时也适用于陆地大气颗粒物采样。

Claims (4)

1.海洋大气颗粒物采样装置，其特征是：风向风速传感器与微处理器识别电路相连接；用于固定采样滤膜的滤膜架，滤膜架固定在滤膜架底座上；滤膜架底座经连接管路与大流量气泵相连通，大流量气泵与微处理器识别电路相连接，大流量气泵出气口位于采样装置底部；旋进涡街流量计的流量传感器与连接管路相连接、旋进涡街流量计的信号输出端与微处理器识别电路连接；微处理器识别电路与控制器相连接，控制器控制大流量气泵的电源开关。

2.根据权利要求1所述海洋大气颗粒物采样装置，其特征是：温度传感器一端与连接管路相连接、温度传感器另一端与微处理器识别电路相连接；压力传感器一端与连接管路相连接、压力传感器另一端与微处理器识别电路相连接。

3.根据权利要求1所述海洋大气颗粒物采样装置，其特征是：所述滤膜架由上、下两片组成，滤膜架上片的中间镂空形成框架，滤膜架下片中间位置为网孔，上、下两片夹紧采样滤膜；滤膜架上设有滤膜盖。

4.权利要求1或2或3所述海洋大气颗粒物采样装置的采样方法，其特征是：

（1）将安装在结构支架上的采样装置固定于船体顶层甲板靠船头的位置；

（2）通过微处理器识别电路设置采样风向和风速条件，用于船载走航时，风向设定为对着船头的方向正负90°，最小的采样风速设定为1.5 m/s；

（3）打开滤膜盖，将采样滤膜紧夹于滤膜架上，并将滤膜架固定于滤膜架底座；

（4）采样气体通过放置在滤膜架上的采样滤膜，颗粒物被收集在采样滤膜上，气体进入连接管，最后经大流量气泵出气口从采样装置底部排出；

（5）在采样过程中，微处理器识别电路通过采集风向风速传感器信号，判断是否符合采样条件，若满足步骤（2）风向风速条件，控制器启动大流量气泵，微处理器识别电路同时记录采样累计流量、瞬时流量、压力值和温度值数据，反之采样装置处于等待状态。

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