CN103913352B - 一种大气颗粒物采样器的智能除湿装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大气颗粒物采样器的智能除湿装置，其特征在于：它包括圆锥形罩、倒U形除湿装置、钢管、三个湿度传感器；圆锥形罩内壁设置有一圆锥形导流板，圆锥形罩侧面设置有用于放置湿度传感器的圆通孔，圆锥形罩通过螺纹连接钢丝网；倒U形除湿装置的第一竖直段外部套设有冷凝套管，且第一竖直段底端连接圆锥形罩，第二竖直段外部套设有加热套管，且第二竖直段的底端连接钢管，弧形段设置有一用于放置湿度传感器的圆通孔；钢管顶端与第二竖直段底端连接，钢管下部设置有一用于放置湿度传感器的圆通孔；电子控制系统中的信号处理系统实时对接收的三个湿度传感器的湿度信号进行判断，并根据判断结果通过控制相应所述电子电源开关的开启或关闭对所述冷凝套管和加热套管工作状态进行调节。

Description

一种大气颗粒物采样器的智能除湿装置

技术领域

本发明涉及智能除湿技术领域，特别是关于一种适用于在湿度较高的高山环境下使用的大气颗粒物采样器的智能除湿装置。

背景技术

在大气环境科学研究中，尤其是在湿度较高的高山背景地区开展大气颗粒物吸湿增长特性时，尽可能地直接获取干燥状态下的大气颗粒物理化和光学资料是实验成功与否的关键。此外，大气颗粒物粒径谱仪和单粒子质谱等设备对大气颗粒物样品湿度也非常敏感，容易导致仪器故障，从而需要对大气颗粒物样品进行除湿。因此，在大气颗粒物研究领域对大气颗粒物样品进行除湿的要求十分常见也非常必要，而除湿装置是实现上述要求非常重要的手段。

在我国目前几乎所有的大气观测站基本均设置有大气颗粒物除湿装置，根据除湿原理进行分类，主要包括四种：1）第一种加热除湿装置，其主要功能是通过大气颗粒物进样管的外套电阻丝加热，但其无论是何种天气条件下均进行恒温加热，特别是在干燥较冷的天气条件下，容易使得易挥发的大气颗粒物化学成分大量损失，严重影响测量精度。2）第二种为冷凝除湿装置，其主要功能通过大气颗粒物进样管的外套制冷器对大气颗粒物样品进行冷凝，使得样品中水汽析出，然而对于高山背景地区低温高湿的天气条件，冷凝除湿则效果有限，基本不能满足大气颗粒物采样器的除湿要求。3）第三种为硅胶除湿装置，其主要功能是通过硅胶吸收镂空大气颗粒物进样管的水份，从而达到除湿的功能，但是其会随着硅胶的逐渐失效，除湿功能也会出现很大的不确定性，此外由于大气颗粒物进样管硅胶吸湿部分是镂空网状的，很容易导致大气颗粒物附着，也会严重影响测量精度。4）第四种为Nafion隔膜技术，该技术也是国外最新除湿技术，吸湿高效快捷，但是需要额外通入干燥气体去除隔膜吸附的水汽，对于野外实验及其不方便且成本相当高。

综上所述，上述四种除湿装置并没有设计湿度传感器，因此无法判断除湿后的大气颗粒物样品气流是否为满足除湿要求。然而，实际进入大气颗粒物采样器中的大气颗粒物样品的温湿度数据对于估算整个除湿系统对测量结果的不确定性具有十分重要的意义。因此，设计一种既能满足除湿功能，又能尽量减少由于除湿过程带来的样品损失，且能够同步获取除湿效果参数，对于提高大气颗粒物吸湿特性等方面的研究精度十分重要。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种温湿度智能可控、运行成本低、可操作性强，而且能够尽量避免样品化学成分损失的大气颗粒物采样器的智能除湿装置。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种大气颗粒物采样器的智能除湿装置，其特征在于：它包括圆锥形罩、倒U形除湿装置、钢管、第一湿度传感器、第二湿度传感器、第三湿度传感器和电子控制系统；所述圆锥形罩内壁设置有一中空的圆锥形导流板，所述圆锥形导流板顶部延伸至所述圆锥形罩的锥顶，所述圆锥形罩侧面设置有一用于放置所述第一湿度传感器的圆通孔，所述圆锥形罩的锥底端通过螺纹连接一钢丝网；所述倒U形除湿装置的第一竖直段外部套设有一冷凝套管，且所述第一竖直段底端通过螺纹连接所述圆锥形罩的锥顶端，所述倒U形除湿装置的第二竖直段外部套设有一加热套管，且所述第二竖直段的底端通过螺纹连接所述钢管，所述倒U形除湿装置的弧形段设置有一用于放置所述第二湿度传感器的圆通孔；所述钢管顶端通过螺纹与所述第二竖直段底端连接，所述钢管下部设置有一用于放置所述第三湿度传感器的圆通孔；所述电子控制系统包括三个湿度传感器接口、一数据采集器、一信号处理系统、两电子电源开关、一直流电源适配器和一外接电源；三个湿度传感器分别通过所述湿度传感器接口连接所述数据采集器的输入端，所述数据采集器的输出端连接所述信号处理系统的输入端，所述信号处理系统的输出端分别连接所述两电子电源开关的一端，所述两电子电源开关的另一端分别连接所述冷凝套管和加热套管，其中，所述信号处理系统实时对接收的三个湿度传感器的湿度信号进行判断，并根据判断结果通过控制相应所述电子电源开关的开启或关闭对所述冷凝套管和加热套管工作状态进行调节；所述外接电源通过所述直流电源适配器为所有用电器件进行供电。

上述三个圆通孔内还分别设置有一个温度传感器。

所述倒U形除湿装置采用内壁为Teflon涂层的不锈钢管。

所述冷凝套管采用高效节能且绝缘的半导体制冷片。

所述加热套管采用绝缘复合材料电阻加热丝。

所述钢管采用内壁Teflon涂层中空的不锈钢管，使用时，所述钢管的底端连接大气颗粒物采样器。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明在倒U形除湿装置和圆锥形罩之间设置有冷凝套管，当判断得知大气颗粒物的环境湿度大于40%时，则可以通过冷凝套管对大气颗粒物进行冷凝，冷凝水通过重力作用流入末端导流孔，使得进入到样品通道内的大气颗粒物的湿度满足测试要求，因此本发明可以实现最大限度地在不影响大气颗粒物化学成分的情况下达到很好的除湿效果。2、本发明在倒U形除湿装置与钢管之间设置加热套管，可以根据冷凝除湿后的湿度传感器自动开启或关闭加热套管，确保在冷凝和加热的条件下使得大气颗粒物样品相对湿度能够小于40%，因此，即使在高湿度或高湿低温条件下也能确保大气颗粒物样品相对湿度小于40%，满足测试要求，而且不会使得易挥发的大气颗粒物化学成分大量损失，影响测量精度。3、本发明由于设置电子控制系统，电子控制系统通过对三个湿度传感器实时检测，可以确保在环境相对湿度小于40%时，除湿装置不工作，而在环境湿度大于40%时，根据对湿度传感器的判断结果通过控制相应电子电源开关的开启或关闭对冷凝套管和加热套管工作状态进行调节，因此，本发明温湿度智能可控、运行成本低、可操作性强、自动化程度高，能尽可能的不影响大气颗粒物化学成分的情况下去除大气颗粒物样品中的水汽，而且能够尽量避免样品化学成分损失。4、本发明还可以在设置湿度传感器的同时还设置一温度传感器，因此可以同时快捷方便获取样品通道内的大气颗粒物样品的温度，有利于后续的颗粒物物理化学性质的研究。本发明成本低、易于安装保养，可以在不同经纬度、不同自然条件下使用，尤其适用于高湿度高山背景地区，可以广泛应用到环保监测部门和相关科研单位大气颗粒物观测研究。

附图说明

以下结合附图来对本发明进行详细的描绘。然而应当理解，附图的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制。

图1是本发明结构示意图；

图2是本发明圆锥形罩的结构示意图；

图3是本发明不锈钢网的结构示意图；

图4是本发明倒U形除湿装置的结构示意图；

图5是本发明钢管的结构示意图；

图6是本发明电子控制系统的结构示意图。

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1～5所示，本发明的大气颗粒物采样器的智能除湿装置包括一圆锥形罩1、一倒U形除湿装置2、一钢管3和三个湿度传感器，本发明中的三个湿度传感器的结构和功能完全相同，但是为了方便描述将三个湿度传感器分别称为第一湿度传感器、第二湿度传感器和第三湿度传感器。

图2～3所示，圆锥形罩1的内壁设置有一中空的圆锥形导流板11，圆锥形导流板11顶部延伸至圆锥形罩1的锥顶，圆锥形罩1侧面设置一圆通孔12，圆通孔12用于放置第一湿度传感器，第一湿度传感器用于探测进入样品通道内的大气颗粒物的环境湿度信号，圆锥形罩1的锥顶端和锥底端分别设置有连接用螺纹，圆锥形罩1锥底端通过螺纹连接一不锈钢钢丝网13，不锈钢钢丝网13用于防止昆虫或大型碎屑进入样品通道。

如图4所示，倒U形除湿装置2的第一竖直段21外部套设有一冷凝套管22，且第一竖直段21底端通过设置的螺纹连接圆锥形罩1的锥顶端；倒U形除湿装置2的第二竖直段23外部套设有加热套管24，且第二竖直段23的底端通过螺纹连接钢管3，倒U形除湿装置2的弧形段25中部设置一圆通孔26，圆通孔26用于放置第二湿度传感器，第二湿度传感器用于探测经冷凝套管22冷凝后的大气颗粒物的湿度信号。

如图5所示，钢管3的顶端设置有连接用螺纹，并通过螺纹与倒U形除湿装置2的第二竖直段23底端连接，钢管3的下部设置一圆通孔31，圆通孔31用于放置第三湿度传感器，第三湿度传感器用于探测经加热套管24加热后的大气颗粒物的湿度信号。

如图6所示，本发明的智能除湿装置还包括一电子控制系统4，电子控制系统4包括有三个湿度传感器接口41、一数据采集器42、一信号处理系统43、两电子电源开关44、一直流电源适配器45和一外接电源46；三个湿度传感器分别通过湿度传感器接口41连接数据采集器42的输入端，数据采集器42的输出端连接信号处理系统43的输入端，信号处理系统43的输出端分别连接两电子电源开关44的一端，两电子电源开关44的另一端分别连接冷凝套管22和加热套管24。外接电源46用于提供电压为220V的交流电并通过直流电源适配器45变为36V的直流电用于为所有用电器件进行供电。其中，信号处理系统43实时对接收的三个湿度传感器的湿度信号进行判断，并根据判断结果通过控制相应电子电源开关44的开启或关闭对冷凝套管22和加热套管24工作状态进行调节。

在一个优选的实施例中，由于在样品通道内的大气颗粒物样品的温度数据对于后续的颗粒物物理化学性质的研究是非常关键的参数，因此在上述三个圆通孔内还可以分别设置一个温度传感器，或者是在上个圆通孔内设置一个能够集温度和湿度同时探测于一体的温湿度传感器。

在一个优选的实施例中，圆锥形罩1可以采用不锈钢材质。

在一个优选的实施例中，倒U形除湿装置2可以采用内壁为Teflon涂层的不锈钢管。

在一个优选的实施例中，冷凝套管22可以采用高效节能且绝缘的半导体制冷片。

在一个优选的实施例中，加热套管24可以采用绝缘复合材料电阻加热丝。

在一个优选的实施例中，钢管3可以采用内壁Teflon涂层中空的不锈钢管，使用时，钢管3的底端连接大气颗粒物采样器。

下面对本发明的大气颗粒物采样器的智能除湿装置的使用过程进行详细说明，为了方便描述工作过程，本发明将两个电源电子开关进行区分，将与冷凝套管22连接的电子电源开关定义为第一电子电源开关，另一个电子电源开关定义为第二电子电源开关：

本发明使用前，首先将现有的大气颗粒物采样器连接到不锈钢钢管3的底端，当本发明的智能除湿装置通电开始运行时，电子控制系统4开始工作，大气颗粒物通过圆锥形罩1进入样品通道内，三个湿度传感器实时将湿度数据信号通过相应湿度传感器接口41发送到数据采集器42，信号处理系统43实时读取数据采集器42中三个湿度传感器的湿度数据并实时进行判断：

1）信号处理系统43实时对第一湿度传感器采集的湿度数据进行判断，如果判断得知大气颗粒物的环境湿度小于40%（通常情况下，大气颗粒物样品的相对湿度小于40%时，则认为该样品处于干燥状态，颗粒物的粒径不存在吸湿增长的情况，且其物理化学性质不会发生显著改变。），则认为进入到样品通道内的大气颗粒物的湿度满足测试要求，此时冷凝套管22和加热套管24都不工作，大气颗粒物采样器可以直接对进入样品通道内的大气颗粒物进行采集；

2）如果判断得知大气颗粒物的环境湿度大于等于40%，则认为进入到样品通道内的大气颗粒物的湿度不满足测试要求，此时信号控制系统43控制第一电子电源开关开启使外接电源46给冷凝套管22供电，此时，信号处理系统43实时对第二湿度传感器采集的经冷凝套管22冷凝后的大气颗粒物的湿度数据进行判断，如果判断得知经冷凝套管22冷凝后的大气颗粒物的湿度小于40%，则认为经过冷凝后的大气颗粒物的湿度满足测试要求，此时加热套管24不工作，大气颗粒物采样器可以对冷凝后的大气颗粒物进行采集，冷凝套管22是否工作取决于第二湿度传感器的湿度数据是否大于40%；

3）如果判断得知经冷凝套管22冷凝后的大气颗粒物的湿度大于40%，则认为经冷凝后的大气颗粒物的湿度还不能够满足测试要求，此时信号处理系统43同时控制第二电子电源开关开启使外接电源同时给加热套管24进行供电，信号处理系统43对第三湿度传感器采集的经加热套管24加热后的大气颗粒物的温湿度数据进行判断，如果第三湿度传感器探测的得到湿度小于40%，则认为进入到样品通道内的大气颗粒物的湿度满足测试要求，大气颗粒物采样器可以对冷凝后的大气颗粒物进行采集，加热套管24是否工作取决于第三湿度传感器的湿度数据是否大于40%；

4）在整个智能除湿装置正常工作时，三个湿度传感器、数据采集器，信号处理系统均是实时工作的，信号处理系统根据采集的三个湿度传感器器的湿度数据实时进行判断，并实时对判断结果根据1）～3）通过控制相应电子电源开关44的开启或关闭对冷凝套管22和加热套管24工作状态进行实时智能调节。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺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 (10)

1.一种大气颗粒物采样器的智能除湿装置，其特征在于：它包括圆锥形罩、倒U形除湿装置、钢管、第一湿度传感器、第二湿度传感器、第三湿度传感器和电子控制系统；

所述圆锥形罩内壁设置有一中空的圆锥形导流板，所述圆锥形导流板顶部延伸至所述圆锥形罩的锥顶，所述圆锥形罩侧面设置有一用于放置所述第一湿度传感器的圆通孔，所述圆锥形罩的锥底端通过螺纹连接一钢丝网；所述倒U形除湿装置的第一竖直段外部套设有一冷凝套管，且所述第一竖直段底端通过螺纹连接所述圆锥形罩的锥顶端，所述倒U形除湿装置的第二竖直段外部套设有一加热套管，所述倒U形除湿装置的弧形段设置有一用于放置所述第二湿度传感器的圆通孔；所述钢管顶端通过螺纹与所述第二竖直段底端连接，所述钢管下部设置有一用于放置所述第三湿度传感器的圆通孔；

所述电子控制系统包括三个湿度传感器接口、一数据采集器、一信号处理系统、两电子电源开关、一直流电源适配器和一外接电源；三个湿度传感器分别通过所述湿度传感器接口连接所述数据采集器的输入端，所述数据采集器的输出端连接所述信号处理系统的输入端，所述信号处理系统的输出端分别连接所述两电子电源开关的一端，所述两电子电源开关的另一端分别连接所述冷凝套管和加热套管，其中，所述信号处理系统实时对接收的三个湿度传感器的湿度信号进行判断，并根据判断结果通过控制相应所述电子电源开关的开启或关闭对所述冷凝套管和加热套管工作状态进行调节；所述外接电源通过所述直流电源适配器为所有用电器件进行供电。

2.如权利要求1所述的一种大气颗粒物采样器的智能除湿装置，其特征在于：上述三个圆通孔内还分别设置有一个温度传感器。

3.如权利要求1所述的一种大气颗粒物采样器的智能除湿装置，其特征在于：所述倒U形除湿装置采用内壁为Teflon涂层的不锈钢管。

4.如权利要求2所述的一种大气颗粒物采样器的智能除湿装置，其特征在于：所述倒U形除湿装置采用内壁为Teflon涂层的不锈钢管。

5.如权利要求1或2或3或4所述的一种大气颗粒物采样器的智能除湿装置，其特征在于：所述冷凝套管采用高效节能且绝缘的半导体制冷片。

6.如权利要求1或2或3或4所述的一种大气颗粒物采样器的智能除湿装置，其特征在于：所述加热套管采用绝缘复合材料电阻加热丝。

7.如权利要求5所述的一种大气颗粒物采样器的智能除湿装置，其特征在于：所述加热套管采用绝缘复合材料电阻加热丝。

8.如权利要求1或2或3或4或7所述的一种大气颗粒物采样器的智能除湿装置，其特征在于：所述钢管采用内壁Teflon涂层中空的不锈钢管，使用时，所述钢管的底端连接大气颗粒物采样器。

9.如权利要求5所述的一种大气颗粒物采样器的智能除湿装置，其特征在于：所述钢管采用内壁Teflon涂层中空的不锈钢管，使用时，所述钢管的底端连接大气颗粒物采样器。

10.如权利要求6所述的一种大气颗粒物采样器的智能除湿装置，其特征在于：所述钢管采用内壁Teflon涂层中空的不锈钢管，使用时，所述钢管的底端连接大气颗粒物采样器。