CN104697826A - 大气垂直分布化学颗粒采集装置及其采样方法 - Google Patents

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李伟
詹建琼
陈立奇
张祥和
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Abstract

本发明所述大气垂直分布化学颗粒采集装置及其采样方法，采集装置包括升空载体、监测仪器，所述监测仪器是：与多通道转换阀相连接的若干个采样筒，所述采样筒由设有若干层滤膜的滤膜底座、固定架、上端连接件、筒体、下端连接件、带有进气口的切割头顺序套接而成；所述多通道转换阀还与采样逻辑控制电路相连接；所述滤膜底座上的吸气口经管路与真空气泵相连接。采样方法：将监测仪器固定在飞艇下方，采样逻辑控制电路打开对应多通道转换阀，采样筒进行气体采样。本发明可以方便获得大气边界层大气化学颗粒垂直分布颗粒物变化、各层分布含量。采用逻辑分析控制系统，实现智能控制全过程采样，极大简化了采样装置的结构和操作。

Description

大气垂直分布化学颗粒采集装置及其采样方法
技术领域
本发明涉及一种大气垂直分布化学颗粒采集装置及其采样方法。
背景技术
    目前，人们对大气中颗粒化学组成和结构及漂移研究越来越重视。大气中气溶胶是典型的大气累积性的复合污染形态。气溶胶的复合污染作用超过传统的大气污染物，日益成为表征城市大气污染的首要指标。剖析大气气溶胶的组成与来源、对治理城市大气污染有积极意义。在影响大气能见度的粒子中，其中PM-2.5占有极其重要的主导地位。由于PM-2.5的原因，有的城市能见度只有天然能见度的30%。PM-2.5由直接排入空气中的一次微粒和空气中的气态污染物通过化学转化生成的二次微粒组成。一次微粒主要由尘土性微粒和由植物和矿物燃料燃烧产生的碳黑(有机碳)粒子两大类组成。二次微粒主要由硫酸铵和硝酸铵(由大气中的SO2和NOX与NH3反应生成)组成，其形成的主要过程是大气中的一次气态污染物SO2和NOX通过均相或非均相的氧化形成酸性气溶胶，再和大气中唯一的偏碱性气体NH3反应生成硫酸铵(亚硫酸铵)和硝酸铵气溶胶粒子。大气中的水滴为这些化学转化过程提供了重要的前提条件。硫酸铵和硝酸铵是水溶性盐类，在水中的溶解度均较高。所以，大气中的水滴就易成为二次污染物在1000M以下低空不断累积的重要媒介。主要取决于污染源特征和气象、气侯特征。所以一次粒子的比例较高在一次微粒中，尘土性微粒主要来源于道路、建筑和农业产生的扬尘；碳黑粒子主要来源于柴油发动机汽车、锅炉、废物焚烧、露天烧烤、火烧秸杆和居民烧柴等。研究表明空气颗粒物在不同天气状况下以及垂直方向上的变化规律,结果表明,(1)在0～56m之间,TSP、PM10随高度增加而减小,56～116m之间随高度增加而增大。低空中的PM2.5、PM1相差不大,而100m以上高空中的PM2.5、PM1污染程度明显大于地面。天气条件影响颗粒物污染程度。晴天和大风天颗粒物的污染相对较轻,阴天时污染最重。
目前国外开展这方面研究，是采用在地面使用仪器集成进行采样分析，其主要问题是受到设备体积大、比较重（由于在高空上升高度和体积、重量有关系）、蓄电池供电时间短的限制。
发明内容
本发明的目的，是要提供一种大气垂直分布化学颗粒采集装置及其采样方法，它具有体积小，低功耗，集成度高的优点。由升降飞艇保持匀速上升和下降，采样装置根据设定层次和高度范围自动控制吸气泵开始工作，多通道转换阀定位到设定不同层采样膜的位置，采样结束后，滤膜在实验室分析得出不同高度颗粒物成分、形态等结果。
本发明是这样实现的，所述大气垂直分布化学颗粒采集装置，它包括升空载体、监测仪器，所述监测仪器是：与多通道转换阀相连接的若干个采样筒，所述采样筒由设有若干层滤膜的滤膜底座、固定架、上端连接件、筒体、下端连接件、带有进气口的切割头顺序套接而成；所述多通道转换阀还与采样逻辑控制电路相连接；所述滤膜底座上的吸气口经管路与真空气泵相连接。
本发明所述采样逻辑控制电路包括垂直高度逻辑控制模块、高度传感器、多参数记录存储器、累计计时电路的电连接。
本发明所述滤膜底座内间隔设两层滤膜；所述采集装置底部连接带有时序控制电路的电动卷扬机；所述升空载体使用3—5立方飞艇。
用本发明所述大气垂直分布化学颗粒采集装置进行采样的方法：将监测仪器固定在飞艇下方，采样筒进气口朝下；采样逻辑控制电路打开对应多通道转换阀，采样筒进行气体采样；大气中化学颗粒物通过采样筒上带有进气口的切割头过滤，符合条件颗粒进入筒体，并富集在设于滤膜底座的滤膜上；当真空气泵开始工作时，与其对应的累计计时电路记录时间，并将实时测量气象参数记录到多参数记录存储器；上升和下降由带有时序控制电路的电动卷扬机进行全程控制；自动完成采样。
本发明的有益效果是，可以方便获得大气边界层大气化学颗粒垂直分布颗粒物变化、各层分布含量。采用逻辑分析控制系统，实现智能控制全过程采样，极大简化了采样装置的结构和操作。
附图说明
图1为本发明示意图。
图2为本发明所述监测仪器示意图。
图3为本发明所述采样筒主视图。
图4为图3的右视图。
图5为图3的左视图。
图6为图3的剖示图A-A。
图7为本发明所述采样筒的分散图。
图8为本发明所述监测仪器方框图。
图中：1. 飞艇，2. 监测仪器，3. 多通道转换阀，4.气体连接管路，5. 采样筒，6. 滤膜底座，7. 固定架，8. 上端连接件，9. 筒体，10. 下端连接件，11. 进气口，12. 切割头，13. 吸气口，14. 真空气泵，15.电动卷扬机，16.太阳能板，17. 程控信号线。
具体实施方式
本发明所述大气垂直分布化学颗粒采集装置，如图1—8所示，它包括升空飞艇1、监测仪器2，所述监测仪器2是：与多通道转换阀3相连接的四个采样筒5，所述采样筒5由设有两层滤膜的滤膜底座6、固定架7、上端连接件8、筒体9、下端连接件10、带有进气口11的切割头12顺序套接而成；所述多通道转换阀3还与采样逻辑控制电路相连接；所述滤膜底座6上的吸气口13经气体连接管路4与真空气泵14相连接。本发明所述采样逻辑控制电路包括垂直高度逻辑控制模块、高度传感器、多参数记录存储器、累计计时电路的电连接。所述采集装置底部连接带有时序控制电路的电动卷扬机15；所述升空载体使用3—5立方飞艇。图1中还标有太阳能板16。图2中还标有程控信号线17，程控信号线连接采样逻辑控制电路。
本发明所述大气垂直分布化学颗粒采集装置采样方法，其步骤如下：
（1）将监测装置支架悬挂固定安装在飞艇下方位置，在监测装置底部连接电动卷扬机，可以根据需要保存低速上升和下降。
（2）采样逻辑控制电路设置垂直采样范围区间和层次参数，飞艇上升和下降过程中，多通道转换阀受采样逻辑控制电路的控制自动转换到设置对应采样筒进行采样，这时真空气泵连接通过多通道路转换阀转换到对应位置的气路，对选中采样筒进行采样，同时记录累计工作时间，一般加挂四个采样筒，也可以加挂六个或八个采样筒。
（3）通过悬挂在监测装置下方，气体通过颗粒切割头（PM2.5、PM10、TSP）进入采样筒内，根据需要安放不同滤膜两层在滤膜底座上。通过滤膜的采样气体，其最大流量达到26ml3/s。
（4）采样过程中由多参数记录存储器实时记录气象参数的温湿度、气压、风速及高度变化轨迹。
本发明所述采样筒设计为倒立方式，可以用于遮挡雨水防止吸入采样筒内，采样筒进气口可更换进气切割头方式选择通过滤膜底座进气颗粒大小。
本发明所述两个采样滤膜固定在滤膜底座上，滤膜底座是网状，采样气体可以顺畅通过进入下一个采样滤膜，大气中的化学颗粒物被收集在滤膜上。在飞艇上升和下降过程中，采样逻辑控制电路根据设定采样高度区间，控制多通道转换阀转换到对应位置的气体连接管路4，气体连接管路4经多通道转换阀3连接到真空气泵14。一般根据设定高度区间分为四个范围（安装四个采样筒），到指定区间就打开对应采样筒进行采样工作。多参数记录存储器记录每个采样筒累计工作时间，同时记录温湿度、压力、风速及高度信息。
本发明所述化学颗粒物采样筒5，大气采样化学颗粒经过切割头12粒径选择后，符合条件进入采样筒简体9内，筒体9内可以根据需要选择安放过滤器，进行有限制通过所需要的颗粒进入下一级滤膜进行收集，也可以不在筒体内安放过滤器，直接采集大气化学颗粒到滤膜底座上。第二级采样滤膜是根据所关注的成分进行进一步补充采样。
本发明所述的采样逻辑控制电路，主要负责检测采样高度变化区间，控制对应采样筒工作。同时控制多通道转换阀达到对应采样筒采样，并控制累计计时电路工作状态，将控制信息和变化值，传输到多参数记录存储器，连同气象参数一起记录在多参数记录存储器中。
本发明所述的大气垂直分布化学颗粒采集装置，载体飞艇的上升和下降由带有时序控制电路的电动卷扬机控制上升和下降的速度和停留全部过程。
本发明所述采样装置电源采用太阳能辅助充电，用于延长内部锂电池供电时间。太阳能电池板安放在飞艇上方，平铺展开，尽可能大的面积，增强供电能力。

Claims (4)

1. 大气垂直分布化学颗粒采集装置，它包括升空载体、监测仪器，其特征为：所述监测仪器是：与多通道转换阀相连接的若干个采样筒，所述采样筒由筒体、两层滤膜的滤膜底座、固定架、上端连接件、筒体、下端连接件、带有进气口的大气颗粒物进气口的切割头顺序套接而成；所述多通道转换阀还与采样逻辑控制电路相连接；所述滤膜底座上的吸气口经管路与真空气泵相连接。
2.根据权利要求1所述大气垂直分布化学颗粒采集装置，其特征是：所述采样逻辑控制电路包括垂直高度逻辑控制模块、高度传感器、多参数记录存储器、累计计时电路的电连接。
3. 根据权利要求1所述大气垂直分布化学颗粒采集装置，其特征是：所述滤膜底座内间隔设两层滤膜；所述采集装置底部连接带有时序控制电路的电动卷扬机；所述升空载体使用3—5立方飞艇。
4. 用权利要求1或2或3所述大气垂直分布化学颗粒采集装置进行采样的方法，其特征是：将监测仪器固定在飞艇下方，采样筒进气口朝下；采样逻辑控制电路打开对应多通道转换阀，采样筒进行气体采样；大气中化学颗粒物通过采样筒上带有进气口的切割头过滤，符合条件颗粒进入筒体，并富集在设于滤膜底座的滤膜上；当真空气泵开始工作时，与其对应的累计计时电路记录时间，并将实时测量气象参数记录到多参数记录存储器；上升和下降由带有时序控制电路的电动卷扬机进行全程控制；自动完成采样。
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