CN105651561A - 一种低流量空气采样器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低流量空气采样器，其包括主箱体、采样管等，该采样管包括采样帽、切割头、采样腔体以及用于截留大于预设当量直径大小的空气颗粒物并对当前采样的空气颗粒物进行捕获并同步采集气态样品的采样柱；主箱体包括壳体、直流电源、LCD显示屏、流量计，用于控制调节当前采样流速的流速控制装置及用于依据设定的采样条件，控制流速控制装置调节当前采样流速，进而控制采样管进行空气采样的主控电路。本发明能够同步采集空气颗粒物和气态样品，即通过控制流速大小、选择不同孔径切割头和更换不同孔径滤膜，筛分并采集不同当量直径的空气颗粒物样品，同时利用捕集柱同步采集气态样品，并具有定风向风速、定温度湿度等采样功能。
Description
技术领域
本发明涉及一种低流量空气采样器。
背景技术
随着经济的快速发展和工业化水平的提高，大气环境污染越来越严重，对人类健康的影响也越来越大。因此对空气采样器采样功能提出了越来越高的要求，如在大气样品采集过程中对颗粒物数量、质量、成分以及气体成分同步采集的技术需求等。
目前，空气采样器主要有主动式和被动式两种。主动式采样器又分为颗粒物样品采样器和气态样品采样器两种，常见的冲击式、虚拟式和旋风式等采样器均为主动式空气颗粒物样品采样器，这类采样器主要是通过选用不同材料和孔径的滤膜对大气中的颗粒物进行收集采样，它可以在相对短的时间内采集足够多的颗粒物样品，但是该采样器仅能采集固定大小的颗粒物样品，通常也不具备采集气态样品的功能，并且结构复杂，不便携带，更不适合室内空气样品的采集。主动式气态样品采样器则主要通过选用不同吸附材料对大气成分进行收集采样，但目前使用的气态样品采样器大多不具有颗粒物过滤功能。所采集气态样品会携带有空气颗粒物，影响气体成分的分析。被动式采样器又称为无泵采样器，具有结构简单，不需要任何电源，适宜于野外长时间无人看守环境采样，但是被动式采样很容易受环境因索的影响，如风向、风速、温度和湿度等影响，出现样品采集时空误差，其应用范围受到限制。
发明内容
鉴于已有采样器存在的技术缺陷，本发明的目的是要提供一种新型低流量空气采样器，该空气采样器能够实现同步采集空气颗粒物和气态样品，即通过控制流速大小、选择不同孔径切割头和更换不同孔径滤膜，筛分并采集不同当量直径的空气颗粒物样品，同时可利用捕集柱同步采集气态样品。
该采样器也具有定风向风速、定温度湿度、定流速采集和远程控制采样功能，也可通过蓄电池和太阳能供电实现野外无动力电源情况下进行长时间大气监测，该采样器可对无组织排放源进行监测，也适合室内空气样品的采集。
为了实现上述目的，本发明的技术方案：
一种低流量空气采样器，主要包括主箱体以及用于支撑主箱体的支架，其特征在于：
还包括设置在主箱体上，用于进行空气采样的采样管，所述的采样管包括用于保护切割头的采样帽，用于为空气采样提供第一次筛选，使得空气中一定当量直径的颗粒物进入到采样腔体的切割头，用于将采样柱安装于腔体内部的采样腔体以及用于进行空气采样，截留大于预设当量直径大小的空气颗粒物，对当前采样的空气颗粒物进行捕获同时同步捕集该气态样品的采样柱；
所述的主箱体包括壳体以及分别设置于壳体内部的用于为采样器提供能源的电源，用于显示当前采样设置参数的LCD显示屏，与采样管连通、用于测定采样器采样流速的流量计，与流量计连通、用于控制调节当前采样流速的流速控制装置以及用于依据设定的采样条件，控制流速控制装置调节当前采样流速，进而控制采样管进行空气采样的主控电路。
进一步的，所述采样管的采样帽包括两部分，上部分为圆锥体结构，下部分为圆柱体结构，用于对切割头进行保护，起到防雨防雪和防尘的作用；所述的切割头为空心的圆柱体结构，并在此圆柱体结构上均布若干筛选通孔结构，用于实现空气采样的第一次筛选目的；所述切割头与采样腔体的接合处设置有密封圈，以保证气密性，防止漏气；所述采样腔体内可拆卸安装采样柱，用于按照采样需求对采样柱进行更换，同时所述采样腔体通过管接与流量计相连，且采样腔体与流量计的接合处设置有密封圈，以防止漏气。
进一步的，所述采样柱为分段式结构，包括用于对大于预设当量直径大小的空气颗粒物进行截留并捕获的颗粒物收集柱以及对当前采样气体进行捕获并收集的气体捕集柱；所述颗粒物收集柱与气体捕集柱之间通过串联接头连通。
所述颗粒物收集柱包括颗粒物收集柱体以及设置于颗粒物收集柱体内腔底部的用于对大于预设当量直径大小的空气颗粒物进行截留并捕获的滤膜；所述气体捕集柱内部装载有用于对当前采样的大气气体进行捕获的特异性吸附材料，同时所述气体捕集柱同步收集该采样气体。
进一步的，所述采样柱还可以为一体式结构，包括用于对大于预设当量直径大小的空气颗粒物进行截留并捕获，同时同步收集当前采样气体的柱形采样收集柱，该柱形采样收集柱内部设置若干用于对大于预设当量直径大小的空气颗粒物进行截留并捕获的滤膜，同时当前采样气体由各个滤膜之间的柱形采样收集柱内腔同步收集。
所述分段式结构采样柱或者一体式结构采样柱的数量均可为多个，可依据捕获要求进行适应性添加或者删减。
所述采样柱可通过在颗粒物收集柱上端或者柱形采样收集柱上端设置用以调节采样气体湿度的化学试剂，以实现主动调节环境湿度，进而进行采样，优选气体干燥剂。
进一步的，所述的流速控制装置包括与流量计连通，用于对采样管内部空气进行抽吸，使得管内气体能够垂直向下运动，便于进行采样收集的负压泵。
进一步的，所述采样器还包括太阳能电池板，用于为所述采样器提供备选电源。
进一步的，所述采样器能够依据设定的采样条件实现不同功能的空气采样操作，包括远程控制采样、定风向风速采样以及定温度湿度大气压采样，该采样器可依据采样条件自主选择上述采样形式或者进行组合形式的采样形式。
其中，所述远程控制采样是通过在主箱体上设置用于接收远程控制信号的通讯天线以及对应设置于主箱体壳体内，将远程控制信号反馈至主控制电路，触发主控制电路进行空气采样的远程控制电路，以实现远程控制采样；所述的定风向风速采样是通过主箱体上设置用于测定采样器采样风向的风向仪、用于测定采样器采样风速的风速仪，若风向仪位于设定的风向位置或者风速仪达到设定的风速参数时，触发主控制电路进行空气采样；所述定温度湿度大气压采样是通过在主箱体上设置用于检测当前大气环境温湿度信号的温湿度传感器以及用于检测当前大气环境大气压力信号的大气压力传感器；若温湿度信号或者大气压力信号达到采样器预设的采样参数设定值，触发主控制电路进行空气采样。
本发明主要工作原理：
通过流速控制装置对采样管内的空气进行抽气，使气体能够垂直向下运动，以便收集气体；具体的，首先气体通过切割头圆周范围内均布的筛选通孔进行第一次的筛选，使空气中一定当量直径的颗粒物进入到采样腔体中，其次进入到采样腔体的空气首先经过颗粒物收集柱的滤膜，大于滤膜孔径的成分被截留并捕获在滤膜上，可通过称重的方式计算出截留在滤膜上一定当量直径大小的空气颗粒物质量浓度；小于滤膜孔径的颗粒物和气体将继续往下流动，经过气体捕集柱，被气体捕集柱的特异性吸附材料捕获同时气体被同步收集在气体捕集柱内腔，进行气体成分的定量分析；
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1.本发明设计了一种新型结构的采样管，该采样管由采样帽、切割头、采样腔体和采样柱四部分组成，采样柱安装在采样腔体中。所述采样帽的形状由上面的圆锥体形状和下面的圆柱体形状组成，这样的设计能够对切割头进行保护，起到防雨防雪和防尘的功能；所述切割头的形状为圆柱体，在此圆柱体的圆周范围内均布若干筛选通孔，通过流速控制装置的流速控制和切割头筛选通孔大小来控制进入采样管腔体中颗粒物当量直径大小，使小于一定当量直径空气颗粒物进入采样腔体，进入采样腔体的颗粒物被表面具有多孔结构的滤膜所截获，实现对空气颗粒物大小进行筛选，即大于滤膜表面孔径的颗粒物被截获；而小于滤膜表面孔径的气体和颗粒物穿透滤膜进入气体捕集柱，实现了对空气颗粒物大小的第二次筛选，而气体捕集柱中装有特异性吸附材料，选择性吸附空气中特异性的目标组分。
2.本发明还具有采样条件选择控制，一是定风向风速采样控制，该功能由风向风速仪与主控电路配合完成，实现定向采集，比如能够对无组织源排放的气体和颗粒物进行采集，进而定向分析，比如在东南方向有家燃煤厂，我们就可设定风向条件为东南方向，对其排放的污染物质进行采集；二是定温度湿度采集控制，因为湿度和温度的变化都会影响到采集气体的成分及其浓度含量，因此本采样器可设定采集样品时的环境温度和湿度条件范围，即在此范围内才进行采集，本仪器具有较宽的温度和湿度设置范围，可控制温度在-25℃到45℃之间，湿度在10％到100％之间进行采样；三是通过设置通讯天线以及远程控制电路实现远程控制。
3.同时本采样器重量适中，轻巧方便，能在任何地点进行采样。
附图说明
图1为本发明所述空气采样器的电路结构原理方框图；
图2为本发明所述空气采样器的电源结构示意图；
图3为本发明所述空气采样器的控制芯片电路示意图；
图4为本发明所述空气采样器的显示器电路图；
图5为本发明所述空气采样器的按键结构图；
图6为本发明所述空气采样器的负压泵控制电路图；
图7为本发明所述空气采样器的传感器电路图；
图8为本发明所述空气采样器的日期时间电路图；
图9为本发明所述空气采样器的的立体结构图；
图10为本发明所述空气采样器的剖视图；
图11为本发明所述空气采样器的采样柱的结构剖视图；
图12为本发明所述空气采样器的采样柱的结构剖视图。
图中：1、采样管，2、通讯天线，3、风速仪，4、风向仪，5、主箱体，6、支架，7、太阳能电池板，8、采样帽，9、切割头，10、密封圈，11、采样柱，11a、颗粒物收集柱体，11b、滤膜，11c、串联接头，11d、气体捕集柱，12、采样腔体，13、密封圈，14、管接，15、流量计，16、主箱体内电源，17、远程控制电路板，18、负压泵，19、主控电路板，20、LCD显示屏，21、大气压力传感器，22、温湿度传感器，23、气体干燥剂，24、滤膜，25、柱形采样收集柱。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图以及具体的实施例对本发明进行进一步详细说明。
本发明的目的是要提供一种新型的低流量空气采样器，其能够实现定风向风速和定温湿度采集，且采样温湿度设置范围广。
一种低流量空气采样器，如图1、图9所示，主要包括主箱体5、支架6、采样管1、通讯天线2、风速仪3、风向仪4、太阳能电池板7等；而该主箱体5主要由壳体、流量计15、负压泵18、LCD显示屏20、主控电路板19、远程控制电路板17、温湿度传感器22、大气压力传感器21和电源16等组成。
实施例1，一种低流量空气采样器，其具体电路原理实现：
1、电源部分：如图2，整个仪器的供电有两种方式，一是通过开关电源将输入的220V交流电变换为12V直流电为整个仪器供电，二是由太阳能电池板提供12V直流电为整个仪器供电，由K1控制两种电源的选择；又通过U3将12V直流电变换为5V直流电供单片机控制电路使用，主控制电路还能够对输入的12V直流电进行实时采样，当检测到电压低于10V时，立即停止仪器的工作。
2、主控制电路——控制芯片部分：如图3，控制芯片选用51系列单片机，晶振选用外部11.0592M晶振，单片机自带Flash存储器和8路AD转换器，P1.3P1.7设置为传感器输入，P0口设置为LCD显示器输出，P4口设置为按键输入，P3.2～P3.7设置为时钟电路输入输出，C1和R9组成单片机上电复位电路。
3、LCD显示部分：如图4，选用自带字库的LCD128×64液晶显示模块，模块使用5V供电，可显示4行，每行16个字符或8个汉字，模块通过DB0DB7和RST、E、WR、RS引脚与单片机连接，接收上述单片机的控制命令并显示相应的数据；可通过W1可对模块背光进行调节。
4、按键电路：加设用于设定采样条件的外部控制模式-按键电路，如图5，按键S1～S5直接与单片机引脚连接，平时由上拉电阻R1～R5确保单片机相应引脚为高电平，按键按下时向单片机相应引脚输入低电平的按键接通信号，按键的防抖动处理由软件实现。S1为“系统设置”，可通过选定按压按键次数选择进入相应参数设定状态，或者退出参数设定状态；S2为“设置选择”，用于选择要修改的参数；S3和S4为“UP”和“DOWN”，用于增加或减小参数的值；S5为“数据查看”，用于查看当前日期时间、采样工作时间和设定的参数值；
5、流速控制装置部分：如图6，当上述单片机送出高电平的负压泵控制信号时，通过光电耦合器OP1控制继电器JDQ1断开，继电器JDQ1的常闭触点接通，负压泵工作。
6、采样条件选择控制部分：本例用到6个传感器，传感器的采样工作原理基本相同，如图7，传感器由5V或12V供电，传感器信号输出端通过上拉电阻与单片机连接，电压、风向、大气压传感器为电压型输出信号，温度湿度传感器输出信号为单线串行数据，风速传感器为脉冲型输出信号，单片机对输入的传感器信号进行采样并转换为标准单位值。
7、附加功能部分——日期时间：如图8，系统日期时间的产生由日历器件PCF8563实现，JT2和C8为日历器件提供基准时钟信号，日历器件通过数据线SDA和时钟线SCL与单片机连接构成串行总线接口，与单片机进行双向传送数据，实现时间、日期等数据的设定和读取。
一种低流量空气采样器，其具体结构原理实现：
参见图9，一种低流量空气采样器，包括主箱体5、设置在主箱体外的采样管1、通讯天线2、风速仪3、风向仪4、支架6和太阳能电池板7，主箱体5固定于支架6顶面。
上述主箱体5为长方体形状，上述通讯天线2选用圆柱形结构，用于接收远程控制信号，便于实现远程控制；风向仪4上部的风标用于测定风向，圆柱形的一头所指方向为来风方向；风速仪3风用于测定风速，通过它的转速计算出风速。
参见图10，该采样器还包括主箱体内电源16、主控电路板19、流量计15、远程控制电路板17、负压泵18、LCD显示屏20、大气压力传感器21和温湿度传感器22以及采样管1。
参见图11，采样管1由采样帽8、切割头9、采样腔休12和采样柱11四部分组成，这四部分，所述的采样腔体12内放有采样柱11。
上述采样帽8与切割头9采用螺纹连接。所述采样帽8上部分为圆锥体结构和下部分为圆柱体结构；所述切割头9的为空心圆柱体结构，在此圆柱体的圆周范围内均布6个直径5mm的孔。
上述切割头9与采样腔体12通过螺纹连接；所述切割头9与采样腔体12的连接处放有密封圈10，以防止漏气。所述采样腔体12可选用长253mm，外径30mm，内径15mm规格进行采样。
上述采样腔体12内可拆卸放有采样柱11，采样柱11可以根据所需要采集的样品的种类来进行更换调整。
上述采样腔体12部分结构也可设置于此仪器的主体箱5内。
上述采样腔体12通过长90mm的管接14与流量计15相连，采样腔体12与管接14连接处放有密封圈10；所述流量计15通过管路与负压泵18相连，通过负压泵18的抽吸进行采样操作。
上述负压泵18均与电源16、主控电路板19相连，为负压泵18提供动力和控制信号；电源16与主控电路板19相连；主控电路板19与远程控制电路17、LCD显示屏20、风向仪4、风速仪3、温湿度传感器22和大气压力传感器21均相连，接收触发信号或者依据相应的预设采样参数，控制触发进行空气采样。
其中采样柱包括两种结构，分为分段式结构以及一体式结构：
如图11，所述采样柱为分段式结构，包括用于对大于预设当量直径大小的空气颗粒物进行截留并捕获的颗粒物收集柱以及对当前采样气体进行捕获并收集的气体捕集柱11d；所述颗粒物收集柱与气体捕集柱11d之间通过串联接头11c连通。
所述颗粒物收集柱包括颗粒物收集柱体11a以及设置于颗粒物收集柱休11a内腔底部的用于对大于预设当量直径大小的空气颗粒物进行截留并捕获的滤膜11b，具体的滤膜材料依据待捕获的空气颗粒物要求而定；所述气体捕集柱11d内部装载有用于对当前采样的大气气体进行捕获的特异性吸附材料，同时所述气体捕集柱11d同步收集该采样气体，具体的特异性吸附材料依据待捕获的大气气体成分而定。
如图12，所述采样柱还可以为一体式结构，包括用于对大于预设当量直径大小的空气颗粒物进行截留并捕获，同时同步收集当前采样气体的柱形采样收集柱25，该柱形采样收集柱25内部设置若干用于对大于预设当量直径大小的空气颗粒物进行截留并捕获的滤膜24，同时当前采样气体由各个滤膜24之间的柱形采样收集柱25内腔同步收集。
所述分段式结构采样柱或者一体式结构采样柱的数量均可为多个。可依据捕获要求进行适应性添加或者删减，可通过串联接头或者其他密封性结构进行连通。
若是当前环境湿度一直达不到采样要求，可通过在所述采样柱可通过在颗粒物收集柱上端或者柱形采样收集柱上端设置气体干燥剂23或者其他试剂(放置于图12所示的柱形采样收集柱上端，同时在图11未示出)，以实现调节环境湿度，进而进行湿度可调节的采样操作。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种低流量空气采样器，主要包括主箱体以及用于支撑主箱体的支架，其特征在于：
还包括设置在主箱体上，用于进行空气采样的采样管，所述的采样管包括用于保护切割头的采样帽，用于为空气采样提供第一次筛选，使得空气中一定当量直径的颗粒物进入到采样腔体的切割头，用于将采样柱安装于腔体内部的采样腔体以及用于进行空气采样，截留大于预设当量直径大小的空气颗粒物，对当前采样的空气颗粒物进行捕获同时同步捕集该气态样品的采样柱；
所述的主箱体包括壳体以及分别设置于壳体内部的用于为采样器提供能源的电源，用于显示当前采样设置参数的LCD显示屏，与采样管连通、用于测定采样器采样流速的流量计，与流量计连通、用于控制调节当前采样流速的流速控制装置以及用于依据设定的采样条件，控制流速控制装置调节当前采样流速，进而控制采样管进行空气采样的主控电路。
2.根据权利要求1所述的低流量空气采样器，其特征在于：所述采样管的采样帽包括两部分，上部分为圆锥体结构，下部分为圆柱体结构，用于对切割头进行保护，起到防雨防雪和防尘的作用；所述的切割头为空心的圆柱体结构，并在此圆柱体结构上均布若干筛选通孔结构，用于实现空气采样的第一次筛选目的；所述切割头与采样腔体的接合处设置有密封圈，以保证气密性，防止漏气；所述采样腔体内可拆卸安装采样柱，用于按照采样需求对采样柱进行更换同时所述采样腔体通过管接与流量计相连，且采样腔体与流量计的接合处设置有密封圈，以防止漏气。
3.根据权利要求1所述的低流量空气采样器，其特征在于：所述采样柱为分段式结构，包括用于对大于预设当量直径大小的空气颗粒物进行截留并捕获的颗粒物收集柱以及对当前采样气体进行捕获并收集的气体捕集柱；所述颗粒物收集柱与气体捕集柱之间通过串联接头连通。
4.根据权利要求3所述的低流量空气采样器，其特征在于：所述颗粒物收集柱包括颗粒物收集柱体以及设置于颗粒物收集柱体内腔底部的用于对大于预设当量直径大小的空气颗粒物进行截留并捕获的滤膜；所述气体捕集柱内部装载有用于对当前采样的空气气体进行捕获的特异性吸附材料，同时所述气体捕集柱同步收集其内部的采样气体。
5.根据权利要求1所述的低流量空气采样器，其特征在于：所述采样柱还可以为一体式结构，包括用于对大于预设当量直径大小的空气颗粒物进行截留并捕获，同时同步收集当前采样气体的柱形采样收集柱，该柱形采样收集柱内部设置若干用于对大于预设当量直径大小的空气颗粒物进行截留并捕获的滤膜，同时当前采样气体由各个滤膜之间的柱形采样收集柱内腔同步收集。
6.根据权利要求3或者5所述的低流量空气采样器，其特征在于：所述分段式结构采样柱或者一体式结构采样柱的数量均可为多个，可依据捕获要求进行适应性添加或者删减。
7.根据权利要求3或者5所述的低流量空气采样器，其特征在于：所述采样柱可通过在颗粒物收集柱上端或者柱形采样收集柱上端设置用以调节采样气体湿度的化学试剂，以实现自主调节环境湿度，进而进行采样。
8.根据权利要求1所述的低流量空气采样器，其特征在于：所述的流速控制装置包括与流量计连通，用于对采样管内部空气进行抽吸，使得管内气体能够垂直向下运动，便于进行采样收集的负压泵；所述采样器还包括太阳能电池板，用于为所述采样器提供备选电源。
9.根据权利要求1所述的低流量空气采样器，其特征在于：所述采样器能够依据设定的采样条件实现不同功能的空气采样操作，包括远程控制采样、定风向风速采样以及定温度湿度空气压采样，该采样器可依据采样条件自主选择上述采样形式或者进行组合形式的采样形式。
10.根据权利要求1所述的低流量空气采样器，其特征在于：所述远程控制采样是通过在主箱体上设置用于接收远程控制信号的通讯天线以及对应设置于主箱体壳体内，将远程控制信号反馈至主控制电路，触发主控制电路进行空气采样的远程控制电路，以实现远程控制采样；所述的定风向风速采样是通过主箱体上设置用于测定采样器采样风向的风向仪、用于测定采样器采样风速的风速仪，若风向仪位于设定的风向位置或者风速仪达到设定的风速参数时，触发主控制电路进行空气采样；所述定温度湿度大气压采样是通过在主箱体上设置用于检测当前大气环境温湿度信号的温湿度传感器以及用于检测当前大气环境大气压力信号的大气压力传感器；若温湿度信号或者大气压力信号达到采样器预设的采样参数设定值，触发主控制电路进行空气采样。
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