CN105784429A - 被动大气采样器 - Google Patents

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郑煌
祁士华
范新峰
吕宾乐
毛磊
丁洋
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China University of Geosciences
Wuhan Tianhong Instruments Co Ltd
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Wuhan Tianhong Instruments Co Ltd
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    • G01N1/02—Devices for withdrawing samples
    • G01N1/22—Devices for withdrawing samples in the gaseous state
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F22/00—Methods or apparatus for measuring volume of fluids or fluent solid material, not otherwise provided for
    • G01F22/02—Methods or apparatus for measuring volume of fluids or fluent solid material, not otherwise provided for involving measurement of pressure

Abstract

本发明涉及一种被动大气采样器，包括不锈钢圆筒，不锈钢圆筒内设有呈圆柱状的软质聚氨酯泡沫材料；不锈钢圆筒的前端通过第一软管与漏斗连接，不锈钢圆筒的后端通过第二软管与大气连通；不锈钢圆筒上设有压力孔，压力孔与第三软管的一端连接，第三软管的另一端设有压力传感器，压力传感器与单片机连接，单片机与通过电源管理系统与锂电池、太阳能发电机连接；单片机与电子显示屏连接。本发明结构简单、价格低廉、操作方便，采样准确。

Description

被动大气采样器
技术领域
本发明属于环境空气质量监测领域，具体涉及一种被动大气采样器。
背景技术
持久性有机污染物(persistentorganicpollutants，POPs)可导致生物体内分泌紊乱、生殖及免疫机能失调、神经行为和发育紊乱及癌症等严重疾病，环境中的POPs对生态环境和人体健康构成了严重的威胁。因此，对大气中的POPs进行监测和分析对于评价大气质量和治理大气污染具有十分重要的意义。对大气样品进行采集是进行大气环境监测与分析的一个重要环节，只有采样准确高效，才能保证分析数据的准确可靠。
根据大气采样器是否需要动力可分为主动采样器与被动采样器。主动采样器监测精度高，但是价格昂贵、体积庞大，工作时需要电力驱动，因此在野外监测中具有一定的局限性。
大气被动采样(PassiveAirSampling,PAS)技术近年来得到快速发展，已成为大气中污染物监测的重要手段。多数大气PAS装置结构简单、造价低廉、操作方便、无需电源和特别维护，因而适用于较广区域范围内大气POPs的同步观测。
目前被动大气采样器根据吸附材料不同可以分为以下几种：
半渗透膜被动采样器(SPMD)采用带状的低密度聚乙烯(LDPE)膜筒或其他低密度聚合物膜筒为采样材料，内装有大分子(>600Da)中性脂类(通常采用三油酸甘油酯(triolein))；在进行大气采样时，SPMD的操作较为复杂，在运输和现场安装时容易受到污染，渗出的油脂可能粘连大气颗粒物，不易去除；此外，样品净化时须通过凝胶渗透色谱(GPC)去除甘油脂，分析流程繁琐；
PUF-PAS利用软性聚氨酯泡沫材料作为吸附介质，适合于时间分辨率为数周至数月的大气POPs采样；PUF-PAS便于运输，操作简便，PUF的净化和最终污染物的分析流程也较为简单，因而得到了日益广泛的应用；但其无法确定采样体积，采样不准确，且不适用于高风速的大气采集；
XAD-PAS是一种利用苯乙烯-二乙烯基苯共聚物XAD-2粉末作为吸附剂的大气被动采样装置；XAD-PAS与SPMD一样具有容量大的特点，适合于数月至数年的野外长期采样，尤其适合六氯苯(HCB)、六六六(HCH)等在PUF-PAS上容易发生饱和吸附的高挥发性有机污染物的观测分析。但其结构复杂、制作与运输成本昂贵、操作繁琐。
为了追踪不同风向风速条件下的POPs污染物来源，大气定向被动采样装置应运而生。已报道的定向PAS装置，均采用PUF作为吸附介质。如多伦多大学利用风向仪原理，设计了可随风向实时旋转的定向采样装置。由于充分利用了风速，该定向PAS可大幅度提高采样速率，极大地提高了采样效率，缩短了采样时间。但是其无法确定采样体积，采样不准确，仍存在易穿透、需风速风向资料方能计算POPs大气浓度的弊端。在无气象站的边远站点布设该类定向PAS，须加装风速传感器和相应数据存贮器，其使用成本高，不利于推广应用。
目前针对被动大气采样器无法确定采样体积的弊端，已有学者利用与目标污染物性质相似的效能参考物(performancereferencecompound，PRC)的逸失速度确定目标污染物的采样速度。然而，效能参考物的逸失速率与风速、温度等有关，对其的校正工作是获取环境空气中POPs浓度的难点和关键。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种结构简单、价格低廉、操作方便，采样准确的被动大气采样器。
本发明所采用的技术方案是：
一种被动大气采样器，包括不锈钢圆筒，所述不锈钢圆筒内设有呈圆柱状的软质聚氨酯泡沫材料(软性聚氨酯泡沫材料)，所述软质聚氨酯泡沫材料作为吸附材料；不锈钢圆筒的前端通过第一软管与漏斗连接，不锈钢圆筒的后端通过第二软管与大气连通；
所述不锈钢圆筒上设有压力孔，压力孔与第三软管的一端连接，第三软管的另一端设有压力传感器，所述压力传感器与单片机连接，所述单片机与通过电源管理系统与锂电池、太阳能发电机连接；
所述单片机与电子显示屏连接。
更进一步的方案是，所述不锈钢圆筒、漏斗、单片机、锂电池、压力传感器置于PVC管中，在PVC管的末端设有梯形板。
更进一步的方案是，在PVC管的重心处设有与轴承连接的固定机构。
更进一步的方案是，在不锈钢圆筒的后端设有流量计；所述流量计为皂膜流量计。
更进一步的方案是，所述太阳能发电机的太阳能电池板置于PVC管上。
更进一步的方案是，所述漏斗的前端设有风机。
更进一步的方案是，所述软质聚氨酯泡沫材料的规格为采样前软质聚氨酯泡沫材料通过二氯甲烷索式抽提48小时净化处理。压力传感器经过压力发生器校正，流量与压差的关系通过室内实验确定。
更进一步的方案是，所述单片机每秒钟读取压力传感器采集的数据三次，每分钟依据压差的平均值确定采样体积(工况)，电子显示屏幕显示累计体积(工况)与累计时间。依据气体工况与标况的关系将电子显示屏上显示的累计体积换算成该采样时间段内的标况体积。为了减小单片机的功率，电子屏在显示1分钟后进入休眠模式。
本发明的有益效果在于：
在不锈钢圆筒的前端设漏斗，以便于增加不锈钢圆筒内的压力，也便于空气从漏斗内进入不锈钢圆筒；
在压力传感器采集不锈钢圆筒内的压力，用流量计采集不锈钢圆筒内的流量，依据压差与流量的关系准确确定采样体积，保证采样数据准确可靠；
通过软管连接，以便于安设和拆卸；
结构简单、价格低廉、操作方便；
采用锂电池和太阳能发电机构成双电源供电，通过电源管理系统协调管理锂电池与太阳能发电机供电，白天(光照条件良好)优先以太阳能发电机供电，多余电量充入锂电池；夜间及光照条件差时，以锂电池供电；节能又环保；
将不锈钢圆筒、漏斗、单片机、锂电池、压力传感器置于PVC管中，防止雨水对装置的破坏，确保了使用寿命；
在PVC管的重心处设有与轴承连接的固定机构，在PVC管的尾端安设梯形板(鱼尾板)，使装置随风向的改变而始终迎风吸附大气中的POPs；
以使装置处于迎风面，确保了采集的准确性。
附图说明
图1为压力和流量的校正曲线；
图2为本发明被动大气采样器的主视结构示意图；
图3为内部结构示意图。
其中，1、PVC管，2、太阳能电池板，3、固定机构，4、梯形板，5、轴承，6，电子显示屏，7、电源管理系统，8、漏斗，9、锂电池，10、压力孔，11、软质聚氨酯泡沫材料，12、不锈钢圆筒，13-1、第一软管，13-2、第二软管，13-3、第三软管，14、压力传感器，15、单片机。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的实施例。
参见图1-图3，一种被动大气采样器，包括不锈钢圆筒12，不锈钢圆筒12内设有呈圆柱状的软质聚氨酯泡沫材料11(软性聚氨酯泡沫材料)，软质聚氨酯泡沫材料11作为吸附材料；不锈钢圆筒12的前端通过软管13-1与漏斗8连接，不锈钢圆筒12的后端通过第二软管13-2与大气连通；
在不锈钢圆筒12上设有压力孔10，压力孔10与第三软管13-3的一端连接，第三软管13-3的另一端设有用于采集不锈钢圆筒12内的压力的压力传感器14，压力传感器14与单片机15连接，单片机15与通过电源管理系统7与锂电池9、太阳能发电机连接；
单片机15与电子显示屏6连接。
为了防止雨水对装置的破坏，将不锈钢圆筒12、漏斗8、单片机15、锂电子9、压力传感器14、3根软管置于PVC管1中，在PVC管1的末端设有梯形板4，在PVC管1的重心处设有与轴承5连接的固定机构3，这种结构使装置始终处于迎风面，确保了大气的采集。
为了便于安设，将太阳能发电机的太阳能电池板2置于PVC管1上。
本发明不锈钢圆筒长15cm，外径为8cm，采用的软质聚氨酯泡沫材料的规格为采样前软质聚氨酯泡沫材料通过二氯甲烷索式抽提48小时净化处理。压力传感器经过压力发生器校正，流量与压差的关系通过室内实验确定。单片机15每秒钟读取压力传感器14采集的数据三次，每分钟依据压差的平均值确定采样体积(工况)，电子显示屏幕显示累计体积(工况)与累计时间，依据气体工况与标况的关系将电子显示屏6上显示的累计体积换算成该采样时间段内的标况体积。为了减小单片机的功率，电子屏在显示1分钟后进入休眠模式。
室内试验中，在不锈钢圆筒12的后端设有皂膜流量计，皂膜流量计通过第四软管与不锈钢圆筒12连接，用于测量不锈钢圆筒12内的流量；在漏斗(玻璃漏斗)前放置一风机对着装置吹风，经过装置的流量通过与第二软管连接的皂膜流量计读出，压力差通过压力传感器读出。两者的数值建立起如图1所示的线性关系，以此确定流量与压力差之间的关系；
装置放置室外时，通过压力传感器14测量出压力差，通过图1所示的关系确定流量，压力传感器每秒钟读取3次压差，根据3次的平均值计算流量。电子显示屏每分钟更新一次累计流量。
本发明适用于城市、农村的大气中POPs的浓度采集。

Claims (8)

1.一种被动大气采样器，其特征在于：包括不锈钢圆筒，所述不锈钢圆筒内设有呈圆柱状的软质聚氨酯泡沫材料，不锈钢圆筒的前端通过第一软管与漏斗连接，不锈钢圆筒的后端通过第二软管与大气连通；
所述不锈钢圆筒上设有压力孔，压力孔与第三软管的一端连接，第三软管的另一端设有压力传感器，所述压力传感器与单片机连接，所述单片机与通过电源管理系统与锂电池、太阳能发电机连接；
所述单片机与电子显示屏连接。
2.如权利要求1所述的被动大气采样器，其特征在于：所述不锈钢圆筒、漏斗、单片机、锂电子、压力传感器置于PVC管中，在PVC管的末端设有梯形板。
3.如权利要求2所述的被动大气采样器，其特征在于：所述PVC管通过固定机构与轴承连接。
4.如权利要求1所述的被动大气采样器，其特征在于：在不锈钢圆筒的后端设有流量计；所述流量计为皂膜流量计。
5.如权利要求1所述的被动大气采样器，其特征在于：所述太阳能发电机置于PVC管上。
6.如权利要求1所述的被动大气采样器，其特征在于：所述漏斗的前端设有风机。
7.如权利要求1所述的被动大气采样器，其特征在于：所述软质聚氨酯泡沫材料的规格为采样前软质聚氨酯泡沫材料通过二氯甲烷索式抽提48小时净化处理。
8.如权利要求1所述的被动大气采样器，其特征在于：所述单片机每秒钟读取压力传感器采集的数据三次；电子显示屏每分钟更新一次累计流量。
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