CN105954070A - 一种气溶胶颗粒采集装置 - Google Patents

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Abstract

本申请提供一种气溶胶颗粒采集装置，由气溶胶颗粒物粒径切割头和气溶胶颗粒物稀释装置组成，气溶胶颗粒物粒径切割头包括气体入口通道、切割腔和马达传动装置，气溶胶颗粒物稀释装置包括气体质量流量控制装置和稀释空腔；气溶胶颗粒物采集效率高、维护使用成本低、环境适应能力强、便于大量生产，可满足气溶胶颗粒物测量领域的高精度测量需求，商业价值高。

Description

一种气溶胶颗粒采集装置
技术领域
本申请属于大气环境技术领域，尤其涉及一种气溶胶颗粒采集装置。
背景技术
大气气溶胶粒子--是指均匀分散于大气中的固体微粒和液体微粒所构成的稳定混合体系，其中的微粒统称为气溶胶粒子。一般在大气科学研究中，常用气溶胶代指大气颗粒物。
气溶胶是液态或固态微粒在空气中的悬浮体系。它们能作为水滴和冰晶的凝结核（见大气凝结核、大气冰核）、太阳辐射的吸收体和散射体，并参与各种化学循环，是大气的重要组成部分。雾、烟、霾、轻雾（霭）、微尘和烟雾等，都是天然的或人为的原因造成的大气气溶胶。
随着我国经济社会的快速发展,以煤炭为主的能源消耗大幅攀升,机动车保有量急剧增加,经济发达地区细颗粒物污染和扬尘污染加剧,同时大气细颗粒物已经成为影响我国城市大气环境质量的首要污染物,目前国内外的气溶胶粒径切割装置主要分为撞击式切割头、气旋式切割头、液体冲击式切割头、离心式切割头，这些传统的气溶胶切割头只能实现一种粒径的气溶胶的采集，同时气体滤膜需要频繁更换以保证较高的切割精度，难以满足实时多粒径气溶胶监测的功能。此外,国内的气溶胶颗粒稀释装置主要通过将高浓度气体抽入气体空腔中稀释后通过稳流泵抽出，稀释效果一般。
大气气溶胶是悬浮在大气中的固态和液态颗粒物的总称,粒子的空气动力学直径多在0.001～100μm 之间,非常之轻,足以悬浮于空气之中,当前主要包括6 大类7种气溶胶粒子，即：沙尘气溶胶、碳气溶胶(黑碳和有机碳气溶胶)、硫酸盐气溶胶、硝酸盐气溶胶、铵盐气溶胶和海盐气溶胶。尽管气溶胶在大气中的含量相对较少,但它在大气过程中所起的作用却不容忽视，其突出的作用表现在气溶胶不仅对大气能见度、太阳散射和辐射、大气温度等具有较多影响,而且由于其粒径小、表面积大,为大气环境化学提供了反应床,从而影响大气的各种化学作用，同时影响人类健康。
鉴于我国严峻的大气污染形势，以及传统气溶胶切割头和气体颗粒物稀释装置普遍存在的缺陷，本发明专利针对这些存在的问题设计了一种新的气溶胶颗粒采集装置，用来改善传统装置存在的缺陷并实现对大气中气溶胶颗粒物的准确检测。
发明内容
解决的技术问题：
本申请提供一种气溶胶颗粒采集装置，解决现有技术只能实现一种粒径的气溶胶的采集，气体滤膜需要频繁更换以保证较高的切割精度，难以满足实时多粒径气溶胶监测的功能,国内的气溶胶颗粒稀释装置稀释效果一般等问题。
技术方案：
一种气溶胶颗粒采集装置，由气溶胶颗粒物粒径切割头和气溶胶颗粒物稀释装置组成，所述气溶胶颗粒物粒径切割头和气溶胶颗粒物稀释装置通过圆盘型金属通道相连，其中气溶胶颗粒物粒径切割头包括气体入口通道、切割腔和马达传动装置，切割腔内设有一组过滤腔，过滤腔口径自上而下依次减小，过滤腔与过滤腔之间通过锁扣相互连接，过滤腔与过滤腔之间设有粗过滤网，所述圆盘型金属通道内设有与每个过滤腔搭配使用的继电器气体通道选通开关，马达传动装置与切割腔相连带动切割腔旋转，气溶胶颗粒物稀释装置包括气体质量流量控制装置和稀释空腔，所述稀释空腔由一组独立稀释腔组成，独立稀释腔分别与气体质量流量控制装置相连。
作为本申请的一种优选技术方案：所述切割腔由内外两层同心圆柱体金属框架和过滤腔构成，内外两层同心圆柱体金属框架上分别装配有磁块，实现内外两层联动，过滤腔固定在内层同心圆柱体金属框架上。
作为本申请的一种优选技术方案：所述马达传动装置采用机械联动马达用220V交流电驱动，通过一根橡胶圈与切割腔外层的圆柱体金属框架相连，带动外层的圆柱体金属框架旋转，内层的圆柱体金属框架通过磁块的磁力作用同步旋转，转速为15r/min-25r/min。
作为本申请的一种优选技术方案：所述内外两层同心圆柱体金属框架的捕集表面采用厚度为35微米的铝箔。
作为本申请的一种优选技术方案：所述过滤腔自顶端到底部依次为PM10.0过滤腔、PM5.0过滤腔、PM2.5过滤腔、PM1.0过滤腔。
作为本申请的一种优选技术方案：所述气体质量流量控制装置由第一级气体流量控制装置和第二级气体流量控制装置组成，所述第一级气体流量控制装置采用日本小岛KOFLOC公司的8500系列；所述第二级气体流量控制装置采用北京七星公司的D07-19F抗电磁干扰气体质量流量控制器。
作为本申请的一种优选技术方案：所述独立稀释腔底部安装有电控开关和稳流计，稀释完成的气体经稳流计输出至后一级分析设备，通过电控开关控制打开或关闭稳流计出口。
有益效果：
本申请所述一种气溶胶颗粒采集装置采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：1、可以对大气中指定粒径的颗粒物进行分离采集，能够同时完成对PM10.0、PM5.0、PM2.5、PM1.0四种不同粒径气溶胶颗粒物的采集，并对其进行稀释；2、可以同时完成对四种不同粒径大小的气溶胶的稀释，在大大降低用户成本的同时也显著提高了稀释精确性和单位时间内的稀释效率；3、在复杂气象、电磁条件下的气体流量控制准确；4、抽气机抽入的气体由垂直方向单轨迹运动，变为螺旋向下的立体三维运动，由原来直接惯性冲击过滤膜变为斜向冲击过滤膜，不仅有效减轻了过滤膜所需承受的冲击力，降低过滤膜破损几率，降低了设备后期维护成本同时也实现了将积压在过滤膜滤孔处的颗粒物吹起，滤膜不易积尘，显著提高气溶胶颗粒物采集效率；5、气溶胶颗粒物采集效率高、维护使用成本低、环境适应能力强、便于大量生产，可满足气溶胶颗粒物测量领域的高精度测量需求，商业价值高。
附图说明：
图1是本申请气溶胶颗粒粒径切割头的结构示意图。
图2是本申请气溶胶颗粒粒径切割头剖面结构图。
图3是本申请气溶胶颗粒物稀释装置部分结构示意图。
图4是本申请系统整体结构示意图。
图5是本申请系统运行流程图。
附图标记说明：1、气溶胶颗粒物粒径切割头，2、气溶胶颗粒物稀释装置，3、圆盘型金属通道，4、气体入口通道，5、粗过滤网，6、继电器气体通道选通开关，7、独立稀释腔，8、内外两层同心圆柱体金属框架，9、磁块，10、机械联动马达，11、橡胶圈，12、PM10.0过滤腔，13、PM5.0过滤腔，14、PM2.5过滤腔，15、PM1.0过滤腔，16、第一级气体流量控制装置，17、第二级气体流量控制装置，18、电控开关，19、稳流计。
具体实施方式
以下实施例进一步说明本申请的内容，但不应理解为对本申请的限制。在不背离本申请精神和实质的情况下，对本申请方法、步骤或条件所作的修改和替换，均属于本申请的范围。
若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。
实施例1:
如图1和图2所示，一种气溶胶颗粒采集装置，气溶胶颗粒物粒径切割头1包括气体入口通道4、切割腔和马达传动装置，切割腔由内外两层同心圆柱体金属框架8和过滤腔构成，内外两层同心圆柱体金属框架8上分别装配有磁块9，实现内外两层联动，内外两层同心圆柱体金属框架8的捕集表面采用厚度为35微米的铝箔，切割腔内设有一组过滤腔，过滤腔自顶端到底部依次为PM10.0过滤腔12、PM5.0过滤腔13、PM2.5过滤腔14、PM1.0过滤腔15，过滤腔口径自上而下依次减小，过滤腔与过滤腔之间通过锁扣相互连接，过滤腔与过滤腔之间设有粗过滤网5，过滤腔固定在内层同心圆柱体金属框架上，马达传动装置采用机械联动马达10用220V交流电驱动，通过一根橡胶圈11与切割腔外层的圆柱体金属框架相连，带动外层的圆柱体金属框架旋转，内层的圆柱体金属框架通过磁块9的磁力作用同步旋转，转速为25r/min。
如图3所示，气溶胶颗粒物稀释装置2包括气体质量流量控制装置和稀释空腔，气体质量流量控制装置由第一级气体流量控制装置16和第二级气体流量控制装置17组成，所述第一级气体流量控制装置16采用日本小岛KOFLOC公司的8500系列，该产品流量量程范围为：10SCCM-20SLM(30SLM-100SLM)；测量精度为±1.5%F.S.以内（±2%F.S.以内）；所述第二级气体流量控制装置17采用北京七星公司的D07-19F抗电磁干扰气体质量流量控制器，该产品流量量程范围为：5sccm,10sccm,20sccm,30sccm,50sccm, 100sccm,200sccm,300sccm,500sccm,1slm,2slm,3slm,5slm,10slm,20slm,30slm；测量精度为：±1％F.S.(20slm 30slm ±2％F.S.)，经第一级气体流量控制器16对气体流量进行初控制，然后输出至后一级高精度气体流量控制器对气体流量进行高精度控制。所述稀释空腔由一组独立稀释腔7组成，独立稀释腔7分别与气体质量流量控制装置相连，独立稀释腔7底部安装有电控开关18和稳流计19，稀释完成的气体经稳流计19输出至后一级分析设备，通过电控开关18控制打开或关闭稳流计19出口。
如图4和图5所示，气溶胶颗粒物粒径切割头1和气溶胶颗粒物稀释装置2通过圆盘型金属通道3相连，圆盘型金属通道3内设有与每个过滤腔搭配使用的继电器气体通道选通开关6，用户可以根据实际情况的需要选择打开或关闭其中的一个或几个通道，对四种不同粒径的气溶胶气体中的一种或多种进行稀释，满足了用户对不同颗粒粒径的采集稀释的需要。顶部通过气体通道入口4抽入的气体在切割腔内成螺旋运动轨迹向下运动，与传统的冲击式采样器气体在切割腔内做单纯的垂直方向运动相比，通过内外金属框架绕轴联动，使气体的运动维度由一维拓展到多维，气体颗粒物沿螺旋轨迹向下运动，首先通过粗过滤网5滤去气体中存在的不满足要求的大颗粒物，然后气体颗粒物螺旋向下与PM10.0过滤膜、PM5.0过滤膜、PM2.5过滤膜和PM1.0过滤膜成一定侧向夹角接触，在每两级采集滤膜之间经由粗过滤网5进行粗过滤，防止大颗粒物堵住过滤孔影响过滤效率。通过采用创新的气体螺旋向下运动方式不仅降低了高压气体以高速向下冲击滤膜时对高精度滤膜造成的损害，有效延长了滤膜的使用周期，降低了仪器的使用和维护成本，而且通过这种方式，气体沿侧向一定夹角接触滤网，可以吹起积压在滤膜滤孔处的大颗粒物，使其沿螺旋气体外延升腾，防止滤膜在长期室外使用过程中因缺乏维护而造成的采样精度和采样效率的降低，能够适应在恶劣气象条件下的高精度准确采样切割。
实施例2：
如图1和图2所示，一种气溶胶颗粒采集装置，气溶胶颗粒物粒径切割头1包括气体入口通道4、切割腔和马达传动装置，切割腔由内外两层同心圆柱体金属框架8和过滤腔构成，内外两层同心圆柱体金属框架8上分别装配有磁块9，实现内外两层联动，内外两层同心圆柱体金属框架8的捕集表面采用厚度为35微米的铝箔，切割腔内设有一组过滤腔，过滤腔自顶端到底部依次为PM10.0过滤腔12、PM5.0过滤腔13、PM2.5过滤腔14、PM1.0过滤腔15，过滤腔口径自上而下依次减小，过滤腔与过滤腔之间通过锁扣相互连接，过滤腔与过滤腔之间设有粗过滤网5，过滤腔固定在内层同心圆柱体金属框架上，马达传动装置采用机械联动马达10用220V交流电驱动，通过一根橡胶圈11与切割腔外层的圆柱体金属框架相连，带动外层的圆柱体金属框架旋转，内层的圆柱体金属框架通过磁块9的磁力作用同步旋转，转速为20r/min。
如图3所示，气溶胶颗粒物稀释装置2包括气体质量流量控制装置和稀释空腔，气体质量流量控制装置由第一级气体流量控制装置16和第二级气体流量控制装置17组成，所述第一级气体流量控制装置16采用日本小岛KOFLOC公司的8500系列，该产品流量量程范围为：10SCCM-20SLM(30SLM-100SLM)；测量精度为±1.5%F.S.以内（±2%F.S.以内）；所述第二级气体流量控制装置17采用北京七星公司的D07-19F抗电磁干扰气体质量流量控制器，该产品流量量程范围为：5sccm,10sccm,20sccm,30sccm,50sccm, 100sccm,200sccm,300sccm,500sccm,1slm,2slm,3slm,5slm,10slm,20slm,30slm；测量精度为：±1％F.S.(20slm 30slm ±2％F.S.)，经第一级气体流量控制器16对气体流量进行初控制，然后输出至后一级高精度气体流量控制器对气体流量进行高精度控制。所述稀释空腔由一组独立稀释腔7组成，独立稀释腔7分别与气体质量流量控制装置相连，独立稀释腔7底部安装有电控开关18和稳流计19，稀释完成的气体经稳流计19输出至后一级分析设备，通过电控开关18控制打开或关闭稳流计19出口。
如图4和图5所示，气溶胶颗粒物粒径切割头1和气溶胶颗粒物稀释装置2通过圆盘型金属通道3相连，圆盘型金属通道3内设有与每个过滤腔搭配使用的继电器气体通道选通开关6，用户可以根据实际情况的需要选择打开或关闭其中的一个或几个通道，对四种不同粒径的气溶胶气体中的一种或多种进行稀释，满足了用户对不同颗粒粒径的采集稀释的需要。顶部通过气体通道入口4抽入的气体在切割腔内成螺旋运动轨迹向下运动，与传统的冲击式采样器气体在切割腔内做单纯的垂直方向运动相比，通过内外金属框架绕轴联动，使气体的运动维度由一维拓展到多维，气体颗粒物沿螺旋轨迹向下运动，首先通过粗过滤网5滤去气体中存在的不满足要求的大颗粒物，然后气体颗粒物螺旋向下与PM10.0过滤膜、PM5.0过滤膜、PM2.5过滤膜和PM1.0过滤膜成一定侧向夹角接触，在每两级采集滤膜之间经由粗过滤网5进行粗过滤，防止大颗粒物堵住过滤孔影响过滤效率。通过采用创新的气体螺旋向下运动方式不仅降低了高压气体以高速向下冲击滤膜时对高精度滤膜造成的损害，有效延长了滤膜的使用周期，降低了仪器的使用和维护成本，而且通过这种方式，气体沿侧向一定夹角接触滤网，可以吹起积压在滤膜滤孔处的大颗粒物，使其沿螺旋气体外延升腾，防止滤膜在长期室外使用过程中因缺乏维护而造成的采样精度和采样效率的降低，能够适应在恶劣气象条件下的高精度准确采样切割。
实施例3:
如图1和图2所示，一种气溶胶颗粒采集装置，气溶胶颗粒物粒径切割头1包括气体入口通道4、切割腔和马达传动装置，切割腔由内外两层同心圆柱体金属框架8和过滤腔构成，内外两层同心圆柱体金属框架8上分别装配有磁块9，实现内外两层联动，内外两层同心圆柱体金属框架8的捕集表面采用厚度为35微米的铝箔，切割腔内设有一组过滤腔，过滤腔自顶端到底部依次为PM10.0过滤腔12、PM5.0过滤腔13、PM2.5过滤腔14、PM1.0过滤腔15，过滤腔口径自上而下依次减小，过滤腔与过滤腔之间通过锁扣相互连接，过滤腔与过滤腔之间设有粗过滤网5，过滤腔固定在内层同心圆柱体金属框架上，马达传动装置采用机械联动马达10用220V交流电驱动，通过一根橡胶圈11与切割腔外层的圆柱体金属框架相连，带动外层的圆柱体金属框架旋转，内层的圆柱体金属框架通过磁块9的磁力作用同步旋转，转速为15r/min。
如图3所示，气溶胶颗粒物稀释装置2包括气体质量流量控制装置和稀释空腔，气体质量流量控制装置由第一级气体流量控制装置16和第二级气体流量控制装置17组成，所述第一级气体流量控制装置16采用日本小岛KOFLOC公司的8500系列，该产品流量量程范围为：10SCCM-20SLM(30SLM-100SLM)；测量精度为±1.5%F.S.以内（±2%F.S.以内）；所述第二级气体流量控制装置17采用北京七星公司的D07-19F抗电磁干扰气体质量流量控制器，该产品流量量程范围为：5sccm,10sccm,20sccm,30sccm,50sccm, 100sccm,200sccm,300sccm,500sccm,1slm,2slm,3slm,5slm,10slm,20slm,30slm；测量精度为：±1％F.S.(20slm 30slm ±2％F.S.)，经第一级气体流量控制器16对气体流量进行初控制，然后输出至后一级高精度气体流量控制器对气体流量进行高精度控制。所述稀释空腔由一组独立稀释腔7组成，独立稀释腔7分别与气体质量流量控制装置相连，独立稀释腔7底部安装有电控开关18和稳流计19，稀释完成的气体经稳流计19输出至后一级分析设备，通过电控开关18控制打开或关闭稳流计19出口。
如图4和图5所示，气溶胶颗粒物粒径切割头1和气溶胶颗粒物稀释装置2通过圆盘型金属通道3相连，圆盘型金属通道3内设有与每个过滤腔搭配使用的继电器气体通道选通开关6，用户可以根据实际情况的需要选择打开或关闭其中的一个或几个通道，对四种不同粒径的气溶胶气体中的一种或多种进行稀释，满足了用户对不同颗粒粒径的采集稀释的需要。顶部通过气体通道入口4抽入的气体在切割腔内成螺旋运动轨迹向下运动，与传统的冲击式采样器气体在切割腔内做单纯的垂直方向运动相比，通过内外金属框架绕轴联动，使气体的运动维度由一维拓展到多维，气体颗粒物沿螺旋轨迹向下运动，首先通过粗过滤网5滤去气体中存在的不满足要求的大颗粒物，然后气体颗粒物螺旋向下与PM10.0过滤膜、PM5.0过滤膜、PM2.5过滤膜和PM1.0过滤膜成一定侧向夹角接触，在每两级采集滤膜之间经由粗过滤网5进行粗过滤，防止大颗粒物堵住过滤孔影响过滤效率。通过采用创新的气体螺旋向下运动方式不仅降低了高压气体以高速向下冲击滤膜时对高精度滤膜造成的损害，有效延长了滤膜的使用周期，降低了仪器的使用和维护成本，而且通过这种方式，气体沿侧向一定夹角接触滤网，可以吹起积压在滤膜滤孔处的大颗粒物，使其沿螺旋气体外延升腾，防止滤膜在长期室外使用过程中因缺乏维护而造成的采样精度和采样效率的降低，能够适应在恶劣气象条件下的高精度准确采样切割。
上面结合附图对本申请的实施方式作了详细说明，但是本申请并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本申请宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (7)

1.一种气溶胶颗粒采集装置，由气溶胶颗粒物粒径切割头(1)和气溶胶颗粒物稀释装置(2)组成，其特征在于：所述气溶胶颗粒物粒径切割头(1)和气溶胶颗粒物稀释装置(2)通过圆盘型金属通道(3)相连，其中气溶胶颗粒物粒径切割头(1)包括气体入口通道(4)、切割腔和马达传动装置，切割腔内设有一组过滤腔，过滤腔口径自上而下依次减小，过滤腔与过滤腔之间通过锁扣相互连接，过滤腔与过滤腔之间设有粗过滤网(5)，所述圆盘型金属通道（3）内设有与每个过滤腔搭配使用的继电器气体通道选通开关（6），马达传动装置与切割腔相连带动切割腔旋转，气溶胶颗粒物稀释装置包括气体质量流量控制装置和稀释空腔，所述稀释空腔由一组独立稀释腔（7）组成，独立稀释腔（7）分别与气体质量流量控制装置相连。
2.根据权利要求1所述的气溶胶颗粒采集装置，其特征在于：所述切割腔由内外两层同心圆柱体金属框架（8）和过滤腔构成，内外两层同心圆柱体金属框架（8）上分别装配有磁块（9），实现内外两层联动，过滤腔固定在内层同心圆柱体金属框架上。
3.根据权利要求2所述的气溶胶颗粒采集装置，其特征在于：所述马达传动装置采用机械联动马达（10）用220V交流电驱动，通过一根橡胶圈（11）与切割腔外层的圆柱体金属框架相连，带动外层的圆柱体金属框架旋转，内层的圆柱体金属框架通过磁块（9）的磁力作用同步旋转，转速为15r/min-25r/min。
4.根据权利要求2所述的气溶胶颗粒采集装置，其特征在于：所述内外两层同心圆柱体金属框架（8）的捕集表面采用厚度为35微米的铝箔。
5.根据权利要求1所述的气溶胶颗粒采集装置，其特征在于：所述过滤腔自顶端到底部依次为PM10.0过滤腔（12）、PM5.0过滤腔（13）、PM2.5过滤腔（14）、PM1.0过滤腔（15）。
6.根据权利要求1所述的气溶胶颗粒采集装置，其特征在于：所述气体质量流量控制装置由第一级气体流量控制装置（16）和第二级气体流量控制装置（17）组成，所述第一级气体流量控制装置（16）采用日本小岛KOFLOC公司的8500系列；所述第二级气体流量控制装置（17）采用北京七星公司的D07-19F抗电磁干扰气体质量流量控制器。
7.根据权利要求1所述的气溶胶颗粒采集装置，其特征在于：所述每个独立稀释腔（7）底部安装有电控开关（18）和稳流计（19），稀释完成的气体经稳流计（19）输出至后一级分析设备，通过电控开关（18）控制打开或关闭稳流计（19）出口。
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