CN106153403B - 一种大气颗粒物采样系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种大气颗粒物采样系统，属于大气监测技术领域，该系统包括带有采样装置的飞行器和地面移动供电装置，飞行器通过电缆与地面移动供电装置连接，飞行器为旋翼飞行器，采样装置包括旋转式气体收集机构和气体采样器，旋转式气体收集机构的气体输入端开口向上且位于所有旋翼排布的环形区域下方，采样系统中设置有控制器，气体采样器借助控制器对旋转式气体收集机构和旋翼飞行器的控制形成对大气颗粒物的全方位、长时间采样机构，该采样系统通过旋转式气体收集机构在工作位和非工作位之间进行转换，工作时通过旋翼产生的气流进行大气颗粒物采集，载重量大大减小，持续飞行时间大大延长，而且对于电源的要求也随之降低。
Description
技术领域
本发明属于大气监测技术领域，具体涉及一种大气颗粒物采样系统。
背景技术
近年来，随着社会需求和社会生产力的不断提高，大气污染问题日趋严重，颗粒物污染是大气污染的重要组成形式，一次污染物中的颗粒物多包含苯并(a)芘等强致癌物质、有毒重金属、多种有机和无机化合物等，这类污染物在大气中与其他物质相互作用或与大气中的正常组分发生反应所产生的二次污染物,一般具有颗粒小、毒性比一次污染物大等特点，其中粒径较小的颗粒物长期漂浮在大气中,具有胶体的性质,也称气溶胶，如PM2.5颗粒物,它易随呼吸进入人体肺脏,在肺泡内积累并可进入血液输往全身,对人体健康危害非常大，一旦气溶胶的浓度超过大气循环能力的承载度，且在持续积累的情况下,受静稳天气等影响，极易出现大范围的雾霾天气。现阶段,我国大部分地区出现大气污染的严重污染，大气颗粒物污染的监测和治理已成为当务之急。
颗粒物采样器是开展空气质量监测的重要设备，主要用于采集空气中的悬浮颗粒物，现有技术的大气颗粒物采样器一般由采样头、流量计和抽气动力系统三部分组成，通过控制抽气泵电机的转速来保持采样气体流量的恒定，由于随着滤膜上集聚的样品量的增加，采样气体流量就会降低，因此，必须选用大功率的气泵才能满足要求。目前传统的采样器,主要安置于地面监测点用于对地表大气颗粒物的采集和分析,但是气溶胶具有运动速度较大、扩散快、在大气中分布比较均匀的特点。它们的扩散情况与自身的比重有关，比重大者向下沉降，比重小者向上飘浮，并受气象条件的影响，可随气流扩散到很远的地方。因此在研究大气污染物的分布和运动规律时，必须对立体空间不同高度位置的大气颗粒物进行采样分析。虽然在个别区域采样器可以安置在特定的建筑物或者气象塔上进行不同高度的采集，但是不能达到空间上的监测和分析，且不具有普遍性。针对目前对大气污染物研究的迫切需求，现有的采样技术很难满足我国监测技术规范对大气污染例行监测规定的采样布点方法和采样时间的要求。
专利号CN103091132A的专利公开了一种外载式无动力大气颗粒物采样器，无需配置动力设备，可以通过飞行器采集高空中的颗粒物样品，但是采样器是安装于速度20～60m/s的飞行器上，利用飞行时的气流进行采样，所采集的样品只能代表一个比较大的区域的平均值，无法用于较精确分析区域内颗粒物浓度的分布状况，而且普通的飞行器只能在一定高度范围内飞行，有很大的局限性。相对于传统飞行器，小型多旋翼飞行器是一种从机械机构上具有低惯性、稳定性和灵活性等性能更优的飞行器，而且制造成本和使用成本相对大大降低，近年来得到了广泛的关注和快速的发展。虽然小型多旋翼飞行器可以作为大气颗粒物采样器的理想带载平台，但是由于现有技术在电池储能方面的限制，导致重量过大、飞行时间较短，普通的小型多旋翼飞行器在更加深入研究大气颗粒物污染特征及规律方面受到一定限制。申请号为201210597187.9的专利文件公开了一种电缆供电的多旋翼飞行器系统，此专利虽然提出了利用电缆给飞行器供电，实现长时间飞行的想法，但是供电系统采用从地面以能满足无刷电机的低电压输送电能，只能使用直径比较大的电缆，无法满足大载重大功率飞行器的供电要求。
发明内容
本发明克服了现有技术的不足，提供了一种大气颗粒物采样系统，该采样系统采用无动力采样，无需抽气动力装置，不仅减轻了系统的重量，还节省了耗能，飞行采样时间大大延长，能够高效地实现任意采样点周围气体颗粒物的长时间精确采样。
本发明的具体技术方案是：
一种大气颗粒物采样系统，该系统包括带有采样装置的飞行器和地面移动供电装置，飞行器通过电缆与地面移动供电装置连接，关键点是，所述的飞行器为旋翼飞行器，旋翼飞行器通过呈环形排布的一组旋翼提供动力，所述的采样装置包括旋转式气体收集机构及与之输出端相连的气体采样器，旋转式气体收集机构的气体输入端开口向上且位于所有旋翼排布形成的环形区域的下方，采样系统中设置有控制器，所述的气体采样器借助控制器对旋转式气体收集机构和旋翼飞行器的控制形成对大气颗粒物的全方位、长时间采样机构。
所述的旋转式气体收集机构包括固定于旋翼飞行器中部下端且通过伺服电机驱动的转盘、固定于转盘下端呈辐射状排布的一组气体收集管，气体收集管的气体输入口开口向上且位于所有旋翼排布形成的环形区域的下方，气体收集管的气体输出口与气体采样器的气体输入端相通连接。
所述的气体采样器设置有气体进口和气体出口，在气体进口和气体出口之间依次设置有颗粒物切割器、采样滤膜、气体流量传感器及可调转速风扇，气体流量传感器信息输出端与控制器信息输入端相连，控制器信息输出端与可调转速风扇的控制端相连。
所述的飞行器上设置有压力传感器和姿态传感器，压力传感器和姿态传感器的信息输出端均与控制器的信息输入端相连。
所述的地面移动供电装置中设置有地面电源，地面电源包括输出端与电缆连接的柴油发电机和直流电源。
所述的地面移动供电装置中设置有用于电缆收放的电缆卷取装置，其包括上端安装有电缆调向机构的支撑架及设置于对称支座上的电缆卷取轮，电缆卷取轮位于电缆调向机构下方，电缆卷取轮的转轴两端分别设置有集电环和平面发条式恒力弹簧。
所述的电缆调向机构包括水平固定于支撑架上的轴承、固定架及滑轮机构，固定架一端设置有竖直的空心转轴与轴承相配合，滑轮机构包括架设在固定架上的张紧滑轮和换向滑轮，张紧滑轮输入端位于空心转轴的空心处上端，电缆依次穿过空心转轴、张紧滑轮、换向滑轮后向上与飞行器电连接。
所述的地面移动装置为履带式电动车。
本发明的有益效果是：本发明中的采样系统中将旋转式气体采集机构设置在旋翼所在环形区域的下方，旋转式气体采集机构的气体输入端位于旋翼下方时为采样位置，旋转式气体采集机构的气体输入端位于旋翼之间的间隙下方时为非采样位置，通过旋转式气体采集机构的旋转在采样位置和非采样位置进行转换，在采样位置通过旋翼产生的气流完成气体的采样，该采样系统利用飞行器旋翼产生的气流和可调转速风扇的空气流量调节来代替传统的真空泵，免去了设置采集气体所用泵体及其管路的重量，满足了飞行器载重量的要求而且节省了真空泵本身所需的高能耗，为飞行器进行全方位、长时间地采集大气颗粒物提供了技术支持，采样系统中的飞行器能够更长时间、更多位置、更多高度地进行大气中颗粒物的采样。
附图说明
图1是本发明具体实施例的结构示意图。
图2是本发明中气体采样器的结构示意图。
图3是本发明中电缆卷曲装置的结构示意图。
图4是本发明中电缆调向机构的结构示意图。
图5是本发明非采样状态示意图。
图6是本发明采样状态示意图。
附图中，1、飞行器，2、电缆，3、旋翼，4、气体采样器，401、气体进口，402、气体出口，403、颗粒物切割器，404、气体流量传感器，405、可调转速风扇，406采样滤膜，5、转盘，6、气体收集管，7、气体输入口，8、支撑架，801、电缆卷取轴，802、集电环，803、平面发条式恒力弹簧，804、轴承，805、固定架，806、张紧滑轮，807、换向滑轮，9、地面移动供电装置。
具体实施方式
本发明涉及一种大气颗粒物采样系统，该系统包括带有采样装置的飞行器1和地面移动供电装置9，飞行器1通过电缆2与地面移动供电装置9连接，所述的飞行器1为旋翼飞行器，旋翼飞行器通过呈环形排布的一组旋翼3提供动力，所述的采样装置包括旋转式气体收集机构以及与之输出端相连的气体采样器4，旋转式气体收集机构的气体输入端开口向上且位于所有旋翼3排布形成的环形区域的下方，采样系统中设置有控制器，所述的气体采样器4借助控制器对旋转式气体收集机构和旋翼飞行器的控制形成对大气颗粒物的全方位、长时间采样机构。
具体实施例，如图1至图6所示，所述的地面移动供电装置9中设置有地面电源，地面电源包括输出端与电缆2连接的柴油发电机和直流电源，地面移动供电装置9为履带式电动车，该采样系统使用时，地面移动供电装置9携带地面电源在地面移动，地面电源为履带式电动车供电并通过电缆2为旋翼飞行器提供电力供应。
旋转式气体收集机构包括固定于旋翼飞行器中部下端且通过伺服电机驱动的转盘5、固定于转盘5下端呈辐射状排布的一组气体收集管6，气体收集管6的数量与旋翼3的数量相同，气体收集管6的气体输入口7开口向上且位于所有旋翼3排布形成的环形区域的下方，气体收集管6的气体输出口与气体采样器4的气体输入端相通连接，旋翼飞行器的旋翼3为呈环形均匀排布的四个，气体收集管6也为四个，当不进行采样时，气体收集管6位于相邻两个旋翼3之间间隙的下方，当旋翼飞行器到达一处采样位置时，伺服电机带动转盘5转动45度，此时气体收集管6的气体输入口7与旋翼3上下相对，通过旋翼3产生的气流将大气经气体收集管输送至气体采样器4中，气体采样器4设置有气体进口401和气体出口402，在气体进口401和气体出口402之间依次设置有颗粒物切割器403、采样滤膜406、气体流量传感器404及可调转速风扇405，可调转速风405的设置是为了弥补采样滤膜406的阻力对空气流量的影响，可调转速风扇405为连接有变频器的风扇，气体流量传感器404信息输出端与控制器信息输入端相连，控制器信息输出端与可调转速风扇405的变频器控制端相连，控制器根据气体流量传感器404采集到的气体流量信息来控制可调转速风扇405的转速，使得采样时气体采样器4中的空气流量能够保持稳定，避免采样滤膜406和旋翼3的转速变化导致的空气流量变化，采样结果最大限度地避免失真误差，该采样结果的真实性和可参考性得到了保证。
飞行器1上安装有压力传感器和姿态传感器，压力传感器能够采集大气压力从而探知飞行器1的高度，该高度信息发送至控制器后，控制器控制飞行器1进行高度调节或者悬停，在到达预定高度后，姿态传感器可以将飞行器的姿态信息发送至控制器，控制器调整飞行器各个旋翼3的转速从而保持飞行器1的悬停作业。
所述的地面移动供电装置9中设置有用于电缆2收放的电缆卷取装置，其包括上端安装有电缆调向机构的支撑架8及设置于对称支座上的电缆卷取轮801，电缆卷取轮801位于电缆调向机构下方，电缆卷取轮801的转轴两端分别设置有集电环802和平面发条式恒力弹簧803。
所述的电缆调向机构包括水平固定于支撑架8上的轴承804、固定架805及滑轮机构，固定架805一端设置有竖直的空心转轴与轴承804相配合，滑轮机构包括架设在固定架805上的张紧滑轮806和换向滑轮807，张紧滑轮806输入端位于空心转轴的空心处上端，电缆2依次穿过空心转轴、张紧滑轮806、换向滑轮807后向上与飞行器1电连接。
旋转式气体收集机构通过转盘与多旋翼飞行器中部下端连接，转盘5中心处设置有伺服电机，使转盘5带动旋转式气体收集机构能够以一定角度旋转，在采集状态和非采集状态之间转换，在非采集状态时,气体收集管6的气体输入口7置于每个旋翼3之间间隙下方，不对其产生任何阻力，待飞行器1稳定，进入采样状态时，控制器会发出信号，使转盘5带动旋转式气体收集机构旋转，气体输入口7被置于旋翼3正下方并且开始采集工作，通常来说当采集开始时，由于气体输入口7在旋翼3正下方，相应会产生一定的阻力，旋翼3的扬力随之减小，导致飞行器1动力不足，无法在预定高度进行悬停，为解决此问题，本发明采用控制器进行反馈自动控制理论，利用气压传感器的高度数据和卫星遥感的位置数据以及姿态传感器的姿态数据为目标值，飞行器1可自动调整稳定在目标位置和目标高度，当气体输入口7采样产生阻力时，通过控制模块进行计算，控制器向飞行器1发送信号以增加旋翼3在单位时间内的转数以提高扬力，反之则减小扬力，最终达到飞行器1在既定目标位置的悬停，悬停同时能保证采样所需的气流强度。
由于大气环境监测需要将空气中颗粒物含量更为精确的定量化，在采集空气中颗粒物的同时，需要保持采样气体流速的恒定，以得到准确的采样空气量，按现有技术，大流量的采样器是以1.0～1.7m3/min的空气流量为标准，如果假设旋翼3排出流体对周围介质的整体影响可以忽略，那么可以从动量角度推算旋翼3推力计算公式：F＝S·ρ·v2，其中F为推力，S为作用面积，ρ为空气密度，v是空气流速，以系统整体重量10kg、螺旋桨直径20cm的四旋翼飞行器为例，通过理论计算空气总流量可以达到100m3/min，该流量远远大于大流量采样器的标准流量，此时只需考虑利用可调转速风扇405停止转动或者倒转来减小流量从而达到目标流量值即可，不需要考虑额外增加动力源来加强空气流量，本发明中气体采样器4与控制器连接并通过PID控制算法，以气体流量传感器404测得的瞬时流量为反馈量，结合实时采集大气环境温度、压力、湿度、风速和风向等参数，对体积流量进行实时补偿计算，通过可调转速风扇405来实现气体采样器4获得恒定的目标流量，目标流量设定为满足颗粒物切割器403对气体流速要求的流量，保证颗粒物粒径切割的准确性，最后通过氯乙烯纤维材质的采样滤膜406对大气颗粒物进行收集。
本发明中气体采样器4只设置一个，且其中的采样滤膜406也设置一个，在进行大气颗粒物采集时需要几个小时甚至十几个小时的连续采集，这样才能够避免短时间采集的失真误差，最大限度保证气体采集器4采样的真实性，在某一高度某一位置进行大气颗粒物采集后，需要将飞行器1降落至地面，更换气体采样器4后再对下一位置点进行采样，如果要进行同一时间内不同位置点的平行采样，那么需要多个飞行器1起飞后分别进行采样，本发明中的飞行器1载重量轻、耗能小，能够长时间悬停进行空气采样作业，如果多个采集点距离允许，用于多个位置点采集的多个飞行器1可以通过一个地面电源进行供电，本发明中的采样系统能够长时间、全方位地进行大气颗粒物的采样工作，相比于现有大载重的飞行器，其连续工作时间较长，采样结果的可参考性大大提高，工作效率显著提高。
Claims (6)
1.一种大气颗粒物采样系统，该系统包括带有采样装置的飞行器(1)和地面移动供电装置(9)，飞行器(1)通过电缆(2)与地面移动供电装置(9)连接，其特征在于：所述的飞行器(1)为旋翼飞行器，旋翼飞行器通过呈环形排布的一组旋翼(3)提供动力，所述的采样装置包括旋转式气体收集机构及与之输出端相连的气体采样器(4)，旋转式气体收集机构的气体输入端开口向上且位于所有旋翼(3)排布形成的环形区域的下方，采样系统中设置有控制器，所述的气体采样器(4)借助控制器对旋转式气体收集机构和旋翼飞行器的控制形成对大气颗粒物的全方位、长时间采样机构；
所述的气体采样器(4)设置有气体进口(401)和气体出口(402)，在气体进口(401)和气体出口(402)之间依次设置有颗粒物切割器(403)、采样滤膜(406)、气体流量传感器(404)及可调转速风扇(405)，气体流量传感器(404)信息输出端与控制器信息输入端相连，控制器信息输出端与可调转速风扇(405)的控制端相连；
所述的旋转式气体收集机构包括固定于旋翼飞行器中部下端且通过伺服电机驱动的转盘(5)、固定于转盘(5)下端呈辐射状排布的一组气体收集管(6)，气体收集管(6)的气体输入口(7)开口向上且位于所有旋翼(3)排布形成的环形区域的下方，气体收集管(6)的气体输出口与气体采样器(4)的气体输入端相通连接，使转盘(5)带动旋转式气体收集机构能够以一定角度旋转，在采集状态和非采集状态之间转换，在非采集状态时，气体收集管(6)的气体输入口(7)置于每个旋翼(3)之间间隙下方，不对其产生任何阻力，待飞行器(1)稳定，进入采样状态时，控制器会发出信号，使转盘(5)带动旋转式气体收集机构旋转，气体输入口(7)被置于旋翼(3)正下方并且开始采集工作。
2.根据权利要求1所述的一种大气颗粒物采样系统，其特征在于：所述的飞行器(1)上安装有压力传感器和姿态传感器，压力传感器和姿态传感器的信息输出端均与控制器的信息输入端相连。
3.根据权利要求1所述的一种大气颗粒物采样系统，其特征在于：所述的地面移动供电装置(9)中设置有地面电源，地面电源包括输出端与电缆(2)连接的柴油发电机和直流电源。
4.根据权利要求1所述的一种大气颗粒物采样系统，其特征在于：所述的地面移动供电装置(9)中设置有用于电缆(2)收放的电缆卷取装置，其包括上端安装有电缆调向机构的支撑架(8)及设置于对称支座上的电缆卷取轮(801)，电缆卷取轮(801)位于电缆调向机构下方，电缆卷取轮(801)的转轴两端分别设置有集电环(802)和平面发条式恒力弹簧(803)。
5.根据权利要求4所述的一种大气颗粒物采样系统，其特征在于：所述的电缆调向机构包括水平固定于支撑架(8)上的轴承(804)、固定架(805)及滑轮机构，固定架(805)一端设置有竖直的空心转轴与轴承(804)相配合，滑轮机构包括架设在固定架(805)上的张紧滑轮(806)和换向滑轮(807)，张紧滑轮(806)输入端位于空心转轴的空心处上端，电缆(2)依次穿过空心转轴、张紧滑轮(806)、换向滑轮(807)后向上与飞行器(1)电连接。
6.根据权利要求1所述的一种大气颗粒物采样系统，其特征在于：所述的地面移动供电装置(9)为履带式电动车。
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