CN106226132B - 宽范围多粒径颗粒物并联采集装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大气环境颗粒物采集装置，具体为宽范围多粒径颗粒物并联采集装置。宽范围多粒径颗粒物并联采集装置，包括PM₁₀采样头，PM₁₀采样头下端分别连接有空管连接器和五个颗粒物切割器，即PM_2.5、PM_1.0、PM_0.7、PM_0.44和PM_0.25切割器；所述的空管连接器和五个颗粒物切割器分别连接一个滤膜夹采样单元，每个滤膜夹采样单元分别通过流量控制系统与采样气泵连接，所述的流量控制系统与智能电子控制系统连接。本发明提供的宽范围多粒径颗粒物并联采集装置，具有同时捕获从微米级至亚微米级宽范围段的多种粒径颗粒物特点，且获取样品分布均匀和捕获效率高的并联采集装置，以应用于研究不同粒径颗粒物的气候、环境和健康效应。

Description

宽范围多粒径颗粒物并联采集装置

技术领域

本发明涉及一种大气环境颗粒物采集装置，具体为宽范围多粒径颗粒物并联采集装置。

背景技术

颗粒物不仅是影响空气质量和危害人体健康的大气污染物，而且由于其对辐射的直接和间接效应以致对霾天气的形成和气候的变化有着重要的影响。粒径是大气颗粒物的重要物理属性之一，是影响颗粒物的气候、环境效应和人体健康的关键参数。例如，根据Mie散射原理可知与太阳辐射波长相近的颗粒物(0.4-0.7μm)对光的散射效率最高，这部分颗粒物是导致能见度下降和霾天气形成的主要元凶；由于不同粒径的颗粒物在人体呼吸系统有着不同的沉积机制，因此不同粒径的颗粒物对人体健康的危害亦不相同。粒径越小，越能侵入人体细胞组织，而且粒径越小表面积越大，粘附的污染物也越高，对人体的危害也越大。因此，获取不同粒径的颗粒物对研究其气候效应、环境影响和人体健康具有重要的研究价值。

目前采集不同粒径的颗粒物(尤其是亚微米级的颗粒物)主要采用串级冲击式颗粒物采集装置，该装置虽具有多粒径段颗粒同时采集和体积轻巧等优点，但是通常该装置获取的颗粒物样品呈多点分散状，给后续的化学分析带来了困难。而且串级冲击式颗粒物采集装置采用的串联式设计构造，使得某层级出现故障容易干扰其它层级。此外，由于串级冲击式颗粒物采集装置利用采样介质充当颗粒冲击板的特点，使得其无法在颗粒冲击板中涂抹硅油等粘性物质以降低颗粒回弹现象，导致该装置对额定粒径的颗粒捕获效率不高。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种具备采集从微米级至亚微米级宽范围段的多种粒径颗粒物的并行采集装置。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：宽范围多粒径颗粒物并联采集装置，包括PM₁₀采样头，PM₁₀采样头下端分别连接有空管连接器和五个颗粒物切割器；所述的空管连接器和五个颗粒物切割器分别连接一个滤膜夹采样单元，每个滤膜夹采样单元分别通过流量控制系统与采样气泵连接，所述的流量控制系统与智能电子控制系统连接。

所述的切割器包括颗粒切割体，颗粒切割体上下端分别有弧形顶盖；所述的颗粒切割体从上到下依次包括不锈钢可拆卸圆片、实心不锈钢固定底部；不锈钢可拆卸圆片、实心不锈钢固定底部之间有空腔；不锈钢可拆卸圆片内有喷嘴，实心不锈钢固定底部内有出气孔，喷嘴、出气孔将颗粒切割体上下端和空腔连通。

所述的五个切割器分别为PM_2.5切割器、PM_1.0切割器、PM_0.7切割器、PM_0.44切割器、PM_0.25切割器。每个切割器各部件的尺寸不同。

所述的PM₁₀采样头包括采样头入口、不锈钢圆筒、除雨瓶和弧形分流装置；所述的采样头入口顶部有防护罩，底部有四孔喷嘴体；所述的不锈钢圆筒顶部与采样头入口底部螺纹连接，不锈钢圆筒顶部安装有冲击板，冲击板中心有凸起出气孔；四孔喷嘴体、冲击板和凸起出气孔组成PM₁₀切割器；除雨瓶连接不锈钢圆筒上并位于冲击板上方；不锈钢圆筒下端连接弧形分流装置，弧形分流装置有六个分流孔；六个分流孔分别与空管连接器和五个颗粒物切割器连接。

空管连接器包括不锈钢空心圆筒，不锈钢空心圆筒上下端分别连接弧形盖；上下端的弧形盖分别通过软管连接分流孔和滤膜夹采样单元。

滤膜夹采样单元包括防护盖和防护托，防护盖和防护托之间安装有滤膜夹，所述的滤膜夹从上到下依次包括滤膜夹卡环、网状垫片、滤膜夹下垫环。

流量控制系统包括流量控制器主体，流量控制器主体上有12V直流电源接口和信息传输端，信息传输端通过信息传输端连接智能电子控制系统对流量控制器主体进行控制。

本发明提供的宽范围多粒径颗粒物并联采集装置，包括PM₁₀采样头、PM_2.5切割器、PM_1.0切割器、PM_0.7切割器、PM_0.44切割器、PM_0.25切割器、滤膜夹采样单元、流量控制系统、智能电子控制系统和采样气泵。该装置顶部为一支进气流量为60L/min的PM₁₀采样头，以阻隔大于10微米颗粒和雨滴进入滤膜夹。采样头下方配备弧形分流装置分成六路，每路流量为10L/min，进入空管连接器或不同粒径颗粒物切割器(PM_2.5、PM_1.0、PM_0.7、PM_0.44和PM_0.25切割器)进行颗粒二级切割后再连接滤膜夹采样单元以采集PM₁₀、PM_2.5、PM_1.0、PM_0.7、PM_0.44和PM_0.25。每条分流通道在滤膜夹采样单元在连接气泵前均连接流量控制器，且由智能电子控制系统控制以确保每条通道气流流量维持在10L/min。因此本装置在同气样同动力条件下不仅具备采集从微米级至亚微米级宽范围段的多种粒径的颗粒物(PM₁₀、PM_2.5、PM_1.0、PM_0.7、PM_0.44和PM_0.25)，且具有每条采集通道互不干扰的优点。

本发明提供的宽范围多粒径颗粒物并联采集装置，包括的各种粒径的颗粒物切割器均包含喷孔、冲击板和出气孔。在额定的进气流量条件下，切割器的喷孔数(n)、喷孔直径(D)、喷孔长度(T)和喷孔至冲击板间距离(S)的设计均符合颗粒冲击分离原理的要求(喷孔雷诺数小于3000、S/D和T/D都大于1而小于5的特点)，并使得等效切割颗粒直径分别达到10、2.5、1.0、0.7、0.44和0.25微米，以满足切割器准确切割额定粒径颗粒的要求。由于冲击板和滤膜夹采样单元分离的设计，本装置还允许冲击板中涂抹硅油等粘性物质以防止颗粒回弹现象，不仅能提高额定粒径颗粒的捕获效率，而且该设计可保证所采集的颗粒样品分布均匀。

本发明提供的宽范围多粒径颗粒物并联采集装置，所采用设备成本低，粒径切割和采样单元集成化设计，装卸简单，易于保养维护，装置运行操作方便简单，可以在城市、郊区、森林和高山等不同地理和自然条件下使用。

本发明提供的宽范围多粒径颗粒物并联采集装置，具有同时捕获从微米级至亚微米级宽范围段的多种粒径颗粒物特点，且获取样品分布均匀和捕获效率高的并联采集装置，以应用于研究不同粒径颗粒物的气候、环境和健康效应。

附图说明

以下结合附图来对本发明进行详细的描绘。然而应当理解，附图的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制。

图1是本发明宽范围多粒径颗粒物并联采集装置的结构示意图；

图2是本发明PM₁₀采样头的结构示意图；

图3是本发明空管连接器的结构示意图；

图4是本发明PM_2.5切割器的结构示意图；

图5是本发明PM_1.0切割器的结构示意图；

图6是本发明PM_0.7切割器的结构示意图；

图7是本发明PM_0.44切割器的结构示意图；

图8是本发明PM_0.25切割器的结构示意图；

图9是本发明滤膜夹采样单元的结构示意图；

图10是本发明流量控制系统的结构示意图；

图11是本发明智能电子控制系统的结构示意图；

图12是本发明采样气泵的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，宽范围多粒径颗粒物并联采集装置，包括PM₁₀采样头1，PM₁₀采样头1下端分别连接有空管连接器2和五个颗粒物切割器；所述的空管连接器2和五个颗粒物切割器分别连接一个滤膜夹采样单元8，每个滤膜夹采样单元8分别通过流量控制系统9与采样气泵110连接，所述的流量控制系统9与智能电子控制系统10连接。所述的五个颗粒物切割器分别为PM_2.5切割器3、PM_1.0切割器4、PM_0.7切割器5、PM_0.44切割器6、PM_0.25切割器7。

如图2所示，所述的PM₁₀采样头1包括采样头入口11、不锈钢圆筒16、除雨瓶15和弧形分流装置17；所述的采样头入口11顶部有防护罩，底部有四孔喷嘴体12；所述的不锈钢圆筒16顶部与采样头入口11底部螺纹连接，不锈钢圆筒16顶部安装有冲击板13，冲击板13中心有凸起出气孔14；四孔喷嘴体12、冲击板13和凸起出气孔14组成PM₁₀切割器；除雨瓶15连接不锈钢圆筒16上并位于冲击板13上方；不锈钢圆筒16下端连接弧形分流装置17，弧形分流装置17有六个分流孔18；六个分流孔18分别与空管连接器2、和五个颗粒物切割器连接。

四孔喷嘴体12的四个喷孔直径为9.6mm，喷孔长度为10mm，其中喷孔突出下部长度为5mm，喷孔至冲击板13高度为10mm，凸起出气孔14直径为10mm，突出高度为12mm。

如图3所示，空管连接器2包括不锈钢空心圆筒22，不锈钢空心圆筒22上下端分别连接弧形盖21；上下端的弧形盖21分别通过软管连接分流孔18和滤膜夹采样单元8。

如图4所示，PM_2.5切割器3包括PM_2.5颗粒切割体34，PM_2.5颗粒切割体34上下端分别有PM_2.5弧形顶盖31；所述的PM_2.5颗粒切割体34从上到下依次包括PM_2.5不锈钢可拆卸圆片33、PM_2.5实心不锈钢固定底部36；PM_2.5不锈钢可拆卸圆片33、PM_2.5实心不锈钢固定底部36之间有空腔；PM_2.5不锈钢可拆卸圆片33内有PM_2.5四孔喷嘴32，PM_2.5实心不锈钢固定底部36内有PM_2.5出气孔35，PM_2.5四孔喷嘴32、PM_2.5出气孔35将PM_2.5颗粒切割体34上下端和空腔连通。

PM_2.5四孔喷嘴32内径为2.12mm，长度为10mm。PM_2.5出气孔35内径为5mm，长度为10mm，而PM_2.5实心不锈钢固定底部36上表面充当颗粒冲击板以捕获大于2.5μm的颗粒，并允许涂抹硅油等粘性物质以提高颗粒捕获效率。PM_2.5不锈钢可拆卸圆片33由卡环架起使得中部形成空腔，且喷孔至冲击板的距离为8mm。

如图5所示，PM_1.0切割器4包括PM_1.0弧形顶盖41、PM_1.0八孔喷嘴42、PM_1.0不锈钢可拆卸圆片43、PM_1.0颗粒切割体44、PM_1.0出气孔45、PM_1.0实心不锈钢固定底部46；PM_1.0八孔喷嘴42内径为0.94mm，长度为4mm。4、PM_1.0出气孔内径为5mm，长度为10mm，而PM_1.0实心不锈钢固定底部46上表面充当颗粒冲击板以捕获大于1.0μm的颗粒，并允许涂抹硅油等粘性物质以提高颗粒捕获效率。PM_1.0不锈钢可拆卸圆片43由卡环架起使得中部形成空腔，且喷孔至冲击板的距离为3mm；

如图6所示，PM_0.7切割器5结构与PM_1.0切割器4一样；包括PM_0.7弧形顶盖51、PM_0.7八孔喷嘴52、PM_0.7不锈钢可拆卸圆片53、PM_0.7颗粒切割体54、PM_0.7出气孔55、PM_0.7实心不锈钢固定底部56；PM_0.7八孔喷嘴52内径为0.76mm，长度为4mm。PM_0.7出气孔55内径为5mm，长度为10mm，而PM_0.7实心不锈钢固定底部56上表面充当颗粒冲击板以捕获大于0.7μm的颗粒，并允许涂抹硅油等粘性物质以提高颗粒捕获效率。PM_0.7不锈钢可拆卸圆片53由卡环架起使得中部形成空腔，且喷孔至冲击板的距离为3mm；

如图7所示，PM_0.44切割器6包括PM_0.44弧形顶盖61、PM_0.44十六孔喷嘴62、PM_0.44不锈钢可拆卸圆片63、PM_0.44颗粒切割体64、PM_0.44出气孔65、PM_0.44实心不锈钢固定底部66；PM_0.44十六孔喷嘴62内径为0.46mm，长度为2mm。PM_0.44出气孔65内径为5mm，长度为10mm，PM_0.44实心不锈钢固定底部66上表面充当颗粒冲击板以捕获大于0.44μm的颗粒，并允许涂抹硅油等粘性物质以提高颗粒捕获效率。PM_0.44不锈钢可拆卸圆片63由卡环架起使得部形成空腔，且喷孔至冲击板的距离为1.5mm；

如图8所示，PM_0.25切割器7结构与PM_0.44切割器6一样；包括PM_0.25弧形顶盖71、PM_0.25十六孔喷嘴72、PM_0.25不锈钢可拆卸圆片73、PM_0.25颗粒切割体74、PM_0.25出气孔75、PM_0.25实心不锈钢固定底部76；PM_0.25十六孔喷嘴72内径为0.34mm，长度为2mm。PM_0.25出气孔75内径为5mm，长度为10mm，而PM_0.25实心不锈钢固定底部76上表面充当颗粒冲击板以捕获大于0.25μm的颗粒，并允许涂抹硅油等粘性物质以提高颗粒捕获效率。PM_0.25不锈钢可拆卸圆片73由卡环架起部形成空腔，且使得喷孔至冲击板的距离为1.5mm；

如图9所示，滤膜夹采样单元8包括防护盖81和防护托85，防护盖81和防护托85之间安装有滤膜夹，所述的滤膜夹从上到下依次包括滤膜夹卡环82、网状垫片83、滤膜夹下垫环84。

如图10所示，流量控制系统9包括流量控制器主体91，流量控制器主体91上有12V直流电源接口92和信息传输端93，信息传输端93通过信息传输端连接智能电子控制系统10对流量控制器主体91进行控制。

如图11所示，智能电子控制系统10包括PP材质长方体101、电源适配器102和信号处理器103，并可通过RS485串口连接电脑，通过编程控制流量控制器，进而控制每条分流通道达到额定流量。

如图12所示，采样气泵110是由电机111、220v交流电源接口112、抽气口113、排气口114和、减震垫片115组成。

下面对本发明宽范围多粒径颗粒采样装置的使用过程进行详细说明：

将本发明的宽范围多粒径颗粒采样装置放置在某个实验场所后，先将滤膜装载于滤膜夹采样单元8，然后接通电源开始运作。在采样气泵110产生的负压作用下，气样以60L/min流量先通过PM₁₀采样头1以阻隔大于10微米颗粒和雨滴进入滤膜夹，然后经分流装置以10L/min流量进入空管连接器2或不同粒径颗粒物切割器，即PM_2.5切割器3、PM_1.0切割器4、PM_0.7切割器5、PM_0.44切割器6、PM_0.25切割器7，进行二级颗粒物切割分离，最后目标颗粒进入滤膜夹采样单元8被滤膜捕获。在装置运作时，流量控制系统9实时将每条分流通道的流量数据信号发送到信号处理器103，信号处理器103实时读取流量并将信号反馈给流量控制系统9进行流量调节，以保证每条分流通道流量保持在10L/min。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (6)

1.宽范围多粒径颗粒物并联采集装置，其特征在于：包括PM₁₀采样头(1)，PM₁₀采样头(1)下端分别连接有空管连接器(2)和五个颗粒物切割器；所述的空管连接器(2)和五个颗粒物切割器分别连接一个滤膜夹采样单元(8)，每个滤膜夹采样单元(8)分别通过流量控制系统(9)与采样气泵(110)连接，所述的流量控制系统(9)与智能电子控制系统(10)连接；

所述的PM₁₀采样头(1)包括采样头入口(11)、不锈钢圆筒(16)、除雨瓶(15)和弧形分流装置(17)；所述的采样头入口(11)顶部有防护罩，底部有四孔喷嘴体(12)；所述的不锈钢圆筒(16)顶部与采样头入口(11)底部螺纹连接，不锈钢圆筒(16)顶部安装有冲击板(13)，冲击板(13)中心有凸起出气孔(14)；四孔喷嘴体(12)、冲击板(13)和凸起出气孔(14)组成PM₁₀切割器；除雨瓶(15)连接不锈钢圆筒(16)上并位于冲击板(13)上方；不锈钢圆筒(16)下端连接弧形分流装置(17)，弧形分流装置(17)有六个分流孔(18)；六个分流孔(18)分别与空管连接器(2)和五个颗粒物切割器连接。

2.根据权利要求1所述的宽范围多粒径颗粒物并联采集装置，其特征在于：所述的颗粒物切割器包括颗粒切割体，颗粒切割体上下端分别有弧形顶盖；所述的颗粒切割体从上到下依次包括不锈钢可拆卸圆片、实心不锈钢固定底部；不锈钢可拆卸圆片、实心不锈钢固定底部之间有空腔；不锈钢可拆卸圆片内有喷嘴，实心不锈钢固定底部内有出气孔，喷嘴、出气孔将颗粒切割体上下端和空腔连通。

3.根据权利要求1或2所述的宽范围多粒径颗粒物并联采集装置，其特征在于：所述的五个颗粒物切割器分别为PM_2.5切割器(3)、PM_1.0切割器(4)、PM_0.7切割器(5)、PM_0.44切割器(6)、PM_0.25切割器(7)。

4.根据权利要求1所述的宽范围多粒径颗粒物并联采集装置，其特征在于：所述的空管连接器(2)包括不锈钢空心圆筒(22)，不锈钢空心圆筒(22)上下端分别连接弧形盖(21)；上下端的弧形盖(21)分别通过软管连接分流孔(18)和滤膜夹采样单元(8)。

5.根据权利要求1所述的宽范围多粒径颗粒物并联采集装置，其特征在于：滤膜夹采样单元(8)包括防护盖(81)和防护托(85)，防护盖(81)和防护托(85)之间安装有滤膜夹，所述的滤膜夹从上到下依次包括滤膜夹卡环(82)、网状垫片(83)、滤膜夹下垫环(84)。

6.根据权利要求1所述的宽范围多粒径颗粒物并联采集装置，其特征在于：流量控制系统(9)包括流量控制器主体(91)，流量控制器主体(91)上有12V直流电源接口(92)和信息传输端(93)，信息传输端(93)通过信息传输端连接智能电子控制系统(10)对流量控制器主体(91)进行控制。