CN110186723A - 用于飞机航测的细颗粒物进样装置、采样系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于飞机航测的细颗粒物进样装置、采样系统及方法，它解决了现有技术中气体采样存在样品损失严重，对飞机改造较多的问题，具有采样损失小、符合大气监测仪监测标准、能降低对飞机飞行安全影响的有益效果，其方案如下：一种用于飞机航测的细颗粒物进样装置，包括弯折的不锈钢采样件，采样件的一侧设有进气嘴，进气嘴的入口侧尺寸小于出口侧尺寸以降低气体的流速，采样件相对于进气嘴的另一侧能够穿过飞机开孔设置，且采样件通过连接件能够与飞机连接，采样件能够设于飞机内部的部分连接有PM_2.5切割头，切割头之后设有若干出口，通过导电硅胶管与不同的细颗粒物分析仪器连接。

Description

用于飞机航测的细颗粒物进样装置、采样系统及方法

技术领域

本发明涉及大气环境采样及分析技术领域，特别是涉及用于飞机航测的细颗粒物进样装置、采样系统及方法。

背景技术

近年来，我国现代工业发展迅速，城市化进程不断推进，人为活动向大气环境排放了大量的污染物，产生了许多污染问题，严峻的污染问题对人体健康、生态系统、区域气候等均造成显著的不利影响。大气污染的根本原因是人为活动导致的污染物的大量排放(如燃煤发电和取暖、机动车尾气、生物质燃烧、工业生产等)及一次污染物的二次转化。而细颗粒物作为一项重要的大气污染物，在气体中的停留时间长，对气体质量和能见度有严重影响，如今细颗粒物越来越受到社会的关注，对细颗粒物的监测和分析愈发重要。随着我国环保事业的发展和科学技术的进步，对各类气体及气溶胶污染物的监测系统日趋完善，这将为大气污染治理和气体质量改善提供理论支持和科学依据。目前，对近地面污染物的监测与分析系统已经较为完善，对重点区域与重点区段的联合监测体系已成型并有着较好的结果，已初步形成全国的气体质量监测网络，实现对重点区域气体质量的实时发布和预测工作。然而边界层及以上空间的大气污染状况、污染物的垂直分布及输送尚不清楚，急需开展相关研究工作。

飞机航测作为高空污染监测分析的一种重要方式，在高空污染的监测与分析中起着重要的作用，但目前飞机航测还面临着许多困难与技术瓶颈。在开展飞机航测实验时，飞机快速飞行导致气流流速快、气压降低而且不稳定，影响飞机航测采样，直接采样会导致大气样品的严重损失、成分的改变甚至影响飞行安全。当前现有的用于飞机航测的进样系统多为T形采样头，存在许多问题难以解决，例如：采样时损失较多，构造复杂，不便于携带和装卸。固定方式复杂、困难，且需对飞机进行较多改造，采样室难以保持水平向前，可能影响飞机飞行安全，同时单次实验只能测量较为单一的理化性质，效率较低，等等。目前市面上的进样系统商品化程度极低。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种用于飞机航测的细颗粒物进样装置，结构简单、安装方便、使用方便、样品损失少，能够实现飞机航测实验中对细颗粒物的高效采集。

一种用于飞机航测的细颗粒物进样装置的具体方案如下：

一种用于飞机航测的细颗粒物进样装置，包括弯折的采样件，采样件的一侧设有进气嘴，进气嘴的入口侧尺寸小于进气嘴出口侧尺寸以降低气体的流速，采样件相对于进气嘴的另一侧能够穿过飞机开孔设置，以使采样件一侧延伸至飞机内部，且采样件通过连接件能够与飞机连接，采样件能够设于飞机内部的部分设有若干出口。

上述的进样装置，采样件弯折设置，一侧能伸入至飞机内部，另一侧用于形成气体的入口，这样有利于保护采样件不被折断，进入采样件的气体在进气嘴的设置作用下流速得到降低，采样损失较少，而且可将采集的气体直接与设于飞机内部的分析仪器连接，以实时分析采集的气体。

进一步地，所述采样件包括L形的采样管和能够延伸至飞机内部的连接管，连接管同样为L型，便于气体进入PM_2.5切割头，连接管一端与采样管连接，连接管另一端与PM_2.5切割头连接，PM_2.5切割头与支管连接，支管设有所述的出口，支管选用导电硅胶管，通过L形采样管的设置，采样管的一侧可与飞机底板垂直，另一侧可始终保持与飞机中轴线保持平行，有效保证采样件的使用寿命。

进一步地，所述进气嘴的形状为锥形，锥形进气嘴的设置，能够有效缩减进入采样件内的气体流速，符合大气监测仪监测标准，减少了气溶胶颗粒物的损失，降低了过快流速对仪器造成的损伤程度。

进一步地，所述采样件在所述进气嘴外侧固定有导流罩，导流罩与采样件连接，导流罩的设置便于气体通过进气嘴进入采样件。

进一步地，所述导流罩与所述采样件通过螺纹或焊接连接，导流罩为导流管，且导流罩的长度大于进气嘴的长度，导流管从远离采样件的一侧到所述采样件入口侧之间为圆柱形状，以降低对气体流速的影响，导流管与采样件连接一侧的内径小于另一侧的内径，以保证二者连接的可靠性。

进一步地，所述连接件为连接法兰，连接管穿过连接法兰设置，且连接法兰能够与飞机固连，通过连接管的设置，能保证采样件设置的稳定性，采样管为金属管。

进一步地，所述采样管材质为316不锈钢材质，可以有效防止静电吸附，采样件内部经过机械抛光处理，减少细颗粒物的氧化损失。

进一步地，所述不锈钢采样管的内壁进行了机械抛光处理，处理后的不锈钢表面光滑且能够导电，可减少细颗粒物的阻留及静电吸附。

进一步地，所述连接法兰包括法兰盘和固定板，法兰盘固连所述的采样管和连接管，法兰盘能够与飞机外侧连接，固定板能够与飞机内侧连接，且连接管与法兰盘其中一个设有凸起，另一个设有卡槽，凸起与卡槽相互配合，二者实现卡接，保证连接管相对于连接法兰的设置稳定性，避免对飞机飞行安全的影响。

为了克服现有技术的不足，本发明还提供了一种用于飞机航测的细颗粒物采样系统，包括所述的一种用于飞机航测的细颗粒物进样装置，采样件的出口与分析仪器连接，采样件的各个出口与相同或相异的分析仪器连接，这样可以同时测量细颗粒物的多种理化性质，且采样件的出口与分析仪器通过管路实现连接，管路设置流量计和真空泵，调节所采集气体样品的流量和流速，保证仪器的运行安全。

为了克服现有技术的不足，本发明还提供了一种用于飞机航测的细颗粒物采样方法，采用所述的一种用于飞机航测的细颗粒物采样系统，方便细颗粒物的采集，而且采集样本损失小，采集效率高。

本发明设置锥形嘴的原理如下：

Q＝S*v (1)

其中Q为采样流量，S为锥形嘴入口圆形截面面积或采样管截面面积，v为气体流速，其中S＝πr²，r为锥形嘴入口圆形截面半径或采样管截面半径。

公式推导过程如下：

设气样流量Q一定时，通过锥形管入口的气体流量为Q₁＝πr₁ ²*v₁，v₁为飞机的飞行速度，本实验中飞机的飞行速度约为80m/s。

由锥形管入口进入的气体流量和采样管进入的气体流量相等，也就是Q₁＝Q₂，Q₂＝πr₂ ²*v₂，其中r₂为采样管截面圆半径。

根据以上关系可以得到：

πr₁ ²*v₁ ^＝πr₂ ²*v

由此可以推导出：气体流速与半径的平方成反比，即

V₁/V₂＝r₂ ²/r₁ ²

因此，通过锥形嘴的设置，锥形嘴入口侧和出口侧半径的变化，可有效降低气体流速。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)本发明通过弯折的采样件设置，采样件能穿过飞机开孔设置，即采样件的一端延伸至飞机内部，不仅有利于保护采样件不被折断，而且可将采集的气体直接与设于飞机内部的分析仪器连接，以实时分析采集的气体。

2)本发明通过进气嘴的设置，能够对进入采样管内的气体流速进行改变，得到有效降低，符合大气监测仪监测标准，减少了气溶胶颗粒物的损失，降低了过快流速对仪器造成的损伤程度。

3)本发明通过L形采样管的设置，能够使得采样管的一侧始终与飞机中轴线保持平行，保护采样管不被折断，再配合锥形嘴的设置，能够使足够的气流进入采样件，降低大气样品损失。

4)本发明通过采样件的设置，不会对飞机做出过多的改动，不会造成飞行的安全隐患。

5)本发明进样装置的设置，携带方便，具有实践意义，提高飞机航测采样技术的可行性与实用性，用于日常细颗粒物采样，气溶胶科学研究采样，以及高空作业采集样品等。

6)本发明通过多个出口的设置，可实现进样装置与不同的分析仪器连接，可同时测量细颗粒物的多种理化性质。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明实施例中一种用于飞机航测的细颗粒物进样装置的整体示意图。

图中，1.导流罩，2.进气嘴，3.采样管，4.法兰盘，5.连接管，6.固定板，7.PM_2.5切割头，8.导电硅胶管，9.出口，10.颗粒物分析仪器。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在的不足，为了解决如上的技术问题，本发明提出了一种用于飞机航测的细颗粒物进样装置，下面结合说明书附图，对本发明做进一步的阐述。

本发明的一种典型的实施方式中，如图1所示，一种用于飞机航测的细颗粒物进样装置，包括弯折的采样件，采样件的一侧设有进气嘴2，进气嘴2的入口侧尺寸小于出口侧尺寸以降低气体的流速，采样件相对于进气嘴2的一侧能够穿过飞机开孔设置，且采样件通过连接件能够与飞机连接，采样件能够设于飞机内部的部分设有若干出口。

其中，采样件包括L形的采样管3和能够延伸至飞机内部的连接管5，连接管5与采样管3连接，连接管5延伸至飞机内部侧设有所述的出口9，且采样件延伸至飞机内部，可以使得采样件设于飞机外部的一侧始终与飞机中轴线保持平行，保护采样件，防止采样件在高空中受气流冲击折断受损，相比于传统的结构，气体从采样件一侧进入，再从另一侧导出，可以有效减少气样损失，稳定气流，修正气流方向，使足够的气流通过采样件进入采集罐或分析仪器中。

进一步，进气嘴2的形状优选为锥形，锥形嘴与采样件中采样管3一体制造，且锥形嘴的出口直径与采样件的直径相同，锥形嘴的入口半径为锥形嘴出口半径的1/12，高速流动的气体经过锥形嘴后，减速降至进样初速度的约1/150，这样在采样条件相同的情况下，采样速度就由原来的约80m/s降至约0.5m/s，速度得到了有效的降低，符合大气监测仪监测标准，由于整个过程都是低流速，减少了气溶胶颗粒物的损失，降低了过快流速对仪器造成的损伤程度。

采样件在进气嘴2外侧固定有导流罩1，导流罩1罩住进气嘴2，导流罩1与采样管3通过螺纹或者焊接连接，导流罩1为导流管，导流管前侧(导流管一端至采样件入口侧之间)为圆柱形状，导流管另一端与采样管3连接处直径逐渐减小，这样导流管的入口侧内径大于出口侧内径，用于将更多的气体送入锥形嘴2处，且保证导流罩与采样件连接的可靠性，导流罩1入口和出口截面均为环形，且导流管、进气嘴2和采样管的一侧均同轴设置，导流管的长度大于进气嘴2的长度，从而有效对气体进行导流。

L形采样管3的两侧通过弯管连接，减少颗粒物在弯管处的碰撞损失，采样管3与锥形嘴2连接，采样管3设于穿过连接管5内侧延伸至飞机内部，且采样管3在飞机内部设置所述的出口9。采样管3与飞机通过连接法兰连接，连接法兰包括法兰盘4和固定板6，连接管5穿过连接法兰设置，连接管5长于飞机底部的厚度，且连接管5与采样管3顶侧通过法兰盘4连接，且法兰盘4与飞机外部连接，且法兰盘4侧部设置加强筋与采样管3连接，连接管5穿过固定板6设置，固定板6通过多个螺栓能够与飞机内侧底部连接，连接管5同样为L型，连接管5穿过飞机底部进入飞机内部，连接管5的端部与旋风式PM_2.5切割头7的入口连接，PM_2.5切割头7出口与硅胶管8(导电硅胶管)连接，本实施例中，硅胶管设有若干所述的出口9，出口9可设于硅胶管的侧部，且通过不同的出口9可将采集到的气体送于不同的分析仪器10(颗粒物分析仪器)中进行分析。其中，PM_2.5切割头7可以在采集颗粒物时将大气颗粒物中空气动力学直径小于或等于2.5μm的颗粒物分离出来，便于对细颗粒物的进一步准确的采集、测定与分析。

导电硅胶管化学性质稳定、表面光滑、具有导电性，不与颗粒物发生化学反应或吸附作用，从而确保测量结果的可靠性。

具体地，导流罩外径为37mm，锥形嘴入口外径为2mm，导流罩长度为310mm，其中，导流罩的圆柱筒状的长度为230mm，采样管截面的外径为25mm，采样管弯曲处长70mm，采样管与飞机底部垂直的竖直段长500mm，锥形嘴长100mm，采样管的另一端长200mm。

具体，本实施例中在连接管5靠近法兰盘4的一端环向设置卡槽，法兰盘4中间的孔处设有与卡槽配合的凸起，从而使法兰盘4与连接管5连接时不会发生转动，提高了进样时的稳定性，提高了高空作业的安全性，法兰盘4的大小及结构可以根据不同需求进行不同的选择，拓宽了该进样装置的适用范围。

采样管选用316不锈钢制作，一般的金属耐性差，易损坏，高空采样的环境恶劣，气压不稳定、气流流速快，现有的采样管在高空环境下使用寿命短，本实施例中采样管采用316不锈钢，316不锈钢是一种奥氏体不锈钢，添加了Mo(钼)元素，提高了金属的耐腐蚀性和耐高温性，采用316不锈钢大大提高了采样管的使用寿命，节省了成本。同时，采集细颗粒物时，金属管壁容易产生静电吸附，采样时易把样品吸附到管壁上，造成了吸附效率降低，而316不锈钢则可以有效解决这类问题。

而且，需要说明的是，采样管3用于高空采集细颗粒物，普通金属管路内壁会对颗粒物有黏附作用或管路内壁的一些成分与细颗粒物发生反应，造成所采集样品成分的缺失或改变，影响采样的效率和精确度，因此需要对采样管内壁进行机械抛光处理，除去试样磨面上的极薄一层金属，使金属内壁表面粗糙度降低，以获得光亮、平整表面。对金属管路进行抛光时，分为三步，首先粗抛，用硬轮对金属表面进行抛光，它对基材有一定的磨削作用，能去除粗的磨痕；然后进行中抛，用比较硬的抛光轮对经过粗抛的表面作进一步的加工，可以除去粗抛留下的划痕，产生中等光亮的表面；最后进行精抛，这是抛光的最后工序，用软轮抛光获得最后的表面；机械抛光后的金属表面光滑且无氧化性，适合飞机航测时对细颗粒物的采集工作。

为了克服现有技术的不足，本发明还提供了一种用于飞机航测的细颗粒物采样系统，包括所述的一种用于飞机航测的细颗粒物进样装置，支管的各个出口与相同或相异的分析仪器连接。

细颗粒物有着多种理化性质，为了更加准确的了解高空细颗粒物的情况，需要对所采集细颗粒物的多种理化性质进行分析，这就需要不同的分析仪器对所采集样品进行分析，不同的分析仪器对样品的流速有着不同的要求，支管各个出口通过管路与分析仪器连接，各个管路(同样可选用导电硅胶管)设置真空泵，可以通过调节真空泵的动力来调节样品流速，从而满足不同分析仪器对样品的流速的不同要求，保证分析的准确性与仪器的安全。

另外，支管各个出口与分析仪器通过管路连接，在管路可设置流量计，为了使各分析仪器对所采集样品进行分析时有着合适的流量，在管路中接入了可调流量计，可以根据不同仪器分析时的需求对管路样品流量进行控制，保证分析的准确性与仪器的安全。

本发明还提供了一种用于飞机航测的细颗粒物采样方法，采用所述的一种用于飞机航测的细颗粒物采样系统，方便细颗粒物的采集，而且采集样本损失小，采集效率高。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于飞机航测的细颗粒物进样装置，其特征在于，包括弯折的采样件，采样件的一侧设有进气嘴，进气嘴的入口侧尺寸小于进气嘴出口侧尺寸以降低气体的流速，采样件相对于进气嘴的另一侧能够穿过飞机开孔设置，且采样件通过连接件能够与飞机连接，采样件能够设于飞机内部的部分设有若干出口。

2.根据权利要求1所述的一种用于飞机航测的细颗粒物进样装置，其特征在于，所述采样件的材质为316不锈钢材质。

3.根据权利要求1所述的一种用于飞机航测的细颗粒物进样装置，其特征在于，所述采样件包括L形的采样管和能够延伸至飞机内部的连接管，连接管一端与采样管连接，连接管另一端与PM_2.5切割头连接，PM_2.5切割头与支管连接，支管设有所述的出口。

4.根据权利要求1所述的一种用于飞机航测的细颗粒物进样装置，其特征在于，所述进气嘴的形状为锥形。

5.根据权利要求1所述的一种用于飞机航测的细颗粒物进样装置，其特征在于，所述采样件在所述进气嘴外侧固定有导流罩，导流罩与采样件连接。

6.根据权利要求5所述的一种用于飞机航测的细颗粒物进样装置，其特征在于，所述导流罩与所述采样件通过螺纹或焊接连接，导流罩为导流管，导流管从远离采样件的一侧到所述采样件入口侧之间为圆柱形状。

7.根据权利要求3所述的一种用于飞机航测的细颗粒物进样装置，其特征在于，所述连接件为连接法兰，所述连接管穿过连接法兰设置，且连接法兰能够与飞机固连。

8.根据权利要求7所述的一种用于飞机航测的细颗粒物进样装置，其特征在于，所述连接法兰包括法兰盘和固定板，法兰盘固连所述的采样管和连接管，法兰盘能够与飞机外侧连接，固定板能够与飞机内侧连接，且连接管与法兰盘其中一个设有凸起，另一个设有卡槽，凸起与卡槽相互配合。

9.一种用于飞机航测的细颗粒物采样系统，其特征在于，包括权利要求1-8中任一项所述的一种用于飞机航测的细颗粒物进样装置。

10.一种用于飞机航测的细颗粒物采样方法，其特征在于，采用权利要求9所述的一种用于飞机航测的细颗粒物采样系统。