CN112098166A - 一种无人机搭载可遥控的VOCs气袋采样装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种搭载于无人机上的可远程控制的VOCs气袋采样装置，主要包括保护搭载盒与连接架部分。所述保护搭载盒中包括远程采样控制模块，TVOC检测模块，负压VOCs气袋采样盒，可转动伸缩采样管路以及真空泵。其中远程采样控制模块用于控制真空泵的开关、流量以及可转动伸缩管路的方向和长度；TVOC检测模块部分用于实时检测采样头所处待测环境TVOC浓度；负压VOCs气袋采样盒内安装洁净采样气袋；可转动伸缩采样管路为了应对采样时烟气和排放口实地状况不同而做出调整；连接架部分用于将采样设备稳定方便地悬挂于无人机之上。本发明可控性强、极大降低VOCs采样成本，在时间、空间上都使VOCs样品及成分谱更加全面准确，给VOCs采样中现存的大量问题提供了解决方案。
Description
技术领域
本发明涉及环境监测中大气污染物采样技术领域，特别是一种适用于人工无法接近的高危或高架的VOCs固定或者无组织排放污染源的采样，以及不同高度环境空气中VOCs样品的采集装置。
背景技术
挥发性有机物(Volatile Organic Compounds，VOCs)一般是指饱和蒸汽压较高(标准状态下大于0.1mmHg)、沸点较低、分子量小、常温状态下易挥发的有机化合物。VOCs是近地面O3和二次有机气溶胶(SOA)生成的重要前体物：在光照作用下VOCs可经光化学反应生成O3、过氧乙酰硝酸酯(PAN)、高活性自由基(OH、RO2、HO2)、醛类、酮类、有机硝酸盐等二次污染物，形成高氧化性的混合气团，即光化学烟雾。VOCs对人体健康的影响是其备受人们关注的重要原因之一，可分为直接影响和间接影响。一方面，部分VOCs组分如苯、甲苯、二氯甲烷、1，3-丁二烯等所表现出的毒性、致癌性和恶臭，直接危害人体健康。另一方面，VOCs导致的光化学烟雾对眼鼻、咽喉、气管和肺等呼吸器官也有明显的刺激作用，严重危害着人类健康。
现行的VOCs的离线采样方法包括全空气采样、吸附剂采样、固相微萃取法和衍生化采样。全空气采样是指使用容器直接采集固定体积的全空气，通常使用不锈钢采样罐(SUMMA罐)或者特殊材质气袋进行全空气采样，也是VOCs采样中最为常用的采样方式。其中SUMMA罐采样的主要优点有采样方便，样品易于保存，采样的精准度较高。但其缺点主要有SUMMA罐在使用过程中，由于大气中的腐蚀性气体对内表面的侵蚀，导致钝化的镀层脱落造成空气中组分的损失；对于采集VOCs浓度很高的污染源而言，SUMMA罐的清洗是非常繁琐困难的。目前市售的SUMMA罐价格较高，采样成本较为昂贵。与SUMMA罐采样方法不同，气袋采样更加适用于高浓度的污染源样品采集。而且具有方便灵活，操作简单，采样成本较为廉价的优点。
但无论是SUMMA罐采样或者气袋采样，目前采样都是需要人工操作，所以通常采样范围都是地面或者人可以抵达的装置工段，这样导致采样只能反映近地面的污染物浓度水平，无法获取关注采样点的污染物垂直分布状况，并且对于一些排VOCs放浓度较高的高空或者是危险工段的排放源，人工采样是无法抵达，这对于VOCs排放量核实以及特殊工段VOCs的排放特征的研究是现存很大的问题。无人机作为具有灵活性可控飞行能力的工具，在各个领域有广泛的应用，将采样装置搭载在无人机上，便可实现在人工无法到达的位置进行采样，能有效弥补了人工采样的不足。
经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN105548489A，公布日2016.05.04，公开了——基于无人机的大气污染数据采集装置。其特征在于：设置于检测舱内的VOCs自动采样罐、用于实时抽取舱外新鲜空气的进气装置和用于确保设备舱内外以及气流管道压力平衡的排气装置以及若干并联于进气装置和排气装置之间的主动式检测设备和被动式传感设备。但是，对于VOCs采样时的控制存在不足，而且采样设备成本较高。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明旨在解决现有技术中离线VOCs采样中，垂直分布的样品难以获取，和部分采样点人工无法抵达，远离地面后采样过程难以操控和随环境VOCs浓度变化采样仪器应变力不足，以及采样成本高的问题。
(二)技术方案
为解决上述问题，本发明提出了一种无人机搭载的可遥控气袋采集VOCs装置，主要包括保护搭载盒以及与连接架部分。所述保护搭载盒中包括远程采样控制模块，TVOC检测模块，负压VOCs气袋采样盒，可转动伸缩采样管路以及真空泵。其中远程采样控制模块用于控制真空泵的开关和开度以及可转动伸缩管路的方向和长度，同时实施传输TVOC的浓度值和VOCs采样盒的压力以及气袋的高度值，并且可以通过地面控制设备输入相应编程的命令；TVOC检测模块部分用于实时传输装置所处环境TVOC浓度水平，以便根据TVOC浓度水平的变化，及时暂停或开始采样，TVOC检测模块有两种方式，为直读式和元件传输式，对于直读式需要采用无人机配备的摄像设备实时读取仪器数值，元件传输式即采用TVOC探测传感元件，通过远程控制模块将实时TVOC浓度传输给地面控制设备；负压VOCs气袋采样盒用于安装洁净采样气袋，通过抽气泵将盒内抽负压，进而实现外部的空气进入气袋，在采样盒内有压力传感器，检测盒内气压变化量，同时安装有气袋高度检测器，所述检测器采用红外探测，当气袋采集样品膨胀后，会逐步阻断光信号，即可检测气袋位置，采用压力值和气袋充盈度协同控制采样结束时间，还带有泄压孔，采样结束后将盒内的负压和大气压平衡，以便打开采样盒取出气袋样品；可转动伸缩采样管路用于应对采样时烟气和排放口实地状况的不同而做出调整，以及过滤颗粒物、干燥水分，采样结束后防止样品逃逸；连接架部分用于将采样设备稳定方便地悬挂于无人机之上，并且可以同无人机同步转向。
本发明还提出所述装置可以″一对一″单设备控制，也可″多对一″多装置同时用一个设备控制，并且可根据需求进行编程，根据采样实地外条件，如风速、温度或者排放源特征等，对不同的位置的装置设置相应的时间差启动关闭采样。
(三)有益效果
本发明的搭载在无人机上的遥控VOCs气袋采样装置具有简单易用、节约成本、可控制性强、对采样环境应变力强、质量轻并且体积小等优点，不仅能够实现空间上的VOCs的立体采样以及人工难以到达的采样点，而且实现在采样时间上的控制，同时还可根据实时的VOCs变化对采样进行调整，使得样品更加准确，无论是对VOCs研究还是应用都提供了更加广泛的思路。
附图说明
图1是本发明的结构示意图
图2是本发明的搭载盒的结构示意图
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和有点更加清楚明白，以下结合具体实例对本发明作进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体事例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本说明。
图1是本发明的一种无人机搭载可遥控的VOCs采样装置结构示意图。如图1所示，本发明的VOCs采样装置包括保护搭载盒1和连接架2。所述保护搭载盒(1)安装有合页，顶面可以打开闭合，左侧面开有可通过采样管路进气孔，右侧面有出气孔以及远程采样控制信号接收器孔；保护盒材质应该选择质轻且强度高的合成材料。所述连接架部分(2)为轻质高硬度金属材质，下端为放置搭载盒的可组装金属架，上段为十字金属架与无人机起落架连接，中间部分为四根可拆卸且可伸缩金属杆。确保搭载盒可以与无人机稳固连接，同时同步转向。
其中，保护搭载盒是本发明的核心部件，如图2所示，保护搭载盒包括远程采样控制模块(1-1)，TVOC检测模块(1-2)，负压VOCs气袋采样盒(1-3)，可转动伸缩采样管路(1-4)以及真空泵(1-5)。其中可转动伸缩采样管路(1-4)包括外管和内管(图中仅为示意，不代表实际尺寸)，内管包括采样管路(1-401)和TVOC检测管路(1-402)。
进一步，为解决远程采样进程难以控制的问题，所述远程采样控制模块(1-1)可以远程控制真空泵(1-5)的开关和调节开度以及可转动伸缩采样管路(1-4)的方向和长度，同时实时传输TVOC的浓度值和负压VOCs采样盒内压力值和气袋高度值。
通过调节所述真空泵(1-5)的开关和开度，从而控制采样的开始和结束，以及调节真空孔泵抽取VOCs真空采样盒内气体流量，进而控制采样管路中样品进入气袋的流量。作为优选，真空泵不仅有可编程控制电路且安装有稳流器。
进一步，所述负压VOCs采样盒(1-3)安装有隔温层，首先确保采样时温度处于恒温状态；其次在采样盒内有压力传感器，检测盒内气压变化量，同时安装有气袋高度检测器，所述检测器采用红外探测，当气袋采集样品膨胀后，会逐步阻断信号，即可检测气袋的位置，采用压力值和气袋充盈度控制采样结束时间。这样就可以实现远程采样，不仅可以采集垂直分布的样品，覆盖到人工难以抵达的采样点，而且实现了采样时间的可控性，有效提高了VOCs样品的数量以及代表性。
考虑到，实地采样时采样条件极其复杂且污染源排放工况或污染物浓度变化多端，所述TVOC检测模块(1-2)可以实时检测装置所处位置的环境TVOC浓度水平，其中检测器可以为直读式和元件传输式，对于直读式需要采用无人机配备的摄像设备实时读取仪器数值，元件传输式即采用VOCs探测传感元件将实时VOCs浓度传输给地面控制设备。
进一步，可转动伸缩采样管路(1-4)可根据需要调节长度，采样管路包括外管和内管。其中外管是可调节方向，为可伸缩的套管式，既可在采样前固定，也可通过地面设备在采样时随随地控制其方向和伸缩长度。内管还包括采样管路(1-401)和TVOC检测管路(1-402)，内管是固定长度且可回缩至保护搭载盒内，且内管长度是略大于外管的总长度。
作为优选，所述采样管路外管材质为轻质可耐高温硬管；采样内管材质为类似聚四氟乙烯的不与VOCs反应、吸附性差且稳定的特殊材质，且可以拆卸清洗。
同时，所述可转动伸缩采样管路(1-4)还包括安装有颗粒物过滤装置以及干燥装置的采样头，在气袋采样盒内管路进入气袋前的部分安装有单向阀。这样装置随实地变化的应变力增强，就可以确保样品的质量，不仅提高了采样效率而且准确度亦有所增加。
本发明的一种无人机搭载可遥控的VOCs采样装置工作原理和流程为：
采样前，先检测采样管路(1-401)的气密性，打开电源，接着将洁净的气袋与负压VOCs采样盒(1-3)中的采样管路连接，检查压力传感器和气袋高度检测器是否异常，打开气袋的进气阀门，接着将负压VOCs采样盒(1-3)关闭。检查远程采样控制模块(1-1)以及TVOC检测模块(1-2)是否异常，之后将保护搭载盒(1)关闭，将保护搭载盒(1)固定在连接架(2)下端，同时将装置连接至无人机上。最后，将可转动伸缩采样管路(1-4)根据需求在采样前固定完毕。采样时，等待无人机到达预定的采样位置，根据实时检测到的TVOC，通过给远程采样控制模块(1-1)传输打开真空泵(1-5)的指令，开始通过真空泵(1-5)将负压VOCs采样盒(1-3)内的气体抽出，此时样品气体便通过采样管路(1-401)进入气袋，进一步，便可通过改变真空泵的开度改变样品进入气袋的流量，若采样中TVOC模块检测到异常TVOC浓度值，便可关闭真空泵(1-5)，此时即暂停了VOCs采样，等待TVOC浓度值趋于稳定便可再次打开真空泵(1-5)；若需要多位置多次采样，中间移动过程便以同样方式关闭真空泵即可；若遇到污染排放源发生变化，或者无人机无法悬停与排放源上方或者水平下风向，便可通过调节可转动伸缩采样管路(1-4)，结合TVOC浓度值，可转动伸缩采样管路调整到合适的角度和长度。进一步，待到负压VOCs采样盒(1-3)中气袋高度检测器，检测到气袋已经充满，且气压也达到相应的值，便可关闭真空泵(1-5)。
采完样后，取下保护搭载盒(1)，将负压VOCs的泄压孔打开，使得空气进入采样盒内，进一步，打开采样盒，先关闭气袋进气阀门而后将气袋取下恒温避光保存。若采样的样品或者排放源TVOC浓度较高，可将采样管路(1-401)以及TVOC检测管路拆卸，清洗或者更换。
以上所述仅为本发明的较佳实例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种无人机搭载可遥控的VOCs气袋采样装置，包括保护搭载盒(1)以及连接架部分(2)。所述保护搭载盒(1)用于安装和保护采样主要部件，所述保护搭载盒(1)中安装有，远程采样控制模块(1-1)，TVOC检测模块(1-2)，负压VOCs气袋采样盒(1-3)，可转动伸缩采样管路(1-4)以及真空泵(1-5)。所述连接架部分(2)用于将保护搭载盒与连接架，并稳定悬挂于无人机上。
2.如权利要求1所述的一种无人机搭载可遥控的VOCs气袋采样装置，其特征在于，所述连接架部分(2)为轻质高硬度材质，下端为放置搭载盒的可组装金属架，上段为十字金属架与无人机起落架连接，中间部分为四根可拆卸且可伸缩金属杆。
3.如权利要求1所述的一种无人机搭载可遥控的VOCs气袋采样装置，其特征在于，所述远程采样控制模块(1-1)用于控制真空泵的开关、流量以及可转动伸缩管路的方向和长度，同时实施传输TVOC的浓度值和VOCs采样盒的压力以及气袋的高度值，并且可以通过地面控制设备输入相应编程的命令。
4.如权利要求1所述的一种无人机搭载可遥控的VOCs气袋采样装置，其特征在于，所述TVOC检测模块(1-2)可以实时检测采样头所处待测环境TVOC浓度水平。
5.如权利要求1所述的一种无人机搭载可遥控的VOCs气袋采样装置，其特征在于，所述负压VOCs采样盒(1-3)安装有隔温和避光层，在采样盒内安装有压力传感器和气袋高度检测器，同时有泄压孔，采样盒材质为轻质、硬度高、稳定且不产生VOCs。
6.如权利要求1所述的一种无人机搭载可遥控的VOCs气袋采样装置，其特征在于，所述可转动伸缩采样管路(1-4)可根据需要调节长度，采样管路包括外管和内管。其中外管是可调节方向、伸缩的套管，其材质为轻质可耐高温硬管；
所述内管包括采样管路(1-401)和TVOC检测管路(1-402)，内管是固定长度且可回缩至保护搭载盒内，内管是可拆卸清洗，且材质为类似聚四氟乙烯的不与VOCs反应、吸附性差且稳定的特殊材质；
其中所述采样管路(1-401)在负压VOCs采样盒内安装有单向气流控制阀；
同时，所述可转动伸缩采样管路(1-4)还包括安装有颗粒物过滤装置以及干燥装置的采样头。
7.如权利要求1所述的一种无人机搭载可遥控的VOCs气袋采样装置，其特征在于，所述真空泵(1-5)是可调节流量，且安装有稳流器。
8.如权利要求1所述的一种无人机搭载可遥控的VOCs气袋采样装置，其特征在于，可以″一对一″单设备控制，也可″多对一″多装置同时用一个设备控制，并且可根据需求对采样时间和速率进行编程。
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