CN2064055U - 大气总悬浮微粒采样器 - Google Patents

Abstract

大气总悬浮微粒采样器是环保监测工作中专用于测量大气总悬浮微粒质量浓质的仪器，总悬浮微粒的定义是小于100微米空气动力学当量直径的微粒，该采样器在国内尚属空白。本实用新型针对现有技术的缺点和国家环保局《总悬浮微粒采样器技术要求(暂行)》的规定，采用最先进的喉管稳流器与采样头形状、入口截面相匹配，使稳流精度在国内任何地区使用均达到≤±8％的要求，结构简单，经济实用，具有规范化设计的特点。

Description

大气总悬浮微粒采样器属环保监测领域中用以监测大气中总悬浮微粒质量浓度的观测仪器。总悬浮微粒是指空气动力学当量直径（相当于密度为1克／立方厘米的球体直径）小于100微米的悬浮微粒。质量浓度是指标准状态下单位大气容积所含总悬浮微粒质量。

大气总悬浮微粒采样器的基本构成为：1.采样头，2.采样管道，3.抽气系统，4.临界流喉管稳流器。其它还有噪声消除器等附属部件。采样头的基本功能是收集总悬浮微粒；采样管道为气流通道，两端分别与采样头和抽气机相连接；抽气系统的功能是降低采样管道的气压，使大气能连续不断地进入采样头；整套仪器的工作程序是：启动抽气系统的电动机，带动抽气机（鼓风机或抽气泵），使采样管道产生负压，大气便以一定的流速进入采样头内筒与外筒的间隙向上流动，由速度分选开的总悬浮微粒得以随气流进入，气流在外筒上盖的阻挡和内筒负压作用下由上向下通过内筒及采样膜片，气流穿过膜片小孔，总悬浮微粒滞留在采样膜片上，经24小时后，取下采样膜片即可分析其采样质量，再除以换算成标准状态的气体流量即可求得大气总悬浮微粒质量浓度。由于气流通过临界流喉管稳流器，即串接在采样管道上的狭窄通道，气流速度被设计成临界流速（音速或接近音速），气流速度将不受气路通道上压差变动的影响而自动稳定。噪声消除器装在抽气机的排气通道内，用以消除抽气机运转时所产生的噪音。根据国家环保局《总悬浮微粒采样器技术要求（暂行）》的规定：进入采样头入口的气流速度应为0.3米／秒的恒定值，误差≤±8％；采样器平均无故障时间，对流量≥1立方米／分的大流量采样器，要求不低于800小时，低于1立方米／分的中、小流量采样器要求不低于1500小时；抽气机的噪音，对大流量采样器要求低于70分贝，中、小流量采样器要求低于65分贝；规定取样时间为24小时。

现有技术中，中、小流量总悬浮微粒采样器尚属空白，在大流量领域中美国伟迪公司（Weeding&Associates  Inc）推出的大气总悬浮微粒采样器是最新产品（正在办理美国专利申请），该采样器采用了较先进的临界流喉管稳流器，其优点是可以省去复杂的流量计及其电子稳定装置，结构简单，不需维修。不足之处是流量受温度影响，其影响值与绝对温度的平方根成正比。其它不足的还有：采样头外筒的结构为进气口处的开口为矩形（或方形），与矩形（或方形）截面的内筒形成宽度不均匀的间隙，气流在四角处的速度偏低；外筒上部的封口不均匀，通过矩形开口的一对长边向上呈坡度相同的两面角形，通过一对短边呈直立三角面形，类似房子的上盖，没有明显的筒盖和筒身，由于结构的不均称性，又靠近入口，对气流入口处的气流速度产生另一个不均匀性影响。外筒结构另一个缺点是开口高度与内筒上端基本位于同一水平，在有风吹的条件下，不需采集的大粒径微粒可以直接吹入内筒。尽管有上述缺点，但对大流量采样器还不能作彻底的改革，因为已经使用了多年，为了和过去的数据进行对比，我国环保局规定仍沿用这种“房盖”形外筒。还有所用电动机为直流串激电机，因碳刷磨蚀生成碳粒粉尘进入被采样的大气中，造成人为污染，且要在20天左右更换一次碳刷；抽气采用鼓风机，噪音明显高于70分贝，且其寿命约400小时，远低于我国规定平均无故障时间的要求。

本实用新型的任务是克服现有技术的缺点，重新设计符合国家环保局《总悬浮微粒采样器技术要求（暂行）》规定的、经济实用的大气总悬浮微粒采样器。

本实用新型采用的技术方案及其效果如下：1、采样头外筒由与内筒上端同水平的位置上垂直向下延伸长度为b，形成一个明确的外筒筒身，对于大流量采样器，筒身截面与“房盖”形外筒的开口形状一致，对于中、小流量采样器，外筒筒身要与内筒保持等间距，即外筒筒身为内筒柱面各点的外法线的等法线点的轨迹，且b≥0.6a（a为内、外筒平均间距）。中、小流量的外筒筒盖是在筒身上端向上延伸适当距离后均称封口。中、小流量采样头内筒可选用园柱、椭园柱、正三角柱、方柱、长方柱、正多角柱等简单实用的柱面形结构，园柱面形为最佳，它们都有一个中心轴，围绕中心轴运转360°／n（n为任何≥2的自然数）可与自身重合。改进后对大流量采样器的效果是在保持原来入口流速分布基本不变的条件下，克服了风吹的影响，对中、小流量采样器的效果是即克服了风吹的影响，又保证了入口流速分布的均匀性。2、采样头外筒是可更换的，其效果是通过改变采样头入口截面面积达到与临界流喉稳流器、流量、使用地区气温变化范围相匹配，一种型号的采样器配备三种入口截面的采样头，在国内任何地区使用都有一种最佳匹配的采样头，最多只需配备三种入口截面的采样头，就可保证国内任何地区使用中，气流入口速度都能稳定在±8％范围之内。3、将直流串激电机改为无碳刷的交流异步电机，避免了碳刷磨蚀引起对采样大气的污染，并克服了每20天左右要更换一次碳刷的麻烦。4、采用刮板式抽气泵代替鼓风机，寿命从400小时左右提高到1500小时以上，满足了国家环保局有关技术要求的规定，且有显著的经济意义。进一台鼓风机备件为140美元，一年就要几万美元。刮板泵坏了，一般只需更换刮板叶片，费用很少。另外，所用刮板泵的刮板叶片数宜采用多于4片的多页片式刮板泵以提高振动的平稳性，并利于减小噪音。5、采用弹簧共振式噪声消除器，安放在刮板泵的排气通道内，使噪声消除能力达到了国家环保局规定的标准。

附图为采样器的剖视图。1为采样头，2为采样头入口通道，3为采样膜片，4为临界流喉管稳流器，5为噪声消除器共振弹簧，6为刮板泵（未剖视），7为交流异步电机，8为采样管道。

实施例：现已定型为TSPM－1型的中流量大气总悬浮微粒采样器，设计流量为75升／分±10升／分。内，外筒为同轴铅直园柱结构，外筒筒盖为平顶，采样头入口截面分别为44.3cm²、42.8cm²、41.6cm²（公差均为1.7cm²），临界流喉管稳流器的中空截面面积为9±3mm²。三种入口截面的采样头分别与中国最南部、中部和最北部典型地区的气温变化范围相对应。刮板泵为八个叶片，转速为1400周／分。噪声消除器共振弹簧为186.7赫／秒的自然频率。经中国予防医学科学院卫生及卫生工程研究所及中国环境监测总站测试认定完全满足国家环保局《总悬浮微粒采样器技术要求（暂行）》的规定，填补了国内的空白，达到了世界先进水平。

Claims (5)

1、在环保监测领域中，一种大气总悬浮微粒采样器，由采样头，连接采样头和抽气系统的采样管道、抽气系统、串接在采样管道上的临界流喉管稳流器和噪声消除器所构成，其特征是采样头外筒有一个垂直向下的筒身，筒身长度由上端与内筒上端同水平的位置开始至下端为b；筒身截面形状，对于大流量采样器，与“房盖”形外筒的开口形状一致，对于中、小流量采样器，要与内筒保持等间距，即外筒筒身为内筒柱面各点的外法线的等法线点的轨迹，b值应≥内、外筒平均间距的0.6倍；中、小流量采样器的外筒筒盖是在筒身上端向上延伸适当距离后均称封口。

2、如权利要求1所述的采样器，其特征是中、小流量采样头内筒的优选形状为园柱面、椭园柱面、正三角柱面、方柱面、长方柱面、正多边柱面中的一种柱面形状，最佳为园柱面形状。

3、如权利要求1和2所述的采样器，其特征是采样头的外筒与内筒的间距设有不少于三个档次的通过改变外筒形状来改变的内、外筒间距供选择使用。

4、如权利要求1所述的采样器，其特征是抽气系统的动力源由无碳刷的交流异步电机所构成，抽气泵由刮板叶片可更换且多于4个为特征的刮板泵所构成。

5、如权利要求1所述的采样器，其特征是噪声消除器由装在刮板泵排气通道内的弹簧共振式噪声消除器所构成。