CN209764521U - 用于大气气溶胶测量的全样气采集装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了用于大气气溶胶测量的全样气采集装置，包括采样容器和控制部件，所述采样容器搭载于能够升空至设定高度的升空平台，所述控制部件能够控制所述采样容器由折叠状态切换为展开状态；所述采样容器的底部具有进气口，所述采样容器还设有与所述控制部件通信连接的闭合部件，所述控制部件能够控制所述闭合部件动作以关闭所述进气口。该全样气采集装置能够采集高空的大气气溶胶并将其带回地面，以方便用相关设备对采样的大气气溶胶测量，由于将高空大气气溶胶采样后带回地面进行测量，所以测量不受限制，方便对亚微米尺度大气气溶胶的各项物理化学参数特性进行测量研究。

Description

用于大气气溶胶测量的全样气采集装置

技术领域

本实用新型涉及大气环境探测技术领域，特别是涉及一种用于大气气溶胶测量的全样气采集装置。

背景技术

大气气溶胶为液态或固态微粒在空气中的悬浮体系，能够直接或间接影响大气辐射平衡和气候，也能够造成空气质量下降和能见度降低，并影响人体健康；目前已知气溶胶具有明显的垂直分布，即在不同高度(比如在边界层及自由对流层的不同高度上)存在物理化学特性的差别。因此，为研究气溶胶对环境和气候的影响，需要分析气溶胶的性质，特别是气溶胶物理和化学特性在垂直方向上的变化。

目前，尚缺乏有效的探测仪器或探测方法以获取研究所需的高空气溶胶的特性，特别是测量比较耗时的吸湿性和分档活化特性。采用系留气艇平台进行垂直探测是一种广泛使用的测量大气气溶胶廓线的方法，由于受限于载重量，一般艇载仪器只能获得总质量浓度和 0.25μm以上的气溶胶尺度谱信息。但是，对于大气气溶胶，一般在 0.1～0.2μm附近有一个尺度谱的峰值，必须将测量下限延展至0.1μm 以下才能很好地描述气溶胶的尺度谱；而对于气溶胶的化学成分、吸湿性以及活化特性等，则由于没有适合搭载的仪器无法实现测量。

有鉴于此，如何设计一种全样气采集装置，能够采集高空中的大气气溶胶样气，并将其带回地面以便观测亚微米尺度(0.01～1μm)大气气溶胶的各项物理化学参数，是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。

实用新型内容

为解决上述技术问题，本实用新型提供一种用于大气气溶胶测量的全样气采集装置，包括采样容器和控制部件，所述采样容器搭载于能够升空至设定高度的升空平台，所述控制部件能够控制所述采样容器由折叠状态切换至展开状态；所述采样容器的底部具有进气口，所述采样容器还设有与所述控制部件通信连接的闭合部件，所述控制部件能够控制所述闭合部件动作以关闭所述进气口。

本实用新型提供的全样气采集装置能够采集高空的大气气溶胶并将其带回地面，以方便用相关设备对采样的大气气溶胶测量；该全样气采集装置包括采样容器和控制部件，其中，采样容器搭载于升空平台，可由升空平台携带升空至指定高度；控制部件能够控制采样容器由折叠状态切换至展开状态，并控制部件还能够控制闭合部件关闭采样容器底部的进气口；升空采样前，将采样容器折叠，使其处于扁平化状态，排出内部的空气，减小体积，并方便升空，同时因为采样容器折叠，其进气口可以处于非关闭状态，减少操作；升空平台携带采样容器升高至指定高度后，可通过控制部件远程控制采样容器使其由折叠状态切换至展开状态，因进气口位于采样容器的底部，在采样容器展开后，可以自然进气，待样气充满采集容器后，通过控制部件控制闭合部件动作以关闭进气口，使采样容器处于封闭状态，避免返回地面时采集的样气泄漏；闭合部件关闭进气口后，采气完成，升空平台可携带采样容器返回地面，利用地面测量仪器对采样的大气气溶胶进行各项参数的观测，以实现对大气气溶胶特性的分析。

另外，该全样气采集装置中，采样容器可折叠，进气口设于底部，将其升空后再展开，如此可实现自然进气，避免采用泵等结构将样气泵至采样容器中，一方面可简化结构，另一方面可避免因样气经泵或流速过大导致气溶胶损失，有助于确保后续检测结果的准确性和有效性。

如上所述的全样气采集装置，所述采样容器包括上部框架、下部框架和主体部，所述主体部的顶壁部和底壁部分别与所述上部框架和所述下部框架固接；所述主体部能够在折叠状态和展开状态之间切换；所述采样容器还包括用于锁定所述上部框架和所述下部框架相对位置的扣合部件；并配置成：所述主体部处于折叠状态，所述上部框架和所述下部框架的相对位置被所述扣合部件锁定；

所述控制部件能够控制所述扣合部件解除所述上部框架和所述下部框架的锁定，以使所述主体部从折叠状态切换至展开状态。

如上所述的全样气采集装置，所述上部框架和所述下部框架均为碳纤管制成的框架。

如上所述的全样气采集装置，所述主体部的内壁具有导电层。

如上所述的全样气采集装置，所述主体部呈圆柱形结构。

如上所述的全样气采集装置，所述主体部的直径和高度一致。

如上所述的全样气采集装置，所述主体部包括可折叠的壁部及支撑所述壁部的若干支撑环，所述支撑环沿竖向间隔布置。

如上所述的全样气采集装置，所述主体部的底壁部具有沿竖向向下突出的突出部，所述进气口形成于所述突出部的底端；所述闭合部件具体为连接于所述下部框架的绳索，所述绳索套设于所述突出部，所述控制部件能够拉紧所述绳索以关闭所述进气口。

如上所述的全样气采集装置，所述扣合部件包括扣环和与所述扣环钩挂的扣索，所述扣环固定于所述上部框架和所述下部框架中的一者，所述扣索安装于所述上部框架和所述下部框架中的另一者，所述扣合部件还包括转轮，所述扣索的一端与所述转轮连接，另一端用于与所述扣环钩挂；所述控制部件用于控制所述转轮转动以拉动所述扣索使其脱离所述扣环。

如上所述的全样气采集装置，所述采样容器的顶部还设有地面仪器采样口。

附图说明

图1为本实用新型所提供一种具体实施例中全样气采集装置的采集容器处于折叠状态的结构示意图；

图2为本实用新型所提供一种具体实施例中全样气采集装置的采集容器处于展开状态的结构示意图；

图3a示出了具体实施例中全样气采集装置的扣合部件处于锁定状态的结构示意图；

图3b示出了具体实施例中全样气采集装置的扣合部件处于解锁状态的结构示意图；

图3c示出了具体实施例中全样气采集装置的采集容器展开时的结构示意图；

图4a示出了具体实施例中全样气采集装置的闭合部件未闭合进气口时的结构示意图；

图4b示出了具体实施例中全样气采集装置的闭合部件闭合进气口时的结构示意图；

图5示出了具体实施例中应用该全样气采集装置采集的大气气溶胶的粒子存留效率示意图。

其中，图1至图4b中部件名称与附图标记之间的一一对应关系如下所示：

采样容器100，上部框架110，下部框架120，主体部130，支撑环131，突出部132，进气口1321，地面仪器采样口133；

扣环210，扣索220，转轮230；

绳索300。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步的详细说明。

请参考图1和图2，图1为本实用新型所提供一种具体实施例中全样气采集装置的采集容器处于折叠状态的结构示意图；图2为本实用新型所提供一种具体实施例中全样气采集装置的采集容器处于展开状态的结构示意图。

该实施例中，全样气采集装置包括升空平台、采样容器100和控制部件，其中，采样容器100搭载于升空平台，可随升空平台升空至指定高度，可以理解，采样容器100和升空平台为两个相对独立的部件。

具体的方案中，升空平台可以选用系留气艇或者无人机等，下文以系留气艇为例说明。

控制部件能够控制采样容器100由折叠状态切换至展开状态，可以理解，采样容器100处于折叠状态时，体积较小，其内没有填充空气，采样容器100处于展开状态时，可以吸入空气，在空气进入充满采样容器100时，采样容器100必然处于展开状态。

采样容器100的底部具有进气口1321，采样容器100还设有与控制部件通信连接的闭合部件，控制部件能够控制闭合部件动作以关闭进气口1321。

该全样气采集装置能够采集高空的大气气溶胶并将其带回地面，以方便用相关设备对采样的大气气溶胶测量，由于将高空大气气溶胶采样后带回地面进行测量，所以测量不受限制，方便对亚微米尺度大气气溶胶的各项物理化学参数进行测量研究。

该全样气采集装置具体应用时如下操作：

升空采样前，将采样容器100折叠，使其大体处于扁平化状态，如图1所示，这样，体积较小，便于系留气艇携带升空，同时，因为采样容器100处于折叠状态，其底部进气口1321可以处于非关闭状态。这里需要指出的是，实际中，如图1中所示，采样容器100折叠后，虽然进气口1321处于伸展状态，但是由于采样容器100主体处于折叠状态，上升过程中，空气也只会在进气口1321附近不停交换，而不会被采集进入采样容器100的内腔。

系留气艇携带采样容器100升高至指定高度后，通过控制部件远程控制采样容器100使其由折叠状态切换至展开状态，展开后，进气口1321位于采样容器100的底部，且处于开启状态，所以可自动进气，设定时间(比如1分钟，具体可根据采样容器100的大小而定)后即可完成采气，再通过控制部件控制闭合部件动作以关闭进气口1321，这样完成采气的采样容器100处于封闭状态，避免返回地面时采集的样气泄漏。

闭合部件关闭进气口1321后，如图2所示，采气完成，系留气艇携带采样容器100返回地面，利用地面测量仪器对采样的大气气溶胶进行各项参数的观测，实现对大气气溶胶特性的分析。

可以理解，系留气艇只携带采样容器100升空，控制部件留在地面，通过控制部件远程控制采样容器100上的相关部件动作以实现采样容器100的状态切换及进气口1321的关闭。

该全样气采集装置中，采样容器100可折叠，进气口1321设于底部，将其升空后再展开，如此可实现自然进气，避免采用泵等结构将样气泵至采样容器100中，一方面可简化结构，另一方面可避免因样气经泵或流速过大导致气溶胶损失，有助于确保后续检测结果的准确性和有效性。

具体的方案中，采样容器100包括上部框架110、下部框架120 和主体部130，其中，主体部130的顶壁部和底壁部分别与上部框架 110和下部框架120固接，主体部130能够在折叠状态和展开状态之间切换。

结合图1和图2，可以理解，主体部130处于折叠状态时上部框架110和下部框架120之间的距离小于主体部130处于展开状态时上部框架110和下部框架120之间的距离。图示方案中，主体部130处于折叠状态时，上部框架110和下部框架120相接触，以排出内部空气，实际设置时，两者之间难以做到完全贴合，但应尽可能减少内部空气残余，从而减少对后续测量的影响。

该采样容器100还设有用于锁定上部框架110和下部框架120的相对位置的扣合部件，并配置成：主体部130处于折叠状态，上部框架110和下部框架120的相对位置被扣合部件锁定。可以理解，主体部130处于折叠状态时，因上部框架110和下部框架120被扣合部件锁定，采样容器100的折叠状态能够保持。

控制部件还能够控制扣合部件解除上部框架110和下部框架120 的锁定，具体地，升空后，控制部件可远程控制扣合部件以解除上部框架110和下部框架120的锁定，此时不受约束，在重力的作用下，下部框架120自然下落，带动主体部130展开。

请一并参考图3a至图3b，图3a示出了具体实施例中全样气采集装置的扣合部件处于锁定状态的结构示意图；图3b示出了具体实施例中全样气采集装置的扣合部件处于解锁状态的结构示意图；图3c示出了具体实施例中全样气采集装置的采集容器展开时的结构示意图。

具体的方案中，扣合部件包括扣环210和与扣环210钩挂的扣索 220，图示中，扣环210与上部框架110固接，扣索220安装于下部框架120；该扣合部件还包括安装于下部框架120的转轮230，扣索220 的一端与转轮230连接，另一端用于与扣环210钩挂；控制部件用于控制转轮230转动以拉动扣索220使其脱离扣环210。

实际应用时，升空前，人为将采样容器100折叠后，手动拉动扣索220，使其钩挂于扣环210，使采样容器100保持在折叠状态，升空后，再通过控制部件控制扣索220脱离扣环210，使采样容器100展开以采集样气。

如上，可以理解，实际应用中，控制部件实际上只要能够控制扣索220脱离扣环210即可，扣索220与扣环210的钩挂可以在地面手动完成，所以在设计时，可以优选考虑如何方便控制部件控制扣索220 动作使其脱离扣环210，控制部件可以不必控制扣索220与扣环210 的钩挂动作，以使扣合部件的结构更简单。当然，实际设置时，通过相应的结构设计使控制部件既能控制扣合部件的锁定，也能够解锁也是可行的。

扣索220具体可以为硬钢丝做成的钢丝扣索，以方便在控制部件的控制下动作，当然也可以选取其他相对硬质的材料制成，只要能够确保控制其脱离扣环210即可。

具体的方案中，上部框架110和下部框架120均为碳纤管制成的框架；碳纤管的重量轻，抗张强度高，可减轻采样容器100的重量，利于其在高空中作业。

具体的，上部框架110和下部框架120均可设为双层结构，以确保采样容器100的牢固性。

具体的方案中，采样容器100的主体部130呈圆柱形结构，方便折叠和展开。

具体的，圆柱形结构的主体部130的直径和高度一致，这样能够实现主体部130的表面积和容积比例最小化，能够减少采气后气溶胶在主体部130内壁上的散逸损失，提高后续的测量精确度。

主体部130的具体容积可根据实际应用需要进行调整，比如按照地面测量仪器测量使用量100L计，那么需要采样10倍于使用量的样气，即1m³，这样，主体部130的高度和直径均设置为108cm。

在此基础上，上部框架110和下部框架120可以设为正方形结构，如图1和图2中所示，方便圆柱形结构的主体部130的顶壁部和底壁部的固定，同时也方便前述扣合部件的设置。

可以理解，因为主体部130能够折叠，所以在设置时主体部130 选用可以折叠的材料制成。

为了使主体部130展开后结构较稳定，主体部130还可设置用以支撑其壁部的若干个支撑环131，各支撑环131沿竖向间隔布置，如图2所示，可以理解，支撑环131的数目及相邻两支撑环131的间距与主体部130的尺寸相关，具体可根据实际需求来设计，应当既能够满足支撑需求，又不影响对主体部130的折叠。

与上部框架110和下部框架120一致，支撑环131也可选用碳纤材料制成。

具体的方案中，主体部130的内壁具有导电层，以实现内部的电中性，避免静电吸附导致的气溶胶损失，主体部130可具体选用镀铝膜材料制成，当然也可选用其他的材质，以实现内腔的电中性。

请一并参考图4a和图4b，图4a示出了具体实施例中全样气采集装置的闭合部件未闭合进气口时的结构示意图；图4b示出了具体实施例中全样气采集装置的闭合部件闭合进气口时的结构示意图。

具体的方案中，为便于对主体部130的进气口1321进行关闭操作，及方便设置闭合部件，主体部130的底壁部具有沿竖向向下突出的突出部132，如图1和图4a所示，该突出部132的底端形成进气口 1321；闭合部件具体为连接于下部框架120的绳索300，该绳索300事先套设于突出部132，如图4a所示；在升空采集样气完成后，控制部件能够控制拉紧绳索300以关闭进气口1321，可以理解，因主体部 130由可折叠材质制成，拉紧绳索300后，可以理解为将突出部132 的中部绑紧于一点而使进气口1321封闭。

具体地，绳索300的两端可与转动轮固接，控制部件可以控制转动轮转动以张紧绳索300的两端，而绑紧突出部132，从而关闭进气口1321。

在闭合部件设为绳索300的基础上，为避免升空后展开过程中，绳索300脱离突出部132，在主体部130折叠后，其突出部132可以呈伸展状态，如图1和图4所示。

具体的方案中，采样容器100的顶部还设有地面仪器采样口133，以方便地面仪器对采样容器100采集的样气进行检测分析。

经过试验验证表明，利用该全样气采集装置采集样气返回地面后，考虑大气气溶胶的损失后，采集的样本量仍然能够满足观测研究需求。

可一并参考图5，图5示出了具体实施例中应用该全样气采集装置采集的大气气溶胶的粒子存留效率示意图。

图5中，横轴表示气溶胶的粒径，纵轴表示气溶胶的存留比率，实线表示采样1小时后大气气溶胶的存留曲线，虚线表示采样2小时后大气气溶胶的存留曲线。从图中可以看出，经过1小时后，50nm 以上的气溶胶粒子损失不超过20％，还剩80％以上的粒子有效留存在采样容器100内，20nm的粒子也还剩40％，10nm的粒子还剩约10％；经过2小时后，50nm和20nm的粒子分别还剩60％以上和20％以上， 10nm的粒子几乎消耗光。

系留气艇在1000m高度使用采样容器100采样后，通常半小时后就能够携带采样容器100返回地面进行观测，气溶胶尺度谱测量等关注小粒子(＜100nm)的测量研究能在采样后1小时内完成，少数费时但不关注小粒子的观测在采样后两小时内也都能完成，粒子损失可满足观测研究的需求。

实际应用时，由于容积、材料等的差异，可以先对每个采样容器 100进行大气气溶胶的损失定量测量，为观测数据订正提供依据。

以上对本实用新型所提供的一种用于大气气溶胶测量的全样气采集装置进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以对本实用新型进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本实用新型权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.用于大气气溶胶测量的全样气采集装置，其特征在于，包括采样容器和控制部件，所述采样容器搭载于能够升空至设定高度的升空平台，所述控制部件能够控制所述采样容器由折叠状态切换为展开状态；所述采样容器的底部具有进气口，所述采样容器还设有与所述控制部件通信连接的闭合部件，所述控制部件能够控制所述闭合部件动作以关闭所述进气口。

2.根据权利要求1所述的用于大气气溶胶测量的全样气采集装置，其特征在于，所述采样容器包括上部框架、下部框架和主体部，所述主体部的顶壁部和底壁部分别与所述上部框架和所述下部框架固接；所述主体部能够在折叠状态和展开状态之间切换；所述采样容器还包括用于锁定所述上部框架和所述下部框架相对位置的扣合部件；并配置成：所述主体部处于折叠状态，所述上部框架和所述下部框架的相对位置被所述扣合部件锁定；

所述控制部件能够控制所述扣合部件解除所述上部框架和所述下部框架的锁定，以使所述主体部从折叠状态切换至展开状态。

3.根据权利要求2所述的用于大气气溶胶测量的全样气采集装置，其特征在于，所述上部框架和所述下部框架均为碳纤管制成的框架。

4.根据权利要求2所述的用于大气气溶胶测量的全样气采集装置，其特征在于，所述主体部的内壁具有导电层。

5.根据权利要求2所述的用于大气气溶胶测量的全样气采集装置，其特征在于，所述主体部呈圆柱形结构。

6.根据权利要求5所述的用于大气气溶胶测量的全样气采集装置，其特征在于，所述主体部的直径和高度一致。

7.根据权利要求4所述的用于大气气溶胶测量的全样气采集装置，其特征在于，所述主体部包括可折叠的壁部及支撑所述壁部的若干支撑环，所述支撑环沿竖向间隔布置。

8.根据权利要求2-7任一项所述的用于大气气溶胶测量的全样气采集装置，其特征在于，所述主体部的底壁部具有沿竖向向下突出的突出部，所述进气口形成于所述突出部的底端；所述闭合部件具体为连接于所述下部框架的绳索，所述绳索套设于所述突出部，所述控制部件能够拉紧所述绳索以关闭所述进气口。

9.根据权利要求2-7任一项所述的用于大气气溶胶测量的全样气采集装置，其特征在于，所述扣合部件包括扣环和与所述扣环钩挂的扣索，所述扣环固定于所述上部框架和所述下部框架中的一者，所述扣索安装于所述上部框架和所述下部框架中的另一者，所述扣合部件还包括转轮，所述扣索的一端与所述转轮连接，另一端用于与所述扣环钩挂；所述控制部件用于控制所述转轮转动以拉动所述扣索使其脱离所述扣环。

10.根据权利要求1-7任一项所述的用于大气气溶胶测量的全样气采集装置，其特征在于，所述采样容器的顶部还设有地面仪器采样口。