CN2387530Y - 智能型环境空气自动连续采样器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种对空气中二氧化碳、氮氧化物和PM₁₀/PM_2.5同时进行连续采样的仪器。本仪器包括进气口、集气器、抽气泵、采样瓶、滤膜夹具、气流切换器和自动控制器、气体流量计等部件。本仪器能在规定的采样时间自动切换,实行不停机连续采样,并自动记录与打印每天的采样时间、采气量等参数,取换样品的周期长达一周以上。本仪器可同时连续数月采集空气中二氧化硫和氮氧化物和PM₁₀/PM_2.5,节省监测人力财力提高采样代表性。

Description

智能型环境空气自动连续采样器

本实用新型属于环保大气监测用采样仪器技术领域，具体涉及一种对空气中二氧化硫(SO₂)、氮氧化物(NO_X)和可吸入颗粒物PM₁₀/PM_2.5同时进行自动连续采样的智能型环境空气自动连续采样器。

二氧化硫(SO₂)、氮氧化物(NO_X)和可吸入颗粒物PM₁₀/PM_2.5是空气环境监测的重要项目。目前国内大多数环境监测部门仍沿用“五日法”，即每季度监测一次，每次监测五天，每天采样四次，每次采样时间15--30分钟，该种监测采样方法很显然不符合国家环保局新颁布的《环境空气质量标准》(GB3095-1996)和《环境监测技术规范》--大气和废气监测部分(1986)对采样时间及采样频次的要求，也与国际标准化组织(ISO)的规定不符。在国际交往中，“五日法”监测的数据是不被认可的。为配合新的《标准》和《规范》的贯彻实施，南京、上海、武汉、青岛等地的分析仪器厂家也生产了各种型号的大气自动采样器。由于受到二氧化硫、氮氧化物的采样及分析方法的限制，采样仪器的结构过于复杂，导致各类自动连续采样器均无法长时间正常运行。如中国专利90204510公开的“24小时恒温自动连续大气采样器”由两个采样瓶、电磁阀、干燥瓶、恒流孔、流量计、真空表和抽气泵组成。它是在一次空气样品采集完毕后，自动关机，待监测人员在设定的间隔时间内换取样品后，自动开机，采取下一天的样品，其切换是靠一时间控制器和一个电磁阀完成，需监测人员每天到现场取换样品，没有实现真正意义上的自动连续采样，操作人员劳动强度大，在日常监测工作中难以实际推广使用。

本实用新型的目的是针对现有技术存在的上述不足，提供一种能连续数日、一周或更长时间自动采样，并能同时对空气中二氧化硫(SO₂)、氮氧化物(NO_X)和可吸入颗粒物PM₁₀/PM_2.5同时进行采样的智能型环境空气自动连续采样器。

本实用新型的技术方案如下：

一种智能型环境空气自动连续采样器，它包括进气口、抽气泵、采样瓶、集气器、气体流量计以及相匹配的管路，它还设有气流切换器、滤膜夹具和自动控制器。进气口经三通连接采样器内部的气体流量计，再经由集气器、滤膜夹具与采样瓶相连，每组采样瓶的出口合为一路分别与气流切换器相连、气流切换器的管路连接过滤筒，过滤筒接抽气泵。

气流切换器的主要部件为开有槽的活动圆盘与周围均匀开有气孔的固定圆盘，固定圆盘中心开有通孔，活动圆盘由低速微型电机驱动，活动圆盘的槽设计为可导通固定圆盘的中心通孔与周围的一个孔的长度，气流切换器固定圆盘圆周上的孔经由三通分别与两组采样瓶中每只采样瓶的出口相连，固定圆盘的通孔则经管路连接过滤筒、抽气泵、消声筒。活动园盘转动到某一位置时，其上的槽使固定圆盘圆周上的孔与中心的通孔形成气流通路，采样空气在抽气泵的抽吸下流过进气口、滤膜夹具、气体流量计、一组采样瓶、气流切换器、过滤筒、抽气泵，从而实现采样目的。低速微型电机定时驱动活动园盘转动到不同的位置，即可使采样空气流过不同的采样瓶，实现连续自动采样的目的。活动园盘的转动信号转送给自动控制器，由自动控制器确定低速微型电机的转动角度，以达到气流切换的目的。

为本采样器设计的自动控制器可自动计量采样时间，气体流量，显示与打印每天的计量结果，并控制抽气泵和气流切换器。它由两片微处理器构成，采用并行处理方式，其中一片速度快，运算功能强，用于测量瞬时流量和累积流量，并控制打印机。另一片功耗极低，用于进行日期和时间计算，同时控制抽气泵，气流切换器，键盘和液晶显示器，当仪器正常工作时，双机并行运行。当外部交流电源停电时，自动控制器由后备充电电池供电，为降低电池消耗，使其工作较长时间，由微功耗微处理器进行电源监测和人机对话。同时切断液晶显示器电源，使整机电流消耗降低到十微安数量级。

气体流量计是在燃气流量计上增加电子传感器而构成的，在燃气流量计的转子上安装黑白相间的条纹片，再用红外线发射和接收装置对准转子，由于黑白条纹的光反射系数不同，当气流通过，转子转动时，红外线接收器的输出一系列电脉冲信号，脉冲的时间宽度与气流流速成正比关系。测量脉冲宽度即可测出气体流过的瞬时流量。计数脉冲个数，即可测量到气体的累积流量或体积。

采样瓶为上部有进出口的平底磨口瓶，由于所有的采样瓶(不论是否正在采样)其进口均与进气口相通，为防止采样瓶内溶液倒吸或蒸发，在每支气管出口处和采样瓶进口装有防止溶液倒吸的两级止回阀。滤膜夹具由上下两个滤膜盒构成，滤膜片放在两个滤膜盒中间，以便滤去空气中的灰尘。

本实用新型的优点是：

1.整个系统一经开启，除每一个周期(如八天)更换一次吸收溶液及滤膜外，无需专人管理，提高了采样代表性，减少了监测人力和成本，符合国家环保局新的《标准》和《规范》的要求。

2.可对空气中二氧化硫、氮氧化物和PM₁₀/PM_2.5同时进行采样，节省监测人才财力。

下面结合附图和实施例对本实用新型做进一步说明：

图1为采样器内部结构图；

图2为采样器气路原理图；

图3为自动控制器电路图；

图4为采样器的气流切换器结构图；

图5为滤膜夹具结构图；

图6为带止回阀的采样瓶上玻璃两通管；

图7为带条纹带和红外线发射和接收装置的气体流量计结构示意图。

图中  1.进气口  2.气体流量计  3.集气器  4.滤膜夹具5.采样瓶  6.三通  7.气流切换器  8.过滤筒          9.抽气泵  10.消声筒  11.中心通孔   12.管路   13.开有孔的固定圆盘  14.气孔  15.开有槽的活动圆盘  16.槽  17.弹簧  18.电机19.两通管  20.止回阀  21.上滤膜盒  22.滤膜片  23.下滤膜盒24.条纹片  25.红外线发射和接收装置

实施例：

如图1和图2所示，本自动连续采样器内有八套采样瓶和滤膜夹具，其中八只用于采集二氧化硫和PM₁₀/PM_2.5，另八只用于采集氮氧化物。进气口1经三通连接采样器内部的两只气体流量计，再经由两只八通集气器3与两组共十六个采样瓶6和滤膜夹具4相连，每组两只采样瓶的出口经由三通两路合一后分别与气流切换器7的固定圆盘圆周上的八个气孔14相连。气流切换器固定圆盘中心通孔11则经过管路连接过滤筒8、抽气泵9、消声筒10。如图4所示，气流切换器由开有槽的活动圆盘15与周围均匀开有气孔的固定圆盘13和电机18组成，固定圆盘中心还设有通孔，活动圆盘15的槽16设计为可导通固定圆盘13的中心通孔11与周围的一个气孔14的长度，固定圆盘周围的气孔14分别连接采样瓶5的管路，活动圆盘的通孔11则与过滤筒8相连。

采样瓶5采用上部有进出口的平底磨口瓶，在采样瓶进口装有防止溶液倒吸的止回阀26，如图6中所示。

滤膜夹具4由上下两个滤膜盒21、23构成，滤膜片22放在两个滤膜盒21、23中间，以便滤去空气中的灰尘，如图5所示。

自动控制器的电路如图3所示，两片微处理机型片分别为AT89C2051和PIC16C57，采用并行处理方式工作，AT89C2051速度快，运算功能强，用于测量瞬时流量和累积流量，并控制打印机；PIC16C57功耗极低，用于进行日期，时间计算，同时控制抽气泵，气流切换器，键盘和液晶显示器。当仪器正常工作时，双机并行运行。当外部交流电源停电时，自动控制器由后备充电电池供电，为降低电池消耗，使其工作较长时间，由微功耗微处理器进行电源监测和人机对话。同时切断液晶显示器电源，使整机电流消耗降低到十微安数量级。当操作员按下键盘后，立即命令启动液晶显示器，以完成操作员需要的显示、打印，设定等功能，一俟操作员结束工作后在1分钟之间未再进行按键，重新命令另一片微处理器停止工作，并切断液晶显示器的电源。当外部电源恢复时，命令另一片微处理器启动，使仪器开始正常采样流程，在停电期间仍将进行时间，日期计算，每当时间越过凌晨0点0分时，如外部电源仍中断，则自动记录气流切换器应转动的角度，当外部电源恢复时，立即进行切换。

气体流量测量计是在民用燃气流量计上增加电子传感器而构成，如图7所示，在民用燃气流量计的转子上安装黑白相间的条纹片24，再用红外线发射和接收装置25对准转子，由于黑白条纹的光反射系数不同，当气流通过，转子转动时，红外线接收器的输出一系列电脉冲信号，由AT89C2051以十微秒的时基计量脉冲的时间宽度，在据此算出空气瞬时流量。同时由AT89C2051计数脉冲个数，算出空气的累积流量或体积。自动控制器控制一个面板式微型打印机，可打印任一天或连续七天的采样记录，每个采样记录包括采样日期，打印时间，采样瓶号，实际采样时间和采集的气体积。微型打印机仅在需打印时才接通电源，以降低功耗。自动控制器通过继电器控制抽气泵，可通过键盘指定采样启动时间。

本仪器可同时连续数月采集空气中二氧化硫、氮氧化物和PM₁₀/PM_2.5，每更换一次吸收液和滤膜片，仪器便可自动连续采样七天，每采24小时后(定为每日零时零分时)，自动控制器控制气流切换器按规定程序，由低速微型电机驱动，切换到下一组采样瓶和滤膜夹具进行采样，一周后采完七个样品，第八个采样瓶和滤膜夹具开始采样时，更换前七个采样瓶的吸收液和滤膜，换下的吸收液和滤膜用于进行二氧化硫、氮氧化物和PM₁₀/PM_2.5的测定。自动控制器由市电和后备电池复合供电，键盘和液晶数码显示器作为人机界面。后备电池采用可充电电池，在浮动充电方式下工作，以保证电池在市电供电时始终是充满的。为延长电池连续供电时间，单片微处理机在低时钟频率下工作。通过键盘可进行北京时间校正，年月日校正，指定起始采样瓶号。

Claims (6)

1.一种智能型环境空气自动连续采样器，它包括进气口(1)、抽气泵(9)、采样瓶(5)、集气器(3)、气体流量计(2)以及相匹配的管路，其特征在于它还设有气流切换器(7)、滤膜夹具(4)和自动控制器；进气口(1)经三通连接采样器内部的气体流量计(2)，再经由集气器(3)、滤膜夹具(4)与采样瓶(5)相连，每组采样瓶(5)的出口合为一路分别与气流切换器(6)相连，气流切换器(6)的管路连接过滤筒(8)，过滤筒接抽气泵(9)。

2.根据权利要求1所述的一种智能型环境空气自动连续采样器，其特征在于自动控制器由两片微处理器构成，采用并行处理方式，一片接口线路连接气体流量计(2)和打印机，另一片接口线路连接抽气泵(9)、气流切换器(6)、键盘和液晶显示器。

3.根据权利要求2所述的一种智能型环境空气自动连续采样器，其特征在于气流切换器由开有槽的活动圆盘(15)与周围均匀开有气孔的固定圆盘(13)和电机(18)组成，固定圆盘中心还设有通孔，活动圆盘(15)的槽(16)设计为可导通固定圆盘(13)的中心通孔(11)与周围的一个气孔(14)的长度，固定圆盘周围的气孔(14)分别连接采样瓶(5)的管路，活动圆盘的通孔(11)则与过滤筒(8)相连。

4.根据权利要求3所述的一种智能型环境空气自动连续采样器，其特征在于采样瓶(5)采用上部有进出口的平底磨口瓶，在采样瓶两通管(19)内装有防止溶液倒吸的液体浮力式止回阀(20)；滤膜夹具(4)由上、下两个滤膜盒(21、23)构成，滤膜片(22)放在两个滤膜盒(21、23)中间。

5.根据权利要求1或2或3或4所述的一种智能型环境空气自动连续采样器，其特征在于气体流量计由一般民用燃气计量表改造而成，在燃气流量计转子上，附加有黑白条纹带(24)，一红外线发射和接收装置(25)对准转子。

6.根据权利要求5所述的一种智能型环境空气自动连续采样器，其特征在于采样瓶(5)和滤膜夹具(4)分别配置二套、四套、八套或十六套，其中一半用于采集二氧化硫，另一半用于采集氮氧化物。

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