大氣垂直分布化學(xué)顆粒采集裝置及其采樣方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種大氣垂直分布化學(xué)顆粒采集裝置及其采樣方法。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，人們對(duì)大氣中顆?；瘜W(xué)組成和結(jié)構(gòu)及漂移研究越來(lái)越重視。大氣中氣溶膠是典型的大氣累積性的復(fù)合污染形態(tài)。氣溶膠的復(fù)合污染作用超過(guò)傳統(tǒng)的大氣污染物，日益成為表征城市大氣污染的首要指標(biāo)。剖析大氣氣溶膠的組成與來(lái)源、對(duì)治理城市大氣污染有積極意義。在影響大氣能見度的粒子中，其中PM-2.5占有極其重要的主導(dǎo)地位。由于PM-2.5的原因，有的城市能見度只有天然能見度的30%。PM-2.5由直接排入空氣中的一次微粒和空氣中的氣態(tài)污染物通過(guò)化學(xué)轉(zhuǎn)化生成的二次微粒組成。一次微粒主要由塵土性微粒和由植物和礦物燃料燃燒產(chǎn)生的碳黑(有機(jī)碳)粒子兩大類組成。二次微粒主要由硫酸銨和硝酸銨(由大氣中的302和勵(lì)5(與順3反應(yīng)生成)組成，其形成的主要過(guò)程是大氣中的一次氣態(tài)污染物SOjP NO )(通過(guò)均相或非均相的氧化形成酸性氣溶膠，再和大氣中唯一的偏堿性氣體冊(cè)13反應(yīng)生成硫酸銨(亞硫酸銨)和硝酸銨氣溶膠粒子。大氣中的水滴為這些化學(xué)轉(zhuǎn)化過(guò)程提供了重要的前提條件。硫酸銨和硝酸銨是水溶性鹽類，在水中的溶解度均較高。所以，大氣中的水滴就易成為二次污染物在1000M以下低空不斷累積的重要媒介。主要取決于污染源特征和氣象、氣侯特征。所以一次粒子的比例較高在一次微粒中，塵土性微粒主要來(lái)源于道路、建筑和農(nóng)業(yè)產(chǎn)生的揚(yáng)塵；碳黑粒子主要來(lái)源于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)汽車、鍋爐、廢物焚燒、露天燒烤、火燒秸桿和居民燒柴等。研究表明空氣顆粒物在不同天氣狀況下以及垂直方向上的變化規(guī)律，結(jié)果表明，(I)在O?56m之間，TSP、PMlO隨高度增加而減小，56?116m之間隨高度增加而增大。低空中的PM2.5、PM1相差不大，而10m以上高空中的PM2.5、PM1污染程度明顯大于地面。天氣條件影響顆粒物污染程度。晴天和大風(fēng)天顆粒物的污染相對(duì)較輕，陰天時(shí)污染最重。
[0003]目前國(guó)外開展這方面研究，是采用在地面使用儀器集成進(jìn)行采樣分析，其主要問(wèn)題是受到設(shè)備體積大、比較重(由于在高空上升高度和體積、重量有關(guān)系)、蓄電池供電時(shí)間短的限制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的，是要提供一種大氣垂直分布化學(xué)顆粒采集裝置及其采樣方法，它具有體積小，低功耗，集成度高的優(yōu)點(diǎn)。由升降飛艇保持勻速上升和下降，采樣裝置根據(jù)設(shè)定層次和高度范圍自動(dòng)控制吸氣泵開始工作，多通道轉(zhuǎn)換閥定位到設(shè)定不同層采樣膜的位置，采樣結(jié)束后，濾膜在實(shí)驗(yàn)室分析得出不同高度顆粒物成分、形態(tài)等結(jié)果。
[0005]本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的，所述大氣垂直分布化學(xué)顆粒采集裝置，它包括升空載體、監(jiān)測(cè)儀器，所述監(jiān)測(cè)儀器是:與多通道轉(zhuǎn)換閥相連接的若干個(gè)采樣筒，所述采樣筒由設(shè)有若干層濾膜的濾膜底座、固定架、上端連接件、筒體、下端連接件、帶有進(jìn)氣口的切割頭順序套接而成；所述多通道轉(zhuǎn)換閥還與采樣邏輯控制電路相連接；所述濾膜底座上的吸氣口經(jīng)管路與真空氣泵相連接。
[0006]本發(fā)明所述采樣邏輯控制電路包括垂直高度邏輯控制模塊、高度傳感器、多參數(shù)記錄存儲(chǔ)器、累計(jì)計(jì)時(shí)電路的電連接。
[0007]本發(fā)明所述濾膜底座內(nèi)間隔設(shè)兩層濾膜；所述采集裝置底部連接帶有時(shí)序控制電路的電動(dòng)卷?yè)P(yáng)機(jī)；所述升空載體使用3— 5立方飛艇。
[0008]用本發(fā)明所述大氣垂直分布化學(xué)顆粒采集裝置進(jìn)行采樣的方法:將監(jiān)測(cè)儀器固定在飛艇下方，采樣筒進(jìn)氣口朝下；采樣邏輯控制電路打開對(duì)應(yīng)多通道轉(zhuǎn)換閥，采樣筒進(jìn)行氣體采樣；大氣中化學(xué)顆粒物通過(guò)采樣筒上帶有進(jìn)氣口的切割頭過(guò)濾，符合條件顆粒進(jìn)入筒體，并富集在設(shè)于濾膜底座的濾膜上；當(dāng)真空氣泵開始工作時(shí)，與其對(duì)應(yīng)的累計(jì)計(jì)時(shí)電路記錄時(shí)間，并將實(shí)時(shí)測(cè)量氣象參數(shù)記錄到多參數(shù)記錄存儲(chǔ)器；上升和下降由帶有時(shí)序控制電路的電動(dòng)卷?yè)P(yáng)機(jī)進(jìn)行全程控制；自動(dòng)完成采樣。
[0009]本發(fā)明的有益效果是，可以方便獲得大氣邊界層大氣化學(xué)顆粒垂直分布顆粒物變化、各層分布含量。采用邏輯分析控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)智能控制全過(guò)程采樣，極大簡(jiǎn)化了采樣裝置的結(jié)構(gòu)和操作。
【附圖說(shuō)明】
[0010]圖1為本發(fā)明示意圖。
[0011]圖2為本發(fā)明所述監(jiān)測(cè)儀器示意圖。
[0012]圖3為本發(fā)明所述采樣筒主視圖。
[0013]圖4為圖3的右視圖。
[0014]圖5為圖3的左視圖。
[0015]圖6為圖3的剖示圖A-A。
[0016]圖7為本發(fā)明所述采樣筒的分散圖。
[0017]圖8為本發(fā)明所述監(jiān)測(cè)儀器方框圖。
[0018]圖中:1.飛艇，2.監(jiān)測(cè)儀器，3.多通道轉(zhuǎn)換閥，4.氣體連接管路，5.采樣筒，6.濾膜底座，7.固定架，8.上端連接件，9.筒體，10.下端連接件，11.進(jìn)氣口，12.切割頭，13.吸氣口，14.真空氣泵，15.電動(dòng)卷?yè)P(yáng)機(jī)，16.太陽(yáng)能板，17.程控信號(hào)線。
【具體實(shí)施方式】
[0019]本發(fā)明所述大氣垂直分布化學(xué)顆粒采集裝置，如圖1一8所示，它包括升空飛艇1、監(jiān)測(cè)儀器2，所述監(jiān)測(cè)儀器2是:與多通道轉(zhuǎn)換閥3相連接的四個(gè)采樣筒5，所述采樣筒5由設(shè)有兩層濾膜的濾膜底座6、固定架7、上端連接件8、筒體9、下端連接件10、帶有進(jìn)氣口 11的切割頭12順序套接而成；所述多通道轉(zhuǎn)換閥3還與采樣邏輯控制電路相連接；所述濾膜底座6上的吸氣口 13經(jīng)氣體連接管路4與真空氣泵14相連接。本發(fā)明所述采樣邏輯控制電路包括垂直高度邏輯控制模塊、高度傳感器、多參數(shù)記錄存儲(chǔ)器、累計(jì)計(jì)時(shí)電路的電連接。所述采集裝置底部連接帶有時(shí)序控制電路的電動(dòng)卷?yè)P(yáng)機(jī)15 ;所述升空載體使用3— 5立方飛艇。圖1中還標(biāo)有太陽(yáng)能板16。圖2中還標(biāo)有程控信號(hào)線17，程控信號(hào)線連接采樣邏輯控制電路。
[0020]本發(fā)明所述大氣垂直分布化學(xué)顆粒采集裝置采樣方法，其步驟如下: (I)將監(jiān)測(cè)裝置支架懸掛固定安裝在飛艇下方位置，在監(jiān)測(cè)裝置底部連接電動(dòng)卷?yè)P(yáng)機(jī)，可以根據(jù)需要保存低速上升和下降。
[0021](2)采樣邏輯控制電路設(shè)置垂直采樣范圍區(qū)間和層次參數(shù)，飛艇上升和下降過(guò)程中，多通道轉(zhuǎn)換閥受采樣邏輯控制電路的控制自動(dòng)轉(zhuǎn)換到設(shè)置對(duì)應(yīng)采樣筒進(jìn)行采樣，這時(shí)真空氣泵連接通過(guò)多通道路轉(zhuǎn)換閥轉(zhuǎn)換到對(duì)應(yīng)位置的氣路，對(duì)選中采樣筒進(jìn)行采樣，同時(shí)記錄累計(jì)工作時(shí)間，一般加掛四個(gè)采樣筒，也可以加掛六個(gè)或八個(gè)采樣筒。
[0022](3)通過(guò)懸掛在監(jiān)測(cè)裝置下方，氣體通過(guò)顆粒切割頭(PM2.5、PM10、TSP)進(jìn)入采樣筒內(nèi)，根據(jù)需要安放不同濾膜兩層在濾膜底座上。通過(guò)濾膜的采樣氣體，其最大流量達(dá)到26ml3/s。
[0023](4)采樣過(guò)程中由多參數(shù)記錄存儲(chǔ)器實(shí)時(shí)記錄氣象參數(shù)的溫濕度、氣壓、風(fēng)速及高度變化軌跡。
[0024]本發(fā)明所述采樣筒設(shè)計(jì)為倒立方式，可以用于遮擋雨水防止吸入采樣筒內(nèi)，采樣筒進(jìn)氣口可更換進(jìn)氣切割頭方式選擇通過(guò)濾膜底座進(jìn)氣顆粒大小。
[0025]本發(fā)明所述兩個(gè)采樣濾膜固定在濾膜底座上，濾膜底座是網(wǎng)狀，采樣氣體可以順暢通過(guò)進(jìn)入下一個(gè)采樣濾膜，大氣中的化學(xué)顆粒物被收集在濾膜上。在飛艇上升和下降過(guò)程中，采樣邏輯控制電路根據(jù)設(shè)定采樣高度區(qū)間，控制多通道轉(zhuǎn)換閥轉(zhuǎn)換到對(duì)應(yīng)位置的氣體連接管路4，氣體連接管路4經(jīng)多通道轉(zhuǎn)換閥3連接到真空氣泵14。一般根據(jù)設(shè)定高度區(qū)間分為四個(gè)范圍(安裝四個(gè)采樣筒)，到指定區(qū)間就打開對(duì)應(yīng)采樣筒進(jìn)行采樣工作。多參數(shù)記錄存儲(chǔ)器記錄每個(gè)采樣筒累計(jì)工作時(shí)間，同時(shí)記錄溫濕度、壓力、風(fēng)速及高度信息。
[0026]本發(fā)明所述化學(xué)顆粒物采樣筒5，大氣采樣化學(xué)顆粒經(jīng)過(guò)切割頭12粒徑選擇后，符合條件進(jìn)入采樣筒簡(jiǎn)體9內(nèi)，筒體9內(nèi)可以根據(jù)需要選擇安放過(guò)濾器，進(jìn)行有限制通過(guò)所需要的顆粒進(jìn)入下一級(jí)濾膜進(jìn)行收集，也可以不在筒體內(nèi)安放過(guò)濾器，直接采集大氣化學(xué)顆粒到濾膜底座上。第二級(jí)采樣濾膜是根據(jù)所關(guān)注的成分進(jìn)行進(jìn)一步補(bǔ)充采樣。
[0027]本發(fā)明所述的采樣邏輯控制電路，主要負(fù)責(zé)檢測(cè)采樣高度變化區(qū)間，控制對(duì)應(yīng)采樣筒工作。同時(shí)控制多通道轉(zhuǎn)換閥達(dá)到對(duì)應(yīng)采樣筒采樣，并控制累計(jì)計(jì)時(shí)電路工作狀態(tài)，將控制信息和變化值，傳輸?shù)蕉鄥?shù)記錄存儲(chǔ)器，連同氣象參數(shù)一起記錄在多參數(shù)記錄存儲(chǔ)器中。
[0028]本發(fā)明所述的大氣垂直分布化學(xué)顆粒采集裝置，載體飛艇的上升和下降由帶有時(shí)序控制電路的電動(dòng)卷?yè)P(yáng)機(jī)控制上升和下降的速度和停留全部過(guò)程。
[0029]本發(fā)明所述采樣裝置電源采用太陽(yáng)能輔助充電，用于延長(zhǎng)內(nèi)部鋰電池供電時(shí)間。太陽(yáng)能電池板安放在飛艇上方，平鋪展開，盡可能大的面積，增強(qiáng)供電能力。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.大氣垂直分布化學(xué)顆粒采集裝置，它包括升空載體、監(jiān)測(cè)儀器，其特征為:所述監(jiān)測(cè)儀器是:與多通道轉(zhuǎn)換閥相連接的若干個(gè)采樣筒，所述采樣筒由筒體、兩層濾膜的濾膜底座、固定架、上端連接件、筒體、下端連接件、帶有進(jìn)氣口的大氣顆粒物進(jìn)氣口的切割頭順序套接而成；所述多通道轉(zhuǎn)換閥還與采樣邏輯控制電路相連接；所述濾膜底座上的吸氣口經(jīng)管路與真空氣泵相連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述大氣垂直分布化學(xué)顆粒采集裝置，其特征是:所述采樣邏輯控制電路包括垂直高度邏輯控制模塊、高度傳感器、多參數(shù)記錄存儲(chǔ)器、累計(jì)計(jì)時(shí)電路的電連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述大氣垂直分布化學(xué)顆粒采集裝置，其特征是:所述濾膜底座內(nèi)間隔設(shè)兩層濾膜；所述采集裝置底部連接帶有時(shí)序控制電路的電動(dòng)卷?yè)P(yáng)機(jī)；所述升空載體使用3— 5立方飛艇。
4.用權(quán)利要求1或2或3所述大氣垂直分布化學(xué)顆粒采集裝置進(jìn)行采樣的方法，其特征是:將監(jiān)測(cè)儀器固定在飛艇下方，采樣筒進(jìn)氣口朝下；采樣邏輯控制電路打開對(duì)應(yīng)多通道轉(zhuǎn)換閥，采樣筒進(jìn)行氣體采樣；大氣中化學(xué)顆粒物通過(guò)采樣筒上帶有進(jìn)氣口的切割頭過(guò)濾，符合條件顆粒進(jìn)入筒體，并富集在設(shè)于濾膜底座的濾膜上；當(dāng)真空氣泵開始工作時(shí)，與其對(duì)應(yīng)的累計(jì)計(jì)時(shí)電路記錄時(shí)間，并將實(shí)時(shí)測(cè)量氣象參數(shù)記錄到多參數(shù)記錄存儲(chǔ)器；上升和下降由帶有時(shí)序控制電路的電動(dòng)卷?yè)P(yáng)機(jī)進(jìn)行全程控制；自動(dòng)完成采樣。
【專利摘要】本發(fā)明所述大氣垂直分布化學(xué)顆粒采集裝置及其采樣方法，采集裝置包括升空載體、監(jiān)測(cè)儀器，所述監(jiān)測(cè)儀器是：與多通道轉(zhuǎn)換閥相連接的若干個(gè)采樣筒，所述采樣筒由設(shè)有若干層濾膜的濾膜底座、固定架、上端連接件、筒體、下端連接件、帶有進(jìn)氣口的切割頭順序套接而成；所述多通道轉(zhuǎn)換閥還與采樣邏輯控制電路相連接；所述濾膜底座上的吸氣口經(jīng)管路與真空氣泵相連接。采樣方法：將監(jiān)測(cè)儀器固定在飛艇下方，采樣邏輯控制電路打開對(duì)應(yīng)多通道轉(zhuǎn)換閥，采樣筒進(jìn)行氣體采樣。本發(fā)明可以方便獲得大氣邊界層大氣化學(xué)顆粒垂直分布顆粒物變化、各層分布含量。采用邏輯分析控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)智能控制全過(guò)程采樣，極大簡(jiǎn)化了采樣裝置的結(jié)構(gòu)和操作。
【IPC分類】G01N1-24
【公開號(hào)】CN104697826
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510141071
【發(fā)明人】李偉, 詹建瓊, 陳立奇, 張祥和
【申請(qǐng)人】國(guó)家海洋局第三海洋研究所
【公開日】2015年6月10日
【申請(qǐng)日】2015年3月30日