CN102221483B

CN102221483B - 一种单颗粒采样器

Info

Publication number: CN102221483B
Application number: CN 201110146407
Authority: CN
Inventors: 李卫军; 章琦; 韩明利; 崔逸如; 周深圳
Original assignee: Shandong University
Current assignee: Qingdao Genstar Electronic Technology Co Ltd
Priority date: 2011-06-01
Filing date: 2011-06-01
Publication date: 2013-03-20
Anticipated expiration: 2031-06-01
Also published as: CN102221483A

Abstract

本发明涉及一种单颗粒采样器，包括进气口、采样头、气泵、流量计和出气口；进气口通过通气管与采样头的进气嘴相连通，出气口通过通气管与采样头的出气嘴相连通，在通气管上安装有流量计；出气口与气泵相连通；其特征在于，所述的采样头为单颗粒采样头，包括进气嘴、出气嘴、加速腔、采集腔和样品台，其中进气嘴与加速腔的上端密封相连，出气嘴与采集腔的下端密封相连，加速腔与采集腔通过孔相连通，所述的加速腔为漏斗形，在采集腔内有样品台，样品台的上端面上设置有采样膜。采用本发明对大气的单颗粒进行采集，具有采样时间短、便于携带和操作简单和独立直流供电等优点。

Description

一种单颗粒采样器

技术领域

本发明涉及一种单颗粒采样器，属于环境分析和大气采样技术领域。

背景技术

目前，在国内大气采样和常规监测领域几乎全部都是整体样品收集的方法来获得颗粒物的质量浓度和数量浓度。随着大气气溶胶混合状态对气候及健康的影响，对大气单颗粒的认识在大气科学领域的地位日趋重要。研究报告已表明，大气单颗粒如硫酸盐、有机颗粒物、重金属颗粒和烟尘(也称为黑碳)等相互混合成为内部混合颗粒，其对气候和人类健康的影响日趋增加。然而，国内还没有针对单颗粒进行采样的设备报道。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种单颗粒采样器，其具有采样时间短、方便携带、操作简单和不受电源限制等优点。

名词解释：

单颗粒：是指大气中单个气溶胶颗粒，它通常使用透射电镜和扫描电镜的方法来观察单个气溶胶颗粒物的物理和化学特性。

单颗粒采样：通过单颗粒采样器，在一定的时间和流量范围内采样气溶胶颗粒到采样膜表面，这样能保证的大气中颗粒物能够均匀并且独立地分散在膜表面。

本发明的技术方案如下：

一种单颗粒采样器，包括进气口、采样头、气泵、流量计和出气口；进气口通过通气管与采样头的进气嘴相连通，出气口通过通气管与采样头的出气嘴相连通，在通气管上安装有流量计；出气口与气泵相连通；其特征在于，所述的采样头为单颗粒采样头，包括进气嘴、出气嘴、加速腔、采集腔和样品台，其中进气嘴与加速腔的上端通过密封圈相连，出气嘴与采集腔的下端通过密封圈相连，加速腔与采集腔通过采样器切割孔径相连通，所述的加速腔为漏斗形，在采集腔内有样品台与采样器切割孔径相对，样品台的上端面上设置有采样膜。本发明采样器中的加速腔为漏斗形，该技术特点的优点在于：采样气体通过进气嘴进入加速腔，由于加速腔的上端和下端内径相差15倍左右，所以气体到达采样膜的流速度为进气口处流速的二百倍左右，高速的气流打在采样膜上，有利于颗粒富集于采样膜上。

所述的单颗粒采样头的数量为1-10个。

所述的采样器切割孔径的直径为0.5mm-1mm，采集腔内有样品台与采样器切割孔径之间的距离为2mm-4mm。当采样器切割孔径越大(大于0.5mm)时，采样器对气溶胶颗粒的切割粒径就越大，这样不利于分析大气中粒径较小的气溶胶颗粒。气采样器切割孔径小于0.5mm时，采样腔内会造成过大压力，使得本采样器无法运行。

以下是通过实际测定获得的在不同孔径条件下对气溶胶颗粒采集的切割粒径，如表1，假设空气中气溶胶密度ρ＝2g/m³，气体流速为1L/min：

表1

采样器切割孔径(mm)	采集到的单颗粒的切割粒径(d₅₀)
		0.5	0.33μm
0.8	0.67μm
		1.2	1.24μm
1.6	1.90μm
		2.0	2.66μm

对比结论：当采样器切割孔径越大(大于0.5mm)时，采样器对气溶胶颗粒的切割粒径就越大，这样不利于分析大气中粒径较小的气溶胶颗粒。气采样器切割孔径小于0.5mm时，采样腔内会造成过大压力，使得本采样器无法运行。

所述的加速腔的高为15-20mm，加速腔的上端内径为6.5-10mm。加速腔的上端内径是气采样器切割孔径的13-17倍，使采样气体进入加速腔后经过变径后流速增加。

所述的样品台，包括上圆台和下圆台，所述上圆台的直径大于采样器切割孔径直径且小于采集腔的内径，所述上圆台直径小于下圆台的直径，所述下圆台上均匀设置有4个或大于4个贯通的通气孔，所述通气孔与出气嘴相连通。在下圆台上均匀设置有多个通气孔的优点在于：经过变径后的高速气流打在采样膜上后，多余的气流会沿通气孔流出。

所述的气泵中的电机与电源开关、指示灯和直流电源串联。此处采用低压直流电源为气泵供电，使本发明便于携带、易操作，而且不受电源限制影响。

所述的通气管上安装有开关阀。此处设计的优点在于，可以根据检测的需要开启或关闭使用单颗粒采样头，使本发明的适用范围更为广泛。

本发明的优势：

1、采用本发明对大气的单颗粒进行采集，具有采样时间短、便于携带和操作简单和独立直流供电等优点；

2、本发明多通道对单颗粒进行采样，能够实现在此城市污染和无人的背景干净的大气环境条件下采集多个样品。

3、本发明的加速腔为漏斗形，可最大限度的收集到大气中单颗粒。

4、本发明用途广泛，投资少，设备简单，运用便捷，可用于日常采样，气溶胶科学研究采样，以及高空作业收集样品等。

5、多通道单颗粒采样头轮流工作，不但增大样本容量，而且提高精确度，最大限度提升采集效率。

附图说明

图1是本发明实施例4的结构示意图；

图2是本发明中单颗粒采样头的纵向剖视图；

图1和图2中，1、进气嘴；2、出气嘴；3、加速腔；4、采集腔；5、采样器切割孔径；6、样品台的上圆台；7、样品台的下圆台；8、采样膜；9、通气孔；10、进气口；11、通气管；12、出气口；13、气泵；14、开关阀；15、直流电源；16、指示灯；17、电源开关；18、流量计；19、采集头侧壁；20、密封圈；21、单颗粒采样头。

具体实施方式

下面结合实施例和说明书附图对本发明做详细地说明，但不限于此。

实施例1、

一种单颗粒采样器，包括进气口10、采样头21、气泵13、流量计18和出气口12；进气口10通过通气管11与采样头的进气嘴1相连通，出气口12通过通气管11与采样头的出气嘴2相连通，在通气管11上安装有流量计18；出气口12与气泵13相连通；其特征在于，所述的采样头为单颗粒采样头21，包括进气嘴1、出气嘴2、加速腔3、采集腔4和样品台，其中进气嘴1与加速腔3的上端通过密封圈20相连，出气嘴2与采集腔4的下端通过密封圈20相连，加速腔3与采集腔4通过采样器切割孔径5相连通，所述的加速腔3为漏斗形，在采集腔4内有样品台与采样器切割孔径5相对，采集腔内有样品台与采样器切割孔径之间的距离为2mm-4mm，样品台的上端面上设置有采样膜8(所述的采样膜为电镜铜网，产于北京新兴百瑞技术有限公司)。

所述的单颗粒采样头21的数量为1个。

所述的采样器切割孔径5的直径为0.5mm。

所述的加速腔3的高为17mm(请补充一个具体的优选尺寸)，加速腔的上端内径为7.5mm。加速腔的上端内径是气采样器切割孔径的15倍，使采样气体进入加速腔后经过变径后流速增加。

所述的样品台，包括上圆台6和下圆台7，所述上圆台6的直径大于采样器切割孔径5直径且小于采集腔4的内径，所述上圆台6直径小于下圆台7的直径，所述下圆台7上均匀设置有4个贯通的通气孔9，所述通气孔9与出气嘴2相连通。

所述的气泵13中的电机与电源开关17、指示灯和直流电源15串联。所述的直流电源15为电压值为6V的干电池。

所述的通气管11上安装有开关阀14：在进气口10与每个单颗粒采样头21之间的通气管11上分别安装有开关阀14；在出气口12与每个单颗粒采样头21之间的通气管11上分别安装有开关阀14。

工作原理：

1、确定采样器切割孔径的原理

根据理论公式：

d_{50} = \sqrt{\frac{9 ηW}{ρ_{p} C_{c} U}} \sqrt{{Stk}_{50}}

U = \frac{Q}{π} \times {(\frac{W}{2})}^{2} - - - (1)

公式(1)中，U＝进气口10的气样初速度；W＝采样器切割孔径5的直径；Q＝通气管11内气体流量；C_C＝滑溜修正。

本发明采用如下参数：

气溶胶密度为ρ＝2g/m³

气体流速设定在Q＝1L/min

η＝1.81e-5；W＝0.5mm；Cc＝1

通过以上给出参数可以计算获得此种采样器切割气溶胶在50％时的粒径为0.33μm，符合对大气单颗粒的采集。

如果想提高采样器切割气溶胶的程度，可以提高采样器流量(Q范围在0～2L/min)。

2、本发明的采样过程如下：

采样气体由进气口10、通气管11进入加速腔2。由于加速腔2为漏斗形，采样气体到达采样膜8处的流速为进气口10处气体流速的二百倍左右。高速的采样气流打在采样膜8上，使单颗粒富集于采样膜8上，其余气体沿下圆台7上的通气孔9、出气嘴2、出气口12和气泵13排出。进而完成一次对大气单颗粒的采样。

实施例2、

如实施例1所述的一种单颗粒采样器，其区别在于，所述的单颗粒采样头的数量为2个；采样器切割孔径的直径为0.5mm。

所述的加速腔的高为15mm，加速腔的上端内径为6.5mm。加速腔的上端内径是其下端内径的13倍。

实施例3、

所述的一种单颗粒采样器，其区别在于，所述的单颗粒采样头的数量为3个；采样器切割孔径的直径为0.5mm。

所述的加速腔的高为17mm，加速腔的上端内径为8mm，加速腔的上端内径是其下端内径的16倍。

实施例4、

所述的一种单颗粒采样器，其区别在于，所述的单颗粒采样头的数量为4个；采样器切割孔径的直径为1.0mm。

所述的加速腔的高为20mm，加速腔的上端内径为6.5mm，加速腔的上端内径是其下端内径的6.5倍。

实施例5、

所述的一种单颗粒采样器，其区别在于，所述的单颗粒采样头的数量为5个；采样器切割孔径的直径为1.0mm。

所述的加速腔的高为20mm，加速腔的上端内径为8mm，加速腔的上端内径是其下端内径的8倍。

实施例6、

所述的一种单颗粒采样器，其区别在于，所述的单颗粒采样头的数量为6个；采样器切割孔径的直径为2.0mm。

所述的加速腔的高为17mm，加速腔的上端内径为6.5mm，加速腔的上端内径是其下端内径的3.25倍。

Claims

1.一种单颗粒采样器，包括进气口、采样头、气泵、流量计和出气口；进气口通过通气管与采样头的进气嘴相连通，出气口通过通气管与采样头的出气嘴相连通，在与出气口相连通的通气管上安装有流量计；出气口与气泵相连通；其特征在于，所述的采样头为单颗粒采样头，包括进气嘴、出气嘴、加速腔、采集腔和样品台，其中进气嘴与加速腔的上端通过密封圈相连，出气嘴与采集腔的下端通过密封圈相连，加速腔与采集腔通过采样器切割孔相连通，所述的加速腔为漏斗形，在采集腔内有样品台与采样器切割孔相对，采集腔内有样品台与采样器切割孔之间的距离为2mm-4mm，样品台的上端面上设置有采样膜。

2.如权利要求1所述的单颗粒采样器，其特征在于，所述的采样器切割孔的直径为0.5mm-1mm。

3.如权利要求1所述的单颗粒采样器，其特征在于，所述的加速腔的高为15-20mm，加速腔的上端内径为6.5-10mm。

4.如权利要求1所述的单颗粒采样器，其特征在于，所述的样品台，包括上圆台和下圆台，所述上圆台的直径大于采样器切割孔径直径且小于采集腔的内径，所述上圆台直径小于下圆台的直径，所述下圆台上均匀设置有4个或大于4个贯通的通气孔，所述通气孔与出气嘴相连通。

5.如权利要求1所述的单颗粒采样器，其特征在于，所述的气泵中的电机与电源开关、指示灯和直流电源串联。

6.如权利要求1所述的单颗粒采样器，其特征在于，所述的与出气口相连的通气管和与进气口相连的通气管上分别安装有开关阀。