一种气溶胶分粒径进样系统

1.本发明涉及环境监测技术领域，具体涉及一种气溶胶分粒径进样系统。


背景技术：

2.pm1和pm
2.5
质量浓度和化学组分的准确测量是准确评估颗粒物污染状态、开展气溶胶颗粒物理化特性、辐射强迫、气候环境效应研究以及空气质量模式、气候模式等预报评估的重要前提。但最新研究表明，现有pm1和pm
2.5
质量浓度和化学组分观测手段会显著受到气溶胶吸湿增长的影响，特别是在高相对湿度地区。这是因为环境气溶胶颗粒物的测量，大多需要先将环境大气干燥以后再进行后续的测量，从而能够以干燥状态下气溶胶的物理化学特征作为统一标准来描述气溶胶的物理化学特性的变化。实际测量过程中，环境大气先通过pm1和pm
2.5
切割器以获得确定粒径范围内的颗粒物，再通过干燥管进行干燥，最后进入观测仪器进行相关测量。由于受到气溶胶吸湿增长的影响，真实环境中颗粒物的大小会随着相对湿度的增加粒径逐渐增大，当粒子吸湿增长到超过切割器能采样的最大粒径范围(1μm或2.5μm)时则无法通过采样头进入到仪器中被测量到从而造成切割粒径“偏移”，进而导致干状态下pm质量浓度和化学组分测量的低估。
3.切割粒径“偏移”的大小主要受到气溶胶吸湿性和环境相对湿度(rh)的双重影响。气溶胶吸湿性越强，环境rh越高，pm1和pm
2.5
切割器所采集的颗粒物在干燥状态下的粒径就越小。气溶胶吸湿性受到其化学组分的影响。环境rh存在明显的时空变化，从而导致切割粒径“偏移”的时空分布差异，进而造成pm质量浓度和化学组分测量偏差的程度在时空分布上的差异。比如华北平原年平均rh为50-60％之间，而沿海地区年平均则近80％。这说明，不同地区气溶胶吸湿增长对pm1和pm
2.5
的测量可能会造成显著不同的影响。这就使得在现有颗粒物切割采样方式中，干燥状态气溶胶颗粒物采样的粒径“上限”会随着rh的季节变化和区域变化而相应改变，从而影响到后端观测仪器能采集到的最大粒径范围，进而影响到pm质量浓度和化学组分测量的准确性及全国范围内的切割粒径统一性。
4.总之，现有气溶胶切割采样测量方式虽然保证了不同地区颗粒物质量浓度都是在干燥状态下进行比较的统一性，却无法保证干燥状态颗粒物切割粒径的一致性，从而可能造成系统性偏差，使得干状态下气溶胶颗粒物质量浓度和化学组分的年变化、季节变化、日变化等无法在同一标准下进行比较，气溶胶颗粒物质量浓度和化学组分的测量精度较差。


技术实现要素：

5.针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是：提供一种保证干燥状态颗粒物切割粒径的一致性，使气溶胶颗粒物质量浓度和化学组分的准确测量。
6.为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
7.一种气溶胶分粒径进样系统，包括多通道进气切换单元、一级切割单元、干燥单元、流量补充单元、二级多通道切换单元、二级切割单元和计算机控制模块；多通道进气切换单元和一级切割单元连接用以将环境空气进行不同方式的切割，多通道进气切换单元和
流量补充单元连接用以补充切割采样气体的流量，多通道进气切换单元和干燥单元连接用以干燥采样气体的湿度；干燥单元和二级多通道切换单元连接用以将干燥后的采样气体进行分流；二级多通道切换单元和二级切割单元连接用以将干燥后的采样气体进行不同方式的切割；多通道进气切换单元、流量补充单元和二级多通道切换单元均与计算机控制模块电性连接。
8.作为一种优选，多通道进气切换单元包括防尘防雨帽、第一温湿探头、第一气流汇合腔、第一主控电路和防雨通风箱体；一级切割单元包括第一切割头和第二切割头；第一切割头、第二切割头、第一温湿探头、第一气流汇合腔和第一主控电路均安装在防雨通风箱体；防尘防雨帽的数量为三个，三个防尘防雨帽均位于防雨通风箱体外，三个防尘防雨帽分别为第一防尘防雨帽、第二防尘防雨帽和第三防尘防雨帽；第一切割头通过管道与第一防尘防雨帽连接，第一切割头和第一防尘防雨帽之间设有第一电动球阀；第二切割头通过管道与第二防尘防雨帽连接，第二切割头和第二防尘防雨帽之间设有第二电动球阀；第一温湿探头通过管道与第三防尘防雨帽连接，第一温湿探头和第三防尘防雨帽之间设有第三电动球阀；第一切割头、第二切割头和第一温湿探头均通过管道与第一气流汇合腔连接；第一气流汇合腔通过管道与流量补充单元连接，第一气流汇合腔通过管道与干燥单元连接；第一电动球阀、第二电动球阀、第三电动球阀和第一温湿探头均与第一主控电路电性连接，第一主控电路与计算机控制模块电性连接。
9.作为一种优选，防水设备箱设有活动门，防水设备箱的两侧设有百叶板；防雨通风箱体内设有风扇，风扇与第一主控电路电性连接。
10.作为一种优选，流量补充单元包括流量控制器mfc和采样泵，流量控制器mfc通过三通接头与第一气流汇合腔连接，流量控制器mfc通过三通接头与干燥单元连接，流量控制器mfc通过管道与采样泵连接，流量控制器mfc与计算机控制模块电性连接。
11.作为一种优选，干燥单元包括干燥管支架和干燥管，干燥管的数量为两个，两个干燥管分别为第一干燥管和第二干燥管，第一干燥管和第二干燥管均安装在干燥管支架，第一干燥管和第二干燥管均通过管道与三通接头连接，第一干燥管和第二干燥管均通过管道与二级多通道切换单元连接。
12.作为一种优选，干燥管支架包括底板、塑胶脚垫、支撑杆、安装块和顶板；塑胶脚垫安装在底板的底部，支撑杆安装在底板的顶部，支撑杆竖直设置；顶板安装在支撑杆的顶端；安装块的数量为四块，四块安装块等间距安装在支撑杆，四块安装块位于顶板和底板之间；第一干燥管贯穿四块安装块，第一干燥管与四块安装块固定连接；第二干燥管贯穿四块安装块中的中间两块安装块；顶板设有单一过线孔和吊环牙孔，底板设有集中过线孔供管道穿过。
13.作为一种优选，二级多通道切换单元包括第二温湿探头、第四电动球阀、第五电动球阀、第六电动球阀、第二气流汇合腔和第二主控电路；第一干燥管和第二干燥管均通过管道与第二温湿探头连接，第四电动球阀、第五电动球阀和第六电动球阀均通过管道与第二温湿探头连接；第四电动球阀和第六电动球阀均通过管道与二级切割单元连接；第五电动球阀和二级切割单元均通过管道与第二气流汇合腔连接；第四电动球阀、第五电动球阀、第六电动球阀和第二温湿探头均与第二主控电路电性连接，第二主控电路与计算机控制模块电性连接。
14.作为一种优选，二级切割单元包括第三切割头和第四切割头，第三切割头通过管道和第四电动球阀连接，第四切割头通过管道和第六电动球阀连接，第三切割头和第四切割头均通过管道与第二气流汇合腔连接。
15.作为一种优选，防尘防雨帽内部安装有金属滤网。
16.作为一种优选，第一切割头和第二切割头分别采用pm1切割器和pm
2.5
切割器，第三切割头和第四切割头分别采用pm1切割器和pm
2.5
切割器。
17.总的说来，本发明具有如下优点：
18.本发明可以通过电动球阀与配套多个切割头之间的切换，实现不同气路和不同采样方式的测量。通过多通道进气切换单元中三个电动球阀的依次开启和关闭，实现环境气溶胶粗细颗粒物的区分测量。通过多通道进气切换单元、二级多通道切换单元、一级切割单元和二级切割单元的协同切换，既实现“先干燥后切割”的采样方式，避免了气溶胶吸湿增长对切割粒径的影响，保证了不同时间、不同地区切割粒径的统一，进而保证了气溶胶颗粒物质量浓度和化学组分的准确测量；又实现了“先切割后干燥”的采样方式，将这两种采样方式进行对比，可以对当前外场观测所使用的“先切割后干燥”这种采样方式所带来的误差进行量化和订正，从而可以准确测量气溶胶颗粒物质量浓度和化学组分。
附图说明
19.图1为一种气溶胶分粒径进样系统的示意图。
20.图2为干燥管支架的立体图。
21.其中，1为第一防尘防雨帽，2为第三防尘防雨帽，3为第二防尘防雨帽，4为第一电动球阀，5为第三电动球阀，6为第二电动球阀，7为第一主控电路，8为第一切割头，9为第二切割头，10为第一温湿探头，11为风扇，12为第一气流汇合腔，13为三通接头，14为流量控制器mfc，15为干燥管支架，16为第一干燥管，17为第二干燥管，18为采样泵，19为第二温湿探头，20为第二主控电路，21为第四电动球阀，22为第五电动球阀，23为第六电动球阀，24为第三切割头，25为第四切割头，26为第二气流汇合腔，27为计算机控制模块，28为顶板，29为单一过线孔，30为吊环牙孔，31为支撑杆，32为安装块，33为固定牙孔，34为集中过线孔，35为底板，36为塑胶脚垫。
具体实施方式
22.下面将结合具体实施方式来对本发明做进一步详细的说明。
23.一种气溶胶分粒径进样系统，包括多通道进气切换单元、一级切割单元、干燥单元、流量补充单元、二级多通道切换单元、二级切割单元和计算机控制模块；多通道进气切换单元和一级切割单元连接用以将环境空气进行不同方式的切割，多通道进气切换单元和流量补充单元连接用以补充切割采样气体的流量，多通道进气切换单元和干燥单元连接用以干燥采样气体的湿度；干燥单元和二级多通道切换单元连接用以将干燥后的采样气体进行分流；二级多通道切换单元和二级切割单元连接用以将干燥后的采样气体进行不同方式的切割；多通道进气切换单元、流量补充单元和二级多通道切换单元均与计算机控制模块电性连接。
24.多通道进气切换单元包括防尘防雨帽、第一温湿探头、第一气流汇合腔、第一主控
电路和防雨通风箱体；一级切割单元包括第一切割头和第二切割头；第一切割头、第二切割头、第一温湿探头、第一气流汇合腔和第一主控电路均安装在防雨通风箱体；防尘防雨帽的数量为三个，三个防尘防雨帽均位于防雨通风箱体外，三个防尘防雨帽分别为第一防尘防雨帽、第二防尘防雨帽和第三防尘防雨帽；第一切割头通过管道与第一防尘防雨帽连接，第一切割头和第一防尘防雨帽之间设有第一电动球阀；第二切割头通过管道与第二防尘防雨帽连接，第二切割头和第二防尘防雨帽之间设有第二电动球阀；第一温湿探头通过管道与第三防尘防雨帽连接，第一温湿探头和第三防尘防雨帽之间设有第三电动球阀；第一切割头、第二切割头和第一温湿探头均通过管道与第一气流汇合腔连接；第一气流汇合腔通过管道与流量补充单元连接，第一气流汇合腔通过管道与干燥单元连接；第一电动球阀、第二电动球阀、第三电动球阀和第一温湿探头均与第一主控电路电性连接，第一主控电路与计算机控制模块电性连接。
25.本实施例中，防尘防雨帽和第一切割头之间的连接管道为钢管，防尘防雨帽和第二切割头之间的连接管道为钢管，防尘防雨帽和第一温湿探头之间的连接管道为钢管；上述钢管从防雨通风箱体的顶部穿板接头进入箱体内；第一切割头、第二切割头、第一温湿探头通过钢管和第一气流汇合腔连接；第一气流汇合腔的出口连接钢管，该钢管通过防雨通风箱体的底部穿板接头穿出，第一主控电路固定于箱体内壁。防雨通风箱体采用金属制备(如不锈钢、金属铝等)。防水设备箱设有活动门，防水设备箱的两侧设有百叶板；防雨通风箱体内设有风扇，风扇与第一主控电路电性连接，风扇为小型环流风扇，既可以做到有效的防雨，也可保证设备箱内空气流通，避免出现凝结水而损坏主控电路，也使湿度的测量更加准确。活动门设在防雨通风箱体的正面，通过钥匙锁或锁扣扣合，便于对系统零部件进行检修。第一切割头和第二切割头分别采用pm1切割器和pm
2.5
切割器，可分别选取粒径低于1μm和2.5μm的气溶胶进入，即一级pm1气路和一级pm
2.5
气路；由于第三电动球阀未设置切割器(前后没有直接连接有切割器)，室外空气直接通过钢管进入(一级tsp气路)，该气路中设有第一温湿探头，可以对室外空气的温湿度进行实时的监测与记录。第一气流汇合腔采用不锈钢管道焊接而成，通过管道平滑地将三路气流合为一路(即一级pm1气路、一级pm
2.5
气路和一级tsp气路)，通过不锈钢管路的平滑过渡尽可能的降低样气中气溶胶颗粒物的损失。通过控制三个电动球阀的开启和关闭，三个气路可依次循环打开，一个气路打开时，另外两个气路处于关闭状态，即实现pm1、pm
2.5
和tsp气路的分别测量。本发明中的第一切割头和第二切割头可根据需求进行更换。
26.流量补充单元包括流量控制器mfc和采样泵，流量控制器mfc通过三通接头与第一气流汇合腔连接，流量控制器mfc通过三通接头与干燥单元连接，流量控制器mfc通过管道与采样泵连接，流量控制器mfc与计算机控制模块电性连接。对于切割器(这里的切割器指的是第一切割头、第二切割头、第三切割头和第四切割头中的任意一个，下面没有指定的意思也相同，可以是任意一个切割头)来说，当总流量达到其额定流量时，才能准确的控制切割粒径，大多数情况下，室内观测仪器的总流量达不到切割器的额定流量。根据切割器所需流量和室内接入气路仪器的流量总和，设置mfc的流量，从而实现粒径的准确切割。另外，对于固定的切割器，通过mfc流量的调整，将流量控制到切割器切割某一粒径所对应的流量，从而实现不同粒径的测量。将流量补充单元连通多通道进气切换单元和干燥单元之间的管道，既满足了补充流量的需求，同时又没有增加干燥单元的负荷，避免了对干燥效率的影
响。
27.干燥单元包括干燥管支架和干燥管，干燥管的数量为两个，两个干燥管分别为第一干燥管和第二干燥管，第一干燥管和第二干燥管均安装在干燥管支架，第一干燥管和第二干燥管均通过管道与三通接头连接，第一干燥管和第二干燥管均通过管道与二级多通道切换单元连接。本实施例的干燥单元还包括防雨箱体，防雨箱体采用金属制备(如不锈钢、金属铝等)。干燥管支架安装在防雨箱体内。第一干燥管和第二干燥管并行设置进行对样气干燥，样气进入干燥单元后一分为二，分别进入一根干燥管，干燥之后再合流。这种方式在空间利用上更合理，同时使得每根干燥管的干燥负荷为总流量的一半，显著提高了干燥效率。
28.干燥管支架包括底板、塑胶脚垫、支撑杆、安装块和顶板；塑胶脚垫安装在底板的底部，支撑杆安装在底板的顶部，支撑杆竖直设置；顶板安装在支撑杆的顶端；安装块的数量为四块，四块安装块等间距安装在支撑杆，四块安装块位于顶板和底板之间；第一干燥管贯穿四块安装块，第一干燥管与四块安装块固定连接；第二干燥管贯穿四块安装块中的中间两块安装块；顶板设有单一过线孔和吊环牙孔，单一过线孔供管道穿过，底板设有集中过线孔供管道穿过。干燥管鞘气管路也在单一过线孔和集中过线孔穿过。第一干燥管和第二干燥管可以选取1.2米、0.9米或0.6米长的干燥管。干燥管支架高1.5米，即支撑杆1.5米长或1.5米长左右，支撑杆采用铝型材制备，具体的支撑杆长度和干燥管的长度可以根据实际需求搭配使用。单一过线孔直径为25毫米，吊环牙孔可安装吊环，顶板四角设有螺丝孔，通过螺丝分别与四根铝型材连接。每套安装滑块分为前后两部分，每部分分别设有两个半圆形通孔；后端的滑块两侧设有固定牙孔，通过螺丝固定在铝型材侧面，正面中心及四角设有五个固定牙孔；前端的滑块设有五个固定牙孔，固定牙孔位置与后端滑块对应；通过螺丝可将前后两部分进行固定，固定后半圆形通孔合为圆形通孔，通孔直径与干燥管外径一致；松开螺丝后，前端滑块可以取下，将干燥管放入后端滑块通孔中，拧紧螺丝，干燥管固定在滑块中央。四根铝型材通过螺丝安装在底板上。
29.二级多通道切换单元包括第二温湿探头、第四电动球阀、第五电动球阀、第六电动球阀、第二气流汇合腔和第二主控电路；第一干燥管和第二干燥管均通过管道与第二温湿探头连接，第四电动球阀、第五电动球阀和第六电动球阀均通过管道与第二温湿探头连接；第四电动球阀和第六电动球阀均通过管道与二级切割单元连接；第五电动球阀和二级切割单元均通过管道与第二气流汇合腔连接；第四电动球阀、第五电动球阀、第六电动球阀和第二温湿探头均与第二主控电路电性连接，第二主控电路与计算机控制模块电性连接。本实施例的第二温湿探头、第四电动球阀、第五电动球阀、第六电动球阀、第二气流汇合腔和第二主控电路均安装在一个机箱，温湿探头通过钢管与三路分流器相连；三路分流器通过管道分别与第四电动球阀、第五电动球阀和第六电动球阀相连。
30.二级切割单元包括第三切割头和第四切割头，第三切割头通过管道和第四电动球阀连接，第四切割头通过管道和第六电动球阀连接，第三切割头和第四切割头均通过管道与第二气流汇合腔连接。本实施例中，二级多通道切换单元位于室内，干燥后的样气进入二级多通道切换单元后，首先在第二温湿探头处对干燥后的温湿度进行实时监测与记录，之后进入三路分流器。第三切割头和第四切割头分别采用pm1切割器和pm
2.5
切割器。第三切割头和第四切割头分别为二级pm1气路和二级pm
2.5
气路。第五电动球阀没有设置切割器(前后
没有直接连接有切割器)，样气直接从钢管通过，为二级tsp气路。三路气流在第二气流汇合腔合为一路，之后进入室内测量仪器当中。同样地，通过控制三个电动球阀的开启和关闭，三个气路可依次循环打开，一个气路打开时，另外两个气路处于关闭状态，即实现二级pm1、二级pm
2.5
和二级tsp气路的分别测量。
31.防尘防雨帽内部安装有金属滤网。金属滤网可以阻挡环境空气中的飞虫、粒径较大的灰尘进入样气。
32.总体来说，结合多通道进气切换单元和二级多通道切换单元的协同切换，本实施例包含五种采样气路：
33.(1)气路一：由“进样口(第一防尘防雨帽处的进样口)—第一电动球阀—一级pm1切割器(第一切割头)—干燥管(第一干燥管和第二干燥管)—第五电动球阀—出样口(第二气流汇合腔)”，采集先切割后干燥采样方式下的pm1；
34.(2)气路二：由“进样口(第三防尘防雨帽处的进样口)—第三电动球阀—干燥管(第一干燥管和第二干燥管)—第五电动球阀—出样口(第二气流汇合腔)”，直接采集室外空气(tsp气路)；
35.(3)气路三：由“进样口(第二防尘防雨帽处的进样口)—第二电动球阀—一级pm
2.5
切割器(第二切割头)—干燥管(第一干燥管和第二干燥管)—第五电动球阀—出样口(第二气流汇合腔)”，采集先切割后干燥采样方式下的pm
2.5
；
36.(4)气路四：由“进样口(第三防尘防雨帽处的进样口)—第三电动球阀—干燥管(第一干燥管和第二干燥管)—第四电动球阀—二级pm1切割器(第三切割头)—出样口(第二气流汇合腔)”，采集先干燥后切割采样方式下的pm1；
37.(5)气路五：由“进样口(第三防尘防雨帽处的进样口)—第三电动球阀—干燥管(第一干燥管和第二干燥管)—第六电动球阀—二级pm
2.5
切割器(第四切割头)—出样口(第二气流汇合腔)”，采集先干燥后切割采样方式下的pm
2.5
。
38.本实施例中，第一电动球阀、第二电动球阀、第三电动球阀和第一温湿探头通过数据线与第一主控电路相连；第四电动球阀、第五电动球阀、第六电动球阀和第二温湿探头通过数据线与第二主控电路相连；第一主控电路、第二主控电路和流量控制器mfc分别通过数据线计算机控制模块相连。计算机控制模块可以通过第一主控电路和第二主控电路控制电动球阀的开启和关闭，实现五种气路之间的自动切换。同时可以设置并记录各气路采样时间，以便后期数据相匹配。
39.本实施例在测量时，将气路一、气路二和气路三分为一组，为“先切割后干燥”采样组。通过气路一、气路二和气路三之间的切换，可以实现先切割后干燥采样方式下环境气溶胶粗细颗粒物的区分测量；在有云雾的环境下，通过气路一和气路三所测气溶胶颗粒物的差分可以对那些吸湿增长很大但并未活化的气溶胶颗粒物的物理化学性质进行分析，通过气路二和气路三所测气溶胶颗粒物的差分可以对雾滴的物理化学性质进行分析。将气路二、气路四和气路五分为另外一组，为“先干燥后切割”采样组。通过气路二、气路四和气路五之间的切换，可以实现先干燥后切割采样方式下的上述研究目的。通过两组之间对应气路的比较，可以分析“先切割后干燥”和“先干燥后切割”两种采样方式之间的区别，对当前外场观测所使用的“先切割后干燥”这种采样方式所带来的误差进行量化和订正。
40.上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的
限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。