一种单颗粒物采样装置及系统

技术领域

本发明涉及气溶胶测量技术领域，特别是一种单颗粒物采样装置及系统。

背景技术

室内空气或室外大气中的气溶胶颗粒物不仅影响空气质量，还可能危害暴露人群的健康。采集并获取大气颗粒物的成分信息是改善空气质量、分析颗粒物的气候和环境及健康效应的重要手段。现有的颗粒物采样器大多是通过惯性碰撞、过滤截留和静电吸引等原理进行采集，这类采集器的质量和体积均较大，不便于移动和携带。现有的通常使用的大气单颗粒采样器一次只能采集一个样品，无法进行连续采样，若要采集多个样品则需多次拆卸，更换样品膜，操作繁琐耗时。且现有的单颗粒采样器只能提供手动或半自动连续采样，在采样过程中，通过手动切换样品位，以实现多个样品的连续采集；单个采样器在同一采样时间只能采集一个样品，若要同时采集多个样品需要同时使用多个采样器。现有的采样器应用场景有一定限制，无法用于部分移动平台，如搭载在无人机上采集高空间分辨率的样品和固定点的长时间连续观测。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术中的上述缺陷，提出一种单颗粒物采样装置及系统，能够手动和/或自动远程实时控制气泵的开关及样品位的切换，从而实现对单颗粒物的连续自动采样。

本发明采用如下技术方案：

一方面，一种单颗粒物采样装置，包括：采样头、电机、气泵和控制模块；所述采样头包括上盖、粒径切割板、样品台、采样头转轴和下盖；所述上盖和下盖组成腔体；所述上盖上设置有与外界大气相连通的进气口，所述下盖上设置有与所述气泵相连接的出气口；所述粒径切割板设置在所述腔体内，与所述上盖组成加速腔，与所述下盖组成采集腔，所述样品台设置在所述采集腔中；所述粒径切割板上设置有一个及以上的粒径切割孔，所述样品台上设置有若干均匀分布的样品位，每个样品位上设置有与粒径切割孔数相同的凹槽用于放置取样膜，每个所述粒径切割孔的中心与一个样品位的每个凹槽的中心对准；所述采样头转轴设置在样品台的下方，所述电机与所述采样头转轴和所述控制模块分别相连接以根据所述控制模块的指令带动所述样品台转动。

优选的，所述粒径切割板、样品台和下盖上分别设置有两条对准线；所述粒径切割板的对准线、所述样品台上的对准线以及所述下盖上的对准线用于进行相互对准。

优选的，相邻样品位之间设置有缝隙。

优选的，所述上盖和所述下盖的形状为圆柱形；所述粒径切割板和样品台的形状为圆盘形。

优选的，所述单颗粒物采样装置，还包括：第一o型密封圈和第二o型密封圈；所述上盖和所述下盖通过所述第一o型密封圈相连接；所述粒径切割板和所述下盖通过所述第二o型密封圈相连接。

优选的，所述采样头转轴和所述下盖之间配有滚动轴承和第三o型密封圈。

优选的，所述单颗粒物采样装置，还包括：联轴器；所述电机的电机转轴与所述采样头转轴下端通过联轴器相连接。

优选的，所述单颗粒物采样装置，还包括：电机固定板；所述电机固定在所述电机固定板上；所述电机固定板通过若干铜柱与所述下盖相连接。

优选的，所述单颗粒物采样装置，还包括：直流电源；所述直流电源与所述控制模块相连接以供电。

另一方面，一种单颗粒物采样系统，包括：采样箱体；还包括所述的单颗粒物采样装置；所述单颗粒物采样装置设置在所述采样箱体内。

由上述对本发明的描述可知，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

(1)本发明将粒径切割板、样品台、采样头转轴、电机、气泵、控制模块等配合使用，能够远程手动和/或自动远程实时控制气泵的开关及样品位的切换，从而实现连续自动采集多个样品，中途无需拆卸、更换样品膜；

(2)本发明只需要更换具有不同切割孔数量和孔径的粒径切割板以及调节采样流量即可实现不同粒径区间颗粒物的采集；

(3)本发明只需要更换不同样品位数量的样品台(如5个、13个、20个样品位的样品台)即可实现连续采集不同数量的样品；

(4)本发明使用不同切割孔数量的粒径切割板及对应凹槽数量的样品台，可放置不同的样品膜(如电镜铜网和硅片)，可同时采集多个样品(如2个及以上样品)；

(5)本发明通过设置第一o型密封圈、第二o型密封圈和第三o型密封圈，确保了整个采样头具有良好的密闭性；

(6)本发明质量轻、体积小，包括采样箱体能够便于携带、便于拆卸和组装，能够适于用不同采样环境，可用于固定或移动观测平台，如可搭载在无人机上，通过远程实时控制采集高空间及时间分辨率的样品。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚地了解本发明的技术手段，从而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下列举本发明的具体实施方式。

根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述及其他目的、优点和特征

附图说明

图1为本发明的单颗粒采样装置的立体图；

图2为本发明的单颗粒采样装置的结构图；

图3为本发明的粒径切割板的示意图；

图4为本发明的样品台的示意图；

图5为本发明的单颗粒采样系统的立体图；

其中，1、单颗粒物采样装置；10、采样头；101、上盖；1011、进气口；102、下盖；1021、出气口；103、粒径切割板；1031、粒径切割孔；1032、粒径切割板的对准线；104、样品台；1041、样品位；1042、凹槽；1043、缝隙；1044、样品台的对准线；105、加速腔；106、采集腔；107、采样头转轴；108、第一o型密封圈；109、第二o型密封圈；110、滚动轴承；111、第三o型密封圈；112、螺丝；113、联轴器；114、电机转轴；115、电机固定板；116、铜柱；11、电机；12、气泵；13、控制模块；2、采样箱体；20、进气孔；21、把手。

具体实施方式

以下通过具体实施方式对本发明作进一步的描述。

参见图1和图2所示，本发明为一种单颗粒物采样装置1，包括：采样头10、电机11、气泵12和控制模块13；所述采样头10包括上盖101、粒径切割板103、样品台104、采样头转轴107和下盖102；所述上盖101和下盖102组成腔体；所述上盖101上设置有与外界大气相连通的进气口1011，所述上盖101的进气口1011通过通气管与外界大气相连，所述下盖102上设置有与所述气泵12相连接的出气口1021；所述粒径切割板103设置在所述腔体内，与所述上盖101组成加速腔105，与所述下盖102组成采集腔106，所述样品台104设置在所述采集腔106中；所述粒径切割板103上设置有一个及以上的粒径切割孔1031，所述样品台104上设置有若干均匀分布的样品位1041，每个样品位1041上设置有与粒径切割孔1031数相同的凹槽1042用于放置取样膜，每个所述粒径切割孔1031的中心与一个样品位1041的每个凹槽1042的中心对准；所述采样头转轴107设置在样品台104的下方，所述电机11与所述采样头转轴107和所述控制模块13分别相连接以根据所述控制模块13的指令带动所述样品台104转动。

本发明将粒径切割板103、样品台104、采样头转轴107、电机11、气泵12、控制模块13等配合使用，能够远程手动控制和/或自动控制气泵12的开关及样品位1041的切换，从而实现连续采集多个样品，中途无需拆卸、更换样品膜。

进一步的，优选的，所述单颗粒物采样装置1，还包括：第一o型密封圈108和第二o型密封圈109；所述上盖101和所述下盖102通过所述第一o型密封圈108相连接；所述粒径切割板103和所述下盖102通过所述第二o型密封圈109相连接，能够确保上盖101和下盖102之间有良好的密闭性。

进一步的，所述采样头转轴107和所述下盖102之间配有滚动轴承110和第三o型密封圈111，结合所述第一o型密封圈108和第二o型密封圈109，能够确保整个采样头10具有良好的密闭性。

具体的，所述样品台104与所述采样头转轴107通过螺丝112固定。

本实施例中，所述单颗粒物采样装置1，还包括：联轴器113；所述电机11的电机转轴114与所述采样头转轴107下端通过联轴器113相连接。

进一步的，所述单颗粒物采样装置1，还包括：电机固定板115；所述电机11固定在所述电机固定板115上；所述电机固定板115通过若干铜柱116与所述下盖102相连接。

进一步的，所述单颗粒物采样装置1，还包括：直流电源14；所述直流电源14与所述控制模块13相连接以供电。

本实施例中，所述粒径切割板103和样品台104的形状为圆盘形，对应的，如图1和2所示，所述上盖101和所述下盖102的形状为圆柱形。当然，在其他实施例中，还可以是其他形状，本发明不做具体限制。

参见图3所示，所述粒径切割板103包含3个粒径切割孔1031和2条对准线，本实施例中，所述粒径切割孔1031的孔径为0.65mm，理论切割粒径为0.5μm。参见图4所示，所述样品台104包含13个样品位1041和2条对准线(如图4中的样品台的对准线1044)。对应的，所述下盖102上也设置有两条对准线。本实施例中，相邻样品位1041中心线的夹角为28°，相邻样品位1041之间布设有缝隙1043，可减小气流对采样的影响；每个样品位1041包含3个凹槽1042，用于放置样品膜；其中，有两个直径为3mm的圆形凹槽1042，用于放置电镜铜网，用于颗粒物分析；一个边长为4mm的方形凹槽1042，用于放置硅片。粒径切割板103中3个粒径切割孔1031的中心与样品台104中对应凹槽1042中心的连线与粒径切割板103及样品台104所在平面垂直；通过对准样品台104的两条对准线和采样头10下盖102的两条对准线以及粒径切割板103的两条对准线(如图3中的粒径切割板的对准线1032)和采样头10下盖102的两条对准线，实现三个粒径切割孔1031中心和三个凹槽1042中心的对准。

由于本发明的粒径切割板103包含3个粒径切割孔1031，以及每个样品位1041包含3个凹槽1042，因此通过在每个凹槽放置样品膜(可放置不同的样品膜，如电镜铜网和硅片)，可实现同时采集多个样品。

需要说明的是，本发明可以更换具有不同切割孔数量和孔径的粒径切割板103，通过更换不同的粒径切割板103以及调节采样流量即可实现不同粒径区间颗粒物的采集。

进一步的，本发明可以更换不同样品位1041数量的样品台104(如5个、13个、20个样品位1041的样品台104)，通过更换不同样品位1041数量的样品台104可实现连续采集不同数量的样品。

进一步的，本发明在更换样品台104时，可以不改变所包括的样品位1041的数量，只改变单个样品位1041所包括的凹槽数1042；当然，还可以在更换样品台104时，既改变所包括的样品位1041的数量，又改变单个样品位1041所包括的凹槽数1042。具体可根据实际需要进行调整，通过改变凹槽数1042，能够实现同时采集多个样品。

本实施例中，所述的步进电机11固定于电机固定板115上，电机固定板115通过4根铜柱116与所述下盖102相连，所述电机转轴114与所述采样头转轴107下端通过联轴器113相连。所述的控制模块13由直流电源供电，所述控制模块13包括STM32系列单片机，可写入程序进行控制。通过程序编入可实现手动控制和自动控制两种采样模式。所述电机11、气泵12与控制模块13相连；通过控制模块13控制电机11的旋转时间和旋转角度，从而控制采样头转轴107的旋转，以切换样品位1041。手动控制模式下，可实时、远程控制样品位1041的切换和泵的开关，实现连续采样，在无障碍的情况下，信号远程传输的距离约3km；在自动模式下可实现按设定时间进行样品位1041的自动切换和泵的自动开关，从而实现连续自动采样。

本发明的采样过程如下：

采样前先装配好采样装置，确保粒径切割孔1031对准样品台104其中一个样品位1041；在采样头10的进气口1011接入流量计，打开气泵12，调节转速至流量为预设值如4.2L/min。手动控制模式下，通过电脑发送命令打开气泵12，采样气体由进气口1011进入所述加速腔105，单颗粒物经三个粒径切割孔1031加速后，富集于样品膜上；一个样品位采集完毕后发送命令关闭气泵12，再发送命令旋转电机11以切换至下一个样品位1041。自动控制模式下，提前设置好采样开始时间、每个样品位采集的时间以及采样时间间隔，采样装置将按照设定参数自动打开气泵12、关闭气泵12和切换样品位1041，以完成整个采样过程。

参见图5所示，本发明一种单颗粒物采样系统，包括：采样箱体2；还包括所述的单颗粒物采样装置1；所述单颗粒物采样装置1设置在所述采样箱体2内。

具体的，所述单颗粒物采样装置1通过若干立柱3固定在所述采样箱体2的底部上方。所述采样箱体2的顶部设置有进气孔20，便于外部气体导入。此外，所述采样箱体2的顶部还设置有一把手21，能够方便携带。使用时，只需打开采样箱体2的顶部或侧部，将装配好的采样装置放置于采样箱体2内进行固定即可。

上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。