[发明专利]一种自动化多级式单颗粒撞击式采样器及采样方法

说明书

本发明公布了一种自动化多级式单颗粒撞击式采样器及采样方法，研制可自动旋转的多级式采样头，包括：自旋多级式采样头、动力与旋转模块、控制与显示模块；自旋多级式采样头包括：设有进气管的顶盖、上层旋转式样品台、中盖、中层旋转式样品台、下盖、下层旋转式样品台、样品台转轴和设有出气管的底座；顶盖、中盖、下盖、样品台转轴和底座组成完整密闭的腔体，用于切割和收集对应粒径的颗粒物。本发明具有自动化和手动两种采样模式；小巧便携，使用灵活，用途广泛，可独立用于单颗粒的自动化采样，或模块化集成到有关仪器中作为单颗粒采样模块使用，适用于多种采样场景，可用于日常采样、人体暴露、颗粒物垂直分布等。

技术领域

本发明属于大气科学技术领域，涉及气溶胶测量技术，尤其是一种自动化多级式单颗粒撞击式采样器及采样方法。

背景技术

大气气溶胶来源广泛，其粒径、质量、光学性质、物理形态、化学组成以及大气寿命等存在很大差异，单颗粒分析技术能够直观获取大气中纳米-微米级颗粒物的形貌、粒径分布、混合状态和元素组成等理化性质信息，对于认识和理解大气气溶胶的环境、气候和人体健康效应有重要意义。

现有的大气颗粒物采样器主要是通过惯性碰撞、过滤截留和静电吸附等原理来分离、收集颗粒物。传统的大气单颗粒采样器多为便携手持式，配合单级或串联多级式采样头，一次只能采集单个样品或一组分粒径样品，无法自动切换样品。若要连续采集多个样品，每次采样都需人工手动启停采样器、拆卸采样头，现场更换样品膜，操作繁琐、耗时，且在野外观测等特殊使用场景中存在污染样品膜的可能。旋转式单颗粒采样器能够以半自动方式切换样品膜，但是仅可以收集一个特定粒径的颗粒物，无法同时收集多个粒径的大气颗粒物，且半自动化采样方式仍需人工现场值守维护，难以满足多粒径、无人化、偏远地区采样等复杂情况下对大气环境样品的需求。

综上，现有大气单颗粒采样器存在无法自动更换样品膜、无法连续采样、无法远程控制、收集的颗粒物粒径单一、应用场景单一等缺陷，难以满足新时代大气环境观测研究的需要，无法应用于无人机、车载等移动平台的高空间分辨率样品收集和观测站、高塔等固定点位的长时间自动化连续观测。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提出一种自动化多级式单颗粒撞击式采样器，采用全新设计的可自动旋转的多级式采样头，配合自主编写的控制程序，模块化搭建，具有自动化和手动两种采样模式；采用自动化模式时，可根据需要定时或连续收集单级或多级颗粒物，自动更换样品膜，无需人工介入和操作，适用于移动源、固定源、定期、长期采样等各种使用场景。

本发明提供如下技术方案：

一种自动化多级式单颗粒撞击式采样器，包括：自旋多级式采样头、动力与旋转模块、控制与显示模块；

其中，本发明设计的自旋多级式采样头包括设有进气管的顶盖、上层旋转式样品台、中盖、中层旋转式样品台、下盖、下层旋转式样品台、样品台转轴和设有出气管的底座，共同组成一个含有顶盖进气管、底座出气管和中间样品位的3层密闭腔体，用于切割和收集对应粒径的颗粒物；所述顶盖、中盖、下盖、样品台转轴和底座组成完整密闭的腔体；所述动力与旋转模块包括抽气泵、压力传感器、定位旋转电机和供电电池；所述控制与显示模块包括触控显示面板和定制化控制系统；

所述自旋多级式采样头的顶盖上设置有与外界大气相连通的进气管，底座设置有与所述动力与旋转模块的抽气泵相连接的出气管；顶盖、中盖和下盖分别设置有对应颗粒物粒径的气流加速孔，每个所述气流加速孔的中心与所述进气管和出气管对准；上层、中层和下层旋转式样品台分别位于所述顶盖、中盖、下盖和底座上下两者间构成的腔体内，上层、中层和下层旋转式样品台上分别设置有若干均匀分布且一一对应的样品位，每个样品位上设置有与采样样品膜(如铜网或硅片)相匹配的凹槽用于放置样品膜，样品位的中心与所述气流加速孔的中心对准；所述样品台转轴设置在样品台的下方，通过同步带与所述动力与旋转模块相连接；