沙尘暴沙尘气溶胶浓度实时监测仪

摘要

本发明涉及一种用于即时监测沙尘暴沙尘气溶胶浓度及其变化规律的仪器，具体的说是一种沙尘暴沙尘气溶胶浓度实时监测仪。该实时监测仪由采样系统，气—液转溶器，强制通风系统，数据采集、存储和无线传输系统，中心计算机组成；数据采集、存储和无线传输系统由数据采集仪、数据控制仪和无线传输组件组成；采样系统、气—液转溶器、强制通风系统和数据采集仪都与数据控制仪连接，数据控制仪与无线传输组件由信号线连接，无线传输组件与中心计算机由数据通信网络连接。本发明用于近地表，可一机多点位、多层次、多梯度取样，可在沙尘暴过程中对一次沙尘暴全过程沙尘气溶胶浓度变化进行实时监测。本发明适合国情，价格合理，性能可靠。

说明书

技术领域本    发明涉及一种用于即时监测沙尘暴沙尘气溶胶浓度及其变化规律的仪器，具体的说是一种沙尘暴沙尘气溶胶浓度实时监测仪。

背景技术    沙尘暴是人们关心的主要环境问题之一。沙尘暴发生时的大风天气严重风蚀土壤，加剧土地荒漠化进程。同时，它向下游地区输送了大量的沙尘，使下游地区的土地沙化和空气环境恶化，并对人类的身体健康和社会经济造成损害。近年来，国内外学者对沙尘暴做了大量的研究工作。然而沙尘暴的起沙、传输、降尘是一个很复杂的过程，受多种因素制约我们对此认识也十分有限。我们至今始终无法完全搞清楚沙粒到底是怎样从地表输送到大气以及整个传输及最终的降尘过程。在整个沙尘暴过程中沙尘气溶胶浓度的变化特征能够反映大气沙尘积累、传输、沉降的规律。为进一步对近地表沙尘暴的结构深入研究，探索沙尘暴的发生、发展规律和沙尘暴的危害方式、危害程度，为沙尘暴防治奠定理论基础。

目前国内沙尘暴研究中沙尘气溶胶浓度的测定主要采用雷达技术，而雷达只能用于距地表50m以上的高空，50m以下属雷达盲区，而与人类生存最密切的近地面50米范围的监测手段欠缺，而国外利用光散射等的原理制造的仪器价格昂贵，不能满足多点位、多层次、多梯度的研究。

本发明的目的是提供一种适合国情，价格合理，性能可靠，用于近地表，可一机多点位、多层次、多梯度取样的沙尘气溶胶浓度实时监测仪，该监测仪可在沙尘暴过程中对一次沙尘暴全过程沙尘气溶胶浓度变化进行实时监测。

为达到上述目的，本发明采取的技术如下方案：一种沙尘暴沙尘气溶胶浓度实时监测仪，由采样系统，气—液转溶器，强制通风系统，数据采集、存储和无线传输系统，中心计算机组成；数据采集、存储和无线传输系统由数据采集仪、数据控制仪和无线传输组件组成；采样系统、气—液转溶器、强制通风系统和数据采集仪都与数据控制仪连接，数据控制仪与无线传输组件由信号线连接，无线传输组件与中心计算机由数据通信网络连接。

采样系统由采样泵，采样总管，数个采样电磁阀，与采样电磁阀数量相同的采样管组成；采样总管旁通数个采样电磁阀，每个电磁阀通过三通连接一根采样管，每个采样管外端连接有采样头；气—液转溶器由壳体、连接有散气头的进气管、排气管、浊度传感器组成；壳体内有液体、气体两种介质，液体上方是气体层，浊度传感器置于液体中部，散气头置于液体底部，进气管另一端与采样总管相连接，排气管一端位于气体层，另一端与采样泵进气口连接；强制通风系统由通风泵、通风总管、数个通风电磁阀组成；通风泵进气口与通风总管连接，通风总管旁通数个通风电磁阀，每个通风电磁阀另一端与三通第三端口连接；浊度传感器与数据采集仪连接；数据采集仪、通风泵、采样泵都与数据控制仪连接，通风电磁阀均与数据控制仪连接，采样电磁阀也均与数据控制仪连接；采样泵出气口、通风泵排气口和采样头的进气口都与大气相通。

采用上述结构的本发明，因采样管分布在近地表面不同梯度层次的空间，通过对分布在各层的采样管分别取样，定时测定，从而实现对各层次梯度沙尘气溶胶浓度的循环实时监测；尤其是对近地表不同梯度随风速变化的沙尘气溶胶浓度的实时精确监测。本发明适合国情，价格合理，性能可靠。

本发明的采样头是整个仪器的进气口，通风泵排气口和采样泵出气口是整个仪器的两个出气口，采样系统的主要功能是给浊度传感器提供被测定样品；强制通风系统的主要功能是清洗管道、排出滞留气体、缩短各采样口的采样时间差；气—液转溶器的功能是给浊度传感器提供适宜的工作环境。工作时，气流经采样头、采样管、采样电磁阀、采样总管、气—液转溶器进气管进入气—液转溶器，沙尘气溶胶中的颗粒物转溶于液体中，纯净空气由采样泵的出气口排出。气—液转溶器内放置的浊度传感器测定液体浓度，将液体浓度的实时检测信号传输给数据采集仪；数据采集仪、通风泵、采样泵、采样电磁阀、通风电磁阀均受数据控制仪控制，用来控制这些设备的动作适时开启或关闭，实现不同梯度的采样管在线采样时间调整和设置，并相互接收和反馈相应的适时数据信息。最终得到的适时观测数据通过无线传输系统发送到中心计算机，中心计算机接收、存储适时观测数据，完成数据处理并进行数据显示，中心计算机还能实现对数控仪的控制。

本发明的工作原理是采用气—液转溶器使气溶胶流经液体，在液体的洗涤作用下气溶胶中的溶质转溶到液体内形成液体溶胶，将测量沙尘气溶胶的浓度变为测量转溶后的液体溶胶浓度，从而来确定气溶胶的浓度。

附图说明    图1是本发明的结构示意图；

            图2是本发明部件采样头的结构示意图；

            图3是装有风标的采样头。

图中：1-通风泵，2-通风总管，3-通风电磁阀，301-第一通风电磁阀，……310-第十通风电磁阀，4-采样泵，5-采样管，501-第一采样管，……510-第十采样管，6-采样总管，7-采样电磁阀，701-第一采样电磁阀，……710-第十采样电磁阀，8-采样头，801-进气头，802-防尘套，803-防尘垫，804-轴承套，805-轴承，806-固定螺母，807-风向标，808-进气口，9-气-液转溶器，10-液面，11-散气头，12-浊度传感器，13-进气管，14-排气管，15-液体，16-数据采集仪，17-数据控制仪，18-无线传输组件，19-中心计算机，20-三通。

具体实施方式    下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

图1所示是具有十层梯度的沙尘暴沙尘气溶胶浓度实时监测仪；由采样系统，气—液转溶器9，强制通风系统，数据采集、存储和无线传输系统，中心计算机组成19；采样系统由采样泵4，采样总管6，十个采样电磁阀7，与采样电磁阀7数量相同的采样管5组成；采样总管6旁通十个采样电磁阀7，每个采样电磁阀7通过三通20连接一根采样管5，每个采样管5外端连接有采样头8；气-液转溶器9由壳体、连接有散气头11的进气管13、排气管14、浊度传感器12组成；壳体内装有液体15，液体15上方是气体层，浊度传感器12和散气头11置于液体15里，进气管13另一端与采样总管6相连接，排气管14一端位于气体层，另一端与采样泵4进气口连接；强制通风系统由通风泵1、通风总管2、十个通风电磁阀3组成；通风泵1进气口与通风总管2连接，通风总管2旁通十个通风电磁阀3，每个通风电磁阀3另一端与三通20第三端口连接；数据采集、存储和无线传输系统由数据采集仪16、数据控制仪17和无线传输组件18组成；浊度传感器9与数据采集仪16连接；数据采集仪16、通风泵2、采样泵4都与数据控制仪17连接，通风电磁阀3与数据控制仪17连接，采样电磁阀7与数据控制仪17连接；数据控制仪17与无线传输组件18由信号线连接，无线传输组件18与中心计算机19由数据通信网络连接；采样泵4出气口、通风泵1排气口和采样头8的进气口都与大气相通。

参见图2与图3：采样头8由进气头801、防尘套802、防尘垫803、轴承套804、轴承805组成；轴承套804两端安装轴承805，进气头801下部安装于轴承套804，这样进气头801可以相对轴承套804旋转，进气头801上部管壁与轴线平行呈线状分布一列进气口808，进气口808总面积略大于采样管5的截面积，轴承805被固定螺母806固定，固定螺母806外端安装防尘垫803，轴承套804上端覆盖装有防尘套802，轴承套804下端螺纹连接于采样管5。

在进气头801上与进气口808相同的一侧且与进气口808呈45°角固定安装风向标807，这样在风向标807的作用下，旋转的进气头801上的进气口808始终背风且与风向呈45°角。

测定开始，由数据控制仪17开启通风泵1及全部通风电磁阀3，两分钟后通过数据控制仪17闭合第一通风电磁阀301，并同步开启采样泵4及第一采样电磁阀701，此时其它九个采样电磁阀702～710保持闭合状态，其它九个通风电磁阀302～310仍保持开启状态，第一采样管501进行采样工作，其他九个采样管502～510处于强制通风的预备状态。被采气样依次通过第一采样头801、第一采样管501、采样电磁阀701、采样总管6、气—液转溶器进气管13、散气头11进入气—液转溶器9的气—液转溶液15内，散气头11将气体样品分解成微小气泡，气泡在浮力作用下向上运动，进入气—液转溶器9的气体部分，在这个过程中，吸入气体样品内的颗粒物转溶到了气—液转溶液15中，使气溶胶变为液体溶胶，从气—液转溶液15中溢出液面10的洁净气体在采样泵4的作用下排到大气中。浊度传感器12测定溶液浓度后将数据传入数据采集仪16，采集的数据经数据控制仪17由无线传输组件18传入中心计算机19，完成了一个样品从采集、测定、传输到储存的过程。而后进入下一个气体样品采样，如由第二采样管502采样，依次循环，完成十个层次的全部采样。

采样时间间隔由数据控制仪17控制，一般可以在2至10分钟调节，在通风泵1开始工作而采样泵4未启动前，浊度传感器12连续采样3次，取其均值作为背景值，在采样时间末段连采3次数据，取其均值，均值与背景值的二者差值即为该采样时段的测定值。一个采样程序结束后通过通风电磁阀组和采样电磁阀组的切换进行下一个采样程序。同时需要传输和记录的数据有：每个样品采样的开始和结束时间、采样泵流量、通风泵流量，样品采集完成后气—液转溶液浊度通过相应的数学运算后，可以最终获得某梯度次某时刻的沙尘气溶胶浓度。中心计算机将所获取的数据以图表或数据库形式输出。气溶胶浓度的数学表达式为：

               气溶胶浓度(mg/cm³)＝(Rt-Rt_-1)VS/Q

式中：Rt为后一次溶液浓度(mg/cm³)、Rt_-1为前一次溶液浓度(mg/cm³)、V为溶液的体积(cm³)、S为采样时的风速、Q为气样的体积(cm³)；其中：

               气样的体积Q＝v.m.t

式中：v为采样时段内采样泵流速(cm/min)、m为管道断面积(cm²)、t为采样时间段长(min)。

采样管的数量、采样管之间的梯度高度差可根据需要在通风泵流量允许范围内增、减设置。