中流量虚旋风采样器及其使用方法与流程

本发明属于大气颗粒物采样技术领域，具体涉及一种中流量虚旋风采样器及其使用方法。

背景技术

目前国内外销售、使用较多大气颗粒物采样器多为传统惯性分级采样器比如冲击式采样器或者旋风式采样器。由于颗粒物会和壁面发生碰撞，因此这两种采样器存在以下缺点(1)大颗粒在捕集板(或壁面)上过度沉积会影响采样器的捕集效果；(2)在颗粒物与壁面碰撞的过程中可能会因为颗粒的破裂、团聚作用以及化学反应改变颗粒物的理化性质、表面结构以及结构完整性，从而对下一步的分析检测造成不利影响；(3)颗粒物在惯性冲击器捕集板上的反弹和再悬浮会造成部分本应被分离出去的颗粒物保留下来，由于这部分颗粒物粒径较大，质量也较大，从而会对粒径相对较小的目标颗粒物的采集带来较大的误差；(4)采样器压力降较大，使得设备体积增大，限制了采样器的发展。

为改进现有采样器存在的上述问题，有学者提出了虚旋风式采样器的概念：以非冲击性原理将较大粒径颗粒从主要进气流中导入离心涡流，以避免颗粒物与采样器壁面的碰撞，实现颗粒物的分级采样。然而由于不便于制造加工，虚旋风采样器的发展和应用受到了限制。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种新颖的中流量虚旋风采样器，所述采样器结构合理、易于制造加工，采样时可以有效避免颗粒物的沉积、撞击和再悬浮。

本发明所述的基于虚旋风原理的生物气溶胶采样器包括由顶盖和导流柱组成的稳流盖、设有虚旋风腔的采样器上体、位于采样器上体内的捕集器、以及设有出气腔的采样器下体，所述稳流盖、采样器上体、捕集器和采样器下体依次叠放并可拆卸的连接；

所述采样器上体还设有供于导流柱插入的圆柱型进气腔，所述导流柱与圆柱型进气腔配合形成圆环形进气通道，所述圆柱型进气腔的上端向外周延伸形成外缘，所述外缘上安装有若干个用于支撑顶盖的支撑柱。

含有颗粒物的气流从环形进气通道进入到采样器内，经过虚旋风腔时，较大粒径颗粒被收集到捕集器上，其余气流从圆柱型出气腔排出。

优选地，导流柱的长度约为顶盖支撑柱与圆柱型进气腔的长度之和，安装后导流柱的下端与圆柱型进气腔的下端处于同一水平线。

在本发明的实施方案中，所述虚旋风腔由依次连接的第一弧形内壁、水平内壁和第二弧形内壁组成；所述第一弧形内壁的上端与圆柱型进气腔的下端连接，所述第一弧形内壁朝向捕集器凸起，所述第二弧形内壁的凸起方向与第一弧形内壁的凸起方向相反。

含有颗粒物的气流经过第一弧形内壁时，随着第一弧形内壁改变原有流向，部分气流改变流向后经过水平内壁和第二弧形内壁进入到采样器下体中并从出气口排出，剩余的部分则在第一弧形内壁下的腔体内形成一个边界环流。新进入的气流与边界环流相遇后改变其原有流向，气流中较大的颗粒物则由于惯性作用从主气流中分离出来，进入边界环流中，最终被捕集器收集。

所述第二弧形内壁可以对将进入采样器下体的气流产生缓冲作用，以平稳虚旋风腔内的气压。

进一步地，所述第一弧形内壁和第二弧形内壁的弯曲角度均为90°。

更进一步地，所述圆柱型进气腔的进口处设有第一倒圆角。

所述第一倒圆角的设置减少了含尘气流流经时颗粒物在此处的沉积，同时倒圆角的设置降低了加工难度。

在本发明的实施方案中，所述外缘对应支撑柱下端处设有第一通孔，所述顶盖对应支撑柱上端处设有第二通孔，而所述支撑柱设有第三通孔；所述顶盖通过螺栓和螺母固定在支撑柱上，所述螺栓穿过第一通孔、第三通孔和第二通孔。

进一步地，若干个所述第一通孔均组合有开口朝上的第一沉孔，若干个所述支撑柱的下端均位于在第一沉孔内。

为降低加工难度，可将采样器上体和支撑柱分别进行加工，然后再将支撑柱的下端用粘合剂固定在第一沉孔内。

更进一步地，若干个所述第二通孔均组合有开口朝下的第二沉孔，若干个所述支撑柱的上端均位于第二沉孔内。

为方便组装，可先将盖板放置在支撑柱上，并使支撑柱的上端嵌入到第二沉孔内，稳固后，在依次用螺钉和螺母进行固定。

在本发明的实施方案中，所述采样器上体的下部还设有组装腔，所述组装腔包括供与捕集器组装的组装一腔和供与采样器下体组装的组装二腔；所述组装一腔的上壁由虚旋风腔下端向外周延伸而成，所述组装一腔的周壁下端与组装二腔的周壁上端连接，所述组装二腔的周壁内侧设有内螺纹。

在本发明的实施方案中，所述采样器下体的顶端面设有捕集器托台，所述采样器下体的上部外周设有组装槽，所述组装槽的周壁上设有供与内螺纹旋合的外螺纹。

为方便组装，所述采样器上体和采样器下体均为旋转件，所述采样器上体和采样器下体通过内螺纹与外螺纹咬合而组装在一起。通常地，所述采样器上体和采样器下体拼合后外部呈平整的圆柱型结构。

在本发明的实施方案中，所述采样器下体还设有缓冲腔，所述缓冲腔包括呈圆柱型结构的缓冲一腔和呈圆台结构的缓冲二腔；所述缓冲二腔的下端与出气腔的上端连接。

为了稳定气流、减少微生物气溶胶破碎，本发明所述中流量虚旋风采样器设计了缓冲腔，气流通道的内径缓慢减小，降低了气流突然变化产生的压力损失。

在本发明的实施方案中，所述出气腔包括均呈圆柱型结构的出气一腔和出气二腔；所述出气一腔的内径小于出气二腔的内径，所述出气二腔内垂直安装有若干个供与固定滤膜夹的第一密封圈。

本发明出气腔的设计可以将采样器和外部抽气装置直接连接起来，不需要使用转接头，使用方便。

优选地，所述第一密封圈均为硅胶密封圈。

在本发明的实施方案中，所述捕集器包括支撑环、位于支撑环内的捕集皿，以及若干个两端分别与支撑环和捕集皿连接的支撑片；所述支撑环固定在组装一腔的上壁和缓冲一腔的上壁之间，所述捕集皿的周壁伸入到虚旋风腔中且位于水平内壁的下方。

为牢固固定并保证气密性，进一步地，所述支撑环与组装一腔的周壁之间设有第二密封圈。优选地，所述第二密封圈厚度与支撑环和支撑片的厚度相等。

更进一步地，所述捕集皿的周壁外侧上端设有第二倒圆角。

所述第二倒圆角的设置亦是为了减少含尘气流流经时颗粒物在此处的沉积，同时降低加工难度。

为了收集不同粒径的大气颗粒物，本发明所述中流量虚旋风采样器中的稳流盖可以设计为系列产品，该系列产品中导流柱直径不同，将不同规格的稳流盖固定在采样器上体后，可以形成不同大小的圆环形进气通道。

在本发明的一实施方案中，当流量为27.5l/min，采样器切割粒径为2.5μm时，所述导流柱与圆柱型进气腔的直径差值为1mm。

基于前述的中流量虚旋风采样器，本发明还提供了一种该采样器的使用方法，它包括以下过程，

(s1)将稳流盖、采样器上体、捕集器和采样器下体依次叠放安装；

(s2)将滤膜夹插入、接连到出气腔中；

(s3)将抽气装置的进气管与滤膜夹出气口连接。

本发明的有益效果：

本发明所述的中流量虚旋风采样器，可用于大气颗粒物采样。该采样器结构合理，颗粒物与壁面发生碰撞的几率较低，可以减轻甚至避免分离出来的颗粒物的及破碎，从而降低对颗粒物理化性质的影响，利于后续的分析检测。由于含有大颗粒的弱流在捕集器中形成涡旋，这些颗粒很难被主流挟带离开捕集腔，有可能克服颗粒再悬浮问题；此外，环形进气通道的设计以及整体圆柱形的设计降低加工难度，有利于该采样器的运用及推广，而圆柱型出气腔则可以直接与后续设备的管道进行连通，不需要使用转接头。

附图说明

图1为本发明所述中流量虚旋风采样器的结构示意图；

图2为本发明所述中流量虚旋风采样器的剖视图；

图3为本发明所述稳流盖的主视图；

图4为本发明所述采样器上体的主视图；

图5为本发明图5中a处的放大图；

图6为本发明图5中b处的放大图；

图7为本发明所述捕集器的主视图；

图8为本发明所述捕集器的俯视图；

图9为本发明所述采样器上体安装有支撑柱和捕集器时的主剖视图；

图10为本发明图9中c处的放大图；

图11为本发明所述采样器下体的主视图；

图12为本发明所述中流量虚旋风采样器的性能测试实验流程示意图；

图13为入口流量q＝27.5l/min时，实施例1的捕集效率曲线；

图14为入口流量q＝27.5l/min、实施例1连续工作4小时，其对2.5μm颗粒物去除效率变化趋势；

图中：稳流盖1；顶盖1.1；第二通孔1.1.1；第二沉孔1.1.2；导流柱1.2；采样器上体2；虚旋风腔2.1；第一弧形内壁2.1.1；水平内壁2.1.2；第二弧形内壁2.1.3；圆柱型进气腔2.2；第一倒圆角2.2.1；外缘2.3；第一通孔2.3.1；第一沉孔2.3.2；组装腔2.4；组装一腔2.4.1；组装二腔2.4.2；内螺纹2.4.3；捕集器3；支撑环3.1；捕集皿3.2；第二倒圆角3.2.1；支撑片3.3；采样器下体4；出气腔4.1；出气一腔4.1.1；出气二腔4.1.2；捕集器安装台4.2；组装槽4.3；外螺纹4.3.1；缓冲腔4.4；缓冲一腔4.4.1；缓冲二腔4.4.2；支撑柱5；第三通孔5.1；第一密封圈6；第二密封圈7。

具体实施方式

以下结合附图详细说明本发明的实施情况，但它们不构成对本发明的限定，仅作举例而已。同时通过具体实施例对本发明作进一步的详细描述。

实施例1中流量虚旋风采样器

如图1和2所示的中流量虚旋风采样器，它包括稳流盖1、设有虚旋风腔2.1和圆柱型进气腔2.2的采样器上体2、捕集器3和采样器下体4。该采样器呈整体圆柱形设计，所述稳流盖1通过四个支撑柱5固定在采样器上体2上，所述采样器上体2内安装有捕集器3，所述采样器下体4通过旋合方式与采样器上体2连接。

如图1-3所示，稳流盖1由圆形的顶盖1.1和位于顶盖1.1中部的导流柱1.2组成。所述顶盖1.1上均匀设有四个第二通孔1.1.1，四个所述通孔1.1.1的中心点位于同一圆周上，四个所述通孔1.1.1均组合有供与支撑柱5上端卡入的第二沉孔1.1.2。所述导流柱1.2为一直径为9mm的圆柱体，其与顶盖1.1的连接处设有倒圆角，组装时导流柱1.2插入采样器上体1内但不与采样器上体1的内壁接触。

如图4和5所示，采样器上体2设有一直径为10mm的圆柱型进气腔2.2，所述圆柱型进气腔2.2的上端向外周延伸形成外缘2.3，所述外缘2.3圆柱型进气腔2.2的连接处(即圆柱型进气腔2.2的进口处)设有第一倒圆角2.2.1。所述外缘2.3上均匀设有四个第一通孔2.3.1，四个所述第一通孔2.3.1的中心点位于同一圆周上，四个所述第一通孔2.3.1均组合有供与支撑柱5下端卡入的第一沉孔2.3.2。

如图2和9所示，为了配合与稳流盖1和采样器上体2的组装，支撑柱5设有第三通孔5.1。组装时，先将支撑柱5的下端用环丙树脂粘合到第一沉孔2.3.2中，再将支撑柱5的上端嵌入到第二沉孔1.1.2，最后将螺栓依次穿过第一通孔2.3.1、第三通孔5.1和第二通孔1.1.1，或者依次穿过第二通孔1.1.1、第三通孔5.1和第一通孔2.3.1，并用螺母拧紧固定。所述稳流盖1和采样器上体2组装完成后，所述导流柱1.2位于圆柱型进气腔1.2内并与圆柱型进气腔1.2形成环形进气通道。所述导流柱1.2的下端与圆柱型进气腔1.2的下端平齐。

如图4和6所示，采样器上体2还设有上端与圆柱型进气腔2.2下端连接的虚旋风腔2.1，以及上端与虚旋风腔2.1下端连接的组装腔2.4。所述虚旋风腔2.1由依次连接的第一弧形内壁2.1.1、水平内壁2.1.2和第二弧形内壁2.1.3组成，所述第一弧形内壁2.1.1和第二弧形内壁2.1.3的直径均为5mm、弯曲角度均为90°，其中第一弧形内壁2.1.1向左下方凸起，朝向捕集器3，所述第二弧形内壁2.1.3向右上方凸起。所述组装腔2.4则可分为供与捕集器3组装的组装一腔2.4.1和供与采样器下体4组装的组装二腔2.4.2；所述组装一腔2.4.1的上壁由虚旋风腔2.1下端向外周延伸而成，所述组装一腔2.4.1的周壁下端与组装二腔2.4.2的周壁上端连接，所述组装二腔2.4.2的周壁设有内螺纹2.4.3。

如图7和8所示，捕集器3包括支撑环3.1、周壁外侧上端设有第二倒圆角3.2.1的捕集皿3.2，所述捕集皿3.2位于支撑环3.1的中部，所述捕集皿3.2与支撑环3.1通过三个支撑片3.3连接在一起，三个所述支撑片3.3呈双凹面结构并且均匀的分布，每两个支撑片3.3之间形成一个镂空结构，供于气流通过。在本实施例中，三个支撑片3.3的厚度均与支撑环3.1厚度相同。

如图9和10所示，组装后的捕集器3位于采样器上体2内，其中支撑环3.1和支撑片3.3位于组装一腔2.4.1内，捕集皿3.2的周壁伸入到虚旋风腔2.1中并且位于水平内壁2.1.2的下方，第二倒圆角3.2.1与第二弧形内壁2.1.3相对。为保证气密性，所述支撑环3.1的外侧用第二密封圈7进行固定，所述第二密封圈7的厚度与支撑环3.1厚度相等。

为了从捕集器3下方对捕集器3进行限位，如图11所示的采样器下体4设有捕集器托台4.2，所述支撑环3.1和第二密封圈7均位于捕集器托台4.2和组装一腔2.4.1上壁组成的腔体内。而为了配合与采样器上体2的安装，采样器下体4还设有组装槽4.3，所述组装槽4.3开设在采样器下体4的上部外周，所述组装槽4.3的周壁上设有供与内螺纹2.4.3旋合的外螺纹4.3.1。

如图11所示，采样器下体4内部由缓冲腔4.4和出气腔4.1组成。所述缓冲腔4.4包括缓冲一腔4.4.1和缓冲二腔4.4.2，所述缓冲一腔4.4.1呈圆柱型结构，所述缓冲二腔4.4.2呈“上大下小”的圆台型结构，其上端与缓冲一腔4.4.1的上端连接、其下端与出气腔4.1连接。所述出气腔4.1包括均呈圆柱型结构的出气一腔4.1.1和出气二腔4.1.2，所述出气一腔4.1.1的内径略小于出气二腔4.1.2的内径，所述出气二腔4.1.2内垂直安装有两个第一密封圈6。

使用时，稳流盖1、采样器上体2、捕集器3和采样器下体4依次叠放，所述稳流盖1和采样器上体2之间通过支撑柱5进行支撑。在出气腔4.1的出气二腔4.1.2内中插入市售现有滤膜夹。抽气装置的进气管与滤膜夹出气口连接后，抽气装置开始工作，气体经由导流柱1.2与圆柱型进气腔2.1形成的环形进气通道进入采样器。进入虚旋风腔2.1后，粒径较大的颗粒由于惯性作用保持原有运动方向，被捕集在捕集皿3.2中；粒径较小的颗粒则随着气流方向的改变经过缓冲腔4.4，最终被采集到滤膜夹的滤膜上，从而实现了分级采样。

实施例2采样器性能测试实验：

图12为本发明性能测试实验流程示意图。实验中以洁净(99.999％)的高纯氮作为载气源，氮气通过气溶胶发生器以一定的压力和流量喷射出来，将含有单一粒径的标准psl粒子的异丙醇溶液震荡破碎成许多微小的液滴，然后通过加热干燥管去除携带气溶胶颗粒的气流中的异丙醇和水分，形成单分散气溶胶颗粒。干燥后的标准颗粒在稀释缓冲瓶中充分稀释混匀(稀释气体为经过pall-12144型hepa过滤器过滤的洁净空气)，之后携带着颗粒物的气体进入采样测试箱。进行采样器效率测试时，利用气溶胶粒径谱仪分别测量采样器上、下游的颗粒物浓度，再把两值相除即可得到采样器的颗粒物穿透率。整个系统由真空泵提供动力。

图13为入口流量q＝27.5l/min时，实施例1的捕集效率曲线。通过该效率曲线可以推知，实施例1所述中流量虚旋风采样器在入口流量q＝27.5l/min时的切割粒径为2.5μm。

图14为入口流量q＝27.5l/min、实施例1连续工作4小时，其对2.5μm颗粒物去除效率变化趋势曲线。通过该图可以看出，实施例1所述中流量虚旋风采样器工作效率稳定，可以进行长时间采样。