專利名稱：一種面源氣體自動采樣裝置及采樣方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及氣體采樣領(lǐng)域，尤其涉及一種面源氣體自動采樣裝置及采樣方法。
背景技術(shù)：
對于面源氣體(如土壤、水體和垃圾填埋場等面源排放的氣體)的采樣，一般有靜 態(tài)采樣方法和動態(tài)采樣方法。
靜態(tài)采樣方法包括采樣罩和靜態(tài)采樣箱等，通常是一個底部開口的采樣罩或采樣 箱置于待采樣的面源氣體揮發(fā)源上，有的通入載氣以吹掃出氣體，采樣時直接從取樣口取 出氣體。靜態(tài)采樣箱(采樣罩)內(nèi)外部沒有穩(wěn)定的氣流交換，內(nèi)部環(huán)境與實際待測的氣體 真實環(huán)境相差很大，對氣體的揮發(fā)率有較大的影響。
動態(tài)米樣方法一般利用動態(tài)米樣箱,該動態(tài)米樣箱的底部開有面源氣體米樣口， 動態(tài)采樣箱兩側(cè)壁帶有進氣口和出氣口，通過吹風機吹或者真空泵吸，使穩(wěn)定的氣流從進 氣口進入采樣箱又從出氣口流出，這樣一種動態(tài)平衡的狀態(tài)比靜態(tài)方法更真實的反映了實 際的面源氣體狀況。動態(tài)采樣方法簡便易行，也比靜態(tài)方法更為精確，但是對自然環(huán)境仍然 存在一定程度的破壞，其中氣壓的差異可能使氣體積聚；箱內(nèi)流速與外部自然風速的差異 會影響待測氣體的揮發(fā)率；氣溫的改變也對采樣的可靠性有較大的影響。
由于保證采樣環(huán)境與自然環(huán)境的最大程度的相似存在很多難點，國際上尚沒有動 態(tài)采樣箱的標準規(guī)范，所以國外研究人員構(gòu)建了各種各樣的動態(tài)采樣箱進行面源氣體的采 樣。但是由于沒有標準，所構(gòu)建的動態(tài)采樣箱在結(jié)構(gòu)、采樣方法、流量等參數(shù)上差距很大，所 以相互之間無法比較。
根據(jù)實際需要，往往需要進行多點采樣，而構(gòu)建多通道的采樣系統(tǒng)來進行多點采 樣卻很少有人研究。在國內(nèi)，對于動態(tài)采樣箱的研究非常少。
申請?zhí)枮?00710026451. 2的發(fā)明專利申請公開了一種水體、土壤表面揮發(fā)性氣 體采樣裝置及其采樣方法，該發(fā)明包含一個動態(tài)采樣箱，以氮氣為載氣，調(diào)節(jié)氣體流量計是 輸入氣體與輸出氣體達到相同的流速，待動態(tài)平衡后用真空采樣器采樣。這種采樣方法是 一種典型的以純凈氣體為載氣的采樣方法，以氮氣為輸入氣體可以不用采集環(huán)境氣體，用 攪拌推進器混合樣品可以使氣體均勻，且該采樣裝置與方法不能實現(xiàn)多點自動采樣。
但是使用氮氣為載氣操作，成本較高，不如輸入環(huán)境氣體直接、方便；僅控制輸入 流量與輸出流量相同不能達到最小的破壞自然環(huán)境的目的，需要改進。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種面源氣體采樣裝置，從而解決現(xiàn)有技術(shù)中采樣裝置的 采樣不準確，且使用載氣操作帶來的對環(huán)境的破壞及成本較高的問題。
為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為
一種面源氣體自動采樣裝置，包括測控模塊以及依次連接的氣體采樣機構(gòu)、氣體 輸送機構(gòu)和氣路切換機構(gòu)，
所述氣體采樣機構(gòu)包括
采樣箱，該采樣箱的底部為面源氣體采集口，該采樣箱的兩個相對的側(cè)壁分別設(shè) 有進氣口和出氣口；
進氣閥，與所述進氣口連接；
出氣閥，與所述出氣口連接；
進氣流量傳感器，用于采集進氣口的氣體流量；
出氣流量傳感器，用于米集出氣口的氣體流量；
所述氣體輸送機構(gòu)為真空泵，其吸氣端連接所述出氣閥；
所述氣路切換機構(gòu)為電動三通閥，其中一個端口連接所述真空泵的出氣端，另外 兩個端口分別用于接環(huán)境氣體和氣體分析儀；
所述測控模塊用于根據(jù)所述進氣流量傳感器和出氣流量傳感器的信號以控制所 述進氣閥、出氣閥和電動三通閥。
對面源氣體進行采樣時，首先進行初始化工作，使電動三通閥切換至與環(huán)境氣體 連通，使采樣箱的進氣閥都打開到最大位置，當進氣口的流量等于出氣口的流量時，此時系 統(tǒng)處于動態(tài)平衡狀態(tài)，控制模塊使電動三通閥切換至與氣體分析儀相通，開始采樣。
作為優(yōu)選，所述測控模塊通過讀取進氣流量傳感器及出氣流量傳感器的讀數(shù)，若 兩個流量傳感器的讀數(shù)不同，說明進氣量和出氣量不等，此時，測控模塊將調(diào)節(jié)進氣閥或出 氣閥，直至進氣量和出氣量相等為止。
作為優(yōu)選，所述采樣箱的內(nèi)部安裝有吊扇，加速采樣箱內(nèi)氣體的揮發(fā)和流通，使采 樣箱內(nèi)部快速達到動態(tài)平衡。
作為優(yōu)選，所述采樣箱的頂部還安裝有風速儀，所述測控模塊讀取該風速儀的信 號進而控制所述進氣閥、出氣閥和電動三通閥。測控模塊通過讀取風速儀的數(shù)據(jù)，計算出平 均風速，并且計算出此風速下最適合的進氣量及出氣量(最適流量)，進而調(diào)節(jié)進氣閥和出 氣閥的關(guān)閉，當進氣量和出氣量分別與根據(jù)風速儀讀數(shù)計算出的最適流量相等時，此時采 樣箱內(nèi)達到動態(tài)平衡，電動三通閥則切換至與氣體分析儀連通，開始采樣。
采樣箱內(nèi)外氣壓的差異可能使氣體積聚；氣溫的改變也對采樣的可靠性有較大的 影響，因此作為優(yōu)選，所述采樣箱的內(nèi)壁設(shè)有第一溫度傳感器，所述采樣箱的外壁設(shè)有第二 溫度傳感器，所述測控模塊采集該第一溫度傳感器和第二溫度傳感器的信號進而控制所述 進氣閥、出氣閥和電動三通閥。
作為優(yōu)選，所述采樣箱的箱壁上嵌有壓差傳感器，所述測控模塊采集該壓差傳感 器的信號進而控制所述進氣閥、出氣閥和電動三通閥，用于測量采樣箱的內(nèi)外壓差。
如果第一溫度傳感器和第二溫度傳感器測得的內(nèi)外溫差超過限值，或者是壓差傳 感器測得的內(nèi)外壓差超過限值，則測控模塊發(fā)出警報信號，并控制電動三通閥切換至與環(huán) 境氣體連通，暫停采樣。
本發(fā)明中的采樣箱箱體采用白色PVC板構(gòu)造，形狀為方體，底部開放，大小為長約 50cm,寬約 40cm,高約 10cm。
所述真空泵用于抽送氣體，作為優(yōu)選，所述真空泵流量為50_200L/min。
本發(fā)明還提供了利用所述的面源氣體自動采樣裝置的單點采樣方法，包括如下步 驟
(I)利用所述采樣箱的面源氣體采集口密封的罩在采樣區(qū)域上，將進氣閥的入口 連通至不含有待測氣體的環(huán)境中；
(2)開啟真空泵、進氣閥、出氣閥，并將電動三通閥切換至與環(huán)境氣體連通；
(3)測控模塊采集所述進氣流量傳感器和出氣流量傳感器的信號進而通過調(diào)節(jié)所 述進氣閥和出氣閥使采樣箱內(nèi)達到動態(tài)平衡狀態(tài)；
(4)將電動三通閥切換至與氣體分析儀連通；
(5)通過氣體分析儀采集分析來自氣體采集口的面源氣體。
進行單點采樣時，所述采樣箱的面源氣體采集口密封的罩在采樣區(qū)域上，如果是 以液體水面為氣源，則需要增加漂浮裝置。裝配好本發(fā)明自動采樣裝置后進行初始化工 作，使電動三通閥切換至與環(huán)境氣體相通，使采樣箱的進氣閥和出氣閥都打開到最大位置， 啟動吊扇；通過測控模塊讀取風速儀的數(shù)據(jù)，計算出平均風速，并且計算出此風速下最適合 的進氣量和出氣量，測控模塊讀取進氣流量傳感器和出氣流量傳感器的數(shù)據(jù)，并根據(jù)測得 的當前流量與最適流量的差距，調(diào)整進氣閥或出氣閥，最終使進氣口的流量與出氣口的流 量都等于最適流量，此時達到動態(tài)平衡；達到平衡后，將電動三通閥切換至與氣體分析儀相 通，開始采樣，測控模塊發(fā)出正在采樣的信號；如果壓差傳感器測得的壓差超過限值，或者 第一溫度傳感器和第二溫度傳感器測得的內(nèi)外溫差超過限值，則測控模塊發(fā)出報警信號， 使電動三通閥切換至與環(huán)境氣體相通，暫停采樣。
本發(fā)明還提供了利用所述的面源氣體自動采樣裝置的多點采樣方法，進行多點采 樣時，所述氣體采樣機構(gòu)為多個，各個氣體采樣機構(gòu)中的出氣閥通過各自對應(yīng)的控制閥并 聯(lián)接入所述真空泵的吸氣端。
具體包括如下步驟
(I)針對每一氣體采樣機構(gòu)，利用所述采樣箱的面源氣體采集口密封的罩在采樣 區(qū)域上，將進氣閥的入口連通至不含有待測氣體的環(huán)境中；
(2)開啟真空泵以及所有采樣機構(gòu)的進氣閥、出氣閥、控制閥，并將電動三通閥切 換至與環(huán)境氣體連通；
(3)測控模塊采集每一氣體采樣機構(gòu)中進氣流量傳感器和出氣流量傳感器的信 號，進而通過調(diào)節(jié)對應(yīng)的進氣閥和出氣閥使各個采樣箱內(nèi)達到動態(tài)平衡狀態(tài)；
(4)將電動三通閥切換至與氣體分析儀連通；
(5)保持指定氣體采樣機構(gòu)中控制閥的導通，而關(guān)閉其余控制閥，通過氣體分析儀 采集分析來自指定氣體采樣機構(gòu)的面源氣體。
進行多點采樣時與單點采樣的區(qū)別僅在于，開啟真空泵后需將多個采樣箱均調(diào)節(jié) 至平衡狀態(tài)，然后使電動三通閥切換至與氣體分析儀相通，保持指定氣體采樣機構(gòu)中控制 閥的導通，而關(guān)閉其余控制閥，對指定氣體采樣機構(gòu)處的面源氣體進行采樣。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下特點
I)根據(jù)風速確定采樣流量，使采樣箱內(nèi)部盡可能的接近自然環(huán)境。
2)設(shè)定內(nèi)外溫度差，壓強差的限值，保證采樣的有效性，防止過大的采樣誤差。
3)利用測控模塊自動調(diào)節(jié)，實現(xiàn)了采樣的自動化，使操作更簡便，更精確。
4)避免使用載氣，是操作更簡便，降低成本。
5)易于實現(xiàn)多點米樣,可以構(gòu)建多點米樣系統(tǒng)。


圖1為本發(fā)明自動采樣裝置應(yīng)用于固態(tài)面源氣體(如土壤)的結(jié)構(gòu)示意圖(單點 采樣)，其中，1，土壤等固態(tài)氣體面源；2，進氣流量傳感器；3，進氣閥；4，第一溫度傳感器； 5，測控模塊；6，吊扇；7，第二溫度傳感器；8，風速儀；9，采樣箱；10，壓差傳感器；11，出氣 閥；12，出氣流量傳感器；13，真空泵；14，電動三通閥；15，氣體分析儀；
圖2為本發(fā)明自動采樣裝置應(yīng)用于液態(tài)面源氣體(如污水池)的結(jié)構(gòu)示意圖(單 點采樣)，其中，16，污水池等液態(tài)氣體面源；17，漂浮裝置；
圖3為本發(fā)明自動采樣裝置應(yīng)用于固態(tài)面源氣體(如土壤)的結(jié)構(gòu)示意圖(多點 采樣)，其中，18，控制閥。
具體實施方式
本發(fā)明面源氣體自動采樣裝置的構(gòu)成如圖1所示，包括采樣箱9，該采樣箱箱體采 用白色PVC板構(gòu)造,形狀為方體,長約50cm,寬約40cm,高約10cm。該采樣箱9的底部為面 源氣體采集口，該采樣箱的兩個相對的側(cè)壁分別設(shè)有進氣口和出氣口 ；進氣口連接有進氣 閥3，出氣口連接有出氣閥11，還設(shè)有真空泵13，該真空泵13的吸氣端連接出氣閥11，真 空泵13的出氣端連接有電動三通閥14，真空泵13用于抽送氣體，其流量控制在50-200L/ min,電動三通閥14的兩個端口分別用于接環(huán)境氣體和氣體分析儀15 ；
在進氣閥3的前部設(shè)有進氣流量傳感器2，在出氣閥11與真空泵13之間設(shè)有出氣 流量傳感器12，用于監(jiān)控采樣箱9的進氣量和出氣量，該自動采樣裝置還設(shè)有測控模塊5， 用于采集進氣流量傳感器和出氣流量傳感器的信號以控制進氣閥3、出氣閥11和電動三通 閥14的開閉。
從圖中可看出，采樣箱9的內(nèi)部安裝有吊扇6，能夠加速采樣箱9內(nèi)氣體的流通，采 樣箱9的頂部還安裝有風速儀8，測控模塊5讀取該風速儀8的信號進而輔助控制所述進氣 閥3、出氣閥11和電動三通閥14。
在米樣箱9的內(nèi)壁設(shè)有第一溫度傳感器4,米樣箱9的外壁設(shè)有第二溫度傳感器 7，采樣箱9的箱壁上嵌有壓差傳感器10，利用溫度傳感器和壓差傳感器來判別采樣箱9的 內(nèi)外環(huán)境，測控模塊5根據(jù)這些傳感器的信號來判別是否進行采樣。
利用本發(fā)明自動采樣箱對面源氣體進行采樣的過程如下
如圖1所示，對土壤等固態(tài)氣體面源I進行單點采樣時，所述采樣箱9的面源氣體 采集口密封的罩在采樣區(qū)域上，如果是液態(tài)面源氣體(如污水池)，則需要增加漂浮裝置， 如圖2所示，將漂浮裝置17固定于采樣箱9的下沿四周，然后放入污水池等液態(tài)氣體面源 16的表面，真空泵13等其余裝置置于水體邊空地上。裝配好本發(fā)明自動采樣裝置后進行初 始化工作，使電動三通閥14切換至與環(huán)境氣體相通，使采樣箱9的進氣閥3和出氣閥11都 打開到最大位置，啟動吊扇6 ;通過測控模塊5讀取風速儀8的數(shù)據(jù)，計算出平均風速，并且 計算出此風速下最適合的進氣量和出氣量，測控模塊5讀取進氣流量傳感器2和出氣流量 傳感器12的數(shù)據(jù)，并根據(jù)測得的當前流量與最適流量的差距，調(diào)整進氣閥3或出氣閥11，最 終使進氣口的流量與出氣口的流量都等于最適流量，此時達到動態(tài)平衡；達到平衡后，將電 動三通閥14切換至與氣體分析儀15相通，開始采樣，測控模塊5發(fā)出正在采樣的信號；如果壓差傳感器測得的壓差超過限值，或者第一溫度傳感器4和第二溫度傳感器7測得的內(nèi) 外溫差超過限值，則測控模塊5發(fā)出報警信號，使電動三通閥14切換至與環(huán)境氣體相通，暫 停采樣。
根據(jù)本發(fā)明自動采樣裝置也可構(gòu)建多點采樣系統(tǒng)，若把上述自動采樣裝置中除真 空泵13、電動三通閥14和氣體分析儀15的部分定義為氣體采樣機構(gòu)，則多點采樣系統(tǒng)中的 氣體采樣機構(gòu)為多個，各個氣體采樣機構(gòu)中的出氣閥通過各自對應(yīng)的控制閥18并聯(lián)接入 真空泵13的吸氣端，如圖3所示，為上述單點采樣系統(tǒng)經(jīng)組裝后的多點采樣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示 意圖。
進行多點采樣時，與單點采樣的區(qū)別僅在于，開啟真空泵13后需將多個采樣箱均 調(diào)節(jié)至平衡狀態(tài)，然后使電動三通閥14切換至與氣體分析儀15相通，保持指定氣體采樣機 構(gòu)中控制閥18的導通，而關(guān)閉其余控制閥，對指定氣體采樣機構(gòu)處的面源氣體進行采樣。
權(quán)利要求
1.一種面源氣體自動采樣裝置，包括測控模塊以及依次連接的氣體采樣機構(gòu)、氣體輸送機構(gòu)和氣路切換機構(gòu)，其特征在于，所述氣體采樣機構(gòu)包括采樣箱，該采樣箱的底部為面源氣體采集口，該采樣箱的兩個相對的側(cè)壁分別設(shè)有進氣口和出氣口；進氣閥，與所述進氣口連接；出氣閥，與所述出氣口連接；進氣流量傳感器，用于采集進氣口的氣體流量；出氣流量傳感器，用于采集出氣口的氣體流量；所述氣體輸送機構(gòu)為真空泵，其吸氣端連接所述出氣閥；所述氣路切換機構(gòu)為電動三通閥，其中一個端口連接所述真空泵的出氣端，另外兩個端口分別用于連接環(huán)境氣體和氣體分析儀；所述測控模塊用于測量所述進氣流量傳感器和出氣流量傳感器的信號進而控制所述進氣閥、出氣閥和電動三通閥。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的面源氣體自動采樣裝置，其特征在于，所述采樣箱的內(nèi)部安裝有使氣體混合均勻的吊扇。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的面源氣體自動采樣裝置，其特征在于，所述采樣箱的頂部還安裝有風速儀，所述測控模塊讀取該風速儀的信號進而控制所述進氣閥、出氣閥和電動三通閥。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的面源氣體自動采樣裝置，其特征在于，所述采樣箱的內(nèi)壁設(shè)有第一溫度傳感器，所述采樣箱的外壁設(shè)有第二溫度傳感器，所述測控模塊采集該第一溫度傳感器和第二溫度傳感器的信號進而控制所述進氣閥、出氣閥和電動三通閥。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的面源氣體自動采樣裝置，其特征在于，所述采樣箱的箱壁上嵌有壓差傳感器，所述測控模塊采集該壓差傳感器的信號進而控制所述進氣閥、出氣閥和電動三通閥。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的面源氣體自動采樣裝置，其特征在于，所述真空泵流量為 50_200L/min。
7.根據(jù)權(quán)利要求1 6任一項所述的面源氣體自動采樣裝置，其特征在于，所述氣體采樣機構(gòu)為多個，各個氣體采樣機構(gòu)中的出氣閥通過各自對應(yīng)的控制閥并聯(lián)接入所述真空泵的吸氣端。
8.利用權(quán)利要求1 6任一項所述的面源氣體自動采樣裝置的單點采樣方法，其特征在于，包括如下步驟(1)利用所述采樣箱的面源氣體采集口密封的罩在采樣區(qū)域上，將進氣閥的入口連通至不含有待測氣體的環(huán)境中；(2)開啟真空泵、進氣閥、出氣閥，并將電動三通閥切換至與環(huán)境氣體連通；(3)測控模塊采集所述進氣流量傳感器和出氣流量傳感器的信號，進而通過調(diào)節(jié)所述進氣閥和出氣閥使采樣箱內(nèi)達到動態(tài)平衡狀態(tài)；(4)將電動三通閥切換至與氣體分析儀連通；(5)通過氣體分析儀采集分析來自氣體采集口的面源氣體。
9.利用權(quán)利要求7所述的面源氣體自動采樣裝置的多點采樣方法，其特征在于，包括如下步驟(1)針對每一氣體采樣機構(gòu)，利用所述采樣箱的面源氣體采集口密封的罩在采樣區(qū)域上，將進氣閥的入口連通至不含有待測氣體的環(huán)境中；(2)開啟真空泵以及所有采樣機構(gòu)的進氣閥、出氣閥、控制閥，并將電動三通閥切換至與環(huán)境氣體連通；(3)測控模塊采集每一氣體采樣機構(gòu)中進氣流量傳感器和出氣流量傳感器的信號，進而通過調(diào)節(jié)對應(yīng)的進氣閥和出氣閥使各個采樣箱內(nèi)達到動態(tài)平衡狀態(tài)；(4)將電動三通閥切換至與氣體分析儀連通；(5)保持指定氣體采樣機構(gòu)中控制閥的導通，而關(guān)閉其余控制閥，通過氣體分析儀采集分析來自指定氣體采樣機構(gòu)的面源氣體。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種面源氣體自動采樣裝置，包括測控模塊以及依次連接的氣體采樣機構(gòu)、氣體輸送機構(gòu)和氣路切換機構(gòu)，所述氣體采樣機構(gòu)包括采樣箱、進氣閥、出氣閥、進氣流量傳感器和出氣流量傳感器；所述氣路切換機構(gòu)為電動三通閥；所述測控模塊用于測量所述進氣流量傳感器和出氣流量傳感器的信號進而控制所述進氣閥、出氣閥和電動三通閥。本發(fā)明還公開了利用該面源氣體自動采樣裝置進行單點采樣及多點采樣的方法，根據(jù)風速自動確定采樣流量，使采樣箱內(nèi)部盡可能的接近自然環(huán)境；且設(shè)定內(nèi)外溫度差和壓強差的限值，保證采樣的有效性，保證采樣精度；整個采樣裝置利用測控模塊自動調(diào)節(jié)，實現(xiàn)了面源氣體采樣的自動化，使操作更簡便，更精確。
文檔編號G01N1/22GK103063481SQ20121059249
公開日2013年4月24日 申請日期2012年12月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月28日
發(fā)明者汪開英, 薛紅兵, 黃丹丹 申請人:浙江大學