一种恒流采样限流阀的制作方法

本发明涉及一种用于采样时的限流阀，尤其是用于保持采样流量恒定的恒流采样限流阀。

背景技术：

用预先抽真空的采样罐(苏码罐)采集空气样，有瞬时样和平均样两种方式。瞬时样的采集比较简单，操作时只需打开采样罐阀门，利用罐内真空将空气样在短时间(通常小于10秒)吸入到采样罐中。这种方式采集的样品代表打开阀门瞬间的周边空气污染状况。平均样(又称混合样)的采集要复杂一些，在打开阀门进行采样时，需控制气样进入采样罐的流速，使气体在整个采样期间以相同的流量速度(等速)进入采样罐。这种方式采集的样品代表周边空气在整个采样过程期间的平均污染情况。在环境空气质量的监测中，平均样的常见采样时长有半小时(0.5h)，一小时(1h)，三小时(3h)，八小时(8h)，一天(24h)和一周(144h)。采样流量的大小取决于采样时长、采样罐的容积、最终剩余真空度(压力)等。常见的采样流量见表1。比如，当用容积为6升的采样罐采集3h平均样，采至终压为25inhg(绝压)时，目标采样流量应控制在28.9ml/min左右。

表1罐采样的常见目标采样流量(ml/min)

注：以上流量为一个大气压(101.325kpa)和采样终压为-4inhg(86.6％罐体积)下的参考值

挥发性有机物(vocs)是造成细颗粒物(pm2.5)和臭氧(o3)污染的重要前驱体，因此近年来已逐渐成为国家环境污染治理的重点。在vocs环境空气质量评价中，由于环境空气中vocs浓度时空变化较大，瞬时采样方式因代表性不强已很少使用，一般监测项目中都采用3h，8h或24h的平均样。而平均样的代表性，是基于采样过程中采样流量的稳定性，因此在整个采样过程中维持采样流量的准确和稳定非常重要。所以说，采样流量的测量和控制是vocs环境监测中的一个重要环节。一个简单而有效的控制实际采样流量的方法，对确保采集平均样的数据质量、调节采样限流阀等均具有重要的意义。

实际采样时，随着采样过程的进行，罐内的气体压力会逐渐升高(真空度减少)，与周边空气间的压差逐渐减少，因此气样流速会逐渐降低，如不加以控制，不能满足平均样的恒流采样的要求。当前的环境监测中，平均样采集的气体流速控制有三种方法：

1、使用限流孔或基于限流孔的阀门(比如限流针阀)，利用小孔来限制进入罐内的气体流量。这个方法的优点是结构简单、属纯机械装置(无电子部件)因而特别稳定，无需动力(电源或电池)。缺点是受孔板原理的限制，只有当外界大气压力和罐内压力间的压降超过临界值才能维持流量恒定。随着采样的进行，罐内的压力会逐渐增高，和外界压差逐渐减少，当压降小于临界值后，采样流量即随着罐内压力的上升而下降，不能满足在整个采样时段内流量维持恒定的要求。图1展示了使用美国世伟络克的经典限流针阀时采样的流量随采样罐内压力增加而变化的情况(6升罐3小时采样)。由图1中可见，在预设的3小时采样时长内，限流针阀只能在采样刚开始前20分钟左右维持流量恒定，之后随着采样罐内压力的增加，采样流量开始降低，不再满足恒流采样的要求。很显然，使用限流针阀，是一种很粗略的采样方式，原则上满足不了平均样恒流采样的要求。

2、采用质量流量控制器(massflowcontroller)来主动控制流入采样罐的气体流速。这种方法的优点是不受罐内压力大小的影响，在整个采样时长内可控制采样流量的恒定。然后，这个方法至少有三个缺点：(a)需要有基于质量流量控制器的专门采样设备，成本昂贵且需定期校准；(b)质量流量控制器一般使用热传导扩散原理来测量气体的流量并进行实时调整，在整个采样过程必须有电源支持，这对供电不便的野外站点是一个挑战。虽然可以使用大容量电池，但对长时间的采样，比如采样时长为一周的样品，维持流量恒定需要的电量很大，实际操作性比较差；(c)质量流量控制器的内部链接和阀门处有很多密封用的o-型圈和密封件，这些部件多为有机材质，容易吸附或释放化合物到所采集的vocs样品中，造成样品污染。

3、通过电磁阀的频繁开关来控制流量。此方法的原理是将电磁阀置于气路中，通过控制电磁阀的开关时间，来弥补因压差下降而造成的气体流量的减少(cn208125450u一种环境空气恒流自动采样装置)。这个方法的缺点有：(a)采样只有在电磁阀打开时才进行，当电池阀关闭时，采样是停止的，所以严格地说，采集的样品是采样时长内的零星样品，虽然分布比较均匀，但不是真正意义上的平均样；(b)电磁阀维持开关及其控制元件需要较大功率的电源支持，这对长时间的平均样，比如周样，可操作性受电源插座供电的限制；(c)电磁阀内部有润滑油和有机密封材料，这些物质容易吸附或释放化合物到所采集的vocs样品中，造成样品污染。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是，提供一种恒流采样限流阀，可用于维持采样过程中的流量恒定，该恒流采样限流阀利用纯机械部件，在用限流孔对流量进行初步调控后，可对流量进行二次调控，以达到流量恒定的目的。

为解决上述技术问题，本发明公开了一种恒流采样限流阀，该恒流采样限流阀包括限流孔和主阀体，所述限流孔连通进气口，所述主阀体包括主盖体和后盖，主盖体内设置有两个腔体，一个为贯通的气路通道，该气路通道一端连通限流孔，另一端设置有可连通采样罐的采样罐接口；另一个为主盖体和后盖之间的空间，内设有弹性膜片，该弹性膜片与主盖体密封接触，在弹性膜片与气路通道壁之间留有弹性腔；后盖位于弹性膜片的外侧，并与主盖体固定；其中，限流孔用冷压法固定于1/4英寸世伟洛克(或其兼容类型)的接头中，以方便不同孔径的限流孔间的相互更换。冷压封装好的世伟洛克接头外部打上限流孔标号，以便识别。这样处理后，同一个限流阀可通过更换限流孔的方式来适用于不同的流量范围需求。采样罐接口采用1/4英寸管，作为下游采样罐的接口。这个接口可以根据需要设计成世伟洛克(或其兼容类型)的公接头或母接头、或者是快速接头类型。

在所述气路通道内设置有活塞式喷嘴，气路通道由该活塞式喷嘴隔断为进气段和出气段；

所述气路通道的进气段与弹性腔之间连通，弹性腔经活塞式喷嘴与气路通道的出气段连通；

所述后盖上开设有大气压力平衡口。

进一步地，所述进气口设置有颗粒物过滤器，该颗粒物过滤器内装填有孔径为1-7μm的不锈钢烧结片过滤材料，以防止气样中的颗粒物堵塞限流孔和污染气样，不锈钢烧结过滤芯的孔径为1～7μm，最优选为2μm，次优为5μm，再次优为7μm。

进一步地，所述颗粒物过滤器与限流孔之间通过进样弯管连接。

进一步地，在所述弹性膜片与后盖之间还设置有膜片压紧垫片，该膜片压紧垫片压住弹性膜片的外周。

进一步地，所述主盖体的外侧还设置有凸起的螺纹孔柱，活塞式喷嘴有一个螺纹端，该螺纹端位于该螺纹孔柱内，螺纹孔柱内还连接有调节螺栓，该调节螺栓的内端抵住活塞式喷嘴的螺纹端，外端设有保护螺帽。

进一步地，所述气路通道内还设置有卡固件，活塞式喷嘴固定于该卡固件。

喷嘴采用活塞式结构，可沿着螺纹孔柱以及卡固件内通道形成的中心腔道滑动。通过调节螺栓调节和弹性膜片间的距离，可以在一定范围内调节流量的大小。调节完毕时，盖上保护螺帽，以防被误碰而移动。活塞式喷嘴和气路通道以及卡固件之间通过两个喷嘴o型圈来密封。为减少对样品的污染，o型圈优选聚氟材料，比如聚四氟乙烯或vitono型圈。

进一步地，所述弹性膜片的外周位于弹性腔一侧通过膜片密封o型圈与主盖体密封设置。

进一步地，所述主阀体还设置有压力表接口，该压力表接口连接主盖体，且连通气路通道的出气段。压力表接口上可以安装真空压力复合表用来指示采样过程中罐体内的压力。压力表接口可根据美观和平衡的需要位于主盖体上的任何位置，只要连通气路通道的出气段即可，并不影响其功能。

进一步地，该恒流采样限流阀与采样空气接触的部件均采用316型不锈钢铸件，所述弹性膜片由软性的316型不锈钢薄片制成。包括颗粒物过滤器、进样弯管、限流孔、主阀体的主盖体、活塞式喷嘴(或称吸嘴)、不锈钢弹性膜片及采样罐接口也采用316型不锈钢制成。由于主要部件均为316不锈钢，可进行硅烷化钝化处理，满足vocs采样的要求。

进一步地，所述弹性膜片的中心部位为平整面，其余部位为波浪面。

限流阀作为采样器材，可以将其所有和采样气体接触的部件都进行钝化处理，以保证采样分析的准确性，包括颗粒物过滤器、进样弯管、限流孔、主阀体的主盖体、活塞式喷嘴(或称吸嘴)、不锈钢弹性膜片等，膜片密封o型圈则选择聚氟材料，比如聚四氟乙烯或vitono型圈。不和气样直接接触的部件，比如膜片压紧垫片和主阀体的后盖，可以不进行硅烷化钝化处理，但是由于硅烷化处理可以给金属表面覆上一层有金属质感的紫红色或深蓝色，为了整个阀门的美学观感，所有部件都可以进行硅烷化钝化处理。但是，硅烷化钝化处理只是使限流阀适合用于vocs的采样，本身并不影响限流阀的恒流功能。

为减少野外采样时因大气温度变化而造成对流量的影响，限流孔由热膨胀系数很小的材料制造。满足这一条件且成本较低的材料，优选的为人造红宝石(主要成分为刚玉，化学式α-al2o3，呈现红色是由于其中混有少量含铬化合物)和人造蓝宝石(主要成分为刚玉，化学式α-al2o3，呈现蓝色是由于其中混有少量含钛化合物)。次选材料为热膨胀系数很小的不变钢(又称因瓦合金、殷瓦钢、恒范钢)。限流孔有不同的孔径大小，对应于不同的采样流量。常见的，限流孔直径从0.02到0.2mm。其中，0.02mm孔径对应流量范围0.5～7ml/min；0.04mm孔径对应流量范围2～15ml/min；0.07mm孔径对应流量范围5～25ml/min；0.11mm孔径对应流量范围13～60ml/min；0.21mm孔径对应流量范围50～500ml/min。各级别的小孔孔径的选择，一方面需要覆盖从0.5～500ml/min整个常见的采样流量范围(表1)，另一方面，由于孔径的加工有一定的误差，各级别小孔的覆盖流量范围需要有一定的交叉。此外，在限流孔的制作过程中，因孔径误差、孔口形状差别、孔长(小孔在和孔表面垂直的方向上的厚度)差别等，实际流量可以和上述的有所差异。但是，孔径选取的原理和思路是相通的。

本发明对流量的恒流控制通过两个步骤进行：第一步，使用限流孔将流量控制在一定范围内；不同孔径的限流孔对应不同的流量范围。第二步，通过活塞式喷嘴和弹性膜片对流量进行二次调节。随采样的进行，罐内压力将逐渐上升，在压力作用下弹性膜片逐渐增大(自动调节)和活塞式喷嘴间的距离，自动补偿因上下游压差变小而降低的流量。通过弹性膜片和活塞式喷嘴的协同作用，维持整个采样时长内采样流量的恒定。本发明是在限流孔基础上，再利用弹性膜片和活塞式喷嘴的协同作用来进一步稳定流量的装置，是对传统只利用限流孔进行流量控制的一大进步。

综上，本发明具有以下特点：1、纯机械部件，无需电源支持，适合野外任何地点的采样。2、通过更换不同孔径的限流孔以及调节喷嘴和弹性膜片间的距离，覆盖常见的采样罐采样流量范围0.5～500ml/min。3、二次调控是通过活塞式喷嘴和用于压力补偿的弹性膜片进行的。弹性膜片将根据罐内压力的情况，自动调节和活塞式喷嘴间的距离，从而影响喷嘴喷出的气体量，通过弹性膜片和活塞式喷嘴的协同作用，维持整个采样时长内采样流量的恒定。保证采样罐内真空从30inhg(初始真空)到3inhg(终止弱真空)的上升过程中，从周边空气到采样罐的气体流速维持恒定(不因罐内压力的上升而变化，或变化很小)，从而满足平均样的采样要求。

附图说明

图1为使用针阀(限流孔)时罐采样流量随采样时间的变化情况；

图2为本发明限流阀的整体结构示意图；

图3为本发明限流阀主阀体剖视放大结构示意图；

图4为本发明主阀体的部件分解示意图；

图5为将本发明的恒流采样限流阀应用于采样罐时的结构示意图；

图6为3l采样罐采用本发明的恒流采样限流阀后3h采样流量结果统计图。

图中标号：1-颗粒物过滤器；1.1-保护盖帽；2-进样弯管；3-限流孔；4-主阀体；4.1-调节螺栓；；4.2-主盖体；4.2.1-进气段；4.2.2-出气段；4.2.3-气路通道壁；4.3-活塞式喷嘴；4.3.1-喷嘴进气通道；4.3.2-喷嘴出气通道；4.3.3-喷嘴o型圈；4.4-膜片密封o型圈；4.5-弹性膜片；4.5.1-平整面；4.5.2-波浪面；4.6-膜片压紧垫片；4.6.1-垫片通气孔；4.7-后盖；4.7.1-大气压力平衡口；4.8-弹性腔；4.9-卡固件；4.9.1-卡固件气道；4.10-螺纹孔柱；4.11-保护螺帽；5-压力表接口；5.1-真空压力复合表；6-采样罐接口；7-采样罐。

具体实施方式

下面结合实施例，进一步详细说明本发明。

如图2所示，本发明的恒流采样限流阀主要包括设置于进气口处的颗粒物过滤器1，该颗粒物过滤器1内装填有孔径为1-7μm的不锈钢烧结片过滤材料，以孔径2μm为最佳，去除气样中大于2μm的颗粒，以防颗粒物堵塞下游的限流孔及污染已采集的气样(颗粒物在存储过程中会释放出vocs到气体样品中)。颗粒物过滤器1通过进样弯管2连接限流孔3，限流孔3连通主阀体4，主阀体4如图3、图4所示。主阀体4包括主盖体4.2和盖在主盖体4.2一侧的后盖4.7，后盖4.7上开设有大气压力平衡口4.7.1，该大气压力平衡口4.7.1连通内部，即后盖4.7与主盖体4.2之间的空间，该空间内设置有弹性膜片4.5和膜片压紧垫片4.6，弹性膜片4.5的外周内侧通过膜片密封o型圈4.4与主盖体4.2密封接触，膜片压紧垫片4.6的外周内侧设置有凸条，该凸条紧压弹性膜片4.5的中部及外周外侧则被后盖4.7上相应位置设置的凸条和凸台抵住固定。在膜片压紧垫片4.6上也开设有供大气流通的垫片通气孔4.6.1。弹性膜片4.5的中心部位为平整面4.5.1，其余部位为波浪面4.5.2。

弹性膜片4.5和膜片压紧垫片4.6均以远离后盖4.7的一侧为内侧，另一侧为外侧。

主阀体4还设置有一个独立于后盖4.7与主盖体4.2之间的空间的腔体，为贯通的气路通道，该气路通道一端连通限流孔3，另一端设置有可连通采样罐的采样罐接口6，且在该气路通道中部设置有卡固件4.9，将气路通道隔断为进气段4.2.1和出气段4.2.2，该卡固件4.9内固定设置有可移动的活塞式喷嘴4.3(或称吸嘴)，活塞式喷嘴4.3有一个螺纹端，该螺纹端与螺纹孔柱1.10螺纹连接，螺纹孔柱1.10凸起设置于主盖体4.2的外侧。螺纹孔柱1.10内还连接有调节螺栓4.1，该调节螺栓4.1的内端抵住活塞式喷嘴4.3的螺纹端，外端设有保护螺帽4.11。活塞式喷嘴4.3上设置有两个o型圈，形成于卡固件4.9和气路通道之间的密封。气路通道平行于后盖4.7与主盖体4.2之间的空间，在气路通道壁4.2.3与弹性膜片4.5之间留有弹性腔4.8，该弹性腔4.8通过设置于气路通道壁4.2.3上的通气孔与气路通道的进气段4.2.1连通。

在活塞式喷嘴4.3内设置有连通弹性腔4.8的喷嘴进气通道4.3.1，该活塞式喷嘴4.3内还设置有喷嘴出气通道4.3.2，在卡固件4.9的一侧设置有卡固件气道4.9.1，所述喷嘴出气通道4.3.2一端连通进气通道4.3.1，另一端连通卡固件气道4.9.1，卡固件气道4.9.1的另一端连通气路通道的出气段4.2.2。出气段4.2.2的出口设置有采样罐接口6，采样罐接口6用于连接采样罐的进气口，采样罐接口6为1/4英寸管。

所有与采样空气接触的部件均采用316型不锈钢铸件，包括颗粒物过滤器1，进样弯管2，限流孔3，主主盖体4.2，弹性膜片4.5，活塞式喷嘴4.3，卡固件4.9，采样罐接口6。

为了实时监控采样罐内的压力，在主阀体4上还连接有压力表接口5，该压力表接口5位于主盖体4.2，且连通气路通道的出气段4.2.2。所述弹性膜片4.5由软性的316型不锈钢薄片制成。

该恒流限流采样阀在不使用时，颗粒物过滤器1的进气端用保护盖帽1.1盖住。

主阀体4采用扁平的圆盘结构，弹性膜片4.5、膜片压紧垫片4.6、后盖4.7均呈圆形，膜片密封o型圈4.4为圆环形。

采样气体经颗粒物过滤器1过滤，并通过进样弯管2后，在限流孔3受到初步限流，主要限定流量的大概范围，然后进入限流阀主阀体4，在此受到二次流量控制，最后流入下游的采样罐。二次流量控制中，通过弹性膜片4.5和活塞式喷嘴4.3间的协同作用，对流量进行补偿，使其恒定在一个固定的设定值，实现恒流。这个流量的固定值和活塞式喷嘴4.3与弹性膜片4.5间的预设距离有关，可通过调整调节螺栓4.1的位置控制活塞式喷嘴4.3位置。恒流的补偿原理是，弹性膜片4.5为有弹性的软质不锈钢金属片，右侧因膜片压紧垫片4.6连通大气，始终承受一个大气压的压力，左侧通过活塞式吸嘴4.3和与采样罐罐体连通。罐体内的压力(真空，负压)，通过活塞式喷嘴4.3传递到弹性膜片4.5中心部位的平整面4.5.1。气体通过活塞式喷嘴4.3从右往左(图3中所示)进入采样罐罐体，对弹性膜片4.5的左侧产生吸力，采样罐内的真空越强时，这个吸力也强，导致弹性膜片4.5越向左突出，从而减少进入活塞式喷嘴4.3的气流量，起到自我调节的作用。随着采样的进行，罐内压力会逐渐升高，弹性膜片4.5向右回弹的机械弹力将弹性膜片4.5逐渐拉回右边，加大活塞式喷嘴4.3和弹性膜片4.5间的距离，从而增加活塞式喷嘴4.3的吸入气流量。综合起来，通过限流孔3的限流和弹性膜片4.5的弹性，即可自动实现采样过程中的恒流。通过调整调节螺栓4.1的位置调整活塞式喷嘴4.3离弹性膜片4.5间的相对位置，可在一定范围内调节这一恒流的具体流速。当活塞式喷嘴4.3靠近弹性膜片4.5时，恒流流量减少，反之，当活塞式喷嘴4.3远离弹性膜片4.5时，恒流流量增大。也就是说，一个恒流采样器制备完毕后，更换上游限流孔3的大小可改变恒流流量的级别(流量范围)，调整下游活塞式喷嘴4.3和弹性膜片4.5间的距离，可这一流量级别中调节具体流量的大小。

实施例1

如图5所示，将本发明的恒流采样限流阀应用于采样罐7。将恒流采样限流阀的采样罐接口6与采样罐7的进气口固定连接即可。当确定一种规格的限流孔3后，可通过旋转调节螺栓4.1来调节限流阀的具体流量。当调节完流量后，可将保护螺帽4.11盖上，用于固定活塞式喷嘴4.3的位置(从而固定采样流量)。

打开保护盖帽1.1即可进行平均样的采样。

对本发明的恒流采样限流阀的恒流性能进行了测试：使用3升罐，进行3小时采样时，限流孔3选用孔径为0.07mm的蓝宝石限流孔，将限流阀的流量调至14.4ml/min，并对采样的全过程进行流量测量，结果见图6。由图6可见，在3小时的采样时间内，本发明中的限流阀能将流量稳定地恒流在目标流量14.4ml/min左右，真正满足恒流采样的要求。维持的采样的流量，可一直稳定到200分钟左右，此时采样罐已基本采满，真空度只有3inhg左右，流量才开始急速下降。