本发明涉及环境监测技术领域，更具体地涉及一种多通道高塔梯度自动大气采样装置和方法。
背景技术
对大气污染的深入研究发现，大气污染的形成受到本地排放和区域传输的双重影响，因此仅在地表进行大气污染物的观测已经不能满足污染区域化研究的需求，然而飞机和系留艇的使用由于成本过高，操作条件苛刻，还不能作为常规的观测手段。相对于飞机和系留艇，高塔虽然位置固定，但可以随意选择观测高度，并可以获得长期稳定的观测数据，目前已经成为城市冠层内大气污染物观测的主要手段。然而，在高度为200-300m的高塔上安放仪器存在着空间狭小，维护困难的缺点，而且部分有机成分分析仪器还联接有前级处理仪，并不适用安放在高塔上。因此，需要开发一种能够将高塔上气体分层引入到室内并能与不同污染物分析仪对接的高高塔梯度气体采集装置。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种多通道高塔梯度自动大气采样装置和方法，可以在设定条件下自动将不同高度的气体引入实验室，并根据需要将气体导入对应气路进行相应的捕集和处理，可以直接获得相关环境气体数据，也可以与气体分析仪器对接或进行大气样品收集。
为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，本发明提供了一种多通道高塔梯度自动大气采样装置，包括：
垂直的梯度采管，缓冲贮气罐、采样泵和控制单元；
其中，所述梯度采管在不同高度设置有采样支管，所述采样支管分别通过独立控制的三通阀与所述梯度采管相连，用于在不同高度采样；
所述缓冲贮气罐的一端与所述梯度采管的底端相连，另一端与所述采样泵通过管道相连，所述缓冲贮气罐上设置有多通道采集端口，用于采集不同组分的气体样品，每个采集端口设置有流量控制器和开关；
所述控制单元用于控制所述三通阀、流量控制器和所述开关。
优选地，所述梯度采管设置在高塔上，所述高塔的高度大于50m，优选大于100m。
优选地，所述采样支管的采样口上设置有过滤网。
优选地，所述多通道采集端口中的一个采集端口与一个或多个气体传感器相连，用于监测不同高度大气成分的浓度。
优选地，所述气体传感器包括一氧化碳传感器、臭氧传感器、氮氧化物传感器中的一种或多种。
优选地，所述多通道采集端口中的一个采集端口设置有颗粒物过滤膜。
优选地，所述采集端口与气体浓缩装置相连，用于检测大气中痕量有机物。
优选地，所述多通道采集端口中的一个采集端口设置有颗粒物切割头，用于采集不同粒径的大气颗粒物。
优选地，所述多通道采集端口包括一个备用的采集端口，该采集端口与备用通道相连。
优选地，所述缓冲贮气罐、所述多通道采集端口的流量控制器和开关集成在箱体内，所述控制单元设置在所述箱体的表面。
优选地，所述箱体的表面设置有显示器，用于显示采样信息。
优选地，所述梯度采管和所述缓冲贮气罐的内表面为硅烷化不锈钢材料。
作为本发明的一个方面，本发明还提供了一种多通道高塔梯度自动大气采样方法，所述方法所述多通道高塔梯度自动大气采样装置进行自动采样，包括：
控制所述三通阀在第一高度进行采样；
打开所述多通道采集端口中的一个或多个采集端口进行采样或分析，经过预定梯度切换时间后，关闭所述采集端口；
排空气路中的气体，并清洗气路；
重复以上操作，在其他高度进行采样，直到完成所有高度的采样或分析。
优选地，所述方法还包括触发式采样或分析步骤，所述触发式采样或分析步骤包括在某一高度进行连续自动采样和分析，当大气污染物达到设定的阈值后，在其他高度进行采样或分析。
基于上述技术方案可知，本发明具有如下有益效果：适用于高塔不同高度气体的采集和分析；可对选定高度气体中co，ｏ3，nox等污染物进行时时检测，可对选定高度气体中pm2.5/pm10颗粒物进行采集，可对选定高度气体中有机成分进行采集，并与分析仪器对接；可以定时切换不同采样高度，同时获得不同高度连续气体样本或相应的污染物成分数据；还可以监测固定高度气体中co，o3，nox浓度变化，通过设定的浓度域值启动设定的梯度采样分析程序，进行pm2.5/pm10颗粒物梯度采集或有机成分梯度分析。
本发明主要装置集成于机箱内，配有集成控制软件，便于采样高度、分析物种、浓度域值及梯度频次等参数的设置与操作，可实现多高度、多物种大气污染物自动连续监测；本发明将高塔上气体样品引入实验室，通过多个样品采集端与分析仪器对接，可以有效减少高塔观测的人力和物力消耗。
附图说明
图1为本发明的多通道高塔梯度自动大气采样装置的结构示意图。
图中的附图标记说明如下：
1、采样支管；2、梯度采管；3、4、5、三通电磁阀；6、缓冲贮气罐；7、8、9、10、电磁阀；11、传感器组；12、pm2.5/pm10切割头；13、pm2.5滤膜；14、15、16、流量控制器；17、pm采样接口；18、有机成分分析接口；19、备用接口；20、大流量采样泵；21、控制面版和显示器；22、箱体。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
本发明公开了一种多通道高塔梯度自动大气采样装置，该装置包括梯度采管，缓冲贮气罐和多通道采集端，其主要原理是开启大流量抽气泵将高塔上气体引入实验室，通过程序控制单元控制采样管上的三通电磁阀来选择采高度和采样高度切换频次，再经过缓冲贮气罐降低气流的流速并稳定气压，通过安装在缓冲贮气罐上的多通道采集端，将气体分别导入不同的分析通道对大气污染物的多种成分进行分析检测。
如图1所示，本发明的多通道高塔梯度自动大气采样装置，包括：梯度采管2，在不同高度设置有多个采样支管1，通过三通电磁阀3、4、5控制采样高度；缓冲贮气罐6，用于稳定和平衡气体流速；多通道采集端，可按需选择气体的采集和分析方式。
其中梯度采管2为内径1/2英寸的内表面硅烷化不锈钢材质，设在高塔(h＞150m)上。梯度采管2装有多个三通电磁阀3、4、5(高度可选)，用以选择采样高度，三个电磁阀分别独立工作。采样支管1的采气口装过滤网，以防止异物堵塞采样管；未端，装有大流量气体采样泵20。
缓冲贮气罐6位于最后一个电磁阀5和大流量气体采样泵20之间，缓冲贮气罐6与气路直接相接，中间不设置电磁开关，罐为内表面硅烷化不锈钢材质，容积为3l，缓冲贮气罐用于降低气路中气体的流速，保持气体稳定。
缓冲贮气罐6设置有多通道采集端，位于贮气罐的四面。
所述多通道采集端，共有1-4个采集端口，每个端口都装有电磁阀7、8、9、10，分别用于不同大气组分的检测采样。
其中的一个采集端口接有流量控制器14和气体传感器组11(co，o3，nox)，用于监测不同高度大气成分的浓度变化。
作为优选，气体传感器种类可以根据需要替换。
另一个采集端口接有pm过滤膜13和流量控制器15，该通道可用于直接收集大气气体样本，也可以通过有机成分分析接口18直接与气体浓缩仪相联，进行大气中痕量有机成分的分析。
另一个采集端口接有流量控制器16和pm2.5切割头12，pm采样接口17用于大气中颗粒物样品的收集。
另一个采集端口作为备用接口19，只接有流量控制器，该通道用于备用通道。
所述的缓冲贮气罐、多通道采集端和所有的电磁阀、流量控制器集成在箱体22内。
作为优选，电路集成在电路板上，控制器21设置在箱体表面；
作为优选，箱体表面配备有显示器，可以显示采样高度，传感器对应数据，采集工作端口及流量等信息。
作为本发明的另一个方面，本发明还提供了一种多通道高塔梯度自动大气采样方法，其采用如上所述的多通道高塔梯度自动大气采样装置对所述高塔不同高度的气体进行自动(或触发式)采样和分析。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。其中应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。
实施例1
如图1所示，一种多通道高塔梯度自动大气采样装置，包括梯度采管，缓冲贮气罐和多通道采集端。其工作方式为，打开大流量采样泵，通过程序控制单元选择梯度监测，设定梯度切换时间间隔。通过程序控制单元选择多通道采集端口，设置流量，将采集端口与气体采集或分析仪联接。此时三通电磁阀3的ii、iii联通，三通电磁阀4、5的i、iii联通，电磁阀7、8、9、10关闭，气体排空2分钟，清洗气路；然后电磁阀7、8、9、10打开，进行第一梯度大气污染物的采样或分析。设定梯度切换时间到，电磁阀7、8、9、10关闭，三通电磁阀4的ii、iii联通，三通电磁阀3、5的i、iii联通，气体排空2分钟，清洗气路；然后电磁阀7、8、9、10打开，进行第二梯度大气污染物的采样或分析。设定梯度切换时间到，电磁阀7、8、9、10关闭，三通电磁阀5的ii、iii联通，三通电磁阀3、4的i、iii联通，气体排空2分钟，清洗气路；然后电磁阀7、8、9、10打开，进行第三梯度大气污染物的采样或分析。然后依次重复以上操作，完成梯度连续大气污染物的采集和观测。不同高度的采样可以循环进行，其中的梯度切换时间可以为5min-1h，例如，如进行有机物分析，梯度切换时间可以为一个小时，如进行颗粒物分析，梯度切换时间可以为5-10min。
实施例2
本实施例与实施例1的区别仅在于：通过程序控制单元选择固定高度监测，设定监测，固定高度大气污染物的采集和观测。
实施例3
本实施例与实施例1和2的区别仅在于：通过程序控制单元选择触发式监测，设定浓度域值，观测高度，然后选择观测模式(固定高度监测或梯度监测)，观测端口，设置观测条件。此时三通电磁阀3的ii、iii联通，三通电磁阀4、5的i、iii联通，三通电磁阀7打开、8、9、10关闭，利用传感器对大气污染物的指标物种(co，o3，nox)进行监测。当采样端口上的气体传感器检测到的浓度达到设定的域值时，仪器开启实施例1或2的工作方式，实现大气污染追踪的触发式大气成分采集和检测。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。