大流量可多级组装的PM2.5等速采样头的制作方法

本发明涉及大气环境监测领域，具体涉及一种可减少气溶胶采样损失的大流量可多级组装的pm2.5等速采样头。

背景技术：

随着现代工业和交通运输业的发展，人们向大气中持续排放的颗粒物越来越多，造成大气污染的现象越来越严重，研究表明气溶胶会降低能见度，影响降水分布，对人类生存环境的危害已日益加剧，长期吸入污染的空气，也会引发慢性支气管炎、支气管哮喘、肺癌等诸多疾病。

目前气溶胶污染问题越来越受重视，气溶胶的粒子成分、来源分布等问题是目前大气气溶胶的研究热点，而气溶胶的不同特性分析通常需要不同原理的多台仪器同时工作。普通的采样总管，会由于各仪器流量不一致使得总管中气流发生紊流，粒子之间碰撞机率增大，无法确保样品的真实性，总管灵活性较低，对不同仪器的适用性较差。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是现有的采样总管中气体发生紊流、粒子碰撞损失从而影响样品真实性的问题。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种大流量可多级组装的pm2.5等速采样头，包括若干节主管，主管尾部可与相邻主管之间可拆式连接，每节主管上设置有一个分流口，分流口用于外接监测仪器，在主管头部设置有一个等速采样头，等速采样头与主管同轴心设置，等速采样头通过第一连接管设置主管中，第一连接管的顶部伸入等速采样头中并且与之密封，第一连接管的底部外壁与主管内壁密封，进入主管的气体部分进入等速采样头，另一部分进入分流口；主管位于第一连接管下方部分设置有气体渐扩通道，渐扩通道连通下一节主管的入口。

进一步的，主管的顶部和底部内侧设有环形凹槽，凹槽中设置密封圈，相邻的主管头部和尾部内侧设置有贯通两个主管的第二连接管，第二连接管与主管内壁以及密封圈之间紧配合。

进一步的，所述等速采样头的气体入口处呈锥形，且底部设置有柱状的缺口，第一连接管伸入柱状缺口中并且其端面与柱状缺口的端面相抵，第一连接管或者等速采样头中也设置环形凹槽，在环形凹槽中设置密封圈用于密封第一连接管外壁与等速采样头之间的间隙；所述等速采样头的入口半径根据对应的主管的分流口所需流量设置。

进一步的，主管的气体渐扩通道经过轴心线的任一截面均呈等腰梯形，且该梯形的腰与轴心线的夹角为6～7.5°。

从上述技术方案可以看出本发明具有以下优点：本发明中主管气流方向竖直，且进入采样头之前保持层流，有效避免了采样损失，同时采用薄壁等速采样头减少采样过程中可能的微小湍流对采样效率的影响，从而保证样品分流口的气体中粒子成分与下一级主管中粒子成分相同，增大样品的真实性。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明中为渐扩管的局部阻力系数与扩渐角的关系曲线；

图3为渐扩角和局部损失关系曲线；

图4为渐扩角和管长关系曲线。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式做具体说明。

如图1所示，本发明的大流量可多级组装的pm2.5等速采样头，包括若干节主管2，主管节数根据实际需要选择，本实施方式中以两节主管为例，主管尾部可与相邻主管之间可拆式连接，首节主管的入口处设置有长30cm的管道。每节主管上设置有一个分流口8，分流口8用于外接监测仪器，在主管头部设置有一个等速采样头6，等速采样头6与主管2同轴心设置，等速采样头6通过第一连接管7设置于主管2中，第一连接管7的顶部伸入等速采样头6中并且与之密封，第一连接管7的底部外壁与主管2内壁密封，进入主管2的气体部分进入等速采样头6，另一部分进入分流口8；主管2位于第一连接管下方部分设置有气体渐扩通道4，渐扩通道4连通下一节主管的入口。

主管2的顶部和底部内侧设有环形凹槽5，凹槽中设置密封圈，相邻的主管头部和尾部内侧设置有贯通两个主管的第二连接管3，第二连接管3与主管内壁以及密封圈之间紧配合，利用第二连接管将两者连接起来。从而实现多级固定。

所述等速采样头6的气体入口处呈锥形，且底部设置有柱状的缺口，第一连接管伸入柱状缺口中并且其端面与柱状缺口的端面相抵，第一连接管7或者等速采样头中也设置环形凹槽，在环形凹槽中设置密封圈用于密封第一连接管外壁与等速采样头之间的间隙。所述等速采样头的入口半径根据对应的主管的分流口所需流量设置。等速采样头流速vx＝qx/sx，同一水平位置总管内相应气体流速vx＝qx-1/s，其中qx为等速采样头的采样流量(根据仪器流量而定)，sx为等速采样头采样口内截面积，qx-1为同一水平位置总管内相应流量，s为总管内截面积。等速采样头采样口内截面积sx与所述等速采样装置内截面积之比s等于等速采样头采样口处流量qx与同一水平位置装置总流量qx-1之比。因此即可确定等速采样头规格。该装置灵活性强，可拆卸，可通过调整主管节数适用于不同仪器数量的集成采样。通过调整等速采样头规格适用于流量不同的仪器。

进入等速采样头后的气体经过第一连接管后进入气体渐扩通道4。若管道管径突然扩张，流体由小管道突然进入大管道，由于惯性作用，流体质点在突然扩张处不可能马上贴附于壁面，会出现一系列的旋涡，此时采集气溶胶时，不仅损失了气流的机械能，还容易造成气溶胶粒子的紊乱，发生粒子碰并、分离等相互作用影响气溶胶形态。另一方面，气体从小管进入大管时流速必然重新分配，增加了气体的相对运动，导致气体及所含和气溶胶进一步的撞击摩擦。从旋涡开始到消失的很长一段距离内都会有局部损失。

我们在总管设计过程中应尽量使气流保持平稳且管道不易过长，可以利用局部阻力损失作为衡量采样管气流状态的依据，选用最佳的渐扩角(指通过渐扩通道的轴心线任一截面形成的等腰梯形的腰与轴心线的角度，也称作扩张角)以有效降低局部阻力，避免因产生旋涡影响采样粒子的形态。图2为本发明中渐扩管的局部阻力系数与扩渐角的关系曲线。由图2可知，对于一定的管径比，当2.5°＜θ＜7.5°时，局部阻力系数最小。但是当扩散角度小于2.5°时，渐扩段太长，会导致摩擦阻力较大，且较长的管路需占用很大的空间，对气溶胶采样总管来说极为不便。角度大于7.5°会引起气壁流动分离，从而导致压力恢复差，形成旋涡。

本采样总管设计中气溶胶经过大流量可多级组装的pm2.5等速采样头后经由渐扩管进入下一阶段采样，本实施例中渐扩管入口直径d1＝8mm，出口直径d2＝31mm，当流量25.3l/min时，不同渐扩角θ计算出的局部损失(hj)如图3所示，当渐扩角小于8°时，管路的局部损失变化较为平稳，局部损失较小，气流也较为稳定。

图4为渐扩角与渐扩通道长度的关系，当角度大于6°时，可以大大降低管长，优选为7°时。综上，该渐扩角的角度应当大于6°小于7.5°，优选7°。

此外，整个采样管内壁均进行抛光，使其内壁光滑，减少气溶胶传输过程中的摩擦阻力，避免颗粒物黏附在管道内部造成管路堵塞和颗粒物损失。主管外壁横截面积设计成正六边形，外观更加美观，且使外壁有平面，便于通过螺丝固定在机架或墙壁上。

技术特征：

技术总结
本发明公开了一种大流量可多级组装的PM2.5等速采样头，包括若干节主管，主管尾部可与相邻主管之间可拆式连接，每节主管上设置有分流口，分流口用于外接监测仪器，在主管头部设置有一个等速采样头，等速采样头与主管同轴心设置，等速采样头通过第一连接管设置主管中，第一连接管的顶部伸入等速采样头中并且与之密封，第一连接管的底部外壁与主管内壁密封，进入主管的气体部分进入等速采样头，另一部分进入分流口；主管位于第一连接管下方部分设置有气体渐扩通道，渐扩通道连通下一节主管的入口。同轴等速采样可以最大程度的降低气溶胶采样损失，从而保证样品分流口的气体中粒子成分与下一级主管中粒子成分相同，增大样品的真实性。

技术研发人员：曾立武;黄晓锋;苏翠平;曹礼明;何凌燕
受保护的技术使用者：北京大学深圳研究生院
技术研发日：2018.11.23
技术公布日：2019.04.16