1. 引言
大气环境监测是环境保护领域的重要组成部分，旨在通过观测、分析大气中污染物的浓度及其变化，为评估环境质量、制定污染防治措施提供科学依据。重量法是大气扬尘监测的一种常规方法，通过采集一定体积的含尘空气，将颗粒物截留在特定的滤膜上，然后在实验室中干燥、称重，根据采样前后滤膜的重量差以及采样体积，计算出颗粒物的浓度[1]。重量法的优点是测量结果准确可靠，是其他测量方法的校准依据，但采样时间通常为24小时，难以对不同时间段的含尘空气进行采样，从而难以反映不同时间段的大气扬尘变化[2] [3]。本文提出了一种改进的大气扬尘监测装置，可解决传统重量法监测中难以对不同时间段的扬尘进行采样的技术难题。
2. 技术方案
本文所提新型装置及核心部件如图1所示。采样筒1，其上构造有依次连通的安装腔2、多个采样腔3以及多个进气口4，安装腔2、采样腔3以及进气口4自下而下依次连通，采样腔3与进气口4的数量相同且一一对应，采样腔3的数量为十二个，对应一天十二个时辰，安装腔2内设置有抽风机5，采样筒1上开设有与采样腔3数量相同且一一对应连通的安装槽6，安装槽6呈水平方向且位于采样腔3与安装腔2的连通处，安装槽6内滑动设置有定位架7，定位架7沿水平方向滑动，定位架7上可拆卸设置有滤膜8，滤膜8呈水平方向，采样筒1上转动设置有顶板9，顶板9呈水平方向且位于采样筒1的顶部，顶板9与采样筒1的顶端之间采用动密封结构，例如可以在顶板与采样筒1之间设置内包骨架的唇形密封圈，密封圈的唇片依靠变形产生的回弹力紧紧抵靠住顶板9的侧周面，即可实现旋转密封。顶板9上开设有与进气口4连通的通孔10，采样筒1上设置有用于驱使顶板9间歇转动的驱动件，此处的间歇转动指的是顶板9每转动一定角度，都会停转一段时间，之后继续转动，顶板9每隔一个时辰转动三十度。
在初始状态下，顶板9位于初始位置，通孔10与其中一个进气口4连通，定位架7未安装在安装槽6内，滤膜8未安装在定位架7上，在使用之前，分别将十二个滤膜8称重并记录重量和体积，在使用时，分别将十二个滤膜8安装到十二个定位架7上，分别使十二个定位架7滑动至完全位于十二个安装槽6内，通过滤膜8将采样腔3与安装腔2的连通处遮挡，使抽风机5工作，含尘空气依次进入通孔10、进气口4、采样腔3以及安装腔2，在此过程中，颗粒物截留在滤膜8上，当下个时辰到来时，通过驱动件驱使顶板9转动三十度，通孔10与下一个进气口4连通，之前滤膜8上截留的颗粒物便是上个时辰大气中颗粒物的浓度，之后重复操作，即可实现对十二个时辰的含尘空气进行采样，在采样完成后，使抽风机5停止工作，分别使十二个定位架7滑动至退出十二个安装槽6，分别将十二个滤膜8从十二个定位架7上取下，分别将十二个滤膜8进行干燥、称重，根据采样前后滤膜8的重量差以及采样体积，计算出颗粒物的浓度。
如图1(d)所示，定位架7上开设有凹槽11，滤膜8活动嵌设在凹槽11内，在使用时，使滤膜8自上而下活动嵌设在凹槽11内，通过凹槽11对滤膜8进行限位，以实现滤膜8的安装，在采样完成后，使滤膜8自下而上退出凹槽11，以实现将滤膜8取下。采样筒1上设置有固定环12，固定环12呈水平方向布置，固定环12上滑动设置有限位环13且二者之间设置有复位弹簧14，限位环13水平方向布置且能够沿竖直方向滑动，复位弹簧14呈竖直方向布置且其两端分别与固定环12以及限位环13固定连接，限位环13与定位架7抵触搭接，固定环12上设置有用于将限位环13锁定或解除锁定的锁定件。
注：1、采样筒；2、安装腔；3、采样腔；4、进气口；5、抽风机；6、安装槽；7、定位架；8、滤膜；9、顶板；10、通孔；11、凹槽；12、固定环；13、限位环；14、复位弹簧；15、限位滑杆；16、楔形块；17、压缩弹簧；18、引导斜面；19、限位杆；20、拉伸弹簧；21、驱动电机；22、定时控制器；23、内齿环；24、驱动齿轮。
Figure 1. Device structure and partial enlarged view
图1. 装置结构与局部放大图
在初始状态下，限位环13位于初始位置，通过锁定件将限位环13锁定，复位弹簧14处于压缩状态，当定位架7滑动至完全位于安装槽6内时，开启锁定件，将限位环13解除锁定，复位弹簧14复位至自然状态，限位环13向下滑动至极限位置并与多个定位架7抵触搭接，从而将多个定位架7同步限位，同时限位环13会将多个安装槽6进行封堵，反之，在采样完成后，驱使限位环13向上滑动至初始位置，限位环13远离多个定位架7并将多个安装槽6解除封堵，通过锁定件将限位环13锁定，复位弹簧14处于压缩状态，以实现将多个定位架7同步解除限位，同时将多个安装槽6解除封堵。
锁定件的具体结构如图1(e)所示，其包括滑动设置在固定环12上的限位滑杆15，限位滑杆15沿水平方向滑动，限位滑杆15的自由端设置有与限位环13抵触搭接的楔形块16，楔形块16固设在限位滑杆15的自由端，楔形块16与固定环12之间设置有套设在限位滑杆15上的压缩弹簧17，压缩弹簧17呈水平方向且两端分别与楔形块16以及固定环12固定连接。
在初始状态下，限位滑杆15与楔形块16均位于初始位置，压缩弹簧17处于自然状态，限位环13位于初始位置并与楔形块16的平面抵触搭接，从而将限位环13锁定，在使用时，驱使限位滑杆15与楔形块16一同运动至极限位置，压缩弹簧17被挤压，由于失去楔形块16的阻挡，限位环13得以向下滑动至极限位置，再松开限位滑杆15与楔形块16，二者一同运动至初始位置，压缩弹簧17复位至自然状态，从而将限位环13解除锁定，反之，在驱使限位环13向上滑动至初始位置时，限位环13先与楔形块16的斜面抵触搭接，通过斜面的过渡作用，迫使限位滑杆15与楔形块16一同运动至极限位置，压缩弹簧17被挤压，之后压缩弹簧17复位至自然状态，限位滑杆15与楔形块16一同运动至初始位置，限位环13与楔形块16的平面抵触搭接，从而将限位环13锁定。
如图1(d)所示，定位架7上构造有引导斜面18，采样筒1上滑动设置有与定位架7数量相同且一一对应抵触搭接的弹性件，弹性件沿水平方向滑动。在初始状态下，弹性件位于初始位置并处于自然状态，当定位架7位于安装槽6内时，引导斜面18位于外界，当限位环13向下滑动至极限位置时，限位环13先与引导斜面18抵触搭接，通过引导斜面18的过渡作用，迫使定位架7滑动至完全位于安装槽6内，定位架7与弹性件抵触搭接，通过定位架7迫使弹性件滑动至极限位置并处于被拉伸状态，反之，当限位环13向上滑动至初始位置时，弹性件复位至自然状态并滑动至初始位置，通过弹性件使定位架7自动弹出安装槽6，以便于后续将定位架7从安装槽6内取出，操作更加方便。弹性件的具体结构见图1(b)和图1(d)所示，其包括滑动贯穿采样筒1且自由端与定位架7抵触搭接的限位杆19，限位杆19沿水平方向滑动，限位杆19与采样筒1之间设置有拉伸弹簧20，拉伸弹簧20呈水平方向且两端分别与限位杆19以及采样筒1固定连接。限位杆19位于初始位置，拉伸弹簧20处于自然状态，当定位架7滑动至完全位于安装槽6内时，会与限位杆19抵触搭接并迫使限位杆19滑动至极限位置，拉伸弹簧20被拉伸，反之，当限位环13向上滑动至初始位置时，拉伸弹簧20复位至自然状态，限位杆19滑动至初始位置并驱使定位架7自动弹出安装槽6。
如图1(f)所示，驱动件包括均设置在采样筒1上且电性连接的驱动电机21与定时控制器22，驱动电机21与定时控制器22均固设在采样筒1上，定时控制器22是一种能够按照预设的时间来控制设备运行或执行特定任务的装置，通过定时控制器22可以实现驱动电机21定时工作，定时控制器22例如可以选用德州仪器的SE555JGB可编程定时器，其工作温度范围为−55℃至125℃，经过了市场的长期检验，具有高可靠性，能够满足户外条件下的定时控制需求。顶板9上设置有内齿环23，内齿环23呈水平方向且固设在顶板9上，驱动电机21的输出轴上设置有与内齿环23啮合的驱动齿轮24，驱动齿轮24呈水平方向且固设在驱动电机21的输出轴上。在使用之前，将定时控制器22的预设时间改为一个时辰，在当下个时辰到来时，通过定时控制器22触发输出操作，驱动电机21工作，输出轴转动三十度并带动驱动齿轮24一同转动，内齿环23会因啮合作用转动并带动顶板9一同转动，以实现驱使顶板9间歇转动。需要说明的是，大气中的油状颗粒物、光化学烟雾可能会阻塞滤漠并造成空气流速不匀,使流量迅速下降，从而影响测量结果的准确性，同时滤膜类型的选择以及采样过程中对于空气流速的精准控制也会对测量精度产生影响。如何避免油状颗粒物、光化学烟雾导致的滤膜阻塞以及根据不同环境条件选择合适滤膜类型并对采样空气流速进行平稳、精准控制将在后续研究中阐述。
综上所述，本装置以现有技术中的重量法为基础进行改进，在对大气扬尘进行监测时，可以对不同时间段的含尘空气进行采样，从而反映出不同时间段的大气扬尘变化，因此更具有实用性。
3. 技术优势
本装置采用多时间段采样，通过多采样腔设计和自动切换机制，实现对不同时间段的含尘空气进行连续采样，能准确反映大气扬尘的变化情况；基于重量法的原理，测量结果准确可靠，是其他测量方法的校准依据，测量精度高；通过限位件和弹性件的设计，滤膜的安装和更换操作简便，提高了设备的使用便捷性，具有操作简便的特点；装置结构紧凑，适应性强，适用于多种大气环境监测场景。
4. 结论
本文介绍了一种改进的大气扬尘监测装置，通过创新设计解决了传统重量法难以对不同时间段进行采样的技术难题。该装置能够实现在不同时间段自动采集含尘空气样本，准确反映大气扬尘的变化情况，具有较高的实用性和可靠性。
基金项目
本研究得到中国大学生创新创业基金项目(项目编号：S202411528018S、S202411528012)资助。
NOTES
*通讯作者。