專利名稱：一種大流量空氣微生物采樣器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種采樣器，特別是關于一種虛擬撞擊式的大流量空氣微生物采樣器。

背景技術：
在進行微生物氣溶膠研究中，根據不同的研究目的，往往需要將某一粒徑范圍內的微生物氣溶膠粒子分離并收集到特定液體中，用以實時在線分析和離線分析。為了提高目標微生物氣溶膠粒子的檢測靈敏度以及實驗室分離目標微生物的可靠性，需要大量采集空氣樣本，收集一定量的微生物氣溶膠粒子，來避免因樣本濃度不足可能造成的漏檢。目前，傳統采樣器主要有撞擊式、沖擊式、離心式、靜電吸附式和過濾式等五種，在實際應用較多的是撞擊式采樣器和沖擊式采樣器，都屬于慣性沖擊器。這兩種采樣器在氣溶膠粒子捕捉、粒子分離和濃縮方面存在著粒子與沖擊(收集)平板表面之間的相互作用的四個問題1、固體粒子從平板表面反彈起來；2、粒子沖擊在平板表面后破碎；3、平板表面的負載；4、由于氣流帶來的外力造成平板表面上的粒子再分散，進入氣流中。
大流量空氣微生物采樣器的采樣流量一般為大于200升/分左右。在大流量空氣微生物采樣器技術方面，設計的原理是多種多樣的，比較常見的如H.M.Decker報告的靜電式大流量采樣器，實際上也是多種原理的組合，包括了靜電沉降、慣性撞擊和液體沖洗等多種原理。盡管這種采樣器采用多種技術，但同樣是將全部采集氣流都沖擊在采樣面上。另一種比較常見的旋風式采樣器則是通過離心力的作用將粒子與氣流分開，這個離心力仍屬于慣性力，只不過其方向為氣流的切線方向。典型的旋風式采樣器是采用一個錐形的旋風室，氣流由進風口呈切線形進入，在旋風室內產生雙渦旋氣流，含有氣溶膠粒子的氣流在外圈旋轉向下，清潔的氣流在內圈由下向上渦旋流出，慣性大的粒子不能隨氣流流出，撞擊在室壁上，從而達到分離大粒子的目的。但旋風式采樣器對大粒子的分離能力比較強，采集較小粒子的能力比較弱，通常與其他采樣儀器組合，作為大粒子切割器使用。另外，采集下來的粒子先撞擊在渦殼的內表面上，再下落到圓椎管的底部，這種方式對于收集粒子是可行的，但不太利于對單個粒子進行實時檢測，因為撞擊在內壁的粒子在振動或氣流的作用下，有時會成砣地脫落，造成瞬間濃度過高，甚至堵塞下游檢測儀器。


發明內容
針對上述問題，本發明的目的是提供一種虛擬撞擊式的大流量空氣微生物采樣器。
為實現上述目的，本發明采取以下技術方案一種大流量空氣微生物采樣器，其特征在于它包括上、中、下三級，上級為單孔常規沖擊采樣級，中級為多孔虛沖擊采樣級，下級為單孔虛沖擊采樣級；所述單孔常規沖擊采樣級包括一防雨阻蟲紗網罩和一外筒，所述防雨阻蟲紗網罩包括一防雨鼓形的圓盤蓋，所述圓盤蓋的底部設置有一段直筒，所述直筒的周向開有多個通氣窗，所述直筒內設有一阻蟲紗網，所述防雨阻蟲紗網罩插設在所述外筒的頂部；所述外筒的上部為豎直段，下部具有漏斗形的氣溶膠進氣口，所述氣溶膠進氣口的下方水平設置有一撞擊板，所述撞擊板通過連接柱與所述外筒連接；所述多孔虛沖擊采樣級包括一級箱、二級箱和三級箱，所述一級箱為一底部開口的筒形箱體；所述二級箱為一筒形封閉箱體，所述二級箱上設置有二級噴管—采集管組，所述二級噴管—采集管組包括若干個二級噴管和二級采集管，所述二級噴管貫通設置在所述二級箱的頂部，所述二級采集管位于所述二級噴管下方并與其位置對應，所述二級采集管貫通設置在所述二級箱的底部；所述二級箱的底部中央還貫通設置有一大粒子收集管；所述三級箱為一頂部開口的筒形箱體，其側壁上設置有三級箱排氣口，所述三級箱排氣口通過一排氣連接管連接所述大粒子收集管；所述單孔虛沖擊采樣級包括四級箱，所述四級箱為一筒形封閉箱體，所述四級箱的側壁上設置有四級箱排氣口；所述四級箱上設置有三級噴管—采集管組，所述三級噴管—采集管組包括一個三級噴管和一個三級采集管，所述三級噴管貫通設置在所述四級箱的頂部，所述三級噴管與所述二級噴管結構和噴口直徑相同，所述三級采集管位于所述三級噴管下方并與其位置對應，所述三級采集管貫通設置在所述四級箱的底部；所述一級箱、二級箱和三級箱的外徑相同，通過螺釘由上至下依次固定連接；所述外筒底部貫通設置在所述一級箱的頂部中央，所述四級箱頂部貫通設置在所述三級箱的底部中央。
各級噴管的噴口直徑計算公式如下 √St50＝ρpdp502CV/9μD 其中，ρp為粒子密度，dp50為切割粒徑，C為滑動修正系數，V為噴孔內氣流的平均速度，μ為空氣粘滯系數，D為噴口直徑。
它的主要技術參數設置為采樣氣流1008L/min，弱氣流7L/min，擬采樣粒徑2μm～12μm；基于該技術參數設計所述單孔常規沖擊采樣級根據Marple理論，在雷諾數Re為30000時，√St50＝0.44，根據所述各級噴管的噴口直徑計算公式可求得所述氣溶膠進氣口的噴口直徑D＝46mm，所述氣溶膠進氣口與一級撞擊板的距離S取1.5D，S＝69mm≈70mm；設計所述多孔虛沖擊采樣級和單孔虛沖擊采樣級弱流比為7/84＝8.4％，根據文獻實驗數據，弱流比為8.4％時，取√St50＝0.80，根據所述各級噴管的噴口直徑計算公式可求得所述二級噴管和三級噴管的噴口直徑D＝4mm，所述二級噴管與二級采集管以及所述三級噴管與三級采集管的距離S取1.5D，S＝6mm。
本發明由于采取以上技術方案，其具有以下優點1、本發明采用虛擬撞擊的原理，在粒子的飛行路徑上沒有任何撞擊擋板，所有去除的粒子全部被排出氣流排走，無粒子滯留，無粒子反彈，無再懸浮隨氣流逃失現象，不會進入后級氣流，分離徹底。2、本發明采用三級分離濃縮的虛沖擊采樣技術，可將擬收集的粒子濃縮至較小的氣流中，既可以適用于常規的小流量采樣器采集，也避免了氣流太大所造成的將黏附采樣介質的水分吹干，導致已采集的粒子再懸浮隨氣流逃失，或者因水分散失導致微生物干燥死亡的問題。3、本發明的采樣流量大，克服了小流量采樣器樣本采集量小可能造成的漏檢問題，提高了儀器采樣的效率。4、本發明可根據需要設計不同的分離粒徑。



圖1是本發明的整體結構示意圖
具體實施例方式 下面結合附圖和實施例對本發明進行詳細的描述。
如圖1所示，本發明包括上、中、下三級，上級為單孔常規沖擊采樣級I，中級為多孔虛沖擊采樣級II，下級為單孔虛沖擊采樣級III。
單孔常規沖擊采樣級I包括一防雨阻蟲紗網罩1和一外筒2。防雨阻蟲紗網罩1包括一防雨鼓形的圓盤蓋101，在圓盤蓋101底部設置有一段直筒102，直筒102的周向開有多個通氣窗，在直筒102內設有一阻蟲紗網103。防雨阻蟲紗網罩1插設在外筒2頂部，采樣氣流可以通過直筒12內的阻蟲紗網13從各通氣窗中，被抽氣風機(圖中未示出)吸入，阻蟲紗網13可以防止昆蟲以及草葉、飛絮等物質被吸入到采樣器而堵塞氣路。外筒2的上部為豎直段，下部具有漏斗形的氣溶膠進氣口201，氣溶膠進氣口201的下方水平設置有一級撞擊板202，并通過三根連接柱203與外筒2連接。
多孔虛沖擊采樣級II包括一級箱3、二級箱4和三級箱5。一級箱3為一底部開口的筒形箱體。二級箱4為一筒形封閉箱體，其上設置有二級噴管—采集管組6。二級噴管—采集管組6包括12個(僅依次為例，并不限于此)二級噴管61和二級采集管62，二級噴管61貫通設置在二級箱4的頂部，二級采集管62位于二級噴管61的下方并與其位置對應，二級采集管62貫通設置在二級箱4的底部。二級箱4的底部中央還貫通設置有一大粒子收集管7。三級箱5為一頂部開口的筒形箱體，其側壁上設置有三級箱排氣口8，三級箱排氣口8通過一排氣連接管9連接大粒子收集管7。
單孔虛沖擊采樣級III包括四級箱10，四級箱10為一筒形封閉箱體，四級箱10的側壁上設置有四級箱排氣口11，四級箱10上設置有三級噴管—采集管組12。三級噴管—采集管組12包括一個三級噴管120和三級采集管121，三級噴管120貫通設置在四級箱10的頂部且與二級噴管61結構相同，三級采集管121位于三級噴管120的下方并與其位置對應，三級采集管121貫通設置在四級箱10的底部。
一級箱3、二級箱4和三級箱5的外徑相同，并通過螺釘自上而下依次固定連接。外筒2底部貫通設置在一級箱3的頂部中央，四級箱10頂部貫通設置在三級箱5的底部中央。
上述實施例中，抽氣風機的抽氣管分別與三級箱排氣口8、四級箱排氣口11和三級采集管121相連接，但抽氣風機不在本發明所保護的范圍內。
上述實施例中，一些相對設置的部件，特別是各級氣流噴管和采集管等的參數設計對采集效率有較大的影響，因此需要根據一些相應技術的已知計算方法對本發明中各個部件的參數進行選擇設計 設計本發明時首先要計算粒子在流場中的運動軌跡，氣流中粒子是否被采集由斯托克斯數(St)決定，即 St＝ρpdp502CV/18μD (1) 其中，ρp為粒子密度，dp50為中值切割粒徑，C為滑動修正系數，V為噴管內氣流的平均速度，μ為空氣粘滯系數，D為噴口直徑。通過噴口的采樣氣流Q與噴口氣流的平均流速V滿足如下關系 Q＝VπD2/4 (2) 采樣器的采樣氣流Q經氣溶膠進氣口201噴出分為兩部分氣流一部分為強氣流Q1載著小于切割點粒徑的小粒子轉向進入大粒子收集管7，另一部分為弱氣流Q2進入采集腔(二級箱4的內腔)，同時大于切割點粒徑的大粒子由于慣性作用也進入采集腔。
結合上面的兩表達式，由采集效率50％處的斯托克斯數St50可得到粒子切割粒徑dp50，即 dp502C＝18πD3St50/4ρpQ (3) 采樣器的采集特性由采集效率與粒徑或St50的關系曲線確定，理論特性曲線是一條在切割點處的豎直線，說明大于切割粒徑的粒子均能穿過采集腔被采集，但實際特性曲線是S形曲線。影響這條曲線的主要因素是 ①L/D的比值，L為大粒子收集管41的內徑，D是直筒12的內徑； ②雷諾數Re＝ρgVD/μ＝4ρgQ/πμD，ρg為空氣密度； ③弱流比Q2/Q。
國外相關實驗表明，一般單級采樣器的L/D在1.0～1.5之間、雷諾數Re在500～3000以內、弱流比Q2/Q在10％以上。特殊設計的單級采樣器，對雷諾數Re達近30000時的弱流比Q2/Q可達到1％左右。衡量采樣器的性能指標是采集效率、采樣流量、切割粒徑。
鑒于上述要求，本發明的主要技術參數設置為①采樣氣流Q1008L/min；②弱氣流Q27L/min；③擬采樣粒徑dp502μm～12μm。基于上述擬采樣粒徑dp50，必須將采樣氣流Q中的大于12μm的粒子分離出去，也要將小于2μm的粒子分離出去，僅保留粒徑在2μm～12μm之間的粒子。因此，大的粒子中值切割徑(dp大50)就是12μm，小的粒子中值切割徑(dp小50)就是2μm。
要實現上述粒子的分離和濃縮的要求，本發明采用三級分離、濃縮的虛沖擊采樣技術，將大于12μm的粒子和小于2μm的粒子地分離除去，把粒徑在2μm～12μm之間的粒子濃縮到弱氣流Q2中，再收集到液體介質中。
上述實施例中，單孔常規沖擊采樣級I的中值切割粒徑(dp大50)為12μm，將大于12μm的顆粒物除去。多孔虛沖擊采樣級II和單孔虛沖擊采樣級III的中值切割粒徑(dp小50)為2μm，將采樣氣流Q(1008L/min)中dpa50為>2μm～12μm之間的粒子分兩次濃縮在弱氣流Q2(7L/min)中，以便用液體介質采集。
根據設定的參數和公式(3)，計算出各級噴管的噴口直徑和距離。
首先確定需要捕獲的粒子粒徑dp50，然后根據雷諾數Re確定St50，最后根據上述公式計算噴口直徑，計算基于如下公式 √St50＝ρpdp502CV/9μD(4) 其中，ρp為粒子密度，取1；dp50為切割粒徑；C為滑動修正系數，對12μm的粒子，可取1；V為噴管內氣流的平均速度；μ為空氣粘滯系數；D為噴管的噴口直徑。
單孔常規沖擊采樣級I 根據Marple理論，在雷諾數Re為30000時，√St50＝0.44。按公式(4)可求得氣溶膠進氣口201的噴口直徑D＝46mm。氣溶膠進氣口201與一級撞擊板202的距離S取1.5D，S＝69mm≈70mm。
多孔虛沖擊采樣級II 每一個二級噴管61的進口流量為84L/min，每一個二級采集管62的出口流量(弱氣流)為7L/min，強流流量77L/min。多孔虛沖擊采樣級共12個二級噴管61，總采樣氣流為1008L/min，12個二級采集管62的總弱氣流為84L/min。每一個二級噴管61和二級采集管62的結構以及噴口直徑，與三級噴管120和三級采集管121相同。
單孔虛沖擊采樣級III 三級噴管120的進口流量為84L/min，三級采集管121的出口流量(弱氣流)7L/min，強流流量77L/min，其設計計算如下 此時弱流比為7/84＝8.4％。根據文獻實驗數據，弱流比為8.4％時，取√St50＝0.80，設中值切割粒徑為2μm，按公式(4)可求得二級噴管61和三級噴管120的噴口直徑D＝4mm，二級噴管61與二級采集管62以及三級噴管120與三級采集管121的距離S取1.5D，S＝6mm。
本發明的原理是采樣氣流從氣溶膠進氣口201處經阻蟲紗網103被抽氣風機吸入，氣溶膠粒子經過氣溶膠進氣口201的內圓上端和一級撞擊板202(一級撞擊板202可以降低頂端平面上很大粒子的沉積)，除去很大的粒子，小的粒子由于慣性較小隨著主氣流改變方向流向12個二級噴管61。在二級噴管61和二級采集管62中，小于12μm的粒子由于慣性較小隨著弱氣流不改變方向，流向下一級；大于12μm的粒子慣性較大隨著強流改變方向，進入大粒子收集管7，通過排氣連接管9被抽氣風機排出。除去大于12μm粒子的氣流在抽氣風機的作用下向下流動進入三級噴管120和三級采集管121，<2μm的粒子被分離出來并被抽氣風機排出，同時，將>2μm～12μm之間的粒子分離濃縮到7L/min的氣流中。為了減少粒子的損失和對氣流進行整形，二級噴管61和三級噴管120處全部設計為漏斗形，下面的豎直段為加速段。需要說明的是，由于三級箱5中的氣流較小，三級噴管120設計為一單級圓錐噴管。同時，也為了使最終分離出來的粒子便于后面儀器的在線檢測或用小流量采樣器收集。
本發明僅以上述實施例進行說明，各部件的結構、設置位置、及其連接都是可以有所變化的，在本發明技術方案的基礎上，凡根據本發明原理對個別部件進行的改進和等同變換，均不應排除在本發明的保護范圍之外。
權利要求
1、一種大流量空氣微生物采樣器，其特征在于它包括上、中、下三級，上級為單孔常規沖擊采樣級，中級為多孔虛沖擊采樣級，下級為單孔虛沖擊采樣級；
所述單孔常規沖擊采樣級包括一防雨阻蟲紗網罩和一外筒，所述防雨阻蟲紗網罩包括一防雨鼓形的圓盤蓋，所述圓盤蓋的底部設置有一段直筒，所述直筒的周向開有多個通氣窗，所述直筒內設有一阻蟲紗網，所述防雨阻蟲紗網罩插設在所述外筒的頂部；所述外筒的上部為豎直段，下部具有漏斗形的氣溶膠進氣口，所述氣溶膠進氣口的下方水平設置有一撞擊板，所述撞擊板通過連接柱與所述外筒連接；
所述多孔虛沖擊采樣級包括一級箱、二級箱和三級箱，所述一級箱為一底部開口的筒形箱體；所述二級箱為一筒形封閉箱體，所述二級箱上設置有二級噴管—采集管組，所述二級噴管—采集管組包括若干個二級噴管和二級采集管，所述二級噴管貫通設置在所述二級箱的頂部，所述二級采集管位于所述二級噴管下方并與其位置對應，所述二級采集管貫通設置在所述二級箱的底部；所述二級箱的底部中央還貫通設置有一大粒子收集管；所述三級箱為一頂部開口的筒形箱體，其側壁上設置有三級箱排氣口，所述三級箱排氣口通過一排氣連接管連接所述大粒子收集管；
所述單孔虛沖擊采樣級包括四級箱，所述四級箱為一筒形封閉箱體，所述四級箱的側壁上設置有四級箱排氣口；所述四級箱上設置有三級噴管—采集管組，所述三級噴管—采集管組包括一個三級噴管和一個三級采集管，所述三級噴管貫通設置在所述四級箱的頂部，所述三級噴管與所述二級噴管結構和噴口直徑相同，所述三級采集管位于所述三級噴管下方并與其位置對應，所述三級采集管貫通設置在所述四級箱的底部；
所述一級箱、二級箱和三級箱的外徑相同，通過螺釘由上至下依次固定連接；所述外筒底部貫通設置在所述一級箱的頂部中央，所述四級箱頂部貫通設置在所述三級箱的底部中央。
2、如權利要求1所述的一種大流量空氣微生物采樣器，其特征在于各級噴管的噴口直徑計算公式如下
√St50＝ρpdp502CV/9μD
其中，ρp為粒子密度，dp50為切割粒徑，C為滑動修正系數，V為噴孔內氣流的平均速度，μ為空氣粘滯系數，D為噴口直徑。
3、如權利要求1或2所述的一種大流量空氣微生物采樣器，其特征在于它的主要技術參數設置為采樣氣流1008 L/min，弱氣流7L/min，擬采樣粒徑2μm～12μm；
基于該技術參數設計所述單孔常規沖擊采樣級根據Marple理論，在雷諾數Re為30000時，√St50＝0.44，根據所述各級噴管的噴口直徑計算公式可求得所述氣溶膠進氣口的噴口直徑D＝46mm，所述氣溶膠進氣口與一級撞擊板的距離S取1.5D，S＝69mm≈70mm；
設計所述多孔虛沖擊采樣級和單孔虛沖擊采樣級弱流比為7/84＝8.4％，根據文獻實驗數據，弱流比為8.4％時，取√St50＝0.80，根據所述各級噴管的噴口直徑計算公式可求得所述二級噴管和三級噴管的噴口直徑D＝4mm，所述二級噴管與二級采集管以及所述三級噴管與三級采集管的距離S取1.5D，S＝6mm。
全文摘要
本發明涉及一種大流量空氣微生物采樣器，其特征在于它包括上、中、下三級，上級為單孔常規沖擊采樣級，中級為多孔虛沖擊采樣級，下級為單孔虛沖擊采樣級；單孔常規沖擊采樣級包括一防雨阻蟲紗網罩和一外筒；多孔虛沖擊采樣級包括三級箱體，并在第二級箱體內設置有二級噴管—采集管組和大粒子收集管；第三級箱體的側壁上設置有三級箱排氣口，三級箱排氣口通過一排氣連接管連接大粒子收集管；單孔虛沖擊采樣級的側壁上設置有四級箱排氣口，其內設置有三級噴管—采集管組。本發明可以大量采集氣溶膠，去除塵埃、花粉等大于12μm的粒子和小于2μm的粒子，分離出2～12μm可能含有微生物的可吸入粒子，濃縮至較小的體積氣流中，達到可吸入粒子濃縮分離的目的。
文檔編號C12M1/26GK101392221SQ20081022550
公開日2009年3月25日 申請日期2008年11月3日 優先權日2008年11月3日
發明者李勁松, 娜 李, 何春雷, 孫振海, 鹿建春, 趙建軍 申請人:中國人民解放軍軍事醫學科學院微生物流行病研究所, 青島眾瑞智能儀器有限公司