新型船載智能大氣采樣裝置的設(shè)計和實現(xiàn)

袁東方 王碩仁 陳清滿 夏寅月

研究論文

新型船載智能大氣采樣裝置的設(shè)計和實現(xiàn)

袁東方 王碩仁 陳清滿 夏寅月

(中國極地研究中心, 上海 200136)

大氣采樣器是研究大氣污染物的基礎(chǔ)樣品采集設(shè)備, 通過采集大氣顆粒物研究空氣中各種顆粒狀有機(jī)和無機(jī)污染物。但是目前大氣采樣器以自研和對陸用設(shè)備升級改造為主, 由于船舶環(huán)境條件的特殊性, 這些設(shè)備在船上應(yīng)用存在一定的風(fēng)險。根據(jù)中國極地多年考察大氣采樣器的使用情況, “雪龍2”號自主設(shè)計了一種新型船用雙通道大流量采樣設(shè)備。該設(shè)備不僅可以進(jìn)行一般氣體顆粒物采集, 還可以兼容大體積固相萃取柱采集, 成功應(yīng)用于中國第36次南極考察及第11次北極考察。

大氣采樣 大體積固相萃取柱 船用 雙通道 極地

0 引言

海洋氣溶膠是大氣氣溶膠的重要組成部分, 一方面其特有的物理化學(xué)特性對海洋大氣中各種物理化學(xué)過程產(chǎn)生重要影響, 另一方面, 海洋氣溶膠是陸源物質(zhì)向海洋輸送的一種重要形式[1-2]。大氣采樣器是采集大氣污染物或受污染空氣的儀器或裝置, 其工作原理是用采樣泵抽取樣品, 通過不同的措施及同步計時的方法, 達(dá)到定量采集[3]?；诤Ｑ髿馊苣z的重要性, 中國科學(xué)家開發(fā)試驗了多款氣溶膠采樣裝備, 經(jīng)多年現(xiàn)場使用測試逐漸趨于穩(wěn)定。由于極地考察航線沿地球經(jīng)向連接南極和北極, 中國去往極地的航時和航線均比較穩(wěn)定, 每年均可以獲取一個連續(xù)的、大范圍的氣溶膠取樣剖面, 如能搭載一個高效適用的氣溶膠大氣采樣器, 意義重大。但因極地考察現(xiàn)場環(huán)境條件的特殊性以及作業(yè)任務(wù)的多樣性, 適用于極地科考的氣溶膠采樣系統(tǒng)發(fā)展較緩。

首次南極考察時“向陽紅10”號安裝了一套自行研發(fā)的氣溶膠采樣系統(tǒng),開啟了中國極地海洋氣溶膠的現(xiàn)場觀測研究的序幕。隨著南極考察深入,中國南大洋海洋大氣化學(xué)的研究工作也取得快速發(fā)展。1989年,科考人員搭乘“極地”號進(jìn)行南極環(huán)球考察,采集了南大洋、太平洋、南大西洋、印度洋及航線近岸海域大氣海洋氣溶膠樣品,研究了海洋大氣中Na、Mg、K、Cl、Ca、Br、F等元素的特征、金屬形態(tài)和入海通量,系統(tǒng)闡述了海洋氣溶膠中化學(xué)物種的來源示蹤元素特征[4-7]。1994年, “雪龍”號服役并首航南極, 先后執(zhí)行了22次南極考察和10次北極科學(xué)考察, 每次都搭載種類繁多的氣溶膠大氣采樣器, 獲取了大量的氣溶膠樣品[8-12]。截至2019年, 以北極科學(xué)考察為例, 中國北極科學(xué)考察使用的大氣采樣設(shè)備均以科研人員自帶設(shè)備為主(表1)。

隨著中國第四代極地科考破冰船“雪龍2”號的入列, 對科考系統(tǒng)和空間進(jìn)行了頂層設(shè)計和功能分區(qū), 羅經(jīng)甲板用于科考平臺將安裝布置包含大氣采樣器在內(nèi)的多套氣象、大氣、海冰觀測和采樣裝置, 同時因為船型較“雪龍”號小, 羅經(jīng)甲板用于科考作業(yè)面積大規(guī)模減少, 已經(jīng)沒有空間安裝多臺功能相似的科考設(shè)備[17]。因此“雪龍2”號迫切需要一臺適應(yīng)我國極地科考調(diào)查船使用需求的大氣采樣器, 本文就“雪龍2”號船載大氣采樣器的需求、設(shè)計和應(yīng)用展開討論, 闡述適合中國南北極考察需求的船載大氣采樣器的相關(guān)內(nèi)容。

表1 北極考察自帶大氣采樣器數(shù)量[13-16]

1 常用采集方法及存在問題

目前大氣中有機(jī)污染物的采集方法通常是通過玻璃纖維濾膜(GF/F)采集大氣顆粒相樣品, 用聚氨酯泡沫(PUF)采集氣相中有機(jī)污染物, 將吸附了大氣中有機(jī)污染物的GF/F膜和PUF進(jìn)行索氏抽提, 經(jīng)由分離、純化獲取待觀測樣品, 然后進(jìn)行儀器分析。中國南北極考察幾乎所有的大氣采集科考任務(wù)都使用尺寸為40～150 mm的濾膜進(jìn)行樣品采集, 2～3天獲取一個樣品。相對統(tǒng)一的采集膜為設(shè)計使用一款通用的大氣采樣器提供了現(xiàn)實基礎(chǔ)。

近兩年一些新的樣品采集和處理技術(shù)在大氣采樣器上得到應(yīng)用, 例如: 固相萃取技術(shù)(SPE, Solid Phase Extraction), 其本質(zhì)上是一種富集技術(shù), 樣品通過填充吸附劑的萃取柱, 目標(biāo)分析物和雜質(zhì)被保留在萃取柱上, 然后分別用選擇性溶劑去除雜質(zhì), 洗脫出分析物, 從而達(dá)到分離的目的。對于超痕量的半揮發(fā)性有機(jī)污染物, 采用進(jìn)行大體積固相萃取柱(Hi-Volume SPE)進(jìn)行采集(圖1)[18]?；谏鲜黾夹g(shù), 高源[19-20]、鄭宏元[21]應(yīng)用GC-MS和GC-MS/MS已完成400余種半揮發(fā)性有機(jī)化合物一次性富集分析的技術(shù)開發(fā), 其中包括30種單體多環(huán)芳烴(Monomer-PAHs)、52種甲基多環(huán)芳烴(Methyl-PAHs)、31種硝基多環(huán)芳烴(Nitro-PAHs)、27種多氯聯(lián)苯(PCBs)、8種氯苯(CBs)、8種多溴二苯醚(PBDEs)、11種有機(jī)磷阻燃劑(OPFRs)和222種農(nóng)藥(Pesticides)等半揮發(fā)性有機(jī)化合物。

圖1 大體積固相萃取柱[18]

Fig.1.Hi-Volume SPE[18]

雖然目前中國大氣采樣器的技術(shù)發(fā)展取得了長足進(jìn)步, 但是“雪龍”號所攜帶的氣溶膠大氣采樣器產(chǎn)品功能單一, 流量大小不一, 占用了大部分的科考作業(yè)平臺面積[11,22], 影響其他科考設(shè)備的布置。此外, 隊員自帶的設(shè)備并不適合在船上使用, 主要問題如下: 1.設(shè)備設(shè)計相對簡單, 多為自研或陸用產(chǎn)品升級改造設(shè)備, 不滿足船舶室外設(shè)備防護(hù)等級要求; 2.船舶短時間內(nèi)從赤道到達(dá)極地或從極地到達(dá)赤道, 工作環(huán)境變化劇烈, 設(shè)備保溫和散熱達(dá)不到要求; 3.雖然部分設(shè)備自帶了風(fēng)向、風(fēng)速傳感器, 但是大氣采樣設(shè)備安裝環(huán)境附近風(fēng)向多變, 大氣采樣設(shè)備離船舶煙囪較近, 無法有效避免煙囪廢氣污染; 4.自帶設(shè)備需要在南北極考察任務(wù)開始前運到船上, 任務(wù)結(jié)束后運回, 搬運麻煩; 5.普通的大氣采樣器采用一般的風(fēng)機(jī)提供抽氣動力, 抽氣壓力較低, 無法匹配大體積固相萃取柱使用。

2 需求分析

針對上述存在的問題, 結(jié)合中國極地科考破冰船建設(shè)的方向，“雪龍2”號根據(jù)多年的南北極考察科研人員對大氣采樣器的需求和使用經(jīng)驗, 以及在“雪龍”號配備的智能大氣采樣器的應(yīng)用經(jīng)驗, 為“雪龍2”號自主設(shè)計一種新型船用雙通道大流量采樣設(shè)備?！把?”號大氣采樣器是基于主動采樣技術(shù)設(shè)計的非實時監(jiān)測大氣采樣器[23-24], 需滿足以下需求。

1.滿足極地船用規(guī)范標(biāo)準(zhǔn), 防護(hù)等級不低于IP56。

船用設(shè)備, 尤其是露天安裝的船用設(shè)備, 防塵防水等級是確保設(shè)備使用安全的前提, 避免因絕緣低而影響全船其他用電設(shè)備的使用。同時, 中國極地科考船舶, 往返南極需多次穿越西風(fēng)帶, 該區(qū)域氣象條件惡劣, 甲板上浪嚴(yán)重, 設(shè)備防護(hù)等級需滿足甲板上浪的沖擊。大氣采樣器需能在極地低溫環(huán)境下長期穩(wěn)定運行, 同時也要能在赤道高溫地區(qū)使用。

大氣采樣器是安裝在船舶艙室外的設(shè)備, 其工作環(huán)境惡劣, 防水、防塵以及工作可靠性都要比陸用設(shè)備嚴(yán)格。船用室外設(shè)備需滿足IP56的防護(hù)標(biāo)準(zhǔn), 固定安裝在科考破冰船上, 同時要耐鹽堿腐蝕, 可以在低溫、高溫以及雨雪等惡劣環(huán)境下正常使用。

2.設(shè)備能夠匹配常規(guī)過濾膜和大體積固相萃取柱, 兼容性好。

由于南北極任務(wù)的多樣性, 不僅有常規(guī)過濾膜進(jìn)行氣溶膠采集, 還存在大體積固相萃取柱, 兩者采集結(jié)構(gòu)和對設(shè)備的要求存在著差別, 新的設(shè)備需要兼容性好, 能夠滿足不同科考任務(wù)作業(yè)的需求。

3.雙通道設(shè)計。

兩個通道可以獨立進(jìn)行控制并進(jìn)行數(shù)據(jù)采集, 能夠滿足不同科考任務(wù)對采集參數(shù)的需求, 減少設(shè)備體積, 滿足科考船作業(yè)空間不足的要求。

4.避免煙囪廢氣污染。

設(shè)備接入船載氣象站相對風(fēng)向、風(fēng)速信號, 可以根據(jù)相對風(fēng)向風(fēng)速進(jìn)行控制, 有效避免煙囪廢氣對樣品的污染。

5.系統(tǒng)操作簡單, 操作便捷。

新型大氣采樣器的使用步驟簡單, 操作界面簡潔, 流量測量精準(zhǔn), 參數(shù)豐富, 科考人員只需要進(jìn)行簡單的操作和設(shè)置即可開始采樣。同時具備遠(yuǎn)程顯示功能, 可以在實驗室內(nèi)部實時監(jiān)控樣品采集的數(shù)據(jù), 減輕了科考人員的工作量。

6.設(shè)備固定式安裝。

“雪龍2”號和“雪龍”號相比, 在吊車配備以及結(jié)構(gòu)設(shè)計上存在差異, 吊車無法將物品吊運至羅經(jīng)甲板, 自帶設(shè)備搬運存在困難, 需要將大氣采樣器設(shè)備固定安裝在羅經(jīng)甲板, 減少設(shè)備的搬運工作量。

3 技術(shù)創(chuàng)新

根據(jù)“雪龍2”號的特點, 利用當(dāng)前成熟的變頻電機(jī)和測量技術(shù), 重點從船用標(biāo)準(zhǔn)、兼容性、防污染、設(shè)備體積、采樣效率和設(shè)備操作便利性等角度考慮進(jìn)行設(shè)計(圖2)[25]。設(shè)備主要由可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller, 簡稱PLC)控制系統(tǒng)、高壓風(fēng)機(jī)、氣體流量計、變頻裝置、遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)以及采樣頭各部分組成(圖3)。

圖2 “雪龍2”號大氣采樣器

Fig.2.Atmospheric sampler of

3.1 滿足極地惡劣海況

為了解決鹽霧腐蝕問題, 海上金屬件不能使用普通鍍鋅鋼管、鋁合金管等容易銹蝕脫落的材料。一旦銹蝕, 產(chǎn)生的氧化物碎屑被吸入管道內(nèi)后會吸附在樣品膜上, 對樣品產(chǎn)生污染和影響, 嚴(yán)重時甚至擊穿濾膜, 影響設(shè)備安全。因此“雪龍2”號大氣采樣設(shè)備整體采用316L不銹鋼材質(zhì), 耐鹽霧腐蝕, 不會產(chǎn)生銹蝕現(xiàn)象。

為了滿足IP56防護(hù)等級要求, 在設(shè)計時對電氣元器件和其他防護(hù)等級較高的設(shè)備分別布置,例如: PLC、氣體流量計、接線盒等散熱量小且需要防水的電氣元器件放在密封的空間內(nèi)(圖4紅色區(qū)域), 以達(dá)到IP56防護(hù)等級; 高壓風(fēng)機(jī)和散熱風(fēng)扇等使用船用設(shè)備, 達(dá)到IP56防護(hù)等級, 放在下半部開敞空間(圖4綠色區(qū)域)。從而使設(shè)備整體達(dá)到了IP56防護(hù)等級。

圖3 “雪龍2”號大氣采樣器系統(tǒng)圖.1: PLC控制裝置; 2: 人機(jī)交互界面; 3: 電源模塊; 4: 采樣頭; 5: 大體積固相萃取柱; 6: 氣體流量計; 7: 高壓風(fēng)機(jī); 8: 變頻裝置; 9: 散熱裝置; 10: 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

Fig.3.Diagram of atmospheric sampler systemof.1: PLC control device; 2: human-computer interaction interface; 3: power module; 4: sampling head; 5: Hi-Volume SPE; 6: gas flowmeter; 7: high pressure fan; 8: frequency conversion device; 9: cooling device; 10: remote monitoring system

極地科考船會在很短的時間內(nèi)從赤道到達(dá)極地或從極地到達(dá)赤道, 設(shè)備既要在極地進(jìn)行保溫又要在赤道進(jìn)行有效散熱, 系統(tǒng)設(shè)計了一套自動散熱和保溫裝置, 由溫控器控制散熱風(fēng)機(jī)和空間加熱器, 當(dāng)空間內(nèi)溫度高于設(shè)定值時啟動風(fēng)扇降溫, 當(dāng)溫度低于設(shè)定值時可以啟動空間加熱器進(jìn)行加熱。

此外, “雪龍2”號對于進(jìn)氣通道進(jìn)行特殊設(shè)計。為了防止雨水、海水進(jìn)入管道污染采樣濾膜, 進(jìn)氣口上方采用風(fēng)帽結(jié)構(gòu)。

3.2 兼容性和便攜性設(shè)計

為了提高大氣采樣設(shè)備的通用性, 既可以使用玻璃纖維濾膜(GF/F)采集大氣顆粒相樣品、使用聚氨酯泡沫(PUF)采集氣相中有機(jī)污染物, 也可以使用大體積固相萃取柱采集超痕量有機(jī)污染。設(shè)備的采樣頭采用通用接口和快速拆裝設(shè)計(圖5)。根據(jù)科考任務(wù)不同, 濾膜采樣頭和大體積固相萃取柱可以通過標(biāo)準(zhǔn)接口自由選擇。濾膜采樣口最大直徑150 mm, 可以匹配150 mm內(nèi)各種濾膜, 兼容性強(qiáng)。采樣頭的兼容性設(shè)計在實際應(yīng)用中具有極大的便利性, 可以滿足不同作業(yè)任務(wù)的需求, 科考隊員無需自帶大氣采樣設(shè)備, 可使用船載大氣采樣器進(jìn)行采樣, 減少了隊員的工作量。

采用標(biāo)準(zhǔn)接口的采樣頭, 可以隨時脫離設(shè)備主體, 濾膜的更換更加便利。由于極地風(fēng)力較大,尤其是位于“雪龍2”號最高處的羅經(jīng)甲板風(fēng)力更大, 全速航行過程中, 人員行走均很困難, 換膜更加困難。隊員可以將采樣頭拆下帶回室內(nèi)更換濾膜, 無需在露天大風(fēng)、低溫環(huán)境下進(jìn)行濾膜更換(圖6)。

圖4 大氣采樣器結(jié)構(gòu)圖

Fig.4.Structure diagram of atmospheric sampler

圖5 采樣頭設(shè)計

Fig.5.The design of sampling head

圖6 室內(nèi)更換濾膜

Fig.6.Replacement of the filter membrane indoors

3.3 雙通道和大流量設(shè)計

“雪龍2”號在很小的空間內(nèi)配備了2套新型大氣采樣器, 每個采樣器均為雙通道設(shè)計, 共4個采樣通道, 可供4個科研項目同時進(jìn)行采樣。且每個采樣通道均為獨立設(shè)計, 可單獨設(shè)置流速、流量、采樣體積或采樣時間。配置雙通道采樣管路, 每個管路上配一臺高精度氣體質(zhì)量流量控制器, 可以精準(zhǔn)地測量和控制每一個管路上的大氣流量, 進(jìn)行恒流量和定量采集, 實現(xiàn)了一臺機(jī)器同時進(jìn)行兩個樣品的采集, 提高了作業(yè)的效率, 減少了設(shè)備的體積。常規(guī)的大氣采樣器風(fēng)機(jī)一般采用固定轉(zhuǎn)速設(shè)計, 對于不同濾膜的不同抽氣流量無法進(jìn)行調(diào)整。新型大氣采樣器采用PLC進(jìn)行程序設(shè)計, 抽風(fēng)機(jī)由變頻器進(jìn)行變頻控制, 可以根據(jù)兩個通道流量的設(shè)定值精準(zhǔn)地控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速, 滿足通道對于進(jìn)氣量的要求, 低流量下風(fēng)機(jī)低速運行也可以降低能耗。在第11次北極考察過程中就充分展現(xiàn)了其設(shè)計優(yōu)勢, 2臺大氣采樣器保障了4個不同需求的科研項目同時采樣。

為滿足兩個通道同時使用大體積固相萃取柱進(jìn)行作業(yè), 并且相互不受影響, 設(shè)備采用了超高壓抽風(fēng)機(jī), 可以產(chǎn)生10～100 kPa壓力, 額定流量達(dá)110 m3·h–1, 通道使用最大流量為18 m3·h–1。該最大抽氣量基本滿足了大體積固相萃取柱對抽氣量的需求。通常一個樣品需要2～3天的時間才能滿足實驗室分析的要求, 船舶航行可超一千多海里。大跨度的樣品測量, 時間和空間分辨率極低, 難以快速、準(zhǔn)確地反映海洋氣溶膠的化學(xué)組分及粒徑分布等實時變化信息。采用高壓大流量大氣采樣器, 可以有效縮短每個大體積固相萃取柱的采樣周期和跨度, 提高時間和空間分辨率。

3.4 防污染設(shè)計

大氣采樣器一般安裝在羅經(jīng)甲板, 羅經(jīng)甲板還設(shè)置有各種天線和桅桿, 外加煙囪的遮擋, 造成羅經(jīng)甲板風(fēng)向多變。其中船舶煙囪廢氣是大氣采樣器的最大污染源?！把?”號羅經(jīng)甲板上的科考平臺靠近煙囪(圖7), 直線距離約8 m。一般大氣采樣器都設(shè)置有風(fēng)向風(fēng)速儀, 為大氣采樣器提供風(fēng)向數(shù)據(jù), 以避免尾向風(fēng)將煙囪污染物帶到大氣采樣器方向。但由于羅經(jīng)甲板設(shè)備密集, 小區(qū)域內(nèi)風(fēng)向風(fēng)速受到其他設(shè)備遮擋干擾, 造成風(fēng)向和實際風(fēng)向存在較大誤差, 煙囪廢氣就有可能會被吸入系統(tǒng)污染采樣樣品(圖8)。

為了解決這個問題, 系統(tǒng)接入了船載自動氣象站相對風(fēng)向和風(fēng)速數(shù)據(jù), 船載自動氣象站安裝在桅桿最高處, 獲取的風(fēng)向風(fēng)速準(zhǔn)確度高。根據(jù)自動氣象站相對風(fēng)向和風(fēng)速來控制采樣設(shè)備的運行和停止。當(dāng)相對風(fēng)向來自于船艏一定范圍內(nèi)、風(fēng)速高于設(shè)定速度時, 系統(tǒng)可以進(jìn)行采樣; 不在這個范圍內(nèi)則停止采樣。通過相對風(fēng)向、風(fēng)速解決了煙囪排出的廢氣位于上風(fēng)向或者風(fēng)速較低時對采樣樣品的污染。同時設(shè)置越控功能, 若采集樣品不受煙囪廢氣的干擾, 可以對系統(tǒng)進(jìn)行越控, 大氣采樣器強(qiáng)制運行, 不受風(fēng)向、風(fēng)速的影響。

圖7 羅經(jīng)甲板布置圖

Fig.7.Compass deck arrangement

圖8 煙囪廢氣影響樣品采集

Fig.8.Exhaust gas of chimney affects sample collection

3.5 便利的人機(jī)界面設(shè)計

系統(tǒng)設(shè)置了友好的人機(jī)界面, 界面操作簡單, 只需要輸入目標(biāo)數(shù)據(jù)即可進(jìn)行樣品采集, 系統(tǒng)自動運行, 不需要進(jìn)行額外的操作, 科考人員只需進(jìn)行簡單的培訓(xùn)即可進(jìn)行操作使用。系統(tǒng)有定時、定量以及手動采集模式, 科研人員可以根據(jù)需求選擇相應(yīng)的模式: 在定時采集模式下, 只需設(shè)定采集時長和流量, 系統(tǒng)自動進(jìn)行運行, 達(dá)到設(shè)定值時停止采集(圖9a); 在定量模式下, 設(shè)定采集總量和流量, 系統(tǒng)自動運行, 達(dá)到設(shè)定值時停止采集(圖9b); 在手動模式下, 可以對設(shè)備進(jìn)行檢查以及自定義設(shè)置, 滿足大氣采樣器的各種需求。在定時、定量和手動采集模式下, 系統(tǒng)都會根據(jù)設(shè)定參數(shù)自動判斷是否符合采集要求, 啟動或停止設(shè)備采樣。

同時還設(shè)置遠(yuǎn)程客戶端, 使科考隊員可以在實驗室控制面板上使用大氣采樣器數(shù)據(jù), 這樣科考隊員就無需經(jīng)常到羅經(jīng)甲板查看設(shè)備運行情況, 只需要在實驗室打開監(jiān)控頁面, 就可以查看大氣采樣器各種參數(shù), 減少惡劣海況下科考隊員到艙室外的次數(shù), 提高安全性。

圖9 采集模式設(shè)定頁面.a)定時采集模式; b)定量采集模式

Fig.9.Acquisition mode setting page.a)timing acquisition mode; b)quantitative acquisition model

4 結(jié)論

在中國第36次南極考察和第11次北極考察過程中,“雪龍2”號穿越南極、北極和赤道等特殊區(qū)域, 設(shè)備工作環(huán)境惡劣[26-27]。赤道高溫、潮濕, 極地低溫、干燥, 大氣采樣器在極限環(huán)境下運行正常。獲取了數(shù)量眾多的寶貴樣品。經(jīng)過近兩年的運行檢驗, 設(shè)備可靠性較高。

根據(jù)多年的大氣采樣器在船舶上的使用經(jīng)驗, 結(jié)合大體積固相萃取柱的極地應(yīng)用, 按照船舶規(guī)范要求, 在“雪龍2”號上設(shè)計了一套新型船載大氣采樣器, 能夠應(yīng)對各種嚴(yán)格的作業(yè)環(huán)境, 滿足船載設(shè)備要求, 并已經(jīng)在“雪龍2”號上進(jìn)行了應(yīng)用, 成效顯著。這套新型大氣采樣器使用工業(yè)PLC和變頻器對風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻控制, 同時采用高精度流量控制器, 實現(xiàn)雙通道能夠進(jìn)行獨立采樣, 滿足不同的極地樣品采集任務(wù)對不同流量的需求; 占用甲板面積較單通道大氣采樣器面積少, 更有利于“雪龍2”號羅經(jīng)甲板科考設(shè)備的布局; 引入船舶自動氣象站相對風(fēng)向風(fēng)速信號, 可以有效避免煙囪廢氣對樣品的污染, 減少廢氣對氣溶膠樣品的干擾; 便利的人機(jī)界面以及遠(yuǎn)程客戶端的設(shè)計, 使科考隊員操作更加簡單, 監(jiān)控更加方便, 大大減少了科考隊員的工作量。

在“雪龍2”號上設(shè)計的新型船載大氣采樣器不僅可以搭載在極地科考船上使用, 也可以應(yīng)用到陸地監(jiān)測、其他大洋科考船、南北極考察站, 使用區(qū)域廣泛, 應(yīng)用前景廣闊?；凇把?”號大氣采樣器技術(shù)制作的新型站基大氣采樣器已經(jīng)完成了制造和驗收工作, 目前正在國內(nèi)進(jìn)行氣溶膠采集, 該套設(shè)備計劃布置在南極長城站執(zhí)行相關(guān)采集任務(wù)。

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27 劉詩平.“雪龍2”號即將穿越“咆哮西風(fēng)帶”[N].新華網(wǎng), 2020-1-9.

The design and realization of a new type of shipborne intelligent atmospheric sampling device

Yuan Dongfang, Wang Shuoren, Chen Qingman, Xia Yinyue

(Polar Research Institute of China, Shanghai 200136, China)

An atmospheric sampling device is the primary equipment required for studying atmospheric pollutants; it collects various types of atmospheric particles, including organic and inorganic pollutants.However, at present, atmospheric samplers are mainly self-developed and modified for land use.Given the particularity of ship environmental conditions, there are certain risks involved in the application of such equipment on board.Therefore, researchers of theindependently designed and made a new type of marine dual-channel large-flow sampling device.This sampler not only collects large-volume solid phase extraction columns, but also is compatible with other gas particle collections and historical data.It was successfully used during the 36th Chinese National Antarctic Research Expedition and the 11th Chinese National Arctic Research Expedition.

atmospheric sampling, HI-volume SPE, marine, dual channel, polar

2020年10月收到來稿, 2021年4月收到修改稿

新建極地科考破冰船項目(發(fā)改投資[2015]429號)資助

袁東方, 男, 1985年生。實驗室主任、高級工程師, 主要從事科考船實驗室建設(shè)、管理和科考支撐保障研究。E-mail: yuandongfang@pric.org.cn

王碩仁, E-mail: wangshuoren@pric.org.cn

10.13679/j.jdyj.20200070