[0001] 本发明涉及取样装置，特别是涉及一种降尘收集装置。

[0002] 大气降尘作为地壳表层和大气圈之间物质交换的重要形式之一，对于生态系统、大气辐射传输、全球地质化学循环、环境污染以及人类健康具有重要影响。

[0003] 目前，大气降尘的收集主要依靠收集缸体，国家标准收集缸体的直径为15cm，高30cm。根据收集方式的不同，收集降尘主要的方法有湿法和干法两种。干法由于“二次起尘”的影响，造成实际收集量小于实际降尘量，而湿法中液体介质的添加对样品成分的分析造成很大影响。

[0004] 研究结果表明干法的收集效率低下，且收集的降尘样品中细颗粒物质损失严重，导致收集到的样品偏粗，无法准确评估降尘的生态效益。

[0005] 国内大气降尘收集器大多数在国标收集缸体基础上进行改进，依据改进功能不同，有防鸟型、防“二次起尘”和干湿降尘收集型。总体上，这些降尘收集器并未对如何提高降尘收集效率提出解决方案，并且改进后的降尘收集器收集效率如何，也没有相关的验证，这样容易造成不同研究者的成果之间并无可比性，对于降尘的研究发展制约很大。

[0024] 如图1、图2、图3所示，本发明的降尘收集装置，包括直圆筒状的缸体1，缸体1的内部设置有圆形漏斗2，圆形漏斗2包括圆锥形的收集部21以及与收集部中心连接的圆筒状的注入部22，收集部面向缸体的圆形开口，注入部指向缸体的底部，收集部的外边缘与缸体的内壁无缝焊接在一起，收集部的中部向下倾斜，收集部与缸体的中轴线成45度夹角。

[0025] 本发明的降尘收集装置，其中，圆形漏斗的收集部上连接有多个向缸体的圆形开口所在方向延伸的隔片3，多个隔片均指向收集部的轴心，多个隔片将收集部的外表面分隔为多个面积相等的扇形区域。

[0026] 本发明的降尘收集装置，其中，隔片3为直角三角形，每一隔片的斜边均连接于圆形漏斗的收集部上，每一隔片的直角均指向收集部的轴线。

[0027] 本发明的降尘收集装置，其中，每一隔片的与收集部的轴线垂直的直角边均在一与收集部的轴线垂直的平面内。

[0028] 本发明的降尘收集装置，其中，隔片3的与收集部的轴线垂直的直角边上连接有把手环4，把手环4的圆心在收集部的轴线上。

[0029] 本发明的降尘收集装置，其中，缸体的内壁上设置有多个气流孔5，多个气流孔均位于收集部的下方，每一气流孔内安装有螺帽6，螺帽设置于缸体的内部。

[0030] 本发明的降尘收集装置，其中，螺帽与缸体的内壁之间设置有围绕气流孔的棉质的垫圈7，垫圈的厚度为2mm，保证气流流动但降尘不可穿过。

[0031] 本发明的降尘收集装置，其中，气流孔包括多个第一气流孔以及多个第二气流孔，多个第一气流孔均位于注入部的上边缘的上方，多个第一气流孔在同一高度，多个第二气流孔均位于注入部的上边缘的下方且位于注入部的下边缘的上方，多个第二气流孔在同一高度。

[0032] 本发明的降尘收集装置，其中，圆形漏斗的收集部的外边缘距缸体的顶部5-10cm，圆形漏斗的收集部的直径为3cm，长度10cm，圆形漏斗的收集部的孔径为1cm。

[0033] 本发明的降尘收集装置，其中，圆形漏斗的收集部上连接有四个向缸体的圆形开口所在方向延伸的隔片3，四个隔片均指向收集部的轴心，四个隔片将收集部的外表面分隔为四个面积相等的扇形区域。

[0034] 本发明的降尘收集装置，其中，第一气流孔为四个，四个第一气流孔均匀分布于一与缸体的中轴线垂直的圆面的圆边上。第二气流孔为四个，四个第二气流孔均匀分布于一与缸体的中轴线垂直的圆面的圆边上。四个第一气流孔与四个第二气流孔一一对应，每一第一气流孔与相对应的第二气流孔均位于一平行缸体的中轴线的直线上。

[0035] 本发明的降尘收集装置，增加了优化措施，旨在避免“二次起尘”，提高收集效率。

[0036] 野外试验结果表明：增加隔片、圆形漏斗距缸体顶部5cm、圆形漏斗的收集部与缸体的内壁的夹角为45°以及在缸体的中上部的缸壁上设置气流孔使本发明的降尘收集装置收集效率大幅提高，较没有圆形漏斗的空桶提高了126％。漏斗距缸体顶部10cm、形漏斗的收集部与缸体的内壁的夹角为45°以及在缸体的中上部的缸壁上设置气流孔使收集效率较没有圆形漏斗的空桶提高了149％。

[0037] 风洞试验结果表明，增加隔片、圆形漏斗距缸体顶部5cm，圆形漏斗的收集部与缸体的内壁的夹角为45°以及在缸体的中上部的缸壁上设置气流孔，在风速2m/s时使收集效率较没有圆形漏斗的空桶提高了91％；在风速3m/s时使收集效率较没有圆形漏斗的空桶提高了166％；在风速4m/s时使收集效率较没有圆形漏斗的空桶提高了217％。

[0038] 风洞试验结果表明，圆形漏斗距缸体顶部10cm，圆形漏斗的收集部与缸体的内壁的夹角为45°以及在缸体的中上部的缸壁上设置气流孔，在风速2m/s时使收集效率较没有圆形漏斗的空桶提高了109％；在风速3m/s时使收集效率较没有圆形漏斗的空桶提高了171％；在风速4m/s时使收集效率较没有圆形漏斗的空桶提高了250％。

[0039] 通过野外和风洞测试，优选出两种类型缸体，分别是：增加隔片、漏斗距缸体顶部5cm，圆形漏斗的收集部与缸体的内壁的夹角为45°，在缸体的中上部的缸壁上设置气流孔方式和增加隔片，漏斗距缸体顶部10cm，圆形漏斗的收集部与缸体的内壁的夹角为45°，在缸体的中上部的缸壁上设置气流孔方式，野外测试相较空桶收集效率分别提高149％和
181％；风洞测试，2m/s时分别提高109％和98％，3m/s时为171％和171％，4m/s时为250％和
217％。

[0040] 具体实验数据如下：

[0041] 收集效率实验材料

[0042] 如图4所示，缸体为不锈钢材料，缸体内径20cm，高40cm，漏斗(漏斗口直径＝3cm)与缸体无缝焊接。漏斗距缸体顶部的距离分为0cm、5cm和10cm三种；漏斗与缸体的夹角分为30°、45°和60°三种；开孔位置有无孔、上层孔、下层孔、中上层孔、中下层孔和上下层孔(开孔直径＝1cm)六种；漏斗上有隔片和无隔片两种。以空桶作对照，共计55种类型的缸体。其中2-10号缸体各有6种类型，分别为无孔、上层孔、下层孔、中上层孔、中下层孔和上下层孔，编号顺序依次为N-1，2，3，4，5，6，下表为2号缸体编号说明，依次类推。

[0043]

[0044] 野外降尘收集试验方法

[0045] 大气降尘量是指从大气中自然降落在单位面积上的颗粒物重量，常以g/m2·month、kg/hm2·month为单位。

[0046] 考虑到缸体摆放位置应远离高大建筑物，避免人为活动干扰，故放置在国家林业局磴口荒漠生态站的中国林科院沙漠林业实验中心第二实验场气象站。缸体呈“品”字形布置，摆放两行，缸体横向间距30cm，纵向垂直间距2.5m。

[0047] 根据研究，沙粒的平均跃移高度有0.017m，小于0.22m，0.06m。本文中所用缸体高度为40cm，故放置在地面。缸体底部放置两层铺垫，底层为厚实油布，上层为A4纸，确保气流无法从底部进入从而对缸体造成干扰，采用干法收集。缸体在2017年5月11号开始放置在野外，并将每个缸体编号，每两月收集降尘一次。

[0048] 样品处理

[0049] 根据缸体编号分别收集，带回实验室后捡去树叶、昆虫等一些杂质后用电子天平(1/1000)精度进行称量。

[0050] 缸体的收集效率：

[0051]

[0052] 式中e表示收集效率，单位：％，Mn表示这种类型缸体的收集量，单位：g，M0表示空桶的收集量，单位：g；Mn和M0均采用三次收集的降尘质量总和。结果与分析

[0053] 漏斗距缸体顶部不同距离的降尘量特征

[0054] 漏斗距缸体顶部10cm、5cm和0cm的缸体降尘收集状况见图6，收集效率均值接近，分别为169％(δ＝0.35，δ-标准差)，174％(δ＝0.42)和173％(δ＝0.49)，但个体间差异较大。

[0055] 无孔状态：漏斗与缸体夹角30°及45°时，漏斗距缸体顶部10cm和5cm类型缸体的降尘量均大于漏斗距缸体0cm类型缸体，收集效率分别为184％，164％，154％，157％，152％和133％；漏斗与缸体夹角60°时，漏斗距缸体顶部0cm类型缸体降尘量最多，5cm的最少，收集效率分别为213％和147％。

[0056] 上层有孔状态缸体降尘量特征与无孔状态相同，收集效率均值为，收集效率最高的为漏斗与缸体夹角60°，漏斗距缸体顶部0cm，收集效率262％，收集效率最低的为漏斗与缸体夹角60°，漏斗距缸体5cm，收集效率105％。

[0057] 下层有孔状态：漏斗与缸体夹角30°及60°时，漏斗距缸体顶部10cm和5cm类型缸体的降尘量均大于漏斗距缸体顶部0cm类型缸体，收集效率分别为153％，143％，144％，145％，116％和115％；漏斗与缸体夹角45°时，漏斗距缸体顶部0cm类型缸体降尘量最多，
10cm的反而最少，收集效率分别为173％和104％。

[0058] 中上两排孔状态：漏斗与缸体夹角30°时，漏斗距缸体顶部5cm类型缸体降尘量最多，收集效率255％，10cm和0cm的降尘量接近，收集效率分别为214％和225％；漏斗与缸体夹角45°时，漏斗距缸体顶部10cm和5cm类型缸体的降尘量大于漏斗距缸体0cm类型缸体，收集效率分别为249％，281％和173％；漏斗与缸体夹角60°时，三种类型缸体的降尘量接近，收集效率分别为226％，225％和211％。

[0059] 中下两排孔状态：漏斗与缸体夹角30°及45°时，漏斗距缸体顶部10cm和5cm类型缸体的降尘量均大于漏斗距缸体0cm类型缸体，收集效率分别为186％，172％，154％，141％，158％和119％；漏斗与缸体夹角60°时，三种类型缸体的降尘量接近，收集效率分别为
157％，165％和162％。

[0060] 上下两排孔状态：漏斗与缸体夹角30°时，漏斗距缸体顶部0cm类型缸体降尘量最多，收集效率为286％，10cm和5cm类型缸体降尘量接近，收集效率分别为136％和147％；漏斗与缸体夹角45°时，漏斗距缸体顶部5cm类型缸体降尘量最多，收集效率为165％，10cm和0cm的降尘量接近，收集效率分别为121％和102％；漏斗与缸体夹角60°时，三者降尘量接近，收集效率分别为166％，169％和184％。

[0061] 漏斗与缸体呈不同夹角的降尘量特征

[0062] 漏斗与缸体呈不同夹角的缸体降尘收集状况见图7，收集效率均值从大到小依次为45°(181％，δ＝0.43)、30°(180％，δ＝0.36)和60°(160％，δ＝0.33)。

[0063] 漏斗距缸体顶部10cm状态：无孔，上层孔，下层孔和中下层孔开孔方式的缸体降尘量最多的均是漏斗与缸体夹角30°，收集效率分别为184％，195％和153％；中上层孔开孔方式降尘量最多的是漏斗与缸体夹角45°，收集效率249％，漏斗与缸体夹角30°和60°类型缸体的降尘量接近，收集效率分别为214％和226％；上下层孔开孔方式降尘量最多的为漏斗与缸体夹角60°，收集效率166％，漏斗与缸体夹角45°类型缸体的降尘量最少，收集效率121％。

[0064] 漏斗距缸体顶部5cm状态：无孔和上下层孔开孔方式的缸体在3个角度下降尘量都较为接近，收集效率介于147％-169％；下层孔和中上层孔开孔方式的缸体降尘量最多的是漏斗与缸体夹角45°，中上层开孔方式的缸体在3个角度下的降尘量是漏斗距缸体5cm类型缸体里最多的，收集效率分别为255％，281％和225％；中下层孔开孔方式的缸体在漏斗与缸体夹角30°和60°时降尘量接近，均大于漏斗与缸体夹角45°类型的缸体，收集效率分别为172％，165％和141％。

[0065] 漏斗距缸体顶部0cm状态：无孔和上层孔开孔方式类型的缸体降尘量最多的是漏斗与缸体夹角60°，收集效率为213％和262％，降尘量最少的是漏斗与缸体夹角45°，收集效率为133％和158％；下层孔开孔方式的缸体降尘量最多的是漏斗与缸体夹角45°，收集效率173％；中上层孔和上下层孔开孔方式的缸体降尘量最多的均是漏斗与缸体夹角30°，收集效率分别为225％和286％，降尘量最少的均是漏斗与缸体夹角45°，收集效率分别为173％和102％；中下层孔开孔方式的缸体，漏斗与缸体夹角为30°和60°时降尘量接近，收集效率分别为158％和162％，降尘量最少的均是漏斗与缸体夹角45°，收集效率为119％。

[0066] 不同开孔方式的降尘集量特征

[0067] 不同开孔方式的缸体降尘收集状况见图5，收集效率均值从大到小依次为：中上两排孔(229％，δ＝0.29，δ-标准差，有隔片)、上层孔(180％，δ＝0.39，有隔片)、上下两排孔(164％，δ＝0.50)、无孔(161％，δ＝0.22，有隔片)、中下两排孔(157％，δ＝0.18)、下层孔(140％，δ＝0.22)。

[0068] 漏斗距缸体顶部10cm：漏斗与缸体夹角30°，无孔和上层孔开孔方式的缸体降尘量大于下层开孔方式，收集效率分别为184％，195％和153％；中上层孔和中下层孔开孔方式的缸体降尘量大于上下层开孔方式，收集效率分别为214％，186％和136％；漏斗与缸体夹角45°，降尘量特征与漏斗与缸体夹角30°相似，其中中上层开孔方式的缸体降尘量最多，收集效率为249％，下层开孔方式的缸体降尘量最少，收集效率104％；漏斗与缸体夹角60°，上层开孔方式和中上层开孔方式的缸体降尘量较多，收集效率为176％和226％，无孔和下层孔开孔方式的缸体降尘量较少，收集效率为147％和144％。

[0069] 漏斗距缸体顶部5cm，漏斗与缸体夹角30°，上层孔和中上层孔开孔方式的缸体降尘量较多，收集效率为202％和255％，降尘量较少的为下层孔和上下层孔开孔方式的缸体，收集效率为143％和147％；漏斗与缸体夹角45°，降尘量较多的依然为上层孔和中上层孔开孔方式的缸体，但上层开孔方式优势并不是很明显，收集效率为179％和281％，降尘量最少的为中下层孔开孔方式的缸体，收集效率为164％；漏斗与缸体夹角60°，中上层孔开孔方式的缸体降尘量最多，收集效率225％，上层孔开孔方式的缸体收集量最少，收集效率105％。

[0070] 漏斗距缸体顶部0cm，无孔和上层孔开孔方式的缸体降尘量大于下层开孔方式，收集效率分别为152％，176％和116％，中上层孔和上下层孔开孔方式的缸体降尘量大于中下层开孔方式，收集效率分别为225％，286％和158％；漏斗与缸体夹角45°，下层孔和中上层孔开孔方式的缸体降尘量接近，收集效率173％，上下层孔开孔方式的缸体降尘量最少，收集效率102％；漏斗与缸体夹角60°，无孔和上层开孔方式的缸体降尘量是下层开孔方式降尘量的两倍左右，收集效率为213％，262％和115％，中上层孔和上下层孔开孔方式的缸体降尘量大于中下层开孔方式，收集效率为211％，184％和162％。

[0071] 讨论

[0072] 降尘的收集效率受5个因素的影响，分别是水平沙通量、沙尘质量、空气湍流、降尘的“二次起尘”以及“尘影”效应。对于如何削弱“二次起尘”的影响，研究者做了多项改进，如使用玻璃球、湿法(加液体石蜡、乙二醇溶液、水)及加过滤网等，其中湿法的收集效果较好，但是在成分分析时如何去除所加液体的影响，依然是一个难题。本文通过增加三种措施(漏斗，隔片及打孔)优化缸体，主要目的是削弱缸体入口处风速(增加隔片)，降低缸体内旋涡强度，减少“二次起尘”，创造更有利于降尘下落的环境，结果表明每种措施都或多或少对降尘收集效率的提高有积极地影响。

[0073] 漏斗距缸体顶部不同距离对降尘量的影响：无孔，上层孔，中上层孔和中下层孔，在漏斗与缸体夹角为30°和45°时，漏斗距缸体顶部10cm和5cm的缸体收集效果均好于漏斗距缸体0cm，收集效率均值为188％(δ＝0.30)，194％(δ＝0.46)和162％(δ＝0.30)，漏斗与缸体夹角60°时，无明显规律；下层孔和上下层孔开孔方式的缸体在漏斗与缸体呈不同夹角时的降尘量特征迥异甚至相反，如2-3，5-3，8-3和3-3，6-3，9-3；2-6，5-6，8-6和3-6，6-6，9-6。主要影响因素可能有：(1)风速影响缸体的收集效率，一般认为，缸体收集效率随风速的增大而减小。漏斗距缸体顶部存在一定距离，风在进入桶口之后，会有一部分先撞击桶壁，进行一次消能，其携沙能力也会相应减弱，导致大颗粒降尘下落，而漏斗直接与缸体顶部相接的方式，风直接撞击的是漏斗，降尘会在撞击漏斗后重新跃起，被带出桶外；(2)下层开孔的方式导致大风速下气流进入桶内直接对桶底已降落的降尘进行二次吹扬，造成“二次起尘”。

[0074] 漏斗与缸体不同夹角对降尘量的影响：漏斗距缸体顶部10cm和5cm类型的缸体，在无孔，上层孔和下层孔开孔方式下，收集效率从大到小依次为漏斗与缸体夹角30°、45°、60°，收集效率为173％(δ＝0.22)，154％(δ＝0.24)，144％(δ＝0.21)；中上层开孔方式，漏斗与缸体夹角45°收集效率最高，为249％和281％；中下层和上下层开孔方式类型的缸体降尘量无明显特征。漏斗距缸体顶部0cm，各类型缸体收集量之间差异很大，无孔和上层开孔方式，漏斗与缸体夹角60°降尘量最多，收集效率为213％和262％，45°降尘量最少，但下层孔开孔方式，漏斗与缸体夹角45°最多，收集效率仅有173％；双排孔开孔方式，漏斗与缸体夹角30°的缸体收集量最多，45°的最少，收集效率为223％(δ＝0.52)和144％(δ＝0.31)。

[0075] 不同开孔方式对降尘量的影响：漏斗距缸体顶部10cm和5cm类型的缸体，上层孔开孔方式的缸体降尘量大于无孔和下层开孔方式(7-2除外)，无孔，上层孔和下层孔收集效率均值分别为159％(δ＝0.11)，171％(δ＝0.32)，142％(δ＝0.19)；中上层开孔方式的缸体降尘量大于中下层开孔方式和上下层开孔方式，收集效率均值分别为242％(δ＝0.23)，163％(δ＝0.14)，150％(δ＝0.18)。漏斗距缸体顶部0cm类型缸体的降尘量无明显特征。上层开孔方式(隔片)和中上层开孔方式(隔片)更有助于提高降尘收集效率，原因可能是(1)气流进入桶内并未直接作用于桶底的降尘，相较于下层开孔方式，更不易发生降尘的二次运动；(2)隔片的添加可以削弱漏斗至缸体顶部区域的气流风速，降低风沙流的携沙能力，利于降尘的下落。

[0076] 结论

[0077] 通过野外观测55种类型缸体的收集量及收集效率，初步得出以下结论：(1)增加隔片，漏斗及开孔能够显著提高收集效率；(2)漏斗距缸体顶部10cm和5cm的缸体收集效果较为稳定；漏斗距缸体顶部0cm，各类型缸体收集量差异较大，还有待于进一步观测研究；(3)漏斗与缸体夹角30°和45°的缸体收集效果较好，收集效率高于夹角60°约20％；(4)上层开孔方式(加隔片)和中上层开孔方式(加隔片)优势明显，相较其他开孔方式分别提高65％-89％和16％-40％。

[0078] 以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。