智能恒流个体空气粉尘采样器及恒流控制方法

摘要

一种智能恒流个体空气粉尘采样器及恒流控制方法，设有缓冲气容(2)、气容(4)、流量闭环控制电路(16)、测压口(5-7)及微差压传感器(6)；微差压传感器(6)的测试端通过软管与气室(5)上的测压口联通，其信号输出端通过放大器、A/D转换器与单片机(7)的一输入端口连接，单片机的输出控制端经气泵控制单元(19)与抽气泵(3)驱动电机的电信号控制端相连；恒流控制方法是：a.建立流量校正曲线，b.检测气室(5)出口工作气体的背压，c.将所测当前背压与流量曲线值进行比较，控制抽气泵(3)实施恒流输出。本发明可实现流量闭环控制，自动恒流采样，提高了测量粉尘质量浓度的准确性，使用可靠，控制精确。

说明书

技术领域

本发明涉及劳动保护、卫生防疫监测仪器，特别是用于各种有害气体及粉尘浓度监测的一种智能恒流个体空气粉尘采样器。

背景技术

粉尘采样器广泛应用于劳动保护、卫生防疫部门，用于各种有害气体及粉尘浓度的监测。在环保、冶金、建材、化工、职业病防治…等行业中，通常是用粉尘采样器来评价有粉尘的劳动作业场所的环境，衡量一个劳动作业班粉尘对人体健康的影响，对职业病防治的研究、生产环境、设备的改造提供理论依据。粉尘采样器测量空气中粉尘质量浓度的方法是计重法，其原理是用该粉尘采样器抽取一定体积的含尘空气，粉尘被捕集在质量已知的滤膜上，然后在实验室称量出含尘滤膜的质量，根据下列公式计算出粉尘的质量浓度：

$\rho =\frac{m_2-m_1}{\mathrm{qt}}\times 1000$

式中：ρ----------粉尘的质量浓度，mg/m³；

m₁-----------滤膜采集粉尘前的质量，mg；

m₂-----------滤膜采集粉尘后的质量，mg；

q -----------采样流量，L/min；

t -----------采样时间，min；

由上式可知，准确测量粉尘质量浓度，在于控制好采样流量和采样时间，采样时间控制比较容易做到，不存在大的问题，关键在于控制采样流量，采样流量的波动，必然导致采气累计体积的误差，由此导致粉尘质量浓度的误差，为了精确计量累计采气体积，提出了恒流采样的课题。原有粉尘采样器大多采用转子流量计计量瞬时采气流量，它存在两个问题，一个是在采样时，当采样器转子流量计调定瞬时流量后，采样器随采样时间的增加，采样头(捕集器)中的滤纸捕集的尘粒增多，气路阻力随之加大，原调定的瞬时流量就会下降，由此带来了采气体积的误差。另一个是采用转子流量计测量，转子流量计不能提供电信号输出，无法实现反馈控制、自动补偿修正，也不能构成闭环控制系统。若选用常规的孔板流量计，在该仪器的低流量范围内，存在精度、分辨率不高，气路阻力大等不足，用质量流量传感器也存在气路阻力大的缺点，且成本高。现有的个体采样器，由于抽气泵脉动抽气，产生气流尖峰，在与其它流量计作流量对比时，由于气流的波动，不易读数对比。

发明内容

本发明的目的是提供一种可自动控制采气流量，累计采气体积计量准确，可精确测量粉尘质量浓度的智能恒流个体空气粉尘采样器及恒流控制方法。

所述智能恒流个体空气粉尘采样器包括采样头、仪器外壳，在仪器外壳内设有进气过滤嘴、抽气泵、气室、单片机、电池，与进气过滤嘴的进气口连接的采样头内装有用于捕集粉尘的滤膜，其特征是：所述采样器还设置有缓冲气容、气容、流量闭环控制电路；气室设置有孔板接嘴，孔板、孔板座、气室膜片、测压口及微差压传感器；微差压传感器的测试端通过软管与气室上的测压口联通，其信号输出端通过放大器、A/D转换器与单片机的一输入端口连接，单片机的输出控制端经气泵控制单元与抽气泵驱动电机的电信号控制端相连。

所述缓冲气容的进气口与进气过滤嘴的出气口联通，其出气口与抽气泵的进气口联通，气容的进气口与抽气泵的出气口联通，其出气口与气室的进气口联通；前述孔板接嘴设在气室壁外侧，孔板座设在气室壁内侧并通过气室壁通孔与孔板接嘴粘接连接，孔板接嘴外端的测压口通过孔板中心阻尼孔及孔板座中心通孔与气室内腔联通，气室膜片与气室内截面密封连接。

所述缓冲气容、气容均由锁紧板、缓冲气容腔、气容压板、两片气容膜片、弹簧组成；两片气容膜片中间夹持弹簧并设置在由锁紧板、气容压板及螺钉组合的空腔内，两片气容膜片之间构成气容腔，其上设有进气口、出气口。

所述流量闭环控制电路包括单片机、微差压传感器、键盘、LCD显示单元、声音告警单元、气泵控制单元及电源；由微差压传感器检测气室出气口被测气体的背压，并将此背压电信号输入到单片机的输入端；单片机的输出端分别与气泵控制单元、LCD显示单元及声音告警单元的输入端连接。

所述气室的出气嘴内设有多个与气室连通的小孔，多个小孔的另一端均与大气联通

用于智能恒流个体空气粉尘采样器的恒流控制方法特征是：

a.建立流量校正曲线，提供不同流量的工作气体，测出不同流量下的气室背压，建立背压与流量的关系曲线，将此曲线储存在单片机的数据存储器内；同时通过键盘预先设置待测气体的流量值及采样时间；

b.用微差压传感器检测气室出气口工作气体的背压，将此背压电信号放大、经A/D转换器转换成数字信号输入到单片机的数据输入端口；

c.将所测当前背压的数字信号与存储在单片机数据存储器内的背压、流量关系曲线值进行比较，在步骤a设定的流量值及采样时间范围内，由单片机的控制端口实时输出用以控制抽气泵流量的控制信号，实施恒流输出；

d.在步骤c中，单片机先发出流量采样指令，微差压传感器检测气室出气口工作气体的背压，并将此背压数值与步骤a、c中的设定值进行比较，若大于预设值则减小抽气泵的占空比，若小于预设值则增大其占空比；同时检测采样时间，如小于预设值则继续流量采样并调节其占空比，如采样时间到达预设值则自动关闭抽气泵，采样结束。

测量流量原理是：在气路出口设置如图3的气室，气室的出气嘴有如同藕芯一样的多个小孔，且有一定的长度，它的作用是不让气路进入气室的气体释放得太快，让气室与大气建立一定的压力差即背压，接嘴有一定长度是保持气流出气有一定的直管段，使气室平稳出气，由膜片组成的气室相当于一个容积可塑的气容，有很好的滤波作用，让背压处于平稳状态，根据背压与流量建立的一定关系，背压测得稳，采样流量就测得准确。出气嘴藕芯孔径截面积的大小至关重要，它决定了流量的分辨率和精度。以仪器流量满量程确定出气嘴藕芯孔径截面积大小，孔径截面积大，建立的背压就小，分辨率不高；孔径截面积小，建立的背压就大，但背压过大会使气路阻力大，会使仪器负载能力下降，达不到仪器所需的最大流量，故须兼顾二者之间的关系，确定合适的出气嘴藕芯孔径截面积。

本发明的有益效果是：

1.用气路背压法测流量，阻力小，仪器负载能力强，在仪器的软硬件的共同作用下，流量测量精度高，该方法流量电信号输出，流量数字显示，实现了流量闭环自动控制，自动恒流采样，计量的累计采气体积准确，从而提高了粉尘质量浓度的精度；

2.仪器智能化设计，编程设置时序采样，在操作者佩戴工作工作过程中，有时由于弯腰或者其它原因造成气路折死，导致跟踪设置的采样流量精度超差，仪器会报警自动停机，使仪器误动作的时间不计入采样器总时间，提高了累计采气体积精度，从而提高了粉尘质量浓度的精度。仪器电量显示，欠压报警，提示充电。

3.仪器与上位机通讯校准，生产方便。

4.仪器进行了工业造型设计，外形美观，佩戴方便。

本发明可实现流量闭环控制，自动恒流采样，提高了测量粉尘质量浓度的准确性，使用可靠，可批量生产，应用广泛。

附图说明。

图1是本发明的系统原理图，

图2是缓冲气容及气容结构示意图，

图3是图2的侧视图，

图4是气室结构示意图，

图5是图4的侧视图，

图6是流量闭环控制原理图，

图7是流量闭环控制电路图，

图8是流量闭环控制程序流程图。

图中：1-过滤嘴，2-缓冲气容，3-抽气泵，4-滤波气容，5-气室，5-1-孔板接嘴，5-2-孔板，5-3-孔板座，5-4-气室膜片，5-5-螺钉，5-6-进气口，5-7-测压口，5-8-出气口，6-微差压传感器，7-单片机，8-按键，9-显示器，10-锁紧板，11-缓冲气容腔，12-气容压板，13-螺钉，14-气容膜片，15-弹簧，16-流量闭环控制电路，17-LCD显示单元，18-声音告警单元，19-气泵控制单元，20-电源。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。图1、4中，所述智能恒流个体空气粉尘采样器包括采样头、仪器外壳，在仪器外壳内设有进气过滤嘴1、抽气泵3、气室5、单片机7、电池，与进气过滤嘴1的进气口连接的采样头内装有用于捕集粉尘的滤膜，其特征是：所述采样器还设置有缓冲气容2、气容4、流量闭环控制电路16；气室5设置有孔板接嘴5-1，孔板5-2、孔板座5-3、气室膜片5-4、测压口5-7及微差压传感器6；微差压传感器6的测试端通过软管与气室5上的测压口5-7联通，其信号输出端通过放大器、A/D转换器与单片机7的一输入端口连接，单片机7的输出控制端经气泵控制单元19与抽气泵3驱动电机的电信号控制端相连。

所述缓冲气容2的进气口与进气过滤嘴1的出气口联通，其出气口与抽气泵3的进气口联通，气容4的进气口与抽气泵3的出气口联通，其出气口与气室5的进气口5-6联通；前述孔板接嘴5-1设在气室5壁外侧，孔板座5-3设在气室5壁内侧并通过气室壁通孔与孔板接嘴5-1粘接连接，孔板接嘴5-1外端的测压口5-7通过孔板5-2中心阻尼孔及孔板座5-3中心通孔与气室5内腔联通，气室膜片5-4与气室5内截面密封连接。

如图2、3示，所述缓冲气容2、气容4均由锁紧板10、缓冲气容腔11、气容压板12、两片气容膜片14、弹簧15组成；两片气容膜片14中间夹持弹簧15并设置在由锁紧板10、气容压板12及螺钉13组合的空腔内，两片气容膜片14之间构成气容腔11，其上设有进气口、出气口。

在图6流量闭环控制原理图、图7是流量闭环控制电路图中，所述流量闭环控制电路16包括单片机7、微差压传感器6、键盘8、LCD显示单元17、声音告警单元18、气泵控制单元19及电源20；由微差压传感器6检测气室5出气口被测气体的背压，并将此背压电信号输入到单片机7的输入端；单片机的输出端分别与气泵控制单元19、LCD显示单元17及声音告警单元18的输入端连接。

图5表示了气室5的出气嘴5-8内设有多个与气室连通的小孔，多个小孔的另一端均与大气联通。

用于智能恒流个体空气粉尘采样器的恒流控制方法可参见图8、6。

具体方法是：

a.建立流量校正曲线，提供不同流量的工作气体，测出不同流量下的气室背压，建立背压与流量的关系曲线，将此曲线储存在单片机7的数据存储器内；同时通过键盘8预先设置待测气体的流量值及采样时间；

b.用微差压传感器6检测气室5出气口工作气体的背压，将此背压电信号放大、经A/D转换器转换成数字信号输入到单片机7的数据输入端口；

c.将所测当前背压的数字信号与存储在单片机7数据存储器内的背压、流量关系曲线值进行比较，在步骤a设定的流量值及采样时间范围内，由单片机7的控制端口实时输出用以控制抽气泵3流量的控制信号，实施恒流输出；

d.在步骤c中，单片机先发出流量采样指令，微差压传感器6检测气室5出气口工作气体的背压，并将此背压数值与步骤a、c中的设定值进行比较，若大于预设值则减小抽气泵3的占空比，若小于预设值则增大其占空比；同时检测采样时间，如小于预设值则继续流量采样并调节其占空比，如采样时间到达预设值则自动关闭抽气泵3，采样结束。

本发明的工作原理：采样器气路由进气过滤嘴、缓冲气容、抽气泵、滤波气容、气室、出气嘴组成：见图1。

在采样器的进气过滤嘴前(仪器外部)接有采样头，内装捕集粉尘的滤膜，用于捕集采集粉尘；进气过滤嘴用于防止粉尘进入抽气泵内部；缓冲气容用于平稳抽气气流，在采样器流量范围的高端，使得采样器进气(瞬时流量)变得很平稳，能与其它流量计作很好的对比校准，是采样器的重要部件；抽气泵是仪器采气的动力源；滤波气容是抽气泵出气端滤波器，起辅助平稳气流作用；气室是仪器的关键件，是在气路出口建立的，由微差压传感器测其气路出口气室背压(气室与大气之间的压力差)。微差压传感器测得的电信号经集成运算放大器放大、A/D转换，送中央微处理器处理，显示采样流量；在设定流量采样时，计算机自动比较采样流量与设定流量，进行闭环自动控制，在一定范围内，无论气流波动，还是气路负载阻力的变化，都自动跟踪设定流量，进行自动恒流采样，保证测量粉尘质量浓度的精度。

重要部件缓冲滤波气容，它由两片气容膜片中间夹一个弹簧和气容腔构成缓冲滤波气容，结构见图2。

在设计缓冲滤波气容时，气容的大小、膜片柔韧性，弹簧弹力的大小是关键，要考虑该仪器流量范围内的有效滤波，通过大量实验确定气容腔、膜片、弹簧等的相关参数，只有在合适的缓冲气容作用下，抽气泵的脉动抽气气流的尖峰才能被缓冲气容有效吸收，起到滤波作用，保证进气气流的平稳性。

关键件气室由气室腔、气室膜片、孔板、进气嘴、出气嘴、孔板接嘴组成见图3气室组件图。

本发明的工作过程：

①将仪器充电充好待用；

②滤膜烘干称重待用；

③采样头装好滤膜，仪器开机，设置好采样起停时序，连接采样头与仪器；

④佩戴好采样头与仪器，进入作业场所；

⑤启动采样器，开始采样；

⑥仪器倒计时采样，到时报警停机；

⑦取下采样头与仪器，从采样头取出已捕尘滤膜；

⑧滤膜烘干称重待用，得出滤膜增重；

⑨计算粉尘的质量浓度。

机壳、进气过滤嘴、缓冲气容、抽气泵、气容、气室、出气嘴材料均为：ABS；粘接处均用三氯甲烷粘接；

试压：粘接件粘接好后，按部件组装好，堵住出气口加5kPa的压力试水，不得有漏气现象。

校准：仪器整机组装好后，用通讯线连接上位机，下载仪器软件，连接仪器校准气路及皂沫流量计，启动仪器采样泵，在满量程范围内均匀提供20个不同的流量，通过上位机校准。