專利名稱：智能恒流個體空氣粉塵采樣器及恒流控制方法
技術領域：
本發明涉及勞動保護、衛生防疫監測儀器，特別是用于各種有害氣體及粉塵濃度 監測的一種智能恒流個體空氣粉塵采樣器。
背景技術：
粉塵采樣器廣泛應用于勞動保護、衛生防疫部門，用于各種有害氣體及粉塵濃度 的監測。在環保、冶金、建材、化工、職業病防治…等行業中，通常是用粉塵采樣器來評價有 粉塵的勞動作業場所的環境，衡量一個勞動作業班粉塵對人體健康的影響，對職業病防治 的研究、生產環境、設備的改造提供理論依據。粉塵采樣器測量空氣中粉塵質量濃度的方法 是計重法，其原理是用該粉塵采樣器抽取一定體積的含塵空氣，粉塵被捕集在質量已知的 濾膜上，然后在實驗室稱量出含塵濾膜的質量，根據下列公式計算出粉塵的質量濃度 式中p----------粉塵的質量濃度，mg/m3 ；mi-----------濾膜采集粉塵前的質量，mg ；m2-----------濾膜采集粉塵后的質量，mg ；q-----------采樣流量，L/min;t-----------采樣時間，min;由上式可知，準確測量粉塵質量濃度，在于控制好采樣流量和采樣時間，采樣時間 控制比較容易做到，不存在大的問題，關鍵在于控制采樣流量，采樣流量的波動，必然導致 采氣累計體積的誤差，由此導致粉塵質量濃度的誤差，為了精確計量累計采氣體積，提出了 恒流采樣的課題。原有粉塵采樣器大多采用轉子流量計計量瞬時采氣流量，它存在兩個問 題，一個是在采樣時，當采樣器轉子流量計調定瞬時流量后，采樣器隨采樣時間的增加，采 樣頭(捕集器)中的濾紙捕集的塵粒增多，氣路阻力隨之加大，原調定的瞬時流量就會下 降，由此帶來了采氣體積的誤差。另一個是采用轉子流量計測量，轉子流量計不能提供電信 號輸出，無法實現反饋控制、自動補償修正，也不能構成閉環控制系統。若選用常規的孔板 流量計，在該儀器的低流量范圍內，存在精度、分辨率不高，氣路阻力大等不足，用質量流量 傳感器也存在氣路阻力大的缺點，且成本高。現有的個體采樣器，由于抽氣泵脈動抽氣，產 生氣流尖峰，在與其它流量計作流量對比時，由于氣流的波動，不易讀數對比。
發明內容
本發明的目的是提供一種可自動控制采氣流量，累計采氣體積計量準確，可精確 測量粉塵質量濃度的智能恒流個體空氣粉塵采樣器及恒流控制方法。所述智能恒流個體空氣粉塵采樣器包括采樣頭、儀器外殼，在儀器外殼內設有進 氣過濾嘴、抽氣泵、氣室、單片機、電池，與進氣過濾嘴的進氣口連接的采樣頭內裝有用于捕集粉塵的濾膜，其特征是所述采樣器還設置有緩沖氣容、氣容、流量閉環控制電路；氣室 設置有孔板接嘴，孔板、孔板座、氣室膜片、測壓口及微差壓傳感器；微差壓傳感器的測試端 通過軟管與氣室上的測壓口聯通，其信號輸出端通過放大器、A/D轉換器與單片機的一輸入 端口連接，單片機的輸出控制端經氣泵控制單元與抽氣泵驅動電機的電信號控制端相連。所述緩沖氣容的進氣口與進氣過濾嘴的出氣口聯通，其出氣口與抽氣泵的進氣口 聯通，氣容的進氣口與抽氣泵的出氣口聯通，其出氣口與氣室的進氣口聯通；前述孔板接嘴 設在氣室壁外側，孔板座設在氣室壁內側并通過氣室壁通孔與孔板接嘴粘接連接，孔板接 嘴外端的測壓口通過孔板中心阻尼孔及孔板座中心通孔與氣室內腔聯通，氣室膜片與氣室 內截面密封連接。所述緩沖氣容、氣容均由鎖緊板、緩沖氣容腔、氣容壓板、兩片氣容膜片、彈簧組 成；兩片氣容膜片中間夾持彈簧并設置在由鎖緊板、氣容壓板及螺釘組合的空腔內，兩片氣 容膜片之間構成氣容腔，其上設有進氣口、出氣口。所述流量閉環控制電路包括單片機、微差壓傳感器、鍵盤、LCD顯示單元、聲音告警 單元、氣泵控制單元及電源；由微差壓傳感器檢測氣室出氣口被測氣體的背壓，并將此背壓 電信號輸入到單片機的輸入端；單片機的輸出端分別與氣泵控制單元、LCD顯示單元及聲 音告警單元的輸入端連接。所述氣室的出氣嘴內設有多個與氣室連通的小孔，多個小孔的另一端均與大氣聯 通用于智能恒流個體空氣粉塵采樣器的恒流控制方法特征是a.建立流量校正曲線，提供不同流量的工作氣體，測出不同流量下的氣室背壓，建 立背壓與流量的關系曲線，將此曲線儲存在單片機的數據存儲器內；同時通過鍵盤預先設 置待測氣體的流量值及采樣時間；b.用微差壓傳感器檢測氣室出氣口工作氣體的背壓，將此背壓電信號放大、經A/ D轉換器轉換成數字信號輸入到單片機的數據輸入端口；c.將所測當前背壓的數字信號與存儲在單片機數據存儲器內的背壓、流量關系曲 線值進行比較，在步驟a設定的流量值及采樣時間范圍內，由單片機的控制端口實時輸出 用以控制抽氣泵流量的控制信號，實施恒流輸出；d.在步驟c中，單片機先發出流量采樣指令，微差壓傳感器檢測氣室出氣口工作 氣體的背壓，并將此背壓數值與步驟a、c中的設定值進行比較，若大于預設值則減小抽氣 泵的占空比，若小于預設值則增大其占空比；同時檢測采樣時間，如小于預設值則繼續流量 采樣并調節其占空比，如采樣時間到達預設值則自動關閉抽氣泵，采樣結束。測量流量原理是在氣路出口設置如圖3的氣室，氣室的出氣嘴有如同藕芯一樣 的多個小孔，且有一定的長度，它的作用是不讓氣路進入氣室的氣體釋放得太快，讓氣室與 大氣建立一定的壓力差即背壓，接嘴有一定長度是保持氣流出氣有一定的直管段，使氣室 平穩出氣，由膜片組成的氣室相當于一個容積可塑的氣容，有很好的濾波作用，讓背壓處于 平穩狀態，根據背壓與流量建立的一定關系，背壓測得穩，采樣流量就測得準確。出氣嘴藕 芯孔徑截面積的大小至關重要，它決定了流量的分辨率和精度。以儀器流量滿量程確定出 氣嘴藕芯孔徑截面積大小，孔徑截面積大，建立的背壓就小，分辨率不高；孔徑截面積小，建 立的背壓就大，但背壓過大會使氣路阻力大，會使儀器負載能力下降，達不到儀器所需的最大流量，故須兼顧二者之間的關系，確定合適的出氣嘴藕芯孔徑截面積。本發明的有益效果是1.用氣路背壓法測流量，阻力小，儀器負載能力強，在儀器的軟硬件的共同作用 下，流量測量精度高，該方法流量電信號輸出，流量數字顯示，實現了流量閉環自動控制，自 動恒流采樣，計量的累計采氣體積準確，從而提高了粉塵質量濃度的精度；2.儀器智能化設計，編程設置時序采樣，在操作者佩戴工作工作過程中，有時由于 彎腰或者其它原因造成氣路折死，導致跟蹤設置的采樣流量精度超差，儀器會報警自動停 機，使儀器誤動作的時間不計入采樣器總時間，提高了累計采氣體積精度，從而提高了粉塵 質量濃度的精度。儀器電量顯示，欠壓報警，提示充電。3.儀器與上位機通訊校準，生產方便。4.儀器進行了工業造型設計，外形美觀，佩戴方便。本發明可實現流量閉環控制，自動恒流采樣，提高了測量粉塵質量濃度的準確性， 使用可靠，可批量生產，應用廣泛。
。圖1是本發明的系統原理圖，圖2是緩沖氣容及氣容結構示意圖，圖3是圖2的側視圖，圖4是氣室結構示意圖，圖5是圖4的側視圖，圖6是流量閉環控制原理圖，圖7是流量閉環控制電路圖，圖8是流量閉環控制程序流程圖。圖中1-過濾嘴，2-緩沖氣容，3-抽氣泵，4-濾波氣容，5-氣室，5-1-孔板接嘴，
5-2-孔板，5-3-孔板座，5-4-氣室膜片，5-5-螺釘，5-6-進氣口，5-7-測壓口，5-8-出氣口，
6-微差壓傳感器，7-單片機，8-按鍵，9-顯示器，10-鎖緊板，11-緩沖氣容腔，12-氣容壓 板，13-螺釘，14-氣容膜片，15-彈簧，16-流量閉環控制電路，17-IXD顯示單元，18-聲音告 警單元，19-氣泵控制單元，20-電源。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明作進一步說明。圖1、4中，所述智能恒流個體空氣粉塵采 樣器包括采樣頭、儀器外殼，在儀器外殼內設有進氣過濾嘴1、抽氣泵3、氣室5、單片機7、電 池，與進氣過濾嘴1的進氣口連接的采樣頭內裝有用于捕集粉塵的濾膜，其特征是所述采 樣器還設置有緩沖氣容2、氣容4、流量閉環控制電路16 ；氣室5設置有孔板接嘴5-1，孔板 5-2、孔板座5-3、氣室膜片5-4、測壓口 5-7及微差壓傳感器6 ；微差壓傳感器6的測試端通 過軟管與氣室5上的測壓口 5-7聯通，其信號輸出端通過放大器、A/D轉換器與單片機7的 一輸入端口連接，單片機7的輸出控制端經氣泵控制單元19與抽氣泵3驅動電機的電信號 控制端相連。所述緩沖氣容2的進氣口與進氣過濾嘴1的出氣口聯通，其出氣口與抽氣泵3的進氣口聯通，氣容4的進氣口與抽氣泵3的出氣口聯通，其出氣口與氣室5的進氣口 5-6聯 通；前述孔板接嘴5-1設在氣室5壁外側，孔板座5-3設在氣室5壁內側并通過氣室壁通孔 與孔板接嘴5-1粘接連接，孔板接嘴5-1外端的測壓口 5-7通過孔板5-2中心阻尼孔及孔 板座5-3中心通孔與氣室5內腔聯通，氣室膜片5-4與氣室5內截面密封連接。如圖2、3示，所述緩沖氣容2、氣容4均由鎖緊板10、緩沖氣容腔11、氣容壓板12、 兩片氣容膜片14、彈簧15組成；兩片氣容膜片14中間夾持彈簧15并設置在由鎖緊板10、 氣容壓板12及螺釘13組合的空腔內，兩片氣容膜片14之間構成氣容腔11，其上設有進氣 口、出氣口。在圖6流量閉環控制原理圖、圖7是流量閉環控制電路圖中，所述流量閉環控制電 路16包括單片機7、微差壓傳感器6、鍵盤8、IXD顯示單元17、聲音告警單元18、氣泵控制 單元19及電源20 ；由微差壓傳感器6檢測氣室5出氣口被測氣體的背壓，并將此背壓電信 號輸入到單片機7的輸入端；單片機的輸出端分別與氣泵控制單元19、LCD顯示單元17及 聲音告警單元18的輸入端連接。圖5表示了氣室5的出氣嘴5-8內設有多個與氣室連通的小孔，多個小孔的另一 端均與大氣聯通。用于智能恒流個體空氣粉塵采樣器的恒流控制方法可參見圖8、6。具體方法是a.建立流量校正曲線，提供不同流量的工作氣體，測出不同流量下的氣室背壓，建 立背壓與流量的關系曲線，將此曲線儲存在單片機7的數據存儲器內；同時通過鍵盤8預先 設置待測氣體的流量值及采樣時間；b.用微差壓傳感器6檢測氣室5出氣口工作氣體的背壓，將此背壓電信號放大、經 A/D轉換器轉換成數字信號輸入到單片機7的數據輸入端口 ；c.將所測當前背壓的數字信號與存儲在單片機7數據存儲器內的背壓、流量關系 曲線值進行比較，在步驟a設定的流量值及采樣時間范圍內，由單片機7的控制端口實時輸 出用以控制抽氣泵3流量的控制信號，實施恒流輸出；d.在步驟c中，單片機先發出流量采樣指令，微差壓傳感器6檢測氣室5出氣口工 作氣體的背壓，并將此背壓數值與步驟a、c中的設定值進行比較，若大于預設值則減小抽 氣泵3的占空比，若小于預設值則增大其占空比；同時檢測采樣時間，如小于預設值則繼續 流量采樣并調節其占空比，如采樣時間到達預設值則自動關閉抽氣泵3，采樣結束。本發明的工作原理采樣器氣路由進氣過濾嘴、緩沖氣容、抽氣泵、濾波氣容、氣 室、出氣嘴組成見圖1。在采樣器的進氣過濾嘴前(儀器外部)接有采樣頭，內裝捕集粉塵的濾膜，用于捕 集采集粉塵；進氣過濾嘴用于防止粉塵進入抽氣泵內部；緩沖氣容用于平穩抽氣氣流，在 采樣器流量范圍的高端，使得采樣器進氣(瞬時流量)變得很平穩，能與其它流量計作很好 的對比校準，是采樣器的重要部件；抽氣泵是儀器采氣的動力源；濾波氣容是抽氣泵出氣 端濾波器，起輔助平穩氣流作用；氣室是儀器的關鍵件，是在氣路出口建立的，由微差壓傳 感器測其氣路出口氣室背壓(氣室與大氣之間的壓力差)。微差壓傳感器測得的電信號經 集成運算放大器放大、A/D轉換，送中央微處理器處理，顯示采樣流量；在設定流量采樣時， 計算機自動比較采樣流量與設定流量，進行閉環自動控制，在一定范圍內，無論氣流波動，還是氣路負載阻力的變化，都自動跟蹤設定流量，進行自動恒流采樣，保證測量粉塵質量濃 度的精度。重要部件緩沖濾波氣容，它由兩片氣容膜片中間夾一個彈簧和氣容腔構成緩沖濾 波氣容，結構見圖2。在設計緩沖濾波氣容時，氣容的大小、膜片柔韌性，彈簧彈力的大小是關鍵，要考 慮該儀器流量范圍內的有效濾波，通過大量實驗確定氣容腔、膜片、彈簧等的相關參數，只 有在合適的緩沖氣容作用下，抽氣泵的脈動抽氣氣流的尖峰才能被緩沖氣容有效吸收，起 到濾波作用，保證進氣氣流的平穩性。關鍵件氣室由氣室腔、氣室膜片、孔板、進氣嘴、出氣嘴、孔板接嘴組成見圖3氣室 組件圖。本發明的工作過程①將儀器充電充好待用；②濾膜烘干稱重待用；③采樣頭裝好濾膜，儀器開機，設置好采樣起停時序，連接采樣頭與儀器；④佩戴好采樣頭與儀器，進入作業場所；⑤啟動采樣器，開始采樣；⑥儀器倒計時采樣，到時報警停機；⑦取下采樣頭與儀器，從采樣頭取出已捕塵濾膜；⑧濾膜烘干稱重待用，得出濾膜增重；⑨計算粉塵的質量濃度。機殼、進氣過濾嘴、緩沖氣容、抽氣泵、氣容、氣室、出氣嘴材料均為ABS ；粘接處 均用三氯甲烷粘接；試壓粘接件粘接好后，按部件組裝好，堵住出氣口加5kPa的壓力試水，不得有漏 氣現象。校準儀器整機組裝好后，用通訊線連接上位機，下載儀器軟件，連接儀器校準氣 路及皂沫流量計，啟動儀器采樣泵，在滿量程范圍內均勻提供20個不同的流量，通過上位 機校準。
權利要求
一種智能恒流個體空氣粉塵采樣器，包括采樣頭、儀器外殼，在儀器外殼內設有進氣過濾嘴(1)、抽氣泵(3)、氣室(5)、單片機(7)、電池，與進氣過濾嘴(1)的進氣口連接的采樣頭內裝有用于捕集粉塵的濾膜，其特征是所述采樣器還設置有緩沖氣容(2)、氣容(4)、流量閉環控制電路(16)；氣室(5)設置有孔板接嘴(5-1)，孔板(5-2)、孔板座(5-3)、氣室膜片(5-4)、測壓口(5-7)及微差壓傳感器(6)；微差壓傳感器(6)的測試端通過軟管與氣室(5)上的測壓口(5-7)聯通，其信號輸出端通過放大器、A/D轉換器與單片機(7)的一輸入端口連接，單片機(7)的輸出控制端經氣泵控制單元(19)與抽氣泵(3)驅動電機的電信號控制端相連。
2.根據權利要求1所述的智能恒流個體空氣粉塵采樣器，其特征是所述緩沖氣容(2) 的進氣口與進氣過濾嘴(1)的出氣口聯通，其出氣口與抽氣泵(3)的進氣口聯通，氣容(4) 的進氣口與抽氣泵(3)的出氣口聯通，其出氣口與氣室(5)的進氣口(5-6)聯通；前述孔板 接嘴(5-1)設在氣室(5)壁外側，孔板座(5-3)設在氣室(5)壁內側并通過氣室壁通孔與 孔板接嘴(5-1)粘接連接，孔板接嘴(5-1)外端的測壓口(5-7)通過孔板(5-2)中心阻尼 孔及孔板座(5-3)中心通孔與氣室(5)內腔聯通，氣室膜片(5-4)與氣室(5)內截面密封 連接。
3.根據權利要求1或2所述的智能恒流個體空氣粉塵采樣器，其特征是所述緩沖氣 容(2)、氣容(4)均由鎖緊板(10)、緩沖氣容腔(11)、氣容壓板(12)、兩片氣容膜片(14)、 彈簧(15)組成；兩片氣容膜片(14)中間夾持彈簧(15)并設置在由鎖緊板(10)、氣容壓板 (12)及螺釘(13)組合的空腔內，兩片氣容膜片(14)之間構成氣容腔(11)，其上設有進氣口、出氣口。
4.根據權利要求1或2所述的智能恒流個體空氣粉塵采樣器，其特征是所述流量閉 環控制電路(16)包括單片機(7)、微差壓傳感器(6)、鍵盤(8)、LCD顯示單元(17)、聲音告 警單元(18)、氣泵控制單元(19)及電源(20)；由微差壓傳感器(6)檢測氣室(5)出氣口被 測氣體的背壓，并將此背壓電信號輸入到單片機(7)的輸入端；單片機的輸出端分別與氣 泵控制單元(19)、LCD顯示單元(17)及聲音告警單元(18)的輸入端連接。
5.根據權利要求1或2所述的智能恒流個體空氣粉塵采樣器，其特征是所述氣室(5) 的出氣嘴(5-8)內設有多個與氣室連通的小孔，多個小孔的另一端均與大氣聯通。
6.一種用于智能恒流個體空氣粉塵采樣器的恒流控制方法，其特征是a.建立流量校正曲線，提供不同流量的工作氣體，測出不同流量下的氣室背壓，建立背 壓與流量的關系曲線，將此曲線儲存在單片機(7)的數據存儲器內；同時通過鍵盤(8)預先 設置待測氣體的流量值及采樣時間；b.用微差壓傳感器(6)檢測氣室(5)出氣口工作氣體的背壓，將此背壓電信號放大、經 A/D轉換器轉換成數字信號輸入到單片機(7)的數據輸入端口 ；c.將所測當前背壓的數字信號與存儲在單片機(7)數據存儲器內的背壓、流量關系曲 線值進行比較，在步驟a設定的流量值及采樣時間范圍內，由單片機(7)的控制端口實時輸 出用以控制抽氣泵(3)流量的控制信號，實施恒流輸出；d.在步驟c中，單片機先發出流量采樣指令，微差壓傳感器(6)檢測氣室(5)出氣口工 作氣體的背壓，并將此背壓數值與步驟a、c中的設定值進行比較，若大于預設值則減小抽 氣泵(3)的占空比，若小于預設值則增大其占空比；同時檢測采樣時間，如小于預設值則繼續流量采樣并調節其占空比，如采樣時間到達預設值則自動關閉抽氣泵(3)，采樣結束。
全文摘要
一種智能恒流個體空氣粉塵采樣器及恒流控制方法，設有緩沖氣容(2)、氣容(4)、流量閉環控制電路(16)、測壓口(5-7)及微差壓傳感器(6)；微差壓傳感器(6)的測試端通過軟管與氣室(5)上的測壓口聯通，其信號輸出端通過放大器、A/D轉換器與單片機(7)的一輸入端口連接，單片機的輸出控制端經氣泵控制單元(19)與抽氣泵(3)驅動電機的電信號控制端相連；恒流控制方法是a.建立流量校正曲線，b.檢測氣室(5)出口工作氣體的背壓，c.將所測當前背壓與流量曲線值進行比較，控制抽氣泵(3)實施恒流輸出。本發明可實現流量閉環控制，自動恒流采樣，提高了測量粉塵質量濃度的準確性，使用可靠，控制精確。
文檔編號G01N5/00GK101858832SQ20091006158
公開日2010年10月13日 申請日期2009年4月13日 優先權日2009年4月13日
發明者劉立明, 周前進, 孫友華, 楊樂群, 王志剛 申請人:武漢市碧海云天環保科技有限責任公司