專利名稱：流量控制取樣泵裝置的制作方法
一般，本發明涉及泵裝置，更具體地說，關系到適合于供個人或地區收集氣載污染物的空氣取樣設備的泵裝置。
收集氣載污染物中一些有毒煙霧，灰塵，粒子，氣體和蒸汽的空氣取樣設備是大家都知道的。一般，這種設備與真空源，例如，泵連接，由此可通過泵的作動將氣載或空氣中污染物質吸入該設備中。和空氣取樣設備相配的泵，通常稱為小型取樣泵是輕型的并可攜帶的，因而必須為在周圍空氣可能受污染和/或存在危險的環境中進行工作的工業衛生學家或其它人員所便于攜帶的。
目前，用于這類取樣的最小型的取樣泵應用一些電子流量控制機械的結構，以改變施加于泵電機的電壓，而力圖維持大體上不變的流速，在這些設備中，流速和所施加的電壓的關系是一“推理上”的關系。在這推理控制系統中，由于氣動負載，泵電機和流速的電參數之間的瞬時關系是預先設定的和不可改變的。于是，使用這種固定關系設計一正向傳送電機電壓控制電路以提供對氣動負載變化，電機溫度變化等的補償。一應用這樣一系統的設備的例子是賓夕法尼亞州，匹茲堡的礦井安全裝置公司(“MSA”)。制造的Flow-lite泵。
美國專利號4，063，824公開了一空氣取樣泵裝置，在這裝置中，由壓力開關和適宜電路將流過針閥小孔的壓降轉化成一信號，此信號構成了施加于泵電機的電壓。這種間接控制裝置仍然沒有直接地測量和顯示經過泵的體積流動速率。在美國專利號4，389，903中提供了另一種控制裝置的實例。這個裝置使用質量流量代替體積流動，并通過適當的電路把熱線風速計的溫度變化轉變成一控制泵電機的電壓信號。
盡管間接和推理的控制裝置通常起到良好作用，但它們不能直接地測量和顯示流過泵的實際體積流動速率(流速)。它們也具有一些實際上固有的限制，從而影響了其流量控制的精確性。例如，象泵的老化，那樣的控制裝置就不能自動地對泵特性的變化進行補償。在這種情況下，為了達到所要求的補償，實際上人們必須重新調整泵的適當補償控制。除了正常老化和泵部件的損壞引起的流量變化外，還可產生由軸承或泵閥中的污垢引起的更嚴重變化和由機械沖擊引起曲柄臂的不對準等。以上所述的推理和間接控制技術不能使這些流量變化與負載需要的變化區分開來。施加于泵電機的電壓明顯地不同于所需要的電壓，從而導致流速受到一些與由負載所引起的流速波動無關的作用而發生改變。
為此，對于包括具有流量傳感器的電子流量控制機構的小型取樣泵裝置存在著一直接測量和顯示泵的體積流量的優點。于是，這種信號可用來控制泵電機，并且該機構工作起來不會因泵工作特性變化而受到妨礙和影響。
一般地說，本發明涉及一種可攜式泵裝置，它適合于供收集氣載或空氣中污染物質的空氣取樣設備使用。泵裝置包括一具有流量傳感器的流量控制機構，它產生一與流過泵的體積流速成正比的電子信號，以及為泵提供反饋的控制電路，從而使流量控制機構能精確地運行而與泵特征的變化無關。最好，由流量傳感器所發出的電信號與流過泵的體積流速成正比和直線比。這信號由電機控制電路用來控制泵的電機電壓且也向使用者顯示。
本發明的流量傳感器，也叫做層流檢測計，它包括一與電子壓差轉換器一起操作的層流部件，此轉換器則測量穿過層流部件的壓降。對于目前可買到的熱線風速機，熱差傳感器，孔板流量計等那樣的流量檢測設備來說，這樣布置的優點包括高精度，快反應，低壓降，極佳直線性關系，相當低的溫度偏差(一般每華氏度小于0.15%)，實質上無絕對壓力靈感度，結構簡單(無運動部件)，寬的流量范圍(僅受低壓下的壓差測量的精確性限制)和使用方便。
本發明的其它細節，目的和優點將隨下列本發明的目前最佳實施例和目前最佳方法的說明而成為明顯的。
本發明將從下列所示的僅當作例子的最佳實施例并結合附圖的說明成為更容易明白的，其中
圖1是根據本發明構成的一小型取樣泵裝置的最佳實施例的示意圖;
圖2是一層流部件的實例的局部剖視圖;
圖3是圖2所示的、連接到壓力轉換器的層流部件的橫截面視圖，形成了本發明的流量傳感器;
圖4是一適合于在本發明的泵裝置中使用的泵電機控制電路的線路圖。
參閱圖1，在正常工作期間，本發明的取樣泵裝置2把圖中由箭頭所表示的氣流吸入一空氣取樣器6。空氣取樣器可以是一碰撞取樣器，一木炭取樣管，一粉塵收集過濾器或工業衛生學家或隨空氣樣品特殊需要而定的有關人員使用的各種各樣裝置的任何一種裝置。在氣流通過空氣取樣器6后，由互連管8將它輸送給攜帶式取樣泵裝置2的一殼體10中。在殼體10內，氣流(減去由取樣器6所收集的氣載污染物)可通過一在可變排量泵14的進氣通道9中所設置的選定附加過濾器12。可變排量或可調流量泵14可以假定為例如象活塞泵或膜式泵那樣的任一適宜形式的泵，不過就泵在增強效率，容量和均勻流量特性方面提供的優點而言，以雙頭膜式泵較佳。泵14是由一臺電動機16驅動的，電動機的輸入電壓是由一流量控制機構控制的，流量控制機構則包括一電機控制電路18和一層流測量計19，以下將就電機控制電路和層流測量計加以詳細說明。
更具體地說，層流測量計19包括一和電子差壓轉換器22共同操縱的層流部件20，電子差壓轉換器用于測量流過層流部件20的壓力降。
本發明的層流測量計19的直線性要求由層流部件20所產生的雷諾數保持在1600以下，最好在500以下。一種層流測量或是一束毛細管。一般地說，毛細管流道的長度應該至少是流道直徑的一百倍。為達到攜帶式取樣泵正常流量范圍(直到5000毫升/分)的這些要求，通常將需要一大束毛細管，這會過度地增加泵裝置的尺寸。
不過，在本發明的研制中發現與殼體23適配的多孔件21將模擬攜帶式取樣泵中的流速和壓降之間的線性關系。因此，殼體23中的多孔件21是本發明的層流部件20的最佳實施例，如圖2和3所示。最好，殼體23由剛性材料制成，例如塑料。殼體23還可使其一部分由象橡膠那樣的柔性材料制成，這將對任何泵的脈動起到脈動阻尼作用。
對各色各樣形狀的不銹鋼多孔部件進行實驗，在實現所需的直線性方面用小尺寸的多孔部件顯示了極好的效果。這些部件包括直1/2～1英寸，厚度1/16至3/16英寸，標稱孔隙率從80%至20%，以及孔的尺寸從20至100微米的粉末金屬盤。其它曾試驗過的形狀包括多種尺寸的多孔圓柱體或圓筒，最好，圓筒尺寸較佳地為外徑1/4英寸×內徑1/8英寸×1英寸。雖然扁平盤和圓筒結構提供類似的結果，但已發現一般使用圓筒形多孔部件21在機械上更合適。這種部件由圖2所示，并且最好具有約150的雷諾數。本發明的下列說明以圓筒形多孔部件21為基礎，但本發明不是，也不應被解釋成對象多孔塞，毛細管管束或其它適用部件那樣的任何特殊形狀的層流部件20的限制。
在泵流道中的層流部件20的布置也是一種選擇的問題。例如，可把層流部件20安裝在泵14的進氣通道9(真空一側)中，那時，進氣通道需要將電子差壓轉換器22的高壓和低壓側孔連接到層流部件20的高壓和低壓側孔上。在這種結構中應該用第二壓力轉換器測量相對于環境壓力的實際真空負載，以便提供適當的補充信號。就這種安排而言，第二轉換器使在負載情況下測得的體積流動能轉變為在環境條件下的測量量度。
但是，反映與圖1所表示的本發明最佳實施例有關的最簡單方法，是把層流部件20的入口31設置在泵14的出口通道11上。就這種布置而論，不需要調整真空負載。壓力轉換器22的高壓孔24必須與層流部件20的高壓孔26連接在一起。最好，壓力轉換器22和層流部件20的低壓孔分別為28和30應該(但不是必須)加以連接以消除殼體10內環境壓力作用。層部部件20的出口33可通到圖1所示的殼體10中或殼體外面，這取決于其它的設計根據。
壓力轉換器的信號輸出以提供反饋的電機控制線路18為條件，從而自電路18中產生一施加于電機16的可變電壓輸出。在圖4中示出了目前最佳的電機控制電路18的電路布置。這種電路借助于溫度傳敏感轉換器32，附加地提供了校正粘滯性變化的溫度補償性能，在有影響的范圍內粘滯度與溫度成正比例的變化。電路18是電池供電的且由三極管，電容器，電阻器，二極管和放大器構成，它們的作用對電工領域的普通技術人員來說是眾所周知的。因此，為簡便的目的，下列電機控制電路18的討論主要將著重其基本的人支電路的相互關系，該分支電路在圖4中用短劃線加以界定。
一橋接電路34為壓力轉換器22的一部分，它產生一與越過層流部件20所感受的壓降成正比的信號且把該信號傳送到電機控制電路18中的高輸入阻抗差動放大器電路36。然后將來自高輸入阻抗差動放大器電路的放大信號，送到一加法放大器38中以消除壓力轉換器22的橋接電路34中的固有的偏置。調整一零電位電路40，以便在無流量時，即越過壓力轉換器22的零壓差時，從加法放大器電路38中產生一零電壓輸出。
于是，將來自加法放大器電路38的信號和來自溫度補償電路42的信號結合一起并將它們輸送到驅動激磁放大器電路44的放大器正輸入。同時，把由基準電路46的分壓器產生的可調節設定點信號送到驅動放大電路44的放大器負輸入。經過設定點信號的調整，可改變泵的流速。在驅動放大器電路44處的設定點信號與來自加法放大器電路38和溫度補償電路42的溫度補償壓力信號相比較。驅動放大器電路44根據這一比較產生一驅動激勵晶體管電路48的信號。晶體管電路48則調節電機的輸入電壓，以控制其速度，從而控制泵輸出。
此外，將處在驅動放大器電路44正輸入的溫度補償壓力信號輸到一信號調整電路50，接著輸送到數字或模擬顯示器52，以便按實際體積流動量單位，例如以毫升/分單位直接讀出流量。
采用本發明的上述電子流量控制機構所進行的試驗表明即使真空負載以30英寸水柱那樣變化時，流量控制于設定值的±0.5%以內是可能的。
另外，電機控制電路18可采用一A/D轉換器和一以微控制器為基礎的裝置按計數方法加以構成，從而通過許多象脈沖寬度調制那樣的已知機構來調節電機電壓。
盡管本發明已用舉例的應用加以詳細說明，但是應該理解這種詳細說明完全為了舉例目的，并且本發明除了可由權利要求加以限制外，其中技術上熟練的普通技術人員可作種種修改而不脫離屬于本發明的精神和范圍內。
權利要求
1.一種取樣泵裝置，其特征在于包括一電動機；一產生流速的泵，它是由電動機操縱驅動；一在泵的流道中設置的一層流部件，以便提供越過它本身的壓降，此壓降與泵的流速成正比；一檢測傳感越過層流部件的壓降且產生一表示泵流速的第一信號的壓力轉換器；一接收第一信號并把響應第一信號的一第二信號傳送到電動機的電機控制電路，以便控制電動機，從而調節泵的流速。
2.根據權利要求1所述的取樣泵裝置，其特征在于進一步包括一處理第一信號和顯示泵流速的讀出電路。
3.根據權利要求1所述的取樣泵裝置，其特征在于流道是一泵的出口通道。
4.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于層流部件具有小于1600的雷諾數。
5.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于層流部件是一種多孔部件。
6.一種取樣泵裝置包括一電動機;一產生流速的泵，它是由電動機操縱驅動的;一在泵的流道中設置的一層流部件，用于提供一與泵的流速成直線性關系的流量信號;一接收來自層流測量計的信號且產生響應流量信號的控制信號，以便控制電機，從而調節泵的流速。
7.根據權利要求6所述的裝置，其特征在于流道是一泵的一個出口通道。
8.根據權利要求6所述的裝置，其特征在于層流部件具有小于1600的雷諾數。
9.根據權利要求6所述的裝置，其特征在于層流部件是一多孔部件。
10.根據權利要求9所述的裝置，其特征在于多孔部件形狀是圓筒狀的。
11.根據權利要求5所述的裝置，其特征在于多孔部件形狀為圓筒狀的。
12.根據權利要求3所述的裝置，其特征在于還包括一泵的出口通道中的脈動阻尼器。
全文摘要
一種可攜式取樣泵裝置包括一流量控制機構。該機構具有一提供精確讀出泵的體積流速以及泵電機的反饋控制的層流部件。泵裝置包括一電機，一由電機可操縱驅動的泵，一安裝在泵的流道中的層流部件，一傳感流過層流部件的壓降并產生一電信號的壓力轉換器，此電信號與流過泵的體積流速成正比和直線性比，以及一電機控制電路，它利用電信號來控制施加到電機的電壓并由此調節泵的流速。這一電子信號也用來向泵的體積流動使用者提供顯示。
文檔編號G01N1/24GK1092863SQ93120760
公開日1994年9月28日 申請日期1993年12月18日 優先權日1992年12月21日
發明者克萊頓·J·博薩特, 查爾斯·H·埃瑟里奇, 克雷格·D·格斯特勒 申請人:礦井安全裝置公司