自動(dòng)換膜TSP采樣系統(tǒng)

作者 張?zhí)稞?王帥 張晶 周洪遠(yuǎn) 左慶浩 河北省自動(dòng)化研究所(河北 石家莊 050081)

摘要：針對(duì)現(xiàn)有TSP采樣器采樣過(guò)程無(wú)法實(shí)現(xiàn)換膜自動(dòng)化，本文設(shè)計(jì)了一套自動(dòng)換膜裝置，整套系統(tǒng)采用集成的MCU作為主控芯片，壓差傳感器和絕壓傳感器組成流量控制電路，抽氣泵作為動(dòng)力單元，通過(guò)合理的機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)TSP采樣濾膜的定位和更換，達(dá)到自動(dòng)換膜的目的。

張?zhí)稞?1988-)，男，助理工程師，研究方向：自動(dòng)控制類(lèi)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)。

引言

　　TSP采樣器，又稱(chēng)粉塵采樣器，是應(yīng)用濾膜稱(chēng)重法捕集環(huán)境大氣中的總懸浮微粒(TSP)，可供環(huán)保、衛(wèi)生、勞動(dòng)、安監(jiān)、科研等部門(mén)用于氣溶膠常規(guī)監(jiān)測(cè)^[1]。

　　粉塵采樣器的濾膜在工作一段時(shí)間后需要更換，現(xiàn)有TSP采樣器的濾膜更換主要是依靠人工，人工換膜不僅浪費(fèi)人力和物力，還會(huì)因?yàn)閭€(gè)人操作不規(guī)范影響測(cè)量結(jié)果。為了解決以上問(wèn)題，本文以現(xiàn)有粉塵采樣器自動(dòng)換膜裝置為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了一套自動(dòng)換膜裝置。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

　　整套系統(tǒng)示意圖如圖1所示。粉塵采樣器主要包括TSP主機(jī)和自動(dòng)換膜機(jī)構(gòu)兩部分組成。其中，TSP主機(jī)包括TSP主機(jī)控制電路、抽氣泵、傳感器(溫度傳感器、絕壓傳感器和壓差傳感器)、顯示屏、控制鍵盤(pán)、電源等構(gòu)成;自動(dòng)換膜機(jī)構(gòu)包括換膜轉(zhuǎn)盤(pán)機(jī)構(gòu)、絲杠夾緊機(jī)構(gòu)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、換膜機(jī)構(gòu)控制電路和限位傳感器等組成。

　　在設(shè)備工作之前，需使用手動(dòng)操作按鈕，控制轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)，根據(jù)實(shí)際需求放置1~7片濾膜。設(shè)備工作時(shí)，在單片機(jī)(STM32)控制下，自動(dòng)換膜機(jī)構(gòu)按照預(yù)定的程序開(kāi)始工作：首先，通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)換膜轉(zhuǎn)盤(pán)旋轉(zhuǎn)到指定工位，將濾膜組件送到工作位置，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠夾緊機(jī)構(gòu)將工位上的濾膜組件夾緊并密封好。此后，抽氣泵開(kāi)始工作，通過(guò)溫度傳感器、絕壓傳感器、壓差傳感器的反饋值作為調(diào)節(jié)進(jìn)氣流量，形成閉環(huán)控制，使系統(tǒng)按照預(yù)定的采樣時(shí)間、進(jìn)氣流量等參數(shù)進(jìn)行流量采樣。采樣完畢后，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠夾緊機(jī)構(gòu)將工位上的濾膜組件松開(kāi)，通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)換膜轉(zhuǎn)盤(pán)旋轉(zhuǎn)到下一指定工位，并開(kāi)始下一周期的采樣工作。換膜機(jī)構(gòu)在設(shè)備工作過(guò)程中嚴(yán)格密封，與外界完全隔絕，避免混入外界氣體影響采樣精度。本系統(tǒng)包含七組濾膜組件，在無(wú)人值守的情況下，可連續(xù)工作七個(gè)采樣周期。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 硬件控制

　　通過(guò)系統(tǒng)示意圖可以看到，基于流量閉環(huán)控制的粉塵采樣器以單片機(jī)為控制核心，通過(guò)單片機(jī)控制抽氣泵運(yùn)行，對(duì)含塵氣體進(jìn)行采樣。根據(jù)溫度傳感器、氣體壓差傳感器和絕壓傳感器的反饋信號(hào)進(jìn)行流量調(diào)節(jié)，并與設(shè)定流量比較，通過(guò)控制算法處理后，對(duì)采樣泵的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整，使抽氣流量恒定在設(shè)定的誤差范圍內(nèi)。流量控制電路能自動(dòng)調(diào)整抽氣泵功率，使進(jìn)氣流量一直保持恒定。

2.2 硬件選型

　　流量傳感器及采樣泵的參數(shù)選擇直接影響流量的快速調(diào)節(jié)及恒定控制，本設(shè)計(jì)選用的壓差傳感器，壓差測(cè)量范圍為0~10英寸水柱，精度為±0.2%Span，控制核心可根據(jù)不同的壓力差對(duì)抽氣泵進(jìn)行控制，從而保證氣體流量均勻地進(jìn)入抽氣泵。

　　采樣器要保證氣體的流量均勻地進(jìn)入抽氣泵，然而進(jìn)氣量與氣體的流速、氣體的溫度和當(dāng)前的大氣壓值都有密切的關(guān)系，所以系統(tǒng)必須能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)當(dāng)前的大氣壓值和被測(cè)氣體的溫度值，才能準(zhǔn)確地計(jì)算出抽氣泵的實(shí)際進(jìn)氣量。本系統(tǒng)的氣壓傳感器選用絕壓傳感器，壓力測(cè)量范圍為0~105KPa;溫度傳感器使用DS18B20。根據(jù)氣態(tài)方程，系統(tǒng)可實(shí)時(shí)的對(duì)采樣的氣體體積進(jìn)行及時(shí)的修正。

　　氣體質(zhì)量流量傳感器型號(hào)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，流量范圍為0~200 L/Min，可以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)中流量(60～130L/min)的要求。

　　抽氣泵是整套系統(tǒng)的核心動(dòng)力源，抽氣泵連續(xù)、可靠、穩(wěn)定工作是采樣器的基本要求。通過(guò)壓差傳感器的反饋值實(shí)時(shí)的調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，以達(dá)到設(shè)定的流量及負(fù)載要求。

2.3 電路設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)的電路基于32位ARM微控制器設(shè)計(jì)。如圖2所示，本系統(tǒng)的電路部分包括氣壓差信號(hào)的采集及放大、大氣壓信號(hào)的采集及放大、采樣溫度信號(hào)的采集、存儲(chǔ)電路、液晶顯示電路、過(guò)零檢測(cè)電路、調(diào)壓電路、時(shí)鐘電路、按鍵輸入電路及數(shù)據(jù)打印電路等。其中，存儲(chǔ)芯片采用的是FM24C64鐵電FRAM，液晶顯示使用的是12864液晶屏，時(shí)鐘芯片采用DS1322N。由于本系統(tǒng)的主要功能為進(jìn)行TSP實(shí)時(shí)采樣，其中采樣流量控制為電路設(shè)計(jì)的核心部分，因此，本文重點(diǎn)介紹其信號(hào)采集及采樣流量控制電路。

2.3.1 信號(hào)放大及AD采集電路設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)采集大氣壓的絕壓傳感器和采集氣壓差的壓差傳感器中皆為采用壓電電阻技術(shù)的固態(tài)壓力傳感器。由于該類(lèi)傳感器采用1.5mA的電流供電，且滿(mǎn)量程輸出信號(hào)僅為75mV左右，因此，需對(duì)其設(shè)計(jì)1.5mA的恒流源及信號(hào)放大電路，最終將放大之后的信號(hào)輸出至微控制器的AD采集口，如圖3所示。

　　圖3中，根據(jù)運(yùn)算放大器LM2904的特性，IN1-與OUT1間的電流為：

(1)

　　如果Vcc為+5V，R1為1.5kΩ，R2為1kΩ，R3為2kΩ，則I=1.5mA。

　　絕壓傳感器GE-NOVA 1210-015A-3L的輸出信號(hào)采用AD623進(jìn)行放大。AD623的放大倍率為：

(2)

　　本系統(tǒng)R4的選用2kΩ的電阻，由于絕壓傳感器的滿(mǎn)量程輸出信號(hào)為75mV，通過(guò)計(jì)算，可得到0~3.825V的輸出電壓，完全滿(mǎn)足系統(tǒng)的采集需要。

2.3.2 流量控制

　　本系統(tǒng)采樣流量的計(jì)算公式為：

(3)

　　式中，ΔP為壓差值，k為補(bǔ)償系數(shù)，P為當(dāng)前大氣壓值，Patm為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓值，K為絕對(duì)零度值，T(k)為開(kāi)氏溫度值。