自動換膜TSP采樣系統(tǒng)

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

摘要：針對現(xiàn)有TSP采樣器采樣過程無法實現(xiàn)換膜自動化，本文設計了一套自動換膜裝置，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，抽氣泵作為動力單元，通過合理的機械設計實現(xiàn)TSP采樣濾膜的定位和更換，達到自動換膜的目的。

張?zhí)稞?1988-)，男，助理工程師，研究方向：自動控制類產品的開發(fā)。

引言

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

　　粉塵采樣器的濾膜在工作一段時間后需要更換，現(xiàn)有TSP采樣器的濾膜更換主要是依靠人工，人工換膜不僅浪費人力和物力，還會因為個人操作不規(guī)范影響測量結果。為了解決以上問題，本文以現(xiàn)有粉塵采樣器自動換膜裝置為研究對象，設計了一套自動換膜裝置。

1 系統(tǒng)整體設計

　　整套系統(tǒng)示意圖如圖1所示。粉塵采樣器主要包括TSP主機和自動換膜機構兩部分組成。其中，TSP主機包括TSP主機控制電路、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、電源等構成;自動換膜機構包括換膜轉盤機構、絲杠夾緊機構、步進電機驅動器、換膜機構控制電路和限位傳感器等組成。

　　在設備工作之前，需使用手動操作按鈕，控制轉盤轉動，根據實際需求放置1~7片濾膜。設備工作時，在單片機(STM32)控制下，自動換膜機構按照預定的程序開始工作：首先，通過電機驅動換膜轉盤旋轉到指定工位，將濾膜組件送到工作位置，通過步進電機驅動絲杠夾緊機構將工位上的濾膜組件夾緊并密封好。此后，抽氣泵開始工作，通過溫度傳感器、絕壓傳感器、壓差傳感器的反饋值作為調節(jié)進氣流量，形成閉環(huán)控制，使系統(tǒng)按照預定的采樣時間、進氣流量等參數(shù)進行流量采樣。采樣完畢后，通過步進電機驅動絲杠夾緊機構將工位上的濾膜組件松開，通過電機驅動換膜轉盤旋轉到下一指定工位，并開始下一周期的采樣工作。換膜機構在設備工作過程中嚴格密封，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，在無人值守的情況下，可連續(xù)工作七個采樣周期。

2 系統(tǒng)實現(xiàn)

2.1 硬件控制

　　通過系統(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為控制核心，通過單片機控制抽氣泵運行，對含塵氣體進行采樣。根據溫度傳感器、氣體壓差傳感器和絕壓傳感器的反饋信號進行流量調節(jié)，并與設定流量比較，通過控制算法處理后，對采樣泵的轉速進行調整，使抽氣流量恒定在設定的誤差范圍內。流量控制電路能自動調整抽氣泵功率，使進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節(jié)及恒定控制，本設計選用的壓差傳感器，壓差測量范圍為0~10英寸水柱，精度為±0.2%Span，控制核心可根據不同的壓力差對抽氣泵進行控制，從而保證氣體流量均勻地進入抽氣泵。

　　采樣器要保證氣體的流量均勻地進入抽氣泵，然而進氣量與氣體的流速、氣體的溫度和當前的大氣壓值都有密切的關系，所以系統(tǒng)必須能夠實時監(jiān)測當前的大氣壓值和被測氣體的溫度值，才能準確地計算出抽氣泵的實際進氣量。本系統(tǒng)的氣壓傳感器選用絕壓傳感器，壓力測量范圍為0~105KPa;溫度傳感器使用DS18B20。根據氣態(tài)方程，系統(tǒng)可實時的對采樣的氣體體積進行及時的修正。

　　氣體質量流量傳感器型號標準大氣壓下，流量范圍為0~200 L/Min，可以滿足設計中流量(60～130L/min)的要求。

　　抽氣泵是整套系統(tǒng)的核心動力源，抽氣泵連續(xù)、可靠、穩(wěn)定工作是采樣器的基本要求。通過壓差傳感器的反饋值實時的調節(jié)電機轉速，以達到設定的流量及負載要求。

2.3 電路設計

　　本系統(tǒng)的電路基于32位ARM微控制器設計。如圖2所示，本系統(tǒng)的電路部分包括氣壓差信號的采集及放大、大氣壓信號的采集及放大、采樣溫度信號的采集、存儲電路、液晶顯示電路、過零檢測電路、調壓電路、時鐘電路、按鍵輸入電路及數(shù)據打印電路等。其中，存儲芯片采用的是FM24C64鐵電FRAM，液晶顯示使用的是12864液晶屏，時鐘芯片采用DS1322N。由于本系統(tǒng)的主要功能為進行TSP實時采樣，其中采樣流量控制為電路設計的核心部分，因此，本文重點介紹其信號采集及采樣流量控制電路。

2.3.1 信號放大及AD采集電路設計

　　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的固態(tài)壓力傳感器。由于該類傳感器采用1.5mA的電流供電，且滿量程輸出信號僅為75mV左右，因此，需對其設計1.5mA的恒流源及信號放大電路，最終將放大之后的信號輸出至微控制器的AD采集口，如圖3所示。

　　圖3中，根據運算放大器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的輸出信號采用AD623進行放大。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量程輸出信號為75mV，通過計算，可得到0~3.825V的輸出電壓，完全滿足系統(tǒng)的采集需要。

2.3.2 流量控制

　　本系統(tǒng)采樣流量的計算公式為：

(3)

　　式中，ΔP為壓差值，k為補償系數(shù)，P為當前大氣壓值，Patm為標準大氣壓值，K為絕對零度值，T(k)為開氏溫度值。