专利名称：智能恒流个体空气粉尘采样器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及劳动保护、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》
台'
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
p =-x謂0
式中 p----------粉尘的质量浓度,mg/m3;
m,___________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 ___________采才羊时间，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。
实用新型内容
本实用新型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°
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。
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�。拙督孛婊螅⒌谋逞咕托。直媛什桓撸豢拙� 截面积�。⒌谋逞咕痛螅逞构蠡崾蛊纷枇Υ螅崾挂瞧� 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。 本实用新型的有益效果是
1. 用气路背压法测流量，阻力�。瞧鞲涸啬芰η浚谝瞧鞯娜� 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。 本实用新型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。
。
图1是本实用新型的系统原理图，
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。
图中1—过滤嘴，2—缓冲气容，3 —抽气泵，4—滤波气容，5 一气室，5-l—孔板接嘴，5-2— L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—出气嘴，6—微差压传 感器，7—单片机，8—按键，9一显示器，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
以下结合附图对本实用新型作进一步说明。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l、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-l，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-l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。
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。
在图6流量闭环控制原理图、图7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。
测量方法是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。
本实用新型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l。
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。
本实用新型的工作过程
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。
权利要求1.一种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。
2. 根据权利要求1所述的智能恒流个体空气粉尘采样器，其特 征是所述缓冲气容(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。
3. 根据权利要求1或2所述的智能恒流个体空气粉尘采样器，其特征是所述缓冲气容(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。
4. 根据权利要求1或2所述的智能恒流个体空气粉尘采样器， 其特征是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。
5. 根据权利要求1或2所述的智能恒流个体空气粉尘采样器， 其特征是所述气室(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。
专利摘要一种智能恒流个体空气粉尘采样器，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。本实用新型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。
文档编号G01N1/14GK201408132SQ20092008494
公开日2010年2月17日 申请日期2009年4月13日 优先权日2009年4月13日
发明者刘立明, 周前进, 孙友华, 杨乐群, 王志刚 申请人:武汉市碧海云天环�？萍加邢拊鹑喂�
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