作者 张田龙 王帅 张晶 周洪远 左庆浩 河北省主动化研讨所(河北 石家庄 050081)
摘要：针对现有TSP采样器采样进程无法完成换膜主动化，本文规划了一套主动换膜设备，整套体系选用集成的MCU作为主控芯片，压差传感器和绝压传感器组成流量操控电路，抽气泵作为动力单元，经过合理的机械规划完成TSP采样滤膜的定位和替换，到达主动换膜的意图。
张田龙(1988-)，男，助理工程师，研讨方向：主动操控类产品的开发。
导言
TSP采样器，又称粉尘采样器，是运用滤膜称重法捕集环境大气中的总悬浮微粒(TSP)，可供环保、卫生、劳作、安监、科研等部分用于气溶胶惯例监测[1]。
粉尘采样器的滤膜在作业一段时刻后需求替换，现有TSP采样器的滤膜替换首要是依托人工，人工换膜不只糟蹋人力和物力，还会因为个人操作不标准影响丈量成果。为了处理以上问题，本文以现有粉尘采样器主动换膜设备为研讨目标，规划了一套主动换膜设备。
1 体系全体规划
整套体系示意图如图1所示。粉尘采样器首要包含TSP主机和主动换膜组织两部分组成。其间，TSP主机包含TSP主机操控电路、抽气泵、传感器(温度传感器、绝压传感器和压差传感器)、显示屏、操控键盘、电源等构成;主动换膜组织包含换膜转盘组织、丝杠夹紧组织、步进电机驱动器、换膜组织操控电路和限位传感器等组成。
在设备作业之前，需运用手动操作按钮，操控转盘滚动，依据实践需求放置1~7片滤膜。设备作业时，在单片机(STM32)操控下，主动换膜组织依照预订的程序开端作业：首要，经过电机驱动换膜转盘旋转到指定工位，将滤膜组件送到作业方位，经过步进电机驱动丝杠夹紧组织将工位上的滤膜组件夹紧并密封好。尔后，抽气泵开端作业，经过温度传感器、绝压传感器、压差传感器的反应值作为调理进气流量，构成闭环操控，使体系依照预订的采样时刻、进气流量等参数进行流量采样。采样结束后，经过步进电机驱动丝杠夹紧组织将工位上的滤膜组件松开，经过电机驱动换膜转盘旋转到下一指定工位，并开端下一周期的采样作业。换膜组织在设备作业进程中严厉密封，与外界彻底阻隔，防止混入外界气体影响采样精度。本体系包含七组滤膜组件，在无人值守的情况下，可接连作业七个采样周期。
2 体系完成
2.1 硬件操控
经过体系示意图能够看到，依据流量闭环操控的粉尘采样器以单片机为操控中心，经过单片机操控抽气泵运转，对含尘气体进行采样。依据温度传感器、气体压差传感器和绝压传感器的反应信号进行流量调理，并与设定流量比较，经过操控算法处理后，对采样泵的转速进行调整，使抽气流量安稳在设定的差错规模内。流量操控电路能主动调整抽气泵功率，使进气流量一向坚持安稳。
2.2 硬件选型
流量传感器及采样泵的参数挑选直接影响流量的快速调理及安稳操控，本规划选用的压差传感器，压差丈量规模为0~10英寸水柱，精度为±0.2%Span，操控中心可依据不同的压力差对抽气泵进行操控，然后确保气体流量均匀地进入抽气泵。
采样器要确保气体的流量均匀地进入抽气泵，但是进气量与气体的流速、气体的温度和当时的大气压值都有亲近的联系，所以体系有必要能够实时监测当时的大气压值和被测气体的温度值，才干精确地核算出抽气泵的实践进气量。本体系的气压传感器选用绝压传感器，压力丈量规模为0~105KPa;温度传感器运用DS18B20。依据气态方程，体系可实时的对采样的气体体积进行及时的批改。
气体质量流量传感器类型标准大气压下，流量规模为0~200 L/Min，能够满意规划中流量(60～130L/min)的要求。
抽气泵是整套体系的中心动力源，抽气泵接连、牢靠、安稳作业是采样器的基本要求。经过压差传感器的反应值实时的调理电机转速，以到达设定的流量及负载要求。
2.3 电路规划
本体系的电路依据32位ARM微操控器规划。如图2所示，本体系的电路部分包含气压差信号的收集及扩大、大气压信号的收集及扩大、采样温度信号的收集、存储电路、液晶显示电路、过零检测电路、调压电路、时钟电路、按键输入电路及数据打印电路等。其间，存储芯片选用的是FM24C64铁电FRAM，液晶显示运用的是12864液晶屏，时钟芯片选用DS1322N。因为本体系的首要功能为进行TSP实时采样，其间采样流量操控为电路规划的中心部分，因而，本文要点介绍其信号收集及采样流量操控电路。
2.3.1 信号扩大及AD收集电路规划
本体系收集大气压的绝压传感器和收集气压差的压差传感器中皆为选用压电电阻技能的固态压力传感器。因为该类传感器选用1.5mA的电流供电，且满量程输出信号仅为75mV左右，因而，需对其规划1.5mA的恒流源及信号扩大电路，最终将扩大之后的信号输出至微操控器的AD收集口，如图3所示。
图3中，依据运算扩大器LM2904的特性，IN1-与OUT1间的电流为：
(1)
假如Vcc为+5V，R1为1.5kΩ，R2为1kΩ，R3为2kΩ，则I=1.5mA。
绝压传感器GE-NOVA 1210-015A-3L的输出信号选用AD623进行扩大。AD623的扩大倍率为：
(2)
本体系R4的选用2kΩ的电阻，因为绝压传感器的满量程输出信号为75mV，经过核算，可得到0~3.825V的输出电压，彻底满意体系的收集需求。
2.3.2 流量操控
本体系采样流量的核算公式为：
(3)
式中，ΔP为压差值，k为补偿系数，P为当时大气压值，Patm为标准大气压值，K为绝对零度值，T(k)为开氏温度值。
