专利名称：大气颗粒物监测的六工位自动循环与控制方法及其装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及大气环境的颗粒物自动监测技术，具体是大气颗粒物监测的六工位自动循环与控制方法；本发明还涉及实现所述方法的装置。
背景技术：
目前国内外市场上的同类仪器有(1)Andersen公司的240型双通道采样器，(2)美国Rupprecht & Patashnick公司的1400a型大气颗粒物采样器，和(3)API公司的BAM1020型β射线测尘仪，国内(4)某仪器公司生产的TH系列的110B或150C(或A)空气总悬浮微粒采样器以及(5)某电子仪器厂的KC系列的大气连续采样器等。
以上仪器的测量原理分别是仪器(1)用称重原理采集大气中颗粒的质量并可以同时采集PM2.5和PM10。仪器(2)是利用颗粒物重量来改变滤膜的固有频率，通过固有频率的变化换算成颗粒物质量的变化。它不能同时采集PM2.5和PM10，更换切割器可分别采集PM10或PM2.5。(3)是利用颗粒物对β射线吸收情况判断颗粒物的质量，由于在测量原理上与直接称重法不同，存在一个转换的环节，会带来一定的转换误差。仪器(4)和(5)也是直接称重法，是单通道式的采样，不能同时采集PM10与PM2.5。目前使用直接称重法原理的仪器工作效率低，几乎都不能实现整个工作过程的自动化。
发明内容
本发明的目的在于针对现有称重法仪器存在的不能实现自动采样过程问题，提供一种大气颗粒物监测的六工位自动循环与控制方法，将称重法用于大气颗粒物PM10与PM2.5采集的连续监测工作，使颗粒物采样、称重、更换滤膜组件、称滤膜组件毛重、返回等待采样的工作循环；或采样—称重工作之间的工作循环，实现自动化。
本发明的目的还在于提供实现所述方法的装置。
本发明的大气颗粒物监测的六工位自动循环与控制方法是将大气颗粒物的监测分解成六个过程，分别在六个工位上实现所述六个过程，具体包括——将采集大气颗粒物的滤膜组件自由地放置在转臂上；——转臂带动滤膜组件在工位1实现颗粒物采集；——转臂带动滤膜组件在工位2实现颗粒物称重；——转臂带动滤膜组件在工位3实现滤膜组件下料；——转臂带动滤膜组件在工位4实现滤膜组件上料；——转臂带动滤膜组件在工位5实现新滤膜组件称颗粒物毛重；——转臂带动滤膜组件在工位6等待颗粒物的采样。
本发明中，转臂的转动可以由步进电机带动实现。
步进电机的转动角度与光电定位器定位信息可以共同确定转臂的对各工位的定位点。
本发明可以根据滤膜组件的称重情况来决定工作循环，例如，在滤膜还有过滤颗粒的功能(一般可用有没有超重来判别)，不会造成对稳定流量的影响也没有被损坏的情况下，采用工位1-工位2-工位1-工位2的工作流程实现工作循环；或者是，在滤膜失去了过滤颗粒的功能，或造成对稳定流量的影响，或已经损坏的情况下，采用工位3-工位4-工位5-工位6-工位1-工位2-工位1-工位2的工作流程实现工作循环。
本发明将监测仪的工作过程分解成六个子过程，并在各工位上根据工作内容安排不同的工序，实现PM10与PM2.5的颗粒物同时采样，并实现全过程的自动循环。
实现本发明所述方法的装置包括——转臂，由步进电机带动转臂转动，步进电机的转动角度与光电定位器定位信息共同确定转臂对各工位的定位点；——滤膜组件，用于采集大气颗粒物并自由地放置在转臂上；——工位1，为颗粒物采集工位，也是仪器初始化的起始工位；——工位2，为称重工位；——工位3，为滤膜组件下料工位；
——工位4，为滤膜组件上料工位；——工位5，为新滤膜组件称毛重工位，物理地址与第2工位相同；——工位6，为颗粒物待采样工位，物理地址与第1工位相同。
所述步进电机带动一对齿轮，转臂转动是靠步进电机带动一对齿轮付来实现的。
所述齿轮由凸轮杠杆机构拉动，转臂的升降控制通过控制齿轮的啮合状态和靠凸轮杠杆机构和弹簧机构拉动从动齿轮上下的位移来实现。
如图2所示，椭圆状图形代表转臂，转臂内的黑色实心小圆代表放置在转臂上的PM2.5的滤膜组件，白色小圆代表PM10滤膜组件。
工位1为颗粒物采集工位，也是仪器初始化的起始工位；工位2为称重工位；工位3为滤膜组件下料工位；工位4为滤膜组件上料工位；工位5为新滤膜组件称毛重工位，物理地址与第2工位相同；工位6为颗粒物待采样工位，物理地址与第1工位相同。
本方法的方法具体地包括根据对大气颗粒物的采集和分析过程，将称重法大气颗粒物监测仪的工作过程分为六个子过程，并分别在六个工位(即大气颗粒物的采集工位、膜片滤膜组件的自动称重工位、滤膜组件下料工位、滤膜组件上料工位、新滤膜组件称毛重工位，和颗粒物等待采集工位)加以实现。根据膜片滤膜组件的称重情况和有无损坏情况来决定工作循环是在1->2->1->2工位循环工作，还是在工位3->4->5->6->1->2->1->2工作循环。
图中所示的工位的位置是根据安放滤膜组件的转臂位置决定的，转臂的转动是靠步进电机带动齿轮付转位装置实现，由同步进电机的转动角度与由光电定位器的定位信息共同确定转臂的定位点。转臂的升降控制通过控制齿轮的啮合状态，靠凸轮杠杆机构和弹簧机构拉动从动齿轮上下的位移来实现。
举例对本方法涉及的各部分功能作更详细的说明如图2中，仪器工作分六个工位进行，转臂内的黑色实心小圆代表PM2.5的滤膜组件，白色小圆代表PM10滤膜组件。
工位1是颗粒物的采样工位，PM10与PM2.5同时采集，工位2表示滤膜组件的称重工位，第一工序先称PM10滤膜组件重量，第二工序再称PM2.5滤膜组件重量。图中所示PM10与PM2.5的中心线重合的位置就是工位2的实际工作位置，以下雷同。工位3为滤膜组件的下料工位，第一工序先下PM10滤膜组件，后下PM2.5滤膜组件。工位4为新滤膜组件的上料工位，第一工序先上PM2.5滤膜组件，后上PM10滤膜组件，工位5的物理地址与工位2同，只是工位5的功能是对新滤膜组件的毛重进行测量。在工位5上，第一工序先称PM10滤膜组件，后称PM2.5滤膜组件，第6工位为待采样工位，物理地址与工位1同，PM10与PM2.5滤膜组件同时到位。其程序框图如图3所示本发明还在于针对现有称重法仪器存在的不能实现自动化采样过程问题，提出一种六工位自动循环控制装置用于颗粒物监测仪器中，使颗粒物采样、称重、更换滤膜组件、称滤膜组件毛重、返回工位1等待采样的工作循环；或采样-称重工作之间的工作循环实现自动化。工位间的工作循环实际上是对转臂转动的控制。
图4是转臂运动的控制装置。其工作原理是滤膜组件从工位1到工位2或者是到其他工位位置时，是靠转臂7的转动带着滤膜组件来转动的。而转臂转动是靠步进电机带动一对齿轮付来实现的，转臂的定位是靠步进角度与光电定位信息的连用来决定的。由于转臂在第二工位或第五工位时，因要完成滤膜组件的称重工作，转臂必须下降并使滤膜组件脱离转臂的支持而安放在天平上的支承座上，称重完成后，转臂又重新上升，使滤膜组件又自由地支承在转臂上，并带动滤膜组件转到工位1或工位3去。转臂的这一上升与下降也是靠转臂运动的控制装置来实现，具体是转臂下降时将两个齿轮的啮合状态逐渐断开，上升时又逐渐恢复啮合。要转位时在步进电机带动下，转臂再带滤膜组件转动。
对转臂的转动和升降控制更具体的说明如下转臂的转动控制如图4，步进电机21带动轴22转动，固定在轴22上的主动齿轮24随之转动并带动与之啮合的从动齿轮25转动，由于从动齿轮25是固定在套筒26上，故套筒26也带着与它连接的转臂7转动。转动的定位由图1的光电定位器10与步进电机21的步进角度共同决定。
转臂的升降控制转臂的升降控制实质上是控制齿轮的啮合状态和靠凸轮杠杆机构和弹簧机构拉动齿轮上下的位移。如图5所示，当伺服电机27转动时，带动凸轮轴28转动，固定在轴28上的凸轮29转动，凸轮29转至升程半径时电机27停转，凸轮29使杠杆30下压，并使从动齿轮25脱离与主动齿轮24的啮合状态，并拉动套筒26带着转臂7向下移动，移动位置由电子天平工作台上的支承环的安装位置决定，当滤膜组件接触电子天平工作台上的支承环时，滤膜组件与转臂完全脱离。天平稳定后开始称重，并向主CPU发送PM10膜称重数据。伺服电机27再次启动，凸轮28转至回程部分，从而杠杆30放松压紧状态，在弹簧31弹力的作用下从动齿轮25上升与主动齿轮24重新啮合。转臂带着滤膜组件回到原先的工作位置。
本发明与现有技术相比，具有如下优点1、本发明利用六工位自循环系统实现了称重法的大气颗粒物监测仪采样过程的自动化。
2、转臂运动的控制装置解决了滤膜组件从一个工位到另外一个工位的转动以及称重时滤膜组件从受转臂的约束状态到非约束状态的过渡，从而保证了系统工作的进行。
3、采取步进角度与光电定位信息的连用决定转臂的转位定位问题，保证了系统工作的安全性。
图1本发明装置的结构示意图；图中，1是抽气采样用工位1，2是称重工位2，3是下料工位3，4是上料工位4，5是称毛重工位5，6是待采样工位6，7是转臂，8是转位部件，9是称重控制部件，10是光电定位器，11是数据采集，12是数据处理，13是显示与输出，14是双CPU控制器；图2是本发明方法所述六工位工作循环示意图；图3是图2的程序框图；图4是图1中转臂转动与升降部分的结构示意图；图5是图1中称重控制时转臂下降控制的凸轮杠杆机构部分结构示意图；图6是图2中六工位工作循环实例图；
图7是图2中工位1-工位2-工位1-工位2工位循环时序图；图8是图2中工位3-工位4-工位5-工位6-工位1-工位2-工位1-工位2工位循环时序图，图中，S1、S2表示工位1的伺服电机1和工位2的伺服电机2；S11表示启动伺服电机旋转至使滤膜组件处于抽气状态(气密)；S12表示伺服电机旋转至使滤膜放松到非抽气状态(滤膜落在转臂上)；S21(S23)表示启动伺服电机使滤膜组件PM10(PM2.5)下降到天平的支承环上，S22(S24)表示启动伺服电机升起转臂带动滤膜组件PM10(PM2.5)到正常转位位置；B12表示步进电机从工位1(PM10)——>工位2(PM10)；B221表示步进电机在2工位顺转20度(PM2.5)；B23表示步进电机从工位2(PM10)——>工位3(PM10)；B331表示步进电机在3工位顺转20度(PM2.5)；B34表示步进电机从工位3(PM2.5)——>工位4(PM2.5)；B442表示步进电机在4工位逆转20度(PM10)；B45表示步进电机从工位4(PM10)——>工位5(PM10)；B551表示步进电机在5工位顺转20度(PM2.5)；B56表示步进电机从工位5(PM10)——>工位6(PM10)；T1表示电子天平称PM10滤膜组件并向主机发送数据，T2表示电子天平称PM2.5滤膜组件并向主机发送数据；Z1(Z2)表示启动真空泵。
具体实施例方式
如图6所示，设计时，将工位1的PM10的中心线与六工位垂直中心线(也就是工位2的中心线)的夹角定为60度。转臂上的PM2.5和PM10的中心线夹角定为20度。在工位1抽气采样。采样结束后，到工位2称重，此时转臂顺时针转动60度，而到达工位2。电机27带动凸轮29转动到升程位置，使杠杆30下压从动齿轮25，从动齿轮25脱离与主动齿轮24的啮合状态，并带动套筒26和转臂7下降。当滤膜组件到达电子天平上的支承环时脱离转臂7的约束状态。伺服电机27停转。在电子天平稳定后进行PM10滤膜组件的称重。称重完后，伺服电机27又启动，带动凸轮29转至降程位置，杠杆30放松压紧状态，在弹簧31的作用下从动齿轮25拉动套筒26和转臂上升回到转位位置，从而完成PM10的称重过程。转臂顺时针转动20度，PM2.5的中心线与垂直中心线重合，重复上述转臂下降动作，待电子天平稳定后，进行PM2.5称重。重复上述转臂的上升动作，回到转位的位置。PM2.5的称重过程与PM10的称重过程是完全相同的。称重结束，电子天平向CPU发送称重数据，由CPU判断滤膜是否能继续使用，如果滤膜组件可以继续使用则返回工位1，此时仪器工作在1-2工位循环下继续采样，如图7所示。如不能使用，转臂应该到第三工位下料。此时转臂顺时针再转动35度，使PM10滤膜组件中心位置到达工位3，而进入PM10的下料工序。下料完毕后，转臂再顺时针转动20度，此时PM2.5滤膜组件到达工位3，PM2.5滤膜组件下料。而后，转臂顺时针转动20度到工位4，先上PM2.5滤膜组件再上PM10滤膜组件，完成上料的工作。最后转臂逆时针转动75度，使滤膜组件返回工位5(物理位置与工位2同)，使PM10滤膜组件到达工位5正上方，进入PM10滤膜组件称毛重工序，称重完成后转臂顺时针转动20度，再完成PM2.5的称毛重工序。此后，转臂逆时针转动80度，使滤膜组件返回工位6，(物理位置与工位1同)等待抽气采样。此时仪器系统工作在工位3->4->5->6->1->2->1->2的工作循环，如图8所示。
权利要求
1.一种大气颗粒物监测的六工位自动循环与控制方法，其特征在于将大气颗粒物的监测分解成六个过程，分别在六个工位上实现所述六个过程，包括——将采集大气颗粒物的滤膜组件自由地放置在转臂上；——转臂带动滤膜组件在工位1实现颗粒物采集；——转臂带动滤膜组件在工位2实现颗粒物称重；——转臂带动滤膜组件在工位3实现滤膜组件下料；——转臂带动滤膜组件在工位4实现滤膜组件上料；——转臂带动滤膜组件在工位5实现新滤膜组件称颗粒物毛重；——转臂带动滤膜组件在工位6等待颗粒物的采样。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述转臂的转动由步进电机带动实现。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步进电机的转动角度与光电定位器定位信息共同确定转臂的对各工位的定位点。
4.根据权利1或2或3所述的方法，其特征在于采用工位1-工位2-工位——1工位实现工作循环。
5.根据权利1或2或3所述的方法，其特征在于采用工位3-工位4-工位5-工位6-工位1-工位2-工位1-工位2实现工作循环。
6.实现权利要求1-6之一所述方法的装置，其特征在于包括——转臂，由步进电机带动转臂转动，步进电机的转动角度与光电定位器定位信息共同确定转臂对各工位的定位点；——滤膜组件，用于采集大气颗粒物并自由地放置在转臂上；——工位1，为颗粒物采集工位，也是仪器初始化的起始工位；——工位2，为称重工位；——工位3，为滤膜组件下料工位；——工位4，为滤膜组件上料工位；——工位5，为新滤膜组件称毛重工位，物理地址与第2工位相同；——工位6，为颗粒物待采样工位，物理地址与第1工位相同。
7.根据权利要求6所述装置，其特征在于所述步进电机带动一对齿轮。
8.根据权利要求6或7所述装置，其特征在于称重时所述齿轮的上下滑动由凸轮杠杆机构和弹簧机构拉动。
全文摘要
本发明涉及基于称重法原理的大气环境颗粒物自动监测仪中的六工位工作自动循环与控制的方法及其装置，所述方法是将大气颗粒物的监测仪的工作分解成六个过程，将采集大气颗粒物的滤膜组件自由地放置在转臂上，分别在六个工位上实现所述六个过程；实现所述方法的装置包括转臂、滤膜组件、转臂的升降和转位装置、工位1－6。本发明将称重法用于大气颗粒物PM10与PM2.5采集的自动连续监测工作，使颗粒物采样、称重、更换滤膜组件、称滤膜组件毛重、返回第一工位等待采样的工作循环；或采样—称重工作之间的工作循环实现自动化。
文档编号G01N15/00GK1766542SQ20051010028
公开日2006年5月3日 申请日期2005年10月14日 优先权日2005年10月14日
发明者杨冠玲, 何振江, 黄林海, 李丰果, 韩鹏, 张展毅 申请人:华南师范大学