一种恒流空气采样器及其采样恒流方法与流程

本发明涉及一种空气采样仪器，特别涉及一种恒流空气采样器及其采样恒流方法。

背景技术：

环境空气监测是一种先定量采集空气样品，再对样品处理、分析，从而评价环境空气质量的技术方案。采集到准确体积量的空气样品，直接影响到分析结果的准确性。

定量采集空气样品通常使用空气采样仪器。

用空气采样仪器采集确定体积量空气样品的方案为：设定抽气泵采气流量Q及采气时间t，最后得到采气体积量V＝Q×t。

方案中的抽气泵采气流量Q要求在采气时间t期间始终保持稳定，其稳定值δ标志着采样器的流量稳定性能。流量稳定值的计算方法为：其中Q_max为采气时间t期间流量最大值，Q_min为采气时间t期间流量最小值。

流量稳定值δ越小，表明采样器采气时间t期间采气流量Q波动小、稳定性能好、采气体积V失真小、准确度高；反之，流量稳定值δ越大，表明采样器采气时间t期间采气流量Q波动大、稳定性能差、采气体积V失真大、准确度低。

现有技术的采样器，作为抽气泵电机的电源有直流电池电源、交流变换直流电源、交流电源三种方式直接供应。

采用直流电池电源供应给抽气泵电机的，电机工作电压因供应电池电源持续输出电量而随时间下降，致使抽气泵工作功率下降，转速下降，单位时间内做功下降，单位时间内抽气量即采气流量下降，流量Q(ml/min)失真不确定，最终导致一定时间内采集到的空气样品体积不能等于初始运转流量与时间的乘积，空气样品量值失真，自然影响到分析结果的准确性。

采用交流变换直流电源供应给抽气泵电机的，交流变换直流，仍然因市电电压的波动及电网用电大小变化，带来转换为直流的波动，也致抽气泵工作功率波动无常，转速不恒定，流量Q(ml/min)也失真不确定，最终导致一定时间内采集到的空气样品体积也不能等于初始运转流量与时间的乘积，空气样品量值失真，也影响到分析结果的准确性。

采用交流电源供应给抽气泵电机的，更易因市电电压的波动及电网用电大小变化，而导致抽气泵工作功率波动、转速不恒定，以致采气流量失真不确定，自然也影响到采集样品的准确定量和最后的分析结果的准确性。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种恒流空气采样器，解决了现有技术中由于采样器的抽气泵工作功率波动、转速不恒定、采气流量失真等原因造成影响到采集样品的准确定量和最后的分析结果的准确性的技术问题。

本发明的目的还在于提供一种恒流空气采样器的采样恒流方法，通过使抽气泵工作功率恒定以及疲劳下降补偿的方法，达到采气期间流量波动小、稳定性能高的恒流方法，解决了现有技术中由于采样器的抽气泵工作功率波动、转速不恒定、采气流量失真等造成影响到采集样品的准确定量和最后的分析结果的准确性的技术问题。

为了解决上述问题，本发明提供了一种恒流空气采样器，包括电源、主控制电路板、设置在所述主控制电路板上的程控可调恒压模块、交互控制板和抽气泵，所述主控制电路板分别与所述电源、交互控制板和抽气泵连接，所述主控制电路板通过单片机嵌入式系统程序管理其上的所述程控可调恒压模块，所述抽气泵上连接有流量计。

依照本申请较佳实施例所述的一种恒流空气采样器，所述单片机嵌入式系统包括电源供应模块、系统主控模块、人机交互显示模块和输出供应模块，所述系统主控模块分别与所述电源供应模块、人机交互显示模块和输出供应模块连接。

依照本申请较佳实施例所述的一种恒流空气采样器，所述电源的输出端与所述主控制电路板的电源输入端口连接，所述主控制电路板的电源输出端与所述抽气泵连接，所述主控制电路板的交互控制模块接入端口与所述交互控制板的输出端口连接。

依照本申请较佳实施例所述的一种恒流空气采样器，所述抽气泵的抽气端口通过胶管与所述流量计连接。

本发明还提供一种恒流空气采样器的采样恒流方法，包括以下步骤：

程控可调恒压模块通过单片机嵌入式系统程序控制输出给抽气泵电机的工作电压保持一定值(U0)，使得抽气泵电机工作功率为定值，抽气泵运转恒速，采气流量(Q)即为定值，保持恒流采气运行；同时，对抽气泵因长时间运转可能使皮碗疲劳致抽气流量下降进行补偿。

依照本申请较佳实施例所述的一种恒流空气采样器的采样恒流方法，所述抽气泵电机的工作电压定值(U0)，由单片机嵌入式系统主控设定和管理控制，通过所述程控可调恒压模块输出供应给抽气泵电机，不受供应电源的电能使用下降而变化。

依照本申请较佳实施例所述的一种恒流空气采样器的采样恒流方法，对抽气泵因长时间运转可能使皮碗疲劳致抽气流量下降进行补偿包括以下步骤：

(1)对抽气泵进行测试获得随时间疲劳流量下降系列参数(Q，t)，通过多项式拟合出流量随时间的函数方程Q(t)；

(2)同时，再通过单片机嵌入式系统主控控制管理程序，测试出对抽气泵电机随时间逐步增加供应给抽气泵电机的工作电压(△U)、提升抽气泵运转速度、增大采气流量的系列参数(△U，t)，通过多项式拟合出增加工作电压(△U)随时间的函数方程△U(t)；

(3)对照步骤(1)的流量方程Q(t)与步骤(2)的增加工作电压的方程△U(t)，调整方程△U(t)的系数ki，使得增加工作电压、提升抽气泵流量增加值正好补偿Q(t)的下降值，以使抽气泵获得随时间保持更稳定的流量；

(4)将步骤(3)调整合适的方程△U(t)植入单片机嵌入式系统，并可随时针对不同的抽气泵电机进行调整系数ki，以获得每个抽气泵更稳定的流量能力。

与现有技术相比，本发明存在以下技术效果：

本发明提供一种恒流空气采样器及其采样恒流方法，通过程控可调恒压模块和单片机嵌入式系统，控制供应给抽气泵电机的工作电压保持一定值(U0)，在抽气泵抽气工作负载不变情况下，此时抽气泵电机工作电流(I)不变，抽气泵电机工作功率(P)＝(U0I)保持一定值，从而使得抽气泵运转匀速、进而抽气流量恒定不变。同时，考虑抽气泵长时间运转出现皮碗疲劳可能致抽气流量下降，通过试验获取抽气泵随时间疲劳流量下降参数，拟合出流量随时间下降的函数方程，再通过单片机嵌入式系统程序，依函数方程随时间提升供应给抽气泵电机的工作电压(U)、以提升电机工作功率，以致提升抽气泵运转速度、增大采气流量以补偿疲劳流量的下降，获得采气流量的更进一步恒定。使用此方案的恒流采样器，其采气流量稳定性达到2.5％及更小，远比国标5％的要求高出1倍以上，保证了最后的分析结果的准确性。

附图说明

图1为本发明一种恒流空气采样器的结构示意图；

图2为本发明单片机嵌入式系统的电源供应模块的电路图；

图3为本发明单片机嵌入式系统的系统主控模块的电路图；

图4为本发明单片机嵌入式系统的人机交互显示模块的电路图；

图5为本发明单片机嵌入式系统的输出供应模块的电路图；

图6为本发明恒流空气采样器的曲线图。

具体实施方式

以下结合附图，举一具体实施例加以详细说明。

请参考图1，一种恒流空气采样器，包括电源4、主控制电路板1、设置在主控制电路板1上的程控可调恒压模块11、交互控制板2和抽气泵3，主控制电路板1分别与电源4、交互控制板2和抽气泵3连接，主控制电路板1通过单片机嵌入式系统程序管理其上的程控可调恒压模块11，抽气泵3上连接有流量计31。

在本实施例中，电源4的输出端与主控制电路板1的电源输入端口连接，主控制电路板1的电源输出端与抽气泵3连接，主控制电路板1的交互控制模块接入端口与交互控制板2的输出端口连接。抽气泵3的抽气端口通过胶管与流量计31连接。

在本实施例中，单片机嵌入式系统包括电源供应模块、系统主控模块、人机交互显示模块和输出供应模块，系统主控模块分别与电源供应模块、人机交互显示模块和输出供应模块电连接。以下结合附图，对单片机嵌入式系统的各个模块做详细说明。

1、电源供应模块

请参考图2，电源供应模块主要为系统主控模块、输出供应模块、人机交互显示模块提供相应的电能，实现过程为：

1.1外部供应电源-直流电池，通过CON1输入端接入，加入共模滤波(电感F1及L1)，抑制电源产生共模干扰，以保证供应电源的稳定、不影响控制系统的正常工作。

1.2外部供应电源通过共模滤波后，加入可调控升压转换器U1和可调控降压转换器U2，为输出应用端供应需要的稳定电压的电能(DRIVER_POWER)，实现抽气泵电机稳定可调的供电。

1.3外部供应电源CON1接入后，另一路加入低纹波噪声线性稳压器U3，为系统主控单片机提供稳定的供电(+5V)。

1.4同时加接入低压差线性稳压器U4，为人机交互控制模块提供低噪声稳压电压供电(3V3)。

1.5同时，通过分压电阻分压后，将外部接入电源接至系统主控端口VBAT_AIN，实时采集监控外部电源电压的变化。

2、系统主控模块

请参考图3，系统主控模块的主控电路通过微处理器STM8，对供应电源电压、交互信号、电源输出等的采集及控制进行数模PWM管理，实现输出电源的恒定和程序调控。

2.1通过电源供应模块滤波、降压及线性稳压处理(1.3)为+5V后，恒定接入为微处理器STM8供电，确保单片机正常工作。

2.2供应电源VBAT_AIN端接入微处理器17线脚，通过微处理器采集模块，对供应电源的电压实时监控，依照程序控制电源电量反馈至交互模块LCD显示，并触动蜂鸣器报警提示。

2.3 PWM控制信号，低电平0V，高电平5V，通过程序设置占空比(0％～100％)输出，占空比增大，输出电压增大，反之输出电压减小，以此控制应用端抽气泵电机转速变化。

2.4交互按键信号由单片机普通IO口(37、38、41、42、51～53、56脚)获取，获取不同的交互按键，单片机发出不同的控制命令，包括启动，停止，增、减调时间。

2.5交互LCD显示，通过微处理器普通IO口(43～47脚或57、60～63脚)，控制交互LCD显示。

3、人机交互显示模块

请参考图4，人机交互控制电路，包括输入按键阵列模块和信息显示模块。

3.1电源模块过来的+5V供电，4个输入按键(S1、S2、S3、S4)阵列接入，通过16p连接器CONNECTOR的11至14脚，接至系统主控模块微处理器STM8的51、52、53、56脚，分别触发系统启动、复位、时间加、时间减功能。

3.2交互显示信息选用点阵LCD液晶屏。显示屏由电源供应模块的低噪声稳压电压3.3V供电，在接LCD的6脚(VDD)接入。交互信息在LCD的1～5脚分别通过连接器CONNECTOR的10～6脚接至系统主控模块微处理器STM8的57、60～63脚，控制系统显示默认时间加、复位、时间减、到达时间及到达提醒功能。

4、输出供应模块

4.1系统最终输出恒定或程序变化的电压供应，供给应用端抽气泵电机，用以控制抽气泵的匀速或程序变化增速运转，以获得恒定流量的抽气。

4.2请参考图5，输出供应模块，由电机控制半桥驱动芯片U6(BTS7971)，接入电源供应模块过来的12V稳压电源(DRIVER_POWER)供电，其3、2、6脚分别接至系统主控模块微处理器STM8的28脚(INH1)、34脚(IN1)、27脚(IS1)，通过微处理器程序设置，当INH＝1时，芯片开始工作，IN＝0时，输出低电平，IN＝1时，输出高电平，通过输出不同占空比的信号，调节到应用端接口CON的输出电压，来获得恒定的应用端抽气泵电机的工作电压，或按程序调整变化的应用端抽气泵电机的工作电压，达到电机恒速或程序变速，从而获得抽气泵的恒定抽气流量。

本发明还提供一种恒流空气采样器的采样恒流方法，包括以下步骤：

程控可调恒压模块通过单片机嵌入式系统程序控制输出给抽气泵电机的工作电压保持一定值(U0)，使得抽气泵电机工作功率为定值，抽气泵运转恒速，采气流量(Q)即为定值，保持恒流采气运行。

在本方法中，抽气泵电机的工作电压定值(U0)，由单片机嵌入式系统主控设定和管理控制，通过程控可调恒压模块输出供应给抽气泵电机，不受供应电源的电能使用下降而变化。

在本方法中，对抽气泵因长时间运转可能使皮碗疲劳致抽气流量下降进行补偿。对抽气泵因长时间运转可能使皮碗疲劳致抽气流量下降进行补偿的实现方案包括以下步骤：

(1)对抽气泵进行测试获得随时间疲劳流量下降系列参数(Q，t)，通过多项式拟合出流量随时间的函数方程Q(t)；

(2)同时，再通过单片机嵌入式系统主控控制管理程序，测试出对抽气泵电机随时间逐步增加供应给抽气泵电机的工作电压(△U)、提升抽气泵运转速度、增大采气流量的系列参数(△U，t)，通过多项式拟合出增加工作电压(△U)随时间的函数方程△U(t)；

(3)对照步骤(1)的流量方程Q(t)与步骤(2)的增加工作电压的方程△U(t)，调整方程△U(t)的系数ki，使得增加工作电压、提升抽气泵流量增加值正好补偿Q(t)的下降值，以使抽气泵获得随时间保持更稳定的流量；

(4)将步骤(3)调整合适的方程△U(t)植入单片机嵌入式系统，并可随时针对不同的抽气泵电机进行调整系数ki，以获得每个抽气泵更稳定的流量能力。

以下为采用本发明方法得到的数据：

采用本发明方法的恒压电路控制输出给抽气泵的电压设定为11.00V，开启采样器，设定初始流量稳定后，每4分钟测试1次采样流量Qi(ml/min)，数据如表1。

表1

此时，采样器的流量变化见图六曲线(1)，其稳定性为

根据表1观察，流量从第10min开始疲劳下降，为此，通过试验提高供应给抽气泵电机的工作电压U(V)及测试对应的流量Qi’(ml/min)，数据如表2(初始工作电压11.00V)。

表2

此时，抽气泵工作电压对应流量下降补偿，随时间提高值见图六曲线(2)ΔU(t)＝-5.1×10^-6t³+0.0006t²-0.0041t-0.0027，

通过单片机嵌入式系统程序，就可以控制抽气泵工作电压U为：

U(t)＝11.00-5.1×10^-6t³+0.0006t²-0.0041t-0.0027，t>10min并可易于调整和控制设置调整步级为1min，并考虑电机的过压设置U上限值即停止上升。

将上述U(t)函数方程植入单片机程序系统，调节输出给抽气泵工作电压U。

通过上述补偿后，采样器的流量变化见图六曲线(3)，其稳定性为：

比补偿前的稳定性3.17％提高了近3倍，比国标要求的5％提高了5倍。可见效果相当好。

以上公开的仅为本申请的一个具体实施例，但本申请并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化，都应落在本申请的保护范围内。