自动换膜TSP采样系统

作者 张田龙 王帅 张晶 周洪远 左庆浩 河北省自动化研究所(河北 石家庄 050081)

摘要：针对现有TSP采样器采样过程无法实现换膜自动化，本文设计了一套自动换膜装置，整套系统采用集成的MCU作为主控芯片，压差传感器和绝压传感器组成流量控制电路，抽气泵作为动力单元，通过合理的机械设计实现TSP采样滤膜的定位和更换，达到自动换膜的目的。

张田龙(1988-)，男，助理工程师，研究方向：自动控制类产品的开发。

引言

　　TSP采样器，又称粉尘采样器，是应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、劳动、安监、科研等部门用于气溶胶常规监测^[1]。

　　粉尘采样器的滤膜在工作一段时间后需要更换，现有TSP采样器的滤膜更换主要是依靠人工，人工换膜不仅浪费人力和物力，还会因为个人操作不规范影响测量结果。为了解决以上问题，本文以现有粉尘采样器自动换膜装置为研究对象，设计了一套自动换膜装置。

1 系统整体设计

　　整套系统示意图如图1所示。粉尘采样器主要包括TSP主机和自动换膜机构两部分组成。其中，TSP主机包括TSP主机控制电路、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、控制键盘、电源等构成;自动换膜机构包括换膜转盘机构、丝杠夹紧机构、步进电机驱动器、换膜机构控制电路和限位传感器等组成。

　　在设备工作之前，需使用手动操作按钮，控制转盘转动，根据实际需求放置1~7片滤膜。设备工作时，在单片机(STM32)控制下，自动换膜机构按照预定的程序开始工作：首先，通过电机驱动换膜转盘旋转到指定工位，将滤膜组件送到工作位置，通过步进电机驱动丝杠夹紧机构将工位上的滤膜组件夹紧并密封好。此后，抽气泵开始工作，通过温度传感器、绝压传感器、压差传感器的反馈值作为调节进气流量，形成闭环控制，使系统按照预定的采样时间、进气流量等参数进行流量采样。采样完毕后，通过步进电机驱动丝杠夹紧机构将工位上的滤膜组件松开，通过电机驱动换膜转盘旋转到下一指定工位，并开始下一周期的采样工作。换膜机构在设备工作过程中严格密封，与外界完全隔绝，避免混入外界气体影响采样精度。本系统包含七组滤膜组件，在无人值守的情况下，可连续工作七个采样周期。

2 系统实现

2.1 硬件控制

　　通过系统示意图可以看到，基于流量闭环控制的粉尘采样器以单片机为控制核心，通过单片机控制抽气泵运行，对含尘气体进行采样。根据温度传感器、气体压差传感器和绝压传感器的反馈信号进行流量调节，并与设定流量比较，通过控制算法处理后，对采样泵的转速进行调整，使抽气流量恒定在设定的误差范围内。流量控制电路能自动调整抽气泵功率，使进气流量一直保持恒定。

2.2 硬件选型

　　流量传感器及采样泵的参数选择直接影响流量的快速调节及恒定控制，本设计选用的压差传感器，压差测量范围为0~10英寸水柱，精度为±0.2%Span，控制核心可根据不同的压力差对抽气泵进行控制，从而保证气体流量均匀地进入抽气泵。

　　采样器要保证气体的流量均匀地进入抽气泵，然而进气量与气体的流速、气体的温度和当前的大气压值都有密切的关系，所以系统必须能够实时监测当前的大气压值和被测气体的温度值，才能准确地计算出抽气泵的实际进气量。本系统的气压传感器选用绝压传感器，压力测量范围为0~105KPa;温度传感器使用DS18B20。根据气态方程，系统可实时的对采样的气体体积进行及时的修正。

　　气体质量流量传感器型号标准大气压下，流量范围为0~200 L/Min，可以满足设计中流量(60～130L/min)的要求。

　　抽气泵是整套系统的核心动力源，抽气泵连续、可靠、稳定工作是采样器的基本要求。通过压差传感器的反馈值实时的调节电机转速，以达到设定的流量及负载要求。

2.3 电路设计

　　本系统的电路基于32位ARM微控制器设计。如图2所示，本系统的电路部分包括气压差信号的采集及放大、大气压信号的采集及放大、采样温度信号的采集、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。其中，存储芯片采用的是FM24C64铁电FRAM，液晶显示使用的是12864液晶屏，时钟芯片采用DS1322N。由于本系统的主要功能为进行TSP实时采样，其中采样流量控制为电路设计的核心部分，因此，本文重点介绍其信号采集及采样流量控制电路。

2.3.1 信号放大及AD采集电路设计

　　本系统采集大气压的绝压传感器和采集气压差的压差传感器中皆为采用压电电阻技术的固态压力传感器。由于该类传感器采用1.5mA的电流供电，且满量程输出信号仅为75mV左右，因此，需对其设计1.5mA的恒流源及信号放大电路，最终将放大之后的信号输出至微控制器的AD采集口，如图3所示。

　　图3中，根据运算放大器LM2904的特性，IN1-与OUT1间的电流为：

(1)

　　如果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的输出信号采用AD623进行放大。AD623的放大倍率为：

(2)

　　本系统R4的选用2kΩ的电阻，由于绝压传感器的满量程输出信号为75mV，通过计算，可得到0~3.825V的输出电压，完全满足系统的采集需要。

2.3.2 流量控制

　　本系统采样流量的计算公式为：

(3)

　　式中，ΔP为压差值，k为补偿系数，P为当前大气压值，Patm为标准大气压值，K为绝对零度值，T(k)为开氏温度值。