本實用新型涉及一種空氣采樣儀器，特別涉及一種恒流空氣采樣器。

背景技術：

環(huán)境空氣監(jiān)測是一種先定量采集空氣樣品，再對樣品處理、分析，從而評價環(huán)境空氣質(zhì)量的技術方案。采集到準確體積量的空氣樣品，直接影響到分析結(jié)果的準確性。

定量采集空氣樣品通常使用空氣采樣儀器。

用空氣采樣儀器采集確定體積量空氣樣品的方案為：設定抽氣泵采氣流量Q及采氣時間t，最后得到采氣體積量V＝Q×t。

方案中的抽氣泵采氣流量Q要求在采氣時間t期間始終保持穩(wěn)定，其穩(wěn)定值δ標志著采樣器的流量穩(wěn)定性能。流量穩(wěn)定值的計算方法為：其中Q_max為采氣時間t期間流量最大值，Q_min為采氣時間 t期間流量最小值。

流量穩(wěn)定值δ越小，表明采樣器采氣時間t期間采氣流量Q波動小、穩(wěn)定性能好、采氣體積V失真小、準確度高；反之，流量穩(wěn)定值δ越大，表明采樣器采氣時間t期間采氣流量Q波動大、穩(wěn)定性能差、采氣體積V失真大、準確度低。

現(xiàn)有技術的采樣器，作為抽氣泵電機的電源有直流電池電源、交流變換直流電源、交流電源三種方式直接供應。

采用直流電池電源供應給抽氣泵電機的，電機工作電壓因供應電池電源持續(xù)輸出電量而隨時間下降，致使抽氣泵工作功率下降，轉(zhuǎn)速下降，單位時間內(nèi)做功下降，單位時間內(nèi)抽氣量即采氣流量下降，流量Q(ml/min)失真不確定，最終導致一定時間內(nèi)采集到的空氣樣品體積不能等于初始運轉(zhuǎn)流量與時間的乘積，空氣樣品量值失真，自然影響到分析結(jié)果的準確性。

采用交流變換直流電源供應給抽氣泵電機的，交流變換直流，仍然因市電電壓的波動及電網(wǎng)用電大小變化，帶來轉(zhuǎn)換為直流的波動，也致抽氣泵工作功率波動無常，轉(zhuǎn)速不恒定，流量Q(ml/min)也失真不確定，最終導致一定時間內(nèi)采集到的空氣樣品體積也不能等于初始運轉(zhuǎn)流量與時間的乘積，空氣樣品量值失真，也影響到分析結(jié)果的準確性。

采用交流電源供應給抽氣泵電機的，更易因市電電壓的波動及電網(wǎng)用電大小變化，而導致抽氣泵工作功率波動、轉(zhuǎn)速不恒定，以致采氣流量失真不確定，自然也影響到采集樣品的準確定量和最后的分析結(jié)果的準確性。

技術實現(xiàn)要素：

本實用新型的目的在于提供一種恒流空氣采樣器，解決了現(xiàn)有技術中由于采樣器的抽氣泵工作功率波動、轉(zhuǎn)速不恒定、采氣流量失真等原因造成影響到采集樣品的準確定量和最后的分析結(jié)果的準確性的技術問題。

為了解決上述問題，本實用新型提供了一種恒流空氣采樣器，包括電源、主控制電路板、設置在所述主控制電路板上的程控可調(diào)恒壓模塊、交互控制板和抽氣泵，所述主控制電路板分別與所述電源、交互控制板和抽氣泵連接，所述主控制電路板通過單片機嵌入式系統(tǒng)程序管理其上的所述程控可調(diào)恒壓模塊，所述抽氣泵上連接有流量計。

依照本申請較佳實施例所述的一種恒流空氣采樣器，所述單片機嵌入式系統(tǒng)包括電源供應模塊、系統(tǒng)主控模塊、人機交互顯示模塊和輸出供應模塊，所述系統(tǒng)主控模塊分別與所述電源供應模塊、人機交互顯示模塊和輸出供應模塊連接。

依照本申請較佳實施例所述的一種恒流空氣采樣器，所述電源的輸出端與所述主控制電路板的電源輸入端口連接，所述主控制電路板的電源輸出端與所述抽氣泵連接，所述主控制電路板的交互控制模塊接入端口與所述交互控制板的輸出端口連接。

依照本申請較佳實施例所述的一種恒流空氣采樣器，所述抽氣泵的抽氣端口通過膠管與所述流量計連接。

與現(xiàn)有技術相比，本實用新型存在以下技術效果：

本實用新型提供一種恒流空氣采樣器，通過程控可調(diào)恒壓模塊和單片機嵌入式系統(tǒng)，控制供應給抽氣泵電機的工作電壓保持一定值(U0)，在抽氣泵抽氣工作負載不變情況下，此時抽氣泵電機工作電流(I)不變，抽氣泵電機工作功率(P)＝(U0I)保持一定值，從而使得抽氣泵運轉(zhuǎn)勻速、進而抽氣流量恒定不變。同時，考慮抽氣泵長時間運轉(zhuǎn)出現(xiàn)皮碗疲勞可能致抽氣流量下降，通過試驗獲取抽氣泵隨時間疲勞流量下降參數(shù)，擬合出流量隨時間下降的函數(shù)方程，再通過單片機嵌入式系統(tǒng)程序，依函數(shù)方程隨時間提升供應給抽氣泵電機的工作電壓(U)、以提升電機工作功率，以致提升抽氣泵運轉(zhuǎn)速度、增大采氣流量以補償疲勞流量的下降，獲得采氣流量的更進一步恒定。使用此方案的恒流采樣器，其采氣流量穩(wěn)定性達到2.5％及更小，遠比國標5％的要求高出1倍以上，保證了最后的分析結(jié)果的準確性。

附圖說明

圖1為本實用新型一種恒流空氣采樣器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本實用新型單片機嵌入式系統(tǒng)的電源供應模塊的電路圖；

圖3為本實用新型單片機嵌入式系統(tǒng)的系統(tǒng)主控模塊的電路圖；

圖4為本實用新型單片機嵌入式系統(tǒng)的人機交互顯示模塊的電路圖；

圖5為本實用新型單片機嵌入式系統(tǒng)的輸出供應模塊的電路圖；

圖6為本實用新型恒流空氣采樣器的曲線圖。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖，舉一具體實施例加以詳細說明。

請參考圖1，一種恒流空氣采樣器，包括電源4、主控制電路板1、設置在主控制電路板1上的程控可調(diào)恒壓模塊11、交互控制板2和抽氣泵3，主控制電路板1分別與電源4、交互控制板2和抽氣泵3連接，主控制電路板1通過單片機嵌入式系統(tǒng)程序管理其上的程控可調(diào)恒壓模塊11，抽氣泵3上連接有流量計 31。

在本實施例中，電源4的輸出端與主控制電路板1的電源輸入端口連接，主控制電路板1的電源輸出端與抽氣泵3連接，主控制電路板1的交互控制模塊接入端口與交互控制板2的輸出端口連接。抽氣泵3的抽氣端口通過膠管與流量計31連接。

在本實施例中，單片機嵌入式系統(tǒng)包括電源供應模塊、系統(tǒng)主控模塊、人機交互顯示模塊和輸出供應模塊，系統(tǒng)主控模塊分別與電源供應模塊、人機交互顯示模塊和輸出供應模塊電連接。以下結(jié)合附圖，對單片機嵌入式系統(tǒng)的各個模塊做詳細說明。

1、電源供應模塊

請參考圖2，電源供應模塊主要為系統(tǒng)主控模塊、輸出供應模塊、人機交互顯示模塊提供相應的電能，實現(xiàn)過程為：

1.1外部供應電源-直流電池，通過CON1輸入端接入，加入共模濾波(電感F1及L1)，抑制電源產(chǎn)生共模干擾，以保證供應電源的穩(wěn)定、不影響控制系統(tǒng)的正常工作。

1.2外部供應電源通過共模濾波后，加入可調(diào)控升壓轉(zhuǎn)換器U1和可調(diào)控降壓轉(zhuǎn)換器U2，為輸出應用端供應需要的穩(wěn)定電壓的電能 (DRIVER_POWER)，實現(xiàn)抽氣泵電機穩(wěn)定可調(diào)的供電。

1.3外部供應電源CON1接入后，另一路加入低紋波噪聲線性穩(wěn)壓器U3，為系統(tǒng)主控單片機提供穩(wěn)定的供電(+5V)。

1.4同時加接入低壓差線性穩(wěn)壓器U4，為人機交互控制模塊提供低噪聲穩(wěn)壓電壓供電(3V3)。

1.5同時，通過分壓電阻分壓后，將外部接入電源接至系統(tǒng)主控端口 VBAT_AIN，實時采集監(jiān)控外部電源電壓的變化。

2、系統(tǒng)主控模塊

請參考圖3，系統(tǒng)主控模塊的主控電路通過微處理器STM8，對供應電源電壓、交互信號、電源輸出等的采集及控制進行數(shù)模PWM管理，實現(xiàn)輸出電源的恒定和程序調(diào)控。

2.1通過電源供應模塊濾波、降壓及線性穩(wěn)壓處理(1.3)為+5V后，恒定接入為微處理器STM8供電，確保單片機正常工作。

2.2供應電源VBAT_AIN端接入微處理器17線腳，通過微處理器采集模塊，對供應電源的電壓實時監(jiān)控，依照程序控制電源電量反饋至交互模塊LCD 顯示，并觸動蜂鳴器報警提示。

2.3PWM控制信號，低電平0V，高電平5V，通過程序設置占空比 (0％～100％)輸出，占空比增大，輸出電壓增大，反之輸出電壓減小，以此控制應用端抽氣泵電機轉(zhuǎn)速變化。

2.4交互按鍵信號由單片機普通IO口(37、38、41、42、51～53、56腳) 獲取，獲取不同的交互按鍵，單片機發(fā)出不同的控制命令，包括啟動，停止，增、減調(diào)時間。

2.5交互LCD顯示，通過微處理器普通IO口(43～47腳或57、60～63腳)，控制交互LCD顯示。

3、人機交互顯示模塊

請參考圖4，人機交互控制電路，包括輸入按鍵陣列模塊和信息顯示模塊。

3.1電源模塊過來的+5V供電，4個輸入按鍵(S1、S2、S3、S4)陣列接入，通過16p連接器CONNECTOR的11至14腳，接至系統(tǒng)主控模塊微處理器 STM8的51、52、53、56腳，分別觸發(fā)系統(tǒng)啟動、復位、時間加、時間減功能。

3.2交互顯示信息選用點陣LCD液晶屏。顯示屏由電源供應模塊的低噪聲穩(wěn)壓電壓3.3V供電，在接LCD的6腳(VDD)接入。交互信息在LCD的1～5腳分別通過連接器CONNECTOR的10～6腳接至系統(tǒng)主控模塊微處理器STM8的 57、60～63腳，控制系統(tǒng)顯示默認時間加、復位、時間減、到達時間及到達提醒功能。

4、輸出供應模塊

4.1系統(tǒng)最終輸出恒定或程序變化的電壓供應，供給應用端抽氣泵電機，用以控制抽氣泵的勻速或程序變化增速運轉(zhuǎn)，以獲得恒定流量的抽氣。

4.2請參考圖5，輸出供應模塊，由電機控制半橋驅(qū)動芯片U6(BTS7971)，接入電源供應模塊過來的12V穩(wěn)壓電源(DRIVER_POWER)供電，其3、2、 6腳分別接至系統(tǒng)主控模塊微處理器STM8的28腳(INH1)、34腳(IN1)、27 腳(IS1)，通過微處理器程序設置，當INH＝1時，芯片開始工作，IN＝0時，輸出低電平，IN＝1時，輸出高電平，通過輸出不同占空比的信號，調(diào)節(jié)到應用端接口CON的輸出電壓，來獲得恒定的應用端抽氣泵電機的工作電壓，或按程序調(diào)整變化的應用端抽氣泵電機的工作電壓，達到電機恒速或程序變速，從而獲得抽氣泵的恒定抽氣流量。

使用恒流空氣采樣器的采樣恒流方法，包括以下步驟：

程控可調(diào)恒壓模塊通過單片機嵌入式系統(tǒng)程序控制輸出給抽氣泵電機的工作電壓保持一定值(U0)，使得抽氣泵電機工作功率為定值，抽氣泵運轉(zhuǎn)恒速，采氣流量(Q)即為定值，保持恒流采氣運行。

在本方法中，抽氣泵電機的工作電壓定值(U0)，由單片機嵌入式系統(tǒng)主控設定和管理控制，通過程控可調(diào)恒壓模塊輸出供應給抽氣泵電機，不受供應電源的電能使用下降而變化。

在本方法中，對抽氣泵因長時間運轉(zhuǎn)可能使皮碗疲勞致抽氣流量下降進行補償。對抽氣泵因長時間運轉(zhuǎn)可能使皮碗疲勞致抽氣流量下降進行補償?shù)膶崿F(xiàn)方案包括以下步驟：

(1)對抽氣泵進行測試獲得隨時間疲勞流量下降系列參數(shù)(Q，t)，通過多項式擬合出流量隨時間的函數(shù)方程Q(t)；

(2)同時，再通過單片機嵌入式系統(tǒng)主控控制管理程序，測試出對抽氣泵電機隨時間逐步增加供應給抽氣泵電機的工作電壓(△U)、提升抽氣泵運轉(zhuǎn)速度、增大采氣流量的系列參數(shù)(△U，t)，通過多項式擬合出增加工作電壓(△U)隨時間的函數(shù)方程△U(t)；

(3)對照步驟(1)的流量方程Q(t)與步驟(2)的增加工作電壓的方程△U(t)，調(diào)整方程△U(t)的系數(shù)ki，使得增加工作電壓、提升抽氣泵流量增加值正好補償Q(t)的下降值，以使抽氣泵獲得隨時間保持更穩(wěn)定的流量；

(4)將步驟(3)調(diào)整合適的方程△U(t)植入單片機嵌入式系統(tǒng)，并可隨時針對不同的抽氣泵電機進行調(diào)整系數(shù)ki，以獲得每個抽氣泵更穩(wěn)定的流量能力。

以下為采用本實用新型方法得到的數(shù)據(jù)：

采用本實用新型方法的恒壓電路控制輸出給抽氣泵的電壓設定為 11.00V，開啟采樣器，設定初始流量穩(wěn)定后，每4分鐘測試1次采樣流量Qi (ml/min)，數(shù)據(jù)如表1。

表1

此時，采樣器的流量變化見圖6曲線(1)，其穩(wěn)定性為

根據(jù)表1觀察，流量從第10min開始疲勞下降，為此，通過試驗提高供應給抽氣泵電機的工作電壓U(V)及測試對應的流量Qi’(ml/min)，數(shù)據(jù)如表2(初始工作電壓11.00V)。

表2

此時，抽氣泵工作電壓對應流量下降補償，隨時間提高值見圖6曲線(2) ΔU(t)＝-5.1×10^-6t³+0.0006t²-0.0041t-0.0027，

通過單片機嵌入式系統(tǒng)程序，就可以控制抽氣泵工作電壓U為： U(t)＝11.00-5.1×10^-6t³+0.0006t²-0.0041t-0.0027，t>10min并可易于調(diào)整和控制設置調(diào)整步級為1min，并考慮電機的過壓設置U上限值即停止上升。

將上述U(t)函數(shù)方程植入單片機程序系統(tǒng)，調(diào)節(jié)輸出給抽氣泵工作電壓U。

通過上述補償后，采樣器的流量變化見圖6曲線(3)，其穩(wěn)定性為：

比補償前的穩(wěn)定性3.17％提高了近3倍，比國標要求的5％提高了5倍?？梢娦Ч喈敽?。

以上公開的僅為本申請的一個具體實施例，但本申請并非局限于此，任何本領域的技術人員能思之的變化，都應落在本申請的保護范圍內(nèi)。