CN105181395A - 多功能智能型便携空气采样器及其检测方法 - Google Patents

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鱼亮
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Abstract

本发明一种系统精度高，稳定性好，适应范围广的多功能智能型便携空气采样器及其检测方法。所述方法包括步，一初始化并设定流量及运行模式；二根据现场环境温度、大气压及背压参数修正设定流量，并按照设定运行模式运行采样；三通过流量传感器反馈管路中流量，与修正后的设定流量做差获得流量控制误差量；四采用抗积分饱和PID控制算法，根据流量控制误差量对隔膜泵电机实时控制，实现流量控制；并通过实时的积分运算获得采样时间段内的采样体积；五根据设定的运行模式，判断是否执行停机或反复执行步骤三、四和五。通过对流量误差信号进行实时的补偿，配合对流量的实时监测和补偿控制，提高控制精度和采样效果，保证了低流量的精度和稳定性。

Description

多功能智能型便携空气采样器及其检测方法
技术领域
本发明涉及空气采样装置领域，具体为多功能智能型便携空气采样器及其检测方法。
背景技术
空气采样器是用于环境监测站、卫生防疫、工程质量室内检测、科研单位、工矿企业等场所的空气采样设备，如TVOC、SO2、NOX、Hg2、Cl2、H2S等气态及总尘、呼尘、金属毒物等气溶胶态的样品。
现有的空气采样系统，原理基本遵循如下规律：进气口→流量检测机构→泵体控制机构→出气口。进气口部分一般就采用防尘膜隔离，并单独选用进气口径来进行流量稳定性控制。流量检测机构通用方法有四种，背压检测法、浮子示值法、差压检测法和流量传感检测法，现有市场基本检测以浮子示值法居多，部分厂家采用差压检测法或流量检测法进行流量检测，背压检测主要用在大流量的粉尘采样系统中。泵体控制机构在空气采样器系统中较为重要，按照控制方式分为开环控制和闭环控制两种控制模式，按照控制机理分为手动控制和自动控制两种，手动控制一般应用于浮子示值流量检测系统中，自动控制应用于差压检测法和流量检测法检测系统中。出气口方式基本遵循通气顺畅即可。
现有技术中，检测低流量时稳定性较差；在气体流量检测系统中，精度和稳定性不能得到保证，气体系统可塑性较强，气体压缩性高，易受到现场环境参数的影响，导致系统的检测控制精度降低。若系统采用开环控制，采样精度和稳定性均不能得到保证。现有系统无法进行标准体积的转化和对流量信息的综合显示，无数据通讯功能；尤其是耐背压能力差，背压，到达一定程度后系统停机，给采样造成麻烦和重复性工作。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种系统精度高，稳定性好，适应范围广的多功能智能型便携空气采样器及其检测方法。
本发明是通过以下技术方案来实现：
多功能智能型便携空气采样器检测方法，包括如下步骤，
步骤一，初始化并设定流量及运行模式；
步骤二，根据现场环境温度、大气压及背压参数修正设定流量，并按照设定运行模式运行采样；
步骤三，通过流量传感器反馈管路中流量，与修正后的设定流量做差获得流量控制误差量；
步骤四，采用抗积分饱和PID控制算法，根据流量控制误差量对隔膜泵电机实时控制，实现流量控制；并通过实时的积分运算获得采样时间段内的采样体积；
步骤五，根据设定的运行模式，判断是否执行停机或反复执行步骤三、四和五。
优选的，步骤二中，同时对此检测时间段内的温度、大气压和背压进行检测；并根据采集得到的温度、大气压和背压，通过转换公式，将此时间段内的采集体积转换到20℃、101.3kPa环境下的体积，并累到已采集到的这一环境下的体积上。
优选的，步骤一中，设定的运行模式包括手动控制采样启停的手动模式，设定运行启动时间及运行时长的定时模式，以及设定需要的采样体积的定容模式；所有模式均能够手动停止。
优选的，步骤二中，当检测到背压大于采样器的背压安全值后，输出经降流后的流量控制值，降流后的流量产生的背压在采样器的背压安全值范围内。
优选的，步骤一中，设置流量后可进行设置流量的校准。
本发明多功能智能型便携空气采样器，包括，
用于设置流量和选择运行模式的人机交互界面；
用于实时采集现场温度、大气压和背压的传感器；
用于对流量检测值与流量修正后的设定值进行比较后得到流量误差信号的比较器；
用于根据误差信号对应时刻的温度和背压检测信号，对误差信号进行补偿后，对流量信号进行PID控制的控制器；
用于根据控制器指令对隔膜泵进行控制的电机；
用于为系统供电的供电单元；
所述控制器还用于对采集体积进行实时标况计算和累加。
优选的，人机交互界面包括用于显示流量指示的浮子显示和数字OLED显示。
优选的，还包括用于储存现场采样参数和采集值的存储单元。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明通过对现场环境的温度和背压进行实时的监测对流量误差信号进行实时的补偿，配合控制器的PID的闭环控制实现对流量的实时监测和补偿控制，从而提高其控制精度和采样效果，通过对流量的设定实现对空气、灰尘以及各种有毒有害气体的高精度高稳定性采样，保证了低流量的精度和稳定性。
进一步的，通过对大气压和背压的监测，实现对现场流量、体积和标准化流量、体积的转化；多模式的设置与检测方法中对应的判断设置使其能够更好的适应不同环境，并提供统一的标准状况下气体体积和流量值的输出值。
进一步的，通过对气路背压值的检测，采用背压过大自动降流技术以保证采样的正常进行，保证采样的结果稳定可靠，能够最大限度确保采样的正常进行。
进一步的，本发明通过浮子显示和数字OLED显示实现对流量的完整指示；存储单元对采样数据记录存储，方便现场人员采样完成后通过电脑回传数据及记录，提高了现场采样的工作效率。
附图说明
图1为本发明所述方法的原理框图。
图2为本发明所述采集器的气流流程图。
图3为本发明所述采集器的控制回路连接图。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
本发明多功能智能型便携空气采样器检测方法，如图1所示，包括如下步骤：
步骤一，初始化并设定流量及运行模式；其中，设置流量后进行采样器流量的校准；设定的运行模式包括手动控制采样启停的手动模式，设定运行启动时间及运行时长的定时模式，以及设定需要的采样体积的定容模式三种运行模式；
步骤二，根据现场环境温度、大气压及背压参数自动修正设定流量参数，并按照设定模式运行采样；根据设定的运行模式开始采样，通过得到的现场温度、大气压和背压得到对应的流量控制值；其中，当检测到背压超出采样器的背压安全值后，输出经降流后的流量控制值，直到降流后的流量产生的背压在采样器的背压安全值范围内；
步骤三，通过流量传感器反馈管路中流量，与修正后的设定流量值做差获得流量控制误差量；
步骤四，采用抗积分饱和PID控制算法，根据流量控制误差量对隔膜泵电机实时控制，实现流量控制，并通过实时的积分运算获得采样时间段内的采样体积；
步骤五，根据用户所设定运行模式，判断是否执行停机或反复执行步骤三、四和五。手动模式下，需用户启动或停止采样，定时模式下，定时时长到，自动停止采样，定容模式下，达到采样体积，自动停止采样。所有模式均可手动停止。
本发明多功能智能型便携空气采样器，包括用于设置流量和选择运行模式的人机交互界面；用于实时采集现场温度、大气压和背压的传感器；用于对流量检测值与流量修正后的设定值进行比较后得到流量误差信号的比较器；用于根据误差信号对应时刻的温度和背压检测信号，对误差信号进行补偿，并后对流量信号进行PID控制的控制器；用于根据控制器指令对隔膜泵进行控制的电机；用于为系统供电的供电单元；所述控制器还用于对采集体积进行计算和实时累加。本优选实例中，人机交互界面包括用于流量指示的浮子流量计和OLED显示屏；温度传感器采用温度一体的集成采集芯片，其还包括用于储存现场采样参数和采集值的存储单元。
具体的，在进行气体采样时，如图2所示，气体通过过滤嘴进入产品，经过过滤棉过滤后，进入浮子流量计，浮子流量计能直观观察到气体的流量值；气流经浮子流量计后，通过差压传感器和温度传感器，可实现管路压力和温度的检测；随后气流通过流量传感器，经过流量检测，反馈信号给控制器；通过流量传感器后，隔膜泵是系统的动力部分，抽气单元；通过隔膜泵的气体，最终经过泵体出气口，从过滤嘴的出气口排出。
在整个采集过程中，如图3所示，系统在初始化阶段完成后，手动设定流量值、采样时间、采样模式等信息后，开启系统，泵体工作。系统主控单元通过闭环系统对流量值进行检测和控制，以保证系统以设定的流量值稳定运行。
由于气体的特殊性，受温度和压力的影响比较明显，本控制系统中，对温度、大气压和背压进行实时检测，实现对系统采样流量的实时补偿，提高了整体控制系统的采样精度。
系统设计流量检测单元，控制器对检测值与设定值的误差信号进行PID运算，并通过温度和背压信号对系统进行补偿，继而进行电机转速调节，最终实现隔膜泵的流量值控制，如是循环控制，最终保证系统的工作稳定性。
本优选实例中采用镍氢电池组进行供电，镍氢电池安全性能较高，容量较大，保证了系统的工作时长和工作效率。系统采用镍氢电池电量检测系统，通过库伦计原理对系统电池剩余电量进行实时监测和反馈，并在显示主界面进行实时显示出来。流量检测单元采用MEMS集成流量传感器进行流量检测。大气压、温度实时监测单元，对空气采样器工作环境的大气压和温度进行实时采样，由于采样环境的多变性，以往的采样需要携带单独的大气压表、温度表，记录采样地的环境参数值，最终回到实验室实现采样值到标况下的转化和计算。本发明加入了大气压和温度的环境参数的采集和存储，并且通过界面可以直接实现查看，或者通过上位机进行数据调取即可，使得采样和数据处理更加细致化、系统的完整性更高。
由于气体的特殊性，受温度和压缩变化较大，所以温度和背压在气体流量检测中属于一项很重要的参数。本发明实现了温度和背压的实时监测和补偿控制功能，将温度和背压两项重要的因素同时引入系统中，并通过控制系统对流量的真实值进行补偿和控制。同时本发明的温度检测，直接接触到管路外侧，更加贴近于气体管路温度，使得采集和补偿更加准确。
本发明优选的采用FLASH芯片实现记录和存储功能，系统能够进行现场采样参数的记录和存储功能，能够进行历史数据查看，并且通过通讯基座，实现采样数据的导出，更加节省了工人的工作时间、提高了工作效率。

Claims (8)

1.多功能智能型便携空气采样器检测方法，其特征在于，包括如下步骤，
步骤一，初始化并设定流量及运行模式；
步骤二，根据现场环境温度、大气压及背压参数修正设定流量，并按照设定运行模式运行采样；
步骤三，通过流量传感器反馈管路中流量，与修正后的设定流量做差获得流量控制误差量；
步骤四，采用抗积分饱和PID控制算法，根据流量控制误差量对隔膜泵电机实时控制，实现流量控制；并通过实时的积分运算获得采样时间段内的采样体积；
步骤五，根据设定的运行模式，判断是否执行停机或反复执行步骤三、四和五。
2.根据权利要求1所述的多功能智能型便携空气采样器检测方法，其特征在于，步骤二中，同时对此检测时间段内的温度、大气压和背压进行检测；并根据采集得到的温度、大气压和背压，通过转换公式，将此时间段内的采集体积转换到20℃、101.3kPa环境下的体积，并累到已采集到的这一环境下的体积上。
3.根据权利要求1所述的多功能智能型便携空气采样器检测方法，其特征在于，步骤一中，设定的运行模式包括手动控制采样启停的手动模式，设定运行启动时间及运行时长的定时模式，以及设定需要的采样体积的定容模式；所有模式均能够手动停止。
4.根据权利要求1所述的多功能智能型便携空气采样器检测方法，其特征在于，步骤二中，当检测到背压大于采样器的背压安全值后，输出经降流后的流量控制值，降流后的流量产生的背压在采样器的背压安全值范围内。
5.根据权利要求1所述的多功能智能型便携空气采样器检测方法，其特征在于，步骤一中，设置流量后可进行设置流量的校准。
6.多功能智能型便携空气采样器，其特征在于，包括，
用于设置流量和选择运行模式的人机交互界面；
用于实时采集现场温度、大气压和背压的传感器；
用于对流量检测值与流量修正后的设定值进行比较后得到流量误差信号的比较器；
用于根据误差信号对应时刻的温度和背压检测信号，对误差信号进行补偿后，对流量信号进行PID控制的控制器；
用于根据控制器指令对隔膜泵进行控制的电机；
用于为系统供电的供电单元；
所述控制器还用于对采集体积进行实时标况计算和累加。
7.根据权利要求6所述的多功能智能型便携空气采样器，其特征在于，人机交互界面包括用于显示流量指示的浮子显示和数字OLED显示。
8.根据权利要求6所述的多功能智能型便携空气采样器，其特征在于，还包括用于储存现场采样参数和采集值的存储单元。
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