CN107429677B - 具有闭环流量控制系统的空气采样器 - Google Patents

Abstract

描述了电池供电的个人空气采样器，其使用闭环控制电路来调节传输到内部泵的功率，从而保持流速的稳定和精确，而不依赖于由于过滤负载的入口压力变化。因此，所描述的个人空气采样器为整个电子和流量泵系统提供了改进的效率，其转而用于优化设备的可用电池运行时间。

Description

具有闭环流量控制系统的空气采样器

技术领域

个人空气采样器是电池供电的随身穿戴设备，其用于评估工人接触有毒灰尘和气体。

背景技术

举例来说，2004年5月25日授权的美国专利6,741,056描述了一种个人空气采样器，其中无论空气流动路径如何改变，都能提供恒定空气流量，所述专利通过引用全部并入本文。这个结果是通过根据泵带来的功率改变泵速度达到的。预校准该泵的特征来提供常量，该常量与电机电枢线圈上出现的电压(施加电压减去反电动势)的平方一起使用(其反应当前使用的功率)，从而在电阻的变化条件下来调节电机速度并因此提供恒定空气流量。

进一步举例来说，1981年9月29日授权的美国专利4,292,574描述了具有电动机的个人空气采样器，其由间歇性全功率脉冲驱动，所述专利通过引用全部并入本文。更特别地是，具有变化的机械负载的电动机的恒定的所选运行速度，是通过在全功率间歇性地脉冲电机并通过功率脉冲之间电机反电动势与所选速度电压的比较来达到的，从而相应地控制功率脉冲的应用。因此，所描述的特定控制电路允许由三个电池供电的口袋大小的系统运行，以在10小时期间在正常变化的负载达到基本恒定速度，具有所选数值在0.01伏特(电机基本不转)和2.0伏特(高速)之间的反电动势。

虽然这些描述的个人空气采样器为了它们预期的目的而工作，但是下面描述了改进的具有高效闭环控制系统的个人空气采样器。

发明内容

通常，电池供电的个人空气采样器被描述为使用闭环控制电路来调节传输到内部泵的功率，从而保持稳定和精确的流速，而不依赖于由于过滤负载导致的入口压力变化。因此，所描述的个人空气采样器提为整个电子和流动泵送系统提供了改进的效率，从而相应地优化设备的可用电池运行时间。

更具体地，个人空气采样器被描述为具有壳体，壳体具有限定空气流动通道的在空气入口和空气出口。泵被配置在空气流动通道中，用于以空气流速使空气移动穿过空气流动通道，而压力传感子系统产生指示空气流速的信号。空气流速的采样可连续地进行或以离散的期望时间段进行。无芯DC电机驱动泵，电池向无芯DC电机提供电压。具有开关和电感器的调节器子系统，电耦合并配置在电池和无芯DC电机之间，处理设备被耦合到调节器子系统。与处理设备关联的存储器具有存储在其中的查找表的，用于实现比例积分微分闭环空气流量控制处理，从而处理设备被用于根指示据查找表内包含的数据和空气流速的信号导通和关断调节器子系统的开关，从而调节电压，该电压是根据比例积分微分闭环空气流量控制处理通过电感器从电池提供给无芯DC电机的，从而控制通过无芯DC电机对泵的驱动，用于使空气流速实现目标设定点水平的目。

从阐述了说明性实施方式的以下具体说明书和附图中，可以获得对所描述的个人空气采样器的目标、优点、特征、性质和关系的更好理解，示例性实施方式指示了下文所表达的原理可以应用的各种方式。

附图说明

为了更好的理解本文所描述的个人空气采样器，可参考以下附图所示的优选的实施方式，其中：

图1为示出降压配置的示例性空气采样器的框图；

图2为示出用于图1所示空气采样器的示例性运行方法的流程图；和

图3为示出升压配置的进一步示例性空气采样器的框图。

具体实施方式

参考附图，现描述示例性个人空气采样器。通常，所描述个人空气采样器是电池供电设备，其使用闭环控制电路来调节传输到内部泵的功率，从而保持稳定和精确的流速，而不依赖于由于过滤负载导致的入口压力变化。而且，所描述的个人空气采样器为电子驱动和流动泵送系统提供了改进的效率，其转而优化了设备的可用电池运行时间和大小。

如图1所示，示例性个人空气采样器100包括用于向DC电机1提供功率的电池。转而，DC电机1被用于驱动泵2，该泵2被配置在个人空气采样器100的壳体的空气入口和个人空气采样器100的壳体的空气出口之间。在优选实施方式中，DC电机1是无芯DC电机(通常地，22mm直径、额定电压6-12V、额定功率5W)，泵2是旋转隔膜泵。进一步，流量元件3配置在限定于个人空气采样器100的壳体的空气入口和个人空气采样器100的壳体的空气出口之间的空气流动通道中。该流量元件3被用于产生压力信号，该压力信号与通过泵2的流速成比例，其相应地由压力传感器4测量。指示感应到的压力的信号由压力传感器4提供给处理设备5。该处理设备5具有相应存储器，其中存储有由处理设备5执行的指令以及查找表。因此，流速和压力信号之间的精确关系可通过保留在查找表中的校准来确定。可以理解的是，该存储器可包括为处理设备5的组成部分或可根据需要为处理设备5外部的一个或多个存储器设备。

进一步如图1所示，示例性个人空气采样器100还包括降压调节器形式的调节器子系统30。通常，降压调节器包括电感器7，电感器7中的电流利用晶体管开关8和二极管9控制。在理想电路中，当开关8和二极管9在接通时具有零压降并在关断时具有零电流并且电感器7具有零串联电阻，则元件被认为是“完美的”。由于无芯DC电机1在电流较大时具有降低电感和饱和的非线性电感特性(因为传导损耗取决于电机的电感绕组电阻，电极绕组中的高开关电流产生高I²R损耗)，调节器子系统30使用电感7和开关8和二极管9来提供高频率和效率的降压电机驱动电路。具体地，电机驱动中额外离散电感用于产生提高驱动效率的优点。例如，可以看出使用高驱动频率(例如，>40kHz)和具有低电阻的小电感值(通常地6至40uH)产生高驱动效率(例如，85％或更高)。

在操作中，对于具体流速，目标压力值使用图2中所示的查找表来确定。目标压力值与通过压力传感器4向处理设备5提供的实际流量反馈压力信号的误差比较，被用于确定流量误差差值的大小和方向，即比例误差调节。为此，PID(比例积分微分)闭环控制算法由处理设备5实现。具体地，优选地选择PID控制算法中的数学常量，以基于流量大小与设定值误差比较来成比例地控制应用于电机驱动的变化量。因此，优选地优化控制环常量，以达到快速响应时间，同时确保控制系统中的稳定性。使用这样的误差比较和比例误差调节，处理设备5调节调节器子系统30的输出电压，子系统30转而调节电机1和电机驱动泵2的速度，因此压力传感器信号以及因此流速基本保持在目标设定值水平。在示例性实施方式中，调节器子系统30的高频率开关驱动，例如开关8的打开或关断，可通过使用离散开关调节器或使用由处理设备5直接提供的脉冲宽度调制(PMW)或数字-模拟信号而得到。

由上文可知，应当理解的是，当将电池电压降低到较低水平以驱动电机1时，调节器子系统30提供改进的效率。也可理解的是，在个人空气采样泵应用中，在较低驱动水平和中段流速，提高效率的收益最大。例如，在流量基准2L/分，与使用传统PWM驱动的不使用额外电感且具有较低开关频率的系统相比，可用运行时间增长40％。

可以理解的是，上文描述了一个系统，其中调节器子系统30设置为以“降低”方式使用，即设置为用于一个系统，其中电池20的电压比驱动电机1所需的最大电池电压大。例如，当利用两个锂离子电池(额定供给电压为7.2V)来驱动需要小于7.2伏特的电机驱动电压的5L/分的泵时，如图1所描述和所示的系统已经示出提供效率增益。也可理解的是，这种设置不限于此。相反，可以理解的是，如图3中例示的调节器子系统30’，可设置为与电池20’以“升高”或升压方式使用。为此，调节器子系统30’可设置为升压调节器的形式，从而本文中描述的额外电感被用于提供高于可用电池终端电压的电机驱动电压。在利用这个调节器子系统30’并且其例子在图3示出的空气采样器100’中，附加电感7放置在电池20’和与地耦合的开关设备8之间。当开关设备8关闭时，电流将流过电感器7并且能量将储存在其产生的磁场内，当开关设备8打开时，电感器7的磁场将瓦解，以一个极性在电感上产生反电动势，这样来建设性地增加到电池电压。因此，组合的电池和电感器电动势将用于通过二极管9为电容器充电。电感器将以通常地>20khz的高频率开关，并且开关调制将形成使用如上所述的流量反馈传感输入的闭合控制环的一部分，例如处理设备5可向开关8提供“调节”信号以根据感应到的流速和包含在PID表中的数据控制这个调制。因此，在这种设置中，单个锂离子电池(3.6V)可用于在高于电池电压的电压有效地驱动泵2，从而产生通常地需要由多个串联连接的电池组提供的较高电压的流速。

虽然已经详细描述了本发明的具体实施方式，但是本领域技术人员应当理解的是，可以根据本公开的总体教导来进行对这些细节的各种修改和替代。因此，所公开的具体设置仅仅是示例性的，而不是限制本发明的范围，本发明的范围由全部所附权利要求及其任何等同物的给定。

Claims (11)

1.一种个人空气采样器，包括：

壳体，其具有限定在空气入口和空气出口之间的空气流动通道；

泵，其配置在空气流动通道中，用于以空气流速使空气移动穿过空气流动通道；

压力传感子系统，其用于产生指示空气流速的信号，其中所述压力传感子系统包括用于产生与流速成比例的压力信号的流量元件和使用压力信号以产生指示空气流速的信号的压力传感器；

无芯DC电机，其用于驱动泵；

电池，其用于向无芯DC电机提供电压；

调节器子系统，其具有开关和电感，电耦合并配置在电池和无芯DC电机之间；

处理设备，其被耦合到调节器子系统；

与处理设备关联的存储器，其具有存储在其中的查找表，用于实现比例积分微分闭环空气流量控制处理；

其中所述处理设备根据指示空气流速的信号和包含在查找表中的数据导通和关断所述调节器子系统的开关，从而调节电压，所述电压是根据比例积分微分闭环空气流量控制处理通过电感器从电池提供给无芯DC电机的，从而控制通过无芯DC电机的泵的驱动，用于使空气流速实现目标设定点水平。

2.根据权利要求1所述的个人空气采样器，其中设置所述调节器子系统以升高从电池提供给无芯DC电机的电压。

3.根据权利要求2所述的个人空气采样器，其中所述调节器子系统的电感器被设置在电池和开关之间。

4.根据权利要求1所述的个人空气采样器，其中设置所述调节器子系统以降低从电池提供给无芯DC电机的电压。

5.根据权利要求4所述的个人空气采样器，其中所述调节器子系统的电感器被设置在开关和电机之间。

6.根据权利要求1所述的个人空气采样器，其中所述泵包括旋转隔膜泵。

7.根据权利要求1所述的个人空气采样器，其中所述处理设备使用脉冲宽度调制信号以导通和关断调节器子系统。

8.一种用于控制穿过限定在个人空气采样器的壳体的空气入口和空气出口之间的空气流动通道的空气流速的方法，所述方法包括：

用压力传感子系统产生指示当前穿过空气流动通道的空气流速的信号；

使用指示当前穿过空气流动通道的空气流速的信号和用于实现比例积分微分闭环空气流量控制处理的存储在查找表的数据中以控制具有开关和电感器的调节器子系统，从而通过控制开关的导通和关断而调节根据比例积分微分闭环空气流量控制处理通过电感器从电池提供给无芯DC电机的电压，从而控制通过无芯DC电机的设置在空气流动通道内的泵的驱动，用于使当前空气流速实现目标设定点水平。

9.根据权利要求8所述的方法，包括使用所述调节器子系统以升高从电池提供给无芯DC电机的电压。

10.根据权利要求8所述的方法，包括使用所述调节器子系统以降低从电池提供给无芯DC电机的电压。

11.根据权利要求8所述的方法，包括使用脉冲宽度调制信号以导通和关断调节器子系统的开关。