CN108036972A - 自动换膜型颗粒物采样器 - Google Patents

Abstract

本发明一种自动换膜型颗粒物采样器，包括壳体，壳体内安装有滤膜存储机构、第一滑台机构、第二滑台机构和第三滑台机构，滤膜存储机构固定在支撑台上，滤膜存储机构包括制冷腔、未采样滤膜筒和已采样滤膜筒，未采样滤膜筒与已采样滤膜筒并列放置在制冷腔内，第一滑台机构、第二滑台机构与第三滑台机构上均设有光电编码器，第一滑台机构与未采样滤膜筒连接，第二滑台机构与已采样滤膜筒连接，第三滑台机构横向安装在换膜平台上且位于滤膜存储机构的上方，换膜平台上设有供膜口、回收口和换膜卡爪，未采样滤膜筒与供膜口位置对应，已采样滤膜筒与回收口位置对应，换膜卡爪与所述第三滑台机构连接。本发明自动换膜精度高、定位准确、采样数据精确。

Description

自动换膜型颗粒物采样器

技术领域

本发明涉及小流量颗粒物采样器，特别是涉及一种自动换膜型颗粒物采样器。

背景技术

小流量颗粒物采样器是一种通常流量恒定在16.67L/min通过滤膜称重法捕集环境大气中的PM10、PM2.5等不同粒径大小的颗粒物的仪器，适用于环境监测领域，应用在对环境空气进行采样分析，和对环境空气颗粒物自动监测仪器进行手工比对核查等方面。

目前小流量颗粒物采样器主要是采用人员值守，需要通过人工现场更换滤膜，当需要连续长时间采样或者进行多滤膜间隔采样时，给操作人员带来大量的重复劳动，同时也大大增加了操作人员的劳动强度，对于采样单位来说，现场值守还增加了人员投入，而且，现有的小流量颗粒物采样器比较笨重，由于仪器的采样地点不固定，所以需要操作人员经常搬运，因此会增加操作人员的工作强度。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种具有自动换膜精度高、定位准确、采样数据精确的自动换膜型颗粒物采样器。

本发明一种自动换膜型颗粒物采样器，包括壳体，所述壳体内安装有滤膜存储机构、第一滑台机构、第二滑台机构和第三滑台机构，所述滤膜存储机构固定在支撑台上，所述滤膜存储机构包括制冷腔、未采样滤膜筒和已采样滤膜筒，所述未采样滤膜筒与已采样滤膜筒并列放置在制冷腔内，所述第一滑台机构与第二滑台机构纵向放置，所述第一滑台机构与未采样滤膜筒连接，所述第二滑台机构与已采样滤膜筒连接，所述第三滑台机构横向安装在换膜平台上且位于所述滤膜存储机构的上方；

还包括主控机构、光电编码器、光电开关和控制器，所述光电编码器、光电开关和控制器分别与主控机构电连接，所述控制器用于分别对应控制第一滑台机构、第二滑台机构和第三滑台机构的行进与停止，所述光电开关用于分别确定第一滑台机构、第二滑台机构和第三滑台机构的参考位置，所述光电编码器用于分别对应捕捉并记录所述第一滑台机构、第二滑台机构和第三滑台机构行进时所发出的实际脉冲信号数N’，所述主控机构用于接收实际脉冲信号数N’，并与控制器内预先设定的理论脉冲信号数N进行比对。

本发明自动换膜型颗粒物采样器，其中所述换膜平台上设有供膜口、回收口和换膜卡爪，所述供膜口与回收口之间设有采样口，所述供膜口、回收口与采样口的圆心在同一水平线上，所述未采样滤膜筒与供膜口位置对应，所述已采样滤膜筒与回收口位置对应，所述换膜卡爪与所述第三滑台机构连接。

本发明自动换膜型颗粒物采样器，其中所述壳体内还设有采样机构，所述采样机构包括相互连接的采样组件和气泵组件，所述采样组件位于所述采样口的上方，所述气泵组件位于所述支撑台的下方。

本发明自动换膜型颗粒物采样器，其中所述第一滑台机构包括依次连接的第一步进电机、第一联接器、第一丝杠和第一轴承座，所述第一步进电机安装在所述换膜平台的下端，所述第一丝杠上设有第一螺母座，所述第一螺母座上安装有第一圆轴，所述支撑台上设有第一圆孔，所述第一圆轴穿过第一圆孔与所述未采样滤膜筒连接；

所述第二滑台机构包括依次连接的第二步进电机、第二联接器、第二丝杠和第二轴承座，所述第二步进电机安装在所述换膜平台的下端，所述第二丝杠上设有第二螺母座，所述第二螺母座上安装有第二圆轴，所述支撑台上设有第二圆孔，所述第二圆轴穿过第二圆孔与所述已采样滤膜筒连接；

所述第三滑台机构包括依次连接的第三步进电机、第三联接器、第三丝杠和第三轴承座，所述第三丝杠上设有第三螺母座，所述换膜卡爪安装在所述第三螺母座上。

本发明自动换膜型颗粒物采样器，其中所述光电编码器分别对应设置在第一轴承座、第二轴承座和第三轴承座上。

本发明自动换膜型颗粒物采样器，其中所述控制器分别对应设置在所述第一步进电机、第二步进电机和第三步进电机上。

本发明自动换膜型颗粒物采样器，其中所述光电开关分别设置在第一丝杠、第二丝杠和第三丝杠的起点和终点位置。

本发明自动换膜型颗粒物采样器，其中所述壳体为百叶窗结构，所述百叶窗内侧设有防尘海绵。

本发明自动换膜型颗粒物采样器，其中当N-20≤N’≤N+20时，则判定所述第一滑台机构、第二滑台机构与第三滑台机构分别到达目标位置。

本发明自动换膜型颗粒物采样器，其中当N’＜N-20时，则判定所述第一滑台机构、第二滑台机构与第三滑台机构实际运行的距离小于目标距离，主控机构通过控制器分别对应控制第一滑台机构、第二滑台机构与第三滑台继续行进至目标位置。

与现有技术相比，本发明所具有的优点和有益效果为：

(1)本发明通过第一滑台机构、第二滑台机构与第三滑台机构实现滤膜的自动换膜，未采样滤膜筒一次可加入多个滤膜，满足长时间采样需求，实现采样时无需操作人员值守，减轻了人的劳动强度；

(2)本发明自动换膜为从顶部换膜，避免滤膜筒因温度差产生冷凝水，而导致冷凝水污染滤膜的问题，保证采样数据的准确；

(3)本发明在第一滑台机构、第二滑台机构与第三滑台机构中均设置有光电编码器，将光电编码器作为滑台运动位置的反馈装置，使滤膜准确定位到相应的供膜口、采样口和回收口位置处，完成自动换膜工作，换膜精度高，定位准确。

下面结合附图对本发明的自动换膜型颗粒物采样器作进一步说明。

附图说明

图1为本发明自动换膜型颗粒物采样器的整体结构示意图；

图2为本发明自动换膜型颗粒物采样器中省略滤膜存储机构的结构示意图；

图3为本发明自动换膜型颗粒物采样器中未采样滤膜筒和已采样滤膜筒的结构示意图；

图4为本发明工作时对应各点的位置图；

其中：1、第一滑台机构；2、支撑台；3、滤膜存储机构；4、第三滑台机构；5、采样组件；6、换膜平台；7、第二滑台机构；8、气泵组件；9、换膜卡爪；10、光电编码器；

101、第一步进电机；102、第一联接器；103、第一丝杠；104、第一螺母座；105、第一轴承座；106、第一圆轴；

201、第一圆孔；202、第二圆孔；

301、未采样滤膜筒；302、制冷腔；303、已采样滤膜筒；

401、第三步进电机；402、第三联接器；403、第三丝杠；404、第三螺母座；405、第三轴承座；

601、供膜口；602、采样口；603、回收口；

701、第二步进电机；702、第二联接器；703、第二丝杠；704、第二螺母座；705、第二轴承座；706、第二圆轴；

1’、导向环；2’、滤筒；3’、滤膜夹；4’、滤膜；5’、滤膜夹托。

具体实施方式

如图1-2所示，本发明一种自动换膜型颗粒物采样器，包括壳体，为了应对雨、雪、沙尘、雷电、低温等多种复杂工况条件，壳体为百叶窗结构，能够使颗粒物采样器进行有效的通风散热而且可以防风雪，百叶窗内侧设有防尘海绵，能够有效防止空气中的沙尘进入，使颗粒物采样器的采样数据精确度高，并且使颗粒物采样器整体能够稳定运行。

壳体内安装有滤膜存储机构3、第一滑台机构1、第二滑台机构7和第三滑台机构4，滤膜存储机构3固定在支撑台2上，滤膜存储机构3包括制冷腔302、未采样滤膜筒301和已采样滤膜筒303，未采样滤膜筒301与已采样滤膜筒303并列放置在制冷腔302内，第一滑台机构1与第二滑台机构7纵向放置，第一滑台机构1与未采样滤膜筒301连接，第二滑台机构7与已采样滤膜筒303连接，第三滑台机构4横向安装在换膜平台6上且位于滤膜存储机构3的上方，换膜平台6上设有供膜口601、回收口603和换膜卡爪9，未采样滤膜筒301 与供膜口601位置对应，已采样滤膜筒303与回收口603位置对应，换膜卡爪9与第三滑台机构4连接，供膜口601与回收口603之间设有采样口602，供膜口601、回收口603与采样口602的圆心在同一水平线上。

其中，如图3所示，未采样滤膜筒301与已采样滤膜筒303的结构相同，包括导向环1’、滤筒2’、滤膜夹3’、滤膜4’和滤膜夹托5’，滤筒2’呈圆柱状且内部中空，导向环1’设置于滤筒2’的上部，通过第一滑台机构1或第二滑台机构7向滤筒2’的内部推送多个滤膜夹3’，每个滤膜夹3’内固定有一个滤膜4’，滤筒2’的底部设有滤膜夹托5’向上托住滤膜夹3’，导向环1’通过与其对应的弹簧顶珠卡槽结构装卡于换膜平台6的下端，滤膜夹托 5’通过与其对应的弹簧顶珠卡槽结构装卡于支撑台2上。

颗粒物采样器在进行自动换膜操作时，主要分为三部分完成，即，首先采用第一滑台机构1与未采样滤膜筒301结合将未采样的滤膜4’运送至供膜口601，然后采用第三滑台机构 4与换膜卡爪9结构将未采样的滤膜4’运送至采样口602，采样完毕后，仍然通过第三滑台机构4与换膜卡爪9结构将已采样的滤膜4’运送至回收口603，此时，采用第二滑台机构7 与已采样滤膜筒303结合以及已采样滤膜4’自身重力的作用下，将已采样滤膜4’储存至已采样滤膜4’中，由此实现自动换膜操作。

下面结合具体结构进行详细说明，

首先，第一滑台机构1包括依次连接的第一步进电机101、第一联接器102、第一丝杠103和第一轴承座105，第一步进电机101安装在换膜平台6的下端，第一丝杠103上设有第一螺母座104，第一螺母座104上安装有第一圆轴106，支撑台2上设有第一圆孔201，第一圆轴106穿过第一圆孔201与未采样滤膜筒301中的滤膜夹托5’连接，第一螺母座104在第一步进电机101的作用下沿着第一丝杠103做直线运动，从而带动第一圆轴106做直线运动，第一圆轴106对未采样滤膜筒301内的滤膜夹托5’作用，使滤膜夹托5’上滤膜夹3’向供膜口601方向运动，由于第一圆轴106穿过第一圆孔201，第一圆孔201在第一滑台机构1带动第一圆轴106向上运动的过程中能对第一圆轴106起到扶正的作用，有效防止滤膜夹3’在滤膜筒里来回晃动，保证供应滤膜夹3’过程平稳，第一轴承座105上设有光电编码器10，当未采样滤膜筒301内首个滤膜夹3’底面运动至与供膜口601的平面齐平时，通过光电编码器10的距离反馈，此时第一滑台机构1停止运动，即运送未采样到换膜平台6的运动结束。

其次，第三滑台机构4包括依次连接的第三步进电机401、第三联接器402、第三丝杠 403和第三轴承座405，第三丝杠403上设有第三螺母座404，换膜卡爪9安装在第三螺母座 404上，第三螺母座404在第三步进电机401的作用下沿着第三丝杠403做直线运动，从而带动换膜卡爪9做直线运动，由换膜卡爪9推动滤膜夹3’向采样口602方向运动，当滤膜夹3’运动到采样口602时，第三轴承座405上设有光电编码器10，通过光电编码器10的距离反馈，此时第三滑台机构4停止运动，通过壳体内的采样机构进行采样工作，采样工作完成后，换膜卡爪9在第三滑台机构4的作用下推动滤膜夹3’朝向回收口603的方向运动；

其中，采样机构包括相互连接的采样组件5和气泵组件8，采样组件5位于采样口602 的上方，采样组件5包括气路座和驱动电机，气泵组件8位于支撑台2的下方，气泵组件8与气路座连接，在进行采样工作前，采样机构先设定好采样参数，当滤膜夹3’运动到采样口602时，气路座在驱动电机的作用下下压到滤膜夹3’上，从而组成一个密闭的采样气路，根据预设的采样参数，气泵组件8开始工作，完成采样工作；

进一步地，气泵组件8上连接有防止空气中杂质和水滴被吸入采样泵的装置，该装置能有效的预去除大颗粒物和气路中的液态水滴，延长后端的采样泵的使用寿命，提高系统可靠性，减少维护成本。

气泵组件8上设有流量传感器，流量传感器位于气泵组件8与防止空气中杂质和水滴被吸入采样泵的装置之间，流量传感器用来检测进入气泵组件8内空气的流量，从而与采样器所捕集的颗粒物相结合可获知大气中颗粒物的浓度。

最后，第二滑台机构7包括依次连接的第二步进电机701、第二联接器702、第二丝杠703和第二轴承座705，第二步进电机701安装在换膜平台6的下端，第二丝杠703上设有第二螺母座704，第二螺母座704上安装有第二圆轴706，支撑台2上设有第二圆孔202，第二圆轴706穿过第二圆孔202与已采样滤膜筒303连接，当采样后的滤膜4’在换膜卡爪9的推动下快要到回收口603处时，为防止滤膜夹3’掉落的同时，附着在滤膜4’上的颗粒物掉落，此时，第二螺母座704在第二步进电机701的作用下沿着第二丝杠703做直线运动，从而带动第二圆轴706做直线运动，第二圆轴706对已采样滤膜筒303内的滤膜夹托5’作用，使滤膜夹托5’向回收口603方向运动，为回收采样后的滤膜4’做准备，减小滤膜夹3’下落高度，又不会使滤膜夹3’产生明显震动，从而附着在滤膜4’上的颗粒物也不会有掉落损失，滤膜夹3’在重力的作用下掉进已采样滤膜筒303里，由于第二圆轴706穿过第二圆孔 202，第二圆孔202在第二滑台机构7带动第二圆轴706向上运动的过程中能对第二圆轴706 起到扶正的作用，有效防止滤膜夹3’在滤筒2’里来回晃动，保证回收滤膜夹3’过程平稳，而且，第二轴承座705上设有光电编码器10，第二滑台机构7通过光电编码器10对其运动距离进行控制与反馈。

此外，制冷腔302采用半导体制冷技术进行制冷，制冷腔302腔体内部包覆有铝板，起到方便散冷的作用，制冷腔302腔体外部包覆有保温材料进行保温，使已采样滤膜筒303内的滤膜4’能够得到低温保存，有效防止被采集到的颗粒物中所含易挥发性物质的逸散损失。

本发明中的仪器元件在选型时都选择的是耐低温的元件，对于不能耐低温的元器件使用了带温度反馈的电热膜技术，即在低温环境下，通过覆盖在元器件表面的电热膜对元器件进行加热，当温度到达预定工作温度，电热膜停止工作。

本发明还设有具有防雷功能的防雷模块，提高采样器整体的安全性。

本发明通过第一滑台机构1、第二滑台机构7与第三滑台机构4实现滤膜的自动换膜，未采样滤膜筒301一次可加入多个滤膜，满足长时间采样需求，实现采样时无需操作人员值守，减轻了人的劳动强度；

本发明自动换膜为从顶部换膜，避免滤膜筒因温度差产生冷凝水，而导致冷凝水污染滤膜的问题，加强采样数据的准确。

第一步进电机101、第二步进电机701与第三步进电机401上分别对应设置有控制器，第一滑台机构1、第二滑台机构7与第三滑台机构4上分别对应设置有光电编码器10，第一丝杠103、第二丝杠703和第三丝杠403的起点和终点位置分别对应设有光电开关，还包括主控机构，光电编码器10、光电开关和控制器分别与主控机构电连接。

具体地，光电编码器10分别安装在相应滑台机构的轴承座上，控制器用于控制步进电机的转动，并通过相对应的联接器传递圆周运动，轴承座也随着丝杠做圆周运动，同时，丝杠将圆周运动转化为直线运动，使螺母座在丝杠上做直线运动，从而带动滑台机构做直线运动，进而控制滑台机构的行进与停止；光电编码器10是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器，光电编码器10上有均匀分布的圆周格栅，当丝杠在进行圆周运动时，会带动圆周格栅转动，因此会周期性的遮挡或穿过光电编码器10发射出的红外波束，光电编码器10用于分别对应捕捉滑台机构行进时所发出的脉冲信号并记录实际脉冲信号数N’，主控机构用于接收实际脉冲信号数N’，并与控制器内预先设定的理论脉冲信号数 N进行比对。

其中，实际脉冲信号数N’与理论脉冲信号数N之间允许的误差在±20个脉冲数以内，即当N-20≤N’≤N+20时，则判定滑台机构到达目标位置，步进电机停止转动。

当N’＜N-20时，则判定滑台机构实际运行的距离小于目标距离，主控机构通过控制器控制步进电机继续转动，使滑台机构行至目标位置。

进一步地，理论脉冲信号数的计算公式为：L＝KN，其中，

L为目标距离，即初始位置距目标位置之间的距离；

N为理论脉冲信号数；

K为系数，其中，K＝S/N，S为丝杠导程。

其中，初始位置的确定方法为，首先通过光电开关确定参考位置，然后通过在控制器内预设固定步数，即滑台机构在到达参考位置后在控制器的作用下再运行固定步数之后视为到达初始位置。

进一步的，参考位置的确定方法为，

a、通过控制器控制步进电机驱动滑台机构以常速朝正方向(即参考点方向)行进，并通过光电开关检测是否运动到目标位置；

b、若光电开关没有检测到滑台机构信号，控制器控制步进电机驱动滑台机构朝正方向继续行进，直至光电开关检测到滑台机构的信号为止，控制器控制步进电机驱动滑台机构朝反方向行进；

c、通过控制器控制步进电机驱动滑台机构以慢速朝反方向行进，直到光电开关检测不到滑台机构信号，然后通过控制器控制步进电机驱动滑台机构以慢速朝正方向行进，光电开关检测到滑台信号时，此时，该临界点为参考位置。

由于机械加工及组装的原因，通过光电开关测定的参考位置与初始位置之间会存在一定的误差，因此为了精确定位初始位置，保证滑台机构运行距离精确，在确定参考位置之后，在控制器的作用下再运行固定步数之后视为到达初始位置，进而换膜精度高、定位准确、采样数据精确。

滑台机构在每次执行到指定位置之前，都先复位到初始位置，以保证每次动作执行的精确度。如图4所示，第一滑台机构1的初始位置为A点，目标位置为B点，第二滑台机构7的初始位置为B点，目标位置为C点和D点，第三滑台机构4的初始位置为E点，目标位置为D点。

其中，A点为未采样滤膜筒301内最后一个滤膜夹3’底面与支撑台2的台面接触位置处， B点为未采样滤膜筒301内首个滤膜夹3’底面运动至与供膜口601的平面齐平位置处，C点为采样口位置处，D点为回收口位置处，E点为已采样滤膜筒303内最后一个滤膜夹3’底面与支撑台2的台面接触位置处。

本发明通过光电编码器10可准确控制与反馈各滑台机构的位置，使滤膜准确定位到相应的供膜口601、采样口602和回收口603位置处，配合自动换膜工作，自动换膜精度高、定位准确、采样数据精确。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种自动换膜型颗粒物采样器，其特征在于：包括壳体，所述壳体内安装有滤膜存储机构、第一滑台机构、第二滑台机构和第三滑台机构，所述滤膜存储机构固定在支撑台上，所述滤膜存储机构包括制冷腔、未采样滤膜筒和已采样滤膜筒，所述未采样滤膜筒与已采样滤膜筒并列放置在制冷腔内，所述第一滑台机构与第二滑台机构纵向放置，所述第一滑台机构与未采样滤膜筒连接，所述第二滑台机构与已采样滤膜筒连接，所述第三滑台机构横向安装在换膜平台上且位于所述滤膜存储机构的上方；

还包括主控机构、光电编码器、光电开关和控制器，所述光电编码器、光电开关和控制器分别与主控机构电连接，所述控制器用于分别对应控制第一滑台机构、第二滑台机构和第三滑台机构的行进与停止，所述光电开关用于分别确定第一滑台机构、第二滑台机构和第三滑台机构的参考位置，所述光电编码器用于分别对应捕捉并记录所述第一滑台机构、第二滑台机构和第三滑台机构行进时所发出的实际脉冲信号数N’，所述主控机构用于接收实际脉冲信号数N’，并与控制器内预先设定的理论脉冲信号数N进行比对。

2.根据权利要求1所述的自动换膜型颗粒物采样器，其特征在于：所述换膜平台上设有供膜口、回收口和换膜卡爪，所述供膜口与回收口之间设有采样口，所述供膜口、回收口与采样口的圆心在同一水平线上，所述未采样滤膜筒与供膜口位置对应，所述已采样滤膜筒与回收口位置对应，所述换膜卡爪与所述第三滑台机构连接。

3.根据权利要求2所述的自动换膜型颗粒物采样器，其特征在于：所述壳体内还设有采样机构，所述采样机构包括相互连接的采样组件和气泵组件，所述采样组件位于所述采样口的上方，所述气泵组件位于所述支撑台的下方。

4.根据权利要求1所述的自动换膜型颗粒物采样器，其特征在于：所述第一滑台机构包括依次连接的第一步进电机、第一联接器、第一丝杠和第一轴承座，所述第一步进电机安装在所述换膜平台的下端，所述第一丝杠上设有第一螺母座，所述第一螺母座上安装有第一圆轴，所述支撑台上设有第一圆孔，所述第一圆轴穿过第一圆孔与所述未采样滤膜筒连接；

所述第二滑台机构包括依次连接的第二步进电机、第二联接器、第二丝杠和第二轴承座，所述第二步进电机安装在所述换膜平台的下端，所述第二丝杠上设有第二螺母座，所述第二螺母座上安装有第二圆轴，所述支撑台上设有第二圆孔，所述第二圆轴穿过第二圆孔与所述已采样滤膜筒连接；

所述第三滑台机构包括依次连接的第三步进电机、第三联接器、第三丝杠和第三轴承座，所述第三丝杠上设有第三螺母座，所述换膜卡爪安装在所述第三螺母座上。

5.根据权利要求4所述的自动换膜型颗粒物采样器，其特征在于：所述光电编码器分别对应设置在第一轴承座、第二轴承座和第三轴承座上。

6.根据权利要求4所述的自动换膜型颗粒物采样器，其特征在于：所述控制器分别对应设置在所述第一步进电机、第二步进电机和第三步进电机上。

7.根据权利要求4所述的自动换膜型颗粒物采样器，其特征在于：所述光电开关分别设置在第一丝杠、第二丝杠和第三丝杠的起点和终点位置。

8.根据权利要求1所述的自动换膜型颗粒物采样器，其特征在于：所述壳体为百叶窗结构，所述百叶窗内侧设有防尘海绵。

9.根据权利要求1所述的自动换膜型颗粒物采样器，其特征在于：当N-20≤N’≤N+20时，则判定所述第一滑台机构、第二滑台机构与第三滑台机构分别到达目标位置。

10.根据权利要求1所述的自动换膜型颗粒物采样器，其特征在于：当N’＜N-20时，则判定所述第一滑台机构、第二滑台机构与第三滑台机构实际运行的距离小于目标距离，主控机构通过控制器分别对应控制第一滑台机构、第二滑台机构与第三滑台继续行进至目标位置。