CN108479233A - 一种烟尘采样滤膜的自动分离、拾取装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于环境监测技术领域，具体涉及一种烟尘采样滤膜的自动分离、拾取装置及方法；采用了真空吸膜，机械、光电、气压配合检测滤膜分离的原理，主要部件包括：滤膜盒，滤膜提升丝杠电机，滤膜提升丝杠，滤膜托板，滤膜吸嘴，滤膜检测传感器，滤膜顶升到位传感器，顶升压簧，吸嘴导管，吸嘴提升支架，提升衔铁，提升电磁铁；本发明装置结构简单，驱动部件少，滤膜附加结构少，重量轻，适合烟尘超低排放在线自动监测使用，本发明装置可以作为超低排放重量法烟尘测量系统中的一个部件使用，可以方便的将新的滤膜送至采样位；参与系统完成烟气抽取，烟气流速测量，烟气加热，烟气流量控制，烟气含湿量测量，烟气氧量测量等工作。

Description

一种烟尘采样滤膜的自动分离、拾取装置及方法

技术领域

本发明属于环境监测技术领域，具体涉及一种烟尘采样滤膜的自动分离、拾取装置及方法。

背景技术

烟尘监测的方法总的来说分重量法和非重量（等效）法。非重量（等效）法，又有射线法，光学法，静电法等多种方法。

非重量（等效）法大都具有结构简单，满足连续监测的要求等特点，但所有非重量（等效）法都具有溯源性不好的特点，难以满足监督/监管监测的要求。

滤膜称重法为国家标准分析方法，适合作为监督/监管监测。但由于目前的滤膜基本无法清洗，滤膜截获一定的烟尘后必须更换，不易实现自动连续监测。

随着超低排放的实施，烟尘浓度的准确在线监督/监管监测的需求日益迫切，由于涉及监督/监管监测，必须具有溯源性好，满足量值传递的要求，基于这些要求，首选的方法应当是基于重量法。

用重量法进行烟尘浓度测量时，一般是首先用滤膜截获烟尘，然后，对截获烟尘后滤膜称重，进而得到烟尘浓度。欲实现用重量法自动进行烟尘浓度监测，首先必须解决的问题就是滤膜的自动更换，即可以在滤膜截获烟尘接近饱和后，自动丢弃废膜，更换新模。

对于超低排放的烟尘重量法检测而言，由于单位时间内捕获的烟尘量非常少（通常在毫克级），为了确保监测精度，通常是对滤膜及滤膜附属结构一起称重，这就要求滤膜的附属结构重量尽可能的小。

关于滤膜的自动分离、拾取和更换，已有专利涉及。中国发明专利《基于工位设计方式的空气颗粒物自动换膜采样器装置》公开了一种用于大气采样的采样器及滤膜的自动更换的方法，该专利将滤膜封装于一个有一定强度的滤膜夹套中（该专利说明书图4），然后置于滤膜桶（专利说明书图5），然后采用机械手夹持滤膜夹，并将其输送至采样部位。

中国发明专利《空气颗粒物采样自动换膜装置及安装有该装置的采样器》公开了一种用于大气采样的采样器及滤膜的自动更换的方法，该专利将滤膜封装于一个夹套中,然后将滤膜夹套置于滤膜夹仓，滤膜夹仓包括中心轴，中心轴上套装有多个滤膜夹托盘，直线导轨构成的滤膜夹仓升降机构使得理财将滤膜夹托盘提升至指定位置，然后通过齿轮啮合的水平旋转机构，将滤膜夹托盘送至采样位。

上述现有技术中，虽然有通过机械结构完成的将滤膜送至采样位的装置。但上述装置均是用于大气颗粒物采样。大多是用于连续采样，离线称重，未考虑在线称重的要求，驱动部件多，结构复杂；未考虑滤膜夹（套）等滤膜附属物对称重的影响。

发明内容

本发明为解决现有将干净的滤膜送至采样处的装置驱动部件多，结构复杂的问题，提供一种用于基于重量法进行烟尘浓度在线自动测量时的烟尘采样滤膜的自动分离、拾取装置，使用本装置可以方便的将新的干净的滤膜送至采样位。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：一种烟尘采样滤膜的自动分离、拾取装置，包括滤膜盒、滤膜提升丝杠和控制器，滤膜提升丝杠的一端由滤膜盒的底部伸入至滤膜盒内并在该端部连接有水平设置的滤膜托板，滤膜提升丝杠的另一端连接滤膜提升丝杠电机；所述滤膜托板上放置有若干层滤膜；滤膜盒的顶部连接有支撑板，支撑板与滤膜盒相对应的位置上开有与滤膜盒相匹配的通孔，支撑板上镶嵌有控制器，支撑板上还设置有可在水平面内转动的旋转臂，旋转臂一端通过法兰连接有位于支撑板下方的电机，所述电机的转轴的顶端伸出支撑板并在该端部与旋转臂通过法兰连接；位于滤膜盒上方的旋转臂上固定有吸嘴提升支架，所述吸嘴提升支架包括相互垂直连接的横架和竖架；位于滤膜盒上方的旋转臂上还开设有通孔，并在通孔的周圈固定连接有竖直设置的导管套；所述滤膜的上方设置有滤膜吸嘴，所述滤膜吸嘴的顶部连接有吸嘴导管，吸嘴导管的顶部穿过固定在旋转臂上导管套后连接控制气路，所述控制气路包括通过管道与吸嘴导管连接的吸吹两用微型泵和用于控制微型泵工作的负压开关；与吸嘴导管相对应的吸嘴提升支架的横架上开设有用于吸嘴导管穿过的通孔，吸嘴导管与吸嘴提升支架的横架之间通过压紧弹簧连接，紧弹簧套设在吸嘴导管上，紧弹簧的一端连接在吸嘴导管的外侧壁上，另一端连接在吸嘴提升支架横架上的通孔周边；位于旋转臂上方的吸嘴导管的外侧壁连接有一根向上倾斜设置的提升衔铁，提升衔铁远离吸嘴导管的一端穿过吸嘴提升支架的竖架并以与竖架接触的地方为支点，提升衔铁远离吸嘴导管的一端的下部设置有固定于旋转臂上的提升电磁铁，吸嘴导管的外侧壁上还连接有翼翅；靠近吸嘴导管的吸嘴提升支架上还连接有滤膜顶升到位传感器；所述滤膜提升丝杠电机、滤膜顶升到位传感器、负压开关、提升电磁铁均与控制器连接。

工作原理为：滤膜提升丝杠电机的滤膜提升丝杠一端固定于滤膜托板背面，滤膜置于滤膜托板上面，需要更换滤膜时，顶升电机正向旋转，滤膜被从滤膜桶顶出，顶升到位后，顶升电机停止。

滤膜顶升到位与否采用了机电、负压两种方式，机电方式为：滤膜顶升时，随着滤膜的升高，最上层的滤膜与吸嘴接触，这时，继续顶升，滤膜托板，滤膜，滤膜吸嘴，滤膜吸嘴导管同时上升。当固定于滤膜导管上的翼翅接近或通过滤膜顶升到位传感器时，滤膜顶升到位传感器向控制器发出顶升到位信号。负压方式：控制器控制微型泵按吸（真空）方式工作，在滤膜吸嘴未接触滤膜或真空故障时，管路内负压不大，负压开关处于断开状态，滤膜吸嘴与滤膜桶中最上层滤膜接触后，吸嘴被堵住，管路中的负压升高，负压开关导通。两种滤膜顶升到位与否的信号在控制器内采用与逻辑方式处理，即只有两个信号都存在时，控制器向顶升电机发出停止信号，顶升停止。

滤膜提升丝杠电机停止后，控制器控制提升电磁铁得电，产生吸力，提升衔铁靠近电磁铁端被吸引，提升衔铁远离电磁铁一端向上运动，带动滤膜，滤膜吸嘴，滤膜吸嘴导管再上升一端距离，滤膜桶中最上层的滤膜与其他滤膜分离。

进一步，位于滤膜盒上方的旋转臂设置有滤膜检测传感器，所述滤膜检测传感器与控制器连接。用于检测滤膜盒中是否有膜。

进一步的，所述滤膜吸嘴呈漏斗状，所述滤膜采用圆形玻璃纤维滤膜，所述滤膜的中间还加装有圆形的聚四氟乙烯封堵片，封堵片的半径不大于滤膜半径的四分之一且大于滤膜吸嘴的半径，封堵片的重量不超过克。

进一步的，所述滤膜吸嘴呈漏斗状，所述滤膜采用圆形玻璃纤维滤膜，滤膜的外表面套设有网状的滤膜夹，所述滤膜夹厚度一般小于0.5mm。附加重量不超过1克。

上述两种方式所使用的滤膜附加结构少，重量轻，适合烟尘超低排放在线自动监测使用。

本发明的另一目的，提供一种烟尘采样滤膜的自动分离、拾取方法，采用上述的烟尘采样滤膜的自动拾取、分离装置来实现，包括以下步骤：

a、控制器控制滤膜提升丝杠电机转动，带动滤膜托板及附着在上面的滤膜一起向上运动。同时，控制器还将按吸真空方式启动微型泵，这时，滤膜吸嘴处于开口状态，管道内负压较低，负压开关处于断开状态；

b、最顶层的滤膜与滤膜吸嘴接触后，滤膜吸嘴被堵，管道内负压升高，负压开关接通，控制器收到滤膜提升到第一个位置的信号，这时最顶层滤膜与次顶层滤膜还处于未分离状态；

c、滤膜提升丝杠电机继续动作，带动滤膜托板、滤膜、滤膜吸嘴、吸嘴导管继续上行，当固定于滤膜导管上的翼翅靠近滤膜顶升到位传感器时，滤膜顶升到位传感器向控制器发出顶升到位信号；

d、当控制器收到负压开关送来的滤膜提升到第一个位置的信号和滤膜顶升到位传感器向控制器送来的顶升到位两个信号后，控制器向滤膜提升丝杠电机发出停止信号，顶升停止；

e、顶升停止后，滤膜盒中最顶层的滤膜与次顶层的滤膜仍未分离，控制器控制提升电磁铁得电，产生吸力，提升衔铁靠近电磁铁端被吸引，提升衔铁远离电磁铁一端向上运动，带动滤膜，滤膜吸嘴 ，滤膜吸嘴导管再上升一段距离，滤膜盒中最上层的滤膜与其他滤膜分离，且被吸嘴吸起的滤膜离开底板一定距离，旋转臂被电机驱动旋转后，将滤膜送至采样处。

与现有技术相比本发明具有以下有益效果：

本发明装置结构简单，驱动部件少，滤膜附加结构少，重量轻，适合烟尘超低排放在线自动监测使用，本发明装置可以作为超低排放重量法烟尘测量系统中的一个部件使用，可以方便的将新的干净的滤膜送至采样位。参与系统完成烟气抽取，烟气流速测量，烟气加热，烟气流量控制，烟气含湿量测量，烟气氧量测量等工作。

附图说明

图1为烟尘采样滤膜的自动分离、拾取装置结构示意图。

图2为吸嘴导管所连接的气路示意图。

图3为图1的局部放大图。

图4为滤膜检测传感器示意图。

图5为滤膜加聚四氟乙烯封堵片示意图。

图6为滤膜所加的封套的结构示意图。

图中标记如下：

1-滤膜盒，2-滤膜提升丝杠电机，3-滤膜提升丝杠，4-滤膜托板，5-滤膜吸嘴，6-滤膜检测传感器，7-滤膜顶升到位传感器，8-压紧弹簧，9-吸嘴导管，10-吸嘴提升支架，11-提升衔铁，12-提升电磁铁，13-滤膜，14-旋转臂，15-微型泵，16-负压开关，17-导管套，18-翼翅，19-发光测，20-受光测，21-支撑板。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明作进一步说明。

实施例

如图1所示，一种烟尘采样滤膜的自动分离、拾取装置，包括滤膜盒1、滤膜提升丝杠3和控制器，滤膜提升丝杠3的一端由滤膜盒1的底部伸入至滤膜盒1内并在该端部连接有水平设置的滤膜托板4，滤膜提升丝杠3的另一端连接滤膜提升丝杠电机2；所述滤膜托板4上放置有若干层滤膜13；滤膜盒1的顶部连接有支撑板21，支撑板21与滤膜盒1相对应的位置上开有与滤膜盒1相匹配的通孔，支撑板21上镶嵌有控制器，支撑板21上还设置有可在水平面内转动的旋转臂14，旋转臂14一端通过法兰连接有位于支撑板21下方的电机，所述电机的转轴的顶端伸出支撑板21并在该端部与旋转臂14通过法兰连接；位于滤膜盒1上方的旋转臂14上固定有吸嘴提升支架10，所述吸嘴提升支架10包括相互垂直连接的横架和竖架；位于滤膜盒1上方的旋转臂14上还开设有通孔，并在通孔的周圈固定连接有竖直设置的导管套17；所述滤膜13的上方设置有滤膜吸嘴5，所述滤膜吸嘴5的顶部连接有吸嘴导管9，吸嘴导管9的顶部穿过固定在旋转臂14上导管套17后连接控制气路，所述控制气路包括通过管道与吸嘴导管9连接的吸吹两用微型泵15和用于控制微型泵15工作的负压开关16；与吸嘴导管9相对应的吸嘴提升支架10的横架上开设有用于吸嘴导管9穿过的通孔，吸嘴导管9与吸嘴提升支架10的横架之间通过压紧弹簧8连接，压紧弹簧8套设在吸嘴导管9上，压紧弹簧8的一端连接在吸嘴导管9的外侧壁上，另一端连接在吸嘴提升支架10横架上的通孔周边；位于旋转臂14上方的吸嘴导管9的外侧壁连接有一根向上倾斜设置的提升衔铁11，提升衔铁11远离吸嘴导管9的一端穿过吸嘴提升支架10的竖架并以与竖架接触的地方为支点，提升衔铁11远离吸嘴导管9的一端的下部设置有固定于旋转臂14上的提升电磁铁12，吸嘴导管9的外侧壁上还连接有翼翅18；靠近吸嘴导管9的吸嘴提升支架10上还连接有滤膜顶升到位传感器7；所述滤膜提升丝杠电机2、滤膜顶升到位传感器（7）、负压开关16、提升电磁铁12均与控制器连接。

如图1所示，位于滤膜盒1上方的旋转臂14设置有滤膜检测传感器6，所述滤膜检测传感器6与控制器连接。滤膜检测传感器6采用了反射式传感器，并采用了与滤膜对传感器反射性能不一样滤膜托板4、滤膜检测传感器6利用滤膜和滤膜托板4的反射性能不一样来检测滤膜桶中是否有膜。本实施例采用了反射型光耦，其结构如图4所示。为了满足滤膜与滤膜托板4对光的反射性能不同，滤膜托板4采用了涂黑处理，有滤膜时，滤膜检测传感器6发光端发出的光照射到白色滤膜上会形成很强的反射，接受端收到反射后处于导通状态，无膜时，滤膜检测传感器6发光端发出的光照射到黑色滤膜托板上，大部分被吸收，接受端收不到反射光，处于截止状态。

滤膜提升丝杠电机2采用丝杠步进电机，属于直线电机的一种，其结构式转动部分为丝母，丝杠贯穿。丝杠的一端固定在滤膜托板4的底部。电机转动时，丝杠被顶出或收回，带动滤膜托板4一起上下运动。滤膜托板4的运动速度没有严格要求，只要能控制到最小可控运动距离0.1mm以下即可。由于滤膜较轻，电机经过了减速，对电机的功率也没有严格要求。本实施例采用42BY型丝杠步进电机。

滤膜13采用圆形玻璃纤维滤膜，通过中间加装聚四氟乙烯封堵片的方式使得被吸部分不漏气，也可采用不锈钢薄带制成滤膜夹（比如用0.1mm316制成）。无论哪种方式，滤膜加封堵或滤膜夹的厚度一般小于0.5mm。附加重量不超过1克。滤膜封堵及不锈钢夹示意如图5和6所示。

滤膜盒1为方形结构，滤膜盒1净高度大于50mm，可放置100张以上滤膜。

微型泵15采用吸吹两用泵，吸膜时工作在吸气状态，弃膜时工作在吹起状态，可确保弃膜分离彻底。本实施例采用了12V微型吸吹两用泵，负压工作时可产生的最大负压为-50KPa。

滤膜顶升到位传感器7可采用微动开关，接近传感器等多种形式，本实施例采用了槽型光耦，提升不到位时，发光侧、受光测没有东西遮挡，受光测处于导通状态，提升到位后，固定于吸嘴导管9上的翼翅18插入了槽型光耦的槽中，挡住了光路，受光测处于截止状态。

提升电磁铁12的作用是配合其他机构保证顶层滤膜与次顶层滤膜彻底分离，并保持被吸的滤膜与支撑板21之间有一定的距离，确保旋转臂运动时，滤膜不被碰到。本实施例采用了圆盘电磁体和衔铁的结构，圆盘电磁体可以做的比较扁平，占用空间小，适合本装置使用。本实施例采用的电磁铁吸力为1KG。衔铁应采用软磁材料，避免剩磁。

本实施例的控制器采用STM32为核心的嵌入式结构。

一种烟尘采样滤膜的自动分离、拾取方法，采用上述的烟尘采样滤膜的自动拾取、分离装置来实现，包括以下步骤：

a、控制器控制滤膜提升丝杠电机2转动，带动滤膜托板4及附着在上面的滤膜一起向上运动。同时，控制器还将按吸真空方式启动微型泵15，这时，滤膜吸嘴5处于开口状态，管道内负压较低，负压开关处于断开状态；

b、最顶层的滤膜13与滤膜吸嘴5接触后，滤膜吸嘴5被堵，管道内负压升高，负压开关16接通，控制器收到滤膜提升到第一个位置的信号，这时最顶层滤膜13与次顶层滤膜13还处于未分离状态；

c、滤膜提升丝杠电机2继续动作，带动滤膜托板4、滤膜13、滤膜吸嘴5、吸嘴导管9继续上行，当固定于滤膜导管上的翼翅18靠近滤膜顶升到位传感器7时，滤膜顶升到位传感器7向控制器发出顶升到位信号；

d、当控制器收到负压开关16送来的滤膜提升到第一个位置的信号和滤膜顶升到位传感器7向控制器送来的顶升到位两个信号后，控制器向滤膜提升丝杠电机2发出停止信号，顶升停止；

e、顶升停止后，滤膜盒1中最顶层的滤膜13与次顶层的滤膜13仍未分离，控制器控制提升电磁铁12得电，产生吸力，提升衔铁11靠近电磁铁端被吸引，提升衔铁11远离电磁铁一端向上运动，带动滤膜13，滤膜吸嘴 5，滤膜吸嘴导管9再上升一段距离，滤膜盒1中最上层的滤膜13与其他滤膜13分离，且被吸嘴5吸起的滤膜13离开底板一定距离，旋转臂14被电机驱动旋转后，将滤膜13送至采样处。

Claims (5)

1.一种烟尘采样滤膜的自动分离、拾取装置，其特征在于，包括滤膜盒（1）、滤膜提升丝杠（3）和控制器，滤膜提升丝杠（3）的一端由滤膜盒（1）的底部伸入至滤膜盒（1）内并在该端部连接有水平设置的滤膜托板（4），滤膜提升丝杠（3）的另一端连接滤膜提升丝杠电机（2）；所述滤膜托板（4）上放置有若干层滤膜（13）；滤膜盒（1）的顶部连接有支撑板（21），支撑板（21）与滤膜盒（1）相对应的位置上开有与滤膜盒（1）相匹配的通孔，支撑板（21）上镶嵌有控制器，支撑板（21）上还设置有可在水平面内转动的旋转臂（14），旋转臂（14）一端通过法兰连接有位于支撑板（21）下方的电机，所述电机的转轴的顶端伸出支撑板（21）并在该端部与旋转臂（14）通过法兰连接；位于滤膜盒（1）上方的旋转臂（14）上固定有吸嘴提升支架（10），所述吸嘴提升支架（10）包括相互垂直连接的横架和竖架；位于滤膜盒（1）上方的旋转臂（14）上还开设有通孔，并在通孔的周圈固定连接有竖直设置的导管套（17）；所述滤膜（13）的上方设置有滤膜吸嘴（5），所述滤膜吸嘴（5）的顶部连接有吸嘴导管（9），吸嘴导管（9）的顶部穿过固定在旋转臂（14）上导管套（17）后连接控制气路，所述控制气路包括通过管道与吸嘴导管（9）连接的吸吹两用微型泵（15）和用于控制微型泵（15）工作的负压开关（16）；与吸嘴导管（9）相对应的吸嘴提升支架（10）的横架上开设有用于吸嘴导管（9）穿过的通孔，吸嘴导管（9）与吸嘴提升支架（10）的横架之间通过压紧弹簧（8）连接，压紧弹簧（8）套设在吸嘴导管（9）上，压紧弹簧（8）的一端连接在吸嘴导管（9）的外侧壁上，另一端连接在吸嘴提升支架（10）横架上的通孔周边；位于旋转臂（14）上方的吸嘴导管（9）的外侧壁连接有一根向上倾斜设置的提升衔铁（11），提升衔铁（11）远离吸嘴导管（9）的一端穿过吸嘴提升支架（10）的竖架并以与竖架接触的地方为支点，提升衔铁（11）远离吸嘴导管（9）的一端的下部设置有固定于旋转臂（14）上的提升电磁铁（12），吸嘴导管（9）的外侧壁上还连接有翼翅（18）；靠近吸嘴导管（9）的吸嘴提升支架（10）上还连接有滤膜顶升到位传感器（7）；所述滤膜提升丝杠电机（2）、滤膜顶升到位传感器（7）、负压开关（16）、提升电磁铁（12）均与控制器连接。

2.根据权利要求1所述的一种烟尘采样滤膜的自动分离、拾取装置，其特征在于，位于滤膜盒（1）上方的旋转臂（14）设置有滤膜检测传感器（6），所述滤膜检测传感器（6）与控制器连接。

3.根据权利要求1或2所述的一种烟尘采样滤膜的自动分离、拾取装置，其特征在于，所述滤膜吸嘴（5）呈漏斗状，所述滤膜（13）采用圆形玻璃纤维滤膜，所述滤膜（13）的中间还加装有圆形的聚四氟乙烯封堵片，封堵片的半径不大于滤膜（13）半径的四分之一且大于滤膜吸嘴（5）的半径，封堵片的重量不超过1克。

4.根据权利要求1或2所述的一种烟尘采样滤膜的自动分离、拾取装置，其特征在于，所述滤膜吸嘴（5）呈漏斗状，所述滤膜（13）采用圆形玻璃纤维滤膜，滤膜（13）的外表面套设有网状的滤膜夹，所述滤膜夹厚度一般小于0.5mm，附加重量不超过1克。

5.一种烟尘采样滤膜的自动分离、拾取方法，采用如权利要求1所述的一种烟尘采样滤膜的自动分离、拾取装置来实现，其特征在于，包括以下步骤：

a、控制器控制滤膜提升丝杠电机（2）转动，带动滤膜托板（4）及附着在上面的滤膜一起向上运动；同时，控制器还将按吸真空方式启动微型泵（15），这时，滤膜吸嘴（5）处于开口状态，管道内负压较低，负压开关处于断开状态；

b、最顶层的滤膜（13）与滤膜吸嘴（5）接触后，滤膜吸嘴（5）被堵，管道内负压升高，负压开关（16）接通，控制器收到滤膜提升到第一个位置的信号，这时最顶层滤膜（13）与次顶层滤膜（13）还处于未分离状态；

c、滤膜提升丝杠电机（2）继续动作，带动滤膜托板（4）、滤膜（13）、滤膜吸嘴（5）、吸嘴导管（9）继续上行，当固定于滤膜导管上的翼翅（18）靠近滤膜顶升到位传感器（7）时，滤膜顶升到位传感器（7）向控制器发出顶升到位信号；

d、当控制器收到负压开关（16）送来的滤膜提升到第一个位置的信号和滤膜顶升到位传感器（7）向控制器送来的顶升到位两个信号后，控制器向滤膜提升丝杠电机（2）发出停止信号，顶升停止；

e、顶升停止后，滤膜盒（1）中最顶层的滤膜（13）与次顶层的滤膜（13）仍未分离，控制器控制提升电磁铁（12）得电，产生吸力，提升衔铁（11）靠近电磁铁端被吸引，提升衔铁（11）远离电磁铁一端向上运动，带动滤膜（13），滤膜吸嘴 （5），滤膜吸嘴导管（9）再上升一段距离，滤膜盒（1）中最上层的滤膜（13）与其他滤膜（13）分离，且被吸嘴（5）吸起的滤膜（13）离开底板一定距离，旋转臂（14）被电机驱动旋转后，将滤膜（13）送至采样处。