CN1092863A - 流量控制取样泵装置 - Google Patents

Abstract

一种可携式取样泵装置包括一流量控制机构。 该机构具有一提供精确读出泵的体积流速以及泵电 机的反馈控制的层流部件。泵装置包括一电机，一由 电机可操纵驱动的泵，一安装在泵的流道中的层流部 件，一传感流过层流部件的压降并产生一电信号的压 力转换器，此电信号与流过泵的体积流速成正比和直 线性比，以及一电机控制电路，它利用电信号来控制 施加到电机的电压并由此调节泵的流速。这一电子 信号也用来向泵的体积流动使用者提供显示。

Description

一般，本发明涉及泵装置，更具体地说，关系到适合于供个人或地区收集气载污染物的空气取样设备的泵装置。

收集气载污染物中一些有毒烟雾，灰尘，粒子，气体和蒸汽的空气取样设备是大家都知道的。一般，这种设备与真空源，例如，泵连接，由此可通过泵的作动将气载或空气中污染物质吸入该设备中。和空气取样设备相配的泵，通常称为小型取样泵是轻型的并可携带的，因而必须为在周围空气可能受污染和/或存在危险的环境中进行工作的工业卫生学家或其它人员所便于携带的。

目前，用于这类取样的最小型的取样泵应用一些电子流量控制机械的结构，以改变施加于泵电机的电压，而力图维持大体上不变的流速，在这些设备中，流速和所施加的电压的关系是一“推理上”的关系。在这推理控制系统中，由于气动负载，泵电机和流速的电参数之间的瞬时关系是预先设定的和不可改变的。于是，使用这种固定关系设计一正向传送电机电压控制电路以提供对气动负载变化，电机温度变化等的补偿。一应用这样一系统的设备的例子是宾夕法尼亚州，匹兹堡的矿井安全装置公司（“MSA”）。制造的Flow-lite泵。

美国专利号4，063，824公开了一空气取样泵装置，在这装置中，由压力开关和适宜电路将流过针阀小孔的压降转化成一信号，此信号构成了施加于泵电机的电压。这种间接控制装置仍然没有直接地测量和显示经过泵的体积流动速率。在美国专利号4，389，903中提供了另一种控制装置的实例。这个装置使用质量流量代替体积流动，并通过适当的电路把热线风速计的温度变化转变成一控制泵电机的电压信号。

尽管间接和推理的控制装置通常起到良好作用，但它们不能直接地测量和显示流过泵的实际体积流动速率（流速）。它们也具有一些实际上固有的限制，从而影响了其流量控制的精确性。例如，象泵的老化，那样的控制装置就不能自动地对泵特性的变化进行补偿。在这种情况下，为了达到所要求的补偿，实际上人们必须重新调整泵的适当补偿控制。除了正常老化和泵部件的损坏引起的流量变化外，还可产生由轴承或泵阀中的污垢引起的更严重变化和由机械冲击引起曲柄臂的不对准等。以上所述的推理和间接控制技术不能使这些流量变化与负载需要的变化区分开来。施加于泵电机的电压明显地不同于所需要的电压，从而导致流速受到一些与由负载所引起的流速波动无关的作用而发生改变。

为此，对于包括具有流量传感器的电子流量控制机构的小型取样泵装置存在着一直接测量和显示泵的体积流量的优点。于是，这种信号可用来控制泵电机，并且该机构工作起来不会因泵工作特性变化而受到妨碍和影响。

一般地说，本发明涉及一种可携式泵装置，它适合于供收集气载或空气中污染物质的空气取样设备使用。泵装置包括一具有流量传感器的流量控制机构，它产生一与流过泵的体积流速成正比的电子信号，以及为泵提供反馈的控制电路，从而使流量控制机构能精确地运行而与泵特征的变化无关。最好，由流量传感器所发出的电信号与流过泵的体积流速成正比和直线比。这信号由电机控制电路用来控制泵的电机电压且也向使用者显示。

本发明的流量传感器，也叫做层流检测计，它包括一与电子压差转换器一起操作的层流部件，此转换器则测量穿过层流部件的压降。对于目前可买到的热线风速机，热差传感器，孔板流量计等那样的流量检测设备来说，这样布置的优点包括高精度，快反应，低压降，极佳直线性关系，相当低的温度偏差（一般每华氏度小于0.15%），实质上无绝对压力灵感度，结构简单（无运动部件），宽的流量范围（仅受低压下的压差测量的精确性限制）和使用方便。

本发明的其它细节，目的和优点将随下列本发明的目前最佳实施例和目前最佳方法的说明而成为明显的。

本发明将从下列所示的仅当作例子的最佳实施例并结合附图的说明成为更容易明白的，其中：

图1是根据本发明构成的一小型取样泵装置的最佳实施例的示意图;

图2是一层流部件的实例的局部剖视图;

图3是图2所示的、连接到压力转换器的层流部件的横截面视图，形成了本发明的流量传感器;

图4是一适合于在本发明的泵装置中使用的泵电机控制电路的线路图。

参阅图1，在正常工作期间，本发明的取样泵装置2把图中由箭头所表示的气流吸入一空气取样器6。空气取样器可以是一碰撞取样器，一木炭取样管，一粉尘收集过滤器或工业卫生学家或随空气样品特殊需要而定的有关人员使用的各种各样装置的任何一种装置。在气流通过空气取样器6后，由互连管8将它输送给携带式取样泵装置2的一壳体10中。在壳体10内，气流（减去由取样器6所收集的气载污染物）可通过一在可变排量泵14的进气通道9中所设置的选定附加过滤器12。可变排量或可调流量泵14可以假定为例如象活塞泵或膜式泵那样的任一适宜形式的泵，不过就泵在增强效率，容量和均匀流量特性方面提供的优点而言，以双头膜式泵较佳。泵14是由一台电动机16驱动的，电动机的输入电压是由一流量控制机构控制的，流量控制机构则包括一电机控制电路18和一层流测量计19，以下将就电机控制电路和层流测量计加以详细说明。

更具体地说，层流测量计19包括一和电子差压转换器22共同操纵的层流部件20，电子差压转换器用于测量流过层流部件20的压力降。

本发明的层流测量计19的直线性要求由层流部件20所产生的雷诺数保持在1600以下，最好在500以下。一种层流测量或是一束毛细管。一般地说，毛细管流道的长度应该至少是流道直径的一百倍。为达到携带式取样泵正常流量范围（直到5000毫升/分）的这些要求，通常将需要一大束毛细管，这会过度地增加泵装置的尺寸。

不过，在本发明的研制中发现与壳体23适配的多孔件21将模拟携带式取样泵中的流速和压降之间的线性关系。因此，壳体23中的多孔件21是本发明的层流部件20的最佳实施例，如图2和3所示。最好，壳体23由刚性材料制成，例如塑料。壳体23还可使其一部分由象橡胶那样的柔性材料制成，这将对任何泵的脉动起到脉动阻尼作用。

对各色各样形状的不锈钢多孔部件进行实验，在实现所需的直线性方面用小尺寸的多孔部件显示了极好的效果。这些部件包括直1/2～1英寸，厚度1/16至3/16英寸，标称孔隙率从80%至20%，以及孔的尺寸从20至100微米的粉末金属盘。其它曾试验过的形状包括多种尺寸的多孔圆柱体或圆筒，最好，圆筒尺寸较佳地为外径1/4英寸×内径1/8英寸×1英寸。虽然扁平盘和圆筒结构提供类似的结果，但已发现一般使用圆筒形多孔部件21在机械上更合适。这种部件由图2所示，并且最好具有约150的雷诺数。本发明的下列说明以圆筒形多孔部件21为基础，但本发明不是，也不应被解释成对象多孔塞，毛细管管束或其它适用部件那样的任何特殊形状的层流部件20的限制。

在泵流道中的层流部件20的布置也是一种选择的问题。例如，可把层流部件20安装在泵14的进气通道9（真空一侧）中，那时，进气通道需要将电子差压转换器22的高压和低压侧孔连接到层流部件20的高压和低压侧孔上。在这种结构中应该用第二压力转换器测量相对于环境压力的实际真空负载，以便提供适当的补充信号。就这种安排而言，第二转换器使在负载情况下测得的体积流动能转变为在环境条件下的测量量度。

但是，反映与图1所表示的本发明最佳实施例有关的最简单方法，是把层流部件20的入口31设置在泵14的出口通道11上。就这种布置而论，不需要调整真空负载。压力转换器22的高压孔24必须与层流部件20的高压孔26连接在一起。最好，压力转换器22和层流部件20的低压孔分别为28和30应该（但不是必须）加以连接以消除壳体10内环境压力作用。层部部件20的出口33可通到图1所示的壳体10中或壳体外面，这取决于其它的设计根据。

压力转换器的信号输出以提供反馈的电机控制线路18为条件，从而自电路18中产生一施加于电机16的可变电压输出。在图4中示出了目前最佳的电机控制电路18的电路布置。这种电路借助于温度传敏感转换器32，附加地提供了校正粘滞性变化的温度补偿性能，在有影响的范围内粘滞度与温度成正比例的变化。电路18是电池供电的且由三极管，电容器，电阻器，二极管和放大器构成，它们的作用对电工领域的普通技术人员来说是众所周知的。因此，为简便的目的，下列电机控制电路18的讨论主要将着重其基本的人支电路的相互关系，该分支电路在图4中用短划线加以界定。

一桥接电路34为压力转换器22的一部分，它产生一与越过层流部件20所感受的压降成正比的信号且把该信号传送到电机控制电路18中的高输入阻抗差动放大器电路36。然后将来自高输入阻抗差动放大器电路的放大信号，送到一加法放大器38中以消除压力转换器22的桥接电路34中的固有的偏置。调整一零电位电路40，以便在无流量时，即越过压力转换器22的零压差时，从加法放大器电路38中产生一零电压输出。

于是，将来自加法放大器电路38的信号和来自温度补偿电路42的信号结合一起并将它们输送到驱动激磁放大器电路44的放大器正输入。同时，把由基准电路46的分压器产生的可调节设定点信号送到驱动放大电路44的放大器负输入。经过设定点信号的调整，可改变泵的流速。在驱动放大器电路44处的设定点信号与来自加法放大器电路38和温度补偿电路42的温度补偿压力信号相比较。驱动放大器电路44根据这一比较产生一驱动激励晶体管电路48的信号。晶体管电路48则调节电机的输入电压，以控制其速度，从而控制泵输出。

此外，将处在驱动放大器电路44正输入的温度补偿压力信号输到一信号调整电路50，接着输送到数字或模拟显示器52，以便按实际体积流动量单位，例如以毫升/分单位直接读出流量。

采用本发明的上述电子流量控制机构所进行的试验表明即使真空负载以30英寸水柱那样变化时，流量控制于设定值的±0.5%以内是可能的。

另外，电机控制电路18可采用一A/D转换器和一以微控制器为基础的装置按计数方法加以构成，从而通过许多象脉冲宽度调制那样的已知机构来调节电机电压。

尽管本发明已用举例的应用加以详细说明，但是应该理解这种详细说明完全为了举例目的，并且本发明除了可由权利要求加以限制外，其中技术上熟练的普通技术人员可作种种修改而不脱离属于本发明的精神和范围内。

Claims (12)

1、一种取样泵装置，其特征在于包括：

一电动机；

一产生流速的泵，它是由电动机操纵驱动；

一在泵的流道中设置的一层流部件，以便提供越过它本身的压降，此压降与泵的流速成正比；

一检测传感越过层流部件的压降且产生一表示泵流速的第一信号的压力转换器；

一接收第一信号并把响应第一信号的一第二信号传送到电动机的电机控制电路，以便控制电动机，从而调节泵的流速。

2、根据权利要求1所述的取样泵装置，其特征在于进一步包括：

一处理第一信号和显示泵流速的读出电路。

3、根据权利要求1所述的取样泵装置，其特征在于流道是一泵的出口通道。

4、根据权利要求1所述的装置，其特征在于层流部件具有小于1600的雷诺数。

5、根据权利要求1所述的装置，其特征在于层流部件是一种多孔部件。

6、一种取样泵装置包括：

一电动机;

一产生流速的泵，它是由电动机操纵驱动的;

一在泵的流道中设置的一层流部件，用于提供一与泵的流速成直线性关系的流量信号;

一接收来自层流测量计的信号且产生响应流量信号的控制信号，以便控制电机，从而调节泵的流速。

7、根据权利要求6所述的装置，其特征在于流道是一泵的一个出口通道。

8、根据权利要求6所述的装置，其特征在于层流部件具有小于1600的雷诺数。

9、根据权利要求6所述的装置，其特征在于层流部件是一多孔部件。

10、根据权利要求9所述的装置，其特征在于多孔部件形状是圆筒状的。

11、根据权利要求5所述的装置，其特征在于多孔部件形状为圆筒状的。

12、根据权利要求3所述的装置，其特征在于还包括一泵的出口通道中的脉动阻尼器。

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