CN213270233U - 微小流量气泵恒流控制装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种微小流量气泵恒流控制装置，包括微控制单元，所述微控制单元一输入端依次通过气泵转速脉冲信号捕获稳定电路、稳压电路与微小流量气泵电机内的霍尔元件连接；所述微控制单元一输出端通过电源控制电路与微小流量气泵电机连接；所述微控制单元一输入端连接有气路压力传感器；所述微控制单元一输入端连接有气路温度传感器；所述微控制单元一输出端与所述电源控制电路连接。本实用新型能够使气泵在不同工况环境下快速调节，稳定输出流量，控制效果好，流量稳定，波动小，安全可靠。

Description

微小流量气泵恒流控制装置

技术领域

本实用新型属于环境气体采样技术领域，尤其涉及一种微小流量气泵恒流控制装置。

背景技术

目前室外环境空气的泵吸采样方式有开环和闭环两种控制方式。

开环控制方式是通过直接对气泵的正负极供电，一般为直流12V，上电后气泵转速不受控制，以最高转速运行，输出最大流量；

闭环控制方式是通过检测气泵内置的霍尔元件输出的，正比与转速的频率信号，即转速越高则频率信号越大，以此信号构建一个反馈电路，通过设定集成运放参比端的电压信号，来控制气泵转速达到设定大小。

开环控制虽然结构简易，成本低，但是的缺点也是非常明显的，当电源电压出现波动时，或者环境气压发生突变时，则气泵的转速随之波动，扰动信号越大，则转速波动越大，相应的输出流量波动越大。特别是对于便携式、微型站等环境气体分析类仪器仪表，由于低功耗的要求，普遍采用低电压，小电流的微小流量气泵，流量基本在300到500ml/min之间，这种类型气泵的负载能力一般都不大，因而受干扰因素波动更加明显，流量的波动直接影响了仪器内部传感器输出信号的变化，是的检测结果出现偏差。

常规模拟电路闭环控制，相对于开环控制在一定程度上有所改进，气泵转速在反馈信号的作用下，当出现波动时，能够在一定程度上得到补偿，使转速回归设定值，流量得到稳定，但是这种方法的流量调节存在一定的滞后性，差分补偿不及时。特别是当气体分析仪器处于不同海拔高度时，没有引入环境压力、温度对流量的影响，从而影响仪器检测结果的准确性。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种微小流量气泵恒流控制装置，以使气泵在不同工况环境下快速调节，实现流量的稳定输出。

本实用新型提供了一种微小流量气泵恒流控制装置，其特征在于，包括微控制单元，所述微控制单元一输入端依次通过气泵转速脉冲信号捕获稳定电路、稳压电路与微小流量气泵电机内的霍尔元件连接；

所述微控制单元一输出端通过电源控制电路与微小流量气泵电机连接；

所述微控制单元一输入端连接有气路压力传感器；

所述微控制单元一输入端连接有气路温度传感器；

所述微控制单元一输出端与所述电源控制电路连接；

所述微小流量气泵电机、稳压电路、气泵转速脉冲信号捕获稳定电路、微控制单元、电源控制电路形成转速闭环控制回路，用于通过稳压电路、气泵转速脉冲信号捕获稳定电路将霍尔元件产生的气泵电机转速频率信号反馈至微控制单元处理，将得到的PWM波形占空比增量值输出至电源控制电路对气泵电机转速进行控制，直至气泵流量达到设定值；

所述气路压力传感器、气路温度传感器、微控制单元形成流量补偿控制回路，用于通过气路压力传感器、气路温度传感器实时获取气路内部的压力和温度变化，当监测到工况环境发生改变时，通过所述微控制单元改变PWM波形占空比增量值，并利用转速闭环控制回路，使气泵流量达到设定值。

借由上述方案，通过微小流量气泵恒流控制装置，能够使气泵在不同工况环境下快速调节，稳定输出流量，控制效果好，流量稳定，波动小，安全可靠。

上述说明仅是本实用新型技术方案的概述，为了能够更清楚了解本实用新型的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本实用新型的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1是本实用新型微小流量气泵恒流控制装置的结构框图；

图2是本实用新型稳压电路的电路图；

图3是本实用新型气泵转速脉冲信号捕获稳定电路的电路图；

图4是本实用新型微控制单元的电路图；

图5是本实用新型气泵电机转速PMW控制信号与气泵之间的电路连接图；

图6是本实用新型气温度数字信号读取电路图；

图7是本实用新型管路压力数字信号读取电路图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。

参图1至图7所示，本实施例提供了一种微小流量气泵恒流控制装置，包括微控制单元4，微控制单元4(MCU)一输入端依次通过气泵转速脉冲信号捕获稳定电路3、稳压电路2与微小流量气泵电机1内的霍尔元件连接；

微控制单元4一输出端通过电源控制电路5与微小流量气泵电机1连接；

微控制单元4一输入端连接有气路压力传感器6；

微控制单元4一输入端连接有气路温度传感器7；

微控制单元4一输出端与电源控制电路5连接；

微小流量气泵电机1、稳压电路2、气泵转速脉冲信号捕获稳定电路3、微控制单元4、电源控制电路5形成转速闭环控制回路，用于通过稳压电路2、气泵转速脉冲信号捕获稳定电路3将霍尔元件产生的气泵电机转速频率信号反馈至微控制单元4处理，将得到的PWM波形占空比增量值(气泵电机转速PWM控制信号)输出至电源控制电路5对气泵电机转速进行控制，直至气泵流量达到设定值；相关电路图参见图4至图7所示。

气路压力传感器6、气路温度传感器7、微控制单元4形成流量补偿控制回路，用于通过气路压力传感器6、气路温度传感器7实时获取气路内部的压力和温度变化，当监测到工况环境发生改变时，通过微控制单元4改变PWM波形占空比增量值，并利用转速闭环控制回路，使气泵流量达到设定值。

通过该微小流量气泵恒流控制装置，能够使气泵在不同工况环境下快速调节，稳定输出流量，控制效果好，流量稳定，波动小，安全可靠。

下面对闭环及补偿控制的原理进行详细说明。

1、转速闭环控制回路，微型气泵电机每旋转一周，其内部的霍尔元件会产生一个脉冲信号，连续工作时，就会产生一个正比于气泵电机转速的频率信号，以此频率信号为反馈源，经过稳压电路，气泵转速脉冲信号捕获稳定电路，连接到MCU的TA管脚上，利用MCU内部8MHz以上高速时钟源，对产生于TA管脚上的频率信号进行捕获采样，得到频率信号的大小。通常气泵的电机转速在3000转/分钟到5000转/分钟之间，频率信号小于5KHz。通过使用MCU(MSP430F149),其主频经过1/8分频后，由内部的16位定时/计数器最快可以对1MHz频率进行精确计数，从而能够实现对电机转速准确测量，得出当前气体流量大小。根据MCU内设的流量大小，以及气泵电机反馈的转速频率信号，两者做差分处理，将结果换算成PWM波形的占空比增量的大小(在MCU引脚上输出一个脉宽可调制的PWM信号)，输出到外围扩展的电源控制电路，增加或者减少气泵电机的转速，直到设定值和反馈值的差分结果趋近于0，气泵流量达到设定值。

2、环境压力温度条件下的流量补偿控制回路，受仪器工况环境影响，出厂时仪器的标定气压温度环境往往和仪器仪表实际工作时的环境有一定区别，特别是海拔高度差别比较大，昼夜温差比较大的情况下，气泵无论是在机械性能的改变上较为明显，直接影响了气体进入仪器内部时的流量相对出厂时的状态发生变化。根据热力学定律(PV＝nRT),同时流量是单位时间内通过一定截面的体积，因此可以得出流量与体积是正相关的关系，而体积则正比于温度，反比于工作环境气体压力。本实施例通过在电路中增加气路压力传感器，温度传感器，实时测量管路内部压力和温度变化，当工况环境发生改变时，即时调整气泵电机转速设定值的大小，改变PWM波形的占空比，利用转速闭环控制回路，使气泵流量达到设定值，从而给仪器提供了一个与出厂时相同工况环境下的流量，减小了测量误差。

需要说明的是，本实施例中温度测量也可以使用Pt100，ntc原理的器件，MCU也可以使用STM32、C51等系列的单片机。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，并不用于限制本实用新型，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (1)

1.一种微小流量气泵恒流控制装置，其特征在于，包括微控制单元，所述微控制单元一输入端依次通过气泵转速脉冲信号捕获稳定电路、稳压电路与微小流量气泵电机内的霍尔元件连接；

所述微控制单元一输出端通过电源控制电路与微小流量气泵电机连接；

所述微控制单元一输入端连接有气路压力传感器；

所述微控制单元一输入端连接有气路温度传感器；

所述微控制单元一输出端与所述电源控制电路连接；

所述微小流量气泵电机、稳压电路、气泵转速脉冲信号捕获稳定电路、微控制单元、电源控制电路形成转速闭环控制回路，用于通过稳压电路、气泵转速脉冲信号捕获稳定电路将霍尔元件产生的气泵电机转速频率信号反馈至微控制单元处理，将得到的PWM波形占空比增量值输出至电源控制电路对气泵电机转速进行控制，直至气泵流量达到设定值；

所述气路压力传感器、气路温度传感器、微控制单元形成流量补偿控制回路，用于通过气路压力传感器、气路温度传感器实时获取气路内部的压力和温度变化，当监测到工况环境发生改变时，通过所述微控制单元改变PWM波形占空比增量值，并利用转速闭环控制回路，使气泵流量达到设定值。

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