專利名稱：大氣顆粒物監(jiān)測的六工位自動循環(huán)與控制方法及其裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及大氣環(huán)境的顆粒物自動監(jiān)測技術，具體是大氣顆粒物監(jiān)測的六工位自動循環(huán)與控制方法；本發(fā)明還涉及實現(xiàn)所述方法的裝置。
背景技術：
目前國內(nèi)外市場上的同類儀器有(1)Andersen公司的240型雙通道采樣器，(2)美國Rupprecht & Patashnick公司的1400a型大氣顆粒物采樣器，和(3)API公司的BAM1020型β射線測塵儀，國內(nèi)(4)某儀器公司生產(chǎn)的TH系列的110B或150C(或A)空氣總懸浮微粒采樣器以及(5)某電子儀器廠的KC系列的大氣連續(xù)采樣器等。
以上儀器的測量原理分別是儀器(1)用稱重原理采集大氣中顆粒的質(zhì)量并可以同時采集PM2.5和PM10。儀器(2)是利用顆粒物重量來改變?yōu)V膜的固有頻率，通過固有頻率的變化換算成顆粒物質(zhì)量的變化。它不能同時采集PM2.5和PM10，更換切割器可分別采集PM10或PM2.5。(3)是利用顆粒物對β射線吸收情況判斷顆粒物的質(zhì)量，由于在測量原理上與直接稱重法不同，存在一個轉(zhuǎn)換的環(huán)節(jié)，會帶來一定的轉(zhuǎn)換誤差。儀器(4)和(5)也是直接稱重法，是單通道式的采樣，不能同時采集PM10與PM2.5。目前使用直接稱重法原理的儀器工作效率低，幾乎都不能實現(xiàn)整個工作過程的自動化。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有稱重法儀器存在的不能實現(xiàn)自動采樣過程問題，提供一種大氣顆粒物監(jiān)測的六工位自動循環(huán)與控制方法，將稱重法用于大氣顆粒物PM10與PM2.5采集的連續(xù)監(jiān)測工作，使顆粒物采樣、稱重、更換濾膜組件、稱濾膜組件毛重、返回等待采樣的工作循環(huán)；或采樣—稱重工作之間的工作循環(huán)，實現(xiàn)自動化。
本發(fā)明的目的還在于提供實現(xiàn)所述方法的裝置。
本發(fā)明的大氣顆粒物監(jiān)測的六工位自動循環(huán)與控制方法是將大氣顆粒物的監(jiān)測分解成六個過程，分別在六個工位上實現(xiàn)所述六個過程，具體包括——將采集大氣顆粒物的濾膜組件自由地放置在轉(zhuǎn)臂上；——轉(zhuǎn)臂帶動濾膜組件在工位1實現(xiàn)顆粒物采集；——轉(zhuǎn)臂帶動濾膜組件在工位2實現(xiàn)顆粒物稱重；——轉(zhuǎn)臂帶動濾膜組件在工位3實現(xiàn)濾膜組件下料；——轉(zhuǎn)臂帶動濾膜組件在工位4實現(xiàn)濾膜組件上料；——轉(zhuǎn)臂帶動濾膜組件在工位5實現(xiàn)新濾膜組件稱顆粒物毛重；——轉(zhuǎn)臂帶動濾膜組件在工位6等待顆粒物的采樣。
本發(fā)明中，轉(zhuǎn)臂的轉(zhuǎn)動可以由步進電機帶動實現(xiàn)。
步進電機的轉(zhuǎn)動角度與光電定位器定位信息可以共同確定轉(zhuǎn)臂的對各工位的定位點。
本發(fā)明可以根據(jù)濾膜組件的稱重情況來決定工作循環(huán)，例如，在濾膜還有過濾顆粒的功能(一般可用有沒有超重來判別)，不會造成對穩(wěn)定流量的影響也沒有被損壞的情況下，采用工位1-工位2-工位1-工位2的工作流程實現(xiàn)工作循環(huán)；或者是，在濾膜失去了過濾顆粒的功能，或造成對穩(wěn)定流量的影響，或已經(jīng)損壞的情況下，采用工位3-工位4-工位5-工位6-工位1-工位2-工位1-工位2的工作流程實現(xiàn)工作循環(huán)。
本發(fā)明將監(jiān)測儀的工作過程分解成六個子過程，并在各工位上根據(jù)工作內(nèi)容安排不同的工序，實現(xiàn)PM10與PM2.5的顆粒物同時采樣，并實現(xiàn)全過程的自動循環(huán)。
實現(xiàn)本發(fā)明所述方法的裝置包括——轉(zhuǎn)臂，由步進電機帶動轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)動，步進電機的轉(zhuǎn)動角度與光電定位器定位信息共同確定轉(zhuǎn)臂對各工位的定位點；——濾膜組件，用于采集大氣顆粒物并自由地放置在轉(zhuǎn)臂上；——工位1，為顆粒物采集工位，也是儀器初始化的起始工位；——工位2，為稱重工位；——工位3，為濾膜組件下料工位；
——工位4，為濾膜組件上料工位；——工位5，為新濾膜組件稱毛重工位，物理地址與第2工位相同；——工位6，為顆粒物待采樣工位，物理地址與第1工位相同。
所述步進電機帶動一對齒輪，轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)動是靠步進電機帶動一對齒輪付來實現(xiàn)的。
所述齒輪由凸輪杠桿機構(gòu)拉動，轉(zhuǎn)臂的升降控制通過控制齒輪的嚙合狀態(tài)和靠凸輪杠桿機構(gòu)和彈簧機構(gòu)拉動從動齒輪上下的位移來實現(xiàn)。
如圖2所示，橢圓狀圖形代表轉(zhuǎn)臂，轉(zhuǎn)臂內(nèi)的黑色實心小圓代表放置在轉(zhuǎn)臂上的PM2.5的濾膜組件，白色小圓代表PM10濾膜組件。
工位1為顆粒物采集工位，也是儀器初始化的起始工位；工位2為稱重工位；工位3為濾膜組件下料工位；工位4為濾膜組件上料工位；工位5為新濾膜組件稱毛重工位，物理地址與第2工位相同；工位6為顆粒物待采樣工位，物理地址與第1工位相同。
本方法的方法具體地包括根據(jù)對大氣顆粒物的采集和分析過程，將稱重法大氣顆粒物監(jiān)測儀的工作過程分為六個子過程，并分別在六個工位(即大氣顆粒物的采集工位、膜片濾膜組件的自動稱重工位、濾膜組件下料工位、濾膜組件上料工位、新濾膜組件稱毛重工位，和顆粒物等待采集工位)加以實現(xiàn)。根據(jù)膜片濾膜組件的稱重情況和有無損壞情況來決定工作循環(huán)是在1->2->1->2工位循環(huán)工作，還是在工位3->4->5->6->1->2->1->2工作循環(huán)。
圖中所示的工位的位置是根據(jù)安放濾膜組件的轉(zhuǎn)臂位置決定的，轉(zhuǎn)臂的轉(zhuǎn)動是靠步進電機帶動齒輪付轉(zhuǎn)位裝置實現(xiàn)，由同步進電機的轉(zhuǎn)動角度與由光電定位器的定位信息共同確定轉(zhuǎn)臂的定位點。轉(zhuǎn)臂的升降控制通過控制齒輪的嚙合狀態(tài)，靠凸輪杠桿機構(gòu)和彈簧機構(gòu)拉動從動齒輪上下的位移來實現(xiàn)。
舉例對本方法涉及的各部分功能作更詳細的說明如圖2中，儀器工作分六個工位進行，轉(zhuǎn)臂內(nèi)的黑色實心小圓代表PM2.5的濾膜組件，白色小圓代表PM10濾膜組件。
工位1是顆粒物的采樣工位，PM10與PM2.5同時采集，工位2表示濾膜組件的稱重工位，第一工序先稱PM10濾膜組件重量，第二工序再稱PM2.5濾膜組件重量。圖中所示PM10與PM2.5的中心線重合的位置就是工位2的實際工作位置，以下雷同。工位3為濾膜組件的下料工位，第一工序先下PM10濾膜組件，后下PM2.5濾膜組件。工位4為新濾膜組件的上料工位，第一工序先上PM2.5濾膜組件，后上PM10濾膜組件，工位5的物理地址與工位2同，只是工位5的功能是對新濾膜組件的毛重進行測量。在工位5上，第一工序先稱PM10濾膜組件，后稱PM2.5濾膜組件，第6工位為待采樣工位，物理地址與工位1同，PM10與PM2.5濾膜組件同時到位。其程序框圖如圖3所示本發(fā)明還在于針對現(xiàn)有稱重法儀器存在的不能實現(xiàn)自動化采樣過程問題，提出一種六工位自動循環(huán)控制裝置用于顆粒物監(jiān)測儀器中，使顆粒物采樣、稱重、更換濾膜組件、稱濾膜組件毛重、返回工位1等待采樣的工作循環(huán)；或采樣-稱重工作之間的工作循環(huán)實現(xiàn)自動化。工位間的工作循環(huán)實際上是對轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)動的控制。
圖4是轉(zhuǎn)臂運動的控制裝置。其工作原理是濾膜組件從工位1到工位2或者是到其他工位位置時，是靠轉(zhuǎn)臂7的轉(zhuǎn)動帶著濾膜組件來轉(zhuǎn)動的。而轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)動是靠步進電機帶動一對齒輪付來實現(xiàn)的，轉(zhuǎn)臂的定位是靠步進角度與光電定位信息的連用來決定的。由于轉(zhuǎn)臂在第二工位或第五工位時，因要完成濾膜組件的稱重工作，轉(zhuǎn)臂必須下降并使濾膜組件脫離轉(zhuǎn)臂的支持而安放在天平上的支承座上，稱重完成后，轉(zhuǎn)臂又重新上升，使濾膜組件又自由地支承在轉(zhuǎn)臂上，并帶動濾膜組件轉(zhuǎn)到工位1或工位3去。轉(zhuǎn)臂的這一上升與下降也是靠轉(zhuǎn)臂運動的控制裝置來實現(xiàn)，具體是轉(zhuǎn)臂下降時將兩個齒輪的嚙合狀態(tài)逐漸斷開，上升時又逐漸恢復嚙合。要轉(zhuǎn)位時在步進電機帶動下，轉(zhuǎn)臂再帶濾膜組件轉(zhuǎn)動。
對轉(zhuǎn)臂的轉(zhuǎn)動和升降控制更具體的說明如下轉(zhuǎn)臂的轉(zhuǎn)動控制如圖4，步進電機21帶動軸22轉(zhuǎn)動，固定在軸22上的主動齒輪24隨之轉(zhuǎn)動并帶動與之嚙合的從動齒輪25轉(zhuǎn)動，由于從動齒輪25是固定在套筒26上，故套筒26也帶著與它連接的轉(zhuǎn)臂7轉(zhuǎn)動。轉(zhuǎn)動的定位由圖1的光電定位器10與步進電機21的步進角度共同決定。
轉(zhuǎn)臂的升降控制轉(zhuǎn)臂的升降控制實質(zhì)上是控制齒輪的嚙合狀態(tài)和靠凸輪杠桿機構(gòu)和彈簧機構(gòu)拉動齒輪上下的位移。如圖5所示，當伺服電機27轉(zhuǎn)動時，帶動凸輪軸28轉(zhuǎn)動，固定在軸28上的凸輪29轉(zhuǎn)動，凸輪29轉(zhuǎn)至升程半徑時電機27停轉(zhuǎn)，凸輪29使杠桿30下壓，并使從動齒輪25脫離與主動齒輪24的嚙合狀態(tài)，并拉動套筒26帶著轉(zhuǎn)臂7向下移動，移動位置由電子天平工作臺上的支承環(huán)的安裝位置決定，當濾膜組件接觸電子天平工作臺上的支承環(huán)時，濾膜組件與轉(zhuǎn)臂完全脫離。天平穩(wěn)定后開始稱重，并向主CPU發(fā)送PM10膜稱重數(shù)據(jù)。伺服電機27再次啟動，凸輪28轉(zhuǎn)至回程部分，從而杠桿30放松壓緊狀態(tài)，在彈簧31彈力的作用下從動齒輪25上升與主動齒輪24重新嚙合。轉(zhuǎn)臂帶著濾膜組件回到原先的工作位置。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，具有如下優(yōu)點1、本發(fā)明利用六工位自循環(huán)系統(tǒng)實現(xiàn)了稱重法的大氣顆粒物監(jiān)測儀采樣過程的自動化。
2、轉(zhuǎn)臂運動的控制裝置解決了濾膜組件從一個工位到另外一個工位的轉(zhuǎn)動以及稱重時濾膜組件從受轉(zhuǎn)臂的約束狀態(tài)到非約束狀態(tài)的過渡，從而保證了系統(tǒng)工作的進行。
3、采取步進角度與光電定位信息的連用決定轉(zhuǎn)臂的轉(zhuǎn)位定位問題，保證了系統(tǒng)工作的安全性。


圖1本發(fā)明裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖中，1是抽氣采樣用工位1，2是稱重工位2，3是下料工位3，4是上料工位4，5是稱毛重工位5，6是待采樣工位6，7是轉(zhuǎn)臂，8是轉(zhuǎn)位部件，9是稱重控制部件，10是光電定位器，11是數(shù)據(jù)采集，12是數(shù)據(jù)處理，13是顯示與輸出，14是雙CPU控制器；圖2是本發(fā)明方法所述六工位工作循環(huán)示意圖；圖3是圖2的程序框圖；圖4是圖1中轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)動與升降部分的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是圖1中稱重控制時轉(zhuǎn)臂下降控制的凸輪杠桿機構(gòu)部分結(jié)構(gòu)示意圖；圖6是圖2中六工位工作循環(huán)實例圖；
圖7是圖2中工位1-工位2-工位1-工位2工位循環(huán)時序圖；圖8是圖2中工位3-工位4-工位5-工位6-工位1-工位2-工位1-工位2工位循環(huán)時序圖，圖中，S1、S2表示工位1的伺服電機1和工位2的伺服電機2；S11表示啟動伺服電機旋轉(zhuǎn)至使濾膜組件處于抽氣狀態(tài)(氣密)；S12表示伺服電機旋轉(zhuǎn)至使濾膜放松到非抽氣狀態(tài)(濾膜落在轉(zhuǎn)臂上)；S21(S23)表示啟動伺服電機使濾膜組件PM10(PM2.5)下降到天平的支承環(huán)上，S22(S24)表示啟動伺服電機升起轉(zhuǎn)臂帶動濾膜組件PM10(PM2.5)到正常轉(zhuǎn)位位置；B12表示步進電機從工位1(PM10)——>工位2(PM10)；B221表示步進電機在2工位順轉(zhuǎn)20度(PM2.5)；B23表示步進電機從工位2(PM10)——>工位3(PM10)；B331表示步進電機在3工位順轉(zhuǎn)20度(PM2.5)；B34表示步進電機從工位3(PM2.5)——>工位4(PM2.5)；B442表示步進電機在4工位逆轉(zhuǎn)20度(PM10)；B45表示步進電機從工位4(PM10)——>工位5(PM10)；B551表示步進電機在5工位順轉(zhuǎn)20度(PM2.5)；B56表示步進電機從工位5(PM10)——>工位6(PM10)；T1表示電子天平稱PM10濾膜組件并向主機發(fā)送數(shù)據(jù)，T2表示電子天平稱PM2.5濾膜組件并向主機發(fā)送數(shù)據(jù)；Z1(Z2)表示啟動真空泵。
具體實施例方式
如圖6所示，設計時，將工位1的PM10的中心線與六工位垂直中心線(也就是工位2的中心線)的夾角定為60度。轉(zhuǎn)臂上的PM2.5和PM10的中心線夾角定為20度。在工位1抽氣采樣。采樣結(jié)束后，到工位2稱重，此時轉(zhuǎn)臂順時針轉(zhuǎn)動60度，而到達工位2。電機27帶動凸輪29轉(zhuǎn)動到升程位置，使杠桿30下壓從動齒輪25，從動齒輪25脫離與主動齒輪24的嚙合狀態(tài)，并帶動套筒26和轉(zhuǎn)臂7下降。當濾膜組件到達電子天平上的支承環(huán)時脫離轉(zhuǎn)臂7的約束狀態(tài)。伺服電機27停轉(zhuǎn)。在電子天平穩(wěn)定后進行PM10濾膜組件的稱重。稱重完后，伺服電機27又啟動，帶動凸輪29轉(zhuǎn)至降程位置，杠桿30放松壓緊狀態(tài)，在彈簧31的作用下從動齒輪25拉動套筒26和轉(zhuǎn)臂上升回到轉(zhuǎn)位位置，從而完成PM10的稱重過程。轉(zhuǎn)臂順時針轉(zhuǎn)動20度，PM2.5的中心線與垂直中心線重合，重復上述轉(zhuǎn)臂下降動作，待電子天平穩(wěn)定后，進行PM2.5稱重。重復上述轉(zhuǎn)臂的上升動作，回到轉(zhuǎn)位的位置。PM2.5的稱重過程與PM10的稱重過程是完全相同的。稱重結(jié)束，電子天平向CPU發(fā)送稱重數(shù)據(jù)，由CPU判斷濾膜是否能繼續(xù)使用，如果濾膜組件可以繼續(xù)使用則返回工位1，此時儀器工作在1-2工位循環(huán)下繼續(xù)采樣，如圖7所示。如不能使用，轉(zhuǎn)臂應該到第三工位下料。此時轉(zhuǎn)臂順時針再轉(zhuǎn)動35度，使PM10濾膜組件中心位置到達工位3，而進入PM10的下料工序。下料完畢后，轉(zhuǎn)臂再順時針轉(zhuǎn)動20度，此時PM2.5濾膜組件到達工位3，PM2.5濾膜組件下料。而后，轉(zhuǎn)臂順時針轉(zhuǎn)動20度到工位4，先上PM2.5濾膜組件再上PM10濾膜組件，完成上料的工作。最后轉(zhuǎn)臂逆時針轉(zhuǎn)動75度，使濾膜組件返回工位5(物理位置與工位2同)，使PM10濾膜組件到達工位5正上方，進入PM10濾膜組件稱毛重工序，稱重完成后轉(zhuǎn)臂順時針轉(zhuǎn)動20度，再完成PM2.5的稱毛重工序。此后，轉(zhuǎn)臂逆時針轉(zhuǎn)動80度，使濾膜組件返回工位6，(物理位置與工位1同)等待抽氣采樣。此時儀器系統(tǒng)工作在工位3->4->5->6->1->2->1->2的工作循環(huán)，如圖8所示。
權利要求
1.一種大氣顆粒物監(jiān)測的六工位自動循環(huán)與控制方法，其特征在于將大氣顆粒物的監(jiān)測分解成六個過程，分別在六個工位上實現(xiàn)所述六個過程，包括——將采集大氣顆粒物的濾膜組件自由地放置在轉(zhuǎn)臂上；——轉(zhuǎn)臂帶動濾膜組件在工位1實現(xiàn)顆粒物采集；——轉(zhuǎn)臂帶動濾膜組件在工位2實現(xiàn)顆粒物稱重；——轉(zhuǎn)臂帶動濾膜組件在工位3實現(xiàn)濾膜組件下料；——轉(zhuǎn)臂帶動濾膜組件在工位4實現(xiàn)濾膜組件上料；——轉(zhuǎn)臂帶動濾膜組件在工位5實現(xiàn)新濾膜組件稱顆粒物毛重；——轉(zhuǎn)臂帶動濾膜組件在工位6等待顆粒物的采樣。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于所述轉(zhuǎn)臂的轉(zhuǎn)動由步進電機帶動實現(xiàn)。
3.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于步進電機的轉(zhuǎn)動角度與光電定位器定位信息共同確定轉(zhuǎn)臂的對各工位的定位點。
4.根據(jù)權利1或2或3所述的方法，其特征在于采用工位1-工位2-工位——1工位實現(xiàn)工作循環(huán)。
5.根據(jù)權利1或2或3所述的方法，其特征在于采用工位3-工位4-工位5-工位6-工位1-工位2-工位1-工位2實現(xiàn)工作循環(huán)。
6.實現(xiàn)權利要求1-6之一所述方法的裝置，其特征在于包括——轉(zhuǎn)臂，由步進電機帶動轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)動，步進電機的轉(zhuǎn)動角度與光電定位器定位信息共同確定轉(zhuǎn)臂對各工位的定位點；——濾膜組件，用于采集大氣顆粒物并自由地放置在轉(zhuǎn)臂上；——工位1，為顆粒物采集工位，也是儀器初始化的起始工位；——工位2，為稱重工位；——工位3，為濾膜組件下料工位；——工位4，為濾膜組件上料工位；——工位5，為新濾膜組件稱毛重工位，物理地址與第2工位相同；——工位6，為顆粒物待采樣工位，物理地址與第1工位相同。
7.根據(jù)權利要求6所述裝置，其特征在于所述步進電機帶動一對齒輪。
8.根據(jù)權利要求6或7所述裝置，其特征在于稱重時所述齒輪的上下滑動由凸輪杠桿機構(gòu)和彈簧機構(gòu)拉動。
全文摘要
本發(fā)明涉及基于稱重法原理的大氣環(huán)境顆粒物自動監(jiān)測儀中的六工位工作自動循環(huán)與控制的方法及其裝置，所述方法是將大氣顆粒物的監(jiān)測儀的工作分解成六個過程，將采集大氣顆粒物的濾膜組件自由地放置在轉(zhuǎn)臂上，分別在六個工位上實現(xiàn)所述六個過程；實現(xiàn)所述方法的裝置包括轉(zhuǎn)臂、濾膜組件、轉(zhuǎn)臂的升降和轉(zhuǎn)位裝置、工位1－6。本發(fā)明將稱重法用于大氣顆粒物PM10與PM2.5采集的自動連續(xù)監(jiān)測工作，使顆粒物采樣、稱重、更換濾膜組件、稱濾膜組件毛重、返回第一工位等待采樣的工作循環(huán)；或采樣—稱重工作之間的工作循環(huán)實現(xiàn)自動化。
文檔編號G01N15/00GK1766542SQ20051010028
公開日2006年5月3日 申請日期2005年10月14日 優(yōu)先權日2005年10月14日
發(fā)明者楊冠玲, 何振江, 黃林海, 李豐果, 韓鵬, 張展毅 申請人:華南師范大學