粉尘振荡天平测量仪的自动换膜装置

蒋 浩,童仁园,李 青,柯佳雯

(中国计量大学 机电工程学院,浙江 杭州 310018)

目前国内外开发生产的各类粉尘测量仪器采用的测量方法各种各样,但是它们大致可以分为两大类,其原理分别基于取样法和非取样法。取样法是从被测环境中抽取一定的具有代表性的含有粉尘颗粒的气体样气,由待测样气中粉尘颗粒的重量和含尘样气的体积就可以得到粉尘的浓度。取样法主要包括滤膜称重法、β射线法、压电晶体测量法、振荡天平法等。非取样法就是测量时不用取样而是利用粉尘的物理、光学等特性直接测量粉尘浓度的方法。非取样法主要有黑度法、光透射法、光散射法等[1]。通过取样法与非取样法的对比,从粉尘浓度测量的准确度来说,取样法是高于非取样法的,但是用传统的取样法对粉尘浓度进行测量过程比较繁琐。振荡天平法测量粉尘浓度是最近几年研究的趋势,相比与传统的滤膜称重法,减少了烘干、称重、计算等环节,省时省力,能真正做到粉尘的自动监测。但用振荡天平法测量粉尘,滤膜工作一段时间后需要更换。目前常用的更换方式为手动操作,人工手动换膜费时费力,而且如果操作不当就会影响测量的结果。为了解决以上问题,本文以已有的测量装置为基础,设计了一套自动换膜装置,从而进一步完善整个测量系统的自动化程度[2]。

1 振荡天平法粉尘测量

1.1 振荡天平法简介

振荡天平法(Tapered element oscillating microbalance,TEOM)是近年发展起来的颗粒物浓度测量方法。其原理是在称重模块内使用一个振荡锥形空心管,振荡端装有可更换滤膜,振荡频率的变化由滤膜上沉积颗粒物质量的变化决定,当采样气流通过滤膜时,气流中的颗粒物沉积在滤膜上,滤膜上沉积颗粒物质量变化导致振荡频率变化,通过检测振荡频率的变化来测量沉积在滤膜上颗粒物的质量,根据采样体积可计算出该时段内颗粒物的质量浓度[3]。

1.2 振荡天平质量传感器

振荡天平质量传感器是由信号检测线圈、检测侧小磁钢、滤膜组件、驱动线圈、驱动侧小磁钢、振荡管、固定底座等组成,如图1所示。测量过程:首先是由一个周期性的驱动信号对驱动线圈进行激励,驱动线圈将会产生一个周期性的磁场。该周期性磁场作用于激励侧小磁钢,带动振荡管以一个固定频率做来回振荡。由于检测侧小磁钢固定在振荡管上,也将随振荡管做来回振荡。检测侧线圈通过测量振荡管检测侧小磁钢的运动,并将其转换为电压信号。当该电压信号和驱动信号两者之间的相位满足振荡管简谐振荡的相位条件时,所测的频率为振荡管的固有频率。通过对一段时间内振荡管前后两次固有振荡频率的测量,即可得到这段时间内滤膜上增加的粉尘颗粒物的质量,再除以流过滤膜的空气的总体积,即可得到这段时间内粉尘浓度[4]。

1—滤膜组件;2—驱动线圈;3—驱动侧小磁钢;4—检测侧小磁钢;5—信号检测线圈;6—振荡管;7—固定底座图1 振荡天平质量传感器Figure 1 Oscillating balance mass sensor

2 自动换膜装置结构设计

2.1 滤膜组件设计

滤膜组件由滤膜托盘和滤膜组成,由图2所示,滤膜托盘采用的是软胶材料,滤膜托盘上端凹槽处放置滤膜,滤膜托盘的凹槽中心开有小孔使得滤膜托盘下端能与锥形玻璃管顶端连接[5]。

图2 滤膜组件Figure 2 Membrane module

2.2 存膜机构设计

存膜机构由步进电机、步进电机联轴器、滤膜转盘、滤膜转盘底座、滤膜组件和接近开关传感器组成,如图3所示。滤膜转盘有六层,每层转盘上有五个直径为5.2 mm的凹槽,每个凹槽中又有一个直径为2 mm,高度为3 mm的圆柱,滤膜托盘下端通过插在圆柱上放置,每层转盘可以放置五个滤膜组件。滤膜转盘顶端为一个提手,方便将滤膜转盘与滤膜转盘底座分离,滤膜转盘与滤膜转盘底座连接,滤膜转盘底座通过步进电机联轴器和步进电机连接,滤膜转盘底座下端固定有一个接近开关传感器,用于判断转盘位置[6]。

图3 存膜机构Figure 3 Membrane storage mechanism

2.3 取膜机构设计

取膜机构由丝杆滑台1、丝杆滑台2、U型叉和接近开关传感器组成,如图4所示。丝杆滑台1和丝杆滑台2通过连接板搭成倒T型结构,U型叉固定在丝杆滑台2的滑块上,这样使得U型叉能够在水平和竖直方向上移动,丝杆滑台1和丝杆滑台2侧边都装有3个接近开关传感器,用于判断滑块负极限位置、原点位置、正极限位置[7]。

图4 取膜机构Figure 4 Membrane removal mechanism

2.4 废膜收集盒设计

废膜收集盒如图5所示,废膜收集盒上端有一个挡板和支点,通过与U型叉巧妙的配合使得滤膜组件能够滑落至废膜收集盒中。

图5 废膜收集盒Figure 5 Waste membrane collection box

2.5 装置总体结构

基于振荡天平法粉尘测量的自动换膜装置,包括存膜机构、取膜机构、废膜收集盒。丝杆滑台1和丝杆滑台2通过连接板11搭成倒T型结构,U型叉3固定在丝杆滑台2的滑块上,这样使得U型叉3能够在水平和竖直方向上移动;丝杆滑台1和丝杆滑台2上都装有3个接近开关传感器,用于判断滑块负极限位置、原点位置和正极限位置,将存膜机构固定在锥形玻璃管10右边,将废膜收集盒17固定在锥形玻璃管10左边,并且将滤膜转盘7、锥形玻璃管10、U型叉3、废膜收集盒17的中心点保持在同一条直线上,将搭好的丝杆滑台平行于存膜机构,锥形玻璃管与废膜收集盒固定,总体结构如图6所示。

1—丝杆滑台1,2—丝杆滑台2,3—U型叉,4—步进电机,5—联轴器,6—接近开关传感器,7—滤膜转盘,8—滤膜组件,9—玻璃管固定底座,10—锥形玻璃管,11—连接板,12、13、14、15、16—接近开关传感器,17—废膜收集盒图6 换膜装置整体示意图Figure 6 Overall schematic diagram of membrane changing device

2.6 换膜流程

系统上电工作时,首先通过接近开关传感器对丝杆滑台的滑块和存膜机构的滤膜转盘底座下端的圆柱型金属导体位置进行判断,让滤膜转盘和丝杆滑台1、丝杆滑台2的滑块回到设置的原点位置。当换膜控制器接到换膜指令后,换膜控制器通过丝杆滑台1和丝杆滑台2的电机转动,带动U型叉运动,U型叉根据设定好的路径先将在锥形玻璃管上端的滤膜组件取下,然后移动至废膜收集盒处,通过与废膜收集盒挡板和废膜收集盒支点的配合,使得滤膜组件自动滑落至废膜收集盒中。丢弃废膜后,根据设定好的路径将U型叉移动至滤膜转盘处取走准备好的滤膜组件,当取走滤膜组件后控制滤膜转盘下端的步进电机转动,将滤膜转盘转动一定角度,使得下一个滤膜组件正好位于上个滤膜组件的位置,然后再根据设定好的路径将U型叉移动至锥形玻璃管处,将滤膜组件压到锥形玻璃管上,完成一次换膜后,让丝杆滑台1和丝杆滑台2的滑块再次回到设定的原点位置等待下一次换膜指令[8]。

3 速度控制

自动换膜装置取膜机构的U型叉是固定在丝杆滑台的滑块上的,对U型叉的速度控制实质上就是对步进电机速度进行控制。

3.1 步进电机失步和过冲现象

步进电机在启动和停止的时候,可能会出现失步和过冲现象。一般情况下,系统的极限启动频率比较低,而要求的运行速度往往比较高。如果系统以要求的运行速度直接启动,因为该速度已超过极限启动频率而不能正常启动,轻则可能发生失步,重则根本不能启动,产生堵转。系统运行起来以后,如果达到终点时立即停止发送脉冲串,令其立即停止,则由于系统惯性作用,电机转子会转过平衡位置;如果负载的惯性很大,会使步进电机转子转到接近终点平衡位置的下一个平衡位置,并在该位置停下[9]。防止失步和过冲现象的产生是自换膜控制系统能否正常运行的关键。一般采用加减速的办法来解决步进失步和过冲的问题。因为自动换膜系统运动过程比较简单,都是简单的定长送料,所以采用了较为简单的梯形加减速算法来解决失步和过冲的问题。

3.2 梯形加减速算法原理

3.2.1 步进电机基础方程

如果要步进电机以恒定的速度旋转,就需要以固定的频率发送脉冲,通过控制器的定时器功能来实现脉冲的发送。如图7所示,t0为脉冲发送的起始时刻,t1为发送第二个脉冲的时刻,t2为发送第三个脉冲的时刻。t0与t1之间的时间间隔为δt=c0t1,其中c0为定时器在t0与t1这段时间的定时器计数值,tt为定时器的计数周期。t1与t2之前的时间间隔δt=c1t1,其中c1为定时器在t1与t2这段时间的计数值,tt为定时器的计数周期。

图7 步进脉冲时间Figure 7 Step pulse time

(1)

另外,可以得到步进电机步距角α、位置θ和速度ω计算方法:

(2)

θ=nα(rad)

(3)

(4)

其中,spr:步进电机旋转一圈的脉冲数;n:脉冲总个数;rad:弧度单位;s:秒,时间单位。

3.2.2 计算步进时间间隔

(5)

则电机旋转角度θ(即位置):

(6)

式(6)中,α:步距角;n:第n个步进脉

第n个步进脉冲后产生的轴偏移角度θ=nα,所以前n个脉冲的总时间和第n个步进脉冲的脉冲周期时间:

(7)

(8)

最终,可以求得第n个脉冲实际需求的定时器计数值:

(9)

那么,第1个脉冲的定时器计数值为:

(10)

所以:

(11)

由此,根据cn的值,可求出任意两个脉冲之间的时间间隔δt。

3.3 实际速度曲线

3.3.1 加速到给定速度

当自动换膜装置能加速到给定速度(Speed)时,在给定步数(Step)的情况下,速度从零开始加速,到达给定速度后,开始匀速运动,运动到一定步数后开始减速,最后停下来到达给定的步数。当设置的加速度(Accel)大于减速度(Decel)时,实际曲线如图8所示。

图8 加速到给定速度曲线Figure 8 Curve of accelerating to a given speed

3.3.2 未加速到给定速度

当自动换膜装置不能加速到给定速度(Speed)时,在给定步数(Step)的情况下,速度从零开始加速,运动到一定步数后开始减速,最后停下来到达给定的步数时速度为0。当设置的加速度(Accel)大于减速度(Decel)时,实际曲线如图9所示。

图9 未加速到给定速度曲线Figure 9 Curve of no accelerating to a given speed

4 位置控制

自动换膜装置取膜机构的U型叉是固定在丝杆滑台的滑块上的,对U型叉的位置控制实质上就是对步进电机位置进行控制。

4.1 原点位置搜索

在系统上电复位时,步进电机会把上电时的位置当作原点位置,在整个换膜过程中,固定在丝杆滑台滑块上的U型叉移动的距离都是在原点位置的基础上进行偏移的,但每次上电复位时原点都不一定是同一个位置。如果原点位置不确定就无法进行换膜操作,所以需要人为的设置一个机械原点,然后进行准确地原点位置搜索,让步进电机在每次上电复位和完成每一次换膜后都能回到人为设置好的原点位置[11]。丝杆滑台1和丝杆滑台2上都装有3个接近开关传感器,通过接近开关传感器判断滑块负极限位置、原点位置和正极限位置。系统上电复位时,滑块位置不确定,但可根据人为设置的负极限位置。原点位置和正极限位置将滑块所处位置分为四种情况,然后让滑块回到原点位置,如图10所示。第一种情况是滑块位于原点位置和正极限位置之间,即三个接近开关传感器都没有检测到滑块,滑块原点回归曲线如图中曲线1所示;第二种情况是滑块位于原点接近开关传感器处,即滑块被原点位置的接近开关传感器检测到,滑块原点回归曲线如图中曲线2所示;第三种情况是滑块位于负极限位置和正极限位置之间,即三个接近开关传感器都没有检测到滑块,滑块原点回归曲线如图中曲线3所示;第四种情况是滑块位于负极限接近开关传感器处,即滑块被负极限位置的接近开关传感器检测到,滑块原点回归曲线如图中曲线4所示。

图10 原点回归曲线Figure 10 Origin regression curve

4.2 原点位置误差分析

接近开关传感器是电感式的,检测原理是利用导电物体在接近这个能产生电磁场接近开关时使物体内部产生涡流。这个涡流反作用到接近开关,使开关内部电路参数发生变化,由此识别出有无导电物体移近,进而控制开关的通或断[12]。用接近开关传感器判断滑块位置时,要考虑接近开关传感器的检测灵敏度,即滑块被检测到的位置是否为同一个位置。由原点回归曲线图可知,当滑块后端被原点位置接近开关传感器检测到时滑块开始减速运行;当滑块前端刚好离开原点位置接近开关传感器时滑块停止运动,将当前滑块停止的位置记为原点位置。为了判断接近开关传感器检测滑块的灵敏度是否能达到实验的要求,做了如下实验:将数显标尺固定在滑块上,然后让滑台先进行一次原点回归,滑块回到原点位置后将数显标尺上的值清零,然后开始进行30次的重复实验,实验结果如下:

根据表1可知,滑块回归原点位置的最大误差不超过0.05 mm,而丝杆滑台的行程精度为一个丝(即0.05 mm),所以总的误差为滑块回归原点位置误差加上丝杆滑台行程精度误差。经过实验知当误差小于0.2 mm时滤膜能够更顺利更换,所以接近开关满足实验精度要求。

表1 原点回归位置误差实验数据Table 1 Experimental data of origin return position error

5 结 语

在目前粉尘测量的方法中,用传统的取样法进行粉尘测量虽然具有较高的准确度,但是由于传统的取样法测量过程较为繁琐,且大多过程需要人工参与,因而导致测量装置自动化程度低。振荡天平法测量粉尘核心思想是利用物体固有频率与其自身的质量间有某种固定的函数关系,确定了物体的固有频率就可以间接得到物体的重量。相比与传统的滤膜称重法,大大简化了测量的过程。但用振荡天平法进行粉尘测量一定时间后,随着滤膜上粉尘质量的累积,将会导致测量的灵敏度降低,进而影响测量结果,所以在测量一定时间后需要对滤膜进行更换。目前更换滤膜的方式多为人工手动换膜,而对粉尘振荡天平测量仪的自动换膜装置研究较少。本文在粉尘振荡天平测量仪的基础上,设计了一套能够实现粉尘滤膜自动更换的装置,主要包括存膜机构、取膜机构和废膜收集盒,通过梯形加减速算法对自动换膜装置速度进行控制,通过接近开关传感器,让自动换膜装置进行原点回归,实现了自动换膜装置的位置控制,最后进行了多次重复性实验保证了自动换膜装置的可靠性和准确性,进而提高了整个测量系统自动化程度,具有一定的应用前景。