[实用新型]采样泵的恒流量控制装置

说明书

本实用新型涉及一种环境监测用采样泵（器）的流量自动控制装置。

目前国内生产的各种流量规格的便携式采样泵（器）均不具有流量自动控制功能，此缺陷会引起以下两个问题：1.总采气量不准。因为总采气量的计算式为：V＝Qt。式中Q－单位时间内采气体积，即体积流量，升／分；t－总采样时间，分。随着被采集物（如：粉尘）在滤料上的积累，抽气阻力不断上升，电动机转速因负载增加而降低，致使采气流量下降，Q值不能保持在所要求的范围内，因此，总采气量的计算值与实际值之间必然出现误差。补救办法是取采样流量初始读数与终止读数的算术均值。这样处理的结果不仅给采样工作带来诸多不便，而且不可避免的会引入误差；2.不能用来采集可吸入性粉尘或呼吸性粉尘。因为在这种情况下需要在采样头上附加粉尘粒径分级器，以期将总粉尘分级，这就要求含尘气体流速恒定，最大变化幅度≤5％，超出此范围将导致分级结果无意义。

有些产品的设计试图采用电动机稳速或稳定电枢电压的措施来解决采样泵的恒流量控制问题，但是，稳速不能恒流。这是因为泵的吸入口位于阻力（采样头）之后，即处在负压下，随着抽气阻力的升高，空气的密度也逐渐减小。在这种情况下即使控制了电动机的转速恒定，也只能保持泵在单位时间内的抽气次数和吸入或排出的几何容积不变，但实际的抽气量较之常压下已有相当差异，尤其在采用薄膜泵结构时，膜片在负压下还会发生变形，更不能保持常压下的抽气量。

国外虽有带流量控制的采样泵，但多用于个体采样，最大流量不超过4.5升／分。在环境监测常用范围（5～80升／分）内的恒流量采样泵（器），国内外均未见报道（「查新证明」附后）。

由此可见，采样泵（器）的恒流量控制装置，是解决现代环境监测和劳动保护检测的关键技术之一。

本实用新型的目的是提供一种由直流永磁式电动机拖动的采样泵的恒流量控制装置，所采取的控制策略是：随着抽气阻力的增加，电动机的转速和转矩也随之增加，从而保持实际抽气量在额定值的允许变化范围内。

1）永磁式直流电动机的机电模型（图1）

电枢由电阻Ra和电感La串联模拟，Vg为电枢电压，ω为角速度，Tg为电磁转矩，T1、Tj和Tf分别表示负载转矩、惯性转矩和摩擦转矩，电枢回路电压方程为：

Vin（t）＝Ra≠Ia（t）＋La［di（t）／dt］＋Vg（t）    ┈┈┈（1）式中（1）写成Laplace变换式：

Vin（s）＝（Ra＋LaS）Ia（s）＋Ke≠Ω（s）    ┈┈┈（2）由此得电机转速方程为：

Ω（s）＝Vin（s）／Ke＋（Ra＋LaS）≠Ia（s）／Ke    ┈┈┈(3)式（3）说明：在无测速元件的情况下，可由电压和电流来反映速度信息。

2）.速度负反馈控制系统

由电压负反馈和电流正反馈构成，图3为方框图，图中电压负反馈环可简化成具有传递函数为A（s）＝K（s）／1＋A（s）≠K（s）的环节。当线性放大器的增益足够大时，A（s）≠K（s）>>1，A（s）＝1／α（s）。应用Mason′s准则推导出系统的传递函数：

电机转速与转速设定值之间

Tl（s）（4）

电机转速与负载扰动之间

T2（s）＝

电机转速作为系统的参数方程

T（s）＝T1（s）≠Ωin＋T2（s）≠T1（s）

＝ (Kt≠A(s)≠Ωin-［R+LaS-A(s)≠β(s)］≠Tl(s))/(Kt≠Ke+(SJ+D)［R+LaS-A(s)≠β(s)］) （6）

从式中不难看出，欲使转速对于负载的敏感度最低（即：具有不变性），电压与电流的反馈比应等于A（s）≠β（s），且尽可能接近Ra＋LaS之值，使［Ra＋La－A（s）≠β（s）］最小。

3）按上述原则设计的控制系统，属于转速对于负载转矩具有不变性的范畴，仍为稳速控制，故必须在此基础上附加按上升的阻力值提高转速、转矩的给定分量，构成增速控制系统，向电动机增供的这部分能量，恰用来弥补气体状态变化而导致实际流量不足的部分，实现增速的方法是在上述原则的基础上，增加β（s）中的正反馈量，使得式（6）中的分子项在负载转矩T1增加时出现正的增量，作为增速之用，具体实现措施是选取合适的Rs值。根据图2的电路原理和推导出的方框图（图3），选取Rs的步骤分两步：第一步，按转速对负载不变原则计算Rs的理论值，过程如下：

∵A（s）＝ ((Rf+Zf)×270)/(R2≠Rf) ，β（s）＝ (R2≠Rs)/270 ，