粉尘浓度采样器嵌入式系统设计.doc

东北农业大学学士学位论文 学号：A07100204粉尘浓度采样器嵌入式系统设计学生姓名：闫冉指导教师：丁宝峰所在院系：电气与信息学院所学专业：电子信息工程研究方向：智能检测与控制东 北 农 业 大 学中国哈尔滨2014年5月Northeast Agricultural University Bachelors Degree Thesis ID：A07100204Dust Concentration Sampler Embedded System DesignName：Yan RanTutor：Ding BaofengCollege：College of Electronic and InformationMajor：Electronic Information EngineeringDirection：Intelligent Detection and ControlNortheast Agricultural UniversityHarbin ChinaMay 2014 粉尘浓度采样器嵌入式系统设计摘 要本文提出了一种测量气体粉尘浓度的技术方案，根据该方案设计了一种基于单片机的嵌入式粉尘浓度采样器，它具有经济实用、安全可靠、携带方便等特点，能够实现对作业场所中呼吸性粉尘、有毒气体粉尘的采样。该粉尘浓度采样器为了实现对呼吸性粉尘、气体采样功能的一体化而设计了低流量适配器；为了符合我国呼吸性粉尘采样标准曲线一BMRC曲线的要求，设计了旋风式采样头；为了能够调节采样流量和对采样时间进行定时，设计了单片机防爆控制电路；为了监测采样瞬时流量和气体累计容积选取了智能型金属转子流量计，以上几部分成为了本文设计的主要内容。通过调试采样头符合呼吸性粉尘采样标准曲线；低流量适配器的使用实现了呼吸性粉尘、气体采样一体化；该嵌入式控制电路能够实现采样流量调节、采样时间预置、采样计时、采样完成时自动停止工作并提示结束等功能，该采样器完全符合我国个体粉尘浓度采样器的设计规范。关键词：粉尘浓度；嵌入式系统；采样头；低流量适配器Dust Concentration Sampler Embedded System DesignAbstract This paper presents a gas dust concentration measurement technology programs, according to the program Research an embedded dust concentration sampler based on microcontroller unit technology. it is economical, safe, reliable, portable and convenient , can be achieved on breathing workplace dust , toxic gas dust sampling . The concentration of dust samplers in order to achieve the unity of respirable dust, gas sampling function and design of the low flow adapter ; order to comply with the sampling of respirable dust standard curve of a BMRC curve requirements, design the cyclone sampling head ; To be able to adjust sampling flow and timing of the sampling time , the design of the microcontroller unit proof control circuit ; sampling in order to monitor the instantaneous flow rate and cumulative gas volume of selected smart metal rotameter , over several parts become the main contents of this design. When the embedded control circuitry to achieve sampling flow regulator , sampling time presets, sampling time, sampling is completed ; through commissioning sampling respirable dust sampling head in line with the standard curve ; using low flow adapter to achieve a respirable dust, gas sampling integration automatically stop working and prompts end functions, the sampler is fully in line with our sampling design specifications of individual dust concentration .Keywords:Dust Concentration;Embedded Systems;Sampling Head;Low Flow Adapter 目 录摘 要IAbstractII1前言11.1选题背景及研究意义11.1.1选题背景11.1.2研究意义11.2 国内外研究综述11.2.1国外研究综述11.2.2国内研究综述21.3 本文研究内容与主要工作22 呼吸性粉尘研究概述32.1 浅谈呼吸性粉尘32.1.1 PM10的定义和对人体的影响32.1.2 PM2.5的定义和对人体的影响32.1.3 研究意义32.2 呼吸性粉尘检测的标准42.2.1 空气动力学直径42.2.2 呼吸性粉尘分离曲线42.3 呼吸性粉尘采样器的气体采样要求53 采样器的原理与呼吸性、气体粉尘采样一体化实现63.1 粉尘浓度采样器的基本结构和原理63.2 粉尘浓度采样器的设计关键63.3 呼吸性粉尘浓度采样器的组成63.3.1 呼吸性粉尘采样头73.3.2 呼吸性粉尘采样器气泵、稳流装置73.3.3 呼吸性粉尘采样器流量计装置83.3.4 呼吸性粉尘采样器采样控制电路装置83.4 气体粉尘浓度采样器的组成83.4.1 低流量适配器使用的意义83.4.2 气体粉尘采样头93.5 呼吸性、气体粉尘采样一体化的实现94 呼吸性粉尘、气体粉尘浓度采样器系统设计104.1低流量适配器的设计104.1.1 低流量适配器的运用104.1.2 低流量适配器设计的结构104.1.3 低流量适配器的设计原理114.1.4 低流量适配器的检验114.2 呼吸性粉尘采样头的设计124.2.1呼吸性粉尘采样头的选型124.2.2 旋风式采样头结构与原理124.2.3 旋风式采样头的滤膜捕集器部分选型134.2.4 旋风式采样头的预捕集器部分设计134.2.5 旋风式采样头对呼吸性粉尘的分离效率检验164.3 抽气泵的选择及稳流装置的设计174.3.1 抽气泵的选择174.3.2 微型抽气泵的检验184.3.3 稳流装置的设计194.4 流量的测定与流量调节194.4.1 流量计的使用194.4.2 金属转子流量计的结构与原理194.4.3 金属转子流量计的主要特点204.4.4 金属转子流量计的主要选型204.4.5 采样流量的调节与采样控制电路225 采样控制电路的设计235.1 直流电源235.1.1 LM7805稳压芯片介绍235.1.2 采样器电源部分的设计235.2 单片机最小系统245.2.1 系统微处理器选择245.2.2 89C52单片机部分引脚功能245.2.3 单片机的时钟震荡单路和复位电路255.3 控制按键255.3.1 开启时间预置255.3.2 预置时间265.3.3 开启风机工作265.3.4 风机工作过程265.3.5 工作结束265.4 显示功能和蜂鸣器的使用275.5风机控制电路285.6 硬件电路制作与调试285.6.1 PCB电路板绘制285.6.2 硬件电路调试296 基于单片机粉尘浓度采样器控制程序设计306.1 粉尘浓度采样器主程序流程图设计306.2 粉尘浓度采样器按键部分程序流程图设计306.3 粉尘浓度采样器采样工作部分程序流程图设计316.4 系统控制程序设计326.4.1 Keil开发平台326.4.2 C语言介绍326.4.3 基于Keil环境下C语言程序设计336.4.4 软件调试337 总结与展望347.1 总结347.2 展望34参考文献35致 谢36附 录37附录1电路图37附录2 PCB图（顶层和底层）37附录3 程序38-IV-1前言1.1选题背景及研究意义1.1.1选题背景人类的生活离不开地球表面的空气，而空气里却混合了许多无形的粉尘，这些粉尘是由各种酚类化合物和碳氢化合物的烟雾，并含有致癌性较强的成分组成。粉尘粒径小于10微米时的一些细小颗粒，将直接进入肺部组织，损伤粘膜，对人类健康造成伤害，尘埃早期可引起鼻炎、咽炎、喉炎、皮炎等症状。近年来随着我国经济的快速增长，能源机动车辆的不断增加，能源消耗量急剧加大，使得中国城市大气环境的负担越来越重。城市空气污染的主要来源就是汽车尾气的排放，而环境问题又逐渐地在阻碍我国的工业化发展。我国城市中的另一主要污染源是城市中广大居民取暖所使用的燃烧煤，使得城市大气中的硫化氢气体严重超标，特别是各家各户的日用煤炭，使得我国的资源使用效率非常低，产生的废弃物却是非常的严重。并且中国作为世界的内陆国，每年春季大风和雨水缺乏导致了空气中的悬浮物质不断增多，还有不少的沙尘暴对大气污染，使得天空中的粒子物越来越多，各种颗粒物成为了空气的主要污染。在许多相关资源类报道中，十分详细的说明了我国城市大气污染的严重和环境污染后对工业发展的滞后影响，为了走可持续发展道路，我国提出了科学发展观，实行了一系列防止城市污染的实施，特别是对城市大气颗粒物污染的管理和措施己经落实到了具体各个部门，因此粉尘监测的监测技术在这种背景下也就迅速的发展起来了，许多单位和部门还提出了对工业生产所产生的大气颗粒、污染气体和垃圾物实施具体处理的方案和细节。1.1.2研究意义 设计一个良好的粉尘浓度采样器，作为人们日常生存环境的生理指导医生，对人类生活和生产是极其重要的，正是在前人的基础上本课题的研究才得以顺应开展。设计粉尘浓度采样器，对于保证采样器分离效能、保证准确测量作业场所空气中的呼吸性粉尘、有毒气体浓度是十分必要的。通过对采样泵的选择；稳流装置的设计；呼吸性粉尘采样头的设计；低流量适配器的设计能够实现符合我国呼吸性粉尘采样标准曲线的连续多个小时恒流采样，与此同时还能实现呼吸性粉尘采样功能以及气体采样功能的一体化，也将填补我国在该种气体采样器气路系统设计方面的空白。1.2 国内外研究综述1.2.1国外研究综述目前国外的个体采样器大多能够满足对呼吸性粉尘以及气体的采样1，实现两种采样功能的一体化。进行呼吸性粉尘采样时主要是通过在采样器前端增加呼吸性粉尘采样头来实现的。60年代初期，英国、美国、日本等国相继开始研究制造个体呼吸性粉尘采样器。英国对个体呼吸性粉尘监测非常重视，在联邦政府制定的矿山安全健康法中被规定为标准采样方法。法国的有关专家认为，对从事流动性作业的接尘工人用个体采样器采样最为合适，能够真实反映工人的粉尘接触水平。根据采样头内部分离器的不同，个体采样器可分为冲击式、旋风式和向心式三种类型。旋风式采样器由于体积小，适合于个体移动采样且具有结构简单、无运动部件、分离效率高和压降适中等优点，在国外得到广泛的应用。进行气体采样时主要是通过在采样器前端增加低流量适配器或采用两个不同流量范围的抽气泵以改变采样流量来实现的。目前，世界上常见的个体采样器有TSI公司的Model SP330/SP350 SIDEPAK个体采样器、SKC公司AirChek2000微电脑空气采样器、GILIAN公司的Gilian3500等。综合国外个体采样器的动态，其系统目前应用最为广泛的是采取旋风式采样头、通过电路恒流控制的个体呼吸性粉尘采样系统；采用低流量适配器、通过电路恒流控制的个体气体采样系统。1.2.2国内研究综述目前国内还没有能够同时满足对呼吸性粉尘以及气体准确采样的个体采样器。现有的个体呼吸性粉尘采样器以及个体气体采样器也存在着不同程度的设计缺陷，例如无法准确控制采样流量、采样头的分离效能没有完全符合我国采用的呼吸性粉尘标准采样曲线等4。我国从70年代初期开始研制个体呼吸性粉尘采样器，但由于我国从1949年以来一直执行定点瞬时总粉尘浓度的粉尘监测制度，个体呼吸性粉尘采样方法在现场生产中始终没有采用，它只能供调查研究粉尘危害情况使用，在很长一段时间内都没有成为企业的常规粉尘检测方法。随着2007年新修订的标准GBZ2.2工作场所有害因素职业接触限值-化学有害因素和GBZ2.2工作场所有害因素职业接触限值物理因素的颁布，一些国产的个体呼吸性粉尘采样器也逐渐得到应用。但目前国产个体呼吸性粉尘采样器并没有得到广泛应用，一方面由于国内个体呼吸性粉尘采样器系统中的流量控制主要是通过玻璃转子流量计的控制来实现的，玻璃转子流量计自身的准确性较差，控制不方便，很难真正的实现流量的恒定；另一方面由于国内个体呼吸性粉尘采样器气路系统中呼吸性粉尘采样头的分离效能不能完全符合我国采用的呼吸性粉尘标准采样曲线。目前，国内的个体呼吸性粉尘采样器主要有常熟市矿山机电器材厂研制生产的AKFC-92G型个体粉尘采样器、化工部矿山粉尘监测分析中心研制的FGC-92X新型个体呼吸性粉尘采样器等。国内的个体呼吸性粉尘采样头的预捕集器大多为向心式和冲击式。1.3 本文研究内容与主要工作 设计一种能够实现对气体以及呼吸性粉尘采样一体化粉尘浓度采样器，同时弥补国内现有个体呼吸性粉尘采样器以及个体气体采样器系统存在的缺陷。对于个体采样器的系统设计，本文着重研究以下内容：1个体采样器气路系统抽气泵的优选：根据相关标准对抽气泵的技术性能指标要求选择合适的抽气泵，并对其性能进行检测。2个体采样器气路系统恒流采样的实现：为了实现个体采样器的真正恒流采样，选取合适的恒流技术，并对其性能进行检测。3个体采样器采样头的设计：为了使个体采样器能够满足对呼吸性粉尘的采样要求，设计满足我国呼吸性粉尘采样标准曲线的个体呼吸性粉尘采样头，并通过采样头的使用保证对呼吸性粉尘的准确采样。4个体采样器呼吸性粉尘、气体采样一体化的实现：为了使个体采样器能够满足对气体的采样，设计个体采样器低流量适配器，通过适配器的使用，将采样流量调节到适宜使用各种采样管采样的流量，满足相应的采样规范。2 呼吸性粉尘研究概述2.1 浅谈呼吸性粉尘2.1.1 PM10的定义和对人体的影响飘尘：能在大气中长期飘浮的悬浮物质，其粒径主要是小于10微米的微粒。由于飘尘粒径小，能被人直接吸入呼吸道造成危害；又由于它能在大气中长期飘浮，易将污染物带到很远的地方，导致污染范围扩大，同时在大气中还可为化学反应提供反应床。因此，飘尘是从事环境科学工作者所注目的研究对象之一。国家环保总局1996年颁布修订的环境空气质量标准（GB30951996）中将飘尘改称为可吸入颗粒物，作为正式大气环境质量标准。PM10是空气动力学当量直径小于等于10微米的可吸入颗粒物，能够进入上呼吸道，但部分可通过痰液等排出体外，另外也会被鼻腔内部的绒毛阻挡，对人体健康危害相对较小。可吸入颗粒物还具有较强的吸附能力，是多种污染物的“载体”和“催化剂”，有时能成为多种污染物的集合体，是导致各种疾病的罪魁祸首。 据有关资料显示，空气中弥漫着的可吸入颗粒物非常小，能够直达并沉积于肺部，直接参与血液循环，对人体的危害相当大。人体若吸入大量的可吸入颗粒，可以导致呼吸系统病症，例如气促、咳嗽等，并加重已有的呼吸系统疾病，损害肺部组织。而包括患有慢性肺炎、心脏病、感冒或哮喘病患者的老年人及儿童则是最易受可吸入颗粒物影响的人群。2.1.2 PM2.5的定义和对人体的影响PM2.5即细颗粒物6。细颗粒物又称细粒、细颗粒、PM2.5。细颗粒物指环境空气中空气动力学当量直径小于等于 2.5 微米的颗粒物。它能较长时间悬浮于空气中，其在空气中含量浓度越高，就代表空气污染越严重。虽然PM2.5只是地球大气成分中含量很少的组分，但它对空气质量和能见度等有重要的影响。与较粗的大气颗粒物相比，PM2.5粒径小，面积大，活性强，易附带有毒、有害物质（例如，重金属、微生物等），且在大气中的停留时间长、输送距离远，因而对人体健康和大气环境质量的影响更大。2013年2月，全国科学技术名词审定委员会将PM2.5的中文名称命名为细颗粒物。细颗粒物的化学成分主要包括有机碳（OC）、元素碳（EC）、硝酸盐、硫酸盐、铵盐、钠盐（Na+）等。研究表明，颗粒越小对人体健康的危害越大。细颗粒物能飘到较远的地方，因此影响范围较大。细颗粒物对人体健康的危害要更大，因为直径越小，进入呼吸道的部位越深。10微米直径的颗粒物通常沉积在上呼吸道，2微米以下的可深入到细支气管和肺泡。细颗粒物进入人体到肺泡后，直接影响肺的通气功能，使机体容易处在缺氧状态。2.1.3 研究意义研究设计呼吸性粉尘采样器，这对于保证采样器分离效能、保证准确测量作业场所气中的呼吸性粉尘、气体粉尘浓度是十分必要的。通过对呼吸性粉尘采样头的设计；抽气泵的选择；稳流装置的设计；恒流技术的选择；低流量适配器的设计能够实现符合我国呼吸性粉尘采样标准曲线的连续恒流采样，还能实现呼吸性粉尘采样功能以及气体采样功能的一体化，而这也将填补我国在该种气体采样器气路系统设计方面的空白。2.2 呼吸性粉尘检测的标准2.2.1 空气动力学直径由于作业场所空气中的粉尘其几何形状和密度各不相同，粉尘在呼吸道沉着与粉尘颗粒的几何学直径并无明显的相关性，而与其空气动力学直径密切相关。所谓空气动力学直径是指某一种粉尘粒子，不论其直径大小、密度及几何形状，只要它在空气中的沉降速度与一种密度为1的球形粒子的沉降速度一样时，则这种球形粒子的直径可作为该粉尘粒子的空气动力学直径。空气动力学直径有以下特征： 1同一空气动力学直径的尘粒，在大气中具有相同的沉降速度和悬浮时间。 2同一空气动力学直径的尘粒，趋向于沉降在人体呼吸道内的相同区域。 3同一空气动力学直径的尘粒，在透过滤膜、旋风器和其他除尘装置时，具有相同几率。4同一空气动力学直径的尘粒，在进入粉尘采样器系统时具有相同的几率。2.2.2 呼吸性粉尘分离曲线 20世纪中叶，英、美等国开展研究粉尘在肺泡区的沉降规律，由此制定出呼吸性粉尘分离曲线7。 B曲线的定义：1952年英国医学研究委员会(BMRC)将呼吸性粉尘定义为：能进入肺部最深处肺泡内的粉尘。并于1959年召开的约翰内斯堡尘肺国际会议上提出并通过了呼吸性粉尘采样器的粉尘分离曲线，即BMRC曲线，简称B曲线，如图2-1所示中B曲线所示。该曲线规定的呼吸性粉尘是指空气动力学直径均在7.07um以下，5um粉尘的沉积效率为50%的粉尘。根据曲线研制的呼吸性粉尘采样器具有下列粒子分离特性：式中：P是沉积率；D是粉尘空气动力学直径；D0是7.0um粉尘直径。A曲线的定义：1961年美国原子能委员会(AEC)提出了AEC曲线，。将呼吸性粉尘定义为能到达呼吸性细支气管以下肺泡区的尘粒。1968年美国政府工业卫生协会(ACGIH)对AEC曲线稍加修改，即将小于或等于2um的粒子的沉积率定为75%，并提出了ACGIH曲线，简称A曲线，如图2-1所示。英国医学研究委员会规定的呼吸性粉尘标准的尘粒最大空气动力学直径为7.07um，5um粉尘沉积效率为50%。日本和德国所使用的呼吸性粉尘沉积效率曲线与之相同。美国原子能委员会将呼吸性粉尘标准最大空气动力学直径定为10um，3.5um粉尘沉积效率为50%。将呼吸性粉尘分离曲线作为采样标准曲线，可以用于研制和鉴定呼吸性粉尘采样器。目前，国际上存在着两条得到国际标准化组织的推荐和承认的呼吸性粉尘分离标准曲线：BMRC曲线和ACGIH曲线，选取任何一条都是合适的，但是一个国家应该有一个统一的标准，特别是在制定呼吸性粉尘浓度标准时，确定呼吸性粉尘采样标准曲线是前提条件。我国选取B曲线，这样有利于我国在测尘、防尘、尘肺研究方面的交流，此外，还从如下几方面综合考虑：1BMRC曲线的理论模型是以粉尘的肺部沉积的主要机理为分离基础，并确定这是导致尘肺病发生的主要原因。我国目前尘肺相当严重，所以制定呼吸性粉尘标准时，应重点考虑进入肺泡所引起尘肺病的那部分粉尘，这正是BMRC曲线的特点。2BMRC曲线比ACGIH曲线表示累积的呼吸性粉尘量要大，即呼吸性粉尘占总粉尘的比例大。因此BMRC曲线比ACGIH曲线要求的更严格。在我国目前粉尘危害尚很严重的情况下，选取严格些的曲线设计粉尘采样器更为适宜。31967年召开的国际卫生组织会议通过了BMRC曲线。目前世界各国采用BMRC标准曲线的较多，我国选取这一曲线也有利于与世界各国进行比较。图2-1 几种典型的呼吸性粉尘分离曲线（C曲线为肺泡沉积曲线）2.3 呼吸性粉尘采样器的气体采样要求 呼吸性粉尘采样器是一种能对作业场所空气中粉尘实现呼吸性粉尘分离采样，并由作业场所接尘工人直接佩戴的采尘仪器。 其气路系统应具备以下基本要求：1能按规定的呼吸性粉尘采样标准曲线(BMRC曲线)分离出呼吸性粉尘并单独收集。2具有足够准确可靠的采样流量，流量范围应与采样头所需流量匹配。3在4.0KPa的阻力下，采样流量能够保持稳定，波动不大于士5%。4尺寸小、重量轻，便于作业工人佩戴而不影响其正常工作。3 采样器的原理与呼吸性、气体粉尘采样一体化实现3.1 粉尘浓度采样器的基本结构和原理 该系统由单片机计时控制电路、采样头、风泵、流量计、电源等部分构成了粉尘浓度采样器的基本组成部分，其结构如图3-1所示。图3-1 采样器工作主要组成部分 在第一级和第二级风泵的作用下，附近粉尘气流可从装有涂油薄膜和滤膜的采样头进入（在采样器中运用不同的采样器件可以采集不同类型粉尘），经过第一级和第二级抽风泵及流量计，从排气口排出。含尘气流通过涂油滤膜和滤膜后，其中的粉尘被阻留在涂油滤膜和薄膜上，若保持恒定的流量，经过一定时间后，可由下列公式计算出含尘气体的粉尘浓度。式中：C为粉尘浓度，单位mg/；W1为涂油滤膜和滤膜采尘前的重量，单位g；W2为涂油滤膜和滤膜采尘后重量，单位g；Q为采样流量，单位/min；T为采样时间，单位min。3.2 粉尘浓度采样器的设计关键 粉尘浓度采样器设计的关键问题有如下几部分： 1粉尘采样器针对不同环境，其结构和功能也有所不同。针对于对呼吸性粉尘的采集，需要选择合适的采样头，目前市场上个体呼吸性粉尘采样器的采样头，主要有向心式、冲击式、旋风式等，选择合适的采样头对采样器功能的实现起着至关重要的作用。针对于非呼吸性空气粉尘浓度采样时，需要使用低流量适配器和非呼吸性气体采样头。 2在粉尘采样过程中，需要控制气体流量的稳定，在随着采样时间变化，采样气体的流量会受动一定的影响，选择合适的抽气风泵和稳流装置，这样在电压降低和阻力增加情况下还能控制抽气流量在一定范围内小额变化，这对采样器的稳定性起决定性作用。 3当稳流设备到达极限，采气流量发生过大变化时，采样器能否通过调节从而达到稳定流量的目的，这对采样器的可承受阻力范围也有重要的影响。 4粉尘浓度采样器能否保持一定的低流量采样，这对采样灵敏度也有着极大的影响。综合以上各点，在设计粉尘浓度采样器过程中，需要我们改进和提升的空间还很大，如果选择更为合适的器件和可靠的稳定采样的措施，这样可以对粉尘浓度采样器就有了极大的增强。3.3 呼吸性粉尘浓度采样器的组成 不同型号的呼吸性粉尘采样器的结构虽然有所不同，但基本上都是由采样头、抽气泵、稳流器、流量计、计时控制等几部分组成。如图3-2所示。图3-2 呼吸性粉尘采样器系统组成3.3.1 呼吸性粉尘采样头 个体呼吸性粉尘采样头个体粉尘采样器配用的采样头为呼吸性粉尘采样头8，由两级组成。第一级为预捕集器，用于采集非呼吸性粉尘；第二级为滤膜捕集器，用于采集呼吸性粉尘。采样头分离呼吸性粉尘的原理主要分为冲击分离原理、旋风分离原理和向心冲击原理三种，其相应的采样头类型如图3-3所示。锥形管嘴滤膜冲击板滤膜孔板旋风体滤膜图3-3 冲击式、旋风式、向心式采样头 冲击式采样头：含尘气流进入采样头后，由于惯性作用，通过喷孔的含尘空气以一定的速度流向冲击板。由于气流方向改变，一部分粗大颗粒粉尘撞击在涂有硅油的冲击板并粘附在其上，被冲击板捕集下来，小颗粒粉尘即呼吸性粉尘随抽气气流行进，被滤膜阻留9。 旋风式采样头：旋风式采样头是利用离心力的原理将较大颗粒的粉尘推向管壁而被捕集，剩留的呼吸性粉尘细小粒子由中心管排出。也就是当含尘气流进入旋风式分离器后，即产生旋转气流，由于重力的作用，大颗粒粉尘落在下部的集尘装置内，小颗粒粉尘即呼吸性粉尘随气流向上进行最终被阻留在滤膜上。向心式采样头：当含尘气流进入采样头后，由于受到惯性力的作用，大颗粒粉尘进入三角锥形的集尘盒内，小颗粒粉尘即呼吸性粉尘随气流向下被阻留在滤膜上。个体呼吸性粉尘采样头虽然分离原理不同，但对其的基本要求均为：分离效率符合国家规定的粉尘采样标准曲线；气密性好；质量轻，易于固定。3.3.2 呼吸性粉尘采样器气泵、稳流装置 稳流器由于抽气泵性能要求中规定抽气泵的采样流量必须稳定，若存在脉动气流，通常在设计中增加消除脉动气流的缓冲装置，以保证抽气泵气流为无脉动气流。目前多在抽气泵前增加一个稳流盒，或与泵设计为一体的缓冲装置。 抽气泵为了保证所采集样品的准确性，对个体呼吸性粉尘采样器抽气泵有如下性能要求：1要求抽气泵的采样流量稳定，保证采样气流为均匀气流，从而使呼吸性粉尘采样头对呼吸性粉尘具有稳定可靠的分离特性，采样流量范围应与呼吸性粉尘采样头所需流量匹配。2要求抽气泵有良好的负载特性。即当抽气阻力随时间增加而增加时，流量不会明显下降。3一般要求抽气泵的使用寿命在设计抽气流量下不低于3000小时，声功率级在其最大抽气流量的情况下应小于60dB。3.3.3 呼吸性粉尘采样器流量计装置流量计的使用便于采样过程中流量的读取，也可以针对瞬时流量而人为的小范围流量的调整，在流量计的使用方面，应该注意以下事项。 流量计在呼吸性粉尘采样器中的使用一般为玻璃转子流量计、金属转子流量计，但目前玻璃转子流量计只能显示瞬时流量，人为的对于抽样总时间的情况下气体体积的计算并不标准，所以选择智能型金属转子流量计，可显示采样瞬时流量值，也可以显示采样累计气体体积值，这样对于采样器的精确度就有了很大的提高。3.3.4 呼吸性粉尘采样器采样控制电路装置 单片机计时控制电路由51单片机、按键、7段LED显示、晶体管、直流电源等部分构成，主要是对于采样时间预置和计时，该部分电路也可以通过调节滑动变阻器从而改变抽风泵的转动速度，使得采样流量符合采样头的采样标准，当采样流量受到较大影响时可以进行人为的调节，从而保证采样流量恒定。3.4 气体粉尘浓度采样器的组成与呼吸性粉尘浓度采样器不同的是气体粉尘浓度采样器不需要特定的呼吸性粉尘预捕集器，为了实现气体粉尘浓度的采样，在采样头进气口安装低流量适配器，这样就可以完成气体粉尘浓度采样，其他部分的设计和呼吸性粉尘浓度采样器一样，具体部分如图3-4所示。图3-4 气体粉尘采样器组成3.4.1 低流量适配器使用的意义GBZ160一2007工作场所有毒物质的测定中对呼吸性粉尘与对气体采样流量的要求不同，对于呼吸性粉尘的采样流量要求为1.00L/min。对酯类、腈类等大部分气体的采样流量要求为0.05L/min，此外还有一小部分气体的采样流量较为特殊，例如有机磷农药气体的采样流量要求为0.10L/min。如果采样器所使用的微型抽气泵采样流量标准1.0Lmin，首先可以通过改变电路部分抽气泵电机两端电压，使得采样流量稳定在1.0Lmin。通过设计一种低流量适配器，可以让抽气泵在工作电压不改变的情况下，即抽气泵转速不变的情况下，通过低流量适配器的调节，使得采样流量可以从大约0.04Lmin变化到大约1Lmin，这样就可以对有毒空气粉尘浓度进行采样了。3.4.2 气体粉尘采样头气体采样头不需要呼吸性粉尘采样头，所采集的粉尘大部分为大颗粒物质，所以使用气体粉尘采样头就可以进行采样，但本文所设计的旋风式采样头设计可满足呼吸性粉尘、气体粉尘采样一体化的实现，所以使用同一款旋风式采样头即可。3.5 呼吸性、气体粉尘采样一体化的实现在采样器气路系统中，为了进行呼吸性粉尘和气体粉尘的采样，采样流量己固定在1.0L/min，而呼吸性粉尘采样流量显然无法满足气体采样流量的要求，因此要想实现个体呼吸性粉尘、气体采样功能的一体化，必须解决采样流量不可调的问题。如果采样器所使用的微型抽气泵采样流量标准1.0Lmin，首先可以通过改变电路部分抽气泵电机两端电压，使得采样流量稳定在1.0Lmin。通过使用低流量适配器，在抽气泵转速不变的情况下，通过低流量适配器的调节，使得采样流量可以从大约0.04Lmin变化到大约1.0Lmin。这样做的好处在于可以不调节低流量抽气泵的电压，使得抽气泵在呼吸性粉尘浓度采样转速标准情况下，可以通过低流量适配器来调节气体流量的变化，从而达到呼吸性粉尘、气体粉尘浓度采样一体化的目的。4 呼吸性粉尘、气体粉尘浓度采样器系统设计4.1低流量适配器的设计4.1.1 低流量适配器的运用 目前主要是通过以下步骤实现个体呼吸性粉尘、气体采样功能一体化：1采用两个采样流量可调节范围较宽的，采样流量1.0Lmin的抽气泵，并通过电路控制系统调节气泵工作电压，进而改变泵的流量，最终使气体采样流量接近1.0Lmin的要求。2使用低流量适配器，使得采样流量可以从大约0.04Lmin变化到大约1Lmin。低流量适配器的主体结构为一三通管道，低流量适配器能够在无需改变抽气泵流量的前提下通过改变三通管道旁支管断面面积来改变合流进总管的气体流量，由于管路中的总流量恒定，即改变了支管中的气体流量，最终满足个体气体采样流量的要求。 当进行呼吸性粉尘浓度采样时，我们可以使用如下的工作方式，如图4-1所示；如果进行气体粉尘采样时，可以使用如下工作方式，如图4-2所示。图4-1 呼吸性粉尘浓度采样图4-2 气体粉尘浓度采样4.1.2 低流量适配器设计的结构通过对于本采样器采样设计要求的分析，我们可以通过理论的计算和实验设计出符合采样器采样标准的低流量适配器，使得可调范围从开始的0.04Lmin到1.01Lmin进行变化。本采样器所使用低流量适配器的主要规格如图4-3所示。图4-3 低流量适配器的三通管道图低流量适配器由三通管道、开槽盘头螺钉、采样管置放管等几部分组成。其中三通管道是低流量适配器的主体部分，它是实现低流量采样的关键；开槽盘头螺钉安装在三通管道的旁支管3管道中，用于在小范围内调节采样流量；采样管置放管是指嵌套在2管口能够方便采样管的携带的管道。低流量适配器的三管道中1管为总管道，2管为支管道，3管为旁支管道，采用3个管道均为圆管道，旁支管与主管道90度夹角的设计。低流量适配器的工作原理是当气体从1管进入三管道后，通过在一定范围内利用开槽盘头螺钉人为的改变三通旁支管断面面积来改变合流进支管2的气体流量，由于总管道1管中的总流量恒定，即改变了支管道2管的气体流量，从而将采样流量调整到想要的流量范围，满足对酯类、腈类等有毒气体采样规范的要求。4.1.3 低流量适配器的设计原理低流量适配器的理论设计就流体力学观点而言，可分别以连续性方程与伯努利方程描述，前者描述风量与风速之间的关系；后者描述风速与压力之间的关系。流体连续性即为流体在流动时成连续不中断的状态，假设在同一管道中有不同横截面积为S1和S2的两处断面，两断面气体平均流速为V1和V2，气体流量为Q1和Q2，当空气密度无明显变化时则Q1=Q2，。当导管断面积缩小时，风速提高；反之当导管断面积增加时，风速降低。此外沿导管任一点，只要气体流量Q、风速V与断面积S中任两者为己知，即可依据Q=VS的关系求得第三个数据。在流体力学中我们不得不考虑在工程的设计计算中，根据流体接触的边壁沿程是否变化，把能量损失分为两类：沿程损失和局部损失。伯努利方程只是压强、速度以及能量损失三部分之间关系的方程式2,通过任意不同两断面都可以列出不同的方程式。所以在三通管道中建立连续性方程以及伯努利方程后，可通过代入己知的设计参数求解出满足流量要求的三通旁支管道3管断面面积的范围，从而求解出3管道直径D3的值。4.1.4 低流量适配器的检验最终确定设计的主要参数为L1=20mm，L2=20mm，L3=12.5mm，D1=3mm，D2=3mm，D3=1.34mm。当通过对低流量适配器进行数据检验时，在低流量适配器的2管道接入常用的热解吸型活性炭管，实验系统连接如图4-4所示。 图4-4 低流量适配器采样流量检验图启动采样泵，采样泵采样流量设定为1.00Lmin。分别测量开槽盘头螺钉全部旋开以及全部闭合时的采样流量，实验数据如表4-1所示。可见接入低流量适配器后的采样流量在均在0.05Lmin一1.00Lmin范围内，因此本文所设计的低流量适配器能够初步满足气体粉尘采样的流量要求。使用低流量适配器进行气体粉尘采样之前，应调整开槽盘头螺钉旋入程度，并使用流量计校核采样流量，使其满足采样规范中对采样流量的要求，方可进行气体采样。表4-1 低流量适配器采样流量检验数据开槽盘头螺钉全部旋开开槽盘头螺钉全部闭合实验序号接入低流量适配器后的采样流量 （L/min）实验序号接入低流量适配器后的采样流量（L/min）10.0511.0620.0420.9930.0430.98平均值0.04平均值1.014.2 呼吸性粉尘采样头的设计4.2.1呼吸性粉尘采样头的选型 呼吸性粉尘采样头主要有冲击分离原理、旋风分离原理和向心原理三种。个体呼吸性粉尘采样头虽然分离原理不同，但要求其分离特性都符合国家规定的呼吸性粉尘采样标准曲线，其目的均是过滤大颗粒的非呼吸性粉尘，捕捉呼吸性粉尘。根据不同的采样需要，应选择相适应的呼吸性粉尘采样头。作为个体采样装置，选择旋风式采样头或向心式采样头更为方便。 本文选择的是旋风式采样头，这是由于旋风式采样头具有结构简单、无运动部件、分离效率高和压降适中等特点。而冲击式采样头和向心式采样头分离效率易变，且与采样时间长短等因素有关。目前国外大多数个体呼吸性粉尘采样器均采用旋风式采样头，该种采样头的分离特性能够较好的满足相应要求。4.2.2 旋风式采样头结构与原理旋风式采样头的结构由三部分组成，如图4-5所示。第一部分为滤膜捕集器，用于采集呼吸性粉尘；第二部分为旋风式预捕集器10，如图4-6所示，用于分离呼吸性粉尘和非呼吸性粉尘；第三部分为集尘器，用来收集被旋风式预捕集器捕集的非呼吸性粉尘。旋风式采样头的工作原理是：一定体积的含尘空气在微型气泵的作用下，进入旋风式采样头，粉尘经预捕集器分离后，非呼吸性粉尘由预捕集器的排尘口排出而被捕集到集尘器中，呼吸性粉尘由预捕集器的排气管进入并被阻留在滤膜捕集器中已知质量的滤膜上。根据采样后滤膜的粉尘增量，即可计算出作业场所空气中呼吸性粉尘浓度。旋风式采样头的设计主要集中在预捕集器的设计上。旋风式采样头滤膜捕集器的设计主要参照国家标准GB/T 17061-1997作业场所空气采样仪器的技术规范以及AQ4204一2008呼吸性粉尘个体采样器。排尘管锥体进气管排气管筒体 图4-5 旋风式采样头 图4-6 旋风式预捕集器 4.2.3 旋风式采样头的滤膜捕集器部分选型 旋风式采样头滤膜捕集器用于捕集呼吸性粉尘。旋风式采样头滤膜捕集器的设计主要参照滤膜捕集器的设计参照国家标准GB/T 17061一1997作业场所空气采样仪器的技术规范。GB/T 17061一1997中所包括的滤膜捕集器有铝合金采样夹、小型塑料采样夹、粉尘采样夹。由于AQ4204一2008呼吸性粉尘个体采样器中对滤膜捕集器所使用的滤膜有效直径规定为(23士1)mm，因此本文选用小型塑料采样夹作为旋风式采样头的滤膜捕集器，并将其与旋风式预捕集器设计为一整体。 4.2.4 旋风式采样头的预捕集器部分设计4.2.4.1 旋风式预捕集器的结构与原理一般的旋风式预捕集器由进气管、排气管、排尘管、筒体及锥体组成，结构如图4-6所示。旋风式预捕集器的结构以及工作原理与旋风除尘器的工作原理一致，其实质为一种特殊的旋风除尘器。流体沿与器壁相切的入口进入筒体，器壁迫使其旋转，向下延伸一定长度后，再迫使流体返转向上。这股向下的气流形成外涡旋，外涡旋逐渐到达器体底部，气流中的非呼吸性粉尘在离心力的作用下被甩向器壁，由于重力和气流的带动作用，尘粒沿器壁进入排尘管而被捕集。呼吸性粉尘随气流向下延伸一定长度后，到达器体底部后，沿器体的轴心部位返转向上，形成上升的内涡旋，仍保持同方向的旋入排气管。我们称这种流动为“双螺线流动”，其模型称“主流动模型”。虽然这种流动在器内所有的流体旋转方向一致，但靠外器壁的流体为向下流动，靠近中心的流体为向上流动，这就形成了轴向速度为零的界面，把旋涡流分成内外两层，故“双螺线流动”亦称为“双旋涡流动”。4.2.4.2 旋风式预捕集器的理论依据由于旋风式预捕集器的工作原理与旋风除尘器一致，都是利用了惯性力和重力的作用，其实质为一种能够分离细微粉尘的特殊旋风除尘器，因此可将旋风除尘器的相关理论推广到旋风式预捕集器中，对于旋风式预捕集器的分析理论一般可分为三种：1转圈理论是由Rosin等人在1932年提出的，它是在重力沉降室分离理论的基础上发展来的。在沉降室中，粉尘受重力作用向下沉降，同时粉尘又以水平方向速度向前移动，只要沉降室有足够的长度，则粉尘颗粒就能到达沉降室底板而分离。旋风除尘器也有径向向外的离心沉降速度，也有旋转切向速度，如果旋转圈数足够多，则粉尘就能从内筒半径到达外筒边壁处的分离界面而分离。这一理论的研究以Rosin、First等为代表。但是转圈理论所做的一些假设过于粗糙，与实际情况往往有一定的差异，这是由于：该理论对分离器内部流场的认识还不够全面，只考虑离心力对颗粒的作用，而忽略了向心流对颗粒的阻力；颗粒分离只认为是在圆柱段进行的，而实际气体旋转将延伸到锥顶附近，圆锥长度对颗粒的分离也有作用；Rosin假设在半自由旋流区为等速流，但是事实上这是不可能的，而且气体在分离器内的转圈数，也是较难测定的。 2筛分理论认为每一粉尘颗粒都同时受到方向相反的两种推移作用， 即由旋涡流场的惯性离心力使颗粒受到向外推移的作用，由于汇流场又使得颗粒受到向内漂移的作用。离心力的大小与粉尘颗粒的大小有关，颗粒越大离心力越大，因而必定有一临界粒径d 50um，向外推移作用大于向内漂移作用，结果被推移到旋风分离器壁附近，粉尘浓度大到运载介质的极限负荷浓度时，则粉尘被分离出来。相反，凡d50um的粉尘颗粒，向内漂移的作用力大于向外推移的作用而被带到上升的强制涡核心部分，随着外排气流而排离旋风分离器。这一理论的研究以Barth等为代表。 3边界层理论认为在旋风分离器任一截面上固相颗粒的浓度分布是均匀的，但流体在靠近壁面处的边界层内是层流流动，只要颗粒在离心效应下进入边界层内，颗粒的运动由旋转转变为自由沉降扩散运动即视为被捕集分离，以D.Leith等的研究为代表。 综合比较上述三种旋风除尘器的分离机理，转圈理论一方面由于考虑的因素不够全面，另一方面这种理论往往是基于某一特定的旋风式分离器理论模型，在应用上具有很大的局限性。筛分理论以及边界层理论则