摘要：為精確測(cè)定空氣中的粉塵濃度，并解決手動(dòng)換膜所帶來的精度問題，本研究深入探討了粉塵采樣器的運(yùn)行原理?；诖?，研發(fā)了一種新穎的自動(dòng)換膜裝置，該裝置由濾膜單元、下料、送料、夾緊以及彈出等多個(gè)機(jī)構(gòu)組成。文章還探討了自動(dòng)控制技術(shù)在自動(dòng)換膜裝置中的具體應(yīng)用。該裝置能夠及時(shí)檢測(cè)濾膜的導(dǎo)通性，并在導(dǎo)通性降低時(shí)自動(dòng)更換濾膜，從而顯著提高了粉塵采樣的準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞：粉塵采樣器；自動(dòng)換膜裝置；曲柄滑塊機(jī)構(gòu)

隨著環(huán)境污染問題的加劇，對(duì)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)的需求日益迫切。粉塵采樣器作為一種關(guān)鍵的空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)設(shè)備，在環(huán)境保護(hù)和工業(yè)等領(lǐng)域扮演著重要角色。然而，傳統(tǒng)的手動(dòng)更換濾膜方式存在諸多弊端，例如人工操作的不穩(wěn)定性，以及未能及時(shí)更換濾膜導(dǎo)致的測(cè)量誤差增加等問題。在這樣的背景下，研發(fā)一種自動(dòng)換膜裝置顯得尤為重要和具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。這種裝置能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)濾膜的導(dǎo)通性，并在需要時(shí)自動(dòng)完成濾膜的更換，從而顯著提升了粉塵采樣器的操作穩(wěn)定性和測(cè)量準(zhǔn)確性。

一、粉塵采樣器的工作原理

粉塵采樣器是監(jiān)測(cè)空氣質(zhì)量的重要工具，由抽氣泵、控制電路、電源電路、輸入鍵盤、流量傳感器及粉塵采樣頭等多個(gè)核心部件構(gòu)成。其基礎(chǔ)運(yùn)行原理在于，依賴自動(dòng)換膜裝置來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的采樣流程。圖1直觀展示了粉塵采樣器的工作原理。

圖1 粉塵采樣器工作原理圖

粉塵采樣器自動(dòng)換膜裝置能夠精準(zhǔn)地將濾膜組件輸送到指定工作位置，并同步開啟抽氣泵。在抽氣泵產(chǎn)生的負(fù)壓作用下，空氣經(jīng)由粉塵采樣頭被吸入采樣器，空氣中的粉塵顆粒被濾膜捕獲。流量傳感器在此過程中實(shí)時(shí)監(jiān)控并調(diào)控采樣流量，以保障采樣的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性。完成采樣后，自動(dòng)換膜裝置會(huì)自動(dòng)卸下已采樣的濾膜，并完成后續(xù)的稱重分析，同時(shí)裝載新的濾膜組件，以此為后續(xù)的采樣工作做好準(zhǔn)備。整個(gè)采樣過程由單片機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制，操作者可以通過控制鍵盤輸入?yún)?shù)設(shè)置，實(shí)現(xiàn)參數(shù)設(shè)置與結(jié)果顯示[1]。這種自動(dòng)化采樣的方式簡(jiǎn)化了操作流程，顯著提高了采樣效率，減少了人為操作的不確定性，從而確保了采樣結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性。隨著環(huán)境污染問題的加劇，對(duì)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)的需求日益迫切，粉塵采樣器的自動(dòng)化功能使得粉塵監(jiān)測(cè)變得更為快捷、高效和方便，這對(duì)于環(huán)境衛(wèi)生監(jiān)控和職業(yè)健康保護(hù)尤為重要。

二、自動(dòng)換膜裝置設(shè)計(jì)

自動(dòng)換膜機(jī)構(gòu)主要包含下料機(jī)構(gòu)、傳送送料機(jī)構(gòu)以及夾緊彈出機(jī)構(gòu)等關(guān)鍵部件。在工作時(shí)，濾膜組件會(huì)按照預(yù)設(shè)順序通過下料機(jī)構(gòu)完成下料，然后經(jīng)傳送機(jī)構(gòu)被送至工作導(dǎo)軌。隨后，送料機(jī)構(gòu)將濾膜組件精確地送至采樣位置，并由夾緊機(jī)構(gòu)固定，確保濾膜組件位于導(dǎo)軌平面下方8mm的位置以開始采樣[2]。采樣結(jié)束后，彈出機(jī)構(gòu)會(huì)將濾膜組件彈回到導(dǎo)軌平面，再由送料機(jī)構(gòu)將其送出，以便完成后續(xù)的稱量操作。

（一）濾膜組件

濾膜組件是自動(dòng)換膜裝置中的核心構(gòu)成，它由濾膜上蓋、符合國家標(biāo)準(zhǔn)尺寸的濾膜、濾膜壓片及濾膜下蓋等部件組成。其中濾膜具體規(guī)格為直徑40毫米（Φ40mm）、厚度1毫米（×1mm）。這一標(biāo)準(zhǔn)尺寸確保了濾膜的可互換性和一致性。濾膜組件通過濾膜上蓋與濾膜下蓋的螺紋連接完成整合，形成一個(gè)密封的整體。采用螺紋連接的方式既可靠又簡(jiǎn)單，保證了濾膜組件的密封性和穩(wěn)定性。這種連接方式也使得濾膜組件能夠輕松地進(jìn)行拆卸和更換，提高了維修和維護(hù)的效率。此外，選擇合適材質(zhì)的濾膜至關(guān)重要，濾膜需要具有較好的過濾性能，能夠有效清除空氣中的顆粒物[3]。這種設(shè)計(jì)方案確保濾膜組件的互換性、可維護(hù)性以及穩(wěn)定性，為自動(dòng)換膜裝置的可靠運(yùn)行提供基礎(chǔ)保障。

（二）濾膜組件的下料機(jī)構(gòu)

自動(dòng)換膜裝置配備了下料機(jī)構(gòu)，以確保濾膜組件能夠按照既定順序下放。該機(jī)構(gòu)的核心構(gòu)件包括轉(zhuǎn)盤與濾膜筒。轉(zhuǎn)盤表面特設(shè)兩個(gè)直線排列的凹槽，且每一凹槽均可穩(wěn)妥容納一個(gè)濾膜組件。操作前，需將五個(gè)濾膜組件預(yù)先放入濾膜筒內(nèi)，并確保轉(zhuǎn)盤頂面與濾膜筒底部嚴(yán)絲合縫。自動(dòng)換膜裝置的下料機(jī)構(gòu)如圖2所示。

如圖2所示的設(shè)計(jì)可使濾膜組件穩(wěn)定、順序地下料。首先，在濾膜筒中預(yù)先放置好濾膜組件，確保轉(zhuǎn)盤與濾膜筒緊密接觸，以維持濾膜組件的穩(wěn)定性。濾膜筒的設(shè)計(jì)旨在使濾膜組件能夠垂直放置，并與轉(zhuǎn)盤頂面緊密接觸。如此，在轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)時(shí)，濾膜組件便能順暢地從濾膜筒掉落到轉(zhuǎn)盤的凹槽中。接著，作為下料機(jī)構(gòu)核心部件的轉(zhuǎn)盤，設(shè)有沿直線排列的凹槽，用于承載濾膜組件。當(dāng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)時(shí)，凹槽隨之移動(dòng)，并在通過濾膜筒下方時(shí)接住下落的濾膜組件。隨后，濾膜組件隨轉(zhuǎn)盤繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，被帶到下一個(gè)工作位置[4]。最后，傳送帶作為下料機(jī)構(gòu)的銜接部分，負(fù)責(zé)接收轉(zhuǎn)盤上的濾膜組件，并將其輸送至工作導(dǎo)軌。本設(shè)計(jì)中的傳送帶速度可調(diào)，以確保濾膜組件能按照既定順序被送至工作導(dǎo)軌。經(jīng)過傳送帶的運(yùn)輸，濾膜組件到達(dá)下一個(gè)工作位置，為后續(xù)的采樣環(huán)節(jié)做好準(zhǔn)備。下料機(jī)構(gòu)的這一設(shè)計(jì)為粉塵采樣自動(dòng)化監(jiān)測(cè)提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。

（三）濾膜的傳送及送料機(jī)構(gòu)

傳送與送料機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)濾膜組件的有序傳送與準(zhǔn)確送料，其主要由曲柄滑塊機(jī)構(gòu)、傳送帶及工作導(dǎo)軌組成。其中，曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵作用在于將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成直線運(yùn)動(dòng)，從而確保濾膜組件能夠精確地在工作導(dǎo)軌上進(jìn)出。工作流程如下：首先，在濾膜組件由轉(zhuǎn)盤移至傳送帶上方時(shí)，此時(shí)電機(jī)暫時(shí)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，傳送帶開始工作。由于濾膜組件的尺寸與傳送帶上的凹槽相匹配，這確保了濾膜組件能夠穩(wěn)定且順利地落入凹槽中。同時(shí)，傳送帶的運(yùn)行速度可以調(diào)節(jié)，以適應(yīng)不同的采樣速度和工作要求[5]。傳送帶從轉(zhuǎn)盤上取下濾膜組件后，會(huì)沿著工作導(dǎo)軌方向移動(dòng)。接著，位于工作導(dǎo)軌上方的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)會(huì)利用其特性，將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成直線運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而從傳送帶上取下濾膜組件，同時(shí)準(zhǔn)確地將其送到相應(yīng)的采樣工位。當(dāng)濾膜組件抵達(dá)采樣工位時(shí)，曲柄滑塊機(jī)構(gòu)會(huì)使滑塊停在其最大行程的2/3位置，以確保濾膜組件恰好位于采樣位置上方，以此為夾緊機(jī)構(gòu)提供足夠的操作空間。最后，夾緊機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)固定濾膜組件。采樣完成后，曲柄滑塊機(jī)構(gòu)再次動(dòng)作，將濾膜組件從采樣工位推出，并將其移至工作導(dǎo)軌的末端。此時(shí)，可以取出濾膜組件進(jìn)行其他處理，如更換新的濾膜組件或進(jìn)行稱重。本設(shè)計(jì)中的自動(dòng)換膜裝置，通過利用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的精確控制，確保了濾膜組件的順利推出，為下一次的采樣過程做好準(zhǔn)備。傳送及送料機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了濾膜組件的精確定位和順序傳送，為粉塵采樣器的自動(dòng)換膜提供了必要的技術(shù)支持。

（四）濾膜組件的夾緊及彈出機(jī)構(gòu)

夾緊與彈出機(jī)構(gòu)主要由凸輪與彈簧組成。凸輪機(jī)構(gòu)的作用是將旋轉(zhuǎn)動(dòng)作轉(zhuǎn)化成推桿的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)對(duì)濾膜組件施加一定的壓力，以確保采樣時(shí)的氣密性，防止氣體外泄。而彈簧機(jī)構(gòu)則利用置于采樣頭接口內(nèi)的彈簧，與濾膜組件形成浮動(dòng)式連接。其詳細(xì)工作流程為：送料機(jī)構(gòu)首先將濾膜組件運(yùn)送至導(dǎo)軌的指定工作位置，以方便與采樣頭接口對(duì)接。凸輪機(jī)構(gòu)下壓，使濾膜組件與接口緊密貼合，形成密封。凸輪的特殊輪廓設(shè)計(jì)確保了推桿能夠穩(wěn)定地進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而將濾膜組件牢固地固定在接口上，維持采樣過程中的氣密性，避免空氣滲透。其次，彈簧機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)允許接口與濾膜組件之間存在一定的浮動(dòng)空間。在采樣時(shí)，凸輪機(jī)構(gòu)的下壓力會(huì)使濾膜組件與接口緊密結(jié)合，此時(shí)彈簧被壓縮。該浮動(dòng)式的設(shè)計(jì)可以兼容不同尺寸的濾膜組件，保障采樣過程中的密封性與穩(wěn)定性。采樣結(jié)束后，凸輪機(jī)構(gòu)上抬，此時(shí)彈簧釋放彈力，將濾膜組件向上頂出8mm，使其重新回到導(dǎo)軌的平面上，便于后續(xù)的取出與更換[6]。

三、自動(dòng)控制

（一）電機(jī)控制

電機(jī)控制是自動(dòng)換膜裝置的核心和關(guān)鍵。本設(shè)計(jì)中的自動(dòng)換膜裝置選用了MSP430 16位單片機(jī)，此款單片機(jī)具備出色的處理能力，提供高性能的模擬技術(shù)、高效便捷的開發(fā)環(huán)境以及穩(wěn)健的系統(tǒng)運(yùn)行，同時(shí)還擁有極低的功耗。該粉塵采樣器的自動(dòng)換膜裝置總共使用了四個(gè)電機(jī)，它們分別是轉(zhuǎn)盤電機(jī)1、傳送帶電機(jī)2、曲柄滑塊電機(jī)3、凸輪機(jī)構(gòu)電機(jī)4。這些電機(jī)由MSP430單片機(jī)集中統(tǒng)一控制，利用其強(qiáng)大的處理能力和多個(gè)IO口，實(shí)現(xiàn)了對(duì)四個(gè)電機(jī)的精確控制和協(xié)調(diào)運(yùn)行[7]。自動(dòng)換膜裝置工作順序圖如圖3所示。

（二）工位功能

工位作為自動(dòng)換膜裝置的重要組成部分，是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換膜的核心。本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)換膜裝置共有5個(gè)工位，即工位1至工位5。每個(gè)工位都有其獨(dú)特的功能和作用，共同完成濾膜組件的順序下料和整個(gè)采樣過程[8]。不同工位的操作和功能如下：工位1負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)盤的旋轉(zhuǎn)，以實(shí)現(xiàn)濾膜組件的自動(dòng)下料。作為自動(dòng)換膜裝置的起始工位，工位1通過單片機(jī)的控制啟動(dòng)轉(zhuǎn)盤電機(jī)1，使轉(zhuǎn)盤進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)盤表面特別設(shè)計(jì)了凹槽，其寬度可輕松容納單個(gè)濾膜組件。因?yàn)V膜組件事先被放置在濾膜筒內(nèi)，且轉(zhuǎn)盤頂面與濾膜筒底部緊密相連，所以當(dāng)轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)時(shí)，濾膜組件有機(jī)會(huì)自然地從濾膜筒落入轉(zhuǎn)盤凹槽，完成自動(dòng)下料過程。工位2則專門負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)傳送帶，以確保濾膜組件能被順利運(yùn)送至導(dǎo)軌處。在工位2中，傳送帶電機(jī)2被激活，驅(qū)動(dòng)傳送帶運(yùn)動(dòng)。濾膜組件的尺寸與傳送帶上的凹槽相匹配，確保濾膜組件能夠順利地落入凹槽。在此工位，傳送帶從轉(zhuǎn)盤上接收濾膜組件，并沿著工作導(dǎo)軌的方向移動(dòng)，將濾膜組件送至下一個(gè)工作位置。

工位3負(fù)責(zé)將濾膜組件送入工作位置。在此工位，曲柄滑塊電機(jī)3被激活，驅(qū)動(dòng)滑塊運(yùn)動(dòng)。曲柄滑塊機(jī)構(gòu)經(jīng)過特別設(shè)計(jì)，具備將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成直線運(yùn)動(dòng)的能力，這使得濾膜組件能夠在工作導(dǎo)軌上進(jìn)行精確的移動(dòng)。當(dāng)濾膜組件到達(dá)指定工作位置時(shí)，滑塊會(huì)穩(wěn)定地停在其最大行程的2/3處，以確保濾膜組件恰好位于采樣位置上方，為后續(xù)夾緊操作預(yù)留充足的操作空間。工位4的主要職責(zé)是對(duì)濾膜組件進(jìn)行壓緊，凸輪機(jī)構(gòu)電機(jī)4驅(qū)動(dòng)凸輪機(jī)構(gòu)開始運(yùn)動(dòng)，將旋轉(zhuǎn)動(dòng)作轉(zhuǎn)化成推桿的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)對(duì)濾膜組件施加適量的壓力，以確保在采樣期間不會(huì)發(fā)生氣體泄漏。在凸輪機(jī)構(gòu)的壓力下，接口與濾膜組件之間能夠形成良好的密封，以此保證采樣過程的氣密性。工位5的任務(wù)則是由曲柄滑塊機(jī)構(gòu)來承擔(dān)，用于將已經(jīng)完成采樣的濾膜組件推出。此時(shí)，單片機(jī)將再次激活曲柄滑塊電機(jī)3，借助彈簧的力量，使濾膜組件向上彈起8mm，重新返回到導(dǎo)軌的平面上，隨后被傳送帶送出。本文設(shè)計(jì)的粉塵采樣器自動(dòng)換膜裝置采用MSP430單片機(jī)來控制和協(xié)調(diào)各電機(jī)的運(yùn)行，在不同的工位完成各自的操作和任務(wù)，實(shí)現(xiàn)濾膜組件的順序下料，并精確控制整個(gè)采樣過程。電機(jī)控制與工位功能對(duì)于自動(dòng)換膜至關(guān)重要，MSP430單片機(jī)的應(yīng)用使得電機(jī)能夠協(xié)調(diào)配合和精確運(yùn)行，從而完成濾膜組件的順序下料。這種自動(dòng)控制設(shè)計(jì)顯著提高了粉塵采樣器的可靠性和工作效率，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化監(jiān)測(cè)粉塵采樣，并在濾膜導(dǎo)通性減弱時(shí)自動(dòng)更換濾膜。同時(shí)，MSP430單片機(jī)的超低功耗特性有助于延長設(shè)備的使用壽命，并顯著節(jié)約能源消耗。

四、結(jié)束語

綜上所述，研究和設(shè)計(jì)粉塵采樣器自動(dòng)換膜裝置為空氣質(zhì)量評(píng)估與環(huán)境監(jiān)測(cè)提供一種高效且可靠的解決方案。通過采用自動(dòng)化技術(shù)，該裝置能夠及時(shí)檢測(cè)到濾膜導(dǎo)通性降低的情況，并自動(dòng)進(jìn)行更換，從而顯著提升了粉塵采樣器的實(shí)用性和準(zhǔn)確性。自動(dòng)換膜裝置的應(yīng)用，為環(huán)境監(jiān)測(cè)和空氣質(zhì)量評(píng)估提供了更加穩(wěn)定和精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)支持。展望未來，將繼續(xù)探索更多先進(jìn)技術(shù)，以進(jìn)一步優(yōu)化和改進(jìn)自動(dòng)換膜裝置，期待該裝置能擁有更廣闊的應(yīng)用前景。

作者單位：曾威 成都威世通智能科技有限公司

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