技术领域
[0001] 本实用新型属于大气气体监测技术领域，涉及大气气体监测或颗粒物
采样中更换颗粒物过滤膜膜片技术，尤其涉及一种气体颗粒物过滤膜的自动换膜装置，能够实现在实验室和环境大气条件下痕量气体以及颗粒物采样过程中颗粒物过滤膜的自动化更换。
背景技术
[0002] 在大气监测领域，大部分的气体检测系统需要采用过滤膜来去除大气颗粒物以保护后端测量系统，过滤膜具有一定的使用寿命，需要定期更换以保证测量准确性。同时，部分颗粒物离线分析装置需要采用过滤膜定时收集大气颗粒物用于后续分析，大气测量和颗粒物采样系统均需要定期更换过滤膜以达到工作要求。因此，颗粒物过滤膜膜片的自动更换对于保证大气气体采样系统的洁净和确保参数测量结果的准确度、连续性有十分重要的意义。其中在更换膜片时既不中断采样又实现对后端测量系统的保护、更换的膜片与进样系统
位置准确耦合、持续保证进样系统的气密性是设计自动换膜流程和机械结构中需要解决的主要难题。
[0003] 现有的大气气体采样用换膜多采用人工方式，人工换膜的成本高，操作一致性差，且难以保证每次换膜后进样系统的气密性，同时外场换膜易污染膜片，每次更换时间长大导致系统脱离稳定运行状态。已有应用于大气采样中的自动换膜设备多用于颗粒物的收集，无法满足痕量气体采样换膜时对于后端系统的保护，且气密性不佳，断电后重启缺少对于膜片与进样系统位置的自动校准，无法应对野外测量多变的环境条件。实用新型内容
[0004] 为了克服上述
现有技术的不足，本实用新型提供一种基于
单片机控制的纯电
力自动化换膜装置，同时耦合进样通道、换膜系统、检测设备
接口、保护气模
块和控制屏，具有高自动化、高
稳定性、高准确性、操作时间短、体积小、重量轻以及耗能小的优点，可用于气体采样过程中进行换膜采样。
[0005] 本实用新型的原理是：本实用新型提出了一种由单片机控制的自动化换膜装置，将换膜流程的步骤指令转化为16进制文件烧录至单片
机芯片中，通过单片机对整个换膜流程进行准确控制。自动化换膜装置包括装置骨架、
外壳、顶紧模块、旋转台、旋转台、进样区、出膜桶、存膜桶。换膜装置中，膜片由外壳上/下两个构件为柱体的顶紧模块压紧，上顶紧模块固定于装置骨架上，通过移动下顶紧模块来顶紧两者之间的膜片。两个顶紧模块采用惰性材料加工，降低气体的壁反应损耗，内部呈圆锥体避免进样气体形成死区。膜片由单独设计的膜托为载体，经旋转台由存膜桶移送至上、下顶紧模块区域夹紧形成密闭的进样系统，当膜片使用结束后再由旋转台移送至膜片出膜桶储存。其中存膜桶、进样区和出膜桶与旋转台中心连线之间均呈120°夹
角，旋转台每次转动角度均为120°，由控制旋转台的伺服
电机精确控制。针对于该颗粒物过滤膜更换系统，换膜指令包括首先下移下顶紧模块，随后转动旋转台，在旋转台转动的同时将刚使用完毕的一片旧膜片运送至出膜桶位置，以及将存膜桶内最下端的一个新膜片运送至顶紧模块位置，最后上移下顶紧模块顶紧膜片。对于部分需严格避免颗粒物干扰的气体检测系统，在换膜流程中额外增加了合成空气保护系统，其作用是在换膜打开膜托时，通过控制电磁
阀向进样系统内打入过量合成空气，后端测量系统抽走一定量的气体，其他多余的气体从换膜器上端溢出，可达到
反冲清洗该换膜系统的作用。使得后端连接的检测系统不会由于换膜过程而暂停采样流程，同时还能避免换膜过程吸入颗粒物污染后端检测系统，导致系统运行不稳定。通过保护气模块的应用能够使仪器得到连续的数据，同时对后端检测系统实现实时保护。其中流量计可以控制合成空气的流速，以满足后端检测系统需要。具体的换膜流程与前述颗粒物膜采样系统大致相同，首先下移顶紧模块，在下移模块至合适位置时打开控制保护合成空气的
电磁阀，将
合成气体注入与下顶紧模块相连的检测系统，随后转动旋转台进行换膜，最后上移下顶紧模块，在上移至合适位置时关闭电磁阀停止输送合成空气，随后再上移下顶紧模块顶紧膜片形成密闭。除了正常的换膜流程外，程序设计添加了断电的保护措施，在每次系统重新上电的第一次换膜之前利用霍尔
传感器精确
定位旋转台的位置，使旋转台装载膜片的位置与顶紧模块重合，保证不会因为在换膜过程中突发的断电使旋转台未到达
指定位置，从而导致重新上电后旋转台位置出错而无法进行正常换膜流程。
[0006] 本实用新型提供的技术方案是：
[0007] 一种气体颗粒物过滤膜的自动换膜装置，是一种适用于气体采样的纯电力驱动自动换膜装置系统，所述系统采用单片机作为流程逻辑控制中心驱动装置的运转。自动换膜装置设有主体
支撑架，以旋转台为分界可将装置划分为上、中、下三层，上层包括用于存放洁净膜片的存膜桶、上顶紧模块及其外壳构件，其中存膜桶与旋转台的外壳用
螺栓连接，上顶紧模块及其外壳构件之间有
弹簧连接，其整体与旋转台外壳用螺栓连接；中层包括了用于承载膜片的旋转台、
伺服电机、霍尔传感器、
可视化电阻屏和单片机
电路板，其中旋转台与伺服电机旋
转轴用螺栓紧固，并通过伺服电机驱动旋转，在旋转台侧面布有霍尔传感器，用强力胶固定在装置的主体支撑架上，可视化电阻屏与单片机
电路板用螺栓紧固于主体支撑架外侧，与旋转台位于同一层；下层包括了下顶紧模块及其外壳构件、步进电机
导轨、出膜桶、电磁阀、流量计，其中下顶紧模块通过顶丝固定在其外壳构件上，与步进电机导轨的滑台螺栓连接，用于驱动下顶紧模块移动，使下顶紧模块与上顶紧模块夹紧膜片密封进样系统，出膜桶通过螺栓固定在中层旋转台的外壳上，用于存放已使用过的膜片，电磁阀和流量计位于下层最底部，通过螺栓固定在下层的主体支撑架上，用于控制保护气系统。另外还有作为膜片载体的膜片夹，该构件独立于自动换膜装置，与装置无固定连接。在装置运转过程中，膜片存放于膜片夹内，从存膜桶进入旋转台，进入进样系统被上/下顶紧模块夹紧，使用完成后再经由旋转台运送至出膜桶等待收集。
[0008] 进样区包括上顶紧模块和下顶紧模块。旋转台上根据存膜桶、出膜桶和由上/下顶紧模块构成的进样区的位置分别有三个呈中心对称的圆形通孔，该通孔用于限定膜片夹位置，从而在转动过程中带动膜片夹中的膜片从存膜桶移动到进样区后再移动至出膜桶中；存膜桶和出膜桶分别位于旋转台的上方和下方，装有膜片的膜片夹依靠重力从存膜桶落入旋转台的通孔中，使用完毕的膜片夹由旋转台带动到出膜桶上方时也会依靠重力落入出膜桶；组成进样系统的上/下顶紧模块位于旋转台的上方和下方，其中上顶紧模块与其外壳构件之间有弹簧连接，下顶紧模块及其外壳构建之间用顶丝连接，下顶紧模块的外壳构件固定于步进电机导轨滑台上，滑台与步进电机导轨内的
丝杠螺栓连接，当步进电机导轨收到指令顶紧膜片时，会上移下顶紧模块一定距离至弹簧紧缩，将上/下顶紧模块和膜片夹完全压紧，形成密闭进样区，其中上/下顶紧模块与膜片夹的
接触面均嵌有O圈保证进样系统的气密性；控制保护气系统
开关的电磁阀装于换膜系统底端，平台与主体支撑架间有防震软连接用于减少电磁阀工作时带来的震动；保护气系统的流量计用于控制保护气体的流量，通过特氟龙管与电磁阀进气口相连，电磁阀出气口和下顶紧模块的保护气进气口相连，电磁阀用于控制保护气的通断。
[0009] 自动换膜装置还可包括可视化操作电阻屏；可视化操作电阻屏位于主体支撑架侧面，屏幕背面是由螺丝固定的单片机芯片和电路板，包括了一块用于储存换膜时间点的内存卡。自动换膜装置通过外接220V转5V的适配器供电，其供电接口固定于底端小平台上。
[0010] 针对上述的自动换膜装置/系统，其特征在于：旋转台上用于带动膜片夹移动的三个通孔与存膜桶、进样系统的顶紧模块、出膜桶位置一一对应，依靠伺服电机控制，转动角度精确度高，不易发生膜片错位的情况。存膜桶与出膜桶分别位于旋转台的上下方，利用重力完成膜片夹从存膜桶落入旋转台的通孔以及最终落入出膜桶的过程，节省了相应的机械设备与电力消耗。旋转台上下分别由主体支撑架上的固定盘保护，两固定盘间距离恰好能保证仅有一个膜片夹在其间移动，同时旋转台与上固定盘间距离恰好保证当旋转台通孔内已有一片膜片夹时，位于存膜桶内的膜片夹不会从存膜桶中掉出。由旋转台和伺服电机、步进电机导轨、霍尔传感器可实现单次单膜片的更换操作和精确的膜片移动距离。
[0011] 针对上述的自动换膜系统，其特征在于：顶紧模块与膜片夹接触面有内嵌的O圈，保证进样时整个进样系统的气密性。顶紧模块的移动是由步进电机导轨控制，步进电机导轨的移动距离十分精确，每次移动距离之间误差小，保证下顶紧模块每次抬升距离固定，确保上顶紧模块上方的弹簧向上顶紧模块施加固定的力度夹紧位于中间的膜片夹。上/下顶紧模块内部与采样气体接触部分呈圆锥体，容量小、管路直，保证气体
停留时间短，损失小，避免形成死区。
[0012] 针对上述的自动换膜系统，其特征在于：利用步进电机导轨可以精确控制下顶紧模块移动的距离。下顶紧模块固定于步进电机导轨的滑台上，滑台与步进电机导轨内的丝杠相连，滑台在丝杠上移动的距离由步进电机控制，当步进电机接收到单片机传输的指令后，会带动滑台以及下顶紧模块沿丝杠上移确定的距离至上顶紧模块和下顶紧模块完全密封中间的膜片夹。密封过程完成后，在非更换过程中伺服电机不耗电，无发热。即使突然出现断电故障，滑台受丝杠上滚珠的力卡紧，滑台的位置不会发生移动，进样上顶紧模块和下顶紧模块依旧密闭，不会导致漏气现象。
[0013] 针对上述的自动换膜系统，其特征在于：换膜系统每次重新上电启动后，系统会执行自动校准旋转台位置的流程，保证旋转台上用于固定膜片夹的通孔处于正确的位置。校正方式采用霍尔传感器，保证角度偏差小于0.1％。
[0014] 针对上述的自动换膜系统，其特征在于：配有保护气系统，当需要保证换膜时连续采样从而不间断仪器的稳定运行，可以向电磁阀的进气口接入合成空气等保护性气体，通过调整流量计保证换膜间隙系统抽入保护气体避免环境中的颗粒物污染后端检测系统。
[0015] 针对上述的自动换膜系统，其特征在于：控制旋转台、下顶紧模块的步进电机、伺服电机均采用低发热、低能耗电机，保证在外场高温条件下的稳定运行。全部指令执行通过单片机实现，系统稳定性好，体积小、重量轻，同时配有内存卡可储存每次换膜的起止时间，便于外场
数据处理。
[0016] 针对上述的自动换膜系统，其特征在于：系统带有可视化电阻屏，方便用户
修改每次需要更换的膜片数量和换膜间隔时间，换膜数量和换膜时间可以根据用户需求任意设置。单次换膜周期小于15秒，可满足高频换膜的需求。
[0017] 上述适用于大气采样的自动化大气颗粒物过滤膜更换装置在工作时，采用单片机进行逻辑控制，通过伺服电机和步进电机导轨进行换膜操作，实现全自动换膜；包括如下步骤：
[0018] 1)将控制旋转台、顶紧模块的电机、电磁阀、可视化电阻屏等电机设备与单片机芯片相连，实现系统内所有
电子设备的统一通讯和供电。其中上顶紧模块与换膜系统的主体支撑架之间由弹簧连接，调试步进电机滑轨的移动距离使正常采样时间内上/下顶紧模块可以夹紧膜片夹且无漏气。
[0019] 2)连接电磁阀出气口与下顶紧模块的保护气进气口，连接进样系统与后端检测系统。若需要保护气，则连接电磁阀的进气口和
钢瓶气，否则封堵电磁阀进气口。
[0020] 3)向膜片夹内置入洁净膜片，将装有洁净膜片的膜片夹放入存膜桶内。系统连接电源后，通过电阻屏设定放入存膜桶内膜片的数量以及每次更换膜片的时间间隔，确认换膜系统单片机的时间与实际时间对应。换膜系统每次启动前需要用户完成自检项目方可点击启动。
[0021] 4)换膜流程的逻辑控制是通过事先向单片机芯片烧录的16进制文件实现。具体流程包括，首次换膜前先下移下顶紧模块，通过霍尔传感器校正旋转台的位置，避免上次断电时旋转台位置偏移；然后上移顶紧模块夹紧膜片开始正常采样。膜片置于膜片夹内，通过旋转台由存膜桶运送至上/下顶紧模块组成的进样系统，使用完成后移送至出膜桶。膜片夹从存膜桶中移出和从旋转台中进入出膜桶均依靠自身重力作用。后续的换膜操作流程中，伺服电机每次转动一定角度(如120°)，保证同时有一个新的膜片夹替换先前的膜片夹和已使用完成的膜片夹落入出膜桶。针对于需要利用膜片严格排除颗粒物影响的检测系统，该换膜流程额外增加了合成空气保护系统，其工作流程是每次下移下顶紧模块至恰好松开膜片夹解除密闭时，打开电磁阀向进样系统内打入过量合成空气，保护气的流速通过流量计控制。换膜完成后上移下顶紧模块至恰好顶紧时关闭电磁阀。
[0022] 5)当所有膜片更换完成后，系统会停止更换膜片，保证最后一张膜片处于进样系统内且为顶紧状态，确保采样的继续。打开出膜桶可以取出所有膜片夹，更换其中膜片以备下次使用。当大气采样工作结束后，可以从单片机电路板侧面取出内存卡，导出每次起/止换膜时间供后续分析数据使用。
[0023] 与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：
[0024] 本实用新型提供了一种基于单片机控制的纯电力自动换膜系统，适用于颗粒物采样或其他痕量气体采样过程中过滤大气颗粒物，至少包括由
铝合金制成的主体支撑架、承载膜片的旋转台、用于存放洁净膜片的存膜桶、用于收集已使用过膜片的出膜桶、外壳为圆柱体的上/下两个顶紧模块用于夹紧膜片、步进电机导轨滑台、伺服电机、霍尔传感器、可视化操作的电阻屏、单片机、用于装膜片的膜片夹、电磁阀、流量计。本实用新型以单片机为电器部件通讯中心，通过烧录的16进制指令文件控制自动换膜操作和换膜前旋转台位置的自动校准。本实用新型方案具有换膜周期可控、膜片位置准确、自动化程度高、电器系统发热量小、样品损失小、重量轻、体积小的特点。可帮助气体测量系统连续长时间自动化工作，提高测量系统的自动化程度。
[0025] 本实用新型的优点包括以下几个方面：
[0026] (一)本实用新型配有保护气系统，在换膜过程中向检测系统通入保护气，避免中断采样导致的系统不稳定。
[0027] (二)本实用新型的换膜流程中包含了每次断电后重启会自动校准膜片位置，保证系统能够应对外场突发电力中断。
[0028] (三)本实用新型采用纯电力驱动，电机设备能耗低、发热小，保证长时间运行不发生
过热保护而中断换膜，可适应大幅度变化的环境条件，极端无电力条件下可采用ups电源保证工作进行。
[0029] (四)本实用新型中进样系统的气体停留时间短，上下顶紧模块采用惰性材质，内部呈圆锥体，可有效减少样品损失，避免气体形成死区。
[0030] (五)本实用新型与用户交互界面为可视化电阻屏，可以触摸操作。同时配有内存卡储存每次换膜的起/止时间。
附图说明
[0031] 图1-3为本实用新型提供的气体颗粒物过滤膜自动换膜装置的结构图；
[0032] 其中，图1、2分别是系统的左右等轴侧线
框图，图3是膜片夹结构图；1—存膜桶；2—出膜桶；3—旋转台；4—主体支撑架；5—上固定盘；6—下固定盘；7—霍尔传感器；8—伺服电机；9—电阻屏；10—单片机核心控制板；11—上顶紧模块；12—下顶紧模块；13—步进电机导轨滑台；14—继电器模块；15—保护气电磁阀；16—供电模块；17—膜片夹。
[0033] 图4是本实用新型提供的气体颗粒物过滤膜自动换膜装置的工作流程框图。
具体实施方式
[0034] 下面结合附图，通过
实施例进一步描述本实用新型，但不以任何方式限制本实用新型的范围。
[0035] 本实用新型提供了一种基于单片机控制的纯电力自动换膜系统，至少包括由
铝合金制成的主体支撑架、承载膜片的旋转台、用于存放洁净膜片的存膜桶、用于收集已使用过膜片的出膜桶、外壳为圆柱体的上/下两个顶紧模块用于夹紧膜片、步进电机导轨滑台、伺服电机、霍尔传感器、可视化操作的电阻屏、单片机、用于装膜片的膜片夹、电磁阀、流量计。本实用新型以单片机为电器部件通讯中心，通过烧录的十六进制指令文件控制自动换膜操作和旋转台位置的自动校准，利用膜片夹固定膜片和运送膜片，实现气体采样过程中的自动换膜。
[0036] 具体实施如图1所示基于单片机控制的纯电力自动换膜系统，包括存膜桶1、出膜桶2、旋转台3、主体支撑架4、上固定盘5、下固定盘6、霍尔传感器7、伺服电机8、电阻屏9、单片机核心控制板10、上顶紧模块11、下顶紧模块12、步进电机导轨滑台13、继电器模块14、保护气模块15、供电模块16、膜片夹17。
[0037] 上述自动换膜系统以主体支撑架4为
框架建立，存膜桶1位于上固定盘5上方，出膜桶2位于下固定盘5下方，上/下量固定盘中间是用于转运膜片的旋转台3。旋转台3由位于其中心下方的伺服电机8控制，在下固定盘6侧面安装有霍尔传感器7用于启动前校准旋转台3的位置。上顶紧模块11通过弹簧软连接在上固定盘5的壳体上，下顶紧模块12与步进电机导轨滑台连接，位于下固定盘6下方。保护气系统则位于主体支撑架4底部，由继电器模块14和保护气模块15组成，通过特氟龙管与下顶紧模块12的保护气进气口相连。供电模块16位于主体支撑架4的侧面。
[0038] 自动换膜系统中的所有电器设备均与位于侧面的单片机核心控制盘10进行通讯连接，其中控制盘10还留有内存卡接口，用于保存每次换膜的起/止时间。
[0039] 系统的供电由供电模块16与常规220V交流电连接，开始换膜前将位于下顶紧模块12上的出气口与后端采样设备相连。对于需要在换膜间隔通入保护气的采样设备，需要将保护气模块15中的电磁阀与钢瓶气连接，否则需要封堵。继电器模块14用于接收指令，控制保护气模块15的开/关。开始换膜时，先将膜片置入膜片夹17，放入存膜桶1，在可视化触摸电阻屏9上设置需要更换的膜片数量和更换间隔时间，完成自检项目后启动换膜系统。启动系统后，步进电机导轨滑台13控制下顶紧模块下移，同时继电器模块14打开保护气模块通入保护气，伺服电机8控制旋转台3转动至霍尔传感器7发出停止的指令，表明旋转台3已经位于正确位置，随后上移下顶紧模块12顶紧膜片，关闭保护气模块15。当所有膜片更换完毕后，最后一个膜片会停留在上顶紧模块11与下顶紧模块12之间并被夹紧，保证在长时间无人更新系统的情况下可以继续采样。
[0040] 从出膜桶2取出已使用完成的膜片夹17，更换洁净膜片以备下次使用。
[0041] 下面通过具体例子说明本实用新型的工作流程：
[0042] 此例中自动换膜系统为需要保护气的采样系统提供换膜操作。
[0043] 首先将供电模块16与常规220V交流电连接，保护气模块15中的电磁阀与钢瓶气连接。开始换膜前，先将洁净膜片一一置入膜片夹17内，将膜片夹17依次叠放入存膜桶1，盖紧封盖防止灰尘进入。
[0044] 其次开始换膜时，在可视化触摸电阻屏9上设置需要更换的膜片数量和更换间隔时间，此例设置更换数量为10张，更换间隔为2小时。进行启动前自检程序，包括(1)确认保护气是否连接、(2)膜片数量是否更新、(3)更换间隔是否设置、(4)芯片时间是否校准，完成后启动换膜系统。
[0045] 接着启动系统后，步进电机导轨滑台13控制下顶紧模块11下移，同时继电器模块14打开保护气模块13通入一定流速的合成空气保护气如2L/min，伺服电机8控制旋转台3带动膜片夹17转动至霍尔传感器7发出停止的指令，表明旋转台3已经位于正确位置且新膜片夹17已经就位，随后上移下顶紧模块12顶紧膜片，关闭保护气模块15。随后的正常换膜流程中，伺服电机8在下顶紧模块12松开膜片夹17后，每次转动120°，使得新膜片进入采样系统，同时旧膜片落入出膜桶2收集。
[0046] 当所有膜片更换完毕后，最后一个膜片会停留在上顶紧模块11与下顶紧模块12之间并被夹紧，保证在长时间无人更新系统的情况下可以继续采样，不再开启换膜程序，直到换膜系统重新启动。从出膜桶2取出已使用完成的膜片夹17，更换洁净膜片以备下次使用。
[0047] 需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本实用新型，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本实用新型及所附
权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本实用新型不应局限于实施例所公开的内容，本实用新型要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。
