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专利名称微生物和颗粒采样设备的制作方法
微生物和颗粒采样i史备 本发明涉及用于存在于空气中的气体的微生物和颗粒采样的设备。
引言
下面在说明书中,将说明根据本发明的用于微生物和颗粒采样的设备 的所有功能恥洛。
在本说明书中下面将继续利用商品名称"DualCapt "来指代根据本 发明的设备,这仅是为了简化说明。而且,将说明其硬件和软件特征。
根据本发明的设备能够以完全自动的方式来进行微生物和颗粒采样。
才艮据本发明的i殳备包括
—自动颗粒计数器/采样器,该自动颗粒计数器/采样器能够通过串行 线RS485 MODBUS RTU来管理与采样相关的信息。下文将不说明所述 颗粒计数器/采样器的技术规格,因为它们在本领域中是公知的。
—由电子控制板管理的微生物采样器或者碰撞取样器(impactor), 将对其进行详细说明。
为了这个目的,根据本发明,所述设备提供了
*碰撞取样器,例如8^3口1@型的碰撞取样器;
參集中式^L^系统;
*电子控制板;
气动管线;以及
*颗粒计数器/采样器。
具体地,气动管线示出有入口部分,用于吸入要分析的气体。
下面在说明书中将详细说明硬件和软件部分。具体地,将说明并限定 符合由用户在用户需求规范(USR)中定义的规范的系统。
具体地,将解释下列各项 *需要提供的功能和i殳施; 系统的目的
被称为DualCapt的设备是通过集中式真空来工作的微生物和颗粒采 样器并控制RS485 MODBUS RTU。
该设备由被封入单个外壳中的两种不同类型的采样器构成
碰撞取样器Biocapt(其完全由下文描述的硬件和软件来管理);
*颗粒计数器/采样器(其仅部分地由下文描述的硬件和软件来管 理)。
目的是获得一种单个的设备,该设备能够在安装其的位置、或者在远 离安装位置的位置(最远3米)通过用于颗粒釆样的等动力的探测器和用于 微生物采样的装置碰撞取样器(plant impactor)的扩展以完全独立或者 同时的方式ii行生物和颗粒采样。
根据下文中通过参考所包含的附图中的各图以示例性的方式示出且 并非用于限定的本发明的优选实施例的详细说明,本发明的其他优点以及 特征和应用模式将变得显然,在附图中
附图说明
图1是^l据本发明的i殳备的功能示意图2是在本发明中使用的"DualCapt"连接器的示意图3-9是根据本发明的设备的控制板的电气方案;
图10是所述设备的LED板的示意图11-17是根据本发明的设备的机械示图;以及
图18和19示出了一些安* 式。
下面的i兌明中将参考上述附图。
图l示出了i殳备的功能示意图。
功能
对设备的完全管理通过数据线Modbus RTU RS485而进行。这种类 型的驱动器是广泛使用的标准型的协议。这保证了与所有SCADA包和主 要的工业型的软件的完全兼容。
正如能够设想的,所述设备可以容易地以独立于所使用的管理软件平 台的方式来应用。 电子控制板电子控制板的功能是对微生物采样进行完全管理,并对颗粒采样进行 部分管理。
所iiiSL管理第一装置的打开和关闭,所述第一装置用于截取流,沿着 气动管线插在入口部分和微生物采样器之间,并且包括(举例而言而并非 用于限定)EV1截取电子阀。
如上所述,通过完全自动的颗粒计数器来执行颗粒采样。如果需要同 时并且通过使用单条数据线、单个气动管线和单个电源来管理两种(颗粒 和微生物)釆样,就颗粒采样而论,所述电子控制板的功能为通过要被 配置成等于颗粒采样器的地址的、该板的ID2地址的配置(所逸tl具有两 个ID地址微生物地址ID1;以及颗粒地址ID2)来截取向颗粒计数 器发送的开始和停止命令。
这是因为以这样的方式可以管理第二装置的打开和关闭,所述第二装 置用于截取颗粒计数器的流,沿着气动管线插在所述颗粒计数器和所^ 口部分之间,并且包括(举例而言而并非用于限定)EV2电子岡。
就颗粒计数器的管理而论,所ii^L允许将modbus线和颗粒计数器电 源连接到连接器。
相反,对微生物采样的管理完全由电子板来管理。
如图1中所示出的,微生物采样器的特点在于临界孔口 OC,该OC 被校准以便允许采样28.7 1/分钟。
通过压力测量装置来保证对采样声波的检查,压力测量装置包括绝对 压力传感器PA,绝对压力传感器PA测量临界孔口下的压力,并且!HiE 它小于或者等于47 Kpa,以便保证所测量的采样流与由临界孔口限定的 餘同.
考虑到由于临界孔口的原理,流测量与大气压力直接成比例,所述绝 对压力传感器PA测量实际的空气压力,以确定实际的^U^流。即,在气 压条件相同的情况下,海平面测量值结果会大于海拔高度的测量值。
因此,采样器保证最佳质量,而与海拔高度无关。对^l/v流的正确测 量确定了采样量的更高精度。
为了保证最佳质量,借助于对差动压力DP的传感器在临界孔口上方 进行附加的压力测量,这样,能够检测线路上的负载降低,并且确定对吸 入流的精确测量。这保证在微生物采样器不直接连接到仪器、而是在若干米外被遥控的 情况下,对吸入流的实际测量能够以极高的精度来计算采样量。
为了对上面所述的进行管理,电子板被配备有能够执行所述操作的微 处理器和用于管理数据的固件。所i^L没有作为能够管理日期和时间的管 理器的时钟,而是有定时器,该定时器的功能是计数从已知时刻已经过去 的秒数。
电子板具有跳线(跳线JP2),所^J^线允许改变生物采样的逻辑。在 闭合电路时,微生物采样的逻辑被排除在外,而且仅管理EV1电子阀的 打开和关闭,正如针对颗粒釆样的逻辑那样。
数据
-如上所述,对颗粒计数器的数据的管理是完全自动的,并且下文中 将不对其进行描述。
—微生物采样器能够接收与配置相关的信息(输入数据),并且提供与 采样和设备相关的信息(输出数据)。
-而且,它能够对命令进行管理。
-输入和输出数据均由串行线RS485 Modbus RTU管理。因此,采 样器仅可在连接到SCADA软件等时工作。
DualCapt技术M^
尺寸(LxPxH)15.2 x 19.2 x 11.2 cm.
重量5.5 Kg.
电源20 VAC (20-24 VAC 1.5A)
外壳钢AISI 316L
信号连接和电源AWG 21电缆,具4种色、2根双绞线加屏蔽
气动连接丽绚(Rilsan)管内径10 mm,外径12 mm
容量微生物和颗粒1.0 CFM (28.3 LPM)
通信RS-485 Modbus/RTU工作温度
工作湿度:
校准频率:
0-50 °C
10-90 %
推荐至少一年一次
微生物采样器的技术M^ 输入数据
在输入数据下,给出了所有的可编程设置, ^f亍对^lt的编禾呈。
但是,在采样期间不能进
采样体积
分级数量
分级中的延迟:
绝对压力零点:
绝对压力跨度:
表i力零点
"力跨度
告警声延迟
卯卵升
到99, 1等于没有分级的采样 ^C7 W 72卯秒(2小时)(仅当分级的数量大于1时)
到"卯— 力到"0
到35,fl
到35,fl "0 "/到60秒
输出数据
在输出数据下,给出了在采样或者检查阶段期间仪器能够返回的所有 信息。
采样体积
当前分级
分级间的等待:
采样状态
以升来表示
以升/分种^示(升* 10)
以数量来表示
以(递减的)秒4^示
0=静止;1=采样;2=等待;3=告警
(流<>20%); 4=损失气压^H中压力>47KPa一般状态
线路上的负栽降低
绝对压力
设置体积
i殳置分级
设置等待
压力传感器的校准值的读数
命令
0=正常;1=损坏
在命令下,给出了仪器能够执行的所有操作,
微生物开始: 微生物结束: 颗粒开始 颗粒结束
采样开始;EV1电子阀打开 采样停止;EV1电子阀关闭 EV2电子阀打开 EV2电子阀关闭
注意!以x"O来表示的值表示该值被表示为整数,但是实际上,其 具有小数。举例而言,值352 Kpa(x"O)实际上要被软件转换为350/10, 即35.2 Kpa。
通过数据线(Modebus RTU RS485 )来管理来自仪器域的编程和测 量信息。
电连接
仪器具有图2中示意性示出的向后放置的4管脚连接器。 连接器的管脚连接如下
管脚1-20 VAC 管脚2=20 VAC 管脚3 -无管脚4=A (TX+ / RX+)管脚5=8(1乂-/1 -)
设备通过2条线由20 VAC(20 -24 VAC最大)1.5A的电压供电。该电压用于为下列装置供电
參Biocapt控制板;
*颗粒计数器;
*线路电子阀;
*冷却扇。
操作逻辑
如上所述,根据本发明的系统由被封入单个外壳内的两个不同的采样器构成。所述外壳由不锈钢AISI316L构成。
所述两个采样器的操作逻辑在配置和釆样阶段中均是完全自动的。
下面描述涉及由所述设备管理的颗粒和微生物采样的逻辑。对于颗粒计数器的完整的管理,参见仪器的操作手册。
微生物采样
首先,描述由所述设备的电子板完全管理的微生物采样。
下文在下列表格中示出的示例涉及单个系统,但是其适用于链中的所有仪器。
要采样的体积 (升)分级 (数量)分级间的等待 (秒)分级间的等待 (秒)
l扁260010
注意,在采样阶段期间不能执行对^i:的编程。一旦设置了M,则它们保持存储于所述设备内,直到被修改。与颗粒采样不同的是, 一达到设定的体积,则微生物采样自动中断。在采样结束时,即一旦获得了设定的体积,采样中断,并且采样数据
10在变零前额外保持3秒钟。这保证在软件侧实际获得所述数据。 当借助于"开始"命令而开始采样时,仪器执行下面的操作 *读取大气压力; *打开EV1^U^电子阀; *声波检查管内压力〈-47KPa; *读取^L^流; *计算采样体积;
* 一旦获得了要釆样的体积,停止采样并关闭电子阀。 在要求如图3中设置的分级时,逻辑如下
*读取大气压力;
*打开EV1^LV电子阀;
*声波检查管内压力〈-47KPa;
*计算釆样体积;
* 一旦获得500升,则停止采样关闭电子阀并将^流设置为零; *等待600秒(IO分钟);
*打开EV1^L^电子阀;
*声音检查管内压力〈-47KPa;
*读取^UV流;
*计算采样体积;
* 一旦获得1000升,则停止釆样,并且关闭电子阀。
电子板具有跳线JP2,该跳线允许以激励器模式来管理所i^L。即, 如果存在跳线(闭合电路),则当接通颗粒计数器/采样器和/或微生物采样 器时,所^仅管理继电器,而不管理微生物采样逻辑部分。
颗粒采样
就颗粒采样而论,电子控制板功能截取开始和停止命令,并且打开和关闭EV2电子阀。由颗粒计数器直接地管理所有其他的命令。 告警检查
微生物采样器产生一些告警。在采样期间,检测下面的告警 *声音告警 绝对压力M7Kpa * ^V流告警 标准容量的±20%
声音告警
当在釆样步骤期间在微生物采样器的临界孔口下检测的压力大于47 KPa时,这种告警介入,并且告警持续时间大于设置的声音告警延迟。
如果在设置的时间过去之前告警情况消失,则告警介入的计数时间变 为0。
在声音告警持续阶段期间,^流被设置为0,因此,釆样的体积不 增加。这使得能够跟踪实际采样状态,即使是其仅在所设置的告警持续时 间的结束时被中断的情况下。
这种告警使釆样中断。
以操作状态- 4的代码来发信号示出这种告警。
当所测量的流是标准流的±20%时,这种告警介入,并且告警持续时 间大于5秒。
如果在所设置的时间过去之前告警情况消失,则计数时间复位。
这种告警使采样中断,并且以搮作状态=3的代码来发信号示出这种 告警。
在所有阶段内,由采样器检测的其他告警是与系统的一般状态相联系 的告警,所述一般状态即下列装置之一的故障
*微处理器 *串行装置
通过闪烁微生物采样器的采样发光二极管来示出这些异常,并且当可能时(串行装置的运行),用一般状态-1的代码来发信号通知出现这些异 常。
停电(blackout)
才艮据本发明的设^^还管理可能的停电情况。显然,仅在其出现于釆样 期间时,才对其感兴趣。
就颗粒釆样而言,颗粒计数器和电子板均记住最后的激活状态关断 或者接通。在电源复位时,颗粒计数器以及颗粒计数器的电子阀状态返回 到原状态。例如,如果颗粒计数器被接通且因此电子阀被打开,如果电源 被中断,则在其返回时,颗粒计数器会接通并且电子阀会打开。
对于微生物采样,行为则必须不同。如果在采样步骤期间出现停电, 则采样中断。在电源返回时,采样不复位。
前面板
采样器的前面板的特点在于突出微生物和颗粒采样的逻辑状态的两 个系列的LED(发光二极管)。
所述两个系列被定义如下
o可行的
■电源(接通)其表示DualCapt控制板被供电。 ■采样(接通)正在执行微生物采样。
■ EVmb(接通)微生物采样器的电子阀打开。
■ EVpc(接通)颗粒采样器的电子阀打开。
o颗粒
■电源(接通)其表示颗粒采样器被供电。 ■计数(闪烁)其表示颗粒计数器在计数。 ■激光器状态(接通)颗粒计数器的激光器工作正常。 ■流状态(接通)颗粒计数器的吸入流处于正确的工作范围 内。
后面板在后面板上,存在 *电源连接器
*入口部分连接器(入口集中式真空) *强制冷却空气注入孔
临界孔口特征
已基于所使用的材料的种类而通过试验建立了临界孔口特征。
首先,通过获得作为结果的大约301/分钟的流测量,已4吏用了由1.9 mn^的黄铜制成的孔口。
已基于下面的考虑因素而形成了临界孔口的最终定义
翻获得大约28.51/分钟的^流量;
■使用阳极氧化铝孔口。 基于已经定义的内容,根据在实验室内进行的测试,用于微生物采样 器的临界孔口的构成如下
■ 01.8mm2的孔口;
■在100.6 KPa和19.2。C下的容量28.71/分钟。
28.7*^/292.2 28.7*17.094 ^ 。"
a=-——-=-=4.877
尸a 100.6 100.6
为了有效测量采样器的容量,大气压力不会构成影响,原因是,在执 行实际采样之前,仪器执行了对大气压力的测量,而且使用等于
17.094(19.2。C)的常数作为参考温度。 为了计算容量,使用下面的公式
17.094
其中
■ Q是所测量的容量;
■"是临界孔口的特征常数;
■ Pa是在采样之前测量的大气压力;
■ Pd是采样期间在线路上的负载降低;
14■ 17.094是在19.2。C下的温度常数。 接口
所述仪器仅利用单个类型的接口串行RS485ModbusRTU,并且其 未配M盘和显示器。
压力传感器校准
根据本发明的设备还包括用于校准压力传感器的装置。
绝对压力传感器和差动压力传感器的校准模块允许基于校准的参考 仪器来将值对齐。根据直线的公式来执行所述对齐。
其中
■ MPa=绝对压力传感器的测量;
■ aPa=绝对压力零点;
■ xPa=绝对压力角系数;
■ bPa=绝对压力偏移;
■ MPd-表医力的测量;
■ aPd=;S^力零点;
■ xPd="力角系数;
■ bPd=表压力偏移。
传感器值参考值类型
绝对压力传感器(Pa)xPa2yPa2跨度
xPa工yP^零点
表压力传感器(Pd)xPd2yPd2跨度
零点
角系数的计算
15"力^=卢2—卢i
偏移计算
绝对压力
零点计算
绝对压力 a尸a=xPa,
校准值的计算
绝对压力,^(M尸a-aPa )*xPa + fePa
;ft^力卢=(M/y - * x尸c/ +洲
MPa值必须是由绝对压力传感器实际测量的值。 MPd值必须是由差动压力传感器实际测量的值。 校准数据仅可在仪器被接通后执行下面的过程时被输入。
传感器的校准过程
事实上,下述过程对于绝对压力传感器和表压传感器是有效的。
这个过程重新设置前述的校准M,并且设置默认值。以这种方式, 经过校准的压力值与传感器实际读取的值一致。
为了迅速执行对校准参数的重新设置,请依序执行下列第1、 2、 12项。
1. 在接通仪器之前,参考在板上不存在JP2跳线。
2. —旦已经接通仪器,则插入JP2跳线。哔哔声和采样LED的接通表 示传感器校准模式有效。
3. 下列字段的标准校准值的设置
xPal=0;■ xPa2=1000;
■ xPdl-0
■ xPd2=300;
■ yPal=(^
■ yPa2=1000;
■ yPdl=0;
■ yPd2=300;
设置这些字段是重要的,使得不必要执行对所有4个M的校准以执 行线性计算。这个过程由处理器自动执行,并且其不要求操作员的任 何干预0
4. 将校准的真空产生器连接到绝对压力传感器,并且产生最大可能的低 压。读取绝对压力传感器的零点(ZERO)值Kpa*10。串行命令: ID,3,0,0x80,0,l,CRC。所述值^Jl送到串行端口 ,并且被存储在xPal 中。
5. 绝对压力传感器的零点(ZERO)值的写入。输入由参考仪器读取的 值kPa"O。串行命令ID,6,0,0x80,值,CRC。所述值^L送到串行端 口 ,并具被存储在yPal中。
6. 将真空产生器断开,并且使得传感器读取大气压力。读取绝对压力传 感器的跨度(SPAN)值Kpa"O。串行命令ID,3,0,0x82,0,l,CRC。 所述值#嫂送到串行端口 ,并且被存储在xPa2中。
7. 绝对压力传感器的跨度(SPAN)值的写入。输入由参考仪器读取的 值kPa"O。串行命令ID,6,0,0x82,值,CRC。所述值,议送到串行端 口,并且被存储在n个yPa2中。
8. 读取大气压。读取差动压力传感器的零点(ZERO)值Kpa*10。串 行命令ID,3,0,0x84,0,l,CRC。所述值被发送到串行端口,并且被存 储在xPdl中。
9. 差动压力传感器的零点(ZERO)值的写入。输入由参考仪器读取的 值kPaA10。串行命令ID,6,0,0x84,值,CRC。所述值^LiC送到串行端 口 ,并且被存储在yPdl中。
10. 将校准的压力产生器连接到差动压力传感器,并且产生30 KPa的压 力。小心别产生更高的压力,因为更高的压力可能永久地损坏传感器。 读取绝对压力传感器的跨度(SPAN)值Kpa*10。串行命令:ID,3,0,0x86,0,l,CRC。所述值^J^送到串行端口,并且被存储在xPd2 中。
11. 绝对压力传感器的零点(ZERO)值的写入。输入由参考仪器读取 的值kPaM0。串行命令ID,6,0,0x86,值,CRC。所述值^JL送到串行 端口 ,并且被存储在yPd2中.
12. 去除跳线JP2。执行用于计算绝对压力传感器和差动压力传感器的 角系数和偏移值的过程。这个过程由处理器自动执行,并且其不需要 操作员的任何千预。
等待3声哔哔声及采样LED的关闭,以确定已经发生校准。 默认^lfc的设置
如果仪器被重新编程,并且寄存器的值在最大定标,则必须进行默认 参数的设置。这个过程由处理器自动执行,且其不需要操作员的任何千预。
默认錄
■采样体积=1000升;
■分级的数量=1;
■分级之间的等待=60秒;
■声音告警延迟=10秒;
■绝对压力零点(yPal)=0;
■绝对压力跨度(yPa2)=1000;
^JE力零点(yPd2)-0;
國^Ji力跨度(yPd2)-300;
■ xPal=0;
■ xPa2=1000;
xPdl=0;
■ xPd2=300;
以这种方式,传感器校准参数将是实际测量的值
传感器值参考值类型
绝对压力传感器(Pa)xPa2yPa2跨度