一种煤矿井下粉尘采样自动换膜装置及方法

技术领域

本发明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，尤其涉及一种煤矿井下粉尘采样自动换膜装置，能够实现在矿上井下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

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。

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。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种煤矿井下粉尘采样自动换膜装置及方法，采用电动结合气动方式和矿井下特有的风源动力，结构合理，拆卸方便，稳定性强，解决了自动换膜装置换膜精度低，稳定性差等问题。

本公开的目的可以通过以下技术方案实现：

采用可编程逻辑控制器(PLC)驱动自动换膜装置运转，装置包括滤膜防尘箱、三爪转盘、转盘驱动装置、固定座、滤膜存储柱、废膜存储筒、滤膜夹、采样头、光电开关、电磁阀、下压气缸、伺服电机、步进电机；气动夹爪通过螺栓安装在三爪转盘上，转盘可带动气动夹爪进行平稳精准的旋转工作；所述滤膜存储柱、废膜存储筒、采样头固定在固定座上；所述转盘设置在固定座内，与固定座下面固定的转盘旋转机构连接；所述光电开关用于确定转盘是否旋转到位。本发明采用电气结合气动方式，换膜周期可控，没有复杂的传动机构，结构简易，方便拆卸安装以及维护，减少了线性模组的水平传动机构，更加节约空间，整机体积大大减小，废膜存储筒中滤膜夹靠重力下落，减少了一个输出动力源，节约成本。

所述固定座的一个圆周上均布三个工位。

所述滤膜存储柱、废膜存储桶、检测位分别对着所述三个工位固定在固定座上。

所述三爪转盘上的三个气动夹爪，通过电磁阀控制，可与固定座上的三个工位一一相对。

所述三爪转盘旋转机构包括转轴、联轴器、伺服电机。

所述转轴一端穿过转盘中心通过螺母锁紧，另一端通过联轴器与伺服电机相连。

所述固定座的三个工位旁分别开有检测孔。

所述光电开关可与检测孔一一相对。

所述光电开关固定在底座上，用于检测夹爪是否旋转到位。

所述滤膜存储柱放置于升降装置中，升降装置的动力由步进电机提供，升降装置可使滤膜存膜柱在夹取滤膜后下降，从而夹爪夹取下一片滤膜。

优选地，由位于固定座的膜片压紧模块组成进样检测系统；膜片压盖上的气缸由电磁阀控制。

优选地，由位于固定座的膜片压紧模块组成进样检测系统；当膜片到达检测口时，需要顶紧膜片，膜片压盖下移，与下顶紧模块和膜片夹完全压紧，形成密闭进样区；所述上顶紧模块与下顶紧模块与膜片夹的接触面均嵌有密封圈，用于保证进样系统的气密性。

优选地，所述膜片压盖上设有进气嘴，所述膜夹底座的底部设有出气嘴，将需要过滤检测的气体从进气嘴进入，通过过滤膜过滤，然后经过出气嘴排出。

优选地，所述光电开关、步进电机和电磁阀由PLC可编程控制器控制；所述膜片夹的工作时间可以通过PLC可编程控制器设定；PLC通过数据采集卡接收电脑的命令控制换膜器换膜和换气，并在执行命令过后将换膜装置的状态反馈给电脑。

优选地，所述装置外设有防尘罩，并装有除尘净化装置。

其所述包括如下步骤：

S1、检测各个传感器状态，转盘带动气动夹爪移动至加载工位，滤膜存储柱下移滤膜至与气动夹爪齐平，气动手夹抓夹取膜片至进样检测口；

S2、当膜片到达检测口时，需要顶紧膜片，膜片压盖下移，与下顶紧模块和膜片夹完全压紧，形成密闭进样区，开始通气进行检测；

S3、检测工作完成后，上顶紧模块与下顶紧模块松开，气动夹爪旋转至废膜存储桶口上方，气动夹爪松开膜片，掉入废膜存储桶，气动手爪再旋转至滤膜存储柱，进行下一工作循环。

本发明的有益效果如下：

采用电动结合气动方式，结构合理，拆卸方便，稳定性强，本发明的一种自动换膜装置由于采用了以上技术方案，可以在滤膜存储柱内一次放置若干个膜片夹，只需一次投放，中间不需要人为更换，即可保证实验的连续性，不仅操作简便且密封性好，在节省时间的同时大大提高了实验的质量和实验的效率。

附图说明

图1为本发明提供的一种煤矿井下粉尘采样自动换膜装置的整体外部结构示意图。

图2为本发明提供的一种煤矿井下粉尘采样自动换膜装置的整体内部结构示意图。

图3为本发明提供的一种煤矿井下粉尘采样自动换膜装置的整体内部结构示意主视图。

图4为本发明提供的一种煤矿井下粉尘采样自动换膜装置的三爪转盘结构示意图。

图5为本发明提供的一种煤矿井下粉尘采样自动换膜装置的滤膜存储柱的结构示意图。

图6为本发明提供的一种煤矿井下粉尘采样自动换膜装置的膜片夹结构示意。

图7为本发明提供的一种煤矿井下粉尘采样自动换膜装置过滤膜自动更换方法的流程框图。

图中各标记如下：1-滤膜防尘箱、2-三爪转盘、3-转盘驱动装置、4-固定座、5-滤膜存储柱、6-废膜存储筒、7-膜片夹、8-采样头、9-光电开关、10-电磁阀、11-下压气缸、12-伺服电机、13-步进电机、14-自动升降装置、15-膜片压紧模块、16-除尘净化装置、17-电器集成柜。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例进一步描述本发明，但不以任何方式限制本发明的范围。

本发明提供了一种基于PLC控制的电动结合气动的自动换膜系统，包括由用于存放洁净膜片的存储柱、用于收集已使用过膜片的废膜桶、外壳为圆柱体的上/下两个顶紧模块用于夹紧膜片、用于装膜片的膜片夹、滤膜防尘箱、三爪转盘、转盘驱动装置、铝合金制成的固定座、采样头、光电开关、电磁阀、下压气缸、伺服电机、步进电机。本发明以PLC通过数据采集卡接收电脑的命令控制换膜器换膜和换气，并在执行命令过后将换膜装置的状态反馈给电脑。

具体实施如图1所示基于PLC控制的电动结合气动的自动换膜系统，包括滤膜防尘箱1、三爪转盘2、转盘驱动装置3、固定座4、滤膜存储柱5、废膜存储筒6、膜片夹7、采样头8、光电开关9、电磁阀10、下压气缸11、伺服电机12、步进电机13、自动升降装置14、膜片压紧模块15、除尘净化装置16、电器集成柜17。

所述固定座4的一个圆周上均布三个工位；所述滤膜存储柱5、废膜存储桶6、采样口8分别对着所述三个工位固定在固定座上；所述三爪转盘上的三个气动夹爪201夹角为180°，通过电磁阀10控制，可与固定座4上的三个工位一一相对；所述三爪转盘旋转机构包括转轴202、联轴器203、同步带204、伺服电机12；所述转轴202一端穿过转盘中心通过螺母锁紧，另一端通过联轴器203与伺服电机12相连。

所述固定座4的三个工位旁分别开有检测孔；所述光电开关9可与检测孔一一相对；所述光电开关9固定在固定座上，用于检测气动夹爪201是否旋转到位。

所述滤膜存储柱5放置于升降装置14中，升降装置14的动力由步进电机13提供，升降装置14可使滤膜存膜柱5在夹取滤膜后下降，从而夹爪夹取下一片滤膜。由位于固定座4的膜片压紧模块15组成进样检测系统；膜片压盖上的气缸由电磁阀控制。当膜片到达检测口时，需要顶紧膜片，膜片压盖下移，与下顶紧模块和膜片夹完全压紧，形成密闭进样区。所述上顶紧模块与下顶紧模块与膜片夹的接触面均嵌有密封圈，用于保证进样系统的气密性。所述膜片压盖15上设有进气嘴，所述膜夹底座的底部设有出气嘴。将需要过滤检测的气体从进气嘴进入，通过过滤膜过滤，然后经过出气嘴排出。

优选地，所述光电开关9、步进电机13和电磁阀10由PLC可编程控制器控制。所述膜片夹的工作时间可以通过PLC可编程控制器设定。PLC通过数据采集卡接收电脑的命令控制换膜器换膜和换气，并在执行命令过后将换膜装置的状态反馈给电脑。所述装置外设有防尘箱1，并装有除尘净化装置16及电器集成柜17。

下面通过一个具体例子来说明本发明的工作流程：

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。

首先开始换膜前，先将洁净膜片一一置入膜片夹7内，将膜片夹7依次叠放入滤膜存储柱5，盖紧封盖防止灰尘进入。其次开始换膜时，在电器集成柜17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12小时。进行启动前自检程序，包括(1)防尘箱是否密封、(2)膜片数量是否更新、(3)更换间隔是否设置、(4)光电开关9是否校准，完成后启动换膜系统。

接着启动系统后，步进电机13控制滤膜存储柱5下移，伺服电机12控制三爪转盘2带动膜片夹7转动至光电开关9发出停止的指令，表明三爪转盘2已经位于正确位置且新膜片夹7已经就位，随后下移膜片压紧模块15顶紧膜片。随后的正常换膜流程中，伺服电机12在膜片压紧模块15松开膜片夹7后，每次转动120°，使得新膜片进入采样系统，同时旧膜片落入废膜存储桶6收集。

当所有膜片更换完毕后，最后一个膜片会停留压紧模块15中并被夹紧，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。从废膜存储桶6取出已使用完成的膜片夹7，更换洁净膜片以备下次使用。

具体地，装置在配备矿用本质安全外壳后，可以应用于煤矿井下，不受环境影响。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。