Pārnēsājama spiediena svārstību adsorbcijas skābekļa ģeneratora vadības sistēmas dizains

Pārnēsājama spiediena svārstību adsorbcijas skābekļa ģeneratora vadības sistēmas projektēšana
 

 

Skābeklis ir cilvēka dzīvības aktivitāšu uzturēšanas pamatelements, un tam ir būtiska loma dažādās medicīniskās aprūpes un ārkārtas glābšanas darbos. Skābekļa ražošanas iekārtas ir svarīgs medicīniskā atbalsta aprīkojums. Spiediena svārstību adsorbcijas (PSA) skābekļa ražošanas metode ir plaši izmantota mazās un vidējās skābekļa ražošanas iekārtās, jo tās priekšrocības ir zems enerģijas patēriņš, bez piesārņojuma un zemas investīcijas. Spiediena svārstību adsorbcijas metodes darbības princips ir šāds: pateicoties molekulāro sietu adsorbcijas īpašību atšķirībām pret skābekli un slāpekli, slāpeklis tiek adsorbēts spiediena apstākļos, lai atdalītu skābekli; pazemināta spiediena apstākļos slāpeklis tiek desorbēts, lai atjaunotu molekulārā sieta adsorbcijas veiktspēju un panāktu skābekļa un slāpekļa atdalīšanu. Lielākā daļa pašreizējo spiediena svārstību adsorbcijas skābekļa ražošanas iekārtu ir liela izmēra un smagas, un tās nevar apmierināt pārnesamības vajadzības uz lauka vai transportlīdzekļiem. Pārnēsājamie spiediena svārstību adsorbcijas skābekļa ģeneratori attiecas uz tām skābekļa ražošanas iekārtām, kuras var viegli pārnēsāt, kurām ir savs barošanas avots un kuras ir mazas. Tomēr Ķīnā šajā jomā ir salīdzinoši maz pētījumu, un esošās vadības sistēmas parasti ir liela izmēra, zemas automatizācijas un vājas stabilitātes. Šajā pētījumā, apvienojumā ar spiediena svārstību adsorbcijas skābekļa ražošanas procesu, tika izstrādāta un izstrādāta vadības sistēma, kas piemērota pārnēsājamiem spiediena svārstību adsorbcijas skābekļa ģeneratoriem, lai nodrošinātu tehnisko atbalstu tālākai pārnēsājamo skābekļa ģeneratoru izpētei un pielietošanai.

Spiediena svārstību adsorbcijas skābekļa ražošanas process

Lai izstrādātu pārnēsājamu spiediena svārstību adsorbcijas skābekļa ģeneratoru, šajā pētījumā tika apvienots spiediena svārstību adsorbcijas skābekļa ražošanas princips un vispirms tika noteikta skābekļa ražošanas pamatprocesa plūsma, kā parādīts attēlā. Lai samazinātu pārnēsājamā skābekļa ģeneratora tilpumu un svaru, šajā eksperimentā tika izmantots divu torņu skābekļa ražošanas process. Divu torņu skābekļa ražošanas process tiek plaši izmantots mazās skābekļa ražošanas iekārtās tā vienkāršās struktūras, ērtas apkopes un zemo izmaksu dēļ. Mainot divu adsorbcijas torņu darbību, var panākt nepārtrauktu un stabilu skābekļa ražošanu, vienlaikus efektīvi samazinot iekārtu tilpumu un masu. Lai palielinātu skābekļa daudzumu un samazinātu enerģijas patēriņu, šajā eksperimentā tika izstrādāts un pieņemts process ar izlīdzināšanas procesu. Izlīdzināšanas process vēl vairāk uzlabo skābekļa ražošanas efektivitāti un samazina sistēmas enerģijas patēriņu, optimizējot spiediena starpību. Šī procesa kombinācija ne tikai uzlabo pārnēsājamā spiediena svārstību adsorbcijas skābekļa ģeneratora veiktspēju, bet arī efektīvi kontrolē iekārtas enerģijas patēriņu un apjomu, vienlaikus nodrošinot skābekļa tīrību.



Slodzes piedziņas ķēdes projektēšana
Pārnēsājamā PSA skābekļa koncentratora galvenās darba slodzes ietver gaisa kompresorus un solenoīda vārstus. Izmantojot kombinēto solenoīda vārstu, skābekļa koncentratora tilpumu un svaru var efektīvi samazināt, vienlaikus uzlabojot sistēmas stabilitāti. Taču, tā kā gaisa kompresora un solenoīda vārsta darba spriegums ir 12V līdzstrāva, bet mikrokontrollera darba spriegums ir 3,3V līdzstrāva, ir grūti tieši vadīt šīs slodzes. Tāpēc mikrokontrollera signāla izvadi apvērš 74LVC04 invertors un pastiprina ULN2003 Darlington caurule, lai vadītu gaisa kompresora un solenoīda vārsta darbību.
ULN2003 ir augstas veiktspējas kompozītmateriālu tranzistoru bloks ar labu augstas temperatūras un augsta spiediena pretestību un spēcīgu kravnesību. Tajā ir integrēta brīvgaitas diode un var tieši vadīt lielas strāvas slodzes, tostarp relejus. Gaisa kompresora un solenoīda vārsta piedziņas shēma ir parādīta attēlā.



Gaisa kompresora piedziņas ķēdes dizains
Gaisa kompresors ir pārnēsājamā spiediena svārstību adsorbcijas (PSA) skābekļa ģeneratora galvenā jaudas sastāvdaļa. Tas atdala skābekli, ieelpojot apkārtējo gaisu un nospiežot to, lai to nosūtītu adsorbcijas tornī, kas ir galvenā saikne skābekļa ražošanas procesā. Lai izpildītu pārnēsājamo iekārtu efektīvas un stabilas veiktspējas prasības, šajā sistēmā tiek izmantots Thomas mikro bezsuku līdzstrāvas kompresors, kura priekšrocības ir vienmērīga darbība, liela plūsma, zema vibrācija, zems trokšņa līmenis un zems enerģijas patēriņš, un tas ir ļoti piemērots skābekļa ģeneratora pielietojuma scenārijs.
Bezsuku līdzstrāvas motoram ir nepieciešama īpaša piedziņas ķēde, lai pabeigtu elektronisko komutāciju un nodrošinātu tā normālu darbību. Tāpēc tiek izstrādāts motora piedziņas ķēžu komplekts, kas balstīts uz JY01 vadības mikroshēmu. Princips ir parādīts attēlā. Izmantojot optimizēto ķēdes dizainu, var precīzi kontrolēt gaisa kompresora darbības ātrumu un stabilitāti.
Shēmas dizains un princips
JY01 ir vadības mikroshēma, kas īpaši izmantota bezsuku līdzstrāvas motoriem ar šādām galvenajām funkcijām:
Ātruma lineārā regulēšana: lai panāktu precīzu motora ātruma kontroli;
Vairāki aizsardzības mehānismi: ieskaitot aizsardzību pret pārslodzi, aizsardzību pret zemsprieguma un īssavienojuma aizsardzību, lai nodrošinātu drošu ķēdes darbību;
Sinusoidālās impulsa platuma modulācijas (SPWM) izeja: lai uzlabotu braukšanas efektivitāti un samazinātu motora vibrāciju un troksni.
Braukšanas ķēde ir balstīta uz JY01, un rotora pozīcijas signāls (Ha, Hb, Hc) tiek iegūts caur Hall sensoru, un mikroshēma ģenerē atbilstošo braukšanas signālu. JY01 SPWM signāla izvade kontrolē piedziņas moduli IR2021, tādējādi darbinot augšējā un apakšējā tilta sviras lauka efekta tranzistoru (FET). Braukšanas signāls ir sadalīts augšdelma un apakšdelma vadības signālos: MA, MB un MC augšdelma signālus attēlo attiecīgi AT, BT un CT, bet apakšdelma signālus attēlo AB, BB un CB.

Nobeigumā
Saskaņā ar membrānas separācijas skābekļa ražošanas mehānismu šajā pētījumā ir izstrādāta kompakta membrānas atdalīšanas skābekļa ģeneratora vadības sistēma, kas izmanto STM32F407 vienas mikroshēmas mikrodatoru kā centrālo vadības bloku, vienlaikus veidojot arī atbilstošas ​​perifērijas vadības ķēdes un kontroles algoritmi. Visa vadības iestatīšana ir lietotājam draudzīga, viegli lietojama, ļoti stabila un ārkārtīgi uzticama, kā arī lieliskas cilvēka un mašīnas mijiedarbības iespējas. Skābekļa ģeneratora prototips, kas izstrādāts saskaņā ar šo kontroles režīmu, ir mazs izmērs un ārkārtīgi mazs svars. Kad skābekļa izvades ātrums sasniedz 0,8 l/min, skābekļa tīrība var sasniegt pat 93,2%, kas atbilst iepriekš iestatītajiem projektēšanas kritērijiem. Raugoties nākotnē, tiek plānots izpētīt saprātīgu skābekļa ražošanas procesa regulēšanu. Precīzi pielāgojot tādus parametrus kā sūkņa ātrums, caurlaidības laiks un membrānas spiediens, skābekļa ģeneratora skābekļa izvades ātrumu un tīrību var automātiski noregulēt atbilstoši apkārtējās temperatūras izmaiņām un uzturēt relatīvi nemainīgā līmenī.