通風櫃櫃面風速控制系統及其控制方法
2023-06-25 19:13:01 2
專利名稱：通風櫃櫃面風速控制系統及其控制方法
技術領域：
本發明涉及一種機電系統及控制方法，特別是涉及一種用於風速控制的機電系統及控制方法。
背景技術：
在一些涉及到有害氣體、臭氣、溼氣以及易燃、易爆、腐蝕性物質的實驗中，為了保護實驗者的安全，防止實驗中的汙染物質向實驗室中擴散，實驗過程通常要在通風櫃中完成。通風櫃包括櫃體、櫃面視窗和與之相連通的通風管道，通風管道與排風系統相連接，排風系統向外部排風使櫃體內形成負壓，使得櫃體內的有害氣體沿通風管道排出，即需要在櫃面視窗開口處保持一定的新風吸入速度才能防止通風櫃內有害氣體逸出。正常情況下，新風吸入速度與實驗物質有關，一般無毒的汙染物為0. 25 0. 38m/ s，有毒或有危險的有害物為0. 4 0. 5m/s，劇毒或有少量放射性為0. 5 0. 6m/s,氣狀物為0. 5m/s,粒狀物為lm/s。為了確保這樣的風速就需要風機持續排風，使通風櫃內維持一定的負壓。但是由於在實驗過程中需要不斷進行調整實驗儀器、更改實驗步驟等操作，開啟、關閉櫃面視窗，櫃面視窗開啟的大小，會造成窗口處風速的變化，會使櫃面視窗開啟窗口處的表徵窗口面積與風速關係的櫃面風速改變，通風櫃內的負壓無法維持，因此在設計風機排風功率時需要以櫃面視窗完全開啟時能夠維持櫃內負壓的排風量為參考值，但是櫃面視窗完全開啟或部分開啟的時間只佔實驗過程的10%至30%，會造成排風系統設計時的功率浪費，對於需要連接眾多通風櫃的排風系統來說，浪費更甚。同時由於櫃面視窗關閉或部分關閉時，櫃內的負壓容易維持，風機大功率排風會導致櫃內的負壓過高，新風吸入速度成倍增長，形成空氣流動噪音，破壞實驗室的靜音環境。通常解決問題的方法是人工調整通風管道中的風量調節閥，調節通風櫃的排風量，當風量調節閥的碟板調節到某一角度時櫃面視窗開口處達到希望的櫃面風速。人工方式控制精度不高，時效性差，容易造成通風櫃內有害氣體逸出。
發明內容
本發明的目的是提供一種通風櫃的櫃面風速控制系統，解決通風櫃的櫃面風速無法隨櫃面視窗開啟尺寸有效調節的技術問題。本發明的另一個目的是提供一種利用上述通風櫃的櫃面風速控制系統，進行風速控制的方法，解決通風環節能耗過高的技術問題。本發明的通風櫃櫃面風速控制系統，其中包括位移傳感器，PID控制器，風閥驅動器，減速機，碟閥，微控制單元，輸入鍵盤，顯示裝置，告警裝置；位移傳感器，用於採集櫃面視窗開啟和關閉時的相對高度信息，將高度信號轉換為相應的電信號，位移傳感器的信號輸出端連接PID控制器的信號輸入端；PID控制器，用於將位移傳感器輸入的電信號與預置的相應櫃面視窗開啟高度的櫃面風速參數對比，生成維持通風櫃內負壓所需要的排風風速數據，將風速數據傳送至微控制單元，並將風速數據轉換為控制信號通過信號輸出端，傳送到風閥驅動器的控制信號輸入端；風閥驅動器，用於根據輸入的控制信號控制驅動電機輸出軸的轉動，驅動電機輸出軸連接減速機的輸入軸；減速機，用於將驅動電機輸出軸的高速低扭矩輸出轉換為低速高扭矩輸出，帶動碟閥閥芯轉動；碟閥，用於調節排風管道中的排風量；微控制單元，用於接收輸入鍵盤輸入的數據和PID控制器傳送的風速數據，將預·置參數傳送至PID控制器，更新預置參數，將實時的風速數據、碟閥開啟角度和系統狀態信息傳送至顯示裝置和排風系統，當系統運行數據偏離正常範圍時，向告警裝置發送告警信號;輸入鍵盤，用於輸入系統基本控制數據和系統預置參數；·顯示裝置，顯示微控制單元傳送的系統運行狀態數據；告警裝置，用於將微控制單元發送的告警信號轉換為聲光報警。在通風櫃內的側壁上，矩形通孔上方安裝一個位移傳感器，位移傳感器的探頭固定在櫃面視窗的下部邊緣處，隨櫃面視窗上下移動，位移傳感器根據探頭與位移傳感器本體的距離變化採集櫃面視窗上下移動的高度。通風櫃的側壁外側固定安裝控制盒，控制盒內集成安裝有PID控制器、微控制單元，控制盒上集成安裝有顯示屏、輸入鍵盤和告警器，通過控制盒的信號連接端子完成相應的電路連接。通風櫃的側壁外側安裝有風閥驅動器，風閥驅動器的信號輸入端子與控制盒的信號輸出端子通過信號線連接。所述蝶閥包括閥體、閥杆和碟板，閥體安裝在通風櫃頂部排氣管道內，垂直於排氣管道軸線，閥杆垂直於排氣管道軸線，閥杆帶動碟板沿閥杆軸線轉動。所述風閥驅動器和蝶閥之間通過安裝在通風櫃的側壁外側的減速機連接，減速機的輸出軸連接閥杆，減速機的輸入軸連接風閥驅動器的驅動電機輸出軸。利用上述的通風櫃櫃面風速控制系統實現的控制方法，其中包括以下步驟改變櫃面視窗位置，位移傳感器向PID控制器傳送採集的信號，PID控制器形成風速數據並形成相應的控制信號，風速數據傳送至微控制單元，控制信號傳送至風閥驅動器；風閥驅動器根據控制信號帶動蝶閥中碟板轉動相應角度，改變排風風量，維持通風櫃櫃面風速保持在風速下限；微控制單元將風速數據傳送至排風系統；與排風系統相連接的各通風櫃的櫃面風速控制系統完成以上步驟。本發明的通風櫃櫃面風速控制系統，實現了通風櫃櫃面視窗開啟尺寸與櫃面進風風速的聯動調節，在維持櫃內必須的負壓時，隨著櫃面視窗開啟尺寸自動精確調節櫃面風速，使排風系統風機可以適應變頻運行的工作方式，有效降低了風機的能耗，同時降低了實驗室內的風噪，改善了實驗環境。
本發明的控制方法可以使獨立的通風櫃完成櫃面風速的自動調節，同時將各個通風櫃的實時風速信號傳遞給排風系統，使得排風系統可以精確計算通風量，完成風機的變頻調節，實現節能減排。下面結合附圖對本發明的實施例作進一步說明。
圖I為本發明通風櫃櫃面風速控制系統的電路結構示意圖；圖2為本發明通風櫃櫃面風速控制系統的安裝結構示意圖；圖3為本發明通風櫃櫃面風速控制系統的工作狀態示意圖。
具體實施方式
本發明的通風櫃櫃面風速控制系統利用傳感器採樣櫃面視窗的開啟高度，將高度信息轉換為對應的電信號傳送至信號控制器，由信號控制器將電信號與預置的閥值數據進行比較，轉換為風閥驅動器的控制信號，根據控制信號，風閥驅動器帶動排風管道中碟閥的閥杆轉動，帶動碟板的改變角度，進而改變排風管道中排風量，實現根據櫃面視窗的開啟面積，調整櫃面風速。如圖I所示，本實施例包括位移傳感器01，PID控制器(比例-積分-微分控制器)02，風閥驅動器03，減速機04，碟閥05，微控制單元06，輸入鍵盤07，顯示裝置08，告警裝置09。位移傳感器01，用於採集櫃面視窗開啟和關閉時的相對高度信息，將高度信號轉 換為相應的電信號，位移傳感器01的信號輸出端連接PID控制器02的信號輸入端；PID控制器02，用於將位移傳感器01輸入的電信號與預置的相應櫃面視窗開啟高度的櫃面風速參數對比，生成維持通風櫃內負壓所需要的排風風速數據，將風速數據傳送至微控制單元06，並將風速數據轉換為控制信號通過信號輸出端，傳送到風閥驅動器03的控制信號輸入端；風閥驅動器03，用於根據輸入的控制信號控制驅動電機輸出軸的轉動，驅動電機輸出軸連接減速機04的輸入軸；減速機04，用於將驅動電機輸出軸的高速低扭矩輸出轉換為低速高扭矩輸出，帶動碟閥05閥芯轉動；
碟閥05，用於調節排風管道中的排風量；微控制單元06，用於接收輸入鍵盤07輸入的數據，接收PID控制器(02)傳送的風速數據，將預置參數傳送至PID控制器02，更新預置參數，將實時的面風速數據、碟閥05開啟角度和系統狀態信息傳送至顯示裝置08和排風系統，系統運行數據偏離正常範圍時，向告警裝置08發送告警信號；輸入鍵盤07，用於輸入系統基本控制數據和系統預置參數；顯示裝置08，顯示微控制單元06傳送的系統運行狀態數據；告警裝置09，用於將微控制單元06發送的告警信號轉換為聲光報警。通風櫃前端面通常開設矩形通孔，矩形通孔被可以上下移動的矩形櫃面視窗12遮擋，當櫃面視窗上移開啟時，矩形通孔逐漸敞開，可以向通風櫃內放入或取出實驗器材，當櫃面視窗下移關閉時，矩形通孔被逐漸遮擋，使通風櫃形成封閉的腔體。矩形通孔敞開的尺寸是計算櫃面風速，以及排風量的主要依據。如圖2和圖3所示，本實施例在通風櫃內的側壁上，矩形通孔上方安裝一個位移傳感器13，位移傳感器13的探頭13a固定在櫃面視窗12的下部邊緣處，隨櫃面視窗12上下移動。位移傳感器根據探頭13a與位移傳感器13本體的距離變化採集櫃面視窗上下移動的高度。通風櫃的側壁外側固定安裝控制盒14，控制盒內集成安裝有PID控制器、微控制單元，控制盒上集成安裝有顯示屏、輸入鍵盤和告警器，通過控制盒14的信號連接端子完成相應的電路連接。通風櫃的側壁外側安裝有風閥驅動器15，風閥驅動器15的信號輸入端子與控制盒的信號輸出端子通過信號線連接。
蝶閥17包括閥體17a、閥杆17b和碟板17c，閥體17a安裝在通風櫃頂部排氣管道內，垂直於排氣管道軸線，閥杆17b垂直於排氣管道軸線，閥杆17b帶動碟板17c沿閥杆17b軸線轉動。風閥驅動器15和蝶閥17之間通過安裝在通風櫃的側壁外側的減速機16連接，減速機16的輸出軸連接閥杆17a，減速機16的輸入軸連接風閥驅動器15的驅動電機輸出軸。將風閥驅動器15和減速機16安裝在通風櫃外側，有利於日常的檢修和維護，避免造成維護時間過長影響實驗周期，同時精密器件可以免受廢氣的腐蝕影響。本實施例在通風櫃工作過程中，當櫃面視窗12下移基本遮擋住矩形通孔時，蝶閥17中的碟板17b與閥體17a的夾角接近10度，排風風量最小，櫃面風速保持在風速下限。當櫃面視窗12上移矩形通孔逐漸敞開時，位移傳感器013的探頭13a隨櫃面視窗12向上移動，位移傳感器013的輸出信號電壓值隨探頭13a高度的變化而線性改變，PID控制器接收到位移傳感器013的輸出信號後與預置的櫃面排風風速數據比較，將櫃面視窗12在相應高度時，維持通風櫃內負壓所對應的櫃面排風風速數據，轉換為相應的排風量信號傳送至風閥驅動器03，風閥驅動器03根據PID控制器輸出的排風量信號控制驅動電機輸出軸的轉速，減速機16將驅動電機輸出的高速低扭矩轉換為減速機16低速高扭矩的輸出，減速機16的輸出軸帶動閥杆17b做精確和穩定地轉動，碟板17c隨閥杆17b轉動，改變碟板17b與閥體17a的夾角。當櫃面視窗12上移至最高限位位置時，碟板17b與閥體17a的夾角接近80度,排風風量最大。本實施例通過控制盒14上的輸入鍵盤輸入初始數據和預置參數，通過顯示屏監視系統的運行狀態，當微控制單元檢測到櫃面視窗移動高度、碟板與閥體的夾角與監測的排風量超出許可的誤差時，向告警器發送告警信號，告警器向實驗室內告警。本實施例的排風量與櫃面風速的計算方式通常為排風量=櫃面視窗開口尺寸X指定櫃面風速X排風時間當櫃面風速和排風時間確定後，櫃面視窗開口尺寸對蝶閥控制的排風量實現動態控制，大大降低了櫃面視窗開口尺寸較小時的排風量。將本發明的控制系統應用在排風系統下連接的所有通風柜上，採用以下步驟改變櫃面視窗12位置，位移傳感器013向PID控制器傳送採集的信號，PID控制器形成風速數據並形成相應的控制信號，風速數據傳送至微控制單元，控制信號傳送至風閥驅動器；風閥驅動器根據控制信號帶動蝶閥中碟板轉動相應角度，改變排風風量，維持通風櫃櫃面風速保持在風速下限；微控制單元將風速數據傳送至排風系統；與排風系統相連接的各通風櫃的櫃面風速控制系統完成以上步驟。
使得排風系統根據實際需要的通風量，使用變頻風機調節排風量，大大降低了系統能耗。以上所述的實施例僅僅是對本發明的優選實施方式進行描述，並非對本發明的範圍進行限定，在不脫離本發明設計精神的前提下，本領域普通技術人員對本發明的技術方案作出的各種變形和改進，均應落入本發明權利要求書確定的保護範圍內。
權利要求
1.一種通風櫃櫃面風速控制系統，其特徵在於包括位移傳感器(01)，PID控制器(02)，風閥驅動器(03)，減速機(04)，碟閥(05)，微控制單元(06)，輸入鍵盤(07)，顯示裝置(08)，告警裝置(09)； 位移傳感器(01)，用於採集櫃面視窗開啟和關閉時的相對高度信息，將高度信號轉換為相應的電信號，位移傳感器(01)的信號輸出端連接PID控制器(02)的信號輸入端； PID控制器(02)，用於將位移傳感器(01)輸入的電信號與預置的相應櫃面視窗開啟高度的櫃面風速參數對比，生成維持通風櫃內負壓所需要的排風風速數據，將風速數據傳送至微控制單元(06)，並將風速數據轉換為控制信號通過信號輸出端，傳送到風閥驅動器 (03)的控制信號輸入端； 風閥驅動器(03)，用於根據輸入的控制信號控制驅動電機輸出軸的轉動，驅動電機輸出軸連接減速機(04)的輸入軸； 減速機(04)，用於將驅動電機輸出軸的高速低扭矩輸出轉換為低速高扭矩輸出，帶動碟閥(05)閥芯轉動； 碟閥(05)，用於調節排風管道中的排風量； 微控制單元(06 )，用於接收輸入鍵盤(07 )輸入的數據和PID控制器(02 )傳送的風速數據，將預置參數傳送至PID控制器(02)，更新預置參數，將實時的風速數據、碟閥(05)開啟角度和系統狀態信息傳送至顯示裝置(08)和排風系統，當系統運行數據偏離正常範圍時，向告警裝置(08)發送告警信號； 輸入鍵盤(07)，用於輸入系統基本控制數據和系統預置參數； 顯示裝置(08 )，顯示微控制單元(06 )傳送的系統運行狀態數據； 告警裝置(09)，用於將微控制單元(06)發送的告警信號轉換為聲光報警。
2.根據權利要求I所述的通風櫃櫃面風速控制系統，其特徵在於在通風櫃內的側壁上，矩形通孔上方安裝一個位移傳感器(13)，位移傳感器(13)的探頭(13a)固定在櫃面視窗(12)的下部邊緣處，隨櫃面視窗(12)上下移動，位移傳感器根據探頭(13a)與位移傳感器(13)本體的距離變化採集櫃面視窗(12)上下移動的高度。
3.根據權利要求2所述的通風櫃櫃面風速控制系統，其特徵在於通風櫃的側壁外側固定安裝控制盒(14)，控制盒內集成安裝有PID控制器、微控制單元，控制盒(14)上集成安裝有顯示屏、輸入鍵盤和告警器，通過控制盒(14)的信號連接端子完成相應的電路連接；通風櫃的側壁外側安裝有風閥驅動器(15)，風閥驅動器(15)的信號輸入端子與控制盒的信號輸出端子通過信號線連接。
4.根據權利要求3所述的通風櫃櫃面風速控制系統，其特徵在於所述蝶閥(17)包括閥體(17a)、閥杆(17b)和碟板(17c)，閥體(17a)安裝在通風櫃頂部排氣管道內，垂直於排氣管道軸線，閥杆(17b)垂直於排氣管道軸線，閥杆(17b)帶動碟板(17c)沿閥杆(17b)軸線轉動。
5.根據權利要求4所述的通風櫃櫃面風速控制系統，其特徵在於所述風閥驅動器(15)和蝶閥(17)之間通過安裝在通風櫃的側壁外側的減速機(16)連接，減速機(16)的輸出軸連接閥杆(17a)，減速機(16)的輸入軸連接風閥驅動器(15)的驅動電機輸出軸。
6.利用權利要求I至5任一所述的通風櫃櫃面風速控制系統實現的控制方法，其特徵在於，包括以下步驟改變櫃面視窗(12)位置，位移傳感器向PID控制器傳送採集的信號，PID控制器形成風速數據並形成相應的控制信號，風速數據傳送至微控制單元，控制信號傳送至風閥驅動器； 風閥驅動器根據控制信號帶動蝶閥中碟板轉動相應角度，改變排風風量，維持通風櫃櫃面風速保持在風速下限； 微控制單元將風速數據傳送至排風系統； 與排風系統相連接的各通風櫃的櫃面風速控制系統完成以上步驟。
全文摘要
本發明的通風櫃櫃面風速控制系統，其中包括位移傳感器，PID控制器，風閥驅動器，減速機，碟閥，微控制單元，輸入鍵盤，顯示裝置，告警裝置。將位移傳感器輸入的電信號與預置的相應櫃面視窗開啟高度時面風速的參數對比，生成維持通風櫃內負壓所需要的排風風速數據，將風速數據傳送至微控制單元，並將風速數據轉換為控制信號通過信號輸出端，傳送到風閥驅動器的控制信號輸入端，風閥驅動器通過減速機帶動蝶閥調節排風管道中的排風量。本發明實現了櫃面視窗開啟尺寸與櫃面進風風速的聯動調節。還包括一種利用本發明的控制方法。
文檔編號B08B15/04GK102716889SQ20121018511
公開日2012年10月10日 申請日期2012年6月6日 優先權日2012年6月6日
發明者董國浩 申請人:北京信高實驗室設備有限公司