Zasnova krmilnega sistema za prenosni adsorpcijski generator kisika z nihanjem tlaka

Zasnova krmilnega sistema za prenosni tlačno nihajni adsorpcijski generator kisika
 

 

Kisik je osnovni element za ohranjanje človeških življenjskih aktivnosti in ima ključno vlogo pri različnih medicinskih zdravljenjih in reševanju v nujnih primerih. Oprema za proizvodnjo kisika je pomembna oprema za medicinsko podporo. Metoda proizvodnje kisika z nihanjem tlaka (PSA) se pogosto uporablja v majhni in srednje veliki opremi za proizvodnjo kisika zaradi svojih prednosti nizke porabe energije, brez onesnaževanja in nizkih naložb. Načelo delovanja metode adsorpcije z nihanjem tlaka je: zaradi razlike v adsorpcijskih značilnostih molekularnih sit na kisik in dušik se dušik adsorbira pod tlakom, da se loči kisik; pod pogoji znižanega tlaka se dušik desorbira, da se obnovi adsorpcijska učinkovitost molekularnega sita, da se doseže ločevanje kisika in dušika. Večina trenutne opreme za proizvodnjo kisika z nihajočo adsorpcijo je velike in težke, kar ne more zadovoljiti potreb po prenosljivosti na terenu ali v vozilih. Prenosni tlačni adsorpcijski generatorji kisika se nanašajo na tisto opremo za proizvodnjo kisika, ki jo je mogoče prenašati z lahkoto, ima lastno napajanje in je majhna teža. Vendar je na Kitajskem razmeroma malo raziskav na tem področju, obstoječi nadzorni sistemi pa so na splošno veliki, malo avtomatizirani in slabo stabilni. V tej študiji je bil v kombinaciji s postopkom proizvodnje kisika z nihajočo adsorpcijo tlaka zasnovan in razvit nadzorni sistem, primeren za prenosne generatorje kisika z nihajočo adsorpcijo pod pritiskom, da bi zagotovil tehnično podporo za nadaljnje raziskave in uporabo prenosnih generatorjev kisika.

Proces proizvodnje kisika z adsorpcijo nihanja tlaka

Da bi razvili prenosni tlačno nihajni adsorpcijski generator kisika, je ta študija združila načelo tlačne adsorpcijske adsorpcijske proizvodnje kisika in najprej določila osnovni tok procesa proizvodnje kisika, kot je prikazano na sliki. Da bi zmanjšali prostornino in težo prenosnega generatorja kisika, je ta poskus sprejel postopek proizvodnje kisika z dvema stolpoma. Postopek proizvodnje kisika z dvema stolpoma se pogosto uporablja v majhni opremi za proizvodnjo kisika zaradi svoje preproste strukture, priročnega vzdrževanja in nizkih stroškov. Z izmeničnim delovanjem dveh adsorpcijskih stolpov je mogoče doseči neprekinjeno in stabilno proizvodnjo kisika, hkrati pa učinkovito zmanjšati prostornino in maso opreme. Da bi povečali donos kisika in zmanjšali porabo energije, je ta poskus zasnoval in sprejel postopek z izravnalnim postopkom. Postopek izenačevanja dodatno izboljša učinkovitost proizvodnje kisika in zmanjša porabo energije sistema z optimizacijo tlačne razlike. Kombinacija tega postopka ne le izboljša učinkovitost prenosnega adsorpcijskega generatorja kisika z nihanjem tlaka, ampak tudi učinkovito nadzoruje porabo energije in prostornino opreme, hkrati pa zagotavlja čistost kisika.



Zasnova tokokroga pogona obremenitve
Glavne delovne obremenitve prenosnega koncentratorja kisika PSA vključujejo zračne kompresorje in elektromagnetne ventile. Z uporabo kombiniranega elektromagnetnega ventila je mogoče učinkovito zmanjšati prostornino in težo koncentratorja kisika, hkrati pa povečati stabilnost sistema. Ker pa je delovna napetost zračnega kompresorja in elektromagnetnega ventila 12 V DC, medtem ko je delovna napetost mikrokrmilnika 3,3 V DC, je te obremenitve težko neposredno poganjati. Zato se izhodni signal mikrokrmilnika obrne z inverterjem 74LVC04 in ojača z Darlingtonovo cevjo ULN2003, da poganja delovanje zračnega kompresorja in elektromagnetnega ventila.
ULN2003 je visoko zmogljivo kompozitno tranzistorsko polje z dobro odpornostjo na visoke temperature in tlak ter veliko nosilnostjo. Vključuje diodo s prostim tekom in lahko neposredno poganja visoke tokovne obremenitve, vključno z releji. Shema pogonskega vezja zračnega kompresorja in elektromagnetnega ventila je prikazana na sliki.



Zasnova pogonskega vezja zračnega kompresorja
Zračni kompresor je glavna močnostna komponenta prenosnega generatorja kisika z nihajno adsorpcijo (PSA). Kisik ločuje tako, da vdihne okoliški zrak in ga stisne, da ga pošlje v adsorpcijski stolp, ki je ključni člen v procesu proizvodnje kisika. Da bi izpolnil zahteve glede učinkovitosti in stabilne zmogljivosti prenosne opreme, ta sistem uporablja Thomasov brezkrtačni DC kompresor, ki ima prednosti nemotenega delovanja, velikega pretoka, nizkih vibracij, nizkega hrupa in nizke porabe energije ter je zelo primeren za scenarij uporabe generatorja kisika.
Brezkrtačni enosmerni motor potrebuje namensko pogonsko vezje za dokončanje elektronske komutacije, ki zagotavlja normalno delovanje. Zato je zasnovan niz tokokrogov motornega pogona, ki temelji na krmilnem čipu JY01. Načelo je prikazano na sliki. Z optimizirano zasnovo vezja je mogoče natančno nadzorovati hitrost delovanja in stabilnost zračnega kompresorja.
Zasnova in princip vezja
JY01 je krmilni čip, posebej uporabljen za brezkrtačne enosmerne motorje, z naslednjimi glavnimi funkcijami:
Linearna regulacija hitrosti: za dosego natančnega nadzora hitrosti motorja;
Več zaščitnih mehanizmov: vključno z zaščito pred prenapetostjo, zaščito pred prenizko napetostjo in zaščito pred kratkim stikom za zagotovitev varnega delovanja tokokroga;
Izhodna modulacija sinusne širine impulza (SPWM): za izboljšanje učinkovitosti vožnje in zmanjšanje vibracij in hrupa motorja.
Pogonsko vezje temelji na JY01, signal položaja rotorja (Ha, Hb, Hc) pa se pridobi prek Hallovega senzorja, čip pa ustvari ustrezen pogonski signal. Izhodni signal SPWM z JY01 krmili pogonski modul IR2021, s čimer poganja tranzistor z učinkom polja (FET) zgornjega in spodnjega kraka mostu. Pogonski signal je razdeljen na krmilne signale zgornje in spodnje roke: signale zgornje roke MA, MB in MC predstavljajo AT, BT in CT, signale spodnje roke pa AB, BB in CB.

Za zaključek
V skladu z mehanizmom proizvodnje kisika za membransko ločevanje ta raziskava oblikuje kompaktni nadzorni sistem generatorja kisika za membransko ločevanje, ki uporablja mikroračunalnik z enim čipom STM32F407 kot osrednjo krmilno enoto, hkrati pa oblikuje ustrezna periferna krmilna vezja in nadzorni algoritmi. Celotna krmilna nastavitev izkazuje prednosti, da je uporabniku prijazna, enostavna za upravljanje, zelo stabilna in izjemno zanesljiva, skupaj z odličnimi zmožnostmi interakcije človek-stroj. Prototip generatorja kisika, razvit v tem nadzornem režimu, je majhne velikosti in ima izjemno majhno težo. Ko stopnja izpusta kisika doseže 0,8 L/min, lahko čistost kisika doseže kar 93,2 %, kar izpolnjuje prednastavljena merila uspešnosti. Če pogledamo naprej, obstajajo načrti za raziskovanje inteligentne regulacije procesa proizvodnje kisika. Z natančnim prilagajanjem parametrov, kot so hitrost črpalke, čas prepustnosti in membranski tlak, se lahko izhodna stopnja kisika in čistost generatorja kisika samodejno nastavita glede na spremembe temperature okolja in se vzdržujeta na relativno konstantni ravni.