CN101802505A - 具有粗调和微调的压力控制装置 - Google Patents

具有粗调和微调的压力控制装置 Download PDF

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Abstract

一种设置用于调节空间内空气压力的加压控制系统，包括：流体连通至供气源的第一节气阀，第一节气阀设置用于控制气流的输送；以及具有操作范围的第二节气阀，第二节气阀流体连通至供气源和第一节气阀，第二节气阀设置用于补充气流的输送。加压控制系统进一步包括设置用于向第一和第二节气阀提供控制信号的房间控制器，其中控制信号驱动第一节气阀以引导气流趋向所述操作范围，并且其中控制信号驱动第二节气阀以引导气流趋向设定值。

Description

具有粗调和微调的压力控制装置
背景技术
控制并监测房间和/或实验室的加压以确保其中人员的健康和安全以及保护敏感的工业产品是已知的。为了保护病人、职员和研究人员远离危险的病毒、病原体或其他霉素，健康护理设备和研究实验室可能会采用复杂的加压方案。例如，健康护理或研究设备可以将包含危险材料的房间或实验室密封和部分降压(产生负静压)。由此，如果出现缺口或意外情况，空气将会流向危险材料，从而包容和/或最小化可能的污染物扩散。
生物实验室经常被保持在具体用于防止空气流出实验室的负静压下。根据例如与实验室内的工作和所容纳材料有关的性质和危险性而将这些实验室构造和划分为生物安全1级、2级、3级和4级。生物安全4级(BSL-4)是最高的安全等级划分，表示对实验室内的个体自身、实验室内容纳的设备和周围区域的危险最大。BSL-4评级的实验室被构造为实际上防漏，例如，它们被非常严密地密封以至于实际上不会发生计划外的空气传输或释放，由此使污染物从实验室中泄漏的机会最小化。可选地，BSL-4评级的实验室可以是密封的房间或在其中放入了另一个密封的气密容器的封装。无论如何，在致力于控制或防止危险污染物扩散方面，BSL-4评级的实验室通常是被地理隔离的并且在高的负静压下例如在0.1到0.5英寸水柱或25到125Pa下操作。
为了确保并控制BSL-4评级的实验室内的气流和通风，提供给实验室的机械通风系统通常被设计和控制用于输送期望的气流流量并保持实验室和邻近空间之间设定的压力关系。在瞬变状态例如由打开门或入口造成压力改变期间必须保持或控制一定的压力关系。已知的实验室加压方案例如不同的流量控制或气流跟踪在防漏和/或密封的环境例如BSL-4评级的实验室中是无法应用的，这样的环境中相对供给和排出的气流是恒定的并且无法被独立调节以建立压差。类似地，直接的压力控制和阶式压力也不适合用于严格密封的环境，这样的环境中瞬变状态能够严重和快速地影响到期望的压力关系。
存在对于能够在严格密封的环境例如BSL-4评级的实验室中使用的加压方案或策略的需求，以实现并保持特定的压力关系。
附图简要说明
本发明的更多特征和优点将在以下的具体实施方式和附图中进行介绍并将由此而变得显而易见。
图1示出了处于第一气流结构中的实验室的实施例，其使用了本文中公开的压力控制系统；
图2示出了处于第二气流结构中的实验室的实施例，其使用了本文中公开的压力控制系统；以及
图3示出了可以在一个示例中由控制器使用的控制方案的方块图。
具体实施方式
为了在压力受控的房间或实验室内保持期望的压力或压差，可能希望实现一种压力控制系统，其利用粗调流量控制阀或节气阀与微调流量控制阀或节气阀相结合。而且，粗调或第一节气阀和微调或第二节气阀可以由设置用于提供增量流量和压力控制的室内控制器进行控制。
I.系统结构
图1示出了一种建筑布局10，其可以实现本文中公开的压力控制系统。建筑布局10包括通过可密封的通道D连接至第二房间或气闸室200的房间或实验室100。实验室100可以包括流体连通至排气装置104的空气输送系统102。空气输送系统102和排气装置104在该示范性实施例中可以被设置用于在实验室100内产生第一负压P1。实验室100可以是“防漏”或以其他方式密封的符合BSL-4安全标准的房间。在其他的实施例中，实验室100或其他房间可以被密封或具有符合其他标准或规格调节的气流。
气闸室200，类似于实验室100，可以包括流体连通至排气装置204的空气输送系统202。空气输送系统202和排气装置204在该示范性实施例中可以被设置用于在气闸室200内产生第二负压P2。
在本示例中，围绕实验室100和气闸室200的外界环境(通常用附图标记300表示)可以假定基本上被保持在第三负压P3下。而且，如同该示范性实施例中始终使用的那样，三个房间或区域之间的压力梯度根据到实验室100的接近程度而增大，例如变成更大的负值。例如，利用在建筑物内的安全位置处的被选择作为压力参考值的空气压力，外界环境300内的第三负压P3可以是-25Pa，气闸室200内的第二负压P2可以是-50Pa，而实验室内的第一负压P1可以是-75Pa。由此，如果在实验室100内发生泄漏或紧急情况，污染或危险材料泄漏的风险即可因为压力梯度将吸引外界环境300和气闸室200内的空气流向实验室100和潜在的危险因素而降低。这种空气向实验室100的内涌防止或限制了危险因素向流体连通的区域200和300移动。换句话说，在这种结构下，空气从较高压力区域例如具有较低负压的区域向较低压力区域例如相对于空气源具有更大负值压力的区域内的部分真空流动。
空气输送系统102和排气装置104如图所示可以是独立的和/或与空气输送系统202和排气装置204隔离。为了防止两个系统的交叉污染，限制由于系统故障而造成同时停机的可能性以及允许对气闸室200和实验室100的独立控制，隔离两个空气输送系统102、202和/或排气装置104、204可能正是所希望的。可选地，空气输送系统102和排气装置104可以被互相连通和/或流体连通至空气输送系统202和排气装置204(未示出)。这些系统102、202和/或104、204可以被连接为例如合用共同的空气源和/或控制器以降低压力控制系统的总体成本和复杂性。
在本示例中，空气输送系统102和排气装置104被与空气输送系统202和排气装置204隔离。空气输送系统102包括通过主阀或节气阀110流体连通至第一空气出口或供气口108以及通过微调阀或节气阀114流体连通至第二空气出口或供气口112的供气源106。供气源106可以是例如螺旋桨式鼓风机、离心式鼓风机、空气压缩机或任意其他的空气移动或压力产生设备。主节气阀110可以是设置用于给实验室100输送或提供绝大部分空气的可移动或可定位的阀或隔板。具体地，通过将供气源106连接至空气出口108的管路116来提供主供气或气流(由箭头A1表示)。微调节气阀114可以是阀、隔板或类似于主节气阀110的节气阀，被设置和成形用于给实验室100输送少量(与气流A1相比)或经过精密调节的空气量。例如，调节或补充的供气或气流(由箭头A2表示)，通过管路118和微调节气阀114提供，补充主供气A1由此允许用于微调流量并对实验室100的总压力P1进行压力调节。
实验室100内的空气将供气源106和空气出口108、112流体连通至通过排气装置104的排气气流E1。排气气流E1由此从房间中带走实验室100内的空气。通过气流A1和A2提供的空气流量以及由排气气流E1移除的空气流量之间的差值，例如移除的空气比提供的空气更多，就在实验室100内产生负压或真空压力P1。压力和流量传感器(未示出)可以被设置在实验室100的各处，空气输送系统102内和/或排气装置104内以测量压力、空气流量以及实验室100内部或通过实验室100的空气流量差。
单个的房间控制器或控制器120可以与空气输送系统102和排气装置104通信以分别控制实验室100内的气流A1和A2以及排气气流E1。可选地，单独的控制器120、120′(如图所示)可以分别在空气输送系统102和排气装置104内独立操作以提供这些空气操作系统的独立控制。具体地，控制器120可以使用处理器(未示出)来执行存储在计算机可读介质或存储器(未示出)中的控制流程或程序。控制流程可以依次计算或以其他方式确定要由供气源106提供的空气体积或数量。可选地或附加地，控制流程可以计算或确定主节气阀110和微调节气阀114必要的阀位以分别达到通过出口108、112的期望空气流量A1和A2。
类似地，空气输送系统202和排气装置204包括通过主节气阀210流体连通至第一空气出口208以及通过微调节气阀214流体连通至第二空气出口112的供气源206。供气源206可以是例如与供气源106相同的类型或式样，或者可以是不同的来源或发生系统。节气阀210和214可以用类似于节气阀108和112的方式操作和/或协作以控制和提供主气流A3和调节气流A4。气闸室200内的空气将供气源206以及第一和第二空气出口208、212通过排气气流E2流体连通至排气装置204。类似于实验室100，压力和流量传感器(未示出)可以被设置在气闸室200的各处以给房间控制器或控制器220提供读数和测量值。控制器220可以与空气输送系统102和控制器120通信以调节实验室100和气闸室200之间的空气流量和压力。
图1进一步示出了稳态工况，在这种状态下实验室100被密封且空气输送系统102和排气装置104独立于气闸室200和外界环境300操作。具体地，在该状态通道D被关闭，由此防止另外的压力较高的空气不可控地从气闸室200流入或进入实验室100。在这种结构或状态下，实验室100通过由主节气阀110和微调节气阀114提供的气流A1和A2的协作被保持在压力P1下。例如，主节气阀110在预定的操作范围例如在由可以是既定的高位气流流量和低位气流流量确定的范围内操作，以达到或建立起在期望压力P1下或期望压力P1附近的压差。主节气阀110的预定操作范围包括在高位和低位气流限制之间且涵盖期望压力P1的死区，其中粗调或主气流A1被保持恒定。一旦主节气阀110以及提供的粗调或主气流A1有效地将房间压力向期望压力P1驱动进入了死区，主节气阀110就锁定就位。此时，仅在主节气阀110的死区内工作的微调节气阀114就开始细微地调节气流A2以达到期望压力P1。换句话说，主节气阀110操作以提供足以将实验室压力带到微调节气阀114的有效操作范围内的气流A1，然后微调节气阀114提供必要的微调控制气流A2以达到期望压力P1。
图2示出了过渡状态，其中通过气闸室200的通道D被打开或者用其他手段以不受控制的方式给实验室100提供附加气流A。对于本文中讨论的示例来说，附加气流A被假定由气闸室200提供，通过控制器220将气闸室200保持在恒定的压力下。
II.系统操作
图3示出了可以通过控制器120(或控制器220)实施的房间加压控制流程400。房间加压控制流程400采用多个控制方案或机构以在通道D被关闭时控制或调节实验室100(或气闸室200)的加压。当通道D打开时，附加气流A被提供给实验室100(或者来自气闸室200)。房间加压控制流程400可以采用：(a)高流量反馈控制算法410；(b)低流量反馈控制算法420；(c)与高流量反馈控制算法410和低流量反馈控制算法420通信的增量控制器430和(d)压力反馈算法或控制器440。增量控制器430被设置为响应于由高流量反馈控制算法410和低流量反馈控制算法420提供的增量控制信号而驱动或控制主节气阀或粗调节气阀110。压力反馈算法或控制器440被设置为响应于参照预定或期望的压力设定值产生的压力控制信号而独立地调节精调或微调节气阀114。压力反馈算法或控制器440可以是比例-积分控制器、比例-积分-微分控制器或比例-微分控制器或者是任意其他已知的控制器。房间加压控制流程400可以进一步包括比较器或比较器算法450，设置用于控制或调节主节气阀110的操作范围和死区与微调节气阀114的与死区相重合的操作范围之间的相互关系。
控制算法410和420操作用于控制节气阀110(和210，如果可用的话)的阀位以由此调节空气流量，并最终调节实验室100(和气闸室200，如果可用的话)内的压力。但是，三种控制算法410、420和440中只有一种会被增量控制器430选中。选中的控制算法随后确定主节气阀110(和/或210)在任意指定时刻或选定时段期间的阀位。例如，高流量反馈控制算法410和低流量反馈控制算法420可以在试图控制或调节压力P1时利用并监测实验室100内的相对或差分的空气流量(例如气流A1和排气气流E1之间的差值)。
高流量反馈控制算法410和低流量反馈控制算法420与比较器算法450协作驱动或改变由主节气阀110提供的气流A1以建立A1和E1之间的空气流量差。随着空气流量差接近期望压力P1，主节气门110也接近其操作范围内的死区。主节气阀110操作范围内的死区相应地应与微调节气阀114的操作范围重合。在该死区内，由主节气阀110提供的阀位以及由此气流A1都响应于由比较器450提供的命令、信号或指令而保持恒定，同时现在正处于其有效操作范围内并处在压力控制器440的操作控制之下的微调节气阀114通过气流A2进行必要的微调或最终调节以在实验室100内建立起期望压力P1。主节气阀110操作范围内的死区(微调节气阀114的操作范围)的阀位或相对位置通常由压力控制器440使用并且对应于期望压力P1的压力设定值确定。例如，通过压力控制器440监控的压力设定值可以被建立在微调节气阀114操作范围的中段内，该位置相应地也可以处在主节气阀110操作范围的终端内。用这种方式，通过分别允许最大可能地增大和减小气流A1、A2，节气阀110、114的有效性都可以被最大化。
某些情况可能会以需要大幅度改变供气的方式来扰乱或干扰实验室100的加压。例如，响应于压力的突然降低，微调节气阀114可能会响应于压力控制器440而切换至其正常操作范围以外的并且远离期望设定值的阀位。不再被固定在恒定阀位的主节气阀110响应于增量控制器430而切换或打开，从而增大气流A1并导致实验室100内的压力增大。随着压力P1向着期望的设定值增大，压力控制器440以缓慢地关闭或限制由微调节气阀114提供的气流A2来响应。当微调节气阀114接近其操作范围内的某一阀位例如主节气阀110操作范围内的死区时，主节气阀110的阀位被锁定或保持，从而阻止对气流A1进行更多的改变。微调节气阀114现在在其操作范围内发挥作用，继续对气流A2进行必要的微调以使房间压力P1返回到压力控制器440内存储的期望设定值。由此，主节气阀110(通过气流A1)实现总体供气流量的较大改变，但是并不直接影响或者干扰小的辅助或微调节气阀114。如果改变需要大幅度减少供气，那么节气阀110、114就以相反的方向操作。
A.响应于排气气流增加的改变
在一个示范性实施例中，实验室100可以在“恒定体积”结构下操作，这确保了其中通过的流量(排气气流E1和结合的供气气流A1/A2)在正常运行期间基本上保持不变或恒定。通常较大的流量改变会在空气输送系统102开启或停止时发生。但是，排气装置104和/或其他流体连通的排气设备例如排气扇122可能会在空气输送系统102的常规运行期间被开启或停止。流量也有可能响应于沿流体连通的中央排气系统发生的事件而改变。例如，如果排气装置204被沿着中央管路系统流体连通至排气装置104，那么其中一个排气装置的运行就会影响到另一个排气装置的运行。在这个例子中，当系统被开启或停止时，这两个排气装置104，204相对于彼此互相影响或作用的结果可能是很普遍的。这些过渡性事件的发生可能会暂时地改变来自实验室100的排气气流E1，并且它可能需要响应于房间加压控制流程400的气流A1和A2中的响应或改变。
例如，当实验室100在正常的稳态工况下运行时，气流A1和A2以及排气气流E1是基本稳定或恒定的并且接近或处于其各自的设定值。在该结构或状态下，实验室100内的压力P1是基本稳定或恒定的并且接近或处于其设定值。微调节气阀114可以处于恒定阀位或者可以进行微小的移动以在其操作范围内也就是在主节气阀110的死区内并且围绕被压力控制器440使用的期望压力设定值来调节气流A2。由此，在正常运行中，供气或主节气阀110被固定在能够使其输送气流A1以与通过微调节气阀114输送的气流A2一起平衡排气E1的任意阀位上。
当排气装置104或实验室100内发生了增大排气气流E1的干扰时，供气气流A1和A2就失去了平衡并且实验室100内的压力P1将开始下降。房间加压控制流程400并且特别是压力控制器440以打开微调节气阀114的方式响应从而试图增大气流A2来平衡排气E1的增加。如果没有脱离微调节气阀114的操作范围(主节气阀110的死区)就使通过微调节气阀114的气流A2匹配或平衡了排气E1的增加，那么平衡即被恢复并且实验室100内的流量即可被保持而无需调节主节气阀110。
如果微调节气阀114的阀位以及对应的气流A2的增大或改变不足以平衡排气E1的增加或改变，那么微调节气阀114保持达到其操作范围限度的开度，由此经过或离开死区。这种变化重新激活主节气阀110，其允许气流A1随着节气阀的打开而增大。由主节气阀110提供的增大的气流A1对于总的供气气流A1和A2具有比微调节气阀114更加明显的效果，并将流量增加到足以平衡增加的排气E1的程度。
增加总的供气气流A1和A2用于带动实验室100的压力P1返回期望的压力设定值从而导致微调节气阀114移向关闭阀位并减少气流A2。随着微调节气阀114的关闭，它重新进入其操作范围或死区，从而锁定主节气阀110的阀位。主节气阀110可以响应于由比较器450提供的指令或信号或者响应于由压力控制器440或增量控制器430提供的指令或信号而被锁定。此时，压力控制器440处于房间加压控制流程400的主要控制状态并连续用于调节或驱动微调节气阀114以带动压力P1返回设定值。微调节气阀114可以最终接近改变之前的初始阀位和初始气流A2。总的供气气流A1和A2最终略高于增加的排气E1的量。用这种方式，主节气阀110就平衡了增加的排气E1。
B.响应于排气气流减少的改变
在图2示出的示范性实施例中，实验室100被通过通道D流体连通至气闸室200。在该示例中，气闸室具有相对于实验室100内保持的压力P1而言更高的压力P2。在房间100和200之间的通道被密封时，其间存在很少的或者根本没有气流A。因此，实验室100在总的供气气流A1和A2以及排气E1之间保持平衡。在这种结构中，主节气阀110的阀位是固定的，因为其所有的三个控制功能都已得到满足：(1)高流量反馈控制算法410的高流量限制高于目前的供气流量；(2)低流量反馈控制算法420的低流量限制低于目前的供气流量；以及(3)微调节气阀114位于接近其期望设定值的操作范围内，也就是位于由比较器450确定的死区之内。
当通道D打开以提供从较高压力的气闸室200到实验室100的气流A时，开口(通道D)非常大以至于压力几乎立刻平衡(P1＝P2)，并且只要通道D仍然打开就将保持平衡。起初，用于两个房间100和200的新压力平衡至各个房间100和200的初始压力水平P1和P2之间的某一压力。
为了图示说明，假定压力较高的气闸室200的空间在整个打开通道D的事件中有效地保持在恒定的压力P2下。如上所述，一旦通道D打开并向实验室100提供气流A，实验室100内的压力就增加以匹配另一气闸室200(首先出现在较高压力P2处的气流A提供所需的空气以将压力P1升高至P2)。响应于压力的增加，压力控制器440以向关闭阀位驱动微调节气阀114的方式作为响应由此限制或减小气流A2。由于它这样做，所以总的供气气流A1和A2减少并且不再与排气E1平衡。通过通道D的通风得以形成以补偿该差异。总的供气气流A1和A2的减少由通过通道D提供的气流A的增大进行补偿，因此尽管精调或微调节气阀114移向关闭阀位，并且总的供气气流A1和A2下降，但是实验室100的压力仍然得以保持在气闸室200的较高压力P2下。
随着微调节气阀114响应于压力控制器440而关闭，它离开其操作范围例如死区。这种过渡激活了主节气阀110，其随后开始关闭以试图限制气流A1并降低实验室100内的压力。
随着流量下降的继续，它接近或超过在实验室100内运行的低流量反馈控制算法420中建立的低流量限制。此时，微调节气阀114被完全关闭。压力控制器440继续运行，但是对实验室100不再有更多的影响。由此低流量反馈算法和低流量限制直接控制由主节气阀110提供的阀位和气流A1。如果通道D一直打开并继续提供气流A达到足够的时段，那么实验室100内的压力就将稳定在气闸室200的压力P2。在这种设置下，微调节气阀114被完全关闭，排气E1可以被保持在其初始流量下，气流A1被设置在与低流量反馈控制算法420相关联的低流量限制下，并且气流A作为通过通道D的通风运行以平衡排气E1和低流量限制之间的气流。只要通道D是打开的，该状态就可以被长期保持。
通道D关闭后，气流A被消除使得排气E1超过了总的供气气流A1和A2(A2实际上仍然为零)。气流的这种改变导致突然的压降和排气E1从实验室100中移走空气。实验室100内的压力接近与压力控制器440相关联的设定值，微调阀114被向其打开的阀位驱动以提供正气流A2。随着微调节气阀114打开并增大气流A2以试图补偿和匹配排气E1，它可以在高侧(例如增大流量侧)经过在主节气阀110操作范围内建立的死区，促使主节气阀110离开低流量反馈算法420的低流量限制并打开以增大气流A1。这样就转而增大了总的供气气流A1和A2并带动实验室100的压力P1返回到与压力控制器400相关联的设定值。压力控制器440转而以向着关闭阀位驱动微调节气阀114并减小气流A2向死区返回作为响应。
在通道D被打开时，切换至低流量反馈算法420可防止主节气阀110完全关闭。这样即可限制在通道D最终关闭时发生的控制超调量的幅度。
应该理解对于本文中介绍的当前优选实施例的各种修改和变形对于本领域普通技术人员来说将是显而易见的。这样的修改和变形均可进行而并不背离本发明的实质和保护范围并且不会减少其预想的优点。因此应该理解这样的修改和变形均被所附的权利要求覆盖。

Claims (15)

1.一种设置用于调节空间内空气压力的加压控制系统，所述系统包括：
流体连通至供气源的第一节气阀，所述第一节气阀设置用于控制气流的输送；
具有操作范围的第二节气阀，所述第二节气阀流体连通至所述供气源和所述第一节气阀，所述第二节气阀设置用于补充所述气流的输送；和
设置用于向所述第一和第二节气阀提供控制信号的房间控制器，其中所述控制信号驱动所述第一节气阀以引导所述气流趋向所述操作范围，并且其中所述控制信号驱动所述第二节气阀以引导所述气流趋向压力设定值。
2.如权利要求1所述的系统，其中所述第二节气阀是微调阀。
3.如权利要求1所述的系统，其中所述房间控制器包括增量控制器和压力控制器。
4.如权利要求3所述的系统，其中所述增量控制器被设置用于产生增量控制信号。
5.如权利要求3所述的系统，其中所述压力控制器被设置用于产生压力反馈信号并且其中所述压力反馈信号被输送至所述第二节气阀。
6.如权利要求3所述的系统，其中所述压力控制器从由比例-积分控制器、比例-积分-微分控制器或比例-微分控制器构成的组中选出。
7.一种加压控制系统，包括：
具有第一操作范围的第一节气阀，其包括死区；
可操作地连接至所述第一节气阀的第二节气阀，所述第二节气阀具有对应于所述死区的第二操作范围；
设置用于产生控制信号的房间控制器，其中所述控制信号将所述第一节气阀驱动至对应于所述死区的阀位，并且其中所述控制信号将所述第二节气阀驱动至对应于所述第二操作范围的阀位。
8.如权利要求7所述的系统，其中所述第一节气阀是粗调控制阀，并且其中所述第二节气阀是精细控制的微调阀。
9.如权利要求7所述的系统，其中所述房间控制器包括增量控制器和压力控制器。
10.如权利要求9所述的系统，进一步包括：
由所述增量控制器产生并输送至所述第一节气阀的增量流量信号；和
由所述压力控制器产生并输送至所述第二节气阀的压力控制信号。
11.如权利要求10所述的系统，其中所述压力控制信号是作为压力设定值和房间压力测量值的函数而产生的。
12.一种压力控制方法，包括：
通过第一节气阀提供气流，其中所述第一节气阀在具有死区的第一操作范围内操作；
通过第二节气阀调节气流，其中所述第二节气阀在对应于所述死区的第二操作范围内操作。
13.如权利要求12所述的方法，进一步包括：
设置房间控制器以产生控制信号来驱动所述第一和第二节气阀。
14.如权利要求13所述的方法，其中所述控制信号包括设置用于驱动所述第一节气阀的增量流量控制信号和设置用于驱动所述第二节气阀的压力控制信号。
15.如权利要求14所述的方法，其中所述压力控制信号是作为压力设定值和房间压力测量值的函数而得到的。
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