CN102716889B - 通风柜面风速控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明的通风柜面风速控制系统，其中：包括位移传感器，PID控制器，风阀驱动器，减速机，蝶阀，微控制单元，输入键盘，显示装置，告警装置。将位移传感器输入的电信号与预置的相应柜面视窗开启高度时面风速的参数对比，生成维持通风柜内负压所需要的排风风速数据，将风速数据传送至微控制单元，并将风速数据转换为控制信号通过信号输出端，传送到风阀驱动器的控制信号输入端，风阀驱动器通过减速机带动蝶阀调节排风管道中的排风量。本发明实现了柜面视窗开启尺寸与柜面进风风速的联动调节。还包括一种利用本发明的控制方法。

Description

通风柜面风速控制系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种机电系统及控制方法，特别是涉及一种用于风速控制的机电系统及控制方法。

背景技术

在一些涉及到有害气体、臭气、湿气以及易燃、易爆、腐蚀性物质的实验中，为了保护实验者的安全，防止实验中的污染物质向实验室中扩散，实验过程通常要在通风柜中完成。通风柜包括柜体、柜面视窗和与之相连通的通风管道，通风管道与排风系统相连接，排风系统向外部排风使柜体内形成负压，使得柜体内的有害气体沿通风管道排出，即需要在柜面视窗开口处保持一定的新风吸入速度才能防止通风柜内有害气体逸出。

正常情况下，新风吸入速度与实验物质有关，一般无毒的污染物为0.25～0.38m/s，有毒或有危险的有害物为0.4～0.5 m/s，剧毒或有少量放射性为0.5～0.6m/s,气状物为0.5m/s,粒状物为1m/s。

为了确保这样的风速就需要风机持续排风，使通风柜内维持一定的负压。但是由于在实验过程中需要不断进行调整实验仪器、更改实验步骤等操作，开启、关闭柜面视窗，柜面视窗开启的大小，会造成窗口处风速的变化，会使柜面视窗开启窗口处的表征窗口面积与风速关系的柜面风速改变，通风柜内的负压无法维持，因此在设计风机排风功率时需要以柜面视窗完全开启时能够维持柜内负压的排风量为参考值，但是柜面视窗完全开启或部分开启的时间只占实验过程的10％至30％，会造成排风系统设计时的功率浪费，对于需要连接众多通风柜的排风系统来说，浪费更甚。同时由于柜面视窗关闭或部分关闭时，柜内的负压容易维持，风机大功率排风会导致柜内的负压过高，新风吸入速度成倍增长，形成空气流动噪音，破坏实验室的静音环境。

通常解决问题的方法是人工调整通风管道中的风量调节阀，调节通风柜的排风量，当风量调节阀的蝶板调节到某一角度时柜面视窗开口处达到希望的柜面风速。人工方式控制精度不高，时效性差，容易造成通风柜内有害气体逸出。

发明内容

本发明的目的是提供一种通风柜的柜面风速控制系统，解决通风柜的柜面风速无法随柜面视窗开启尺寸有效调节的技术问题。

本发明的另一个目的是提供一种利用上述通风柜的柜面风速控制系统，进行风速控制的方法，解决通风环节能耗过高的技术问题。

本发明的通风柜面风速控制系统，其中：包括位移传感器，PID控制器，风阀驱动器，减速机，蝶阀，微控制单元，输入键盘，显示装置，告警装置；

位移传感器，用于采集柜面视窗开启和关闭时的相对高度信息，将高度信号转换为相应的电信号，位移传感器的信号输出端连接PID控制器的信号输入端；

PID控制器，用于将位移传感器输入的电信号与预置的相应柜面视窗开启高度的柜面风速参数对比，生成维持通风柜内负压所需要的排风风速数据，将风速数据传送至微控制单元，并将风速数据转换为控制信号通过信号输出端，传送到风阀驱动器的控制信号输入端；

风阀驱动器，用于根据输入的控制信号控制驱动电机输出轴的转动，驱动电机输出轴连接减速机的输入轴；

减速机，用于将驱动电机输出轴的高速低扭矩输出转换为低速高扭矩输出，带动蝶阀阀芯转动；

蝶阀，用于调节排风管道中的排风量；

微控制单元，用于接收输入键盘输入的数据和PID控制器传送的风速数据，将预置参数传送至PID控制器，更新预置参数，将实时的风速数据、蝶阀开启角度和系统状态信息传送至显示装置和排风系统，当系统运行数据偏离正常范围时，向告警装置发送告警信号；

输入键盘，用于输入系统基本控制数据和系统预置参数；

显示装置，显示微控制单元传送的系统运行状态数据；

告警装置，用于将微控制单元发送的告警信号转换为声光报警。

在通风柜内的侧壁上，矩形通孔上方安装一个位移传感器，位移传感器的探头固定在柜面视窗的下部边缘处，随柜面视窗上下移动，位移传感器根据探头与位移传感器本体的距离变化采集柜面视窗上下移动的高度。

通风柜的侧壁外侧固定安装控制盒，控制盒内集成安装有PID控制器、微控制单元，控制盒上集成安装有显示屏、输入键盘和告警器，通过控制盒的信号连接端子完成相应的电路连接。

通风柜的侧壁外侧安装有风阀驱动器，风阀驱动器的信号输入端子与控制盒的信号输出端子通过信号线连接。

所述蝶阀包括阀体、阀杆和蝶板，阀体安装在通风柜顶部排气管道内，垂直于排气管道轴线，阀杆垂直于排气管道轴线，阀杆带动蝶板沿阀杆轴线转动。

所述风阀驱动器和蝶阀之间通过安装在通风柜的侧壁外侧的减速机连接，减速机的输出轴连接阀杆，减速机的输入轴连接风阀驱动器的驱动电机输出轴。

利用上述的通风柜面风速控制系统实现的控制方法，其中包括以下步骤：

改变柜面视窗位置，位移传感器向PID控制器传送采集的信号，PID控制器形成风速数据并形成相应的控制信号，风速数据传送至微控制单元，控制信号传送至风阀驱动器；

风阀驱动器根据控制信号带动蝶阀中蝶板转动相应角度，改变排风风量，维持通风柜柜面风速保持在风速下限；

微控制单元将风速数据传送至排风系统；

与排风系统相连接的各通风柜的柜面风速控制系统完成以上步骤。

本发明的通风柜面风速控制系统，实现了通风柜柜面视窗开启尺寸与柜面进风风速的联动调节，在维持柜内必须的负压时，随着柜面视窗开启尺寸自动精确调节柜面风速，使排风系统风机可以适应变频运行的工作方式，有效降低了风机的能耗，同时降低了实验室内的风噪，改善了实验环境。

本发明的控制方法可以使独立的通风柜完成柜面风速的自动调节，同时将各个通风柜的实时风速信号传递给排风系统，使得排风系统可以精确计算通风量，完成风机的变频调节，实现节能减排。

下面结合附图对本发明的实施例作进一步说明。

附图说明

图1为本发明通风柜面风速控制系统的电路结构示意图；

图2为本发明通风柜面风速控制系统的安装结构示意图；

图3为本发明通风柜面风速控制系统的工作状态示意图。

具体实施方式

本发明的通风柜面风速控制系统利用传感器采样柜面视窗的开启高度，将高度信息转换为对应的电信号传送至信号控制器，由信号控制器将电信号与预置的阀值数据进行比较，转换为风阀驱动器的控制信号，根据控制信号，风阀驱动器带动排风管道中蝶阀的阀杆转动，带动蝶板的改变角度，进而改变排风管道中排风量，实现根据柜面视窗的开启面积，调整柜面风速。

如图1所示，本实施例包括位移传感器，PID控制器(比例-积分-微分控制器)，风阀驱动器，减速机，蝶阀，微控制单元，输入键盘，显示装置，告警装置。

位移传感器，用于采集柜面视窗开启和关闭时的相对高度信息，将高度信号转换为相应的电信号，位移传感器的信号输出端连接PID控制器的信号输入端；

PID控制器，用于将位移传感器输入的电信号与预置的相应柜面视窗开启高度的柜面风速参数对比，生成维持通风柜内负压所需要的排风风速数据，将风速数据传送至微控制单元，并将风速数据转换为控制信号通过信号输出端，传送到风阀驱动器的控制信号输入端；

风阀驱动器，用于根据输入的控制信号控制驱动电机输出轴的转动，驱动电机输出轴连接减速机的输入轴；

减速机，用于将驱动电机输出轴的高速低扭矩输出转换为低速高扭矩输出，带动蝶阀阀芯转动；

蝶阀，用于调节排风管道中的排风量；

微控制单元，用于接收输入键盘输入的数据，接收PID控制器传送的风速数据，将预置参数传送至PID控制器，更新预置参数，将实时的面风速数据、蝶阀开启角度和系统状态信息传送至显示装置和排风系统，系统运行数据偏离正常范围时，向告警装置发送告警信号；

输入键盘，用于输入系统基本控制数据和系统预置参数；

显示装置，显示微控制单元传送的系统运行状态数据；

告警装置，用于将微控制单元发送的告警信号转换为声光报警。

通风柜前端面通常开设矩形通孔，矩形通孔被可以上下移动的矩形柜面视窗12遮挡，当柜面视窗上移开启时，矩形通孔逐渐敞开，可以向通风柜内放入或取出实验器材，当柜面视窗下移关闭时，矩形通孔被逐渐遮挡，使通风柜形成封闭的腔体。矩形通孔敞开的尺寸是计算柜面风速，以及排风量的主要依据。

如图2和图3所示，本实施例在通风柜内的侧壁上，矩形通孔上方安装一个位移传感器13，位移传感器13的探头13a固定在柜面视窗12的下部边缘处，随柜面视窗12上下移动。位移传感器根据探头13a与位移传感器13本体的距离变化采集柜面视窗上下移动的高度。

通风柜的侧壁外侧固定安装控制盒14，控制盒内集成安装有PID控制器、微控制单元，控制盒上集成安装有显示屏、输入键盘和告警器，通过控制盒14的信号连接端子完成相应的电路连接。

通风柜的侧壁外侧安装有风阀驱动器15，风阀驱动器15的信号输入端子与控制盒的信号输出端子通过信号线连接。

蝶阀17包括阀体17a、阀杆17b和蝶板17c，阀体17a安装在通风柜顶部排气管道内，垂直于排气管道轴线，阀杆17b垂直于排气管道轴线，阀杆17b带动蝶板17c沿阀杆17b轴线转动。

风阀驱动器15和蝶阀17之间通过安装在通风柜的侧壁外侧的减速机16连接，减速机16的输出轴连接阀杆17a，减速机16的输入轴连接风阀驱动器15的驱动电机输出轴。将风阀驱动器15和减速机16安装在通风柜外侧，有利于日常的检修和维护，避免造成维护时间过长影响实验周期，同时精密器件可以免受废气的腐蚀影响。

本实施例在通风柜工作过程中，当柜面视窗12下移基本遮挡住矩形通孔时，蝶阀17中的蝶板17b与阀体17a的夹角接近10度，排风风量最小，柜面风速保持在风速下限。

当柜面视窗12上移矩形通孔逐渐敞开时，位移传感器013的探头13a随柜面视窗12向上移动，位移传感器013的输出信号电压值随探头13a高度的变化而线性改变，PID控制器接收到位移传感器013的输出信号后与预置的柜面排风风速数据比较，将柜面视窗12在相应高度时，维持通风柜内负压所对应的柜面排风风速数据，转换为相应的排风量信号传送至风阀驱动器，风阀驱动器根据PID控制器输出的排风量信号控制驱动电机输出轴的转速，减速机16将驱动电机输出的高速低扭矩转换为减速机16低速高扭矩的输出，减速机16的输出轴带动阀杆17b做精确和稳定地转动，蝶板17c随阀杆17b转动，改变蝶板17b与阀体17a的夹角。当柜面视窗12上移至最高限位位置时，蝶板17b与阀体17a的夹角接近80度，排风风量最大。

本实施例通过控制盒14上的输入键盘输入初始数据和预置参数，通过显示屏监视系统的运行状态，当微控制单元检测到柜面视窗移动高度、蝶板与阀体的夹角与监测的排风量超出许可的误差时，向告警器发送告警信号，告警器向实验室内告警。

本实施例的排风量与柜面风速的计算方式通常为：

排风量＝柜面视窗开口尺寸×指定柜面风速×排风时间

当柜面风速和排风时间确定后，柜面视窗开口尺寸对蝶阀控制的排风量实现动态控制，大大降低了柜面视窗开口尺寸较小时的排风量。

将本发明的控制系统应用在排风系统下连接的所有通风柜上，采用以下步骤：

改变柜面视窗12位置，位移传感器013向PID控制器传送采集的信号，PID控制器形成风速数据并形成相应的控制信号，风速数据传送至微控制单元，控制信号传送至风阀驱动器；

风阀驱动器根据控制信号带动蝶阀中蝶板转动相应角度，改变排风风量，维持通风柜柜面风速保持在风速下限；

微控制单元将风速数据传送至排风系统；

与排风系统相连接的各通风柜的柜面风速控制系统完成以上步骤。

使得排风系统根据实际需要的通风量，使用变频风机调节排风量，大大降低了系统能耗。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (5)

1.一种通风柜面风速控制系统，其特征在于：通风柜前端面开设矩形通孔，矩形通孔被可以上下移动的矩形柜面视窗遮挡，当柜面视窗上移开启时，矩形通孔逐渐敞开，当柜面视窗下移关闭时，矩形通孔被逐渐遮挡，使通风柜形成封闭的腔体；

还包括位移传感器，用于采集柜面视窗开启和关闭时的相对高度信息，将高度信号转换为相应的电信号，位移传感器的信号输出端连接PID控制器的信号输入端；

在所述通风柜内的侧壁上，矩形通孔上方安装所述位移传感器，位移传感器的探头固定在柜面视窗的下部边缘处，随柜面视窗上下移动，位移传感器根据探头与位移传感器本体的距离变化采集柜面视窗上下移动的高度，矩形通孔敞开的尺寸用来计算柜面风速以及排风量；

还包括PID控制器，风阀驱动器，减速机，蝶阀，微控制单元，输入键盘，显示装置，告警装置；

PID控制器，用于将位移传感器输入的电信号与预置的相应柜面视窗开启高度的柜面风速参数对比，生成维持通风柜内负压所需要的排风风速数据，将风速数据传送至微控制单元，并将风速数据转换为控制信号通过信号输出端，传送到风阀驱动器的控制信号输入端；

风阀驱动器，用于根据输入的控制信号控制驱动电机输出轴的转动，驱动电机输出轴连接减速机的输入轴；

减速机，用于将驱动电机输出轴的高速低扭矩输出转换为低速高扭矩输出，带动蝶阀阀芯转动；

蝶阀，用于调节排风管道中的排风量；

微控制单元，用于接收输入键盘输入的数据和PID控制器传送的风速数据，将预置参数传送至PID控制器，更新预置参数，将实时的风速数据、蝶阀开启角度和系统状态信息传送至显示装置和排风系统，当系统运行数据偏离正常范围时，向告警装置发送告警信号；

输入键盘，用于输入系统基本控制数据和系统预置参数；

显示装置，显示微控制单元传送的系统运行状态数据；

告警装置，用于将微控制单元发送的告警信号转换为声光报警。

2.根据权利要求1所述的通风柜面风速控制系统，其特征在于：通风柜的侧壁外侧固定安装控制盒，控制盒内集成安装有PID控制器、微控制单元，控制盒上集成安装有显示屏、输入键盘和告警器，通过控制盒的信号连接端子完成相应的电路连接；通风柜的侧壁外侧安装有风阀驱动器，风阀驱动器的信号输入端子与控制盒的信号输出端子通过信号线连接。

3.根据权利要求2所述的通风柜面风速控制系统，其特征在于：所述蝶阀包括阀体、阀杆和蝶板，阀体安装在通风柜顶部排气管道内，垂直于排气管道轴线，阀杆垂直于排气管道轴线，阀杆带动蝶板沿阀杆轴线转动。

4.根据权利要求3所述的通风柜面风速控制系统，其特征在于：所述风阀驱动器和蝶阀之间通过安装在通风柜的侧壁外侧的减速机连接，减速机的输出轴连接阀杆，减速机的输入轴连接风阀驱动器的驱动电机输出轴。

5.利用权利要求1至4任一所述的通风柜面风速控制系统实现的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

改变柜面视窗位置，位移传感器向PID控制器传送采集的信号，PID控制器形成风速数据并形成相应的控制信号，风速数据传送至微控制单元，控制信号传送至风阀驱动器；

风阀驱动器根据控制信号带动蝶阀中蝶板转动相应角度，改变排风风量，维持通风柜面风速保持在风速下限；

微控制单元将风速数据传送至排风系统；

与排风系统相连接的各通风柜的面风速控制系统完成以上步骤。