CN108313256A - 一种用于为双气球结构充气的装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及探空仪辅助设备技术领域，尤其涉及一种用于为双气球结构充气的装置及控制方法。其中，双气球结构包括内外嵌套的两个气球，该装置的气体源通过控制盒分别与两个气球连通，控制盒内设有两条控制气路，气体源通过流量计分别与两条控制气路的一端连通，两条控制气路的另一端分别与两个气球连通；流量计内预设有气流定值，流经流量计的实时气流量超过气流定值时，两条控制气路之间自动切换，从而分别通过两条控制气路依序向两个气球内充气；并基于该装置提出了控制方法。该装置及方法能实现对两个气球的自动充气，并确保充气顺序可控，同时在充气时能精确控制每个气球内的充气量，从而实现对双气球结构的自动、稳定、可控的充气。

Description

一种用于为双气球结构充气的装置及控制方法

技术领域

本发明涉及探空仪辅助设备技术领域，尤其涉及一种用于为双气球结构充气的装置及控制方法。

背景技术

高空探测是指测量近地面层以上大气的物理、化学特性的方法和技术，又称高空观测。高空探测是气象基础业务之一，当前我国气象台站所进行的高空探测业务是指通过升空气球携带仪器进行高空探测，该套设备被称为探空仪。气球在飞升的过程中，仪器能感应出周围环境中的气压、温度、湿度等参数，并以无线电信号方式发往地面。地面工作人员经过计算整理，可得到测站上空气象要素的垂直分布情况，以作为天气预报，气候分析，科学研究和国际交换等用。

现有的高空探测业务使用的探空仪通常配备有匀速上升模式和快速下降模式，而将来随着技术发展的趋势，探空仪将会包含有匀速上升、平漂和下降等模式，从而大大提高探空仪的利用率。趋于这种发展变化，目前的探空仪中的单气球结构改进为双气球结构。

如图1所示，双气球结构是指在一个较大的外气球里边放入一个较小的内气球，在实际充气时，分别向两个气球内充入不同体积量的氦气(或氢气)以进行高空放球实验。在实验开始时，双层气球同步带动探空设备匀速上升，当到达一定高度后，较大气球由于高空气压而自然破裂，从而使较小气球带动探空设备继续平行飘移，直至探空结束。

但是上述的双气球结构在充气时由于两个气球内外嵌套，很容易出现充气量不可控、充气不稳定的问题，从而导致气球爆炸或充气不足，影响实验，且现有的气球充气装置自动化较低，不能满足对双气球结构进行稳定可靠的充气要求。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是提供了一种用于为双气球结构充气的装置及控制方法，能够自动化完成对双气球结构的充气，并且实现充气稳定和充气量可控。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种用于为双气球结构充气的装置，包括气体源、控制盒和双气球结构，所述双气球结构包括内外嵌套的两个气球，所述气体源通过控制盒分别与两个所述气球连通，所述控制盒内设有两条控制气路，所述气体源通过流量计分别与两条所述控制气路的一端连通，两条所述控制气路的另一端分别与两个所述气球连通；所述流量计内预设有气流定值，流经所述流量计的实时气流量超过所述气流定值时，两条所述控制气路之间自动切换，从而分别通过两条所述控制气路依序向两个所述气球内充气。

优选的，所述控制气路包括顺次连通的快插接头、充气接口和电磁阀，所述快插接头与任一所述气球连通，所述电磁阀与流量计连通，所述电磁阀用于控制所述充气接口的启闭。

优选的，所述控制盒的外表面分别设有显示屏、启动按钮、停止按钮、气源接口和两条所述控制气路的充气接口，所述流量计通过气源接口与气体源连接，所述启动按钮和停止按钮各自与两条所述控制气路的电磁阀分别连接，以分别控制所有控制气路的同步开启和同步关闭。

优选的，所述控制盒的内部分别设有控制电路板、流量计和两条所述控制气路的电磁阀，所述显示屏、启动按钮、停止按钮、流量计、以及两条控制气路的电磁阀分别与所述控制电路板连接，所述控制电路板用于控制两条所述控制气路的自动切换。

优选的，所述控制电路板包括单片机和供电单元，所述供电单元与单片机连接，所述单片机分别与显示屏、开关、流量计、以及两条控制气路的电磁阀连接。

优选的，所述快插接头包括公头和母头，所述公头的一端通过外螺纹与任一所述气球锁紧连接，所述公头的另一端套装在所述母头的一端内，所述母头的另一端通过内螺纹与任一所述控制气路的充气接口连通。

优选的，所述双气球结构还包括充气座，两个所述气球的进气口分别固定在所述充气座外，其中一个所述气球的进气口位于另一个所述气球的进气口以内，且两个所述气球的进气口之间互不连通。

优选的，所述充气座包括底座和凸台，所述底座的一个端面向外伸出有所述凸台，以使所述底座和凸台构成环形台阶状结构，所述底座和凸台内分别贯通有充气插孔，每个所述充气插孔分别与一个所述气球的进气口连通，且两个所述充气插孔之间不连通。

优选的，所述底座和凸台的外壁上分别沿周向设有内凹的捆绑槽，两个所述捆绑槽用于分别固定两个所述气球的进气口。

本发明还提供了一种用于为双气球结构充气的控制方法，是基于如上所述的用于为双气球结构充气的装置提出的，该控制方法包括以下步骤：

预设流量计内的气流定值；

启动控制盒内的第一条控制气路，以使气体源内的气体顺次通过流量计和所述第一条控制气路后，进入双气球结构中内部的气球以内；

判断流经流量计内的实时气流量与气流定值之间的大小，当所述实时气流量超过所述气流定值时，自动关闭第一条控制气路并自动开启第二条控制气路，以使气体源内的气体顺次通过流量计和所述第二条控制气路后，进入所述双气球结构中内外嵌套的两个气球之间。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有以下有益效果：本发明的用于为双气球结构充气的装置包括气体源、控制盒和双气球结构，双气球结构包括内外嵌套的两个气球，气体源通过控制盒分别与两个气球连通，控制盒内设有两条控制气路，气体源通过流量计分别与两条控制气路的一端连通，两条控制气路的另一端分别与两个气球连通；流量计内预设有气流定值，流经流量计的实时气流量超过气流定值时，两条控制气路之间自动切换，从而分别通过两条控制气路依序向两个气球内充气；并基于该装置提出了用于为双气球结构充气的控制方法。该装置及方法能实现对两个气球的自动充气，并确保充气顺序可控，同时在充气时能够精确控制每个气球内的充气量，从而实现对双气球结构的自动化充气，保证充气时气球的结构稳定，大大提高了高空探测工作的成功率，具有成本低、自动化、性能稳定、过程可控等优点。

附图说明

图1为现有技术的双气球结构的结构示意图；

图2为本发明实施例的用于为双气球结构充气的装置的构成示意图；

图3为本发明实施例的控制盒的结构示意图；

图4为本发明实施例的控制电路板的控制关系示意图；

图5为本发明实施例的充气座的一个角度的立体结构图；

图6为本发明实施例的充气座的另一个角度的立体结构图；

图7为本发明实施例的第一快插接头或第二快插接头的结构爆炸图。

其中，100、双气球结构；200、控制盒；1、内气球；2、外气球；3、充气座；31、凸台；32、底座；33、第一捆绑槽；34、第二捆绑槽；35、充气插孔；4、第一快插接头；5、第二快插接头；6、第一充气接口；7、第二充气接口；8、第一电磁阀；9、第二电磁阀；10、流量计；11、气源接口；12、气体源；13、显示屏；14、启动按钮；15、停止按钮；16、供电单元；17、单片机；18、公头；19、母头。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，除非另有说明，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

如图2所示，本实施例提供的用于为双气球结构100充气的装置包括气体源12、控制盒200和双气球结构100，双气球结构100包括内外嵌套的两个气球，气体源12通过控制盒200分别与两个气球连通，如图1所示，这两个气球分别为内气球1和外气球2，本实施例所述的控制盒200内分别设有两条控制气路，气体源12通过流量计10分别与两条控制气路的一端连通，两条控制气路的另一端分别与内气球1和外气球2各自连通，保证两个气球各自的充气通路之间互不干涉。流量计10内预设有气流定值，当流经流量计10的实时气流量超过气流定值时，两条控制气路之间自动切换，从而分别通过两条控制气路依序向两个气球内充气，以实现对两个气球分别自动充气，并确保充气顺序可控，同时在充气时能够精确控制每个气球内的充气量，从而实现对双气球结构100的自动化充气，保证充气时气球的结构稳定，大大提高了高空探测工作的成功率，具有成本低、自动化、性能稳定、过程可控等优点。

为了便于安装气球并实现充气路径的可靠切换，优选该双气球结构100还包括充气座3，充气座3的结构如图5和图6所示，两个气球的进气口分别固定在充气座3外，其中一个气球的进气口位于另一个气球的进气口以内，且两个气球的进气口之间互不连通，以防止充气时气体在两个气球之间泄漏而造成安全隐患。

优选的，充气座3包括底座32和凸台31，底座32的一个端面向外伸出有凸台31，以使底座32和凸台31构成环形台阶状的结构，优选底座32的外径大于凸台31的外径，以区分两个气球的固定位置；在底座32和凸台31内分别贯通有充气插孔35，每个充气插孔35分别与一个气球的进气口连通，且两个充气插孔35之间不连通，以避免充气时两条气路之间互相干涉。

为了保证气球与充气座3之间的密封性，防止气球跑气，优选底座32和凸台31的外壁上分别沿周向设有内凹的捆绑槽，两个捆绑槽用于分别固定两个气球的进气口。具体的，在凸台31外设有环形的第一捆绑槽33，在底座32外设有环形的第二捆绑槽34，两个气球的进气口分别套在凸台31和底座32上时，可以利用绳子或金属丝将每个气球的进气口分别对应的压紧在一个捆绑槽内，从而保证气球的密封性；在气球完成充气后，只需要将两个充气插孔35密封即可确保气球的气密性，无需将气球从充气座3上取下就能直接应用到后续的高空探测业务中。

本实施例中，每条控制气路都包括顺次连通的快插接头、充气接口和电磁阀，快插接头与任一气球分别通过独立气路连通，电磁阀与流量计10连通，电磁阀用于控制充气接口的启闭，且为了控制各个气路内的气体流通，电磁阀能够在控制电路板的控制作用下在各个气路之间切换。

为了防止每个气路过充，控制电路板上设有气路故障调控单元，该气路故障调控单元分别与电磁阀和流量计10连接，如果内气球充气完成后，电磁阀未按程序转换成另一路时，控制电路板根据流量计10的输出判定电磁阀故障，将通过气路故障调控单元对流量计10发出停止指令，使流量计10停止工作，并通过控制电路板的蜂鸣器告知操作者，从而起到故障报警的作用。

为了保证充气接口和充气插孔35分别与快插接头之间连接的气密性，如图7所示，本实施例的快插接头包括公头18和母头19，公头18和母头19分别设有轴孔，以保证气体流通顺畅；公头18的一端通过外螺纹与充气座3上的充气插孔35锁紧连接，从而保证公头18与气球的进气口之间的可靠连通，公头18的另一端套装在母头19的一端内，而母头19的另一端通过内螺纹与任一控制气路的充气接口连通。

以下以第一控制气路和第二控制气路分别对两条控制气路进行详细描述。其中，第一控制气路中顺次连通有第一快插接头4、第一充气接口6和第一电磁阀8，第一快插接头4用于连接内气球1的进气口，以使流经第一控制气路的气体能进入内气球1的内部；同理的，第二控制气路中顺次连通有第二快插接头5、第二充气接口7和第二电磁阀9，第二快插接头5用于连接外气球2的进气口，以使流经第二控制气路的气体能进入外气球2与内气球1之间。

如图3所示，控制盒200的外表面分别设有显示屏13、启动按钮14、停止按钮15、气源接口11、第一充气接口6和第二充气接口7，流量计10安装在控制盒200内部，并通过气源接口11与气体源12连接，启动按钮14和停止按钮15各自与第一电磁阀8和第二电磁阀9分别连接，从而能利用启动按钮14控制所有控制气路的同步开启，并利用停止按钮15控制所有控制气路的同步关闭。还可以在控制盒200的外表面增设紧急中止按钮，以保证在设备故障时紧急关闭所有控制气路，确保人员和设备安全；为了便于控制，可以将紧急中止按钮的功能合并入停止按钮15中，即不论任一条控制气路处于任何状态下，停止按钮15都可以自动或手动的切断所有控制气路，只需要将停止按钮15与控制电路板连接，利用单片机17编程控制即可。

为了实现自动充气的可靠控制，优选控制盒200的内部分别设有控制电路板、流量计10、第一电磁阀8和第二电磁阀9，第一电磁阀8和第二电磁阀9分别对应的与第一充气接口6和第二充气接口7连接，显示屏13、启动按钮14、停止按钮15、流量计10、以及第一电磁阀8和第二电磁阀9分别与控制电路板连接，控制电路板用于控制两条控制气路的自动切换。

本实施例中，如图4所示，控制电路板包括单片机17和供电单元16，供电单元16与单片机17连接，单片机17分别与显示屏13、开关、流量计10、以及第一电磁阀8和第二电磁阀9连接，优选单片机17内嵌有规格为ATmega162的微型单片处理器，显示屏13、开关、流量计10、以及第一电磁阀8和第二电磁阀9分别通过I/O接口与单片机17连接，供电单元16的规格为DC12V，流量计10通过RS-232串口与单片机17连接，以便实现单片机17与各个部件之间的数据交换。

本实施例还提供了一种用于为双气球结构100充气的控制方法，该方法是基于如上的用于为双气球结构100充气的装置提出的，方法能实现对两个气球的自动充气，并确保充气顺序可控，同时在充气时能够精确控制每个气球内的充气量，从而实现对双气球结构100的自动化充气，提高充气过程的安全性和可控性。

具体的，该控制方法包括以下步骤：

S1、完成如上所述的用于为双气球结构100充气的装置的组装。

其中，先将内气球1的进气口套在充气座3的凸台31外，然后将外气球2套在内气球1的外部，并将外气球2的进气口套在充气座3的底座32外；然后将组装好的双气球结构100的充气座3通过两个快速接头分别连接在控制盒200的两个充气接口上即可。

S2、预设流量计10内的气流定值，该气流定值可存储在控制电路板的单片机17内。

S3、通过控制电路板启动控制盒200内的第一条控制气路，以使气体源12内的气体顺次通过流量计10和第一条控制气路后，进入内气球1以内，直至内气球1的进气量达到气流定值；

S4、通过控制电路板实时判断流经流量计10内的实时气流量与气流定值之间的大小，当实时气流量超过气流定值时，自动关闭第一条控制气路并自动开启第二条控制气路，以使气体源12内的气体顺次通过流量计10和第二条控制气路后，进入内气球1和外气球2之间，直至达到外气球2的预设充气量即可。

综上所述，本实施例的用于为双气球结构100充气的装置包括气体源12、控制盒200和双气球结构100，双气球结构100包括内外嵌套的两个气球，气体源12通过控制盒200分别与两个气球连通，控制盒200内设有两条控制气路，气体源12通过流量计10分别与两条控制气路的一端连通，两条控制气路的另一端分别与两个气球连通；流量计10内预设有气流定值，流经流量计10的实时气流量超过气流定值时，两条控制气路之间自动切换，从而分别通过两条控制气路依序向两个气球内充气；并基于该装置提出了用于为双气球结构100充气的控制方法。该装置及方法能实现对两个气球的自动充气，并确保充气顺序可控，同时在充气时能够精确控制每个气球内的充气量，从而实现对双气球结构100的自动化充气，保证充气时气球的结构稳定，大大提高了高空探测工作的成功率，具有成本低、自动化、性能稳定、过程可控等优点。

本发明的实施例是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。

Claims (10)

1.一种用于为双气球结构充气的装置，其特征在于，包括气体源、控制盒和双气球结构，所述双气球结构包括内外嵌套的两个气球，所述气体源通过控制盒分别与两个所述气球连通，所述控制盒内设有两条控制气路，所述气体源通过流量计分别与两条所述控制气路的一端连通，两条所述控制气路的另一端分别与两个所述气球连通；所述流量计内预设有气流定值，流经所述流量计的实时气流量超过所述气流定值时，两条所述控制气路之间自动切换，从而分别通过两条所述控制气路依序向两个所述气球内充气。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述控制气路包括顺次连通的快插接头、充气接口和电磁阀，所述快插接头与任一所述气球连通，所述电磁阀与流量计连通，所述电磁阀用于控制所述充气接口的启闭。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述控制盒的外表面分别设有显示屏、启动按钮、停止按钮、气源接口和两条所述控制气路的充气接口，所述流量计通过气源接口与气体源连接，所述启动按钮和停止按钮各自与两条所述控制气路的电磁阀分别连接，以分别控制所有控制气路的同步开启和同步关闭。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述控制盒的内部分别设有控制电路板、流量计和两条所述控制气路的电磁阀，所述显示屏、启动按钮、停止按钮、流量计、以及两条控制气路的电磁阀分别与所述控制电路板连接，所述控制电路板用于控制两条所述控制气路的自动切换。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述控制电路板包括单片机和供电单元，所述供电单元与单片机连接，所述单片机分别与显示屏、开关、流量计、以及两条控制气路的电磁阀连接。

6.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述快插接头包括公头和母头，所述公头的一端通过外螺纹与任一所述气球锁紧连接，所述公头的另一端套装在所述母头的一端内，所述母头的另一端通过内螺纹与任一所述控制气路的充气接口连通。

7.根据权利要求1-6任一项所述的装置，其特征在于，所述双气球结构还包括充气座，两个所述气球的进气口分别固定在所述充气座外，其中一个所述气球的进气口位于另一个所述气球的进气口以内，且两个所述气球的进气口之间互不连通。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述充气座包括底座和凸台，所述底座的一个端面向外伸出有所述凸台，以使所述底座和凸台构成环形台阶状结构，所述底座和凸台内分别贯通有充气插孔，每个所述充气插孔分别与一个所述气球的进气口连通，且两个所述充气插孔之间不连通。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述底座和凸台的外壁上分别沿周向设有内凹的捆绑槽，两个所述捆绑槽用于分别固定两个所述气球的进气口。

10.一种用于为双气球结构充气的控制方法，其特征在于，是基于如权利要求1-9任一项所述的用于为双气球结构充气的装置提出的，该控制方法包括以下步骤：

预设流量计内的气流定值；

启动控制盒内的第一条控制气路，以使气体源内的气体顺次通过流量计和所述第一条控制气路后，进入双气球结构中内部的气球以内；

判断流经流量计内的实时气流量与气流定值之间的大小，当所述实时气流量超过所述气流定值时，自动关闭第一条控制气路并自动开启第二条控制气路，以使气体源内的气体顺次通过流量计和所述第二条控制气路后，进入所述双气球结构中内外嵌套的两个气球之间。