CN108836628A - 一种无传感器呼吸机及其恒定出风量控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无传感器呼吸机，包括焊接面罩、防尘罩、头戴、风管、主机、过滤部件、盖板、软管和锂电池，防尘罩沿焊接面罩设置，头戴设置在焊接面罩内，用于支撑焊接面罩，且头戴上设有风管，用于导向气流，主机内部设有风机和控制驱动系统，且主机上设有风管，风机的出风口与主机上的风管连接，过滤部件通过盖板固定在主机上，焊接面罩内的风管通过软管与主机上的风管连通，锂电池设置在主机上，分别为风机和控制系统供电。本发明提出一种无传感器呼吸机及其恒定出风量控制方法，结构简单装置，避免出风量受过滤部件堵塞的影响，恒定出风量，提高使用者的舒适感。
Description
技术领域
本发明涉及一种无传感器呼吸机及其恒定出风量控制方法，属于风机控制领域。
背景技术
焊接防护行业，随着欧美等主流地区法律法规的不断发展，电动送风呼吸机的使用将越来越普及，使用者对电动送风呼吸机的要求也越来越高。电动送风呼吸机在正常工作时，随着滤芯的阻塞，会导致出风量下降，使用者的舒适感会受到影响，严重的情况下可能会导致防护失效，危害用户生命安全。如果呼吸机带有恒定出风量控制技术，这个问题就会迎刃而解。但是，目前市场上的呼吸机恒定出风量的控制方式，都是通过在风道中安装风量传感器的形式，来检测实时的风量数值，再通过PID控制，改变风机的转速，达到恒定出风量的控制效果。因为风量传感器必须要裸露安装在风道当中，风量传感器敏感脆弱的特质，一定程度上也降低了整个系统的可靠性。
发明内容
为了能够有效的解决上述问题，本发明提出一种无传感器呼吸机及其恒定出风量控制方法，结构简单装置，避免出风量受过滤部件堵塞的影响，恒定出风量，提高使用者的舒适感。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种无传感器呼吸机，包括焊接面罩、防尘罩、头戴、风管、主机、过滤部件、盖板、软管和锂电池，所述防尘罩沿焊接面罩设置，形成头部正气压空间，所述头戴设置在焊接面罩内，用于支撑焊接面罩，且所述头戴上设有风管，用于导向气流，所述主机内部设有风机和控制驱动系统，且主机上设有风管，所述风机的出风口与主机上的风管连接，所述过滤部件通过盖板固定在主机上，所述焊接面罩内的风管通过软管与主机上的风管连通，所述锂电池设置在主机上，分别为风机和控制驱动系统供电，所述控制驱动系统与所述风机控制连接。
优选地，所述过滤部件由外至内依次设置有钢网、初滤棉和HEPA过滤器。
优选地，所述主机通过背带固定在用户背部。
优选地，还包括充电器，与锂电池电性连接，为锂电池提供电力。
优选地，还包括测试风管，所述测试风管与主机上的风管连接，用于用户自检。
优选地，所述控制驱动系统包括单片机、电机驱动部分和电源管理部分，所述单片机分别于电机驱动部分和电源管理部分控制连接，所述电机驱动部分与所述风机驱动连接，所述电源管理部分与所述锂电池控制连接。
一种无传感器呼吸机恒定出风量控制方法，如权利要求1-6所述的一种无传感器呼吸机的恒定出风量控制方法的具体步骤如下：
步骤1：通过控制驱动系统启动风机工作，使风机的运行转速稳定为S1，同时检测到驱动电流I1；
步骤2：在T1时刻开始，注入100mA干扰电流，使得T2时刻驱动电流为：I1+100mA，同时在T2时刻检测到风机的瞬时转速S2；
步骤3：根据步骤2得到100mA干扰电流下，风机的转速变量ΔS和时间变量ΔT的关系ΔS/ΔT，其中，ΔS = S2-S1；ΔT = T2 - T1；
步骤4：利用测试工装模拟出过滤部件不同程度的堵塞情况，从而测得在不同管网阻抗的情况下ΔS和ΔT相应的比例关系；
步骤5：将步骤4得到的测试数据采用最小二乘法拟合、插值，并建立二维数组存入单片机的flash寄存器中；
步骤6：呼吸机在运行过程中，单片机每一个固定的周期，执行一次注入100mA干扰电流的动作，再通过flash寄存器中已知的表格数据，计算出当前滤芯的堵塞情况，最后由单片机调整风机的转速，以达到恒定出风量的目的。
有益效果：本发明提供一种无传感器呼吸机及其恒定出风量控制方法，结构简单，设计合理，无需使用风量传感器，且避免了过滤部件堵塞对出风量的影响，能够有效地提高整个系统的可靠性。
附图说明
图1是本发明的整体结构图；
图2是本发明的整体爆炸结构图；
图3是本发明的风机工作点示意图；
图4是注入电流与转速变化示意图。
图中：焊接面罩1、防尘罩2、头戴3、主机4、钢网5-1、初滤棉5-2、HEPA过滤器5-3、盖板6、软管7、测试风管8、锂电池9、背带10、充电器11。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
如图1-2所示，一种无传感器呼吸机，包括焊接面罩1、防尘罩2、头戴3、风管、主机4、过滤部件、盖板6、软管7和锂电池9，所述防尘罩2沿焊接面罩1设置，形成头部正气压空间，所述头戴3设置在焊接面罩1内，用于支撑焊接面罩1，且所述头戴3上设有风管，用于导向气流，所述主机4内部设有风机和控制驱动系统，且主机上设有风管，所述风机的出风口与主机上的风管连接，所述过滤部件通过盖板6固定在主机4上，所述焊接面罩1内的风管通过软管7与主机4上的风管连通，所述锂电池9设置在主机4上，分别为风机和控制驱动系统供电，所述控制驱动系统与所述风机控制连接。
优选地，所述过滤部件由外至内依次设置有钢网5-1、初滤棉5-2和HEPA过滤器5-3。
优选地，所述主机4通过背带10固定在用户背部。
优选地，还包括充电器11，与锂电池9电性连接，为锂电池9提供电力。
优选地，还包括测试风管8，所述测试风管8与主机4上的风管连接，用于用户自检。
优选地，所述控制驱动系统包括单片机、电机驱动部分和电源管理部分，所述单片机分别于电机驱动部分和电源管理部分控制连接，所述电机驱动部分与所述风机驱动连接，所述电源管理部分与所述锂电池9控制连接。
一种无传感器呼吸机恒定出风量控制方法，如权利要求1-6所述的一种无传感器呼吸机的恒定出风量控制方法的具体步骤如下：
步骤1：通过控制驱动系统启动风机工作，使风机的运行转速稳定为S1，同时检测到驱动电流I1；
步骤2：在T1时刻开始，注入100mA干扰电流，使得T2时刻驱动电流为：I1+100mA，同时在T2时刻检测到风机的瞬时转速S2；
步骤3：根据步骤2得到100mA干扰电流下，风机的转速变量ΔS和时间变量ΔT的关系ΔS/ΔT，其中，ΔS = S2-S1；ΔT = T2 - T1；
步骤4：利用测试工装模拟出过滤部件不同程度的堵塞情况，从而测得在不同管网阻抗的情况下ΔS和ΔT相应的比例关系；
步骤5：将步骤4得到的测试数据采用最小二乘法拟合、插值，并建立二维数组存入单片机的flash寄存器中；
步骤6：呼吸机在运行过程中，单片机每一个固定的周期，执行一次注入100mA干扰电流的动作，在通过flash寄存器中已知的表格数据，计算出当前滤芯的堵塞情况，最后由单片机调整风机的转速，以达到恒定出风量的目的。
本发明的恒定出风量控制方法工作原理如下：
首先本发明的呼吸机整体是一个已知的通风系统，风机的运行工作点可以通过相关测试得出。如图3所示，当风机运行在工作点A1时，对应的管网阻抗是E1，此时风机通过压缩空气产生了气压P1，高压的空气被迫往低压的出口方向流动，形成了稳定的空气流量L1。随着HEPA过滤器不断的吸附灰尘，管网的阻抗越来越高，达到了E2。此时由于管网阻抗的上升，空气流量也下降到了L2，风机运行在工作点也变成了A2。图3中的曲线数据都是在实验室中测试出来的，实验室测量工具有流量计、气压计和滤芯阻抗测试仪，通过这些工具测试滤芯阻塞0%至100%，从而得出图3的曲线关系，图3是无传感器呼吸机恒定出风量的基础数据，属于数学关系模型，属于已知技术。
本发明的具体工作步骤如下：
步骤1：通过控制驱动系统启动风机工作，使风机的运行转速稳定为S1，同时检测到驱动电流I1；
步骤2：在T1时刻开始，注入100mA干扰电流，使得T2时刻驱动电流为：I1+100mA，同时在T2时刻检测到风机的瞬时转速S2；
步骤3：根据步骤2得到100mA干扰电流下，风机的转速变量ΔS和时间变量ΔT的关系ΔS/ΔT，其中，ΔS = S2-S1；ΔT = T2 - T1；
步骤4：利用测试工装模拟出过滤部件不同程度的堵塞情况，从而测得在不同管网阻抗的情况下ΔS和ΔT相应的比例关系，如表1所示；
| 滤芯堵塞情况 | 10% | 20% | 30% | 40% | 50% | 60% | 70% | 80% | 90% |
| ΔS/ΔT | 1.70 | 1.30 | 0.95 | 0.75 | 0.60 | 0.50 | 0.41 | 0.33 | 0.26 |
表1 在不同管网阻抗的情况下ΔS和ΔT相应的比例关系
步骤5：将步骤4得到的测试数据进行最小二乘法拟合、插值，并建立二维数组存入单片机的flash寄存器中；
步骤6：呼吸机在运行过程中，单片机每一个固定的周期，便会执行一次注入100mA干扰电流的动作，再通过flash寄存器中已知的表格数据，计算出当前滤芯的堵塞情况，即通过ΔS/ΔT得出管网阻抗，由管网阻抗得到工作点，最后由单片机调整风机的转速，以达到恒定出风量的目的。
本发明中，注入干扰电流的方式如下：风机内部包含一个无刷电机，控制驱动系统内包含有无刷电机的驱动部分，正常工作时电机驱动部分控制电流平稳的流过无刷电机，需要注入干扰电流时，通过PID控制程序设定某个时间点瞬时改变驱动电力，产生一个可控的电流波动，作为干扰电流。上述方式属于常规技术手段，故而未加详述，本领域技术人员可根据实际需求实现干扰电流的输入。
本发明中所述控制驱动系统中还包括电流和电压检测部分以及温度检测部分，用于监控呼吸机的工作状态，属于常规技术手段，故而未加详述，本领域技术人员可根据实际需求实现该功能。
本发明中，堵塞情况是指的滤芯的堵塞程度，管网阻抗=滤芯的堵塞情况 + 管道本身的阻抗，其中管道本身的阻抗是固定的，在整个管网当中只有滤芯的堵塞情况是变量。风机需要足够的转速来压缩空气，克服整个管网阻抗，这样才能够达到额定的风量。
在同一套通风设备当中，管网阻抗和工作点的比例关系是固定的，只需借助实验室设备，一点点的增加阻抗，测出风量和气压数据，从而推导出每个工作点所在的位置，再使用数学工具插值，得到平滑准确的工作点关系坐标曲线图（如图3所示），本发明的呼吸机内部的单片机利用这个现成的结论，通过另外一种方法来实现控制，即如表1所示。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的两种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (7)
1.一种无传感器呼吸机，其特征在于： 包括焊接面罩、防尘罩、头戴、风管、主机、过滤部件、盖板、软管和锂电池，所述防尘罩沿焊接面罩设置，形成头部正气压空间，所述头戴设置在焊接面罩内，用于支撑焊接面罩，且所述头戴上设有风管，用于导向气流，所述主机内部设有风机和控制驱动系统，且主机上设有风管，所述风机的出风口与主机上的风管连接，所述过滤部件通过盖板固定在主机上，所述焊接面罩内的风管通过软管与主机上的风管连通，所述锂电池设置在主机上，分别为风机和控制驱动系统供电，所述控制驱动系统与所述风机控制连接。
2.根据权利要求1所述的一种无传感器呼吸机，其特征在于，所述过滤部件由外至内依次设置有钢网、初滤棉和HEPA过滤器。
3.根据权利要求1或2所述的一种无传感器呼吸机，其特征在于，所述主机通过背带固定在用户背部。
4.根据权利要求3所述的一种无传感器呼吸机，其特征在于，还包括充电器，与锂电池电性连接，为锂电池提供电力。
5.根据权利要求1所述的一种无传感器呼吸机，其特征在于，还包括测试风管，所述测试风管与主机上的风管连接，用于用户自检。
6.根据权利要求1所述的一种无传感器呼吸机，其特征在于，所述控制驱动系统包括单片机、电机驱动部分和电源管理部分，所述单片机分别于电机驱动部分和电源管理部分控制连接，所述电机驱动部分与所述风机驱动连接，所述电源管理部分与所述锂电池控制连接。
7.一种无传感器呼吸机恒定出风量控制方法，其特征在于，如权利要求1-6所述的一种无传感器呼吸机的恒定出风量控制方法的具体步骤如下：
步骤1：通过控制驱动系统启动风机工作，使风机的运行转速稳定为S1，同时检测到驱动电流I1；
步骤2：在T1时刻开始，注入100mA干扰电流，使得T2时刻驱动电流为：I1+100mA，同时在T2时刻检测到风机的瞬时转速S2；
步骤3：根据步骤2得到100mA干扰电流下，风机的转速变量ΔS和时间变量ΔT的关系ΔS/ΔT，其中，ΔS = S2-S1；ΔT = T2 - T1；
步骤4：利用测试工装模拟出过滤部件不同程度的堵塞情况，从而测得在不同管网阻抗的情况下ΔS和ΔT相应的比例关系；
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