CN109019520B - 一种分子筛制氧机及其控制系统、方法 - Google Patents

一种分子筛制氧机及其控制系统、方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种分子筛制氧机及其控制系统、方法，该分子筛制氧机控制系统包括有一两位四通电磁阀、一压力传感器、一流量计和一控制电路，所述两位四通电磁阀用于根据控制电路的控制指令控制分子筛吸附塔的加压吸附时间和降压解吸时间；所述压力传感器用于测量分子筛制氧机内部输气管路中的实时气体压力值；所述流量计用于测量分子筛制氧机出氧端的实时气体流量值；所述控制电路分别与所述两位四通电磁阀、压力传感器和流量计信号连接，用于根据所述实时气体流量值和实时气体压力值输出控制指令控制所述两位四通电磁阀的开闭时间，通过控制所述两位四通电磁阀的开闭时间控制分子筛吸附塔的加压吸附时间和降压解吸时间。

Description

一种分子筛制氧机及其控制系统、方法
技术领域
本发明涉及气体分离技术领域，具体涉及一种分子筛制氧机及其控制系统、方法。
背景技术
分子筛制氧机是一种采用变压吸附原理从空气中分离出氧气的制氧设备，分子筛制氧机由压缩机对空气进行压缩，空气压缩后通过换气阀进入装有分子筛的吸附塔，经吸附解吸循环周期地制取氧气。近年来，分子筛制氧机在缩小体积、减轻重量、降低噪声等技术方面具有很大的提升，小型化的分子筛制氧机在家庭氧疗中得到了较好的应用，成为呼吸系统慢性病综合防治的一项最为简便易行的方法，对缓解病情、促进康复、改善亚健康状态等具有卓越的功效。与此同时，在家庭氧疗情形下用户对制氧机的使用体验和安全要求也越来越高，而制氧机输出气流量及输出压力的稳定性是用户吸氧舒适性的较为重要的影响因素。在家庭使用环境下老年患者使用时易因人为疏忽发生吸氧管(鼻吸管)管路扭结导致输氧气路堵塞的情况，这种危险情形可能导致输气管路恢复时瞬间气压过大给用户带来强烈的刺激与不适感，且该危险情形下极易使制氧机内部管路松脱或爆裂引起设备故障，以致患者不能正常使用制氧机而延误病情。
因此，为避免用户在使用制氧机时该类异常情形发生，有必要设计一种分子筛制氧机控制系统，该控制系统具有较高的自动化程度，通过该控制系统可以实现故障检测与自动控制，可有效避免输气管路堵塞带来的用户不适反应甚至引起设备不可逆故障的发生。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种分子筛制氧机及其控制系统、方法，可有效避免因输气管路堵塞导致气压过大给用户带来强烈不适反应的刺激与不适感、以及有效避免因输气管路堵塞导致气压过大引起设备故障。
为解决上述技术问题，本发明采用如下所述的技术方案：
一种分子筛制氧机控制系统，该控制系统包括有一两位四通电磁阀、一压力传感器、一流量计和一控制电路，所述两位四通电磁阀安装于压缩机与分子筛吸附塔之间输气管路上，用于根据控制电路的控制指令控制分子筛吸附塔的加压吸附时间和降压解吸时间；所述压力传感器安装于分子筛吸附塔与储氧罐之间的输气管路上，用于测量分子筛制氧机内部输气管路中的实时气体压力值；所述流量计设置于储氧罐的输出管路上，用于测量分子筛制氧机出氧端的实时气体流量值；所述控制电路分别与所述两位四通电磁阀、压力传感器和流量计信号连接，用于根据所述实时气体流量值和实时气体压力值输出控制指令控制所述两位四通电磁阀的开闭时间，通过控制所述两位四通电磁阀的开闭时间控制分子筛吸附塔的加压吸附时间和降压解吸时间。
优选地，所述分子筛制氧机控制系统还包括有一氧浓度传感器，该氧浓度传感器设置于储氧罐的输出管路上，用于测量分子筛制氧机出氧端的氧气浓度值；所述控制电路用于当所述实时氧气浓度值低于设定浓度阈值或所述实时气体压力值高于设定安全阈值时切断分子筛制氧机的电源。
优选地，所述分子筛制氧机控制系统还设置有声光报警装置，所述控制电路用于当所述实时气体压力值高于设定安全阈值时触发声光报警装置报警。
优选地，所述流量计采用一超声波气体流量传感器。
一种分子筛制氧机，包括有依次连通的压缩机、分子筛吸附塔、储氧罐和如以上所述的分子筛制氧机控制系统。
一种分子筛制氧机控制方法，该控制方法包括有如下步骤：测量分子筛制氧机内部输气管路中的实时气体压力值；测量分子筛制氧机出氧端的实时气体流量值；若实时气体流量值低于设定流量阈值，根据所述实时气体压力值控制分子筛吸附塔的加压吸附时间和降压解吸时间。
优选地，所述步骤根据所述实时气体流量值和实时气体压力值控制分子筛吸附塔的加压吸附时间和降压解吸时间进一步包括：固定变压吸附循环周期Tpsa；根据所述实时气体压力值调节加压吸附时间Tad的占空比τ，占空比调节范围为1其中，表示分子筛吸附塔单次连续降压解吸所需最短时间，Tpsa满足/> 表示分子筛吸附塔单次连续加压吸附允许最长时间。
优选地，所述步骤根据所述实时气体压力值控制分子筛吸附塔的加压吸附时间和降压解吸时间进一步包括：固定降压解吸时间根据所述实时气体流量值和实时气体压力值调节加压吸附时间Tad，加压吸附时间Tad调节范围为/>其中，/>表示分子筛吸附塔单次连续降压解吸所需最短时间，/>表示分子筛吸附塔单次连续加压吸附允许最长时间。
优选地，所述步骤根据所述实时气体流量值和实时气体压力值控制分子筛吸附塔的加压吸附时间和降压解吸时间进一步包括：固定加压吸附时间Tad的占空比τ；根据所述实时气体压力值调节变压吸附循环周期Tpsa，循环周期调节范围为其中，表示分子筛吸附塔单次连续降压解吸所需最短时间，/>表示分子筛吸附塔单次连续加压吸附允许最长时间。
优选地，所述分子筛制氧机控制方法还包括以下步骤：测量分子筛制氧机出氧端的实时氧气浓度值；若所述实时氧气浓度值低于设定浓度阈值或所述实时气体压力值高于设定安全阈值，触发报警并切断分子筛制氧机的电源。
本发明的有益技术效果在于：上述分子筛制氧机，当发生输气管路堵塞导致所述实时气体流量值低于设定流量阈值，控制电路根据压力传感器测量到的实时气体压力值输出控制信号控制信号对二位四通电磁阀进行开闭时间的控制，缩短分子筛吸附塔的加压吸附时间以降低储氧罐中产品气的平均压力，使分子筛制氧机内部管路承受的气压限定在安全压力范围内，保证分子筛制氧机安全运行；当输气管路恢复时，控制电路根据压力传感器测量到的实时气体压力值输出控制信号控制信号对二位四通电磁阀进行开闭时间的控制，延长分子筛吸附塔的加压吸附时间，储氧罐中产品气的平均压力逐渐上升，出氧端气流量逐渐恢复正常值，实现对成品气流量及输出压力稳定性调节功能，避免输气管路恢复时瞬间气压过大给用户带来强烈的刺激与不适感。
附图说明
图1为本发明一个实施例中的分子筛制氧机的结构示意图；
图2为本发明一个实施例中的分子筛制氧机控制系统的结构示意图；
图3为本发明一个实施例中分子筛制氧机控制方法流程示意图；
图4为本发明另一个实施例中分子筛制氧机控制方法流程示意图。
具体实施方式
为使本领域的普通技术人员更加清楚地理解本发明的目的、技术方案和优点，以下结合附图和实施例对本发明做进一步的阐述。
如图1和2所示，在本发明一个实施例中，分子筛制氧机包括依次连通的压缩机20、分子筛吸附塔40和储氧罐30，空气由所述压缩机20压缩后输入至分子筛吸附塔40进行氮氧分离，氧气输出至所述储氧罐30存储，再输送给病人。所述压缩机20与分子筛吸附塔40之间的输气管路上安装有一两位四通电磁阀14，所述分子筛吸附塔40与储氧罐30之间的输气管路上安装有一压力传感器11，所述储氧罐30的输出管路上设置有一流量计12，所述分子筛制氧机内还设置有一控制电路10，所述控制电路10、压力传感器11、流量计12和两位四通电磁阀14组成分子筛制氧机的控制系统，控制该分子筛制氧机的运行。
所述两位四通电磁阀14，用于根据控制电路10的控制指令控制分子筛吸附塔40的加压吸附时间和降压解吸时间。所述压力传感器11，用于测量分子筛制氧机内部输气管路中的实时气体压力值。所述流量计12采用超声波气体流量传感器，用于测量分子筛制氧机出氧端的实时气体流量值。所述控制电路10分别与所述两位四通电磁阀14、压力传感器11和流量计12信号连接，接收压力传感器11测量的实时气体压力值和流量计12测量的实时气体流量值，再根据所述实时气体流量值和实时气体压力值输出控制指令控制所述两位四通电磁阀14的开闭时间，通过控制所述两位四通电磁阀14的开闭时间控制分子筛吸附塔40的加压吸附时间和降压解吸时间，以调节所述分子筛制氧机的输出气流量和输出压力，保证所述分子筛制氧机的输出气流量和输出压力的稳定。
分子筛吸附塔40进行变压吸附工艺控制过程中，一般分为加压吸附、降压解吸两个阶段，在进行加压吸附、降压解吸两个阶段，为使制氧机成品气的氧浓度保持不变，须避免变压吸附循环周期的吸附阶段分子筛吸附塔饱和失效，并保证变压吸附循环周期的解吸阶段分子筛吸附塔40均能达到完全解吸再生，即加压吸附时间Tad应满足降压解吸时间/>应满足/>其中，/>表示分子筛吸附塔40单次连续加压吸附允许最长时间(穿透时间)，/>表示分子筛吸附塔单次连续降压解吸所需最短时间。
在分子筛吸附塔40进行变压吸附工艺控制过程中，单次连续加压吸附时间越长，氧气输出压力(储氧罐30中产品气的平均压力)也越高，因此，在进行分子筛制氧机的输出气流量和输出压力调节控制时，可通过调节加压吸附时间来调整产品气输出压力。分子筛制氧机控制原理描述如下：
当发生输气管路堵塞导致出现低氧流量情形时，超声波气体流量传感器测量到的实时气体流量值低于设定流量阈值，触发成品气流量及输出压力稳定性调节功能，控制电路10通过将压力传感器11测量到的实时气体压力值及压力测量值变化率进行运算得到相应控制信号对二位四通电磁阀14进行开闭时间的控制，缩短分子筛吸附塔40的加压吸附时间Tad以降低储氧罐30中产品气的平均压力，使分子筛制氧机内部管路承受的气压限定在安全压力范围内，保证分子筛制氧机安全运行。
当输气管路恢复时，所述控制电路10通过将压力传感器11测量到的实时气体压力值及压力测量值变化率进行运算得到相应控制信号对二位四通电磁阀14进行开闭时间的控制，延长分子筛吸附塔40的加压吸附时间Tad，储氧罐30中产品气的平均压力逐渐上升，分子筛制氧机出氧端气流量逐渐恢复正常值，实现对成品气流量及输出压力稳定性调节功能，避免输气管路恢复时瞬间气压过大给用户带来强烈的刺激与不适感。
具体地，在进行分子筛制氧机的输出气流量和输出压力调节控制时，可采用以下3种方案调节加压吸附时间来调整产品气输出压力：
(1)固定变压吸附循环周期Tpsa，调节加压吸附时间Tad所占循环周期Tpsa的比例(占空比τ)，占空比调节范围为其中，/>表示分子筛吸附塔单次连续降压解吸所需最短时间，Tpsa应满足/> 表示分子筛吸附塔单次连续加压吸附允许最长时间(穿透时间)。
例如：分子筛制氧机采用分子筛吸附塔规格为管径φ＝50mm，高径比H/D＝7，此时分子筛吸附塔单次连续降压解吸所需最短时间分子筛吸附塔单次连续加压吸附允许最长时间(穿透时间)/>此时占空比调节范围为/>
(2)固定降压解吸时间调节加压吸附时间Tad，加压吸附时间调节范围为其中，/>表示分子筛吸附塔单次连续降压解吸所需最短时间，/>表示分子筛吸附塔单次连续加压吸附允许最长时间(穿透时间)。
例如：分子筛制氧机采用分子筛吸附塔规格为管径φ＝50mm，高径比H/D＝7，此时分子筛吸附塔单次连续降压解吸所需最短时间分子筛吸附塔单次连续加压吸附允许最长时间(穿透时间)/>此时加压吸附时间调节范围为1.5s≤Tad≤5s。
(3)固定加压吸附时间Tad所占循环周期Tpsa的比例(占空比τ0)，调节变压吸附循环周期Tpsa，循环周期调节范围为其中，/>表示分子筛吸附塔单次连续降压解吸所需最短时间，/>表示分子筛吸附塔单次连续加压吸附允许最长时间(穿透时间)。
例如：分子筛制氧机采用分子筛吸附塔规格为管径φ＝50mm，高径比H/D＝7，此时分子筛吸附塔单次连续降压解吸所需最短时间分子筛吸附塔单次连续加压吸附允许最长时间(穿透时间)/>设定占空比/>此时循环周期调节范围为
优选地，所述分子筛制氧机控制系统还设置有声光报警装置15，当压力传感器11的测量值超出设定安全阈值时触发报警，所述控制电路10产生声光报警信号控制所述声光报警装置15报警，并执行应急保护动作及时切断制氧机主供电电源，以保证设备的安全有效运行，实现报警及安全保护功能。
优选地，所述分子筛制氧机控制系统还包括有一氧浓度传感器13，该氧浓度传感器13设置于储氧罐30的的输出管路上，用于测量分子筛制氧机出氧端的实时氧气浓度值。当压力传感器11的测量值超出设定安全阈值或氧浓度传感器13的测量值低于预设浓度阈值时，所述控制电路10产生声光报警信号控制所述声光报警装置15报警，并执行应急保护动作及时切断制氧机主供电电源，以保证设备的安全有效运行，实现报警及安全保护功能。
如图3所示，在本发明一个实施例中，分子筛制氧机控制方法包括以下步骤：
S100，测量分子筛制氧机内部输气管路中的实时气体压力值；
S200，测量分子筛制氧机出氧端的实时气体流量值；
S300，判断实时气体流量值是否低于设定流量阈值，若是，执行步骤S400，若否，返回步骤S100；
S400，根据所述实时气体压力值控制分子筛吸附塔的加压吸附时间和降压解吸时间。在分子筛制氧机的分子筛吸附塔进行变压吸附工艺控制过程中，单次连续加压吸附时间越长，氧气输出压力(储氧罐中产品气的平均压力)也越高，在进行分子筛制氧机的输出气流量和输出压力调节控制时，可通过调节加压吸附时间来调整产品气输出压力。具体地，在步骤S400中，可采用以下3种方案控制分子筛吸附塔的加压吸附时间和降压解吸时间：
(1)固定变压吸附循环周期Tpsa，根据所述实时气体压力值调节加压吸附时间Tad的占空比τ，占空比调节范围为其中，/>表示分子筛吸附塔单次连续降压解吸所需最短时间，Tpsa满足/> 表示分子筛吸附塔单次连续加压吸附允许最长时间。
(2)固定降压解吸时间根据所述实时气体压力值调节加压吸附时间Tad，加压吸附时间Tad调节范围为/>其中，/>表示分子筛吸附塔单次连续降压解吸所需最短时间，/>表示分子筛吸附塔单次连续加压吸附允许最长时间。
(3)固定加压吸附时间Tad的占空比τ，根据所述实时气体压力值调节变压吸附循环周期Tpsa，循环周期调节范围为其中，/>表示分子筛吸附塔单次连续降压解吸所需最短时间，/>表示分子筛吸附塔单次连续加压吸附允许最长时间。
S500，判断实时气体压力值是否高于设定安全阈值，若是，执行步骤S600，若否，返回步骤S100；
S600，触发报警并切断分子筛制氧机的电源。所述分子筛制氧机，在所述实时气体压力值高于设定安全阈值时，触发报警并切断分子筛制氧机的电源，可以保证设备的安全有效运行，实现报警及安全保护功能。
如图4所示，在本发明另一个实施例中，分子筛制氧机控制方法包括以下步骤：
S100，测量分子筛制氧机内部输气管路中的实时气体压力值；
S200，测量分子筛制氧机出氧端的实时气体流量值；
S300，测量分子筛制氧机出氧端的实时氧气浓度值；
S400，判断实时气体流量值是否低于设定流量阈值，若是，执行步骤S500，若否，返回步骤S100；
S500，根据所述实时气体压力值控制分子筛吸附塔的加压吸附时间和降压解吸时间。在分子筛制氧机的分子筛吸附塔进行变压吸附工艺控制过程中，单次连续加压吸附时间越长，氧气输出压力(储氧罐中产品气的平均压力)也越高，在进行分子筛制氧机的输出气流量和输出压力调节控制时，可通过调节加压吸附时间来调整产品气输出压力。具体地，在步骤S500中，可采用以下3种方案控制分子筛吸附塔的加压吸附时间和降压解吸时间：
(1)固定变压吸附循环周期Tpsa，根据所述实时气体压力值调节加压吸附时间Tad的占空比τ，占空比调节范围为其中，/>表示分子筛吸附塔单次连续降压解吸所需最短时间，Tpsa满足/> 表示分子筛吸附塔单次连续加压吸附允许最长时间。
(2)固定降压解吸时间根据所述实时气体压力值调节加压吸附时间Tad，加压吸附时间Tad调节范围为/>其中，/>表示分子筛吸附塔单次连续降压解吸所需最短时间，/>表示分子筛吸附塔单次连续加压吸附允许最长时间。
(3)固定加压吸附时间Tad的占空比τ，根据所述实时气体压力值调节变压吸附循环周期Tpsa，循环周期调节范围为其中，/>表示分子筛吸附塔单次连续降压解吸所需最短时间，/>表示分子筛吸附塔单次连续加压吸附允许最长时间。
S600，判断实时气体压力值是否高于设定安全阈值，若是，执行步骤S800，若否，执行步骤S700；
S700，判断实时氧气浓度值是否低于设定浓度阈值，若是，执行步骤S800，若否，返回步骤S100；
S800，触发报警并切断分子筛制氧机的电源。所述分子筛制氧机，在所述实时氧气浓度值低于设定浓度值或所述实时气体压力值高于设定安全阈值时，触发报警并切断分子筛制氧机的电源，可以保证设备的安全有效运行，实现报警及安全保护功能。
以上所述仅为本发明的优选实施例，而非对本发明做任何形式上的限制。本领域的技术人员可在上述实施例的基础上施以各种等同的更改和改进，凡在权利要求范围内所做的等同变化或修饰，均应落入本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种分子筛制氧机控制系统，其特征在于，包括有：
一两位四通电磁阀，安装于压缩机与分子筛吸附塔之间输气管路上，用于根据控制电路的控制指令控制分子筛吸附塔的加压吸附时间和降压解吸时间；
一压力传感器，该压力传感器安装于分子筛吸附塔与储氧罐之间的输气管路上，用于测量分子筛制氧机内部输气管路中的实时气体压力值；
一流量计，该流量计设置于储氧罐的输出管路上，用于测量分子筛制氧机出氧端的实时气体流量值；
一控制电路，该控制电路分别与所述两位四通电磁阀、压力传感器和流量计信号连接，用于根据所述实时气体流量值和实时气体压力值输出控制指令控制所述两位四通电磁阀的开闭时间，通过控制所述两位四通电磁阀的开闭时间控制分子筛吸附塔的加压吸附时间和降压解吸时间。
2.如权利要求1所述的分子筛制氧机控制系统，其特征在于，所述分子筛制氧机控制系统还包括有一氧浓度传感器，该氧浓度传感器设置于储氧罐的输出管路上，用于测量分子筛制氧机出氧端的氧气浓度值；所述控制电路用于当所述实时氧气浓度值低于设定浓度阈值或所述实时气体压力值高于设定安全阈值时切断分子筛制氧机的电源。
3.如权利要求1所述的分子筛制氧机控制系统，其特征在于，所述分子筛制氧机控制系统还设置有声光报警装置，所述控制电路用于当所述实时气体压力值高于设定安全阈值时触发声光报警装置报警。
4.如权利要求1所述的分子筛制氧机控制系统，其特征在于，所述流量计采用一超声波气体流量传感器。
5.一种分子筛制氧机，包括有依次连通的压缩机、分子筛吸附塔、储氧罐，其特征在于：所述分子筛制氧机还包括有如权利要求1-4任一项所述的分子筛制氧机控制系统。
6.一种分子筛制氧机控制方法，其特征在于，包括有如下步骤：
测量分子筛制氧机内部输气管路中的实时气体压力值；
测量分子筛制氧机出氧端的实时气体流量值；
若实时气体流量值低于设定流量阈值，采用以下三种中任一种方案来控制分子筛吸附塔的加压吸附时间和降压解吸时间：
第一种：固定变压吸附循环周期Tpsa，根据所述实时气体压力值调节加压吸附时间Tad的占空比τ，占空比调节范围为其中，/>表示分子筛吸附塔单次连续降压解吸所需最短时间，Tpsa满足/> 表示分子筛吸附塔单次连续加压吸附允许最长时间；
第二种：固定降压解吸时间根据所述实时气体流量值和实时气体压力值调节加压吸附时间Tad，加压吸附时间Tad调节范围为/>其中，/>表示分子筛吸附塔单次连续降压解吸所需最短时间，/>表示分子筛吸附塔单次连续加压吸附允许最长时间；
第三种：固定加压吸附时间Tad的占空比τ，根据所述实时气体压力值调节变压吸附循环周期Tpsa，循环周期调节范围为其中，/>表示分子筛吸附塔单次连续降压解吸所需最短时间，/>表示分子筛吸附塔单次连续加压吸附允许最长时间。
7.如权利要求6所述的分子筛制氧机控制方法，其特征在于，所述分子筛制氧机控制方法还包括以下步骤：
测量分子筛制氧机出氧端的实时氧气浓度值；
若所述实时氧气浓度值低于设定浓度阈值或所述实时气体压力值高于设定安全阈值，触发报警并切断分子筛制氧机的电源。
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