CN110182237A - 一种保持式真空集便系统及其体积测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种保持式真空集便系统及其体积测量方法，包括控制器、气控单元及集便装置；还包括真空发生器及污物箱，该系统还包括用于测量所述污物箱气压的压力传感器；所述污物箱与所述集便装置之间设置有气动闸阀；所述控制器，用于通过所述气控单元控制所述真空发生器工作及所述气动闸阀的通断；以及用于根据气压值变化参数与抽空时间关系计算所述污物箱内的灰水体积，无需设置浮球式液位开关、光电感应开关或电阻式液位传感器等液位开关，解决了现有技术真空集便系统污物箱中设置液位开关存在的技术问题，只需安装压力传感器即可，易于实现，减少了高铁集便系统的维修工作量降低了应用成本。

Description

一种保持式真空集便系统及其体积测量方法

技术领域

本发明涉及密闭容器体积测量技术领域，具体涉及一种保持式真空集便系统及其体积测量方法。

背景技术

真空集便系统具有良好的节水性和密封性，可大大减少列车的储水量，减轻了列车自重，提高了列车的运营经济性，因此被广泛应用。但污物箱液位传感器故障频发是目前真空集系统应用的现状；针对污物箱的维修环境之差，工作强度之高是难以想象的，解决这个问题刻不容缓。

围绕铁路客车污物箱的液位检测，业内人士用了各种手段、尝试了各种方法，已经验证的方法有浮球式接触开关、浮球式磁性开关、电容式传感器和电阻式传感器等，还有正在验证或正准备验证的方法如超声波测距法、激光测距法、称重法等等；这种探索正不断循环、重复着。

已经被验证的方法：

(1)浮球式接触开关最早应用在25型客车污物箱内，工作原理是浮球固定在一根线缆上，浮球随液面上下浮动，依靠浮球内的金属滚珠或水银位置移动导通或断开电路触点实现通断，此类液位开关的浮球体积较大，浮球表面易粘挂污物，需要定期清理，检测液面高度误差大，更重要的是因为水银污染和检修困难等问题，该方案已被淘汰。

(2)取而代之的是浮球式磁性开关，依靠磁铁与干簧管的距离远近实现通断，尺寸有所减小，液面测量精度也有所改善，现在的动车组污物箱使用最多的是此类液位开关，因浮球体积较小，浮球受到的浮力较小，浮球表面受异物缠绕影响较大，因此常出现通断不良的现象。

(3)为避免浮球受异物缠绕影响，将浮球取消改成电容式传感器测量液位，进一步提高了测量精度，通过测量物质的介电常数不同实现通断，此方案已经批量装车试验，从售后服务状况看，电容传感器受污物粘挂的影响非常大，故障率比浮球式磁性开关没有明显改善，此方案并不成功。电极式液位开关，通过检测两个电极空气里和水里的电极空气里和水里的电阻值不同检测水位，此方法依然不能摆脱受污染而失灵的故障模式。

我们发现以前所采用的方法都是探测液面；污物箱里的液体是粘稠的还混入了各种杂物，运动中的客车的污物箱内液体表面是不平静的；由于污物箱里的液体粘稠有杂物，所以直接与液体接触的任何传感器均难以解决被污染问题已被验证；因为液体表面不平静，不与液体接触的直接测量液位的方法也不可能取得良好效果。

鉴于此，特提出此发明。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种保持式真空集便系统，无需设置浮球式液位开关、光电感应开关或电阻式液位传感器等液位开关，解决了现有真空集便系统污物箱中设置液位开关存在的技术问题，具有精度高、不容易出现误判、不容易失效等有益效果。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种保持式真空集便系统，包括控制器、气控单元及集便装置，所述控制器与所述气控单元及所述集便装置连接；还包括真空发生器及污物箱，所述真空发生器与所述气控单元连接，该系统还包括用于测量所述污物箱气压的压力传感器，所述压力传感器与所述控制器电连接；所述污物箱分别与所述真空发生器及所述集便装置连接；其中，所述污物箱与所述集便装置之间设置有气动闸阀，所述气动闸阀与所述气控单元连接；

所述控制器，用于通过所述气控单元控制所述真空发生器工作及所述气动闸阀的通断；以及用于根据气压值变化参数与抽空时间关系计算所述污物箱内的灰水体积。

作为优选，所述集便装置包括水增压单元及便器，所述水增压单元分别与所述控制器、所述气控单元及所述便器连接，所述控制器还用于通过所述气控单元控制所述水增压单元向所述便器冲水。

作为优选，所述真空发生器与所述气控单元之间设置有第一电磁阀，所述气控闸阀与所述气控单元之间设置有第二电磁阀，所述第一电磁阀及所述第二电磁阀分别与所述控制器连接。

作为优选，所述水增压单元包括用于给水源增压的水增压器，所述水增压器与所述便器连接，所述水增压器与所述便器之间设置有开关阀，所述开关阀与所述气控单元连接，所述开关阀与所述气控单元之间设置有第三电磁阀，所述第三电磁阀与所述控制器连接。

作为优选，所述水增压器与所述水源之间设置有单向阀。

作为优选，所述控制器表面设置有显示屏；所述显示屏，用于系统的参数设置和所述污物箱内的灰水体积显示。

一种保持式真空集便系统的体积测量方法，采用上述的保持式真空集便系统，其特征在于：包括如下步骤：

步骤S1：关断所述污物箱与所述集便装置之间的所述气动闸阀，以使所述污物箱处于封闭状态；

步骤S2：绘制P-T曲线：将所述污物箱的液体体积加至为V_m，控制所述真空发生器给所述污物箱抽真空，监测所述污物箱压力P和相应的抽空时间T，给定压力P一个恒定步长，并记录每增加一个步长的压力P和对应的抽空时间T，在坐标系中描点得到所述污物箱的液体体积为V_m时的P-T曲线M；将所述污物箱的液体体积加至为V_n，控制所述真空发生器给所诉污物箱抽真空，监测所述污物箱压力P和相应的抽空时间T，给定压力P一个恒定步长，并记录每增加一个步长的压力P和对应的抽空时间T，在坐标系中描点得到所述污物箱的液体体积为V_n时的P-T曲线N；

步骤S3：求取经验公式，选择起始计时压力P1和终止计时压力P2，并在曲线M和曲线N中分别找出对应的计时时长：

ΔT_m＝T2_m-T1_m；

ΔT_n＝T2_n-T1_n；

将上述数值代入至二元一次方程得：

V_m＝kΔT_m+b；

V_n＝kΔT_n+b；

求得k值和b值，进而求得经验公式V_灰水＝kΔT+b；其中，V_灰水为所要求得的所述污物箱中的灰水体积，ΔT为起始计时压力P1至终止计时压力P2所对应的计时时长。

本发明的优点和积极效果在于：

1、本发明的保持式真空集便系统及其体积测量方法，根据污物箱抽真空时时间和气压的关系特性求得经验公式进而计算所述污物箱中灰水的体积，无需设置浮球式液位开关、光电感应开关或电阻式液位传感器等液位开关，解决了现有真空集便系统污物箱中设置液位开关存在的技术问题；

2、本发明的保持式真空集便系统及其体积测量方法，对于污物箱部分，只需安装压力传感器即可，易于实现，减少了高铁集便系统的维修工作量降低了应用成本。

附图说明

图1为本发明的保持式真空集便系统的结构原理图；

图2为针对所述污物箱抽真空过程的气压P-时间T曲线；

图3为本发明中所述控制器的结构示意图；

图中：10、电源；1、控制器；11、接线端子；12、显示屏；13、售后接口；14、数据接口；15、指示灯；20、高压风源；2、气控单元；30、水源；3、集便装置；31、气动闸阀；32、冲水开关；33、水增压器；331、开关阀；34、便器；35、单向阀；4、真空发生器；5、污物箱；6、压力传感器；71、第一电磁阀；72、第二电磁阀；73、第三电磁阀。

具体实施方式

为了使本领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，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的前提下所获得的其它类同实施例，都应当属于本申请保护的范围。

如图1所示，一种保持式真空集便系统，包括与电源10连接的控制器1、与高压气源20连接的气控单元2及与水源30连接的集便装置3，所述控制器1与所述气控单元2及所述集便装置3连接；还包括真空发生器4及污物箱5，所述真空发生器4与所述气控单元2连接，该系统还包括用于测量所述污物箱5气压的压力传感器6，所述压力传感器6与所述控制器1电连接；所述污物箱5分别与所述真空发生器4及所述集便装置3连接；其中，所述污物箱5与所述集便装置3之间设置有气动闸阀31，所述气动闸阀31与所述气控单元2连接；

所述控制器1，用于通过所述气控单元2控制所述真空发生器4工作及所述气动闸阀31的通断；以及用于根据气压值变化参数与抽空时间关系计算所述污物箱5内的灰水体积；其中，所述控制器1表面设置有显示屏12，所述显示屏12，用于系统的参数设置和所述污物箱5内的灰水体积显示；所述控制器1还设置有接线端口11、售后接口13、数据接口14及指示灯15。

继续参见图1，所述集便装置3包括冲水开关32、水增压单元及便器34，所述水增压单元分别与所述控制器1、所述气控单元2及所述便器34连接，所述控制器1还用于接受到所述冲水开关32的指令后通过所述气控单元2控制所述水增压单元向所述便器34冲水。

进一步地，所述水增压单元包括用于给水源30增压的水增压器33，所述水增压器33与所述便器34连接，所述水增压器33与所述便器34之间设置有开关阀331，所述开关阀331与所述气控单元2连接，所述开关阀331与所述气控单元2之间设置有第三电磁阀73，所述第三电磁阀73与所述控制器1连接，所述控制器1通过控制所述第三电磁阀73的开通以进而控制所述开关阀331开通；其中，所述水增压器33与所述水源30之间设置有单向阀35。

更进一步地，所述真空发生器4与所述气控单元2之间设置有第一电磁阀71，所述气控闸阀与所述气控单元2之间设置有第二电磁阀72，所述第一电磁阀71及所述第二电磁阀72分别与所述控制器1连接，所述控制单元通过分别控制所述第一电磁阀71及所述第二电磁阀72的开通以进而分别控制所述真空发生器4工作及所述气动闸阀31开通。

本发明的保持式真空集便系统，根据污物箱5抽真空时时间和气压的关系特性求得经验公式进而计算所述污物箱5中灰水的体积，无需设置浮球式液位开关、光电感应开关或电阻式液位传感器等液位开关，解决了现有真空集便系统污物箱5中设置液位开关存在的技术问题且只需安装压力传感器6即可，易于实现，减少了高铁集便系统的维修工作量降低了应用成本。

本发明的保持式真空集便系统的体积测量方法依托于保持式真空集便系统，关闭所述气动闸阀31，此时所述污物箱5在抽真空过程中视作一个总容积不变的密闭容器，在保持式真空集便系统的工作过程中，随着所述污物箱5内的液体体积不断升高，抽真空所用的时间不断缩短，这一现象说明所述污物箱5中的液体体积直接与抽真空的时间呈负相关；控制器1通过所述压力传感器6监视所述污物箱5内的压力并选取起始计时压力P1和终止计时压力P2，所述污物箱5每一个不同的液体体积值都有一个计时时长ΔT＝T2-T1与之对应。

绘制P-T曲线：从所述污物箱5空箱开始，此时所述污物箱5气压等于大气压力P0；控制所述真空发生器4给所述污物箱5抽真空，监测所述污物箱5压力P和相应的抽空时间T，给定压力P一个恒定步长，并记录每增加一个步长的压力P和对应的抽空时间T，在坐标系中描点得到P-T曲线C，对应的所述污物箱5液体体积为V_空；将所述污物箱5的水加至半箱(该半箱为预满时液体体积的一半，并非所述污物箱5体积的一半)，控制所述真空发生器4给所述污物箱5抽真空，监测所述污物箱5压力P和相应的抽空时间T，给定压力P一个恒定步长，并记录每增加一个步长的压力P和对应的抽空时间T，在坐标系中描点得到半箱时的P-Tb曲线B，对应的所述污物箱5液体体积为V_半；把所述污物箱5加至预满(本发明也成为额定，预满状态时，并非是所述污物箱5中的液体体积占所述污物箱5体积的100％)，控制所述真空发生器4给所述污物箱5抽真空，监测所述污物箱5压力P和相应的抽空时间T，给定压力P一个恒定步长并记录每一个压力P和对应的抽空时间T，在坐标系中描点得预满(额定)时的P-Ta曲线A，对应的污物箱5液体体积为V_额定；

合理选择起始计时气压值P1和终止计时气压值P2；从绘出的预满状态下P-T曲线A、半箱状态下P-T曲线B和空箱状态下P-T曲线C可以看出：若起始计时气压值P1距离大气压P0太近由于真空发生器4工作尚未稳定偏差较大，终止计时气压值P2应远离饱和压力值，取该值附近作为终止计时气压值P2的误差将会更大，因此计时压力ΔP＝P2-P1计时时间ΔT＝T2-T1的选择原则是选择真空发生器4工作稳定、效率最高的一段；

观察三条曲线计时时长ΔT：

ΔTa＝T2a-T1a；

ΔTb＝T2b-T1b；

ΔTc＝T2c-T1c；

可以从图中看出ΔTa≈1/2ΔTb；我们又已知满箱液体体积V_额定＝2V_半；因此设想在起始计时压力P1和终止计时压力P2不变的前提下灰水体积V_灰水与ΔT之间有可能存在近似数学关系：

V_灰水＝kΔT+b

如果上式存在，我们就可以根据计时所得的ΔT来计算所述污物箱5内的灰水体积V；在工程上我们可以通过试验验证，只要能够满足对误差的要求就可以作为经验公式使用。

故提出以下一种保持式真空集便系统的体积测量方法：

一种保持式真空集便系统的变压计时体积测量方法，采用上述的保持式真空集便系统，包括如下步骤：

步骤S1：关断所述污物箱5与所述集便装置3之间的所述气动闸阀31，以使所述污物箱5处于封闭状态；

步骤S2：将所述污物箱5的液体体积加至为V_m，控制所述真空发生器4给所述污物箱5抽真空，监测所述污物箱5压力P和相应的抽空时间T，给定压力P一个恒定步长，并记录每增加一个步长的压力P和对应的抽空时间T，在坐标系中描点得到所述污物箱5的液体体积为V_m时的P-T曲线M；将所述污物箱5的液体体积加至为V_n，控制所述真空发生器4给所诉污物箱5抽真空，监测所述污物箱5压力P和相应的抽空时间T，给定压力P一个恒定步长，并记录每增加一个步长的压力P和对应的抽空时间T，在坐标系中描点得到所述污物箱5的液体体积为V_n时的P-T曲线N；

步骤S3：求取经验公式：选择起始计时压力P1和终止计时压力P2，并在曲线M和曲线N中分别找出对应的计时时长：

ΔT_m＝T2_m-T1_m；

ΔT_n＝T2_n-T1_n；

将上述数值代入至二元一次方程得：

V_m＝kΔT_m+b；

V_n＝kΔT_n+b；

求得k值和b值，进而求得经验公式V_灰水＝kΔT+b；其中，V_灰水为所要求得的所述污物箱5中的灰水体积，ΔT为起始计时压力P1至终止计时压力P2所对应的计时时长。

具体实施例一

本实施例中所述污物箱5总体积500L，所述污物箱5的额定体积400L(即预满时的所述污物箱5的液体体积)，选择起始计时压力P1值为-15kpa，选择终止计时压力P2值为-30kpa。

根据公式V_灰水＝kΔT+b，当污物箱5为空时V_m＝0，实测ΔT_m为10963ms，得到0＝10963k+b；当污物箱5为额定(即预满状态下)时V_n＝400，实测ΔT_n为1159ms，得到400＝1159k+b。

经计算求得k＝-0.0408，b＝447.2872。

将k＝-0.0408，b＝447.2872，代入得V_灰水＝-0.0408ΔT+447.2872，

根据当所述污物箱5液体体积分别为40L、80L、100L、150L、200L、240L、280L、300L、350L时的实测计时时长ΔT值，计算出污物箱5内的水量与实际加水量的值进行比较，如果两者差别小于工程允许的误差值则认为能够满足工程需要；如下表所示：

本发明验证结果：经对比，计算求得的所述污物箱5的水量与实际加水量基本一致，线性误差为1％左右，在工程上对污物箱5液位测量精度要求很低，线性误差小于等于满箱体积的2％或3％甚至5％均能满足污物箱5液位测量精度要求；此经验公式符合工程技术基本要求，具有实用价值。可认为V_灰水＝-0.0408ΔT+447.2872成立，即V_灰水＝kΔT+b成立。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；本领域的普通技术人员应当理解，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种保持式真空集便系统，包括控制器、气控单元及集便装置，所述控制器与所述气控单元及所述集便装置连接；还包括真空发生器及污物箱，所述真空发生器与所述气控单元连接，其特征在于：该系统还包括用于测量所述污物箱气压的压力传感器，所述压力传感器与所述控制器电连接；所述污物箱分别与所述真空发生器及所述集便装置连接；其中，所述污物箱与所述集便装置之间设置有气动闸阀，所述气动闸阀与所述气控单元连接；

所述控制器，用于通过所述气控单元控制所述真空发生器工作及所述气动闸阀的通断；以及用于根据气压值变化参数与抽空时间关系计算所述污物箱内的灰水体积。

2.根据权利要求1的所述一种保持式真空集便系统，其特征在于：所述集便装置包括水增压单元及便器，所述水增压单元分别与所述控制器、所述气控单元及所述便器连接，所述控制器还用于通过所述气控单元控制所述水增压单元向所述便器冲水。

3.根据权利要求1的所述一种保持式真空集便系统，其特征在于：所述真空发生器与所述气控单元之间设置有第一电磁阀，所述气控闸阀与所述气控单元之间设置有第二电磁阀，所述第一电磁阀及所述第二电磁阀分别与所述控制器连接。

4.根据权利要求2的所述一种保持式真空集便系统，其特征在于：所述水增压单元包括用于给水源增压的水增压器，所述水增压器与所述便器连接，所述水增压器与所述便器之间设置有开关阀，所述开关阀与所述气控单元连接，所述开关阀与所述气控单元之间设置有第三电磁阀，所述第三电磁阀与所述控制器连接。

5.根据权利要求4的所述一种保持式真空集便系统，其特征在于：所述水增压器与所述水源之间设置有单向阀。

6.根据权利要求1的所述一种保持式真空集便系统，其特征在于：所述控制器表面设置有显示屏；所述显示屏，用于系统的参数设置和所述污物箱内的灰水体积显示。

7.一种保持式真空集便系统的体积测量方法，采用权利要求1至6任一项所述的保持式真空集便系统，其特征在于：包括如下步骤：

步骤S1：关断所述污物箱与所述集便装置之间的所述气动闸阀，以使所述污物箱处于封闭状态；

步骤S2：绘制P-T曲线：将所述污物箱的液体体积加至为V_m，控制所述真空发生器给所述污物箱抽真空，监测所述污物箱压力P和相应的抽空时间T，给定压力P一个恒定步长，并记录每增加一个步长的压力P和对应的抽空时间T，在坐标系中描点得到所述污物箱的液体体积为V_m时的P-T曲线M；将所述污物箱的液体体积加至为V_n，控制所述真空发生器给所诉污物箱抽真空，监测所述污物箱压力P和相应的抽空时间T，给定压力P一个恒定步长，并记录每增加一个步长的压力P和对应的抽空时间T，在坐标系中描点得到所述污物箱的液体体积为V_n时的P-T曲线N；

步骤S3：求取经验公式，选择起始计时压力P1和终止计时压力P2，并在曲线M和曲线N中分别找出对应的计时时长：

ΔT_m＝T2_m-T1_m；

ΔT_n＝T2_n-T1_n；

将上述数值代入至二元一次方程得：

V_m＝kΔT_m+b；

V_n＝kΔT_n+b；

求得k值和b值，进而求得经验公式V_灰水＝kΔT+b；其中，V_灰水为所要求得的所述污物箱中的灰水体积，ΔT为起始计时压力P1至终止计时压力P2所对应的计时时长。