CN110296320A - 一种氮气供应系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种氮气供应系统。该氮气供应系统中包含有若干压力传感器、温度传感器、流量传感器，监测系统中氮气的压力、温度、流量。系统的控制主机采集各传感器监测到的数据，根据气体的压力、温度、流量数据，确定该系统是否存在故障。并且，控制主机可根据氮气的实时流量数据，确定供应给科学实验载荷的氮气量，在氮气供应完毕后自动关闭截止阀，实现了一种可靠、安全性高的氮气供应。

Description

一种氮气供应系统

技术领域

本申请涉及航天领域，尤其涉及一种氮气供应系统。

背景技术

在航天研究中，空间实验室和空间站等设备作为为太空中的生命研究以及自然科学研究提供安全适宜的环境的重要设备，一直是航天大国竞相研究的热点。其中，氮气供应系统是空间应用系统中一个重要的公共支持系统，其作用在于为有氮气需求的科学实验载荷统一提供氮气资源，以维系科学实验的正常进行。其中科学实验载荷指的是用于进行空间科学实验的设备。

因此，如何实现一种能够稳定、可靠地为科学实验载荷供应氮气，且能够实时监测氮气供应存在问题的氮气供应系统是亟待解决的重要问题。

发明内容

本申请实施例提供了一种能够稳定、可靠的为科学实验载荷供应氮气的氮气供应系统。

本申请实施例提供的一种氮气供应系统，包括：

气瓶组件，用于存储高压氮气，并将所述高压氮气减压为科学实验载荷所需的氮气；

输送管路，与所述气瓶组件的输出端相连，用于将减压后的氮气运输至所述科学实验载荷，其中，所述输送管路包括若干压力传感器、电动截止阀以及流量传感器；

控制主机，用于根据来自所述若干压力传感器的数据，判断所述气瓶组件以及所述输送管路是否正常工作，以及用于接收来自地面站的指令，根据所述指令，确定所述科学实验载荷需要的氮气量，并根据来自所述流量传感器的数据，控制所述电动截止阀的开闭，以控制所述氮气的供应量。

本申请实施例提供了一种氮气供应系统，该系统将高压氮气气瓶中存储的高压氮气通过减压阀减压，并经过安全阀确保将符合科学实验载荷工作需求的氮气稳定供应给科学实验载荷。并且，根据系统中的若干压力传感器、温度传感器、流量传感器，实时监测气体的压力、温度、流量变化，能够确定系统是否正常工作，及时对系统存在的问题进行修复。并且，控制主机可根据支路流量传感器监测的氮气的实时流量变化，确定已经供应给科学实验载荷的氮气量，在氮气供应完毕后自动关闭支路截止阀，提高了系统的自动化。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本申请实施例提供的系统原理图；

图2为本申请实施例提供的氮气供应系统与地面站的交互图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例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，都属于本申请保护的范围。

目前，氮气供应系统在向科学实验载荷供应氮气时，在高压氮气存储、高压氮气减压等过程中，常常会出现一些问题，如氮气泄露、减压效果不理想等，这使得科学实验载荷无法获得满足需求的氮气，影响氮气供应的稳定性，且无法及时发现问题，使系统缺乏可靠性。

对此，本申请提出了一种氮气供应系统。

图1为本申请实施例提供的系统结构示意图，该系统包括气瓶组件100，输送管路200，科学实验载荷300，控制主机400。其中，气瓶组件100包括高压氮气气瓶110，气瓶压力传感器120，减压阀130。输送管路200包括单向阀210，安全阀220，总路压力传感器230，总路流量传感器240，温度传感器250，主路截止阀260，主路压力传感器270，支路截止阀280，支路流量传感器290。

气瓶组件100是氮气供应系统的气体来源，用于存储高压氮气并将该高压氮气减压到满足科学实验载荷300工作所需的氮气。气瓶组件110可包括高压氮气气瓶110，充气接口(图中未示出)，气瓶压力传感器120，供气截止阀(图中未示出)，过滤器(图中未示出)以及减压阀130，上述各部件可依次连接。作为存储高压氮气的装置，气瓶组件100中的各部件及其连接均采用密封设计。并且，气瓶组件100中各部件采用可拆卸的机械连接方式，这种连接方式是在载人飞船和目标飞行器中所使用安装方式的基础上，改进设计而成，方便拆卸，具有较高继承性。

高压氮气气瓶110用于存储高压氮气，其中，该高压氮气气瓶110中高压氮气的气压可根据需要确定，本申请实施例对此不做限定。

充气接口可通过连接专用充气扳手向连接的高压氮气气瓶110充气或放气。

气瓶压力传感器120用于监测高压氮气气瓶110出口的高压氮气的气压，并由控制主机400采集气瓶压力传感器120监测到的气体压力数据。由于高压氮气气瓶110中的氮气压力是已知的，则气瓶压力传感器120监测到的高压氮气的压力值应当与该已知的压力值相近，若监测到的压力值与已知压力值相近，则该高压氮气气瓶处于正常工作状态，若监测到的压力值过低，则可能高压氮气气瓶110中的剩余氮气量过少，或者高压氮气气瓶110出现了漏气现象。在这种情况下，高压氮气经过减压并输送后，无法满足科学实验载荷400的氮气需求，则该氮气供应系统无法正常供应氮气。于是，控制主机400在采集到该气瓶压力传感器120的高压氮气的压力数据后，可根据预设的第一阈值，在该压力数据低于该第一预设阈值时，确定高压氮气气瓶110出现问题，需要更换该高压氮气气瓶110。其中，该第一预设阈值可根据需要设置，本申请实施例对此不做限定。

供气截止阀可通过开启和/或关闭来控制高压氮气的流通。一种可能的实现方式为，可通过机械的方式(例如，通过操作手轮)对供气截止阀进行开启与关闭。其中，由于供气截止阀为手动控制，那么，为减少用户的操作，供气截止阀在初次打开后可处于常开状态。在这种情况下，氮气供应系统在没有进行氮气供应时，从高压氮气气瓶110到主路截止阀260的管路中为充满氮气的状态。

为了防止多余物的影响和避免高速气流的冲击，在供气截止阀的入口和出口可设置过滤器，用于过滤高压氮气中的杂质，并减缓高压氮气的冲击。

减压阀130将流经的高压氮气减压为满足科学实验载荷300工作需要压力的氮气。其中，由于减压阀130接收的高压氮气的气压较高，因此，为了实现压力的平稳输出，可采用二级减压方法，通过两次减压将高压氮气减压至科学实验载荷所需的氮气。其中，为提高安全可靠性，一级减压后腔体可按耐受入口最大压力设计，二级减压后腔体可按一级减压后最高压力设计。

那么，高压氮气通过气体入口进入后，通过一级减压，可初步将压力降低至不大于2.0MPa，再通过二级减压，可将压力进一步减到科学实验载荷300需要的工作压力。在本申请实施例中，高压氮气经减压后的压力一般为0.6MPa。

输送管路200与气瓶组件100相连，用于将经过气瓶组件100减压的氮气运输至科学实验载荷300，并监测氮气的气体状态。如图1所示，输送管路200包括总路、主路以及支路。总路与两条主路相连，两条主路分别与四条支路相连，其中，总路包括单向阀210，安全阀220，总路压力传感器230，总路流量传感器240，温度传感器250。两条主路均包括主路截止阀260，主路压力传感器270。四条支路均包括支路截止阀280，支路流量传感器290。需要注意的是，为方便描述，本申请实施例仅以两条主路、四条支路为例进行说明，但实际应用中主路、支路的数量可根据需要设置，本申请对此不做限定。

单向阀210与减压阀130连接，单向阀210用于保证从减压阀130流出的氮气的单向流通，保证该氮气供应系统中氮气流向的单向性，避免产生气体倒流现象。

安全阀220与单向阀210连接，起到保护作用，若流入该安全阀220的氮气在正常范围内(即，不大于第二预设阈值)，则该安全阀220不工作，仅起到气体流通的作用。若流入该安全阀220的氮气的压力超过第二预设阈值，则为了使该氮气降压到满足科学实验载荷400需要的压力值，保证该氮气供应系统的正常运行，该安全阀220开启，对流经的氮气进行卸压，并在该氮气的压力值减小至第二预设阈值时关闭卸压。在本申请实施例中，安全阀220可在流经的氮气的压力值为2.2MPa时开启，对氮气进行卸压。其中，该第二预设阈值可根据需要设置，本申请实施例对此不做限定。

总路压力传感器230与安全阀220连接，用于监测从安全阀220流出的氮气的压力。在正常情况下，该高压氮气在经减压阀130减压后，流至该总路压力传感器230时，其压力范围应当在第一预设范围内。但在系统出现故障的情况下，若从高压氮气气瓶110至总路压力传感器230的管路中发生漏气，管路中氮气的压力会下降，则该总路压力传感器230监测到的氮气压力值可能低于该第一预设范围的最低值，或者，若该高压氮气气瓶110中的氮气量不足时，则该总路压力传感器230监测到的氮气压力值也可能低于该第一预设范围的最低值。若减压阀130出现故障，减压阀130的减压作用失效，则即使经过安全阀220的自动卸压，该总路压力传感器230监测到的氮气压力值也会高于该第一预设范围的最高值。

因此，控制主机400可采集总路压力传感器230监测到的氮气的压力数据，根据该压力数据，确定经过降压后的氮气的压力符合科学实验载荷300的需求，并判断系统管路是否存在漏气，或者是否应当更换高压氮气气瓶110，或者该减压阀130是否出现故障。

此外，为了判断减压阀130是否出现故障，在该氮气供应系统中，也可在减压阀130与单向阀210之间设置减压压力传感器(图中未示出)，直接监测从减压阀130中流出的氮气的压力，判断该减压阀是否出现故障，并判断该氮气气瓶110到该减压压力传感器之间的管路是否存在漏气等问题。在本申请实施例中，该第一预设范围可以是0.3～1MPa，若监测氮气压力低于0.3MPa，则需要更换气瓶，或者管路中存在漏气，若监测氮气压力高于1MPa，则减压阀130存在故障。其中，该第一预设范围可根据需要设置，本申请实施例对此不做限定。

总路流量传感器240与总路压力传感器230连接，总路流量传感器240用于监测流经总路的氮气的流量，并由控制主机400采集总路流量传感器240监测到的氮气流量数据。控制主机400可根据该流量数据以及耗费的时间，确定流过该总路流量传感器240的氮气总流量，并以此确定该高压氮气气瓶110中的剩余氮气量，并确定是否更换高压氮气气瓶110。

另外，控制主机400也可根据该总路流量传感器240监测到的氮气流量，来判断该氮气供应系统是否处于正常工作状态。由于高压氮气气瓶110输出的氮气的压力基本不变，因此，在总路中，氮气压力与流量成负相关关系，氮气压力越高，则流量越小，氮气压流越低，则流量越大。那么，与总路压力传感器230根据监测到的氮气压力是否在第一预设范围内，确定系统是否存在故障的原理相同，总路流量传感器240也可根据监测到的氮气的流量是否在预设的范围内，确定系统是否存在故障。

温度传感器250与总路流量传感器240连接，温度传感器250用于监测流经的氮气的温度，并由控制主机400采集温度传感器250监测到的氮气温度。控制主机400可根据预设的正常范围，确定该温度值是否在正常范围内。若监测到的氮气的温度值低于一定温度，则该氮气可能出现冷凝现象。若氮气出现冷凝，则无法满足科学实验载荷300需要的干燥氮气的条件。那么，控制主机400可根据氮气出现的冷凝现象，确定是否需要暂停氮气供应。

主路截止阀260用于控制相应主路的氮气的通断，可根据控制主机400的指令开启与关闭，且具有自锁保持功能。当对应支路的科学实验载荷400需要供应氮气时，该主路截止阀260可在控制主机400的控制下开启，并在氮气供应完毕后，在控制主机400的控制下关闭。如上文描述，氮气供应系统中的供气截止阀140在初次打开后保持常开状态，氮气流通的通道被主路截止阀260阻断。因此，控制主机400控制主路截止阀260打开后，氮气就开始流通。其中，控制主机400是在地面站的控制下，向主路截止阀260发送打开和/或关闭指令的。

其中，该主路截止阀260的工作压力可为0MPa～1Mpa，且可在2.5MPa压力作用下无塑性变形。需要说明的是，本申请实施例也可以采用其他可以起到相同作用的截止阀，并不仅限于该实施例中提到的截止阀。

主路压力传感器270，与对应的主路截止阀260相连，用于监测流经相应主路的氮气的压力，并由控制主机400采集主路压力传感器270监测到的氮气压力数据。控制主机400可确定该主路压力传感器270监测到的氮气压力值是否在第二预设范围内，是否满足科学实验载荷400需要的氮气的条件。若该压力值低于该第二预设范围的最低值或者高于该第二预设范围的最高值，则可能从高压氮气气瓶110到该主路压力传感器270的管路或者部件发生了故障。其中，该第二预设范围可根据需要设置，本申请实施例对此不做限定。

支路截止阀280，用于控制对应支路的氮气的通断。支路截止阀280通过控制线缆束与控制主机400连接，并在控制主机400的控制下开启和/或关闭。其中，该控制主机400在地面站的控制下，向该支路截止阀280发送开启指令，并根据来自支路流量传感器290的流量数据，自行确定向该支路截止阀280发送关闭指令。

支路流量传感器290，与对应的支路截止阀280相连，用于监测流经的氮气的当前流量数据，并由控制主机400采集监测到的实时流量数据。控制主机400可根据该实时流量数据以及所耗费的时间，确定已经向对应的科学实验载荷300供应的氮气量，并在供应氮气量满足科学实验载荷300需要的氮气量后，确定关闭对应的该支路截止阀280。

控制主机400用于采集该氮气供应系统中的各压力传感器、流量传感器、温度传感器监测到的氮气的相关数据，并根据各氮气压力、流量、温度数据，确定该氮气供应系统是否正常工作，即该氮气供应系统是否能向科学实验载荷400供应满足其需求的氮气。并且，该控制主机400可根据各压力、流量、温度数据，根据各预设的阈值以及预设的范围，确定该氮气供应系统是否存在漏气、减压失效等故障，并确定相应的维修减压阀130、更换高压氮气气瓶110等解决方案。另外，控制主机400可在判断系统故障后，将具体的故障诊断情况发送至地面站，也可将采集到的氮气的压力、流量、温度等气体状态数据按照预设时间间隔发送至地面站，并在各压力、流量、温度数据超过对应的预设阈值或者预设范围时进行报警。其中，控制主机400在判断系统故障时，不仅仅依靠单独的某个传感器的数据，可综合多个传感器的数据进行整体判断，并且，如何根据对应的传感器确定具体的系统故障的方法，上文已经进行了详细描述，在此不再赘述，上文提到的各压力、流量、温度对应的阈值、范围以及该预设时间间隔均可根据需要设置，本申请实施例对此不做限定。

另外，如图2所示，控制主机400与地面站通过航天器平台星地链路无线通信。控制主机400可根据地面站的指令，控制氮气的供应。为方便说明，本申请实施例以一个科学实验载荷为例进行描述。

具体的，地面站可接收用户输入的指令，或者确定预存的指令，其中，该指令包括氮气供应时间、科学实验载荷标识、科学实验载荷标识对应的科学实验载荷需要的氮气量。地面站将该指令发送至控制主机400，控制主机400可根据该指令，确定需要氮气的科学实验载荷300，需要的氮气量以及进行氮气供应的时间，则该控制主机400可在确定出的进行氮气供应的时间，发送指令控制该科学实验载荷300对应的主路截止阀260、支路截止阀280开启。在系统正常工作的情况下，氮气流经对应的主路以及支路，供应给该科学实验载荷300。在氮气供应的过程中，该科学实验载荷300对应的支路流量传感器290实时监测流经的氮气的流量。控制主机400采集支路流量传感器290监测到的流量数据，根据该实时流量数据以及耗费的时间，确定出已经供应给该科学实验载荷300的氮气总流量，并根据指令中该科学实验载荷300需要的氮气量，在氮气供应完毕后自动确定关闭支路截止阀290。并且，控制主机400也可在关闭支路截止阀280后，同样关闭总路截止阀260，也可将氮气供应完毕的信息发送至地面站，由地面站确定关闭总路截止阀260。

此外，控制主机400还可接收地面站发送的校时指令，根据该校时指令修正该控制主机400的时间，使该控制主机400的时间与地面站保持一致。

此外，该氮气供应系统中气瓶组件100与输送管路200的连接处、各主路与各支路的连接处、各支路与科学实验载荷的连接处均采用快速断接器，用于快速阻断气流。具体的，该快速断接器可采用DN4快速断接器。

本申请提出的氮气供应系统，通过若干压力传感器、流量传感器、温度传感器的设计，能够实时监测氮气压力、流量、温度的变化，并检测系统是否正常工作，确定系统故障，有效提高了系统的可靠性。此外，系统中的控制主机可根据支路流量传感器监测的实时氮气流量数据，自动控制支路截止阀的关闭，提高了系统的自动化程度。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (8)

1.一种氮气供应系统，其特征在于，包括：

气瓶组件，用于存储高压氮气，并将所述高压氮气减压为科学实验载荷所需的氮气；

输送管路，与所述气瓶组件的输出端相连，用于将减压后的氮气运输至所述科学实验载荷，其中，所述输送管路包括若干压力传感器、电动截止阀以及流量传感器；

控制主机，用于根据来自所述若干压力传感器的数据，判断所述气瓶组件以及所述输送管路是否正常工作，以及用于接收来自地面站的指令，根据所述指令，确定所述科学实验载荷需要的氮气量，并根据来自所述流量传感器的数据，控制所述电动截止阀的开闭，以控制所述氮气的供应量。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述输送管路包括总路、第一主路、第二主路；所述总路分别与所述第一主路、第二主路连接；

所述总路包括单向阀、安全阀、总路压力传感器、总路流量传感器、温度传感器；所述单向阀、安全阀、总路压力传感器、总路流量传感器、温度传感器依次连接；

所述单向阀，用于保证所述氮气的单向流通；

所述安全阀，用于在流经所述安全阀的氮气的压力值超过第二预设阈值时对所述氮气卸压；

所述总路压力传感器，是所述输送管路中的若干压力传感器中的一个压力传感器，用于监测流经所述总路压力传感器的氮气的压力数据，使所述控制主机能够采集监测到的压力数据，并在所述压力数据超过第一预设范围时，确定所述高压氮气气瓶与所述总路压力传感器之间的设备存在故障；

所述总路流量传感器，用于监测流经所述总路流量传感器的氮气的流量数据，使所述控制主机能够采集监测到的流量数据，根据所述流量数据确定所述高压氮气气瓶内的剩余氮气量，进而确定是否需要更换所述高压氮气气瓶；

所述温度传感器，用于监测流经所述温度传感器的氮气的温度数据，使所述控制主机能够采集监测到的温度数据，确定所述氮气是否出现冷凝状态，并确定是否暂停氮气供应。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述第一主路、第二主路均包括主路截止阀、主路压力传感器；同一主路的主路截止阀、主路压力传感器顺次连接；

所述主路截止阀，用于根据所述控制主机的指令开启和/或关闭，其中，所述控制主机在所述地面站的控制下发送所述指令；

所述主路压力传感器，是所述输送管路中的若干压力传感器中的一个压力传感器，用于监测对应主路的氮气的压力数据，使所述控制主机能够采集监测到的压力数据，并在所述数据超过第二预设范围时，确定所述高压氮气气瓶与所述相应主路压力传感器之间的设备存在故障。

4.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述第一主路与第一支路、第二支路连接，所述第二主路与第三支路、第四支路连接；所述第一支路、第二支路、第三支路、第四支路均包括支路截止阀以及支路流量传感器；同一支路的支路截止阀以及支路流量传感器顺次连接；

所述支路截止阀，用于根据所述控制主机的指令开启和/或关闭，其中，所述控制主机根据来自所述支路流量传感器的数据控制所述支路截止阀的开闭；

所述支路流量传感器，用于监测对应支路的当前氮气的流量数据，使所述控制主机能够采集监测到的实时流量数据，根据所述实时流量数据，确定流过所述支路传感器的气体总流量，以确定关闭所述支路截止阀。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述科学实验载荷的数量有多个，且每个科学实验载荷分别与所述第一支路、第二支路、第三支路、第四支路中一个支路连接；

所述控制主机具体用于，针对各科学实验载荷，根据来自所述地面站的指令，确定相应科学实验载荷需要的氮气量，根据来自科学实验载荷对应的支路流量传感器的数据以及氮气流经所述支路流量传感器所耗时间，确定该科学实验载荷接收到的氮气量，在计算确定所述科学实验载荷接收到需要的氮气量后控制该科学实验载荷对应的支路截止阀关闭。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括地面站；

所述地面站，用于接收来自所述控制主机的氮气的状态数据，并用于确定氮气供应的指令，将所述指令发送至所述控制主机，使所述控制主机确定所述科学实验载荷需要的氮气量；其中，所述状态数据包括气体的压力、温度、流量。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述地面站，还用于向所述控制主机发送校时指令。

8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述气瓶组件包括减压压力传感器；

所述减压压力传感器，用于监测减压后的氮气的压力数据，使所述控制主机能够采集监测到的压力数据，根据所述压力数据确定所述气瓶组件是否存在故障。