CN112607710B - 制氧系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种制氧系统及其控制方法，所述方法包括获取环境气压值、环境温度值和储气罐当前压力值；根据所述环境气压值和环境温度值计算储气罐预期压力值；判断所述储气罐当前压力值与所述储气罐预期压力值是否相符；当所述储气罐当前压力值与所述储气罐预期压力值不相符时，调整压缩机的频率和/或转速。

Description

制氧系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及制氧设备领域，具体涉及一种制氧系统及其控制方法。
背景技术
制氧机是一种可以制取氧气的机器设备，根据制氧原理的不同，可以分为分子筛制氧机、高分子富氧膜制氧机、电解水制氧机和化学反应制氧机等。其中分子筛制氧机的工作原理是：在压力作用下，通过吸附剂对氧、氮的吸附容量不同来实现氧气和氮气的分离，这样的制氧机一般以大功率无油压缩机为动力，以分子筛为吸附介质，通过四通阀等元器件的配合，将空气中的氧气和氮气进行分离，最终得到高浓度的氧气。
目前的便携式制氧设备，经常被用户随身携带，所以便携式制氧机随用户处于不同的海拔气压下，也成为常态。
对于制氧设备，尤其是吸附式制氧设备而言，其处在不同海拔时，由于空气变稀薄，气压不同，设备各方面的性能都会有所改变，进而不再能适应用户的良好使用，比如供氧能力因为气压变化得不到保证等等。在不同海拔对制氧设备的氧气流量进行检测发现，随着海拔高度的不断增加，大气压力逐渐减少的情况下，制氧机的进气量也随之减少，在不同的海拔气压下，便携式制氧机不能及时地根据周围环境做出调整产氧、供氧性能，使得用户的用氧体验变差。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种制氧系统控制方法，包括：
获取环境气压值、环境温度值和储气罐当前压力值；
根据所述环境气压值和环境温度值计算储气罐预期压力值；
判断所述储气罐当前压力值与所述储气罐预期压力值是否相符；
当所述储气罐当前压力值与所述储气罐预期压力值不相符时，调整压缩机的频率和/或转速。
可选地，利用如下方式计算所述储气罐预期压力值：
P＝kP0/p+aH/Hk+b，
其中P为储气罐预期压力值，P0为标准大气压，p为环境气压值，H为环境温度值，Hk为开尔文温度，k、a、b为预设系数。
本发明还提供一种制氧系统动态控制方法，包括：
监测海拔信息的变化是否达到变化阈值；
每当所述海拔信息的变化达到变化阈值时，执行上述制氧系统控制方法。
可选地，在每次调整压缩机的频率和/或转速时，压缩机的频率和转速被交替调整。
可选地，所述方法还包括：
每当所述海拔信息的变化达到变化阈值时，根据所述海拔信息计算用于检测用户呼吸动作的压力阈值。
可选地，按照如下方式计算所述压力阈值：
F＝m-nLi，
其中F为所述压力阈值，Li为所述海拔信息，m、n为预设系数。
可选地，在调整压缩机的频率和/或转速的步骤中按照固定比例进行调整。
可选地，所述方法还包括：
监测环境温度值是否达到高温阈值；
当所环境温度值达到高温阈值时，控制风扇对压缩机进行散热。
可选地，所述方法还包括：
获取分子筛温度值；
通过比对所述分子筛温度值与至少一个温度阈值，控制风扇将压缩机热量吹向分子筛和/或控制分子筛上的加热器进行加热。
可选地，所述通过比对所述分子筛温度值与至少一个温度阈值，控制风扇将压缩机热量吹向分子筛和/或控制分子筛上的加热器进行加热具体包括：
判断所述分子筛温度值是否低于第一温度阈值；
当所述分子筛温度值低于第一温度阈值时，控制风扇将压缩机热量吹向分子筛，持续设定时间后再次判断所述分子筛温度值是否低于第一温度阈值；
当所述分子筛温度值仍低于第一温度阈值时，控制分子筛上的加热器进行加热，并监测所述分子筛温度值是否达到第二温度阈值；
当所述分子筛温度值达到第二温度阈值或加热持续时间达到设定持续时间时，停止加热。
相应地，本发明提供一种制氧系统，储气罐、分子筛、压缩机，以及
储气罐压力传感器，用于采集储气罐压力值；
大气压传感器，用于采集环境气压值；
温度传感器，用于采集环境温度值；
处理器，用于执行上述制氧系统控制方法。
相应地，本发明提供一种制氧系统，储气罐、分子筛、压缩机，以及
储气罐压力传感器，用于采集储气罐压力值；
大气压传感器，用于采集环境气压值；
环境温度传感器，用于采集环境温度值；
分子筛温度传感器，用于采集分子筛温度值；
处理器，用于执行上述制氧系统动态控制方法。
根据本发明提供的制氧系统及其控制方法，通过计算对应不同环境压力下，也即不同海拔的储气罐预期压力值，可以确定在某个海拔下储气罐应该达到的压力值，通过调整压缩机的性能，使储气罐实际压力达到该预期压力值，可弥补海拔的变化对制氧机性能的影响，由此达到优化制氧性能的目的。
本方案根据海拔变化情况执行调整操作，能够降低调整频度，节约能耗并具有较强的实用性。并且压缩机的转速和频率被交替调整，使调整方案更加平衡，起到保护压缩机的作用。
本方案还能够保证用户无论在任何海拔处付出同样力度的吸气，都能被良好的检测到，并且制氧系统可以毫无障碍的随时跟随用户的呼吸频率进行呼吸频率的调整，提升了用户体验、节省了系统功耗。
本方案还能够在分子筛温度较低时，优先利用压缩机发出的热量对分子筛加热，在压缩机的热量不能满足需求时，再启动加热器对分子筛进行加热，在保障分子筛正常工作的前提下，达到节约能耗的目的，同时，因为分子筛能够处于较好的温度环境中，有利于其性能的最大发挥，有利于增加分子筛吸附、解吸性能，尤其是在高海拔空气稀薄、昼夜温差较大的环境中，便携式制氧机的分子筛性能不会有较大的波动，有利于持续保持良好的供氧性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中的一种制氧系统的示意图；
图2为本发明实施例中的一种制氧系统控制方法的流程图；
图3为本发明实施例中的一种制氧系统动态控制方法的流程图；
图4为本发明实施例中的另一种制氧系统的示意图；
图5为本发明实施例中的分子筛温度控制方法的流程图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
本发明实施例提供一种制氧系统，如图1所示，该系统包括储气罐1、分子筛2、压缩机3、储气罐压力传感器4、大气压传感器5、温度传感器6、处理器7。储气罐压力传感器4用于采集储气罐1的压力值；大气压传感器5用于采集环境气压值；温度传感器6用于采集环境温度值；处理器7用于根据各种传感器采集的数据控制系统中各部件的性能。
作为第一个可选的实施例，处理器根据海拔的高度调节制氧机内部的制氧性能，来弥补海拔的增高对制氧机性能的消减。如图2所示，处理器被配置为执行一种制氧系统控制方法：
S1A，获取环境气压值、环境温度值和储气罐当前压力值。在不同的海拔，环境气压和温度有所不同，在本实施例中将通过各种传感器采集相应的数据。
S2A，根据环境气压值和环境温度值计算储气罐预期压力值。制氧系统的分子筛工作的原理是利用分子筛的分离作用，把空气中氧气和氮气分离开来。空气是通过压缩机的压力被压入分子筛中的，因此系统所处的环境大气压力(也即海拔高度)和温度对于制氧机输出氧气的流量和浓度都有很大的关系，储气罐压力将直接影响系统制氧性能。
本方案需要计算出(储气罐内)预期的压力值，这是预先确定能够使制氧性能达到预期水平的值，然后通过控制压缩机的状态使实际压力值尽可能与预期压力值一致。为了适应不同的海拔和温度情况，在本实施例中处理器将根据传感器采集到的数据计算出适于系统所处环境的储气罐预期压力，由此保证稳定的制氧流量和浓度。
计算储气罐当前压力值的方式有多种，在此提供一种优选的计算方式。在稳定浓度和流量的前提下，获得海拔和储气罐压力值的拟合方程。为了得到拟合方程，需要在不同的大气压调节下调节制氧系统的功耗，使得最终的流量和浓度不变，记录不同大气压下储气罐内的压力值。基于实验数据将两个参数进行拟合，得出拟合方程：
P＝kP0/p+aH/Hk+b，
其中P为储气罐预期压力值，P0为标准大气压，p环境气压值，H为环境温度值，Hk为开尔文温度(Hk＝H+273.15)，k、a、b为预设系数。
由此，处理器可以利用上述公式计算储气罐预期压力值P。
S3A，判断储气罐当前压力值与储气罐预期压力值是否相符。当二者相符时，表示当前的储气罐压力适于当前环境，不必进行调整，可返回步骤S1A继续监测和判断；当二者不相符时，表示当前的储气罐压力不适用于当前环境，需要执行步骤S4A。
S4A，调整压缩机的频率和/或转速。频率和转速可以被择一调整，或者按先后顺序调整，或者同时被调整。调整的量可以是当前量的一定比例，或者是固定量等等。作为举例，比如当制氧系统被携带到海拔较高的环境中，所计算出的预期压力将会比低海拔时的预期压力更高，因此储气罐当前压力值通常会低于预期压力，此时可以将压缩机的频率提高一定百分比，或者将转速提高一定百分比；反之，比如当制氧系统被携带到海拔较低的环境中，计算出的预期压力随之降低，储气罐当前压力值可能会高于预期压力，此时可以将压缩机的频率降低一定百分比，或者将转速降低一定百分比。
根据本发明实施例提供的制氧系统及其控制方法，通过计算对应不同环境压力下，也即不同海拔的储气罐预期压力值，可以确定在某个海拔下储气罐应该达到的压力值，通过调整压缩机的性能，使储气罐实际压力达到该预期压力值，可弥补海拔的变化对制氧机性能的影响，由此达到优化制氧性能的目的。
作为第二个可选的实施例，处理器将根据海拔信息动态地执行控制动作，处理器被配置为执行如图3所示的方法：
S1B，监测海拔信息的变化是否达到变化阈值，当海拔信息的变化达到变化阈值时，执行步骤S2B-S5B，否则持续监测。在本实施例中，需要在制氧系统所处的海拔发生较大变化时，处理器才执行控制动作，而非不间断地执行。作为举例，比如当海拔提高或降低达到100米时，才执行后续动作。其中海拔信息可以是根据环境气压值计算得到的，也可以根据位置信息或者用户输入信息等其它方式确定的。
S2B，获取环境气压值、环境温度值和储气罐当前压力值；
S3B，根据环境气压值和环境温度值计算储气罐预期压力值；
S4B，判断储气罐当前压力值与储气罐预期压力值是否相符，当储气罐当前压力值与储气罐预期压力值不相符时，执行步骤S5B，否则持续监测并判断。
S5B，调整压缩机的频率和/或转速。关于步骤S2B-步骤S5B，具体可参照第一个实施例，此处不再对相同内容进行赘述。
随着海拔不断变化，本实施例的控制操作可能被反复执行，作为优选的实施例，在步骤S5B中频率和转速被交替调整。具体地，是指在第i次执行调整动作时，可以只调整压缩机的频率，在第i+1次执行调整动作时，可以只调整压缩机的转速；或者先调整转速后调整频率也是可行的。
以需要提高频率和转速的情况进行举例，比如第i次执行调整动作时，提升压缩机的驱动频率Di＝Di-1*(1+6％)，即将频率提升6％(频率范围是25k-250Khz)，当提升6％之后，检测储气罐当前压力值是否达到储气罐预期压力值，如果达到，则不再进行其它调整，即本次控制过程只调整了频率，而未改变转速；如果未达到，则再提升压缩机的驱动转速Ri＝Ri-1*(1+0.8％)，即将转速提升0.8％(转速的范围是2500-3800r/min)；
如果海拔继续上升，需要执行第i+1次调整动作，如果第i次执行调整时所调整的是频率，则第i+1次将优先调整转速，如果调整转速未能使储气罐压力达到预期压力，则再调整频率。
本实施例根据海拔变化情况执行调整操作，能够降低调整频度，节约能耗并具有较强的实用性。并且压缩机的转速和频率被交替调整，使调整方案更加平衡，起到保护压缩机的作用。
作为第三个可选的实施例，处理器还用于根据海拔信息计算用于检测用户呼吸动作的压力阈值。本实施例的制氧系统在储气罐向用户输出氧气的管路中设有压力检测器，用于采集用户呼吸的负压，使处理器确定用户的呼吸频率，进而控制喷氧频率，是一种脉冲式制氧系统。
为了监测有效的用户呼吸动作，制氧系统需要检测用户呼吸的负压是否达到设定的压力阈值。随着海拔升高，空气变稀薄，吸气动作造成的压力将会发生变化，如果压力阈值不变，则可能会检测不到吸气动作。
为此，本实施例的处理器将根据海拔信息更新该压力阈值。计算压力阈值的方式有多种，在此提供一种优选的计算方式：在保持该负压不变和出氧浓度和流量不变的情况下，记录海拔值和压力阈值，对两个数据进行拟合，得到拟合方程式：
F＝m-nLi，
其中F为压力阈值，Li为海拔信息，m、n为预设系数。
由此，处理器可以利用上述公式计算压力阈值F。
需要说明的是，本实施例提供的压力阈值计算方法可以被独立地应用于制氧系统中，也可以结合上述实施例，在监测海拔信息的变化达到变化阈值时，比如海拔升高或降低100米时，更新压力阈值。
根据本实施例提供的压力阈值计算方案，能够保证用户无论在任何海拔处付出同样力度的吸气，都能被良好的检测到，并且制氧系统可以毫无障碍的随时跟随用户的呼吸频率进行呼吸频率的调整，提升了用户体验、节省了系统功耗。
作为第四个可选的实施例，考虑到在夏季温度过高时，因为高原空气稀薄，会出现散热效果差的问题，为了保护系统中的压缩机，本实施例配置一个高温阈值，处理器还用于监测环境温度值是否达到高温阈值，当环境温度值达到高温阈值时，控制风扇对压缩机进行散热。具体可以在压缩机中设置风扇进行散热，风扇的转速可以是无极变速。当检测到温度达到高温阈值时开启风扇，否则关闭风扇。
作为第五个可选的实施例，考虑到高原中昼夜温差较大，当环境中温度较低时，低温环境将对分子筛的性能产生不利影响，本实施例还将对分子筛执行温度控制操作，以保证分子筛的工作温度始终为适宜温度，有利于分子筛吸附、解吸的性能得到最好的利用，改善分子筛受制于环境而产氧能力波动的情况。如图4所示，本实施例的制氧系统还包括分子筛温度传感器8，处理器还用于获取分子筛温度值，通过比对分子筛温度值与至少一个温度阈值，控制风扇将压缩机热量吹向分子筛和/或控制分子筛上的加热器进行加热。
作为优选的实施例，预设第一温度阈值H0和第二温度阈值H1，H1>H0,比如H0＝15℃、H1＝40℃。处理器执行如图5所示的分子筛温度控制方法：
S1C，判断分子筛温度值是否低于第一温度阈值，若低于第一温度阈值则执行步骤S2C，否则不必执行温控操作，持续监测分子筛温度值。
S2C，控制风扇将压缩机热量吹向分子筛，持续设定时间；
S3C，再次判断分子筛温度值是否低于第一温度阈值，若仍低于第一温度阈值则执行步骤S4C,否则重新开始执行本方法。
S4C，控制分子筛上的加热器进行加热；
S5C，监测分子筛温度值是否达到第二温度阈值，或者加热持续时间达到设定持续时间，当满足任一条件时执行步骤S6C；
S6C，停止加热，之后返回步骤S1C继续监测分子筛温度值。
根据上述优选方案，在分子筛温度较低时，优先利用压缩机发出的热量对分子筛加热，在压缩机的热量不能满足需求时，再启动加热器对分子筛进行加热，在保障分子筛正常工作的前提下，达到节约能耗的目的。
需要说明的是，本实施例提供的分子筛温度控制方法可以被独立地应用于制氧系统中，也可以结合上述各个实施例同时应用于系统中。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (11)

1.一种制氧系统控制方法，其特征在于，包括：
获取环境气压值、环境温度值和储气罐当前压力值；
根据所述环境气压值和环境温度值计算储气罐预期压力值：P=kP0/p+aH/Hk+b，
其中P为储气罐预期压力值，P0为标准大气压，p为环境气压值，H为环境温度值，Hk为开尔文温度，k、a、b为预设系数；
判断所述储气罐当前压力值与所述储气罐预期压力值是否相符；
当所述储气罐当前压力值与所述储气罐预期压力值不相符时，调整压缩机的频率和/或转速。
2.根据权利要求1所述的制氧系统控制方法，其特征在于，在调整压缩机的频率和/或转速的步骤中按照固定比例进行调整。
3.根据权利要求1所述的制氧系统控制方法，其特征在于，还包括：
监测环境温度值是否达到高温阈值；
当所环境温度值达到高温阈值时，控制风扇对压缩机进行散热。
4.根据权利要求1所述的制氧系统控制方法，其特征在于，还包括：
获取分子筛温度值；
通过比对所述分子筛温度值与至少一个温度阈值，控制风扇将压缩机热量吹向分子筛和/或控制分子筛上的加热器进行加热。
5.根据权利要求4所述的制氧系统控制方法，其特征在于，所述通过比对所述分子筛温度值与至少一个温度阈值，控制风扇将压缩机热量吹向分子筛和/或控制分子筛上的加热器进行加热具体包括：
判断所述分子筛温度值是否低于第一温度阈值；
当所述分子筛温度值低于第一温度阈值时，控制风扇将压缩机热量吹向分子筛，持续设定时间后再次判断所述分子筛温度值是否低于第一温度阈值；
当所述分子筛温度值仍低于第一温度阈值时，控制分子筛上的加热器进行加热，并监测所述分子筛温度值是否达到第二温度阈值；
当所述分子筛温度值达到第二温度阈值或加热持续时间达到设定持续时间时，停止加热。
6.一种制氧系统动态控制方法，其特征在于，包括：
监测海拔信息的变化是否达到变化阈值；
每当所述海拔信息的变化达到变化阈值时，执行权利要求1-5中任一项所述的制氧系统控制方法。
7.根据权利要求6所述的制氧系统动态控制方法，其特征在于，在每次调整压缩机的频率和/或转速时，压缩机的频率和转速被交替调整。
8.根据权利要求6所述的制氧系统的动态控制方法，其特征在于，还包括：
每当所述海拔信息的变化达到变化阈值时，根据所述海拔信息计算用于检测用户呼吸动作的压力阈值。
9.根据权利要求8所述的制氧系统的动态控制方法，其特征在于，按照如下方式计算所述压力阈值：
F=m-nLi，
其中F为所述压力阈值，Li为所述海拔信息，m、n为预设系数。
10.一种制氧系统，储气罐、压缩机，其特征在于，所述系统还包括：
储气罐压力传感器，用于采集储气罐压力值；
大气压传感器，用于采集环境气压值；
温度传感器，用于采集环境温度值；
控制器，用于执行权利要求1-5中任一项所述的制氧系统控制方法，或者执行权利要求6-9中任一项所述的制氧系统动态控制方法。
11.根据权利要求10所述的制氧系统，其特征在于，所述系统还包括：
分子筛温度传感器，用于采集分子筛温度值。
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