CN113981466A - 密闭空间氢气浓度监测及自动调节方法、装置以及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种密闭空间氢气浓度监测及自动调节方法、装置以及系统，属于气体浓度监测及自动调节领域；其中该方法包括：步骤1，实时获取所检测到的密闭空间中的氢气浓度；步骤2，实时计算所检测到的氢气浓度与预设目标值之间的差值，并确定所述差值是否在预设范围内，是则进入步骤3，否则控制制氢装置以预设输出电流电解水产生氢气补充到密闭空间中；步骤3，根据所述差值，通过延时反馈算法确定用于控制制氢装置工作的电压控制量；步骤4，根据所确定的电压控制量计算制氢装置的理论输出电流，然后控制制氢装置以所述理论输出电流作为输出电流电解水产生氢气补充到密闭空间中。本发明能够解决对密闭空间氢气浓度监测及自动调节的问题。
Description
技术领域
本发明涉及气体浓度监测及自动调节领域，尤其涉及一种密闭空间氢气浓度监测及自动调节方法、装置以及系统。
背景技术
近些年来，相关领域已经证明氢气能治疗动物恶性黑色素瘤，并提出了氢气能直接中和羟基自由基的理论。此后，氢生物学引起世界科学家的重视，逐步形成了研究氢生物学的热潮，氢气密封环境是研究较多的其中一个领域。近来在国内外对此方面的深一步的研究证明，氢气在预防及治疗癌症或糖尿病等成人病方面有显著效果。经过日本最权威的机构历经10年的临床验证和跟踪，明确确认了氢气对人体具有医疗预防作用，能够与羟基自由基发生反应，是一种选择性抗氧化物质，并对很多疾病具有预防和治疗作用，其应用前景十分广泛。
当前，在氢气的应用中，如果蔬保鲜和医疗健康的应用上，需要一个密封的环境对果蔬和受治疗人员进行持续作用。氢气作为一种易燃易爆的气体，在大气中存在爆炸极限，氢气的爆炸极限是4.0％～75.6％，意味着氢气与空气混合时，氢气体积占比在上面的范围之内，遇火爆炸。氢气的含量过高或者过低，都不会爆炸。因此，为了更好地使用氢气推广应用，有必要解决对密闭空间氢气浓度监测及自动调节的问题。
发明内容
为了克服现有技术的缺陷，本发明所要解决的技术问题在于提出一种密闭空间氢气浓度监测及自动调节方法、装置以及系统，能够解决对密闭空间氢气浓度监测及自动调节的问题。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
本发明提供的一种密闭空间氢气浓度监测及自动调节方法，包括以下步骤：
步骤1，实时获取所检测到的密闭空间中的氢气浓度；
步骤2，实时计算所检测到的氢气浓度与预设目标值之间的差值，并确定所述差值是否在预设范围内，是则进入步骤3，否则控制制氢装置以预设输出电流电解水产生氢气补充到密闭空间中；
步骤3，根据所述差值，通过延时反馈算法确定用于控制制氢装置工作的电压控制量；
步骤4，根据所确定的电压控制量计算制氢装置的理论输出电流，然后控制制氢装置以所述理论输出电流作为输出电流电解水产生氢气补充到密闭空间中。
本发明优选地技术方案在于，还包括：
步骤5，实时检测制氢装置的实际输出电流，并计算实际输出电流和理论输出电流之间的电流差值，然后根据所述电流差值和所述理论输出电流重新调整制氢装置的输出电流电解水产生氢气。
本发明优选地技术方案在于，所述延时反馈算法为PID自整定算法，其中步骤3具体包括：
将所述差值输入至预设的PID控制算法，以计算出用于控制制氢装置工作的电压控制量。
本发明优选地技术方案在于，所述PID自整定算法为比例积分控制算法，其公式为：
p(t)＝kP(e(t)+kI∫e(t)dt)
其中，p(t)为电压控制量，kP为比例参数，kI为积分参数；e(t)为实测氢气浓度与预设目标值之间的差值。
另一方面，本发明还提供了一种密闭空间氢气浓度监测及自动调节装置，包括
氢气浓度获取模块，用于实时获取所检测到的密闭空间中的氢气浓度；
判断模块，用于实时计算所检测到的氢气浓度与预设目标值之间的差值，并确定所述差值是否在预设范围内，是则通过控制量计算模块计算电压控制量，否则控制制氢装置以预设输出电流电解水产生氢气补充到密闭空间中；
控制量计算模块，用于根据所述差值，通过延时反馈算法确定用于控制制氢装置工作的电压控制量；
调节模块，用于根据所确定的电压控制量计算制氢装置的理论输出电流，还用于控制制氢装置以所述理论输出电流作为输出电流电解水产生氢气补充到密闭空间中。
本发明优选地技术方案在于，还包括
反馈模块，用于实时检测制氢装置的实际输出电流，并计算实际输出电流和理论输出电流之间的电流差值，然后根据所述电流差值和所述理论输出电流重新调整制氢装置的输出电流电解水产生氢气。
本发明优选地技术方案在于，控制量计算模块中，所述延时反馈算法为PID自整定算法，其公式为：
p(t)＝kP(e(t)+kI∫e(t)dt)
其中，p(t)为电压控制量，kP为比例参数，kI为积分参数；e(t)为实测氢气浓度与预设目标值之间的差值。
再一方面，本发明提供了一种密闭空间氢气浓度监测及自动调节系统，包括制氢装置(1)、氢气浓度检测装置(2)和如权利要求5-7任一所述的密闭空间氢气浓度监测及自动调节装置，所述氢气浓度检测装置(2)的进气口通过第一管道和密闭空间的第一开口相连接，所述氢气浓度检测装置(2)的出气口通过第二管道和密闭空间的第二开口相连接，所述制氢装置(1)的出氢口通过第三管道和密闭空间的第三开口相连接；所述密闭空间氢气浓度监测及自动调节装置根据氢气浓度检测装置(2)所检测到的氢气浓度控制制氢装置(1)电解水产生氢气。
本发明优选地技术方案在于，还包括第一循环风机(51)和第二循环风机(52)；
所述第一循环风机(51)位于所述密闭空间的上方，所述第二循环风机(52)位于所述密闭空间的下方，所述第一循环风机(51)和所述第二循环风机(52)相向安置。
本发明优选地技术方案在于，还包括报警器(6)和排气装置(7)；
所述排气装置(7)的进气口通过第四管道和密闭空间的第四开口相连接，所述排气装置(7)的出气口外接外界大气；所述报警器用于当密闭空间氢气浓度监测及自动调节系统出现异常时做出响应。
本发明的有益效果：
与现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明通过实时计算所检测到的氢气浓度与预设目标值之间的差值，根据该差值是否在预设范围内来对制氢装置进行不同的控制；其中，当该差值不在该预设范围内，则控制控制制氢装置以预设输出电流(如制氢机最大输出电流)电解水产生氢气，以让密闭空间内氢气的浓度快速达到预设目标值附近；而当该差值在该预设范围内时，则证明此时密闭空间内氢气的浓度已经达到预设目标值附近，此时再通过反馈延时算法确定用于控制制氢装置工作的电压控制量，根据该电压控制量控制制氢装置的输出电流，从而能够对密闭空间内的氢气浓度进行精准且稳定的调节。
本发明通过检测密闭空间检测氢气浓度，并转化为电信号对制氢装置生成气体量进行调控，该过程中无需存放氢气管，具有安全、节能、节省空间的优点，只需用户定期加水即可满足使用需求，有利于向多种需要细小密闭空间的领域推广应用，更加符合环保及市场的要求，对占领密封空间氢气使用市场意义重大。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明密闭空间氢气浓度监测及自动调节方法的流程图；
图2为本发明密闭空间氢气浓度监测及自动调节装置的结构框图；
图3为本发明密闭空间氢气浓度监测及自动调节系统的结构示意图。
图中：1、制氢装置；2、氢气浓度检测装置；3、密闭空间氢气浓度监测及自动调节装置；51、第一风机；52、第二风机；6、报警器；7、排气装置；8、触控面板。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
参加图1，本发明提供了一种密闭空间氢气浓度监测及自动调节方法，包括以下步骤：
步骤1，实时获取所检测到的密闭空间中的氢气浓度；
步骤2，实时计算所检测到的氢气浓度与预设目标值之间的差值，并确定所述差值是否在预设范围内，是则进入步骤3，否则控制制氢装置以预设输出电流电解水产生氢气补充到密闭空间中；
步骤3，根据差值，通过延时反馈算法确定用于控制制氢装置工作的电压控制量；
步骤4，根据所确定的电压控制量计算制氢装置的理论输出电流，然后控制制氢装置以理论输出电流作为输出电流电解水产生氢气补充到密闭空间中。
对应的，参见图2，本发明还提供了一种本发明还提供了一种密闭空间氢气浓度监测及自动调节装置，包括
氢气浓度获取模块，用于实时获取所检测到的密闭空间中的氢气浓度；
判断模块，用于实时计算所检测到的氢气浓度与预设目标值之间的差值，并确定差值是否在预设范围内，是则通过控制量计算模块计算电压控制量，否则控制制氢装置以预设输出电流电解水产生氢气补充到密闭空间中；
控制量计算模块，用于根据差值，通过延时反馈算法确定用于控制制氢装置工作的电压控制量；
调节模块，用于根据所确定的电压控制量计算制氢装置的理论输出电流，还用于控制制氢装置以理论输出电流作为输出电流电解水产生氢气补充到密闭空间中。
其中，密闭空间氢气浓度监测及自动调节方法是以密闭空间氢气浓度监测及自动调节系统作为步骤的执行对象。具体的，步骤1是以氢气浓度获取模块作为步骤的执行对象，步骤2是以判断模块作为步骤的执行对象；步骤3是以控制量计算模块作为步骤的执行对象，步骤4是以调节模块作为步骤的执行对象。
步骤1中，参见图3，可通过氢气浓度检测装置2实时对密闭空间内的氢气浓度进行检测，以判断密闭空间内的氢气浓度是否达到预设目标值附近。
步骤2中，实时计算所检测到的氢气浓度与预设目标值之间的差值，以确定密闭空间内的氢气浓度是否达到预设目标值附近；具体的，当所计算出的差值在预设范围内，则证明此时密闭空间内的氢气浓度已经达到预设目标值附近，此时需要利用反馈延时算法对制氢装置所产生的氢气进行精准控制；而当所计算出的差值不在预设范围内，则证明此时密闭空间内的氢气浓度还远未达到预设目标值附近，此时可以制氢装置的最大输出电流电解水产生氢气，以让密闭空间内的浓度快速达到预设目标值附近。
本发明实施例中，当密闭空间内的氢气浓度未达到预设目标值附近时，并不需要考虑制氢装置快速电解水产生氢气对于密闭空间内氢气浓度的影响；而当密闭空间内的氢气浓度达到预设目标值附近时，则需要对制氢装置快速电解水产生的氢气量进行精准调节，以避免此时所充入到密闭空间的氢气对此时密闭空间内的氢气浓度稳定性产生过大影响，从而引发安全事故。
步骤3中，当检测到密闭空间内的氢气浓度达到预设目标值附近时，即氢气浓度与预设目标值之间的差值位于预设范围内时，则通过延时反馈算法确定用于控制制氢装置工作的电压控制量。
具体的，延时反馈算法为PID自整定算法，其中步骤3具体包括：
将差值输入至预设的PID控制算法，以计算出用于控制制氢装置工作的电压控制量。
其中，优选的，PID自整定算法为比例积分控制算法，其公式为：
p(t)＝kP(e(t)+kI∫e(t)dt)
其中，p(t)为电压控制量，kP为比例参数，kI为积分参数；e(t)为实测氢气浓度与预设目标值之间的差值。
相对应的，密闭空间氢气浓度监测及自动调节中，控制量计算模块中，延时反馈算法为PID自整定算法，其公式为：
p(t)＝kP(e(t)+kI∫e(t)dt)
其中，p(t)为电压控制量，kP为比例参数，kI为积分参数；e(t)为实测氢气浓度与预设目标值之间的差值。
本发明实施例中，比例积分控制算法，是在比例控制的基础上，加上积分控制作用，从而构成比例积分控制规律PI，能够消除余差，从而保证氢气的控制质量。
本发明实施例中P＝0.5，I＝0.3。经过实践，该设置能够稳定、精准自动控制制氢量。
进一步的，本发明密闭空间氢气浓度监测及自动调节方法还包括：
步骤5，实时检测制氢装置的实际输出电流，并计算实际输出电流和理论输出电流之间的电流差值，然后根据电流差值和理论输出电流重新调整制氢装置的输出电流电解水产生氢气。
对应的，本发明密闭空间氢气浓度监测及自动调节系统还包括
反馈模块，用于实时检测制氢装置的实际输出电流，并计算实际输出电流和理论输出电流之间的电流差值，然后根据电流差值和理论输出电流重新调整制氢装置的输出电流电解水产生氢气。
同样的，步骤5是以反馈模块作为步骤的执行对象。
步骤5中，由于系统会存在误差，因此假设根据理论输出电流所计算出的制氢装置所应该产生的氢气量为Q1，然而由于系统误差的原因导致制氢装置以理论输出电流工作时所输出的氢气量Q2比理论氢气量Q1要小，从而导致密闭空间内的氢气浓度稳定性不佳。因此在监测及调节密闭空间内氢气浓度过程中，还需要实时检测制氢装置的实际输出电流，并与所计算出的理论输出电流进行对比，从而判断是否存在系统误差。
具体的，若实际输出电流与所计算出的理论输出电流不等同，则证明存在系统误差，因此此时需要计算实际输出电流和理论输出电流之间的电流差值，并根据该差值和理论输出电流重新调整制氢装置的实际输出电流，从而避免系统误差，以保证密闭空间内氢气浓度的稳定性。
另一方面，参阅图3，本发明实施例还提供了一种密闭空间氢气浓度监测及自动调节系统，包括制氢装置1、氢气浓度检测装置2和上述实施例方案提及的密闭空间氢气浓度监测及自动调节装置3，氢气浓度检测装置2的进气口通过第一管道和密闭空间的第一开口相连接，氢气浓度检测装置2的出气口通过第二管道和密闭空间的第二开口相连接，制氢装置1的出氢口通过第三管道和密闭空间的第三开口相连接；密闭空间氢气浓度监测及自动调节装置3根据氢气浓度检测装置2所检测到的氢气浓度控制制氢装置1电解水产生氢气。
双风机对流设置有利于促进室内的气体分散均匀，使得取样具有代表性，更准确反映密闭空间的气体组成。优选地，还包括第一循环风机51和第二循环风机52，第一循环风机51位于密闭空间的上方，第二循环风机52位于密闭空间的下方，第一循环风机51和第二循环风机52相向安置。
优选地，还包括报警器6和排气装置7，排气装置7的进气口通过第四管道和密闭空间的第四开口相连接，排气装置7的出气口外接外界大气；报警器用于当密闭空间氢气浓度监测及自动调节系统出现异常时做出响应。
本发明是通过优选实施例进行描述的，本领域技术人员知悉，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，其他落入本申请的权利要求内的实施例都属于本发明保护的范围。
Claims (10)
1.一种密闭空间氢气浓度监测及自动调节方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，实时获取所检测到的密闭空间中的氢气浓度；
步骤2，实时计算所检测到的氢气浓度与预设目标值之间的差值，并确定所述差值是否在预设范围内，是则进入步骤3，否则控制制氢装置以预设输出电流电解水产生氢气补充到密闭空间中；
步骤3，根据所述差值，通过延时反馈算法确定用于控制制氢装置工作的电压控制量；
步骤4，根据所确定的电压控制量计算制氢装置的理论输出电流，然后控制制氢装置以所述理论输出电流作为输出电流电解水产生氢气补充到密闭空间中。
2.如权利要求1所述密闭空间氢气浓度监测及自动调节方法，其特征在于，还包括：
步骤5，实时检测制氢装置的实际输出电流，并计算实际输出电流和理论输出电流之间的电流差值，然后根据所述电流差值和所述理论输出电流重新调整制氢装置的输出电流电解水产生氢气。
3.如权利要求1所述密闭空间氢气浓度监测及自动调节方法，其特征在于，所述延时反馈算法为PID自整定算法，其中步骤3具体包括：
将所述差值输入至预设的PID控制算法，以计算出用于控制制氢装置工作的电压控制量。
4.如权利要求3所述密闭空间氢气浓度监测及自动调节方法，其特征在于，所述PID自整定算法为比例积分控制算法，其公式为：
p(t)＝kP(e(t)+kI∫e(t)dt)
其中，p(t)为电压控制量，kP为比例参数，kI为积分参数；e(t)为实测氢气浓度与预设目标值之间的差值。
5.一种密闭空间氢气浓度监测及自动调节装置，其特征在于，包括
氢气浓度获取模块，用于实时获取所检测到的密闭空间中的氢气浓度；
判断模块，用于实时计算所检测到的氢气浓度与预设目标值之间的差值，并确定所述差值是否在预设范围内，是则通过控制量计算模块计算电压控制量，否则控制制氢装置以预设输出电流电解水产生氢气补充到密闭空间中；
控制量计算模块，用于根据所述差值，通过延时反馈算法确定用于控制制氢装置工作的电压控制量；
调节模块，用于根据所确定的电压控制量计算制氢装置的理论输出电流，还用于控制制氢装置以所述理论输出电流作为输出电流电解水产生氢气补充到密闭空间中。
6.如权利要求5所述密闭空间氢气浓度监测及自动调节装置，其特征在于，还包括
反馈模块，用于实时检测制氢装置的实际输出电流，并计算实际输出电流和理论输出电流之间的电流差值，然后根据所述电流差值和所述理论输出电流重新调整制氢装置的输出电流电解水产生氢气。
7.如权利要求5所述密闭空间氢气浓度监测及自动调节装置，其特征在于，控制量计算模块中，所述延时反馈算法为PID自整定算法，其公式为：
p(t)＝kP(e(t)+kI∫e(t)dt)
其中，p(t)为电压控制量，kP为比例参数，kI为积分参数；e(t)为实测氢气浓度与预设目标值之间的差值。
8.一种密闭空间氢气浓度监测及自动调节系统，其特征在于，包括制氢装置(1)、氢气浓度检测装置(2)和如权利要求5-7任一所述的密闭空间氢气浓度监测及自动调节装置，所述氢气浓度检测装置(2)的进气口通过第一管道和密闭空间的第一开口相连接，所述氢气浓度检测装置(2)的出气口通过第二管道和密闭空间的第二开口相连接，所述制氢装置(1)的出氢口通过第三管道和密闭空间的第三开口相连接；所述密闭空间氢气浓度监测及自动调节装置根据氢气浓度检测装置(2)所检测到的氢气浓度控制制氢装置(1)电解水产生氢气。
9.如权利要求8所述密闭空间氢气浓度监测及自动调节系统，其特征在于，还包括第一循环风机(51)和第二循环风机(52)；
所述第一循环风机(51)位于所述密闭空间的上方，所述第二循环风机(52)位于所述密闭空间的下方，所述第一循环风机(51)和所述第二循环风机(52)相向安置。
10.如权利要求8所述密闭空间氢气浓度监测及自动调节系统，其特征在于，还包括报警器(6)和排气装置(7)；
所述排气装置(7)的进气口通过第四管道和密闭空间的第四开口相连接，所述排气装置(7)的出气口外接外界大气；所述报警器用于当密闭空间氢气浓度监测及自动调节系统出现异常时做出响应。
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