RU2465513C1

RU2465513C1 - Device for forced gas exchange in sealed container

Info

Publication number: RU2465513C1
Application number: RU2011115955/06A
Authority: RU
Inventors: Николай Владимирович Пискунов (RU); Николай Владимирович Пискунов; Василий Николаевич Козлов (RU); Василий Николаевич Козлов; Виктор Николаевич Стефанов (RU); Виктор Николаевич Стефанов; Павел Алексеевич Прохоров (RU); Павел Алексеевич Прохоров; Сергей Александрович Иошкин (RU); Сергей Александрович Иошкин; Татьяна Рудольфовна Пискунова (RU); Татьяна Рудольфовна Пискунова
Original assignee: Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом"
Priority date: 2011-04-21
Filing date: 2011-04-21
Publication date: 2012-10-27

Abstract

FIELD: machine building.

SUBSTANCE: device includes control unit formed as per the pre-set algorithm built using logic communication of electric parameters of automated system components, which comprises electric power supply, analogue-to-digital converter of information and power control signals in the form of interface conversion unit, sensors recording the parameters of automated system, switching devices of information and power control signals in the form of interface input-output unit, which are electrically connected to digital electronic computing device and connected to electric drive of adjustable actuating device; actuating device proper and electric drive of adjustable actuating device, and pneumatic line connecting the actuating mechanism to sealed container. As actuating device there used is electric pneumatic valve connected immediately to one of two outlets of sealed container and connected to pneumatic line with additional filter and micro pump at the outlet of pneumatic line, which are interconnected with environment. Oxygen sensor, as well as microprocessor, are installed immediately at the second outlet of sealed container. Oxygen sensor, micro pump, microprocessor and electric pneumatic valve have direct and return electric communications to the control unit via control and power supply chains. The algorithm, as per which the control unit is formed, is built based on logic connection of initial readings and results of current measurements of oxygen concentration from time period during which allowable oxygen consumption will occur in sealed container.

EFFECT: simpler device design and minimisation of dimension and weight characteristics.

1 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к средствам принудительного газообмена в герметичных контейнерах и может быть использовано для автоматического регулирования процесса принудительной вентиляции в герметичных контейнерах.The present invention relates to means of forced gas exchange in sealed containers and can be used to automatically control the forced ventilation process in sealed containers.

Известно устройство автоматизированной системы управления степенью герметичности защитной оболочки на судах (патент РФ №02151383, МПК G01M 3/00, публ. 20.06.2000 г.), содержащее блок управления, сформированный по заранее заданному алгоритму, построенному на логической связи электрических параметров элементов автоматизированной системы, который включает источник электропитания, аналого-цифровой преобразователь информационных и силовых управляющих сигналов, датчики, регистрирующие параметры автоматизированной системы, средства коммутации информационных и силовых управляющих сигналов, электрически связанные с цифровым электронно-вычислительным устройством и подключенные к электроприводам регулируемых рабочих органов исполнительных устройств, составляющие систему исполнительных механизмов, собственно исполнительные устройства и электроприводы регулируемых рабочих органов группы исполнительных устройств, пневмомагистрали, соединяющие датчики с исполнительными механизмами и с объектом регулирования.A device is known for an automated control system for the degree of tightness of a containment on ships (RF patent No. 02151383, IPC G01M 3/00, publ. 06/20/2000), containing a control unit formed by a predetermined algorithm based on a logical connection of the electrical parameters of the automated system, which includes a power source, an analog-to-digital converter of information and power control signals, sensors that record the parameters of an automated system, means of switching information control and power control signals, electrically connected to a digital electronic computing device and connected to electric drives of adjustable working bodies of executive devices, constituting a system of actuating mechanisms, actual actuating devices and electric drives of adjustable working bodies of a group of actuating devices, pneumatic lines connecting sensors to actuating mechanisms and with subject of regulation.

Недостатком известного устройства является отсутствие возможности регулирования принудительного газообмена в герметичном контейнере, в котором происходит каталитическое окисление водорода кислородом воздуха.A disadvantage of the known device is the inability to control forced gas exchange in an airtight container in which catalytic oxidation of hydrogen by atmospheric oxygen occurs.

Задачей предлагаемого изобретения является разработка простого устройства для автоматического регулирования принудительного газообмена в герметичном контейнере, в котором происходит каталитическое окисление водорода кислородом воздуха.The objective of the invention is to develop a simple device for automatically controlling forced gas exchange in an airtight container, in which the catalytic oxidation of hydrogen by atmospheric oxygen occurs.

Новый технический результат, обеспечиваемый при использовании предлагаемого устройства для принудительного газообмена в герметичном контейнере, заключается в упрощении устройства и минимизации габаритно-массовых характеристик, в обеспечении возможности управления газообмена его с внешней средой путем принудительной вентиляции герметичного контейнера, в котором происходит каталитическое окисление водорода кислородом воздуха, обеспечения регулируемого притока кислорода из воздуха в указанный контейнер с размещенными в нем источниками водорода и других газов, доступ к которому ограничен, в обеспечении восстановления работоспособности катализатора.A new technical result provided by using the proposed device for forced gas exchange in an airtight container is to simplify the device and minimize overall mass characteristics, to provide the possibility of controlling gas exchange with the environment by forced ventilation of the airtight container, in which the catalytic oxidation of hydrogen by atmospheric oxygen , ensuring a regulated flow of oxygen from the air into the specified container with a source located in it ikami hydrogen and other gases, access to which is limited to ensure restoration of the catalyst efficiency.

Указанные задача и технические результаты обеспечиваются тем, что устройство для принудительного газообмена в герметичном контейнере, содержащее блок управления, сформированный по заранее заданному алгоритму, построенному на логической связи электрических параметров элементов автоматизированной системы, который включает источник электропитания, аналого-цифровой преобразователь информационных и силовых управляющих сигналов в виде блока преобразования интерфейсов, датчики, регистрирующие параметры автоматизированной системы, средства коммутации информационных и силовых управляющих сигналов в виде блока ввода-вывода интерфейсов, электрически связанные с цифровым электронно-вычислительным устройством и подключенные к электроприводу регулируемого исполнительного устройства, собственно исполнительное устройство и электропривод регулируемого исполнительного устройства, пневмомагистраль, соединяющую исполнительный механизм с герметичным контейнером, согласно изобретению в качестве исполнительного устройства содержит электропневмоклапан, подключенный непосредственно к одному из двух выходов герметичного контейнера и связанных пневмомагистралью с дополнительно установленными фильтром и микронасосом на выходе из пневмомагистрали, сообщающимися с внешней средой, датчик кислорода и дополнительно микрокомпрессор установлены непосредственно на втором выходе герметичного контейнера, датчик кислорода, микронасос, микрокомпрессор и электропневмоклапан имеют прямые и обратные электрические связи с блоком управления по цепям управления и питания для управления изменением положения рабочего органа электропневмоклапана, алгоритм, по которому сформирован блок управления, построен на логической связи (линейной, полиноминальной, экспоненциальной) исходных показаний и результатов текущих измерений концентрации кислорода от промежутка времени, за который произойдет допустимый расход кислорода в герметичном контейнере.The indicated task and technical results are ensured by the fact that the device for forced gas exchange in an airtight container, containing a control unit formed according to a predetermined algorithm built on the logical connection of the electrical parameters of the elements of the automated system, which includes a power source, an analog-to-digital converter of information and power control signals in the form of an interface conversion unit, sensors recording parameters of an automated system, cf for switching information and power control signals in the form of an input / output interface unit, electrically connected to a digital electronic computing device and connected to an electric actuator of an adjustable actuating device, an actual actuating device and an electric actuator of an adjustable actuating device, a pneumatic line connecting the actuator to a sealed container, according to the invention as an actuator contains an electro-pneumatic valve connected not directly to one of the two exits of the airtight container and connected by a pneumatic line with an additional filter and a micropump at the outlet of the pneumatic line in communication with the external environment, an oxygen sensor and an additional microcompressor are installed directly on the second output of the sealed container, the oxygen sensor, a micropump, a microcompressor and an electric pneumatic valve have direct and electrical feedback with the control unit for control and power circuits for controlling the change in working position of its electric pneumatic valve body, the algorithm by which the control unit is formed is built on the logical connection (linear, polynomial, exponential) of the initial readings and the results of current measurements of oxygen concentration from the time period during which the allowable oxygen flow in the sealed container will occur.

Предлагаемое устройство поясняется следующим образом.The proposed device is illustrated as follows.

На фиг.1 представлен общий вид устройства для принудительного газообмена в герметичном контейнере (1), где 2 - датчик кислорода, 3 - микрокомпрессор, 4 - блок управления, содержащий: 5 - источник электропитания, 6 - блок ввода-вывода интерфейсов, 7 - блок преобразования интерфейсов; 8 - микронасос, 9 - пневмомагистраль, 10 - фильтр, 11 - электропневмоклапан.Figure 1 shows a General view of the device for forced gas exchange in an airtight container (1), where 2 is an oxygen sensor, 3 is a microcompressor, 4 is a control unit, comprising: 5 - power supply, 6 - input / output unit for interfaces, 7 - interface conversion unit; 8 - micropump, 9 - pneumatic line, 10 - filter, 11 - electro-pneumatic valve.

Предлагаемое устройство предусмотрено для принудительного газообмена в герметичном контейнере, в котором имеется источник водорода и происходит каталитическое окисление водорода, поступающего из этого источника, кислородом воздуха.The proposed device is provided for forced gas exchange in an airtight container in which there is a source of hydrogen and the catalytic oxidation of hydrogen coming from this source occurs with atmospheric oxygen.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.The proposed device operates as follows.

В начальный момент через блок управления автоматизированной системы производится опрос показаний датчика кислорода 2 на содержание кислорода в герметичном контейнере 1, который будет проводиться в режиме текущего времени. Датчик кислорода 2 задействуется от источника электропитания 5. При достижении критического значения концентрации кислорода подается управляющий сигнал из блока управления 4 на открытие электропневмоклапана 11 в пневмомагистрали 9, соединяющей герметичный контейнер 1 с фильтром 10. Затем включаются микрокомпрессор 3 и микронасос 8, в результате чего осуществляется принудительный газообмен герметичного контейнера с внешней средой.At the initial moment, through the control unit of the automated system, the oxygen sensor 2 reads the oxygen content in the sealed container 1, which will be carried out in the current time mode. The oxygen sensor 2 is activated from the power source 5. When a critical oxygen concentration is reached, a control signal is supplied from the control unit 4 to open the electro-pneumatic valve 11 in the pneumatic line 9, connecting the sealed container 1 to the filter 10. Then, the micro-compressor 3 and the micropump 8 are turned on, as a result of which forced gas exchange of a sealed container with the environment.

Блок управления сформирован по заранее заданному алгоритму, построенному на логической связи электрических параметров элементов автоматизированной системы, а именно на связи (линейной, полиноминальной, экспоненциальной) исходных показаний, заложенных в алгоритм, с последующим определением путем интерполяции с помощью указанных зависимостей результатов текущих измерений концентрации кислорода от промежутка времени, за который произойдет допустимый расход кислорода в герметичном контейнере. При достижении крайних заданных значений расхода кислорода производится передача сформированного управляющего сигнала по интерфейсу на соответствующее открытие электроприводом электропневмоклапана в пневмомагистрали с фильтром для запуска кислорода из воздуха внешней среды в герметичный контейнер, компенсирующего расход кислорода, или закрытие электропневмоклапана в пневмомагистрали с фильтром по завершении процесса. Результаты этих измерений фиксируются в памяти блока управления, затем преобразуются в сигнал управления и передаются по интерфейсу на электропривод исполнительного устройства (электропривод электропневмоклапана) с возможностью доведения величины концентрации кислорода в герметичном контейнере до уровня номинальной (допустимой). Особенность блока управления в предлагаемом устройстве заключается в том, что входящие в него составные части (блок питания, блок ввода-выввода интерфейсов и блок преобразования интерфейсов) выполнены в виде единого блока, что значительно минимизирует его габаритно-массовые характеристики.The control unit is formed according to a predetermined algorithm built on the logical connection of the electrical parameters of the elements of the automated system, namely, on the connection (linear, polynomial, exponential) of the initial readings embedded in the algorithm, with subsequent determination by interpolation using the indicated dependences of the results of current measurements of oxygen concentration from the period of time during which the allowable flow of oxygen in an airtight container will occur. Upon reaching the specified oxygen consumption, the generated control signal is transmitted via the interface to the appropriate opening of the electric pneumatic valve in the pneumatic main with a filter to start oxygen from the ambient air into an airtight container that compensates for oxygen consumption, or closing the electric pneumatic valve in the pneumatic main with a filter at the end of the process. The results of these measurements are recorded in the memory of the control unit, then converted into a control signal and transmitted via the interface to the actuator electric actuator (electropneumatic valve electric actuator) with the possibility of bringing the oxygen concentration in the sealed container to the nominal (permissible) level. A feature of the control unit in the proposed device is that its constituent parts (power supply unit, input / output interface unit and interface conversion unit) are made in the form of a single unit, which significantly minimizes its overall mass characteristics.

Номинальным (допустимым) значением показания датчика кислорода является значение Сo₂=20,9 об.%; что соответствует содержанию кислорода в атмосфере воздуха.The nominal (permissible) value of the oxygen sensor reading is Co ₂ = 20.9 vol.%; which corresponds to the oxygen content in the atmosphere.

Критическим (конечным) значением концентрации кислорода является значение Сo₂=10,0 об.%; что является недопустимым для герметичного контейнера, в котором происходит каталитическое окисление водорода кислородом воздуха. Сигналы, соответствующие номинальным и критическим значениям концентраций кислорода, закладываются в блок памяти в составе блока 4 и поступают в блок 6.The critical (final) value of the oxygen concentration is the value of Co ₂ = 10.0 vol.%; which is unacceptable for a sealed container in which the catalytic oxidation of hydrogen by atmospheric oxygen occurs. The signals corresponding to the nominal and critical values of oxygen concentrations are laid in the memory unit as part of block 4 and enter block 6.

Соответствующие этим значениям концентраций кислорода электрические сигналы (аналоговые сигналы) датчика кислорода поступают в блок ввода-вывода интерфейсов 6 и преобразуются в цифровой сигнал аналого-цифровым преобразователем из состава блока 4. Эти значения закладываются в блок памяти в составе блока 4 и поступают в блок 7, где преобразуются в вид, необходимый для передачи по последовательной или параллельной линии внешним потребителям (ПК или оператору автоматизированной системы). Периодичность опроса текущих показаний датчика кислорода определяется в блоке управления 4 на основе построения графических зависимостей, например линейных или иных, выявленных в процессе наблюдений за изменением текущих значений концентраций кислорода, аппроксимирующих и интерполирующих зависимостей, соединяющих точки, соответствующие исходным, текущим и критическим значениям концентраций кислорода.The electrical signals (analog signals) of the oxygen sensor corresponding to these oxygen concentration values are supplied to the input / output unit of interfaces 6 and converted into a digital signal by an analog-to-digital converter from unit 4. These values are stored in the memory unit as part of unit 4 and supplied to unit 7 , where they are converted into the form necessary for transmission via a serial or parallel line to external consumers (PC or an operator of an automated system). The frequency of the survey of the current readings of the oxygen sensor is determined in the control unit 4 based on the construction of graphical dependencies, for example, linear or other, detected during the observation of changes in the current values of oxygen concentrations, approximating and interpolating dependencies connecting the points corresponding to the initial, current and critical values of oxygen concentrations .

Последующие изменения показаний датчика кислорода (С_{текущее}) в режиме текущего времени (с учетом истечения водорода из источников водорода и расхода кислорода на каталитическое окисление водорода в герметичном контейнере) будут приближаться к критическому значению.Subsequent changes in the readings of the oxygen sensor (C _current ) in the current time mode (taking into account the outflow of hydrogen from hydrogen sources and the oxygen consumption for catalytic oxidation of hydrogen in an airtight container) will approach a critical value.

Процесс измерения и передачи текущих сигналов будет производиться аналогично измерению исходных значений концентраций кислорода.The process of measuring and transmitting current signals will be carried out similarly to measuring the initial values of oxygen concentrations.

Все измеренные сигналы будут заложены в блок памяти в составе блока 4.All measured signals will be stored in the memory block as part of block 4.

Количество текущих измерений концентраций кислорода в период времени между исходными (номинальными) и конечными (критическими) значениями составляет 3-5 точек, что ограничено емкостью источников питания 5 при длительной эксплуатации предлагаемой системы.The number of current measurements of oxygen concentrations in the period between the initial (nominal) and final (critical) values is 3-5 points, which is limited by the capacity of power sources 5 during long-term operation of the proposed system.

В блоке управления 4 при достижении текущих значений концентраций кислорода, равных номинальному значению, формируется сигнал управления на выключение микрокомпрессора и микронасоса, закрытие электропневмоклапана в пневмомагистрали, соединяющей герметичный контейнер с фильтром 10.In the control unit 4, upon reaching the current oxygen concentration values equal to the nominal value, a control signal is generated to turn off the microcompressor and micropump, closing the electro-pneumatic valve in the pneumatic line connecting the sealed container to the filter 10.

В этот момент завершается газообмен герметичного контейнера с внешней средой. Процесс принудительной вентиляции герметичного контейнера может повторяться неоднократно за период времени эксплуатации.At this point, the gas exchange of the sealed container with the external environment is completed. The process of forced ventilation of a sealed container can be repeated several times during the period of operation.

Предлагаемое устройство предназначено для управления быстротекущих принудительных газообменных процессов.The proposed device is designed to control high-speed forced gas exchange processes.

Таким образом, предлагаемое устройство обеспечивает надежное и гибкое регулирование принудительного газообмена в герметичном контейнере, в котором происходит каталитическое окисление водорода кислородом воздуха, поступающего в герметичный контейнер из окружающей среды, для обеспечения регулируемого притока кислорода из воздуха в контейнер с размещенными в нем источниками водорода, доступ к которому ограничен, восстановление работоспособности катализатора на основе палладия.Thus, the proposed device provides reliable and flexible control of forced gas exchange in an airtight container, in which the catalytic oxidation of hydrogen by oxygen in the air entering the airtight container from the environment takes place to provide a controlled flow of oxygen from the air into the container with hydrogen sources placed in it, access to which is limited, the recovery of the catalyst based on palladium.

Возможность промышленной реализации предлагаемого изобретения подтверждается следующим примером.The possibility of industrial implementation of the invention is confirmed by the following example.

Пример 1. Предлагаемое устройство опробовано на действующем макете, где в качестве функциональных составляющих использованы покупные готовые изделия блоки (модуль аналогового ввода типа NL-4RTD, блок питания типа DRA18-12, блок интерфейсов типа NL-232C, электропневмоклапан типа ЭК-48, датчик кислорода типа Оксик-15, фильтр-поглотитель типа АПДС14), микронасос и микрокомпрессор типа МР2-2Г-01.Example 1. The proposed device was tested on the current layout, where the purchased components were used as functional components (analog input module type NL-4RTD, power supply unit type DRA18-12, interface unit type NL-232C, electro-pneumatic valve type EK-48, sensor oxygen type Oksik-15, filter-absorber type APDS14), a micropump and a microcompressor type MP2-2G-01.

В начальный момент времени герметичный контейнер заполнен азотом в качестве инертной среды, а содержание кислорода соответствует критическому значению, электропневмоклапан закрыт.Показания датчика 2, регистрирующего концентрацию кислорода, соответствует критическому значению. Блок управления 4 формирует сигнал на открытие электропневмоклапана 11 в пневмомагистрали 9, соединенной с фильтром 10, открывается электропневмоклапан 11. Включаются микронасос 8 и микрокомпрессор 3. В этот момент происходит принудительная вентиляция герметичного контейнера за счет газообмена с внешней средой. При этом концентрация кислорода в герметичном контейнере 1 достигает номинального значения (соответствующего его содержанию в воздухе). Это фиксируется датчиком кислорода 2. После завершения процесса газообмена блок управления 4 подает сигнал на закрытие электропневмоклапана 11 и выключение микрокомпрессора 3 и микронасоса 8. В условиях примера 1 принцип работы устройства, состоящего из традиционных блоков, ограничен только возможностью реализации процесса регулирования ситуации с изменением концентраций кислорода от критической до номинальной, тогда как предлагаемое устройство обладает большим диапазоном функционирования за счет реализации с ее помощью процесса регулирования ситуации с изменением концентраций кислорода от номинальной до критической и наоборот.At the initial time, the sealed container is filled with nitrogen as an inert medium, and the oxygen content corresponds to the critical value, the electro-pneumatic valve is closed. The readings of the sensor 2, which registers the oxygen concentration, corresponds to the critical value. The control unit 4 generates a signal to open the electro-pneumatic valve 11 in the pneumatic line 9 connected to the filter 10, the electro-pneumatic valve 11 opens. The micropump 8 and micro-compressor 3 are turned on. At this moment, the airtight container is forcedly ventilated due to gas exchange with the external environment. In this case, the oxygen concentration in the sealed container 1 reaches the nominal value (corresponding to its content in the air). This is detected by the oxygen sensor 2. After the gas exchange process is completed, the control unit 4 sends a signal to close the electro-pneumatic valve 11 and turn off the microcompressor 3 and micropump 8. In the conditions of Example 1, the principle of operation of a device consisting of traditional blocks is limited only by the possibility of implementing the process of regulating the situation with changing concentrations oxygen from critical to nominal, while the proposed device has a large range of functioning due to the implementation of the process of regulation The situation with a change in oxygen concentrations from nominal to critical and vice versa.

Claims

A device for forced gas exchange in an airtight container, containing a control unit formed by a predetermined algorithm built on the logical connection of the electrical parameters of the elements of an automated system, which includes a power supply, an analog-to-digital converter of information and power control signals in the form of an interface conversion unit, sensors, recording parameters of an automated system, means of switching information and power control signals in in the form of an input / output unit for interfaces electrically connected to a digital electronic computing device and connected to an electric actuator of an adjustable actuator, an actual actuator and an electric actuator of an adjustable actuator, a pneumatic line connecting the actuator to a sealed container, characterized in that it contains electro-pneumatic valve connected directly to one of the two outputs of the sealed container and with knitted by a pneumatic line with an additional filter and a micropump installed at the outlet of the pneumatic line in communication with the external environment, an oxygen sensor and an additional microcompressor are installed directly on the second output of the sealed container, the oxygen sensor, a micropump, a microcompressor and an electric pneumatic valve have direct and reverse electrical connections to the control unit in chains control and power for controlling the change in the position of the working body of the electro-pneumatic valve, the algorithm by which the control unit is constructed on a logical link (linear, polynomial, exponential) baseline readings and results of current measurement of the oxygen concentration from the amount of time for which the permissible oxygen consumption occurs in the sealed container.