Reka Bentuk Sistem Kawalan Untuk Penjana Oksigen Penjerapan Ayunan Tekanan Mudah Alih

Reka bentuk sistem kawalan untuk penjana oksigen penjerapan ayunan tekanan mudah alih
 

 

Oksigen adalah elemen asas untuk mengekalkan aktiviti kehidupan manusia dan memainkan peranan penting dalam pelbagai rawatan perubatan dan penyelamatan kecemasan. Peralatan pengeluaran oksigen adalah peralatan sokongan perubatan yang penting. Kaedah pengeluaran oksigen tekanan ayunan penjerapan (PSA) telah digunakan secara meluas dalam peralatan pengeluaran oksigen bersaiz kecil dan sederhana kerana kelebihan penggunaan tenaga yang rendah, tiada pencemaran, dan pelaburan yang rendah. Prinsip kerja kaedah penjerapan ayunan tekanan ialah: melalui perbezaan ciri-ciri penjerapan penapis molekul kepada oksigen dan nitrogen, nitrogen diserap di bawah keadaan bertekanan untuk memisahkan oksigen; di bawah keadaan tekanan yang dikurangkan, nitrogen dinyahserap untuk memulihkan prestasi penjerapan penapis molekul untuk mencapai pemisahan oksigen dan nitrogen. Kebanyakan peralatan pengeluaran oksigen penjerapan ayunan tekanan semasa bersaiz besar dan berat, yang tidak dapat memenuhi keperluan mudah alih di lapangan atau pada kenderaan. Penjana oksigen penjerapan ayunan tekanan mudah alih merujuk kepada peralatan pengeluaran oksigen yang boleh dibawa ringan, mempunyai bekalan kuasa sendiri dan ringan. Walau bagaimanapun, terdapat sedikit penyelidikan dalam bidang ini di China, dan sistem kawalan sedia ada umumnya bersaiz besar, rendah dalam automasi dan lemah dalam kestabilan. Dalam kajian ini, digabungkan dengan proses pengeluaran oksigen penjerapan ayunan tekanan, sistem kawalan yang sesuai untuk penjana oksigen penjerapan ayunan tekanan mudah alih telah direka bentuk dan dibangunkan untuk menyediakan sokongan teknikal untuk penyelidikan lanjut dan aplikasi penjana oksigen mudah alih.

Proses pengeluaran oksigen penjerapan ayunan tekanan

Untuk membangunkan penjana oksigen penjerapan ayunan tekanan mudah alih, kajian ini menggabungkan prinsip pengeluaran oksigen penjerapan ayunan tekanan dan mula-mula menentukan aliran proses asas pengeluaran oksigen, seperti yang ditunjukkan dalam rajah. Untuk mengurangkan isipadu dan berat penjana oksigen mudah alih, eksperimen ini menggunakan proses pengeluaran oksigen dua menara. Proses pengeluaran oksigen dua menara digunakan secara meluas dalam peralatan pengeluaran oksigen kecil kerana strukturnya yang mudah, penyelenggaraan yang mudah, dan kos yang rendah. Dengan bergilir-gilir operasi dua menara penjerapan, pengeluaran oksigen yang berterusan dan stabil boleh dicapai, sambil mengurangkan volum dan jisim peralatan dengan berkesan. Untuk meningkatkan hasil oksigen dan mengurangkan penggunaan tenaga, eksperimen ini mereka bentuk dan menerima pakai proses dengan proses penyamaan. Proses penyamaan meningkatkan lagi kecekapan pengeluaran oksigen dan mengurangkan penggunaan tenaga sistem dengan mengoptimumkan perbezaan tekanan. Gabungan proses ini bukan sahaja meningkatkan prestasi penjana oksigen penjerapan ayunan tekanan mudah alih, tetapi juga berkesan mengawal penggunaan tenaga dan isipadu peralatan sambil memastikan ketulenan oksigen.



Reka bentuk litar pemacu beban
Beban kerja utama penumpu oksigen PSA mudah alih termasuk pemampat udara dan injap solenoid. Dengan menggunakan injap solenoid gabungan, isipadu dan berat penumpu oksigen boleh dikurangkan dengan berkesan sambil meningkatkan kestabilan sistem. Walau bagaimanapun, oleh kerana voltan kendalian pemampat udara dan injap solenoid ialah DC 12V, manakala voltan pengendalian mikropengawal ialah DC 3.3V, sukar untuk memacu beban ini secara langsung. Oleh itu, output isyarat oleh mikropengawal disongsangkan oleh penyongsang 74LVC04 dan dikuatkan oleh tiub ULN2003 Darlington untuk memacu operasi pemampat udara dan injap solenoid.
ULN2003 ialah susunan transistor komposit berprestasi tinggi dengan suhu tinggi yang baik dan rintangan tekanan tinggi serta kapasiti beban yang kuat. Ia menyepadukan diod roda bebas dan boleh terus memacu beban arus tinggi termasuk geganti. Skema litar pemanduan pemampat udara dan injap solenoid ditunjukkan dalam rajah.



Reka bentuk litar pemacu pemampat udara
Pemampat udara ialah komponen kuasa teras penjana oksigen penjerapan ayunan tekanan mudah alih (PSA). Ia memisahkan oksigen dengan menyedut udara ambien dan menekannya untuk menghantarnya ke menara penjerapan, yang merupakan pautan utama dalam proses pengeluaran oksigen. Untuk memenuhi keperluan prestasi peralatan mudah alih yang cekap dan stabil, sistem ini menggunakan pemampat DC tanpa berus mikro Thomas, yang mempunyai kelebihan operasi yang lancar, aliran besar, getaran rendah, bunyi yang rendah dan penggunaan tenaga yang rendah, dan sangat sesuai untuk senario aplikasi penjana oksigen.
Motor DC tanpa berus memerlukan litar pemacu khusus untuk melengkapkan pertukaran elektronik untuk memastikan operasi normalnya. Oleh itu, satu set litar pemacu motor berdasarkan cip kawalan JY01 direka bentuk. Prinsipnya ditunjukkan dalam rajah. Melalui reka bentuk litar yang dioptimumkan, kelajuan operasi dan kestabilan pemampat udara boleh dikawal dengan tepat.
Reka Bentuk dan Prinsip Litar
JY01 ialah cip kawalan yang digunakan khas untuk motor DC tanpa berus, dengan fungsi utama berikut:
Peraturan linear kelajuan: untuk mencapai kawalan kelajuan motor yang tepat;
Mekanisme perlindungan berbilang: termasuk perlindungan arus lebih, perlindungan undervoltage dan perlindungan litar pintas untuk memastikan operasi litar yang selamat;
Output modulasi lebar nadi sinusoidal (SPWM): untuk meningkatkan kecekapan pemanduan dan mengurangkan getaran dan bunyi motor.
Litar pemanduan adalah berdasarkan JY01, dan isyarat kedudukan rotor (Ha, Hb, Hc) diperoleh melalui sensor Hall, dan cip menjana isyarat pemanduan yang sepadan. Output isyarat SPWM oleh JY01 mengawal modul pemanduan IR2021, dengan itu memacu transistor kesan medan (FET) lengan jambatan atas dan bawah. Isyarat pemanduan dibahagikan kepada isyarat kawalan lengan atas dan bawah: isyarat lengan atas MA, MB, dan MC masing-masing diwakili oleh AT, BT, dan CT, dan isyarat lengan bawah diwakili oleh AB, BB dan CB.

Kesimpulannya
Selaras dengan mekanisme pengeluaran oksigen pemisahan membran, penyelidikan ini merangka sistem kawalan penjana oksigen pemisahan membran padat yang mengambil mikrokomputer cip tunggal STM32F407 sebagai unit kawalan pusat, sambil turut merumuskan litar kawalan persisian yang sepadan dan algoritma kawalan. Keseluruhan persediaan kawalan mempamerkan kebaikan untuk menjadi mesra pengguna, mudah dikendalikan, sangat stabil dan sangat boleh dipercayai, bersama-sama dengan keupayaan interaksi manusia-mesin yang sangat baik. Prototaip penjana oksigen yang dibangunkan di bawah rejim kawalan ini adalah bersaiz kecil dan mempunyai berat yang sangat ringan. Apabila kadar keluaran oksigen mencecah 0.8 L/min, ketulenan oksigen boleh mencapai setinggi 93.2%, memenuhi tanda aras reka bentuk pratetap. Memandang ke hadapan, terdapat rancangan untuk meneroka peraturan pintar proses pengeluaran oksigen. Dengan melaraskan parameter dengan tepat seperti kelajuan pam, masa resapan dan tekanan membran, kadar keluaran oksigen dan ketulenan penjana oksigen boleh ditala secara automatik mengikut perubahan suhu ambien dan dikekalkan pada tahap yang agak malar.