Непрерывное регулирование положительного и отрицательного давления в устройстве для онлайн-инспекции клапанов медицинской вентиляции легких

Аннотация: Низкая степень автоматизации непрерывной калибровки положительного и отрицательного давления в существующих отечественных устройствах для онлайн-проверки дыхательных клапанов. В данной статье подробно рассматривается решение для непрерывного точного контроля положительного и отрицательного давления в процессе проверки дыхательных клапанов, а также подробно описываются различные электронные регуляторы расхода. Представлена конфигурация контроллера, позволяющая достичь полностью автоматической проверки дыхательных клапанов различных размеров в условиях непрерывного положительного и отрицательного давления.

1. Вопрос

Дыхательный клапан — это клапан, который не только обеспечивает герметичность контейнера и резервуара от атмосферы в определенном диапазоне давлений, но и «дышит» вместе с атмосферой, когда давление превышает или опускается ниже этого диапазона. Его функция заключается в предотвращении повреждения контейнеров и резервуаров из-за избыточного давления или вакуума, а также в снижении потерь жидкости из-за испарения.

В качестве важного элемента атмосферных резервуаров для хранения в нефтяной, химической и газовой промышленности, дыхательные клапаны играют жизненно важную роль в обеспечении безопасности производства и защите окружающей среды. Проверка дыхательных клапанов при ежегодном осмотре автоцистерн, перевозящих опасные грузы, также имеет важное значение. Важной частью этого является то, что к устройствам и методам онлайн-обнаружения дыхательных клапанов предъявляются более высокие требования при большом количестве людей. Различные устройства для проверки дыхательных клапанов, используемые в настоящее время, по-прежнему имеют следующие проблемы:

(1) В существующем методе манометр обычно устанавливается на месте, что позволяет измерять только герметичность и открытие клапана при положительном давлении, и невозможно определить, находится ли функция открытия клапана при отрицательном давлении в исправном состоянии. Эта операция представляет собой риск для безопасности.

(2) В целях безопасности диапазон давления дыхания и нагнетания дыхательного клапана невелик, например, от -30,0 кПа до +50 кПа, и обычным испытательным приборам сложно выполнить проверку и калибровку в условиях высокой точности.

(3) Существует множество типов дыхательных клапанов с различными калибрами, и диапазон проходного отверстия обычно составляет DN20~DN300 мм. Существующим устройствам для обнаружения и калибровки дыхательных клапанов сложно охватить такой широкий диапазон клапанов.

(4) Уровень автоматизации существующих устройств калибровки дыхательных клапанов низок, и положительное и отрицательное давление не могут контролироваться автоматически и точно. Многие устройства полагаются на человеческий опыт для регулирования давления на месте, что чревато избыточным давлением и повреждением оборудования. В тяжелых случаях это может привести к повреждению масляного бака. Кроме того, многие протоколы испытаний основаны на ручном заполнении, что чревато ошибками и не способствует архивированию.

Ввиду вышеупомянутых проблем, существующих в современных отечественных устройствах для онлайн-контроля дыхательных клапанов, в данной статье будут представлены решения для непрерывного и точного контроля положительного и отрицательного давления в процессе контроля дыхательных клапанов, а также подробно описаны различные регулирующие клапаны, включая электронные регуляторы потока и конфигурации контроллеров, которые позволяют осуществлять полностью автоматизированный контроль дыхательных клапанов различных спецификаций и размеров в условиях непрерывного положительного и отрицательного давления.

2. Решение

Принцип проверки и калибровки дыхательного клапана заключается в полном моделировании условий работы клапана в вакуумном режиме, точном моделировании соответствующего положительного и отрицательного давления в измерительном порту клапана и контроле значения вакуумного давления во время работы клапана. Эта процедура проверки повторяется несколько раз для подтверждения работоспособности и калибровки дыхательного клапана.

Для достижения полностью автоматизированной проверки дыхательного клапана наилучшим вариантом является моделирование непрерывного, точного и контролируемого циклического изменения положительного и отрицательного давления, например, в диапазоне вакуумного давления от -30,0 кПа до +50 кПа. Цикл от положительного давления к отрицательному автоматически повторяется, что позволяет получить результаты проверки повторяемости дыхательного клапана. Кроме того, устройство для проверки дыхательного клапана может удовлетворять требованиям к точности и качеству проверки дыхательных клапанов различных размеров. В соответствии с этими требованиями к конструкции, основной принцип решения, предложенного в данной статье, показан на рисунке 1.

Основной принцип точного непрерывного регулирования положительного и отрицательного давления дыхательного клапана заключается в следующем:

(1) Принцип управления основан на методе динамического баланса воздуха на входе и выходе из герметичного контейнера, что представляет собой типичный замкнутый контур управления. ПИД-регулятор собирает сигнал датчика вакуумного давления и устанавливает его путем сравнения значений и регулирования открытия электронного регулятора расхода на входе и электронного регулятора расхода на выходе, и, наконец, приводит измеренное значение датчика к заданному значению для достижения точного управления вакуумным давлением.

(2) Контур управления оснащен вакуумным насосом (источник отрицательного давления) и источником воздуха (источник положительного давления) для обеспечения достаточной возможности низкого и высокого давления.

(3) Для охвата всего диапазона вакуумного давления от отрицательного до положительного (например, от -30,0 кПа до +50 кПа) можно использовать высокоточный датчик абсолютного давления с диапазоном измерения в пределах требуемого диапазона, который выдает соответствующий аналоговый сигнал постоянного тока в диапазоне вакуумного давления от малых до больших значений (например, 0–10 В постоянного тока). Этот аналоговый сигнал подается на ПИД-регулятор, который регулирует открытие впускного и выпускного клапанов для точного контроля давления. Преимущество использования датчика абсолютного давления заключается в том, что он не подвержен влиянию изменений местного атмосферного давления и не требует коррекции давления, что обеспечивает более высокую точность измерения.

(4) При изменении управления с отрицательного давления на положительное, открытие электронного регулятора расхода на впуске (расход на впуске) в начале значительно меньше, чем открытие электронного регулятора расхода на выпуске (расход на выходе), и путем автоматической регулировки потока входящего и выходящего воздуха достигается различное состояние равновесия для достижения различного регулирования отрицательного давления. В конечном итоге, открытие электронного регулятора расхода на впуске постепенно становится значительно больше, чем открытие электронного регулятора расхода на выпуске, тем самым достигая ряда заданных значений или непрерывных скачков в диапазоне от отрицательного до положительного давления точного регулирования. При изменении управления с положительного давления на отрицательное описанный выше процесс обращается вспять.

3. Конкретное содержание

Конкретное описание реализации данной схемы показано на рисунке 2 и включает в себя, главным образом, источник газа высокого давления, электронный регулятор расхода, закрытый контейнер или трубопровод, датчик давления, высокоточный ПИД-регулятор и вакуумный насос или вакуумный генератор.

В закрытом контейнере или трубопроводе можно напрямую использовать контейнер и систему управления на месте, или же можно использовать отдельный герметичный контейнер или трубопровод и установить проверенный дыхательный клапан. Размер отдельного герметичного контейнера зависит от максимального диаметра дыхательного клапана, что позволяет одновременно проводить проверку и калибровку других дыхательных клапанов малого диаметра.

При использовании множества дыхательных клапанов рабочее давление в основном находится вблизи стандартного атмосферного давления. Для точного регулирования вакуумного давления вблизи стандартного атмосферного давления, если точность регулирования составляет ±1% или менее, обычно необходимо использовать двухканальный динамический режим, регулирующий работу клапана отвода воздуха, то есть с помощью двухканального ПИД-регулятора, один канал используется для постоянного притока воздуха. Открытие электронного регулятора расхода на выходе практически не изменяется, а другой канал регулирует открытие электронного регулятора расхода на выпускном патрубке в соответствии с алгоритмом ПИД-регулирования.

Точность регулирования положительного и отрицательного давления в процессе калибровки дыхательного клапана в основном определяется точностью датчика давления, ПИД-регулятора и электрического игольчатого клапана. ПИД-регулятор использует 24-битный АЦП и 16-битный ЦАП, а электронный регулятор расхода представляет собой высокоточный шаговый двигатель, поэтому точность испытаний в данном решении в основном зависит от точности датчика давления. Датчик давления может быть выбран в соответствии с требованиями к проверке и калибровке дыхательного клапана.

Для проверки и калибровки дыхательного клапана, обеспечивающего многократное возвратно-поступательное изменение положительного и отрицательного давления в закрытом контейнере, программу можно настроить в ПИД-регуляторе. Степень настройки представляет собой линию от положительного давления к отрицательному (или от отрицательного давления к положительному) и количество повторений, что позволяет осуществлять автоматическое управление возвратно-поступательным изменением положительного и отрицательного давления.

4. Заключение

Предложенное в данной статье решение позволяет в полной мере реализовать непрерывный контроль вакуумного давления в положительном и отрицательном диапазонах во время осмотра и калибровки дыхательного клапана с использованием двойного электронного регулятора расхода, обеспечивая высокую точность и скорость управления, а также полную автоматизацию всего процесса.

Помимо автоматического и точного регулирования положительного и отрицательного давления, еще одной особенностью данного решения является возможность проведения осмотра и калибровки дыхательных клапанов различных размеров, а также относительно широкий диапазон вакуумного давления. Вся система компактна и интегрирована, что позволяет удобно создавать портативное устройство для онлайн-контроля.

Описанные в данной статье решения также могут быть применены к различным типам дыхательных и предохранительных клапанов, таким как различные концевые дыхательные клапаны трубопроводов, дыхательные клапаны для трубопроводов, однокамерные дыхательные клапаны и однокамерные всасывающие клапаны.

Для получения дополнительной информации об электронном регуляторе расхода, пожалуйста, посетите:
https://www.genndih.com/proportional-flow-control-valve.htm

2022-08-02