充气装置

加拿大拟造巨型充气塔 将人送入太空边缘[img]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2009/06/200906131022_155273_1644912_3.jpg[/img]一个由6个太空舱构成的7米成比例模型据《新科学家》杂志6月10日报道，加拿大科学家日前宣称，他们计划研制一种巨型充气塔，这种充气塔无需借助火箭即可将人类送到太空边缘，并估计它可能先于太空梯问世。 加拿大约克大学科学家布伦达奎因(Brendan Quin)、拉吉希思(Raj Seth)和乔治朱(George Zhu)在《宇航学报》(Acta Astronautica)上写道，他们计划将已用于某些航天器上的充气太空舱组装成一个高15公里的巨型塔。如果建在一个合适的山顶，巨型塔的高度可达20公里左右。在此，可从事大气层研究、太空游和发射太空船等活动。 研究小组计划给用凯夫拉尔聚乙烯合成管制成的太空舱充入氦气，使其变得更为坚硬，多个充气太空舱连在一起，便形成可抵达太空边缘的充气塔。为验证这一想法是否可行，他们建造了一个由6个太空舱构成的7米成比例模型，每个太空舱由3个管壁直径8厘米的层压聚乙烯管架起来，并装配圆形垫环，再充入气体令其膨胀。 为保持直立状态，抵御狂风侵袭，与实物尺寸一样的充气塔要求每一个太空舱都配备陀螺仪和动态稳定装置。这一研究小组制作了一个15公里高的充气塔模型，模型由100个太空舱组成，每个太空舱高150米，直径230米，选用的材料是直径2米的充气管。奎因估计，这个充气塔在受压状态下重量可达80万吨左右，相当于世界上最大的超级油轮的两倍。 奎因说：“离地20公里的高空几乎与外太空一样漆黑。你都可以看到辐射周围600公里左右的景象。”游客们看到的景象与从太空中看到的一样，同时，他们无需承受零重力所带来的麻烦。奎因估计，可以将充气塔延长至距地面200公里的低地轨道。 充气塔的作用类似于备受关注的太空梯，所不同的是，太空梯的材料计划采用由超强纳米管织成的丝带——这种材料尚未问世，而充气塔采用的则是一种技术成熟的材料。即便充气塔的几个太空舱出现故障，也不会导致整个充气塔轰然倒塌

[color=#000099][b]摘要：目前的一次性生物反应器袋充气压力控制普遍只使用了电气比例阀或双阀压力控制器，此种充气控制方式中，压力安全监控无法自动反馈和响应、所控压力并不是真正的反应器袋压力，且充气速度较慢。本文针对现有技术存在的问题进行了改进，提出采用串级控制法，通过外置压力控制器和传感器，以比例阀作为执行机构组成双闭环控制回路，可大幅提高控制精度和充气速度，更重要的是可实现充气压力安全监控和报警自动处理。[/b][/color][align=center][/align][align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align][b][size=18px][color=#000099]一、问题的提出[/color][/size][/b]一次性生物反应器（Single Use Bioreactor）或用后可弃生物反应器(Disposable bioreactor）是使用一次性袋的生物反应器，代替由不锈钢或玻璃制成的培养容器，简称SUBs。与可重复使用的生物反应器相比，一次性生物反应器(SUBs)具有的重要优势是减少了工艺认证难度，无需清洁认证，缩短了停机时间和周转时间。在所有的一次性生物反应器使用过程中，都存在一个充气步骤，需要将反应器充气到指定压力。但一次性生物反应器生物反应器袋并不属于压力容器，过度加压会造成反应器袋的破裂、泄漏或其他故障。因此，一次性反应器袋的准确充气加压必须考虑到在生长期间引入、消耗和产生的气体，以及培养基、消泡剂和其它引入流体的影响。目前常用的SUB充气控制装置是采用电气比例阀，也有采用类似电气比例阀的双阀压力控制器，整个充气压力控制装置如图1所示。[align=center][img=一次性生物反应器典型充气压力控制系统结构示意图,690,246]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/11/202211011730388558_6420_3221506_3.jpg!w690x246.jpg[/img][/align][align=center][color=#000099]图1 一次性生物反应器袋典型充气压力控制系统结构示意图[/color][/align]在实际应用中，图1所示的充气压力控制系统存在以下两方面问题：（1）安全性问题：在图1充气压力控制系统中，双阀压力控制器或电气比例阀都内置有压力传感器，此传感器测量的是出压口处的压力，并不代表一次性生物反应器袋的内部压力。因为，出于安全性考虑，还需增加一个压力表来监控反应器袋的真实压力。因此，很多SUB制造商希望更准确的直接控制一次性生物反应器袋的内部压力，并同时具有报警功能。（2）准确性和滞后问题：由于压力控制器和电气比例阀远离反应器袋，所控压力与反应器袋希望的压力值有一定偏差，而且这种充气控压方式存在明显滞后现象，充气速度较慢。[b][size=18px][color=#000099]二、串级回路充气压力控制[/color][/size][/b]为了解决上述一次性生物反应器袋充气压力控制中存在的问题，本文提出一种更精确可靠且快速的充气压力控制方法，其核心技术是采用串级控制方法，即对图1所示的压力控制系统进行了改良，增加一个独立的压力控制器。新型充气压力控制系统如图2所示。[align=center][img=生物反应器袋新型串级双回路充气压力控制系统结构示意图,690,346]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/11/202211011731023461_8401_3221506_3.jpg!w690x346.jpg[/img][/align][align=center]图2 生物反应器袋新型串级双回路充气压力控制系统结构示意图[/align]图2所示的升级改良后的新型充气压力控制系统，主要有以下几方面的特点：（1）所采用经典的串级控制法，以电气比例阀作为独立的内部执行回路，再外接独立的压力控制器和压力传感器，结合电气比例阀组成外部控制回路，由此构成的串级控制结构形式，可充分发挥串级控制法能提高控制精度和加快充气速度的优势，有效提高压力控制精度和缩短充气时间，此特性对大容积一次性反应器袋的充气过程尤为具有优势。（2）外接的压力传感器直接安装在反应器袋上，更能准确监测反应器袋的内部压力。（3）外接的压力控制器具有超压报警功能和相应的开关控制信号输出。如果反应器袋内部压力超过设定警戒线后，可立刻报警并输出开关信号驱动安全阀放气。（4）压力控制器采用的是24位ADC和16位DAC，具有超高的压力测量和控制信号模拟量输出精度，另外通过双精度浮点运算，可实现最小0.01%的超高精度压力控制调节。（5）压力控制器可存储多个充气压力控制参数，便于不同容积大小的一次性生物反应器袋的充气压力控制而无需再进行设置和调整。（6）控制器可具有两通道形式，即一个压力控制器可同时控制两个电气比例阀实现两个一次性生物反应器袋的充气压力控制。（7）压力控制器带RS 485通讯，标准MODBUS协议，即可独立运行，也可与上位机通讯。（8）随机配的软件可方便采用计算机对压力控制器进行遥控，避免繁复的仪器按钮操作。[b][size=18px][color=#000099]三、总结[/color][/size][/b]综上所述，通过上述新型串级控制系统，可有效提高一次性生物反应器袋充气过程中压力控制的安全性、精度和速度，并具有操作便捷和可扩展的特点。同时此种串级双回路结构适用于各种形式和规格的电气转换器、电气比例阀和双阀压力控制器。[align=center][/align][align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align]

[size=16px][color=#339999][b]摘要：在目前的六氟化硫气体精密计量中普遍采用重量法和定容法两种技术，本文分析了重量法中存在的问题以及定容法的优势，同时也指出定容法在实际应用中还存在自动化水平较低的问题。为了提高定容法精密计量过程中的自动化水平，本文提出了增加电控针阀和可编程压力控制器的解决方案，由步进电机驱动的电控针阀来精密调节气体压力，不同压力值的控制过程则由可编程压力控制器来进行控制操作，从而实现了定容法的自动化精密计量。[/b][/color][/size][align=center][size=16px][color=#339999][b]===================[/b][/color][/size][/align][size=18px][color=#339999][b]1. 问题的提出[/b][/color][/size][size=16px] 六氟化硫气体（SF6）是一种优异的绝缘介质，广泛应用于电力行业，同时六氟化硫气体也是六种严禁排放的温室气体之一，世界各国明令禁止六氟化硫气体排放，特别是各级电网公司为了减少六氟化硫气体的排放量，会对运行中的六氟化硫电气设备进行六氟化硫气体重量统计，严格控制使用量和泄漏量。为了普查变电站六氟化硫气体使用量，需要一种检测变电站中六氟化硫用气量的方法。目前六氟化硫用气量有两种检测方法，一是重量法，二是定容法。[/size][size=16px] 有关重量法，在广东电网有限责任公司实用新型专利“CN208953045U：一种SF6气体计量装置”以及河南省日立信股份有限公司发明专利“CN112611439B：一种测量六氟化硫气体重量的装置及方法”中给出了典型的描述，其测试过程和装置如图1所示。[/size][align=center][size=16px][color=#339999][b][img=六氟化硫气体重量法充气计量装置结构示意图,690,339]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/10/202310241519317761_2690_3221506_3.jpg!w690x339.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#339999][b]图1 六氟化硫气体重量法充气计量装置结构示意图[/b][/color][/size][/align][size=16px] 重量法的基本原理是通过天平或承重仪器检测向高压电气设备中充入的六氟化硫气体重量，并同时观察安装到高压电气设备上的压力传感器升高的压力值。在已知温度下六氟化硫气体密度后，由重量计算出补气的六氟化硫气体体积，结合压力传感器计算出的压力变化，可以推算出高压电气设备内部的有效容积。但在实际应用中，这种重量法存在以下明显的缺点：[/size][size=16px] （1）在重量称量中，一般是承重六氟化硫气体钢瓶的重量变化，而实际消耗的六氟化硫气体静重量要比钢瓶皮重小很多，这种“大质量小称量”方法对所消耗的气体重量测量精度极为不利，测量误差很大。[/size][size=16px] （2）当气室原有一部分气体时，此时该装置进行充补一部分气体入气室中提高气室内气体压力，却无法有效得知气室中原有的SF6气体量，无法对气室内部体积进行精确测算。另外重量法携带称重装置至现场给气体钢瓶进行称重，不方便搬运，且各地的地理位置不同，因海拔等不同导致重力系数不同，使得通过检测重力得出的质量有所偏差。[/size][size=16px] （3）对于部分体积较小的六氟化硫电气设备，采用气体钢瓶直接对其进行充气，由于气体钢瓶的压力较大，对于体积较小的六氟化硫电气设备来说很容易发生充气过压，引起过压危险。[/size][size=16px] 为了解决上述重量法中存在的不足，国内外新开发了一种定容积法，在国家电网有限公司的发明专利“CN112556777B：基于定容法的梯度充气式SF6气室容积测定方法”中对这种方法进行了介绍，其测量装置的结构如图2所示。[/size][align=center][size=16px][color=#339999][b][img=六氟化硫气体定容法精密计量装置结构示意图,690,457]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/10/202310241519534784_89_3221506_3.jpg!w690x457.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#339999][b]图2 六氟化硫气体定容法精密计量装置结构示意图[/b][/color][/size][/align][size=16px] 定容法是流量测量中的一种经典测试方法，在对六氟化硫充气量计量测试中，有以下优点：[/size][size=16px] （1）这里的定容法是根据气室压力设定值分配多个阶段充气阈值，分阶段对气室进行充气并测量数据，各个阶段分别计算气室的体积与内部原有的气体质量，再区各个阶段测得的数据的平均值，可消除由于压力传感器的测量精度限制，对气室进行充气时，一次性从初始值充到设定值进行一次测量存在的较大偶然误差问题，可提高计算结果的精确度。[/size][size=16px] （2）能够精确测量气体的实时压力，在接近设定压力数值时能控制充气流量，使得压力传感器能在气体稳定时进行检测，检测数据更加精确，且不会使气室充入气体过多导致气体压力过高造成安全隐患。[/size][size=16px] （3）采用定容积的充气罐替代称重装置，通过温度、压力传感器和控制阀组，实现不同条件下的温度、压力测量，使得测算得出的气室体积和气体量结果更加精确。[/size][size=16px] 尽管定容法具有上述明显优点，但定容法要进行多个不同压力的充气过程和测量，即需进行多次标定试验，这就要求整个标定过程自动化程度很高，如果采用人工调节费事费力且精度无法保证。而在自动化测控方面，国家电网有限公司的发明专利“CN112556777B：基于定容法的梯度充气式SF6气室容积测定方法”并未给出详细描述。[/size][size=16px] 为了解决六氟化硫定容法精密计量中的自动化测控问题，本文提出了采用电控针阀的解决方案，即采用NCNV系列高速低漏率电动针阀来作为图2所示定容法装置中的调节阀门，并结合可编程程序控制器，从而实现定容法中多个不同压力下的充气过程中的全自动标定。[/size][size=18px][color=#339999][b]2. 解决方案[/b][/color][/size][size=16px] 定容法可编程压力自动控制的结构如图3所示，即将图2的流量调节阀更换为NCNV电控针阀，并增加一个VPC2021可编程压力控制器。压力控制器采集压力传感器信号，并根据设定好的不同压力设定值对电控针阀进行控制，从而在不同压力下实现准确恒定。压力控制器与计算机连接，通过控制器软件进行操作。[/size][align=center][size=16px][color=#339999][b][img=电控针阀可编程压力自动控制结构示意图,600,293]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/10/202310241520124219_8385_3221506_3.jpg!w690x338.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#339999][b]图3 电控针阀可编程压力自动控制结构示意图[/b][/color][/size][/align][size=16px] 解决方案中所采用的NCNV系列电控针阀具有一系列不同的孔径，范围从0.9mm~4.1mm，可满足不同容积的充气需要。另外，电控针阀具有小于5×10[sup]-9[/sup]Pa.m[sup]3[/sup]/s的极低漏率，基本消除了六氟化硫的泄漏现象。而且电控针阀具有很高的线性度和重复精度，可保证压力控制和重复性测量的精度。[/size][size=16px] 解决方案中所采用的VPC2021系列可编程压力控制器，具有24位AD、16位DA和0.01%最小功率输出百分比的高性能指标，并具有多段折线程序设定功能，通过手动或软件界面操作进行控制程序设置，软件可驱动压力控制器的运行并记录过程参数和曲线变化，避免了再编写控制程序的繁琐。[/size][size=18px][color=#339999][b]3. 总结[/b][/color][/size][size=16px] 通过本解决方案中增加的电控针阀和可编程压力控制器，可有效提高六氟化硫气体定容法计量的自动化水平，并保证计量精度，使得定容法在六氟化硫充气过程的准确计量技术中能得到真正的推广应用。[/size][align=center][size=16px][color=#339999][b][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#339999][b]~~~~~~~~~~~~~~~[/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#339999][b][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#339999][b][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#339999][b][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#339999][b][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#339999][b][/b][/color][/size][/align]