动力送风式核生化防护服的内环境反馈调节方法和装置与流程

本发明涉及核生化防护技术、防护装备、个体防护领域，具体涉及一种动力送风式核生化防护服的内环境反馈调节方法和装置。

背景技术：

动力送风过滤式防护服使用动力送风系统将现场污染空气过滤净化送入防护服内部，具有不依赖外部气源、作业灵活的特点。目前，大多数核生化防护服的设计只关注其防护性能，以及实现对污染物的有效隔绝，但是，在人员实际穿戴使用防护服过程中，由于动力送风系统送入的空气温度无法调节，以及人员呼吸、出汗排出的湿气和热量不能及时导出，防护服内部热量和湿气会逐渐积聚，会给人员带来生理热压力、疲劳。

改善热应激的办法一类是设计吸热降温材料，这种方法调控能力有限，而且额外携带的吸热材料重量负荷较大；另一类办法是增加动力送风系统提供的风量，相应增加了排气阀排出的流量，从而加大对流使防护服内部的热量和湿气更加快速地排出到防护服外。目前，大多数动力送风式防护服的供气流量是固定的，没有考虑流量的调节功能，不具有内环境调节能力，少部分该类防护服的动力送风系统设计为高、低两个流量档，需要在使用前进行选择和设置，在使用过程中不能根据人体代谢、环境温度和热平衡进行相应的流量调控，难以有效发挥改善热应激的功能。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种动力送风式核生化防护服的内环境反馈调节方法和装置，利用实时温度和流量信息，通过控制系统的算法，反馈调节动力送风系统的供气量，从而根据实际需要来控制换气量和空气对流。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种动力送风式核生化防护服的内环境反馈调节方法，所述方法包括以下步骤：

s101、确定防护服内的目标温度；

s102、实时采集所述防护服内的实际温度，若实时采集的实际温度高于所述目标温度预设温度以上，则执行s103，若否，则执行s104；

s103、启动温度反馈控制模式，基于实时采集的实际温度与所述目标温度之间的温差，确定风机转速控制量的变化量；

s104、启动流量反馈控制模式，基于实时监测的出风口实际流量与预设的目标流量之间的流量差，确定风机转速控制量的变化量。

进一步，如上所述的方法，s101包括：

在工作人员穿戴防护服之后，启动内部的动力送风系统，进入工作环境场所，通过温度传感器持续采集预设时间的所述防护服内的温度，选取所述预设时间的平均温度作为目标温度；

其中，所述温度传感器固定于所述防护服内要监测的位置，并通过信号线与所述动力送风系统的控制板相连。

进一步，如上所述的方法，s103包括：

基于pid算法，以及实时采集的实际温度与所述目标温度之间的温差确定风机转速控制量的变化量，计算得到风机转速控制量的变化量，并输出可调占空比的pwm方波，调控增加风机的转速。

进一步，如上所述的方法，s104中，通过光耦传感器和微型叶轮进行流量监测，通过所述微型叶轮的转速计算出风口实际流量，其中，所述光耦传感器和所述微型叶轮设置在所述动力送风系统的出风口。

进一步，如上所述的方法，s104包括：

若实时监测的出风口实际流量大于预设的目标流量，基于pid算法，以及实时监测的出风口实际流量与预设的目标流量之间的流量差，计算风机转速控制量的变化量，并输出可调占空比的pwm方波，调控降低风机的转速；

若实时监测的出风口实际流量小于预设的目标流量，基于pid算法，以及实时监测的出风口实际流量与预设的目标流量之间的流量差，计算风机转速控制量的变化量，并输出可调占空比的pwm方波，调控增加风机的转速。

本发明实施例中还提供了一种动力送风式核生化防护服的内环境反馈调节装置，所述装置包括：

确定模块，用于确定防护服内的目标温度；

实时采集模块，用于实时采集所述防护服内的实际温度，若实时采集的实际温度高于所述目标温度预设温度以上，则执行温度反馈控制模块，若否，则执行流量反馈控制模块；

温度反馈控制模块，用于启动温度反馈控制模式，基于实时采集的实际温度与所述目标温度之间的温差，确定风机转速控制量的变化量；

流量反馈控制模块，用于启动流量反馈控制模式，基于实时监测的出风口实际流量与预设的目标流量之间的流量差，确定风机转速控制量的变化量。

进一步，如上所述的装置，所述确定模块具体用于：

在工作人员穿戴防护服之后，启动内部的动力送风系统，进入工作环境场所，通过温度传感器持续采集预设时间的所述防护服内的温度，选取所述预设时间的平均温度作为目标温度；

其中，所述温度传感器固定于所述防护服内要监测的位置，并通过信号线与所述动力送风系统的控制板相连。

进一步，如上所述的装置，所述温度反馈控制模块具体用于：

基于pid算法，以及实时采集的实际温度与所述目标温度之间的温差确定风机转速控制量的变化量，计算得到风机转速控制量的变化量，并输出可调占空比的pwm方波，调控增加风机的转速。

进一步，如上所述的装置，通过光耦传感器和微型叶轮进行流量监测，通过所述微型叶轮的转速计算出风口实际流量，其中，所述光耦传感器和所述微型叶轮设置在所述动力送风系统的出风口。

进一步，如上所述的装置，所述流量反馈控制模块具体用于：

若实时监测的出风口实际流量大于预设的目标流量，基于pid算法，以及实时监测的出风口实际流量与预设的目标流量之间的流量差，计算风机转速控制量的变化量，并输出可调占空比的pwm方波，调控降低风机的转速；

若实时监测的出风口实际流量小于预设的目标流量，基于pid算法，以及实时监测的出风口实际流量与预设的目标流量之间的流量差，计算风机转速控制量的变化量，并输出可调占空比的pwm方波，调控增加风机的转速。

本发明的有益效果在于：本发明在动力送风系统上增加自反馈控制功能，可以智能、自动控制动力送风系统的送风量，实现动力送风式核生化防护服供气量的动态调节。通过温度反馈模式，可以在防护服内温度升高后快速加大送风量，加大气流循环，从而加快对流和散热，快速将防护服内的温度恢复到初始目标温度，从而保证穿着的舒适性，延长穿着防护服的耐受时间。通过流量反馈控制模式，可以在一定程度上缓冲由于动作导致的压力剧烈变化，而在供气管路堵塞等意外情况下能迅速增大供气流量，避免供气不足影响呼吸。通过智能自动控制，替代手动控制流量的方式，避免手动控制装置的操作不便、人因判断偏差、以及流量控制操作对正常作业的干扰，而且可以有效的节省运行功耗。

附图说明

图1为本发明实施例中提供的一种动力送风式核生化防护服的内环境反馈调节方法的流程示意图；

图2为本发明实施例中提供的一种动力送风式核生化防护服的内环境反馈调节方法的流程示意图；

图3为本发明实施例中提供的温度传感器的温度调理采集电路示意图；

图4为本发明实施例中提供的温度传感器和动力送风系统在防护服内的结构示意图；

图5为本发明实施例中提供的pwm调速驱动电路原理图；

图6为本发明实施例中提供的一种动力送风式核生化防护服的内环境反馈调节装置的结构示意图。

附图中，1-温度传感器，2-动气送风系统，3-光耦传感器，4-风机，5-控制系统电路板。

具体实施方式

为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例的技术方案作进一步的详细描述。

本发明实施例提供了一种动力送风式核生化防护服的内环境反馈调节方法，如图1-2所示，该方法包括：

s101、确定防护服内的目标温度。

本发明实施例中，s101包括：在工作人员穿戴防护服之后，启动内部的动力送风系统，进入工作环境场所，通过温度传感器持续采集预设时间的防护服内的温度，选取预设时间的平均温度作为目标温度；其中，温度传感器固定于防护服内要监测的位置，并通过信号线与动力送风系统的控制板相连。预设时间根据实际作业工况决定，例如大于5min，取这一时段的平均温度作为目标温度。本发明提出的这种自适应目标温度确定办法，以穿戴防护服后一段时间防护服内的平均温度作为目标温度，代表防护服内被监测区域在环境温度、个体基础代谢下的平衡温度，解决了直接给定目标温度的方法对防护服不同使用情况、不同使用环境并不通用的问题。

本发明实施例中，温度采集采用体积微小、灵敏的温度传感器，如pt100铂热电阻温度传感器，温度传感器固定于防护服内要监测的位置，如胸部核心区、腹部或者腿部，温度传感器通过信号线与动力送风系统的控制板相连，温度采集电路采用性能优良、低温漂、低噪声的运放进行电路调理，然后由单片机的a/d进行采集计算，转换为数字信号，控制系统获得实时的监测温度。温度调理采集电路如图3所示。

s102、实时采集防护服内的实际温度，若实时采集的实际温度高于目标温度预设温度以上，则执行s103，若否，则执行s104。

本发明实施例中，在确定目标温度后，继续采集温度传感器获得的实际温度，举例来说，如果实际温度高于目标温度2℃以上，启动温度反馈控制模式，如果实际温度不高于目标温度2℃以上，则启动流量反馈控制模式。

s103、启动温度反馈控制模式，基于实时采集的实际温度与目标温度之间的温差，确定风机转速控制量的变化量。

本发明实施例中，s103包括：基于pid算法，以及实时采集的实际温度与目标温度之间的温差确定风机转速控制量的变化量，计算得到风机转速控制量的变化量，并输出可调占空比的pwm方波，调控增加风机的转速。举例来说，如果实际温度高于目标温度2℃以上，启动温度反馈控制模式，利用pid算法根据温度的差值计算出风机转速控制量的变化量，并输出可调占空比的pwm方波，调控风机的转速加快，从而达到加快通风换热，实现防护服内部温度降低的效果。本发明通过温度反馈控制模式，可以在防护服内温度升高后快速加大送风量，加大气流循环，从而加快对流和散热，快速将防护服内的温度恢复到初始目标温度，从而保证穿着的舒适性，延长穿着防护服的耐受时间。

s104、启动流量反馈控制模式，基于实时监测的出风口实际流量与预设的目标流量之间的流量差，确定风机转速控制量的变化量。

本发明实施例中，如果实际温度不高于目标温度2℃以上，则启动流量反馈控制模式：若实时监测的出风口实际流量大于预设的目标流量，基于pid算法，以及实时监测的出风口实际流量与预设的目标流量之间的流量差，计算风机转速控制量的变化量，并输出可调占空比的pwm方波，调控降低风机的转速；若实时监测的出风口实际流量小于预设的目标流量，基于pid算法，以及实时监测的出风口实际流量与预设的目标流量之间的流量差，计算风机转速控制量的变化量，并输出可调占空比的pwm方波，调控增加风机的转速。举例来说，如果实际温度不高于目标温度2℃以上，则启动流量反馈控制模式：控制系统预设了目标流量，如300l/min，实时监测出风口实际流量，如果实际流量大于目标流量，pid算法根据流量的差值计算风机转速控制量的变化量，并输出可调占空比的pwm方波，调控降低风机的转速，反之则增加风机转速，从而达到实际出风量与设定出风量接近的效果。在调节过程中规定风机的最小风量，pid算法在控制风机转速下降的过程中，要控制超调量在一定范围内，以保证人体正常呼吸等生理需求。在流量调节过程中，继续更新温度采集数据，如果实际温度高于目标温度2℃以上，启动温度反馈控制模式，否则继续进行流量反馈控制模式。本发明通过流量反馈控制模式，可以在一定程度上缓冲由于动作导致的压力剧烈变化，而在供气管路堵塞等意外情况下能迅速增大供气流量，避免供气不足影响呼吸。

本发明实施例中，如图4所示，温度传感器1固定于防护服内要监测的位置，温度传感器1通过信号线与动力送风系统2的控制系统电路板5相连，通过设置在动力送风系统2的出风口的光耦传感器3和微型叶轮进行流量监测，通过微型叶轮的转速计算出风口实际流量，反馈给控制系统电路板5。反馈调节主要通过控制动力送风系统2中风机2的转速实现。采用的风机2为带霍尔元件的直流无刷风机，风机2内置驱动电路，对外提供电源电压、转速控制电压(pwm)及转速反馈信号以及其他辅助型等接口。利用霍尔元件对风机2的转速进行测量，得到当前电机2的转动速度，从而便于通过pwm波控制风机的转速。通过单片机实现pid算法以及pwm调速的驱动电路，单片机的微控制器采用stm32f103vet6或类似功能芯片，体积小，具有定时器，pwm，adc等各种功能，满足风机控制和电路板的小型化。

本发明实施例中，利用pwm驱动电路，输出可调占空比的pwm方波，通过改变直流风机电机两端等效电压大小，调节其转速大小。pwm调速原理是：加载到电机两端一定频率的脉冲信号，改变脉冲信号的占空比，间接改变输送到电枢的等效电压幅值，从而改变电机的速度，占空比大，转速快，占空比小，速度慢。pwm载波频率越高对转速控制电压的调整越精确(电流纹波越小)，但是电源的损耗越高，因此，调节频率的主要原则是电流纹波满足要求的情况下，载波频率适当低。图5为pwm调速驱动电路原理图。

本发明实施例中，通过pid算法调节占空比需要进行参数整定，从而在每次调节中给出控制量的合适大小。需要整定的参数为kp、ti以及td，最终出风量的变化量δcfs表达式为：

δcfs＝kp[e(k)-e(k-1)] tie(k) td[e(k)-2e(k-1) e(k-2)]

其中，kp为比例增益，ti为积分时间常数，td为微分时间常数，e(k)为本次采集实际值与设定值的偏差，e(k-1)为上一次采集实际值与设定值的偏差，e(k-2)为上两次采集实际值与设定值的偏差。

采用本发明实施例的方法，在动力送风系统上增加自反馈控制功能，可以智能、自动控制动力送风系统的送风量，实现动力送风式核生化防护服供气量的动态调节。通过温度反馈模式，可以在防护服内温度升高后快速加大送风量，加大气流循环，从而加快对流和散热，快速将防护服内的温度恢复到初始目标温度，从而保证穿着的舒适性，延长穿着防护服的耐受时间。通过流量反馈控制模式，可以在一定程度上缓冲由于动作导致的压力剧烈变化，而在供气管路堵塞等意外情况下能迅速增大供气流量，避免供气不足影响呼吸。通过智能自动控制，替代手动控制流量的方式，避免手动控制装置的操作不便、人因判断偏差、以及流量控制操作对正常作业的干扰，而且可以有效的节省运行功耗。温度反馈的目标温度设置采用自适应方法，充分考虑了现场环境温度以及人员体征，避免设置不合理的情况下难以达到目标温度，控制系统持续陷入温度模式。

需要说明的是，对于前述的各方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本发明并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本发明，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和模块并不一定是本发明所必须的。

根据本发明实施例的另一个方面，还提供了一种动力送风式核生化防护服的内环境反馈调节装置，如图6所示，包括：

确定模块601，用于确定防护服内的目标温度。

实时采集模块602，用于实时采集防护服内的实际温度，若实时采集的实际温度高于目标温度预设温度以上，则执行温度反馈控制模块，若否，则执行流量反馈控制模块。

温度反馈控制模块603，用于启动温度反馈控制模式，基于实时采集的实际温度与目标温度之间的温差，确定风机转速控制量的变化量。

流量反馈控制模块604，用于启动流量反馈控制模式，基于实时监测的出风口实际流量与预设的目标流量之间的流量差，确定风机转速控制量的变化量。

确定模块601具体用于：在工作人员穿戴防护服之后，启动内部的动力送风系统，进入工作环境场所，通过温度传感器持续采集预设时间的防护服内的温度，选取预设时间的平均温度作为目标温度；其中，温度传感器固定于防护服内要监测的位置，并通过信号线与动力送风系统的控制板相连。

温度反馈控制模块603具体用于：基于pid算法，以及实时采集的实际温度与目标温度之间的温差确定风机转速控制量的变化量，计算得到风机转速控制量的变化量，并输出可调占空比的pwm方波，调控增加风机的转速。

通过光耦传感器和微型叶轮进行流量监测，通过微型叶轮的转速计算出风口实际流量，其中，光耦传感器和微型叶轮设置在动力送风系统的出风口。

流量反馈控制模块604具体用于：若实时监测的出风口实际流量大于预设的目标流量，基于pid算法，以及实时监测的出风口实际流量与预设的目标流量之间的流量差，计算风机转速控制量的变化量，并输出可调占空比的pwm方波，调控降低风机的转速；若实时监测的出风口实际流量小于预设的目标流量，基于pid算法，以及实时监测的出风口实际流量与预设的目标流量之间的流量差，计算风机转速控制量的变化量，并输出可调占空比的pwm方波，调控增加风机的转速。

需要说明的是，本发明提供的动力送风式核生化防护服的内环境反馈调节装置，与前述的动力送风式核生化防护服的内环境反馈调节方法的发明构思相同，具体的实施方式不再赘述。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。