用于冷藏集装箱的可控气氛系统的制作方法

专利名称：用于冷藏集装箱的可控气氛系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于冷藏集装箱的可控气氛系统，特别涉及靠调节冷藏集装箱内氮气、氧气和二氧化碳含量导致气氛组成改变而延长水果和蔬菜收获后的储存期/或保持其品质的系统。
农产品收获后用可控气氛集装箱来装运和储存是公知的技术。这样的系统通常与一致冷装置一起使用，后者用来降低集装箱内部的温度至一适合被发运装载物的最佳温度。已经知道，在控制水果和蔬菜的变质快慢方面，温度是最重要的因素。可控气氛系统可以作为对温度和湿度适当控制的一种补充。
可控气氛系统的目的是控制冷藏集装箱内氧气和二氧化碳的量，以改变存储在集装箱内的农产品成熟的快慢。该系统用氮气(N2)来替代氧气(O2)和二氧化碳(CO2)的办法来控制O2和CO2的量。
在用于冷藏集装箱的可控气氛系统的早期例子中，在装货后，在集装箱内建立一个经过改变的气氛，但在存储或运输期间不再改变。这样的系统存在的问题包括气体漏入和漏出集装箱，从而改变了气氛。其后提供了监视集装箱内氧气和二氧化碳含量的技术，还提供了氮气和二氧化碳源以允许在存储和运输时变更箱内气氛。这些系统的缺点是需要供给二氧化碳和氮气以在正常的运输期间保持所要的气氛。这样的气源体积大又笨重，因而这样做在典型的商业应用中在经济上是行不通的。
在已经开发的系统中，采用了空气分离器来产生纯度极高的氮气，这种空气分离器中采用了一种隔膜，在压力下，它将周围空气的气流分离为其主要成份氧气和氮气。某些这样的系统采用了电子控制器，用电的方式来控制一阀门，它将有选择地增加或减少从隔膜分离器送至冷藏集装箱的氮气量。
在这些系统中，希望可控气氛系统能广泛被非专业操作者使用。为了促进这一目标的实现，希望有一用微处理器控制的系统，该系统能提供增强的系统性能、安装和使用容易并且能进行自诊断。为此特别希望有这样一种控制器，它能根据特定的控制算法运行，此算法包括向压缩机、加热器、系统控制阀门和其他系统部件供电，以保持箱内的气体浓度。
按照本发明，提供一种方法，用以控制可控气氛系统的运行，而该系统是用于控制一限定空间内的气氛的。此系统有一电气控制器，该控制器有一显示器和一些电气控制的部件。这些部件包括(按连接顺序)一空气压缩机、一有排放阀门的过滤器、一空气加热器、一用以把空气分离为分开的包含其主要成分氧气和氮气气流的非电气的分离器以及按并联气流关系用以改变氮气流纯度的二个或多个流量控制阀门。系统还包括一些温度传感器，用以指示(气流)离开加热器的温度和在限定空间内的气氛的温度。还包括一压力传感器，用以提供在控制阀门上游的压力数据。系统还包括用以产生一输出来指明气体中含氧量的氧气传感器和用以指明气体中二氧化碳含量的二氧化碳传感器。方法包括下述步骤对可控气氛系统供电和同时对电气控制器进行操作，以完成下列步骤(1)响应于来自氧气传感器和二氧化碳传感器的输入，对压缩机进行操作，使之处于接通或断开位置；(2)对于流量控制阀门进行操作，以响应于来自氧气传感器和二氧化碳传感器的输入，达到气氛中氧气含量和二氧化碳含量的设定点；(3)对空气加热器的控制器进行操作，使得由加热器输出的气体温度保持在一预定值；(4)监视氧气传感器，并且，当气氛温度呈现某一预定值时，自动地补偿其输出；(5)监视二氧化碳传感器，并且，当二氧化碳传感器的温度发生预定的改变时，自动地补偿其输出；(6)监视某些系统部件有关安全和其他工作参数的状态，并且，当所述参数不安全或超出预期的范围时，就在显示器上指出。


图1是使用本发明的一种冷藏运输集装箱的简化透视图；图2是
图1集装箱中使用的一种冷藏装置的示意图；图3是与示于
图1的集装箱装置一起使用的可控气氛系统的方框图；图4是概括示于图3的一种可控气氛系统的较佳实施例的示意图；图5是示出冷藏控制器和可控气氛系统之间关系的方框图；图6是可控气氛控制器的简图，图中示出了与示于图4的系统相关联的输入端和输出端；图7示出本发明可控气氛控制器输入键盘的外形；图8是与可控气氛控制器相关联的显示图；图9包含控制气氛的主要控制算法，示出控制算法的各个子系统的并行操作关系；
图10是常驻于可控气氛控制器的微处理器中，用以控制该系统的空气加热器的软件程序的简流程图；
图11是常驻于可控气氛控制器的微处理器中，用以控制该系统的空气压缩机的软件程序的流程图；
图12是常驻于可控气氛控制器的微处理器中，涉及氧气流量和二氧化碳流量的软件程序的流程图；
图13是氧气设定点在0％至5％之间时，氧气流量控制系统运行方式的曲线图；
图14是氧气设定点在5％与15％之间时，类似于
图13的曲线图；
图15是说明集装箱内CO2控制情况的曲线
图16是常驻于可控气氛控制器的微处理器中，涉及氧气传感器系统温度补偿和校正的软件程序的流程图；
图17是常驻于可控气氛控制器的微处理器中，涉及二氧化碳传感器系统温度补偿和校正的软件程序的流程图。
首先参看
图1，该图示出一冷藏集装箱10，该集装箱具有一个与集装箱成为一整体、靠电力运行、由几个部件12构成的冷藏系统以及一个可控气氛系统(图中示出该系统的一部分14)。冷藏系统12和可控气氛系统安装在集装箱的一端，并用来分别调节集装箱10内的温度和气氛。
参见图2，冷藏系统12包括一现有技术中公知的气体压缩冷藏系统。简言之，此系统包括一根电源线16，它给冷藏系统控制器18供电。控制器18最好是一编程微处理器，用它从系统操作者和冷藏系统的各种传感器接收输入，从而以现有技术公知的方式控制冷藏系统部件的运行。冷藏系统包括一制冷回路，该回路包括依次与一蒸发器盘管22及一凝汽盘管24连通的电力驱动压缩机20。有一台合适的蒸发器风扇26，用以使集装箱10内蒸发器盘管22周围的空气再循环，使空气进入集装箱内并适当循环后，返回至蒸发器，以进一步冷却，这也是常规的方法。还有一冷凝器风扇28，用以引导一股冷却空气流吹向凝汽盘管以排除从集装箱10移出的热量。冷藏系统控制器18以常规方式操纵各个部件，以在集装箱内保持选定的温度。
在图3中更详细地示出可控气氛系统14。可控气氛系统的基本部件是空气压缩机30、过滤器32、空气加热器34、氮气分离隔膜36、流体计量阀门系统、气体传感器40以及控制器50。可控气氛系统的目的在于控制冷藏集装箱10内的氧气和二氧化碳的量以改变储藏在集装箱内的农产品的成熟速度。该系统用由隔膜产生的氮气来替换氧气(O2)和二氧化碳(CO2)的办法来控制它们的量。
继续参看图3，当可控气氛系统14工作时，由集装箱外部来的空气44通过灰尘过滤器46进入压缩机30。由压缩机30将空气压缩至高气压。然后让高压空气经粒子过滤器32过滤，从而在通向空气加热器34之前，先进行去湿和除尘。在过滤器上有一平时关闭的排放阀门48。当此排放阀门由可控气氛系统控制器50激励时，它将由电力来开启。对控制器进行程序控制，以使排放阀门48周期地开启一小段时间，以去除在过滤器32中可能积聚的滤渣。
来自过滤器32的高压空气通过空气加热器34，在那里高压空气被加热至对于系统中使用的隔膜36而言是最佳的工作温度。如图中所示，将加热器的输出控制到55℃/131°F。这对于从一家名为MEDAL MEMBRANE SEPARATION SYSTESM DUPONTAIRLIQUIDE公司(杜邦空气液体MEDAL膜分离系统公司)购得的4241型渗透膜而言是最佳温度。可控气氛控制器50接收温度传感器52的输入，并对加热器开关54的通断加以控制以使离开空气加热器的压缩空气保持一定的温度。
来自加热器34的已加热高压空气进入隔膜36，该隔膜将它分为通过氮气排气口56的高纯度氮气以及通过氧气排气口58的氧气/其他气体。在隔膜分离器6中的分离速率取决于通过隔膜的流量。这一流量由在氮气排气口56内的压力来控制。在氮气排气口56内的压力越高，则产生的氮气的纯度越高，而氮气的流量越小。隔膜36可以产生纯度在99％以上的氮气。当在氮气排气口56处的压力减小时，氮气的纯度下降，而流量增加。
由隔膜经排气口56通过的富氮气体通至流量控制阀门38。而把从氧气排气口58出来的氧气/其他气体排放到外部空气中。
隔膜36的氮气排气口56的压力由已述流量控制阀门38调节。为控制在集装箱内的含氮百分比，对控制器50进行编程，反复调节流量控制阀门38，从而根据需要增加或减少集装箱中的含氮量。如有需要，控制器50还可从外部CO2源65加入CO2。
控制器50采用氧气和二氧化碳浓度传感器40经过采样管道64来监视集装箱中的氧气和二氧化碳含量。为对传感器进行周期定标以校正随时间和温度的飘移，需经过管道66对外部空气采样。在正常运行中，在集装箱装好货物并把电源线16接至适当的电源后，就对冷藏系统控制器18供电并编程至适合于装载物的温度设定点。与此同时，对可控气氛系统的控制器50供电，并为货物设定所要的氧气和二氧化碳范围。
在对冷藏系统12和可控气氛系统14供电并作适当的编程后，冷藏系统就根据其程控操作立刻开始运行。然而，可控气氛系统14只有当位于冷藏控制器18内的可控气氛允许开关70闭合时才开始运行。当冷藏系统控制器18确定冷藏系统的运行条件以及在冷藏集装箱10中的条件允许可控气氛机器运行时，允许开关70就被冷藏系统控制器18闭合。
以上结合附图描述的系统是典型的现有技术的系统的代表，用以了解这样一个系统的总的工作原理。现在参看图4，它是按照本发明装在集装箱冷藏装置中的可控气氛系统示意图，现在对该系统作详细的描述。为参看方便起见，应当明白，示意图中的虚线用来大致确定冷藏/可控气氛冷藏集装箱装置的不同部分，从而在相对于装置的这些部分描写各个部件的位置时是有用的。首先，由在左边部分虚线68所确定的封闭部分代表冷藏集装箱体10的内部。箱体内部的右边用标号70确定的部分代表安装在集装箱端部的组合冷藏/可控气氛装置的蒸发器部分。应该认识到，蒸发器部分70的气氛与集装箱箱体内的气氛相同，这是由于冷藏装置12的循环风扇26使空气在这些部分之间循环的缘故。示意图的右边用线72所确定的部分是组合冷藏/可控气氛装置的冷凝器部分。
应该认识到，冷凝器部分与通常的大气直接接触，冷凝器部分72和蒸发器部分70由实质上对流体密闭的隔板(图中用线74表示)来分开。
对图4的系统将采用图3中采用的标号来描述。
现在仔细参看图4，入口空气过滤器46位于冷凝器部分72中，从而接纳外部大气。用合适的入口管道76来与一台双缸空气压缩机30作流体连通，该压缩机有出口管道78，由该管道送出高压压缩空气。过热开关80设置在空气压缩机马达上，用以在压缩机到达不安全的温度时送一信号至可控气氛控制器50。
压缩机出口的管道78与一曲折形的凝汽盘管81相通，该盘管用于将由压缩机送出的高压高温空气冷却并使其中的水汽凝结成为液态。来自凝汽盘管81的管道82由蒸发器部分经过隔板74进入冷凝器部分72。在管道82中有一施拉德尔(Schrader)阀门84，它有助于对系统的维修保养，如可进行加压泄漏检查。在管道86中还有一减压安全阀门86，如果在系统中产生会损坏压缩机30的高反压，该阀门可保护空气压缩机。
在管道82中，在减压安全阀门之后，是空气过滤器32，用它来过滤来自压缩机30的高压高气。在较佳实施例中，此过滤器实际上是二个分开的过滤器，一个是过滤大粒子杂质的初级排气过滤器90而另一个是用于细小粒子杂质的次级排气过滤器92。过滤器90和92中的每一个都设有一排放电磁阀门94。这些靠电力工作的阀门通常是关闭的，而由可控气氛控制器50使它们定期地打开一小段时间，以去除在过滤器中积聚的滤渣。
管道96使过滤器92的出口与空气加热器34的入口相通。如前所述，空气加热器由系统控制器50控制，从而使在系统中使用的隔膜分离器36保持在最佳温度上。加热器工作由系统控制器以程序方式控制，该程序使用了来自所要的设定点温度以及来自空气温度传感器52的输入，空气温度传感器位于管道100中，该管道使空气加热器34的出口与隔膜36的入口相通。来自控制器50的空气加热器温度控制输入使位于加热器附近的固态加热器开关34反复操作。从下文可看到，只要压缩机30接通，加热器54就接通。如
图10所示，响应于来自传感器52的输入，实际的加热器控制输出由一“模糊逻辑”算法1 56来确定，如步骤158所示。
如前所述，隔膜分离器36有一氧气出口58，它由分离器向外延伸，穿过隔板74以将氧气和其他气体排放至外部大气中。氮气出口56也穿过隔板74延伸入冷凝器部分72，在那里它与流量控制或流量调节阀门系统38相通。在氮气出口管道56上还设有一压力传感器98，它向可控气氛控制器50提供一压力输入。在氮气出口管道56上还接有空气压力计，由它提供在出口管道56中氮气压力的目视读数。
流量控制阀门系统38包括三个按并联流体流动关系排列的分开的计量装置，不难看出，由这些装置互相配合来控制穿过隔板74进入蒸发器部分70的流向氮气输送管道106的氮气流量。接着用冷藏系统的风扇26使由管道106输送来的氮气在集装箱箱体10的内部68循环。在氮气输送管道上设有一流量计108，它将提供从流量控制阀门系统38至集装箱的氮气流量的目视读数。
流量控制阀门系统包括二个标记成A和B的电磁阀门以及一固定的孔104，在一较佳实施例中，此孔是一根毛细管。流量控制电磁阀门A和B通常是闭合的，并响应于可控气氛系统控制器50的控制算法有选择地开启和关闭，以调节由隔膜36所产生的氮气的纯度。
在较佳实施例中，当阀门A和B都打开，则气流经过所有三个计量装置，而隔膜将产生约含15％氧气和85％氮气的输出。将这种情况定义为低纯度、高流量条件。当打开一个阀门(A或B)时，系统将产生约5％的氧气和95％的氮气。将这种情况定义为中等纯度、中等流量条件。当阀门A和B都关闭时，系统将产生约0.5％的氧气和99.5％的氮气。将这种情况定义为高纯度、低流量条件。即将看出，控制算法用此系统氧气值作为原始控制输入。
在蒸发器部分70中，在循环风扇26上方，还设有气体传感器40。传感器包括一个氧气传感器110，用它来测量集装箱内氧气的浓度。在较佳实施例中采用的氧气传感器是一伽伐尼燃料电池。当气体样本通过伽伐尼电池时，氧气与电池作用产生一很小的电压。此电压与氧气的浓度成正比，控制器50将电压输出转换为氧含量百分比的读数，显示在下面将描述的数字式显示器上。在一较佳实施例的系统中，采用了由日本蓄电池有限公司(Japan Storage Battery compa-ny，Ltd.)购得的KE-50C型伽伐尼电池氧气传感器。传感器中还包括一个CO2传感器112，用它来测量集装箱内二氧化碳的浓度。CO2传感器是称为非色散红外线(NDIR)微阶(microbench)CO2传感器，可由传感器股份有限公司(Sensors Inc.)购得，产品编号为032。CO2传感器有一内部温度传感器，该温度传感器产生一个也送至控制器的信号。传感器产生一信号，该信号由控制器50转换成CO2含量百分比读数，显示在数字式显示器上。O2和CO2传感器110和112在气体采样管道114中呈串联流体流动关系。在传感器下游是一排放管道115，该管道对装置的蒸发器部分是敞开的，而在传感器的上游是气体采样过滤器116。
可以对四个靠电力驱动的电磁阀门作选择性驱动，以向传感器40的入口管道117提供所要的气体样本气流。第一个电磁阀门118位于空气样本管道120中，用该管道来传送从入口管道100至隔膜36的加热空气样本。由于空气供给管道处在高压下，在这管道中装有一根毛细管或其他的降压装置123。
第二个电磁阀门122位于氮气样本供给管道124中，该管道与氮气输送管道106相通。第三个电磁阀门126位于校准气体输送管道128中。校准气体输送管道与位于冷凝器部分72外的合适的气体接头130相连。用该接头与一校准气体气罐131相连，该气罐内装有由5％CO2和95％氮气构成的校准气体。为了安全的目的，在校准气体管道128中设有减压安全阀门132。最后，第四个电磁阀门134位于样本管道64中，用该管道来将集装箱10内的气体样本输送至气体传感器。应该理解，这些电磁阀门中的每一个是由可控气氛系统控制器50有选择地驱动的。由O2传感器110和CO2传感器112的输出以类似的方式送至系统控制器以监视系统的工作和它的性能。
继续参看图4，系统还有一CO2供给系统，它用标号65来概括表示。此系统包括一CO2输送管道138，它有一通常关闭的、靠电力驱动的电磁阀门140位于其中。在CO2供给管道138中还有一减压安全阀门142。在所述的实施例中，示出了二个CO2供气瓶的位置。第一个位置在集装箱箱体内部68，在那里CO2瓶144与一合适的接头146相连，并由供给管道148通向CO2系统。第二个CO2瓶150位于整个装置的外面，它通过接头152和管道154通至CO2系统65。
CO2供给系统与可控气氛系统的其余部分在实体上是分开的，并且该供给系统是通过有选择的驱动电磁阀门140，由可控气氛控制器50根据需要来驱动的。箱门安全联锁电磁线圈156位于集装箱10内部68。有一联锁机构与此线圈相配，该联锁机构可在集装箱内氧气的含量下跌至低于预定值时防止集装箱的门被打开。
按照本发明，为使一体化的冷藏/可控气氛系统工作，则冷藏系统的控制器18和可控气氛系统的控制器50应能互相在电气上进行联系。这种联系的一个例子是用冷藏控制器18的允许开关70所作的优先控制，这已在前面作了简短的描述，该主题已在另一待审的专利申请中提出。控制器18和50之间的这种关系在图5中示意地示出，其中，用实心箭头155将二个控制器以及电子数据记录器156互连，表明这些部件可用电的方式相互联系。
数据记录器156为未来参考用而对来自冷藏控制器和可控气氛控制器二者的信息周期地加以记录。由冷藏控制器记录到的信息典型地包括空气被循环时供给空气的温度和返回空气的温度。由可控气氛控制器记录到的信息包括O2和CO2的含量、运输前的测试结果、报警活动以及允许开关70的状态。
为便于了解可控气氛控制器50在控制图4中所示的所有的系统部件中的作用，由图6概略地表示控制器50以及进出该控制器的输入和输出。对每个输入作出标记并且仍采用图4中的相应标号。集装箱气氛温度输入由一温度传感器158得出，这个传感器以前没有提到过，它位于集装箱10的被封闭空间68之中。键盘160输入将在下面结合图7加以描述。其余所有的输入已结合对示于图4的系统的描述都讨论过了。由可控气氛控制器50的输出也都沿用图4中相关的标号讨论过了。由于这些部件中的每一个都已描述，因而这里不再详述。
图7示出键盘160的外形，该键盘将操作者的输入送至控制器50。键盘160上的大多数输入按钮对于了解本发明不是必需的，因而不在这里描述。当认为有必要来完全了解某一功能时，就会在那时来描写那些按钮。
图8表示可控气氛控制器50的显示器170。在显示器顶部有7个指示灯174一字排开，操作者在操作该系统时，用这些指示灯向操作者传达信息。在显示器的底部是二块字母-数字LCD目视显示区域。下面将看到左边的显示区域171和右边的显示区域173在向操作者传达信息时是有用的。
可控气氛控制算法(该算法在图9中以标号160概括地表示)的运行结合前已详述的系统的实际运行来描述。简言之，再说一遍，就是向冷藏系统12和可控气氛系统14供电并对冷藏系统进行适当的编程，该系统就根据编程操作立刻开始运行。然而，只有当在冷藏控制器中的允许开关70闭合时可控气氛系统14才开始运行。如前面指出的，当冷藏系统控制器18确定冷藏系统的运行状态以及在集装箱10内的状态可接受以允许可控气氛机器运行时，该控制器才将允许开关70闭合。这些状态将结合对系统的控制算法的各个子系统的描述来说明。
现在假设已对冷藏和可控气氛系统供电，并假设已通过键盘对可控气氛系统作合适的编程以设置所要的设定点把氧气控制在1％至15％的范围内而二氧化碳控制在0至25％的范围内。接着可控气氛控制器就连续地监视来自可控气氛允许开关70的输入。如果这一开关70闭合，则可控气氛系统就开始运行，如果它断开，则系统立刻进入准备模式。此时在显示器170上的“准备”指示灯162将点亮。
当在准备模式中时，可控气氛控制器50连续地监视可控气氛允许输入71的状态。图6所示的所有从控制器50的输出被关断，而显示区域171和173是空白的。另一方面，当可控气氛(CA)控制器通过信号71指出，可控气氛系统可以运行，则系统根据图9的可控气氛主算法160运行。
空气加热器控制系统164已在前面简略描述过，并如指出的，用它来保持空气在离开加热器34时温度为55℃。只要压缩机30一工作，加热器就接通。
现在来看压缩机控制系统166以及流量控制系统168。现在来描述分别按照示于
图11和12的控制算法的这些系统的运行。
首先看
图11，压缩机控制系统166的控制逻辑在点170处进入，在那里询问CA(可控气氛)允许开关70是否闭合。如果开关未闭合，则在步骤172，不采取进一步的行动，而系统将保持在准备状态，直到确定CA允许开关闭合，在该点逻辑将经“是”分支174而在步骤176和178分别评定O2和CO2的浓度。在这些比较步骤的每一步中，把实际气体浓度与一高于和低于设定点的控制带比较，该控制器是对特定气体编程设定在控制器中的。
参看步骤176，当控制器确定CO2含量在控制带之上，则CA空气压缩机30将经“是”分支182在步骤180启动，如果步骤178指出氧气含量或是高于或是低于控制带(即在控制带之外)，则空气压缩机将经“是”分支184启动。如果步骤176或178的条件没有一个满足，则控制器就分别沿“否”分支186和188循环，直到步骤172、176和178的条件导致CA空气压缩机在180启动。
一旦作出决定在180启动空气压缩机，系统在步骤190重新判断允许开关70的状态。如果允许开关是断开的，则压缩机经“否”分支192在步骤200停止。如果允许开关是闭合的，则控制器在步骤194估计含氧量。如果含氧量在控制带之内，则控制器经“是”分支195在步骤196估计CO2含量。如果CO2含量低于设定点，则控制器经“是”分支198在步骤200使压缩机停止。这样做是因为压缩机的运行无助于增加CO2在集装箱内的含量。
在步骤200使压缩机停止后，控制器经202回至压缩机控制算法的进入点170。应该了解，在步骤180启动压缩机之后，CA允许开关70的状态就一直分别经步骤194和196的“否”分支204和206返回至步骤190而进行判断。结果，只要CA允许开关70被断开，空气压缩机13就经“否”分支192在步骤200停止运转，而控制器50将可控气氛系统置于“准备”模式。
只要压缩机30如上所述一开动，前述的流量控制阀门系统就按照控制算法168运行，以使O2和CO2含量到达它们的编程设定点。在描述这一程序和流量控制阀门的操作之前，再叙述一下系统运行的一些总的原则。第一，算法以含氧值作为它的初始控制输入。而只有当需要氧气时，算法才企图控制CO2。第二，可以回想起，靠打开CO2电磁阀门140增加CO2的浓度。该阀门从外部气罐146或150添加CO2。靠添加来自隔膜的N2替代集装箱中的CO2来降低CO2浓度。可以明白，控制算法将把含氧量保持在控制带内，直到CO2含量在设定值或者低于设定值。然而应该注意，在O2设定点到达之前，CO2控制不起作用。首先将描述流量控制算法168，然后再如
图13和
图14所示，结合不同的设定点范围，来具体说明三种不同纯度下的编程。
现在参看
图12，在点208进入O2/CO2流量控制算法，而控制器在步骤210评定集装箱中的O2含量是否在编程设定点。如果在设定点，控制器经“是”分支212移动，在步骤214询问CO2含量是否在编程设定点或者低于该点。如果不在设定点或不是低于设定点，则控制器经“否”分支216移至步骤218，在该步骤中，如果压缩机30还未曾运转就启动它，并用添加N2至集装箱以替代CO2的办法来降低CO2含量，这一情况示于
图15曲线图的左边部分。
随着压缩机运行使CO2含量降低，控制器移至步骤220，如果CO2含量在编程设定点，就沿“是”分支222移至步骤224停止空气压缩机，并回到流量控制算法的起始点208。如果在步骤220处CO2的含量仍未在设定点，则控制器经“否”分支226返回起始点208。
回至步骤214，如果CO2含量是在设定点或低于设定点，则控制器沿“是”分支228在步骤230停止压缩机，并在步骤232靠添加CO2的办法来提高CO2含量。如前所述并如
图15曲线图的右边部分所示，控制器打开CO2阀门140来添加CO2，直至CO2值到达设定点，当到达设定点后，就关闭CO2阀门140。
回至步骤210，如果O2含量不在设定点，控制器就沿着“否”分支234到达步骤236，在那里控制器询问O2含量是否在编程O2含量的控制带内。如果O2含量是在控制带内，则控制器经步骤236的“是”分支238到步骤218。在步骤218处，系统将运行，以控制O2含量，并且如前所述，CO2控制系统也起作用。
如果在步骤236确定O2含量不在控制带内，则控制器将经“否”分支240而移向步骤242，并在CO2控制系统不工作的情形下靠添加N2来开始控制O2含量。当这样运行时，控制器一直经分支244评定O2和CO2相对于它们设定点和控制带的含量，以确定系统运行的最佳模式。
现在参看
图13和
图14来描述示于图4的系统的运行，看如何在集装箱内得到所要的含氧量并且靠向集装箱添加氮气使含氧量保持在控制带内。
不难回想起，系统可以在三种不同的氮气纯度值下运行。第一种情形，阀门A和B都打开，产生15％的氧和85％的氮。已将这种情况定为低纯度、高流量条件。第二种情形，只打开一个阀门(A或B)，这是中等纯度、中等流量条件，产生5％的氧和95％的氮。第三种情形，阀门A和B都关闭，这是高纯度、低流量条件，系统产生0.5％的氧和99.5的氮。
现在参看
图13，该图示出氧的设定点在0％和5％之间时，响应于测得的集装箱内的含氧量，控制器控制诸阀门的操作。这张图示出系统将含氧量从大气中所含的约20.8％降低至所要的设定点值的操作。注意在“0时刻”系统开始运行，此时压缩机工作，而阀门A和B都打开，系统运行直至使含氧量低至约15％，如线段246所示那样。在该点，关闭阀门B，使系统在中等纯度、中等流量条件下工作，直到含氧量到达5％的值，如线段248所示。在该点，将阀门A也关闭，而系统在高纯度、低流量条件下工作，如线段250所示那样直到控制带的下端252。在这时刻，控制阀门A再次打开，系统回到中等纯度、中等流量条件，如线段254所表示的那样直至到达256处的控制带的上端，在该处，阀门A再次关闭，而系统回至高纯度、低流量条件。如此不断交替开启与关闭阀门A以将集装箱内的含氧量保持在控制带内。
图14示出当氧气设定点在5％与15％之间时系统的操作。如在
图13所描述的低设定点情形中那样，系统开始以低纯度、高流量方式工作，这时阀门A和B都打开，如
图14中的线段258所示。当传感器确定含氧量到达15％时，就将阀门B关闭，使之移至中等纯度、中等流量条件，如线段260所示。接下来随着含氧量在控制带的设定点之间摆动，将阀门B交替地开启和关闭。
应该了解，不管氧气设定点和工作方式如何，只要执行
图12的步骤242，控制器就经分支244不断地估计含氧量以确定最佳的系统操作方式。
现在参看图9和16，把氧气传感器110的自动补偿和校准也编程在可控气氛控制器50中，并在主算法中以标号266表示。如前面已经提到的，用氧气传感器110来测量集装箱10内氧的浓度。打开样本阀门134将允许集装箱内的大气通过传感器110。如前面提到的，氧气传感器产生一很小的电压输出，该输出正比于它所检测的气体中的氧气浓度。可控气氛控制器50的微处理器将此电压输出转变为氧含量的百分比读数而显示在数字式显示屏173上。微处理器对于从0—20.9％氧气测量范围以及对于这一氧含量范围的所期望的额定值，根据传感器的规格进行编程。氧气传感器的满量程定义为在最高含量与最低含量时由氧气传感器得出的电压读数的差值。氧气传感器的满量程和线性对于温度和时效敏感。例如，规定的满量程随时间可能会减小到使传感器不能产生规定的与20.9％的氧气相匹配的电压。为对此进行补偿，对可控气氛控制器50进行如
图16所示的编程。
氧气传感器补偿和校准程序266在点268处进入，在该处，控制器50首先在步骤270对从集装箱内部返回的空气的温度加以确定，这是用温度传感器158进行测量的。如果这一温度低于5℃，则在步骤272用一补偿曲线对传感器的输出进行补偿，这一补偿曲线已经被编程入控制器50。如果空气温度不低于5C，则控制器经“否”分支274移动。，由步骤272，或者由“否”分支274，控制器接着考虑在二个事件276和278中是否有这一件或那一件已经发生。因此，如在步骤276，对CA系统通电已超过2小时或者如在步骤278，从上一次校准算起已超过24小时。则要对氧气传感器的量程进行校准，其做法是让外部空气(含20.8％的氧)通过氧气传感器110。如指出的，只要循着步骤276或278的“是”分支(合并为280)，就进行校准。
在开始测试前，控制器在步骤282确定，可控气氛压缩机30是否接通。为获得可靠的空气样本作校准用，压缩机必需运行，因此，如果压缩机没有接通，则控制器将经“否”分支284，直到压缩机接通。当压缩机接通，就经“是”分支在步骤288校准开始，在该步骤中，控制器将氮气阀门122、样本阀门134和校准气体阀门126都关闭，而打开空气阀门118，由此提供一外部空气流通过传感器。然后在步骤290对输出进行检测和比较，以确定该输出是否在传感器预期的范围之内。如果在此范围内，就经“是”分支292，在步骤294处记录该值，并用以设定氧气传感器的满量程，而系统经296返回至起始点268。如果在步骤290中，传感器不在所预期的范围内，则控制器经“否”分支298至步骤300，在显示屏171上显示“故障”字样。于是如在步骤302那样，系统采用先前的O2传感器满量程值，并回至起始点268。
现在参看
图17，由于CO2传感器112的满量程和零点对温度敏感，因此要如本图所示，对控制器进行编程，以对CO2传感器进行补偿和/或校准，其方法将描述如下。
CO2传感器温度补偿/校准算法304大致在图9中示出，在该图中，示出了该算法与可控气氛系统中连续运行的其余控制算法相关联的情况，而这一算法的详细情况在
图17中示出。
CO2传感器算法304在306处进入，并在步骤308处，控制器用来自CO2传感器112内部温度传感器的输入以确定传感器的温度是否低于25℃。如果温度低于25℃，则控制器将经“是”分支309移至步骤310，在那里，用已编程入CA控制器50的温度补偿曲线来对CO2传感器的输出进行补偿。从温度补偿步骤310，或经步骤308的“否”分支312，控制器接下来要确定，在导致对CO2传感器进行校准的三个条件中，是否有一个或多个条件存在。如步骤314、316和318所示，这些事件分别是“系统启动到现在是否已超过2小时 ”“从上一次校准以来，温度是否有5℃的变化 ”或者“从上一次校准以来，是否已超过24小时 ”对这些询问的任何一个的肯定回答将导致经“是”分支320至步骤322，开始对CO2传感器进行校准。对询问314、316和318每一个的否定回答将导致经“否”分支324返回起始点306。
由在322确定CA压缩机30是否接通而开始CO2传感器的校准。接通压缩机是为了确保有一可靠的气流流经CO2传感器112。如果压缩机未接通，则由“否”分支326的表示结果，使测试不再继续。假设压缩机接通，接下来控制器打开氮气电磁阀门122，并关闭空气、样本和校准气体电磁阀门118、134和126。控制器还将二个氮气流量控制阀门A和B都关闭。然后控制器进入9分钟延迟时间间隔，用最高纯度的氮气通过CO2传感器，以允许系统条件得以稳定，所有这些都示于步骤328中。在经过9分钟延迟后，对CO2传感器进行读数，并且在步骤330，如果是作第一次校准，则存储第一个零点值，并且，控制器经“是”分支332使系统如在336中所示移入运行的正常控制方式15分钟。此时，在控制器50内的计数器置于“10”。
经15分钟正常控制运行后，控制器返回至步骤328和330，在那里它产生第二个零点值，将此值与第一个零点值在步骤338处进行比较。如果在步骤338处，控制器发现这二个零点值彼此相差小于50mV，，则经“是”分支340，在步骤342存储第二个零点值。接着控制将经分支334返回起始点306，并使用新的零点值直到控制决定又需进行补偿或校准。
如果在步骤338处，第二个零点值与第一个零点值相差不止50mV，则控制器经“否”分支至步骤348，在那里，把计数器334的计数减1，并得出新的计数。如果新的计数不是“零”，则控制经“否”分支至步骤336，而过程要继续到确定一个新的零点值，或者，直到在步骤348处的计数为“零”。此时，控制器将经“是”分支350由步骤348移开，并在步骤352，在控制器显示屏171上显示“故障”字样。于是控制器50将在步骤354采用先前有效的CO2零点值作系统控制用。
在前面的描述中，曾数次涉及在图9中用标号356大致表示的报警/故障系统。已编程入CA控制器50的这一系统被用来检测系统中大的故障，并且当发生故障时，使系统停止运转或使它进入安全运行方式。它还累计系统运行的时间。当经过固定的运行时间后，控制器将在显示屏171上显示维修报警，用以指出已经到了维修装置的某些部件的时候了。明确些说，对于过滤器90和92经过5000小时就将出现维修报警，而经过14,000小时，就出现压缩机维修报警。在装置维修完毕后，操作者(用键盘162)使特定部件的定时器归零。
报警/故障系统356的其他性能包括下述各方面(1)监视压缩机过热开关80的状态。如果此开关断开，压缩机将停止运转而显示屏将指出一故障。(2)监视系统保险丝(未示出)的状态，如果它烧断，则系统将进入准备模式，它由显示器170上的指示灯162点亮来指出。(3)监视加热器过热开关99的状态。如果此开关断开，则加热器将停止加热而在显示屏171上将指出一故障。(4)监视O2传感器110和CO2传感器112的输出。如果这些传感器的读数在它们如上所述的预期范围之外，或者不能对它们校准时，控制器就将在显示器170上指出一故障。
权利要求
1.一种用以在限定空间(10)内控制气氛的控制可控气氛系统(14)运行的方法，该系统有一电气控制器(50)，该控制器有一显示器(17)和各种电气控制部件，按串联的关系，包括一空气压缩机(30)；有排放阀门(48)的过滤器(32)；一空气加热器(34)；一用以把空气分离为分开的各自包含其主要成分氧(58)和氮(56)气流的非电气的分离器(36)；按并联气流关系安装用以改变氮气流纯度的二个或多个流量控制阀门(38)；若干温度传感器，用以指示离开加热器的空气温度和在限定空间内的气氛的温度(158)；一用于提供控制阀门上游的压力数据的系统压力传感器(98)，系统还包括用以产生一输出指明气体中含氧量的氧气传感器(110)和用以指明气体中二氧化碳含量的二氧化碳传感器(112)，其特征在于，该方法包括下述步骤对可控气氛系统(14)供电；同时对电气控制器(50)进行操作以完成下列步骤响应于来自氧气传感器(110)和二氧化碳传感器(112)的输入，对压缩机(30)进行操作使之处于接通或断开状态；对于流量控制阀门(38)进行操作，以响应于来自氧气传感器和二氧化碳传感器的输入使气氛中氧气含量和二氧化碳含量达到设定点；对于空气加热器(34)的开关(54)进行操作，使得由加热器输出的气体温度保持在一预定值；监视氧气传感器(110)，并且，当气氛温度呈现一预定值时，自动地补偿其输出；监视二氧化碳传感器(112)，并且，当二氧化碳传感器的温度发生了预定的改变时，自动地补偿其输出；监视某些系统部件有关安全和其他工作参数的状态，并且，当所述参数不安全或超出预期的范围时，就在显示器(170)上指出。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对压缩机(30)操作的步骤包括下述步骤设定所要求的二氧化碳含量和相应的控制带；设定所要求的含氧量和相应的控制带；从二氧化碳传感器(112)读取二氧化碳含量；将二氧化碳含量与设定的二氧化碳含量和控制带作比较；从氧气传感器(11)读取含氧量；将含氧量与设定的含氧量和控制带作比较；当二氧化碳含量高于其控制带或者当含氧量在控制带之外时，启动压缩机(30)。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，可控气氛系统(14)与控制限定空间(10)内温度的致冷系统(112)一起工作，致冷系统有一电子控制器(18)，该控制器具有已编程在其中的一些条件，在这些条件下，不允许可控气氛系统工作，控制器(18)中还有一装置(70)，用以允许可控气氛系统运行和禁止它运行；该方法包括无论何时从致冷系统控制器(18)接收到禁止信号就停止所述空气压缩机(30)的步骤。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，当压缩机已启动时包括下述步骤从氧气传感器(110)读取含氧量；将含氧量与设定的含氧量和控制带加以比较；从二氧化碳传感器(112)读取二氧化碳含量；将二氧化碳含量和设定的二氧化碳含量和控制带加以比较；当含氧量在控制带内而CO2含量在设定点或低于设定点时，停止压缩机。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对流量控制阀门(38)操作的步骤包括下述步骤设定一所要求的含氧量及相应的控制带；设定一所要求的二氧化碳含量及相应的控制带；从氧气传感器(110)读取含氧量；将含氧量与设定的含氧量和控制带加以比较；如果含氧量不在设定点，并且，含氧量也不在控制带内，则启动压缩机(30)，由此把氮气添加至限定的空间中；如果含氧量在设定点，而CO2含量不在设定点或低于设定点，则启动压缩机(30)，用添加氮气至限定空间的办法来控制CO2含量。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述系统包括成并联流动关系，用于改变氮气流纯度的二个流量控制阀门(A，B)和一个固定的孔(104)，还包括下述步骤在低氮气纯度、高氮气流量的方式下操作该系统，此时所述流量控制阀门(A，B)打开，将所述限定空间内的含氧量下降到第一含量；关闭所述流量控制阀门中的一个，由此在中等氮气纯度、中等流量的方式下对系统进行操作，使所述限定空间内的含氧量下降到比第一含量更低的第二含量；以及关闭第二个流量控制阀门，由此在高氮气浓度、低氮气流量的条件下对所述系统进行操作，由此把所述限定空间内的所述含氧量下降至低于前二个含量的第三含量。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，包括下述步骤设定一所要求的含氧量和相应的控制带；从氧气传感器读取含氧量；以及交替地打开和关闭一个或多个控制阀门，以保持受检测的含氧量在设定的含氧量控制带之内。
全文摘要
一种在限定空间内控制可控气氛系统的方法。该方法包括对系统供电并对控制器进行操作以完成下述步骤(1)操作压缩机至接通或断开位置；(2)操作流量控制阀门，使气氛中的O
文档编号A01F25/00GK1118759SQ9510690
公开日1996年3月20日 申请日期1995年6月15日 优先权日1994年6月15日
发明者巴里·P·卡希尔-奥布赖恩, 迈克尔·W·内文, 理查德·L·马丁 申请人:运载器有限公司