Узел инкубатора и связанное с ним устройство управления, осуществляющее управление уровнем влажности
Группа изобретений относится к медицинской технике. Улучшенный инкубатор и устройство управления включают в себя отдельные контуры управления температурой и влажностью, в которых заданная температура и заданное значение относительной влажности (RH) задают устройству управления через пользовательский интерфейс. В устройстве управления используют контроллер уровня насыщения увлажнителем, который действует в ответ как на сигнал управления влажностью, так и на текущую температуру, чтобы регулировать повышение влажности воздуха внутри узла инкубатора, чтобы избежать превышения предварительно определенного значения переходной влажности и тем самым избежать образования конденсата внутри инкубатора. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 5 ил.
[01] Настоящее изобретение относится к оборудованию детского инкубатора и, в частности, к узлу детского инкубатора и связанному с ним устройству управления, осуществляющему управление влажностью воздуха посредством управления уровнем влажности.
[02] Инкубаторы, такие как те, которые используют для детей и других пациентов, в целом известны в связанной области. Такие инкубаторы часто имеют закрытую внутреннюю часть, внутри которой пациента располагают и внутри которой поддерживают управляемую окружающую среду. Более конкретно, по меньшей мере температурой и влажностью воздуха внутри инкубатора типично управляют посредством подходящей системы управления.
[03] Следует отметить, что способность новорожденного ребенка поддерживать и регулировать температуру своего тела является ключом к выживанию и росту. Недоношенные дети или дети с относительно низкой массой при рождении или те, которым необходимы медицинские процедуры, которые требуют того, чтобы ребенок оставался неодетым, типично с усилием поддерживают подходящую температуру тела. Происходит расход калорий на такое усилие, и калории, которые использованы на поддержание температуры тела ребенка, не могут быть использованы для увеличения массы ребенка. По существу, увеличение массы ребенка может быть затруднено до тех пор, пока подходящая среда не будет поддерживаться вокруг ребенка, причем такую среду типично контролируют как с точки зрения температуры, так и влажности.
[04] Хорошо известно, что механизмы серворегулирования с обратной связью можно использовать для того, чтобы формировать отклики переходного и постоянного состояния на команды температуры и влажности. Детские инкубаторы, в которых используют такое управление, типично содержат датчики температуры и относительной влажности (RH), компоненты управляющей архитектуры и нагреватель и увлажнитель воздуха для того, чтобы замкнуть контур управления. Компоненты управляющей архитектуры типично используют алгоритмы, которые реализованы в виде программного обеспечения, которое реализовано в виде логики на интегральных схемах микроконтроллеров, которая определяет значения, при которых приводить в действие нагреватель и увлажнитель в ответ на заданные значения для температуры и влажности, а также воспринимаемую температуру и влажность.
[05] Также понятно, что относительная влажность (RH) представляет собой зависящее от температуры значение. Например, если температура определенного объема воздуха повышается без изменения содержания в нем влаги, относительная влажность (RH) воздуха будет снижаться. Взаимозависимость между температурой и относительной влажностью типично усложняет управляющую архитектуру, используемую в детском инкубаторе, и, таким образом, известно об использовании сложных способов синтеза контроллера с множеством переменных, которые описаны в академической литературе. Реализация таких способов типично затруднена (a) трудностями моделирования в связи с присутствием элементов, переходные динамические параметры которых сложно определить и охарактеризовать; (b) сложностью при применении контроллеров со сложной структурой в связи с их неинтуитивным поведением и вытекающими сложным порядком работы; и (c) сложностями при настройке параметров таких контроллеров.
[06] Существующие применения в связанной отрасли промышленности, следовательно, имеют тенденцию в направлении использования более простых управляющих архитектур, таких как те, в которых используют пропорционально-интегрально-дифференциальные (ПИД) системы управления. Однако, разработка и реализация систем сервоуправления, в которых используют независимые ПИД контуры управления для переменных, которые зависят одна от другой, таких как температура и относительная влажность (RH), типично дополнительно требуют коррекции, в которой используют поисковые таблицы, которые или ситуативны по природе или решены эмпирически. Такие системы столкнулись с ограниченным успехом и типично требовали нагревателей и увлажнителей, которые имеют более высокие емкости, чем, возможно, эмпирически необходимо для того, чтобы добиться желаемых эксплуатационных характеристик. С дополнительной сложностью столкнулись при попытке реализовать дополнительную логику для того, чтобы компенсировать открытые отверстия, двери, стенки и т. д. С другой дополнительной сложностью столкнулись, поскольку нагреватели и увлажнители типично представляют собой отдельные компоненты, которые имеют отдельные характеристики переходного отклика, которые в связи с взаимозависимостью температуры и влажности могут соперничать друг с другом и могут вести к завышению одних и/или других параметров. Таким образом, желательно предоставить улучшенный узел инкубатора и устройство управления, которые отвечают этим и другим потребностям.
[07] Улучшенный инкубатор и устройство управления содержат отдельные контуры управления температурой и влажностью, в которых заданные значения температуры и заданной относительной влажности (RH) передают на устройство управления через пользовательский интерфейс. Контур управления влажностью использует удельную влажность (SH) в своих операциях управления. Использование SH вместо RH отделяет влажность от температуры и, таким образом, упрощает управление обоими. В устройстве управления используется контроллер уровня насыщения увлажнителем, который действует в ответ как на сигнал управления влажностью, так и на текущую температуру для того, чтобы регулировать повышение влажности воздуха внутри узла инкубатора для того, чтобы избежать превышения переходной влажностью предварительно определенного значения и, тем самым, избежать создания конденсата внутри инкубатора.
[08] Соответственно, один из аспектов настоящего изобретения состоит в том, чтобы предоставить улучшенный узел инкубатора.
[09] Другой аспект настоящего изобретения состоит в том, чтобы предоставить улучшенное устройство управления для узла инкубатора.
[10] Другой аспект настоящего изобретения состоит в том, чтобы предоставить улучшенный узел инкубатора и устройство управления, которые обеспечивают улучшенное управление температурой и влажностью.
[11] Другой аспект настоящего изобретения состоит в том, чтобы предоставить улучшенный узел инкубатора и устройство управления, где управления температурой и влажностью отделены друг от друга в связи с использованием удельной влажности в контуре управления влажностью.
[12] Другой аспект настоящего изобретения состоит в том, чтобы предоставить улучшенный узел инкубатора и устройство управления, где переходная влажность во внутренней части узла инкубатора может регулироваться для того, чтобы избежать превышения переходной влажностью предварительно определенного значения, что снижает вероятность формирования конденсата во внутренней части.
[13] Эти и другие аспекты настоящего изобретения предоставлены посредством улучшенного устройства управления, выполненного с возможностью обеспечения управления окружающей средой во внутренней части узла инкубатора. Общую сущность устройства управления можно изложить как включающую в себя устройство обработки, посредством которого исполняют одну или более подпрограмм, которые содержат подпрограмму пользовательского интерфейса, которая делает возможной установку заданного значения температуры и заданного значения относительной влажности. Общую сущность устройства управления можно изложить как дополнительно включающую в себя контур управления температурой, который содержит температурный датчик и температурный контроллер, причем температурный датчик выполнен с возможностью восприятия текущей температуры, а температурный контроллер выполнен с возможностью генерации сигнала управления температурой, по меньшей мере частично на основе заданного значения температуры и текущей температуры. Общую сущность устройства управления можно изложить как дополнительно включающую в себя контур управления влажностью, содержащий датчик относительной влажности, преобразователь удельной влажности и контроллер влажности, датчик относительной влажности выполнен с возможностью восприятия текущей относительной влажности, преобразователь удельной влажности выполнен с возможностью генерации текущей удельной влажности, по меньшей мере частично на основе текущей относительной влажности, и генерации заданного значения удельной влажности, по меньшей мере частично на основе заданного значения относительной влажности, контроллер влажности выполнен с возможностью генерации сигнала управления влажностью, по меньшей мере частично на основе заданного значения удельной влажности и текущей удельной влажности.
[14] Другие аспекты настоящего изобретения предоставлены посредством улучшенного устройства управления, выполненного с возможностью обеспечения управления окружающей средой во внутренней части узла инкубатора. Общую сущность устройства управления можно изложить как включающую в себя устройство обработки, посредством которого исполняют одну или более подпрограмм, которые содержат подпрограмму пользовательского интерфейса, которая делает возможной установку заданного значения температуры и заданного значения влажности. Общую сущность устройства управления можно изложить как дополнительно включающую в себя контур управления температурой, содержащий температурный датчик и температурный контроллер, причем температурный датчик выполнен с возможностью восприятия текущей температуры, а температурный контроллер выполнен с возможностью генерации сигнала управления температурой по меньшей мере частично на основе заданного значения температуры и текущей температуры. Общую сущность устройства управления можно изложить как дополнительно включающую в себя контур управления влажностью, содержащий датчик влажности, контроллер влажности и контроллер уровня насыщения увлажнителем, причем датчик влажности выполнен с возможностью восприятия текущей влажности, контроллер влажности выполнен с возможностью генерации сигнала управления влажностью по меньшей мере частично основанный на текущей влажности и заданном значении влажности, контроллер уровня насыщения увлажнителем выполнен с возможностью генерации сигнала управления уровнем влажности, по меньшей мере частично на основе сигнала управления влажностью и по меньшей мере одного из текущей температуры и заданного значения температуры.
[15] Другие аспекты настоящего изобретения предоставлены посредством улучшенного способа управления окружающей средой во внутренней части узла инкубатора, по меньшей мере частично основанного на заданном значении температуры и заданном значении относительной влажности, узел инкубатора относится к тому типу, который содержит нагреватель и увлажнитель. Общую сущность способа можно изложить как включающую в себя восприятие текущей температуры во внутренней части, генерацию сигнала управления температурой по меньшей мере частично на основе заданного значения температуры и текущей температуры, и эксплуатацию нагревателя, по меньшей мере частично на основе сигнала управления температурой. Общую сущность способа можно изложить как дополнительно включающую в себя восприятие текущей относительной влажности во внутренней части, генерацию текущей удельной влажности, по меньшей мере частично на основе текущей относительной влажности, генерацию заданного значения удельной влажности по меньшей мере частично на основе заданного значения относительной влажности, генерацию сигнала управления влажностью, по меньшей мере частично на основе заданного значения удельной влажности и текущей удельной влажности, и эксплуатацию увлажнителя по меньшей мере частично на основе сигнала управления влажностью.
[16] Другие аспекты настоящего изобретения предоставлены посредством улучшенного способа управления окружающей средой во внутренней части узла инкубатора, по меньшей мере частично на основе заданного значения температуры и заданного значения влажности, узел инкубатора относится к тому типу, который содержит нагреватель и увлажнитель. Общую сущность способа можно изложить как включающую в себя восприятие текущей температуры во внутренней части, генерацию сигнала управления температурой по меньшей мере частично на основе заданного значения температуры и текущей температуре, и эксплуатацию нагревателя, по меньшей мере частично на основе сигнала управления температурой. Общую сущность способа можно изложить как дополнительно включающую восприятия текущей влажности во внутренней части, генерацию сигнала управления влажностью по меньшей мере частично на основе заданного значения влажности и текущей влажности, генерацию сигнала управления уровнем влажности по меньшей мере частично на основе сигнала управления влажностью и по меньшей мере одного из: текущей температуры и заданного значения температуры, и эксплуатацию увлажнителя по меньшей мере частично на основе сигнала управления влажностью.
[17] Более глубокое понимание настоящего изобретения можно получить из следующего подробного описания примеров вариантов осуществления при прочтении в сочетании с сопроводительными чертежами, на которых:
[18] На фиг. 1 представлен вид в перспективе примера узла инкубатора в соответствии с настоящим изобретением;
[19] На фиг. 2 представлено схематическое изображение узла инкубатора на фиг. 1;
[20] На фиг. 3 представлен диаграммный вид узла инкубатора на фиг. 1;
[21] На фиг. 4 представлена диаграмма процесса управления устройства управления узла инкубатора на фиг. 1; и
[22] На фиг. 5 представлен диаграммный вид устройства управления на фиг. 4.
[23] Одинаковые номера позиций относятся к одинаковым частям по всему описанию.
[24] Как используют в настоящем документе, формы единственного числа включают множественное число, если контекст не будет ясно диктовать иное. Как используют в настоящем документе, высказывание о том, что две или более части или компонента «соединены» должно обозначать, что части сопряжены или работают вместе или непосредственно или опосредованно, т.е. через одну или несколько промежуточных частей или компонентов при условии, что возникает связь. Как используют в настоящем документе, «непосредственно соединен» обозначает, что два элемента находятся в непосредственном контакте друг с другом. Как используют в настоящем документе, «неподвижно соединен» или «фиксирован» обозначает, что два компонента соединены так, чтобы двигаться как единое, при этом сохраняя постоянную ориентацию относительно друг друга.
[25] Как используют в настоящем документе, слово «цельный» обозначает, что компонент создают в виде одной части или блока. То есть, компонент, который содержит части, которые созданы отдельно и затем соединены вместе в виде блока, не представляет собой «цельный» компонент или тело. Как используют в настоящем документе, высказывание о том, что две или более части или компонента «входят в зацепление» друг с другом должно обозначать, что части прикладывают усилие друг к другу или непосредственно или через одну или несколько промежуточных частей или компонентов. Как используют в настоящем документе, термин «один или более» должен обозначать единицу или целое число больше единицы (т.е. множество).
[26] Фразы о направлении, используемые в настоящем документе, такие как, например, и без ограничения, верх, низ, лево, право, верхний, нижний, передний, задний и их производные относятся к ориентации элементов, показанной на рисунках, и не ограничивают формулу изобретения, если это не выражено в явной форме.
[27] На фиг. 1 проиллюстрирован пример варианта осуществления улучшенного узла 4 инкубатора согласно принципам настоящего изобретения. Узел 4 инкубатора изображен как содержащий корпус 6, который расположен на множестве ножек 8, причем каждая ножка 8 расположена на ролике 12, способном катиться. Понятно, что пример изображения на фиг. 1 предназначен для того, чтобы иллюстрировать типичную окружающую среду узла 4 инкубатора, и не предназначен для того, чтобы ограничивать вообще каким-либо образом.
[28] Как можно понять из фиг. 2, узел 4 инкубатора может быть описан как содержащий устройство 16 управления, вентилятор 18, нагреватель 20 и увлажнитель 24. Корпус 6 формируют так, чтобы включать в себя внутреннюю часть 26, и температурой и влажностью воздуха или другого газа или смеси газов во внутренней части 26 управляют посредством устройства 16 управления. На фиг. 2 также схематически изображен указатель потока под номером 28, который представляет поток воздуха после вентилятора 16, нагревателя 20 и увлажнителя 24, и во внутреннюю часть 26, после чего по меньшей мере часть воздуха рециркулирует за вентилятором 16, нагревателем 20 и увлажнителем 24 и во внутреннюю часть 26 и т. д. В этом отношении, понятно, что обычно только часть воздуха во внутренней части 26 рециркулирует, понятно, что определенная доля свежего воздуха, указанного как FR входит в узел 4 инкубатора для передачи за вентилятор 18, нагреватель 20 и увлажнитель 24, во внутреннюю часть 26.
[29] Как дополнительно можно видеть на фиг. 2, устройство 16 управления изображено как непосредственно управляющий нагреватель 20 и увлажнитель 24, и в этом отношении понятно, что вентилятор 18 типично выполнен с возможностью работать на фиксированной скорости, которой активно не манипулируют. В других вариантах осуществления, однако, скоростью вентилятора 18 потенциально можно управлять, не отступая от данной идеи.
[30] Дополнительно можно видеть на фиг. 2, что устройство 16 управления содержит устройство 32 обработки, контур 36 управления температурой и контур 38 управления влажностью. Устройство 32 обработки управляет и/или находится в сообщении с контуром 36 управления температурой и контуром 38 управления влажностью. В этом отношении понятно, что устройство 32 обработки осуществляет определенные обрабатывающие операции, которые, в зависимости от реализации, потенциально можно осуществлять непосредственно в контуре 36 управления температурой или контуре 38 управления влажностью, или в обоих, и, таким образом, понятно, что пример варианта осуществления устройства 16 управления, который изображен в настоящем документе, не предназначен для ограничения и скорее предназначен для того, чтобы охватывать другие варианты осуществления, в которых различные операции управления и обрабатывающие операции можно осуществлять иначе, чем непосредственно в устройстве 32 обработки.
[31] Как дополнительно можно понять из фиг. 2, устройство 16 управления дополнительно содержит пользовательский интерфейс 40, который в примере варианта осуществления, изображенного в настоящем документе, представлен в форме подпрограммы, которую можно исполнять в устройстве 32 обработки. В качестве примера, пользовательский интерфейс 40 позволяет пользователю, такому как медицинская сестра, техник и т.д., устанавливать сообщение с устройством 32 обработки и, таким образом, с устройством 16 управления, чтобы обеспечить возможность пользователю управлять узлом 4 инкубатора и иным образом его эксплуатировать. Например, пользовательский интерфейс 40 должен обеспечивать возможность пользователю устанавливать заданное значение температуры (Tset) 44 и заданное значение 46 относительной влажности (RHset), и потенциально может обеспечивать возможность пользователю устанавливать другие параметры и вводить другие команды соответствующим образом для того, чтобы оперировать узлом 4 инкубатора. В этом отношении, пользовательский интерфейс 40 может включать в себя или взаимодействовать с электронным дисплеем, который сделает возможным визуальный или другой вывод, предоставляемый пользователю, и дополнительно может содержать устройство ввода, такое как клавишная панель или чувствительный к прикосновению компонент дисплея, который обеспечит возможность пользователю предоставлять ввод в пользовательский интерфейс 40.
[32] Понятно, что другие компоненты предусмотрены в узле 4 инкубатора в форме других подпрограмм, которые можно исполнять в устройстве 32 обработки устройства 16 управления. В качестве примера, упреждающий поиск 48 изображен на фиг. 4 и 5 и представлен на фиг. 5 как нечто похожее на подпрограмму, которую исполняют в устройстве 32 обработки. Другие подпрограммы изображены на фиг. 5 как исполняемые в устройстве 32 обработки и описаны более подробно в другом месте в настоящем документе. Однако, понятно, что различные подпрограммы и другие элементы, которые изображены на фиг. 5 как исполняемые в устройстве 32 обработки, можно реализовать в других формах и, таким образом, их можно исполнять или иным образом предоставлять с помощью отдельных компонентов и/или можно предоставлять распространяемым образом в других функциональных элементах, описанных в настоящем документе, не отступая от данной идеи.
[33] На фиг. 3 схематически изображен поток воздуха в узле 4 инкубатора, а также управление узлом 4 инкубатора. Воздух протекает за вентилятор 18 в нагреватель 20 и после этого в увлажнитель 24 и внутреннюю часть 26, в этом порядке. Затем происходит рециркуляция части воздуха назад в вентилятор 18 и добавление забора свежего воздуха, как указано позицией FR. Таким образом, происходит выброс определенной части воздуха из внутренней части 26 за пределы узла 4 инкубатора, как указано обозначением EX. Таким образом, можно понять, что коэффициент рециркуляции будет равен (1-FR) и что FR приблизительно равно EX.
[34] Схематическое изображение устройства 16 управления на фиг. 3 демонстрирует, что температуру (T) и относительную влажность (RH) воспринимают во внутренней части 26 узла 4 инкубатора и используют для подачи входных сигналов в исполнительные механизмы нагревателя 20 и увлажнителя 24. Как отмечено в другом месте в настоящем документе, входные сигналы в исполнительный механизм увлажнителя 24 предпочтительно могут быть основаны на удельной влажности (SH) вместо относительной влажности (RH), что эффективно отделяет управление влажностью от управления температурой, поскольку понятно, что удельная влажность (SH) не зависит от температуры.
[35] Если относительная влажность воздуха, плотность водяного пара, и плотность влажного воздуха во внутренней части 26 известны, удельную влажность во внутренней части 26 можно выразить как:
[36] SH=0,622-RH-ρws/(ρ-ρws)·100%
[37] где
[38] SH = удельная влажность паровоздушной смеси (кг/кг)
[39] RH = относительная влажность (%)
[40] ρ = плотность влажного воздуха (кг/м3)
[41] ρws = плотность водяного пара (кг/м3)
[42] Плотность влажного воздуха ρ можно вычислять как для смеси идеальных газов.
Парциальное давление водяного пара известно как давление пара. Плотность влажного воздуха ρ находят как:
[43] ρ=Pd/(Rd·T)+Pv/(Rv·T)
[44] где
[45] Pd = парциальное давление сухого воздуха (Па)
[46] Rd = удельная газовая постоянна для сухого воздуха, 287,058 Дж/(кг·K)
[47] T = температура (K)
[48] Pv = давление водяного пара (Па)
[49] Rv = удельная газовая постоянная для водяного пара, 461,495 Дж/(кг·K)
[50] Известно, что:
[51] Pd=P-Pv
[52] где
[53] P представляет собой просто абсолютное давление, наблюдаемое в системе.
[54] Давление пара воды можно вычислять по давлению насыщенного пара и относительной влажности. Его находят как:
[55] Pv=RH-Psat
[56] где
[57] Pv = давление пара воды
[58] RH = относительная влажность
[59] Psat = давление насыщенного пара
[60] Плотность водяного пара можно выразить как:
[61] ρws=0,0022Pw/T
[62] где
[63] ρws = плотность водяного пара (кг/м3)
[64] Pw = парциальное давление водяного пара (Па, Н/м2)
[65] T = абсолютная температура сухого термометра (K)
[66] Таким образом можно видеть, что преобразование между RH и SH можно выполнять с использованием типичных электронных компонентов, включаю те, что в явной форме изложены в настоящем документе.
[67] Диаграмма процесса, которая иллюстрирует операции устройства 16 управления, изображена в целом на фиг. 4. Можно видеть, что внутренняя часть 26 обозначена на фиг. 4 штриховыми линиями для того, чтобы отразить ее соотношение с устройством 16 управления, несмотря на то, что понятно, что внутренняя часть 26 фактически не предназначена для того, чтобы изображаться в качестве компонента устройства 16 управления.
[68] Как можно понять из фиг. 4, контур 36 управления температурой содержит температурный датчик 52 и температурный контроллер 54, который в примере варианта осуществления, изображенного в настоящем документе, представляет собой ПИД контроллер, и температурный контроллер 54, таким образом, также можно называть в настоящем документе как температурный ПИД 54. Температурный датчик 52 имеет структуру для того, чтобы изображать текущую температуру (T) во внутренней части 26 и оперативно передавать текущий температурный сигнал 52A для использования другими компонентами устройства 16 управления. В этом отношении понятно, что различные измерения и значения, которые детектируют или определяют, типично будут передавать внутри устройства 16 управления в виде сигналов, но также понятно, что в настоящем документе упоминание об измерении или значении с или без использования выражения «сигнал» не предназначено для ограничения, и в явной форме отмечено, что выражение «сигнал» используют в настоящем документе только с целью удобства, простоты и иллюстрации, и такое использование или не использование не предназначено для ограничения вообще каким-либо образом.
[69] В примере варианта осуществления, описанного в настоящем документе, температурный датчик 52 представляет собой терморезистор с отрицательным температурным коэффициентом (NTC), который обозначает, что его сопротивление падает при повышении температуры. В частности, напряжение подают на температурный датчик 52 и проводят измерение на этом датчике. Такое напряжение можно генерировать или посредством источника тока или источника напряжения. Измеряемое напряжение типично будет варьировать нелинейно при вариациях температуры. Другие температурные датчики можно использовать, не отступая от данной идеи.
[70] Из фиг. 4 также понятно, что температурный контроллер 54 генерирует сигнал 54A управления температурой, по меньшей мере частично на основе заданного значения 44 температуры и текущем температурном сигнале 52A. Можно сказать, что исполнительный механизм нагревателя 20 действует, по меньшей мере частично, на температурный сигнал 54A при управлении температурой воздуха, который протекает во внутреннюю часть 26.
[71] Дополнительно можно сказать, что контур 36 управления температурой содержит компонент 56 упреждающего температурного поиска, который представляет собой компонент упреждающего поиска 48. Следует повторить, что в примере варианта осуществления, изображенного в настоящем документе, упреждающий поиск 48 представляет собой подпрограмму, которую исполняют в устройстве 32 управления. По существу, в компоненте 56 упреждающего поиска используют алгоритмы или поисковую таблицу, в качестве примера, для того, чтобы генерировать упреждающее рабочее значение нагрева, которое передают в виде сигнала 56A упреждающего рабочего значения нагрева в другие части устройства 16 управления. Упреждающее рабочее значение нагрева можно охарактеризовать как номинальную мощность, при которой нагреватель 20 должен быть приведен в действие для того, чтобы воздух во внутренней части 26 был нагрет до заданного значения 44 температуры с учетом заданного значения 46 относительной влажности.
[72] Контур 36 управления температурой генерирует из сигнала 54A управления температурой и сигнала 56A упреждающего рабочего значения нагрева рабочий сигнал 58 управляемого нагревателя. Исполнительный механизм нагревателя 20, можно сказать, действует, по меньшей мере частично, на рабочий сигнал 58 управляемого нагревателя при управлении температурой воздуха, который протекает во внутреннюю часть 26.
[73] Изображенный пример варианта осуществления контура 36 управления температурой, можно сказать, дополнительно содержит ограничение 60 мощности нагревателя, которое в примере варианта осуществления нагревателя 20, изображенного в настоящем документе, по своей природе представляет собой нагревательный элемент с положительным температурным коэффициентом нагревателя 20, электрическое сопротивление которого возрастает вместе с температурой, и который, таким образом, по меньшей мере некоторым образом сам себя ограничивает. Ограничение 60 мощности нагревателя изображено на фиг. 4 отдельно от нагревателя 20 лишь для целей простоты и не предназначено быть ограничивающим. Скорее, в изображенном примере варианта осуществления его понимают как часть нагревателя 20. В некоторых вариантах осуществления контур 36 управления температурой также, можно сказать, содержит нагреватель 20, несмотря на то, что это требование не обязательно верно.
[74] Как можно понять из фиг. 4, контур 38 управления влажностью, можно сказать, содержит датчик 62 относительной влажности, преобразователь удельной влажности/поиск 64 и контроллер 68 влажности, который в примере варианта осуществления, изображенного в настоящем документе, представлен в форме ПИД контроллера. По существу, контроллер 68 влажности также можно называть в настоящем документе как ПИД 68 влажности.
[75] В примере варианта осуществления, описанного в настоящем документе, датчик 62 относительной влажности представляет собой термоотверждающийся полимерный емкостной воспринимающий элемент с лазерной подгонкой со встроенным в микросхему преобразованием сигнал. Он генерирует выходное напряжение, которое почти линейно зависит от вариаций влажности. Следует отметить, что другие типы датчиков влажности можно использовать, не отступая от данной идеи. Например, какой-либо тип гигрометрических приборов можно использовать для измерения относительной влажности во внутренней части 26. Простой формой гигрометра является известный психрометр, который состоит из двух термометров, один из которых содержит сухой шарик, а другой из которых содержит влажный шарик. Однако, в таких электронных устройствах, которые будут содержать указанный выше емкостной воспринимающий элемент с лазерной подгонкой со встроенным в микросхему преобразованием сигнала, используют температуру конденсации, изменения электрического сопротивления и/или изменения электрической емкости для того, чтобы измерять изменения влажности.
[76] Датчик 62 относительной влажности определяет текущую относительную влажность во внутренней части 26 и передает соответствующий сигнал 62A текущей относительной влажности на преобразователь удельной влажности/поиск 64. Как можно понять из фиг. 5, преобразователь удельной влажности/поиск 64 реализован в виде подпрограммы, которую можно исполнять в устройстве 32 обработки и в которой используют алгоритмы и/или поисковые таблицы для того, чтобы превращать сигналы 62A текущей относительной влажности (RH) и текущий температурный сигнал 52A в сигнал 64A текущей удельной влажности (SH). Следует отметить, что на фиг. 4 изображен преобразователь удельной влажности/поиск 64 в виде двух отдельных компонентов. То есть, в дополнение к операциям преобразователя удельной влажности/поиску 64, изложенным непосредственно выше, следует отметить, что преобразователь удельной влажности/поиск 64 отдельно изображен на фиг. 4 в качестве дополнительно принимающего заданное значение 46 относительной влажности и аналогичным образом преобразующего его в сочетании с заданным значением 44 температуры в значение заданной удельной влажности (SH), которое передают в виде сигнала 64B значения заданной удельной влажности (SH). Несмотря на то, что преобразователь удельной влажности 64 изображен на фиг. 4 в виде двух отдельных компонентов, т.е. один из которых преобразует текущую относительную влажность в текущую удельную влажность, а другой из которых преобразует заданную относительную влажность в заданную удельную влажность, понятно, что обе функции могут быть предоставлены с помощью одной подпрограммы, которую исполняют в устройстве 32 обработки, не отступая от данной идеи.
[77] Как дополнительно можно понять из фиг. 4, контроллер 68 влажности генерирует сигнал 68A управления влажностью, который основан по меньшей мере частично на сигнале 64A текущей удельной влажности и заданном значении 64B удельной влажности. В примере реализации, изображенном в целом на фиг. 4, следовательно, сигнал 68A управления влажностью по своей природе представляет собой сигнал управления удельной влажностью (SH).
[78] Контур 38 управления влажностью дополнительно, можно сказать, содержит компонент 70 упреждающего поиска влажности упреждающего поиска 48. В компоненте 70 упреждающего поиска влажности используют алгоритмы и/или поисковые таблицы для того, чтобы генерировать по заданному значению 44 температуры и заданному значению 46 относительной влажности упреждающее рабочее значение 70A увлажнения. Как можно понять в целом, упреждающее рабочее значение 70A увлажнения передают в виде сигнала и оно представляет номинальную мощность или процентную долю максимальной нагрузки, которая необходима для того, чтобы увлажнитель 24 поддерживал воздух во внутренней части 26 на заданном значении 46 относительной влажности, когда воздух находится на заданном значении 44 температуры.
[79] Контур 38 управления влажностью, можно сказать, генерирует рабочий сигнал 72 управляемого увлажнителя, который по меньшей мере частично основан на сигнале 68A управления влажностью и упреждающем рабочем значении 70A увлажнения. Рабочий сигнал 72 управляемого увлажнителя можно предоставлять непосредственно исполнительному механизму увлажнителя 24, несмотря на то, что в варианте осуществления, изображенном на фиг. 4, рабочий сигнал 72 управляемого увлажнителя вместо этого передают на промежуточный контроллер, который регулирует величину повышения влажности воздуха во внутренней части 26 в зависимости от текущей температуры или, потенциально, заданного значения температуры.
[80] Более конкретно, контур 38 управления влажностью дополнительно, можно сказать, содержит контроллер 74 уровня насыщения увлажнителем, который регулирует переходное добавление влажности в воздух для того, чтобы избежать формирования конденсации во внутренней части 26. То есть, нагреватель 26 типично имеет большее время переходного запаздывания, чем увлажнитель 24. Если влажность добавляют в воздух во внутренней части 26 без учета температуры во внутренней части 26, существует возможность образования конденсата во внутренней части 26. Например, если относительная влажность во внутренней части 26 достигает 100%, точка росы атмосферы внутри внутренней части 26 будет достигнута и водяной пар начнет конденсироваться во внутренней части 26, что нежелательно. Контроллер 74 уровня насыщения увлажнителем, таким образом, генерирует сигнал 74A управления уровнем влажности, который по меньшей мере частично основан на текущем температурном сигнале 52A и рабочем сигнале 72 управляемого увлажнителя, несмотря на то, что понятно, что в других реализациях заданное значение 44 температуры потенциально можно использовать вместо текущего температурного сигнала 52A, не отступая от данной идеи.
[81] Таким образом, можно видеть, что посредством конфигурирования контура 38 управления влажностью для того, чтобы работать, основываясь на удельной влажности (SH) вместо относительной влажности (RH), операцию управления влажностью воздуха во внутренней части 26 можно эффективно отделить от операции управления температурой воздуха во внутренней части 26. То есть, поскольку SH не зависит от температуры, увеличение или уменьшение SH во внутренней части 26 само не влияет на температуру воздуха во внутренней части 26. Однако, следует повторить, что это относительная влажность (RH), то есть заданное значение влажности, как и в случае заданного значения 46 относительной влажности, и RH аналогичен измеренному параметру, который обнаруживают посредством датчика 62 относительной влажности. Однако, посредством использования преобразователя удельной влажности/поиска 64 для того, чтобы превращать заданные и текущие значения относительной влажности в соответствующие заданные и текущие значения удельной влажности, температурой и влажностью можно отдельно управлять во внутренней части 26, без воздействия одной на другую.
[82] Контроллер 74 уровня насыщения увлажнителем предпочтительно предоставлен в варианте осуществления, изображенном в целом на фиг. 4, чтобы преодолеть возможные недостатки в рабочем запаздывании нагревателя 20. Поскольку увлажнитель 24 имеет потенциал для добавления влажности в воздух во внутренней части 26 до того, как температура воздуха будет достаточно повышена нагревателем 20, контроллер 74 уровня насыщения увлажнителем предпочтительно полагается на температурный сигнал, который представляет собой текущий температурный сигнал 52A в примере варианта осуществления, изображенного в целом на фиг. 4, чтобы генерировать сигнал 74A управления уровнем влажности, который ограничивает работу увлажнителя 24 для того, чтобы избежать превышения относительной влажностью во внутренней части 26 предварительно определенного значения. Такое предварительно определенное значение потенциально может находиться, в качестве примера, в диапазоне около 90-95% относительной влажности, несмотря на то, что другие значения можно использовать, не отступая от данной идеи.
[83] Более конкретно, следует повторить, что рабочий сигнал 72 управляемого увлажнителя по природе является сигналом удельной влажности (SH), принимая во внимание то, что может начаться образование конденсата во внутренней части 26, если относительная влажность (RH) превышает значение, при котором достигается точка росы во внутренней части 26. Поскольку узел 4 инкубатора работает для того, чтобы управлять влажностью, основываясь на SH, переходный эффект, оказываемый на RH, предпочтительно учитывают всякий раз, когда происходит повышение SH во внутренней части 26. По существу, контроллер 74 уровня насыщения увлажнителем предоставлен для того, чтобы регулировать добавление влажности для того, чтобы избежать достижения точки росы.
[84] Таким образом, в контроллере 74 уровня насыщения увлажнителем используют текущий температурный сигнал 52A и рабочий сигнал 72 управляемого увлажнителя, который, как указано выше, представляет собой сигнал SH, и преобразуют эти два сигнала в соответствующее значение относительной влажности с использованием формул и способов, изложенных выше. Если температура во внутренней части 26 является такой, что соответствующая RH превысит предварительно определенное значение, такое как 90-95% относительной влажности, как предложено выше, контроллер 74 уровня насыщения увлажнителем ограничивает повышение влажности во внутренней части 26. То есть, в контроллере 74 уровня насыщения увлажнителем используют предварительно определенное максимальное значение RH, такое как 95% RH, и вычисляют по нему и текущей температуре скорректированную SH, которая меньше, чем SH, представленная рабочим сигналом 72 управляемого увлажнителя. Затем скорректированную SH предоставляют исполнительному механизму увлажнителя 24 в качестве сигнала 74A управления уровнем влажности. Тем самым повышается влажность во внутренней части 26 без формирования конденсата.
[85] По мере изменения температуры и влажности во внутренней части 26 контроллер 74 уровня насыщения увлажнителем продолжает вычислять по рабочему сигналу 72 управляемого увлажнителя и текущей температуре, что будет представлять собой заданная RH во внутренней части 26. Тем самым контроллер 74 уровня насыщения увлажнителем беспрерывно работает для того, чтобы накладывать ограничения на рабочий сигнал 72 управляемого увлажнителя до тех пор, пока температура и влажность во внутренней части 26 не достигнут своих требуемых значений постоянного состояния. Контроллер 74 уровня насыщения увлажнителем, таким образом, предпочтительно предотвращает формирование конденсата во внутренней части 26 посредством ограничения рабочего сигнала 72 управляемого увлажнителя и, таким образом, предотвращается достижение точки росы.
[86] Схематическое изображение устройства 16 управления представлено в целом на фиг. 5. Устройство 32 обработки можно понимать как содержащее микроконтроллер 76 и соединенную с ним память 78. Микроконтроллер 76 может представлять собой какой-либо процессор из широкого спектра, такой как микропроцессор или без ограничения микроконтроллер какого-либо другого типа. Память 78 может представлять собой накопитель какого-либо типа, который может устанавливать связь с микроконтроллером 76 и, таким образом, может по своей природе представлять собой какое-либо одно или несколько из RAM, ROM, FLASH и т.д., без ограничения, и может быть энергозависимой или энергонезависимой без ограничения. Наиболее типично, подпрограммы, которые исполняют в микроконтроллере 76, хранят, тем или иным образом, целиком или по частям, в памяти 78. Как дополнительно можно понять из фиг. 5, подпрограммы, которые исполняют в микроконтроллере 76, содержат, в дополнение к тем, что изложены в другом месте в настоящем документе, преобразователь удельной влажности/поиск 64, температурный контроллер 54 и контроллер 74 уровня насыщения увлажнителем, в качестве примера. По существу, несмотря на то, что определенные функции изображены в настоящем документе как предоставляемые с помощью программного обеспечения, встроенного в микроконтроллер 76, следует отметить, что такие функции могут быть предоставлены с помощью других устройств или другим образом, без ограничения.
[87] Фиг. 5 дополнительно указывает, что набор аналогово-цифровой преобразующей электроники 80 служит интерфейсом между устройством 32 обработки и другими компонентами, такими как температурный датчик 52, датчик 62 относительной влажности и исполнительные механизмы нагревателя 20 и увлажнителя 24. Аналогово-цифровая преобразующая электроника 80 вероятно будет содержать один или несколько аналогово-цифровых преобразователей (ADC) и цифро-аналоговых преобразователей (DAC) и другие компоненты. В этом отношении понятно, что такие определенные компоненты предусмотренных функций тем самым потенциально могут быть встроены в микроконтроллер 76, не отступая от данной идеи.
[88] Кроме того, из фиг. 5 можно понять, что примере варианта осуществления узла 4 инкубатора, изображенного в настоящем документе, дополнительно может содержать некоторую обработку или операции для обеспечения возможности прямого сопряжения с датчиками, такими как температурный датчик 52 и датчик 62 относительной влажности, а также с исполнительными механизмами нагревателя 20 и увлажнителя 24. Например, на фиг. 5 изображен признак 84 преобразования сигнала температурного датчика, который по мере необходимости осуществляет операции с сигналом, который получают от температурного датчика 52. Аналогичным образом, признак 86 преобразования сигнала датчика относительной влажности применяют к сигналу, получаемому от датчика 62 относительной влажности. Такое преобразование сигнала может включать, например, увеличение усиления, планирование усиления и другие хорошо известные операции преобразования сигнала. В этом отношении признаки 84 и 86 преобразования сигналов датчиков температуры и относительной влажности потенциально можно встраивать в датчики 52 и 62 температуры и относительной влажности, соответственно, в зависимости от реализации или можно иным образом встраивать в узел 4 инкубатора.
[89] На фиг. 5 дополнительно изображен признак 90 модуляции мощности широтно-импульсной модуляцией (PWM) для нагревателя 20 и признак 94 модуляции мощности широтно-импульсной модуляцией (PWM) для увлажнителя 24. Как понимают в связанной области, нагреватель 20 и увлажнитель 24 типично работают в режиме работы ВКЛ или ВЫКЛ, что обозначает, что они типично непосредственно не допускают частичного управления ими. Однако, широтно-импульсная модуляция делает возможной быструю операцию ВКЛ/ВЫКЛ согласно заданной ширине импульса, т.е., где элемент «ширина» относится ко времени в любом из состояния ВКЛ или состояния ВЫКЛ, посредством чего можно управлять общим выходом или максимальной нагрузкой нагревателя 20 и увлажнителя 24. Снова, признаки 90 и 94 PWM модуляции мощности потенциально можно реализовать непосредственно в нагревателе 20 и/или увлажнителе 24, или потенциально можно иным образом реализовать, не отступая от данной идеи.
[90] В формуле изобретения какие-либо ссылочные позиции, размещенные между круглыми скобками, не следует рассматривать в качестве ограничения пункта формулы изобретения. Слово «содержит» или «включает» не исключает присутствия элементов или стадий, отличных от тех, которые перечислены в пункте формулы изобретения. В пункте формулы изобретения на устройство, в котором перечислено несколько средств, несколько из этих средств могут быть реализованы посредством одного и того же элемента аппаратного обеспечения. Элемент в единственном числе не исключает присутствия множества таких элементов. В любом пункте формулы изобретения на устройство, в котором перечислено несколько средств, несколько из этих средств могут быть реализованы посредством одного и того же элемента аппаратного обеспечения. Сам факт того, что определенные элементы перечислены во взаимно различных зависимых пунктах формулы изобретения, не указывает на то, что эти элементы не могут быть использованы в комбинации.
[91] Несмотря на то что изобретение описано подробно с целью иллюстрации, основываясь на том, что в настоящее время считают наиболее практичными и предпочтительными вариантами осуществления, следует понимать, что такие подробности служат лишь этой цели, и что изобретение не ограничено раскрытыми вариантами осуществления, но напротив предназначено охватывать модификации и эквивалентные устройства, которые находятся в пределах сущности и объема приложенной формулы изобретения. Например, следует понимать, что настоящее изобретение предполагает, насколько это возможно, что один или несколько признаков какого-либо варианта осуществления можно комбинировать с одним или несколькими признаками какого-либо другого варианта осуществления.
1. Устройство (16) управления, выполненное с возможностью управления окружающей средой во внутренней части (26) узла (4) инкубатора, содержащее:
устройство (32) обработки, выполненное с возможностью исполнения одной или более подпрограмм, которые содержат подпрограмму пользовательского интерфейса, которая обеспечивает установку заданного значения (44) температуры и заданного значения (46) влажности;
контур (36) управления температурой, содержащий температурный датчик (52) и температурный контроллер (54), причем температурный датчик выполнен с возможностью восприятия текущей температуры, а температурный контроллер выполнен с возможностью генерации сигнала (54А) управления температурой, по меньшей мере частично на основе заданного значения температуры и текущей температуры; и
контур (38) управления влажностью, содержащий датчик влажности (62), контроллер влажности (68) и контроллер уровня насыщения увлажнителем (74), причем датчик влажности выполнен с возможностью восприятия текущей влажности, контроллер влажности выполнен с возможностью генерации сигнала (68А) управления влажностью по меньшей мере частично на основе текущей влажности и заданного значения влажности, контроллер уровня насыщения увлажнителем выполнен с возможностью генерации сигнала (74А) управления уровнем влажности по меньшей мере частично на основе сигнала управления влажностью и по меньшей мере одного из:
текущей температуры и заданного значения температуры;
причем пользовательский интерфейс обеспечивает возможность установки в качестве заданного значения влажности заданное значение (46) относительной влажности;
и контур (38) управления влажностью выполнен с возможностью формирования сигнала управления уровнем влажности для предотвращения превышения переходной относительной влажностью предварительно определенного значения во внутренней части.
2. Устройство управления по п. 1, в котором контур управления температурой дополнительно содержит компонент (56) упреждающего температурного поиска, который генерирует упреждающее рабочее значение (56А) нагрева, которое по меньшей мере частично основано на по меньшей мере одном из: заданного значения температуры и заданного значения влажности, для использования нагревателем (20), и в котором контур управления влажностью дополнительно содержит компонент (70) упреждающего поиска влажности, который выполнен с возможностью формирования упреждающего рабочего значения (70A) увлажнения, которое по меньшей мере частично основано на по меньшей мере одном из: заданного значения температуры и заданного значения влажности.
3. Устройство управления по п. 1, в котором датчик влажности представляет собой датчик (62) относительной влажности, выполненный с возможностью восприятия текущей относительной влажности, и в котором контур управления влажностью дополнительно содержит преобразователь (64) удельной влажности, выполненный с возможностью генерации текущей удельной влажности (64А) по меньшей мере частично на основе текущей относительной
влажности и генерации заданного значения удельной влажности (64В) по меньшей мере частично на основе заданного значения относительной влажности, и контроллер влажности выполнен с возможностью генерации сигнала управления влажностью по меньшей мере частично на основе текущей удельной влажности и заданного значения удельной влажности.
4. Устройство управления по п. 3, в котором преобразователь удельной влажности выполнен с возможностью генерации текущей удельной влажности дополнительно по меньшей мере частично основываясь на текущей температуре и генерации заданного значения удельной влажности дополнительно по меньшей мере частично основываясь на заданном значении температуры.
5. Способ управления окружающей средой во внутренней части (26) узла (4) инкубатора по меньшей мере частично на основе заданного значения (44) температуры и заданного значения (46) влажности, причем узел инкубатора содержит нагреватель (20) и увлажнитель (24), содержащий этапы, на которых:
воспринимают текущую температуру во внутренней части;
генерируют сигнал (54А) управления температурой по меньшей мере частично на основе заданного значения температуры и текущей температуры;
эксплуатируют нагреватель по меньшей мере частично на основе сигнала управления температурой;
воспринимают текущую влажность во внутренней части;
генерируют сигнал (68А) управления влажностью по меньшей мере частично на основе заданного значения влажности и текущей влажности;
генерируют сигнал (74А) управления уровнем влажности по меньшей мере частично на основе сигнала управления влажностью и по меньшей мере одного из: текущей температуры и заданного значения температуры; и
эксплуатируют увлажнитель по меньшей мере частично на основе сигнала управления влажностью;
причем значение относительной влажности представляет собой заданное значение влажности (46);
используют сигнал управления уровнем влажности увлажнителем для предотвращения превышения переходной относительной влажностью предварительно определенного значения во внутренней части.
6. Способ по п. 5, дополнительно содержащий этапы, на которых:
генерируют упреждающее рабочее значение (56А) нагрева, которое по меньшей мере частично основано на по меньшей мере одном из: заданного значения температуры и заданного значения влажности;
эксплуатируют нагреватель по меньшей мере частично на основе упреждающего рабочего значения нагрева;
генерируют упреждающее рабочее значение (70A) увлажнения, которое по меньшей мере частично основано на по меньшей мере одном из: заданного значения температуры и заданного значения влажности; и
эксплуатируют увлажнитель по меньшей мере частично на основе упреждающего рабочего значения увлажнения.
7. Способ по п. 5, дополнительно содержащий этапы, на
которых:
воспринимают текущую относительную влажность в качестве текущей влажности;
генерируют текущую удельную влажность (64А) по меньшей мере частично на основе текущей относительной влажности;
генерируют заданное значение удельной влажности (64В) по меньшей мере частично на основе заданного значения относительной влажности; и
генерируют сигнал управления влажностью по меньшей мере частично на основе текущей удельной влажности и заданного значения удельной влажности.
8. Способ по п. 7, дополнительно содержащий этапы, на которых:
генерируют текущую удельную влажность дополнительно по меньшей мере частично основываясь на текущей температуре; и
генерируют заданное значение удельной влажности дополнительно по меньшей мере частично основываясь на заданном значении температуры.
