РЕГУЛЯТОР КОНЦЕНТРАЦИИ ОЗОНА Российский патент 2002 года по МПК G05D11/13 

Изобретение относится к устройствам для регулирования концентрации озона в газовой смеси, образованной в озонаторе с помощью барьерного разряда, и может быть использовано в биологии, медицине, пищевой и химической промышленности.

Озонаторы на основе барьерного разряда широко используются в настоящее время для производства озона из кислорода или воздуха, так как по совокупности факторов, таких как относительная простота реализации, экономичность, безопасность, они являются наиболее эффективными.

В озонаторах этого типа электрический разряд формируется в газовом промежутке, разделенном диэлектриком (барьером), и представляет собой совокупность быстропротекающих микроразрядов, сопровождающихся сильным высокочастотным излучением.

Возбуждение разряда производится высоковольтным источником переменного напряжения. При этом концентрация озона в газовой смеси на выходе озонатора задается количеством энергии, поступающей от источника питания в зону разряда (мощностью разряда), и скоростью расхода газа.

Известен регулятор концентрации озона (а. с. 376762, СССР, МПК G 05 D 11/13. опубл. 1973 г., Бюл. 17), содержащий подключенные к озонатору источник питания и регулировочный клапан с системой управления.

Недостатком известного устройства является низкая надежность из-за плохой помехоустойчивости электронного блока системы управления клапаном.

Мощность разряда регулируется изменением амплитуды напряжения питания. При этом сложно получить широкий диапазон регулирования, так как он ограничен, с одной стороны, напряжением пробоя газового промежутка и, с другой стороны, электропрочностью высоковольтного трансформатора. Вследствие этого при широкодиапазонном регулировании концентрации озона данное устройство имеет низкую надежность.

Более широкий диапазон выходных концентраций озона (в пределах 2-3 порядков) можно реализовать при частотном регулировании мощности разряда.

Известен регулятор озонатора (заявка 57-53283, Япония, МПК С 01 В 13/11, опубл. 1982 г., 3-1333), содержащий задатчик концентрации озона и инвертор тока, подключенный к озонатору. Это устройство обеспечивает глубокое регулирование концентрации озона за счет комбинированного изменения амплитуды и частоты переменного напряжения питания.

Недостатком известного устройства является низкая надежность из-за слабой помехоустойчивости аналоговой схемы управления. Кроме того, с повышением частоты импульсов питания, из-за снижения эффективности наработки озона, нарушается линейность регулирования концентрации озона, что также уменьшает надежность.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является регулятор концентрации озона (а. с. 981955, СССР, МПК G 05 D 21/02, опубл. 1982 г., Бюл. 46), содержащий задатчик концентрации озона, формирователь прямоугольного напряжения, управляемый генератор импульсов, инвертор тока, выход которого подключен к озонатору, и систему газоподготовки, причем выход управляемого генератора соединен с входом инвертора.

Известное устройство в течение периода регулирования Т формирует на озонаторе две последовательные серии импульсов питания с высокой и низкой частотой следования. Средняя мощность электрического разряда варьируется изменением временного интервала Т₁≤Т подачи высокочастотной серии в течение периода регулирования. Поскольку в сериях, имеющих постоянную частоту, выполняются оптимальные, с точки зрения эффективности, и стабильные условия синтеза озона, то известное устройство обеспечивает линейную зависимость между выходной концентрацией озона и средней мощностью разряда (длительностью Т₁).

Однако недостатком регулятора, взятого за прототип, также является низкая надежность. Изменение временного интервала Т₁ осуществляется воздействием на вход формирователя прямоугольного напряжения сигнала рассогласования, представленного в аналоговой форме. При этом работа узлов, которые вырабатывают и преобразуют аналоговые сигналы, очень чувствительна к мощным электромагнитным помехам, сопровождающим физические процессы в барьерном разряде.

При создании изобретения решалась задача обеспечения надежного регулирования концентрации озона в широких пределах.

Техническим результатом изобретения является повышение надежности работы регулятора озона за счет увеличения помехоустойчивости.

Указанный технический результат достигается тем, что по сравнению с известным регулятором концентрации озона, содержащим задатчик концентрации озона, формирователь прямоугольного напряжения, управляемый генератор импульсов, инвертор тока, выход которого подключен к озонатору, и систему газоподготовки, причем управляющий выход генератора импульсов соединен с входом инвертора, новым является то, что в него введены тактовый генератор, стабилизатор давления и переключатель расхода газа, а формирователь прямоугольного напряжения выполнен в виде преобразователя код-время, стабилизатор давления выполнен в виде клапана с механическим регулятором и переключатель расхода выполнен в виде сменных калиброванных натекателей, причем выход тактового генератора соединен с синхронизирующими входами формирователя и генератора импульсов, выход задатчика концентрации озона соединен с управляющим входом формирователя, выходом подключенным к управляющему входу генератора импульсов, тактовый выход которого соединен с тактовым входом формирователя, стабилизатор давления подключен своим входом к системе газоподготовки, и выходом - к переключателю расхода, выход которого соединен с озонатором.

Существенность отличия предлагаемого устройства заключается в том, что временной интервал Т₁ на выходе формирователя прямоугольного напряжения определяется двоичным кодом числа, вырабатываемым задатчиком концентрации озона. Кодовое управление интервалом Т₁ позволяет добиться высокого соотношения сигнал-шум во всем диапазоне изменения Т₁ и соответственно обеспечить высокую помехоустойчивость регулирования мощности разряда. Кроме того, выполнение управления регулировочным клапаном и переключателем расхода в полностью механических вариантах позволяет исключить вредное влияние электромагнитных помех на регулирование расхода газа. В результате существенно повышается надежность работы регулятора на озонаторе с барьерным разрядом.

На фиг. 1 представлена функциональная схема регулятора концентрации озона. На фиг. 2 и фиг.3 приведены варианты последовательного резонансного инвертора тока, выполненного соответственно по мостовой и полумостовой схеме. На фиг.4 представлена блок-схема управляемого генератора импульсов; на фиг. 5 - блок-схема формирователя прямоугольных импульсов; на фиг.6 - блок-схема переключателя расхода газа; на фиг.7 - эскиз стабилизатора давления.

На приведенных чертежах использованы следующие обозначения: С - конденсатор резонансного контура; L - дроссель резонансного контура; U₁, U₂ - выходы формирователя управляющих импульсов; О₂ - кислород; О₃ - озон; K - сигнал управления длительностью временного интервала Т₁; Тр - высоковольтный трансформатор.

Регулятор концентрации озона (фиг.1) содержит задатчик 1 концентрации озона, формирователь 2 прямоугольного напряжения, управляемый генератор 3 импульсов, инвертор 4 тока, выход которого подключен к озонатору 5, и систему 6 газоподготовки, причем управляющий выход генератора 3 импульсов соединен с входом инвертора 4. Регулятор также содержит тактовый генератор 7, стабилизатор 8 давления и переключатель 9 расхода газа. Выход тактового генератора 7 соединен с синхронизирующими входами формирователя 2 и генератора 3 импульсов, выход задатчика 1 концентрации озона соединен с управляющим входом формирователя 2, выходом подключенным к управляющему входу генератора 3 импульсов, тактовый выход которого соединен с тактовым входом формирователя 2. Стабилизатор 8 давления подключен своим входом к системе 6 газоподготовки, а выходом - к переключателю 9 расхода газа, выход которого соединен с озонатором 5.

Транзисторный инвертор 4 выполнен по мостовой (фиг.2) или полумостовой (фиг. 3) схеме с обратными диодами и последовательным резонансным контуром, включающим дроссель L, конденсатор С и первичную обмотку высоковольтного трансформатора Тр, вторичная обмотка которого подключена к озонатору 5.

Генератор 3 импульсов (фиг.4) выходами U₁, U₂ подключен к управляющим входам транзисторов инвертора 4 и содержит вентиль 10, выполненный на двухвходовом элементе ИЛИ, и формирователь 11 управляющих импульсов.

Формирователь 2 прямоугольного напряжения (фиг.5), выполненный в виде преобразователя код-время, включает делитель 12 частоты и вычитающий счетчик 13, вход разрешения которого соединен с выходом делителя 12.

Переключатель 9 расхода газа (фиг.6) образован системой калиброванных натекателей 14.

Стабилизатор 8 давления (фиг.7) содержит последовательно соединенные ресивер 15, регулировочный клапан 16, мембрану 17 и пружину 18, причем мембрана одной стороной соединена через шток 19 с клапаном, а другой стороной - через пружину 18 с корпусом стабилизатора.

Предлагаемый регулятор концентрации озона работает, задавая мощность разряда и расход газа следующим образом.

Задатчик 1 (фиг.1) вырабатывает число К, которое соответствует установленной концентрации озона при заданном расходе газа. Число К представлено в параллельном двоичном коде. В исходном состоянии вентиль 10 (фиг.4) закрыт высоким логическим уровнем (лог. 1) на выходе переноса счетчика 13 (фиг.5), формирователь 11 не работает и озонатор 5 обесточен. Одновременно импульсы генератора 7 поступают на вход делителя 12 частоты с коэффициентом деления N, который через N периодов вырабатывает сигнал лог. 1. При этом производится запись числа К (К≤N) в счетчик 13, а его выход переноса переключается в состояние низкого логического уровня (лог. 0). В результате вентиль 10 открывается, пропуская импульсы тактового генератора 7 на вход формирователя 11 и тактовый вход счетчика 13. Последний просчитывает их до нуля, выход переноса возвращается в состояние лог. 1, и вентиль 10 закрывается. В результате в течение времени Т₁=КT на вход формирователя 11 поступает серия, состоящая из К импульсов. По окончании временного интервала Т=NT делитель 12 частоты вырабатывает вновь сигнал лог. 1, производящий запись текущего кода в счетчик 13, что вызывает формирование новой серии по описанному выше алгоритму.

Формирователь 11 (фиг. 4) вырабатывает поочередно на выходах U₁, U₂ импульсы длительностью в полупериод собственных колебаний резонансного контура. В силовой цепи инвертора 4 (фиг.2, фиг.3) возбуждается прерывистый синусоидальный ток, обеспечивающий оптимальную циркуляцию энергии между озонатором и источником питания. Неиспользованная в разряде энергия возвращается через обратные диоды в емкости фильтра источника питания, не накапливаясь при этом в реактивных элементах силового контура и не подмагничивая сердечник высоковольтного трансформатора, что повышает надежность.

Интервал повторения импульсов питания в каждой серии поддерживается постоянным. Кроме того, его величина значительно превышает длительность импульсов питания и не меньше времени Т_рел релаксации физико-химические реакций, определяющих образование озона в газовом разряде. Это обеспечивает завершение релаксационных процессов в озоно-кислородной смеси в паузах между импульсами, создавая условия для стабильного энерговклада и синтеза озона в каждом импульсе питания. В результате концентрация озона на выходе озонатора прямо пропорциональна средней мощности разряда за период регулирования Т.

Средняя мощность зависит линейно от длительности Т₁ серии или числа К импульсов в серии, величина которых задается пределах от 0 до T и от 0 до N, соответственно. При этом средняя мощность разряда составляет Р=(Т₁/Т)Р_ном или Р=(K/N)Р_ном, где р_ном - номинальная мощность в режиме непрерывной работы инвертора при Т₁= Т (K= N). Величина Т~1 с ограничена сверху допустимым уровнем пульсации концентрации озона, а период повторения импульсов питания не может быть меньше, чем Т_рел. Так, для плазмохимических реакций в кислороде T_рел~ 0,01 мс. Поэтому для многих применений озона при использовании импульсов питания микросекундной длительности диапазон регулирования Р составляет не менее четырех порядков при шаге регулирования 10^-4Р_ном. Причем эта точность обеспечивается во всем диапазоне регулирования благодаря высокой помехоустойчивости кодового управления временным интервалом Т₁. Таким образом, изменяя код числа К, можно надежно регулировать концентрацию озона на выходе озонатора при заданном расходе газа.

Величина расхода устанавливается переключателем 9 (фиг.1), пропускающим газ через один из калиброванных натекателей 14 (фиг.6). При действии возмущений в виде скачков давления в питающей сети или сопротивления нагрузки на выходе озонатора изменяется расход газа и соответственно концентрация озона. Чтобы уменьшить нестабильность концентрации озона, на входе переключателя 9 установлен стабилизатор 8 давления, который работает следующим образом. Очищенный в системе 6 кислородосодержащий газ через нормально открытый регулировочный клапан 16 заполняет объем ресивера 15 (фиг.7). В этот момент давлением на клапан 16 можно пренебречь, и пружина 18 сжимается в соответствии с ростом давления на мембрану 17. Поскольку мембрана соединена через шток 19 с клапаном 16, то последний перемещается в сторону уплотнения. Когда давление в ресивере 15 достигает заданного значения, клапан 16 практически перекрывает поток газа. При этом давление на клапан 16 со стороны линии питания резко возрастает, и он захлопывается. Давление в ресивере постепенно уменьшается на величину гистерезиса ΔP, определяемую выражением ΔP =(Р_вх-P)S₂/S₁. Здесь Р_вх - давление на входе переключателя 9; Р - заданное давление в ресивере; S₂ и S₁ - площадь клапана 16 и мембраны 17 соответственно. В этот момент регулировочный клапан 16 приоткрывается и давление на него со стороны линии питания резко снижается, что вызывает форсированное открывание клапана 16. Кислород поступает вновь в ресивер 15, увеличивая в нем давление. Далее указанные процессы повторяются, поддерживая избыточное давление в ресивере 15 на заданном уровне. Так как величина этого давления значительно превышает возможные флуктуации давления, вызываемые изменениями сопротивления нагрузки, то их влияние на заданную величину расхода газа мало. Кроме того, описанная выше система управления регулировочным клапаном 16 обладает высокой помехоустойчивостью и позволяет отслеживать резкие колебания входного давления Р_вх в условиях сильных электромагнитных наводок, что обеспечивает заданную величину расхода газа. Таким образом, переключая калиброванные натекатели, можно надежно регулировать выходную концентрацию озона.

В примере реализации предлагаемого устройства инвертор запитывался от стабилизатора с выходным напряжением 300 В, имеющим нестабильность ± 1% при изменении сетевого напряжения (220 В, 50 Гц) от 198 В до 242 В и тока нагрузки от 0 до 0,2 А. Переключатель расхода газа был выполнен на основе трубок, стеклянных капилляров диаметром 0,2-0,4 мм и обеспечивал четыре скорости выходных потоков: 0,1 л/мин, 0,25 л/мин, 0,5 л/мин, 1 л/мин. В инверторе использовались транзисторы типа КП 955А, обратные диоды типа 2Д 2990А, конденсатор резонансного контура типа К 78-2. Формирователь прямоугольного напряжения был выполнен на основе двоично-десятичных счетчиков по каскадной схеме преобразователя код-время и обеспечивал возможность изменения длительности серий импульсов питания в пределах трех порядков. Частота повторения импульсов в серии составляла 3 кГц.

Предлагаемое устройство прошло успешные технические испытания в составе медицинского озонатора, обеспечивая концентрацию озона в диапазоне 80-80000 мкг/л. При этом для защиты узлов управления регулятора от помех не использовались экраны, что значительно упростило и удешевило конструкцию аппарата.

Таким образом, данное изобретение позволяет повысить надежность работы регулятора концентрации озона. Надежность обеспечивается использованием кодового управления мощностью разряда, а также применением механической системы стабилизации расхода газа.

Изобретение относится к устройствам для регулирования концентрации озона в газовой смеси, образованной в озонаторе с помощью барьерного разряда, и может быть использовано в биологии, медицине, пищевой и химической промышленности. Техническим результатом является повышение надежности работы регулятора за счет увеличения помехоустойчивости. Результат достигается за счет исключения узлов, вырабатывающих и преобразующих аналоговые сигналы, чувствительных к мощным электромагнитным помехам, сопровождающим физические процессы в барьерном разряде. Регулирование мощности разряда осуществляется посредством кодового управления. Кроме того, применяется механическая система стабилизации расхода газа. 7 ил.

Регулятор концентрации озона, содержащий задатчик концентрации озона, формирователь прямоугольного напряжения, управляемый генератор импульсов, инвертор тока, выход которого подключен к озонатору, и систему газоподготовки, причем управляющий выход генератора импульсов соединен с входом инвертора, отличающийся тем, что в него введены тактовый генератор, стабилизатор давления и переключатель расхода газа, а формирователь прямоугольного напряжения выполнен в виде преобразователя код - время, стабилизатор давления - в виде регулировочного клапана с механическим регулятором и переключатель расхода - в виде сменных калиброванных натекателей, причем выход тактового генератора соединен с синхронизирующими входами формирователя и генератора импульсов, выход задатчика концентрации озона - с управляющим входом формирователя, выходом подключенного к управляющему входу генератора импульсов, тактовый выход которого соединен с тактовым входом формирователя, стабилизатор давления подключен своим входом к системе газоподготовки и выходом к переключателю расхода, выход которого соединен с озонатором.