СИСТЕМА ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ В ЛАМИНАРНОМ ВОЗДУШНОМ ПОТОКЕ
SYSTEM FOR GENERATING A SPATIAL IMAGE IN A LAMINAR AIR FLOW

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к электромагнитным устройствам формирования пространственного изображения в струе ламинарного потока газовой среды путем добавления примесей газа или аэрозоля в участки струй этого потока с помощью управляемого цифровым образом массива клапанов. Настоящее изобретение может быть реализовано в дисплеях, работающих в режиме бегущей строки, где статическая картинка перемещается вдоль определенного направления. Преимуществом изобретения является возможность создания как двумерного, так и трехмерного изображения. Такие устройства могут быть использованы в качестве рекламных конструкций, элемента шоу или для дизайнерских решений. Например, это устройство может быть частью внешней рекламной вывески коммерческого предприятия. Крупногабаритное устройство такого типа может быть использовано как самостоятельное демонстрационное средство шоу или музейной выставки. В частности, такое устройство может быть использовано для популяризации современных научных разработок, включая современные разработки в области квантовых технологий.
Уровень техники
Из уровня техники известны различные проекционные экраны, формируемые обычно из тумана или водяных завес. (RU2514084, RU2474854, RU2106671, CH647605, DE3130638, GB2220278, US5067653, US5270752, US5989128, KR19950016820, KR101771123, EP2541954) Принцип их действия основан на том, что изображения проецируют дополнительным устройством на сформированную из тумана поверхность.
Из уровня техники также известны различные аэрозольные проекционные экраны (RU2508603, RU2278405, JP1995056235, WO 2011117721, WO2012131554, CN108681203, WO2019035105), где плоский непрерывный поток аэрозоля вводится с помощью ламинаризатора в транспортирующий ламинарный поток, ограничивающий рабочий объем локализации пространственного изображения коробом. А изображение на ламинарном потоке создается с помощью цифрового светового проектора, расположенного вне конструкции экрана. Недостатком таких устройств является невозможность создания изображения непосредственно с помощью аэрозоля, который в известных технических решениях выполняет лишь роль экрана, что по своей сути не обеспечивает возможности формирования пространственного изображения непосредственно из газовых и/или аэрозольных сред без использования проекторов. Другим недостатком является сложность создания трехмерного изображения на основе известного принципа.
Наиболее близким к заявляемому устройству являются дисплеи на основе капель воды, называемые искусственными водопадами или цифровыми водяными занавесами (RU118887U1, RU146437U1), где изображение формируется по сходному принципу: массив из клапанов, управляемый ЭВМ, формирует в заданные моменты времени и из соответствующих клапанов падающие вертикально вниз капли воды. Данные конструкции используют в рекламных конструкциях или в качестве элемента внутреннего интерьера торговых, выставочных, музейных помещений. Несмотря на то, что создаваемое падающими каплями воды изображение привлекательно и необычно, оно обладает рядом недостатков: детализированное изображение может формироваться исключительно в вертикальной плоскости, изображение, растягиваясь, сильно деформируется в связи с ускоренным падением капель воды, устройство создает достаточно высокий уровень шума, при этом скорость падения капель не может регулироваться.
В отличие от капель воды, движение участков тумана в ламинарном потоке можно сделать равномерным и при этом управлять скоростью потока. Однако стоит отметить, что ламинарность потока сложнее контролировать, чем направление движения капель воды, а небольшой объем тумана (~1 см3) не так эффективно рассеивает свет, как капли воды, что создает определенные трудности при создании четкого и хорошо различимого в освещенном помещении изображения.
Технической проблемой является разработка устройства, обеспечивающего создание изображения по аналогичному с цифровым водяным занавесом принципом, на основе газовых и/или аэрозольных сред (включая туман) с получением движущегося изображения с возможностью регулирования скорости движения изображения. При этом устройство должно обеспечивать различимость изображения для типичных уровней освещенности внутри нерабочих помещений (коридоров, жилых комнат), то есть не ниже 100 Лк, а ламинарность потока должна быть обеспечена на достаточном протяжении вдоль движения потока, чтобы изображение было различимо, по меньшей мере, в течение 1 с.
Раскрытие сущности изобретения
Техническим результатом изобретения является разработка устройства, обеспечивающего создание движущегося изображения, формируемого из газовых и/или аэрозольных сред (включая туман).
Устройство позволяет формировать двумерные и трехмерные изображения с регулируемой скоростью перемещения изображения при сохранении высокого качества изображения с разрешением 3х3 см для двумерного изображения в интервале скоростей потока от 0.5 до 2 м/с и длительностью наблюдения различимого изображения не менее 1 с (например, до 2 с), уверенно наблюдаемого при уровне освещенности не ниже 100 Лк (например, до 300 Лк).
Технический результат достигается системой для формирования пространственного изображения в ламинарном воздушном потоке, включающей, короб, ограничивающий рабочий объем локализации пространственного изображения в ламинарном воздушном потоке, формируемом посредством подачи газовой и/или аэрозольной среды, выполненный с возможностью наблюдения изображения, имеющий вход и выход для воздушного потока, устройство для формирования пространственного изображения, включающее, по меньшей мере, один блок электромагнитных клапанов, содержащий, по меньшей мере, два резервуара, предназначенные для газовых и/или аэрозольных сред, используемых для формирования пространственного изображения и отличающихся коэффициентом рассеяния света; N электромагнитных клапанов, где N > 1, расположенных со стороны входа короба, каждый из которых имеет, по меньшей мере, два входных канала, подключенных к соответствующим резервуарам, выходной канал, и средство переключения входных каналов для соединения с выходным каналом; блок питания, электронный блок для управления клапанами, содержащий электронные драйверы, подключенные к цифровому программируемому устройству; блок вентиляторов, содержащий, по меньшей мере, один вентилятор, расположенный со стороны выхода короба с обеспечением протока воздуха через короб (создания разряжения внутри короба для формирования воздушного потока, проходящего через короб), ламинаризатор воздушного потока, расположенный со стороны входа короба до или после блока электромагнитных клапанов, выполненный с возможностью устранения турбулентных вихрей из входного потока воздуха; средство подсветки изображения, размещенное в коробе, включающее, по меньшей мере, один источник света;
Кроме того, короб может быть выполнен прямоугольным в сечении, одна из стенок короба может быть выполнена из оптически прозрачного материала (т.е. является смотровой) для наблюдения (визуализации) изображения, при этом противоположная стенка со стороны ее внутренней поверхности может быть выполнена с коэффициентом поглощения видимого света от 0,8 и выше для минимизации бликов от источника света, а вход и выход размещены со стороны других противоположных друг другу стенок короба, перпендикулярных стенке из оптически прозрачного материала, выполненных проницаемыми для воздуха.
В одном из вариантов осуществления изобретения резервуары блока электромагнитных клапанов могут быть сформированы в протяженном полом корпусе разделением его объема на полости продольной перегородкой.
При этом корпус для резервуаров блока электромагнитных клапанов может иметь прямоугольный, или круглый, или овальный профиль поперечного сечения при расположении корпуса в коробе, или каплеобразный профиль поперечного сечения при расположении корпуса за пределами короба (рабочего объема формирования пространственного изображения).
Кроме того корпус для резервуаров блока электромагнитных клапанов может быть снабжен металлическими направляющими или кронштейнами для крепления драйверов, выполненными с возможностью подключения к источникам питания и контактным площадкам на драйверах.
Как правило, площадь поперечного сечения каждого резервуара превышает суммарную площадь отверстий для подключения к соответствующим клапанам.
В одном из вариантов осуществления изобретения блок электромагнитных клапанов может содержать два резервуара, один из которых предназначен для размещения газовоздушной среды, второй - для аэрозольной среды, в качестве которой использована взвесь мельчайших капель воды в газе в виде тумана, при этом резервуары соединены с источниками тумана и воздуха.
Источники тумана и воздуха могут быть расположены с противоположных сторон от блоков электромагнитных клапанов (источник тумана расположен снизу от блоков электромагнитных клапанов, источник воздуха - сверху).
Резервуары для воздуха и тумана, как правило, содержат вентиляционное отверстие, необходимое для поддержания в резервуарах атмосферного давления и соединяющее их с атмосферой, превосходящее по площади суммарное поперечное сечение всех подкрашиваемых туманом струй.
В системе в качестве источника тумана может быть использован, по меньшей мере, один ультразвуковой генератор тумана, погруженный в бак с водой, соединенный с резервуаром для тумана.
Электромагнитные клапаны в блоке расположены в ряд на равноудаленном расстоянии друг от друга.
В системе могут быть использованы бистабильные электромагнитные клапаны.
-4
3
Электромагнитные клапаны могут быть выполнены с возможностью формирования потоков с ламинарным течением среды при скоростях потока до 1.5 м/с, расходе воздуха до 10 м/c и скорости переключения электромагнитного клапана до 50 раз в секунду, с обеспечением перепада давления на клапане, реализуемого блоком вентиляторов.
В одном из вариантов осуществления изобретения клапан содержит три трубки, имеющие Y - образное соединение, две из которых образуют входные каналы для двух потоков газовых и/или аэрозольных сред, отличающихся коэффициентом рассеяния света, третья - выходной канал, при этом клапан выполнен с плавным переходом входных каналов в выходной.
Трубки, содержащие входные каналы, могут быть расположены под углом между осями трубок, до 90 градусов.
Трубки клапана могут быть выполнены круглого сечения с одинаковой площадью поперечного сечения по длине трубки, при этом заслонка имеет форму эллипса с эксцентриситетом, определяемым углом соединения трубок.
Предпочтительно клапан содержит четыре постоянных магнита, расположенные попарно между трубками, которые соответствуют входным каналам корпуса.
Помимо этого средство переключения входных каналов для соединения с выходным каналом включает шторку, имеющую перекрывающую каналы часть - заслонку, ось и рычажную часть, при этом заслонка расположена в области соединения двух входных каналов и выполнена с возможностью перемещения из одного положения, обеспечивающего перекрытие первого входного канала, во второе положение, обеспечивающего перекрытие второго входного канала, по меньшей мере, два постоянных магнита, расположенные между трубками, которые соответствуют входным каналам корпуса, при этом шторка снабжена электромагнитом, размещенным на ее рычажной части с возможностью перемещения между постоянными магнитами при подаче на электромагнит импульсов тока.
Шторка, как правило, выполнена из ферромагнитного материала с относительной магнитной проницаемостью не менее 20.
Клапан выполнен с возможностью поворота шторки на угол до 90 градусов.
Заслонка имеет форму, соответствующую форме сечения в месте соединения трубок с входными каналами.
Кроме того, расстояние между электромагнитом на рычажной части шторки и постоянными магнитами в крайних положениях шторки может составлять не более 1 мм.
Рычажная часть шторки может быть снабжена выступами для установки катушек электромагнита.
Клапан может быть снабжен корпусом, выполненным с посадочными местами для оси шторки, расположенными вблизи места соединения трубок, и посадочными местами для постоянных магнитов, при этом корпус клапана снабжен упорами, ограничивающими угол поворота шторки, и препятствующими достижению шторкой плоскости симметрии постоянных магнитов.
Корпус клапана может быть снабжен крышкой, выполненной с возможностью герметизации технологического зазора, выполненного для установки шторки внутрь клапана, в месте соединения трубок с входными каналами, при этом посадочные места для размещения постоянных магнитов, углубление для размещения оси шторки и крепежные отверстия выполнены в упомянутой крышке.
Конструкция электронного драйвера в одном из вариантов осуществления изобретения включает H-мост, предназначенный для коммутации электромагнита клапана в требуемой полярности; переключающий D-триггер, предназначенный для подачи сигнала о текущем состоянии клапана на H-мост; дифференцирующую RC-цепь, обеспечивающую возможность переключения клапана импульсным током; транслирующий D-триггер, предназначенный для передачи сигнала о текущем состоянии клапана между соседними драйверами; цепь задержки, включающую интегрирующую RC-цепь и триггер Шмитта, предназначенный для поочередного переключения клапанов с возможностью сглаживания пиковой нагрузки на блок питания.
Цифровое программируемое устройство выполнено в виде микроконтроллера или компьютера. Микроконтроллер или компьютер содержит три цифровых выхода, два из которых имеет частоту, по меньшей мере, N кГц - один подключен к информационному входу транслирующего D-триггера, второй - к тактовому входу транслирующего D -триггера, а третий цифровой выход имеет частоту, по меньшей мере, 50 Гц и подключен к тактовому входу переключающего D-триггера, входного (первого) драйвера.
При расположении блока электромагнитных клапанов после ламинаризатора, блок клапанов может быть размещен в кожухе с выходами, подключенными к выходным каналам клапанов блока, при этом кожух имеет каплеобразную форму поперечного сечения, обеспечивающую сохранение ламинарности формируемого клапаном выходного потока.
В системе блок вентиляторов предпочтительно выполнен с обеспечением перемещения воздушного потока через короб со скоростью от 0,5 до 1.5 м/с.
Источник света может быть расположен со стороны стенки из оптически прозрачного материала перпендикулярно направлению перемещения воздушного потока.
В качестве ламинаризатора воздушного потока могут быть использованы массивы параллельных трубок, представляющие собой множество воздушных каналов, сонаправленных с воздушным потоком и плотно упакованных (гексагонально или тетрагонально) в перпендикулярной направлению потока плоскости. Трубки ламинаризатора могут иметь диаметр, равный или меньше диаметра выходного канала электромагнитного клапана, при этом длина трубки может превосходить ее диаметр, по меньшей мере в 8 раз.
Для формирования двумерного изображения устройство может содержать, по меньшей мере, один блок электромагнитных клапанов, для формирования объемного изображения устройство содержит, по меньшей мере, два блока электромагнитных клапанов.
В заявляемом изобретении изображение создается благодаря использования блока клапанов, содержащего массив электромагнитных клапанов, управляемых цифровой электроникой. Достижению технического результата способствует отказ от непрерывного потока аэрозоля и его подачи исключительно через переключаемые клапаны. При этом клапаны в любой момент времени подают либо воздух, либо аэрозоль, что позволяет избежать ситуации отсутствия источника струи ламинарного потока, приводящей к возможной турбулизации потока. Последовательное подключение драйверов позволяет подключать большое количество клапанов с удовлетворительным разрешением получаемого изображения в первом измерении. Удовлетворительному разрешению во втором измерении (в направлении движения потока) способствует использование высокоскоростных клапанов. Осуществлению возможности получения 3D изображения и разрешения в третьем измерении способствует использование нескольких расположенных рядом блоков клапанов. Стабильный во времени и протяженный в пространстве вдоль направления течения ламинарный поток, позволяющий удержать на протяжении достаточного времени различимое изображение, достигается за счет использования ламинаризатора на входе воздушного потока в короб и за счет протекания воздуха в закрытом объеме, что позволяет избежать влияния воздушных потоков и турбулентностей снаружи устройства. Различимость изображения при типичных для закрытых помещений уровнях освещенности достигается за счет использования яркой подсветки, использования темного поглощающего свет фона, а также отсутствия бликов от освещения в сторону наблюдателя в силу направленности источника света под углом к фону.
Краткое описание чертежей
Изобретение поясняется следующими чертежами, где
на фигуре 1 представлен пример исполнения блока клапанов с прямоугольным сечением корпуса для формирования 2-мерного изображения;
на фигуре 2 - пример расположения нескольких блоков клапанов для формирования 3-мерного изображения;
на фигуре 3 - пример расположения и последовательного подключения драйверов электромагнитных клапанов;
на фигуре 4 - блок клапанов с обтекаемым экраном;
на фигуре 5 - принципиальная электронная схема управления клапанами;
на фигуре 6 - схема формирования изображения: вид спереди и поперечное сечение блока (короба) воспроизведения изображения;
на фигуре 7 - пример реализации системы, содержащей заявляемое устройство формирования изображения, вид сверху;
на фигуре 8 - пример соединения резервуаров нескольких блоков клапанов с источниками воздуха и тумана.
на фигуре 9 изображена принципиальная схема работы электромагнитного клапана;
на фигурах 10 - 12 представлена трехмерная модель корпуса электромагнитного клапана, демонстрируемая с трех разных сторон, при этом на фигурах 11 и 12 представлена трехмерная модель корпуса электромагнитного клапана вместе с крышкой;
на фигуре 13 представлена форма шторки клапана;
на фигуре 14 схематично представлено поперечное сечение расположения шторки относительно постоянных магнитов в двух разных устойчивых состояниях.
Позициями на чертежах обозначены: 1 - короб с рабочим пространством внутри; 2 - смотровые стенки из прозрачного материала; 3 - темная фоновая стенка; 4 - ламинаризатор на входе воздушного потока в короб; 5 - блок вентиляторов на выходе воздушного потока; 6 - средство подсветки изображения; 7 - блок электромагнитных клапанов; 8 - резервуар с аэрозолем; 9 - резервуар с воздухом; 10 - место установки клапанов на резервуар; 11 - электромагнитный клапан для переключения источника ламинарной струи; 12 - ламинарная струя, выходящая из клапана; 13 - участок струи ламинарного потока, подкрашенный туманом; 14 - обтекаемый экран блока клапанов; 15 - вентиляционные отверстия резервуаров; 16 - бак с водой; 17 - вода; 18 - ультразвуковой генератор тумана; 19 - корпус блока клапанов; 20 - продольная перегородка; 21 - соединение воздушного резервуара с клапаном (первый вход электромагнитного клапана); 22 - соединение аэрозольного резервуара с клапаном (второй вход электромагнитного клапана); 23 - цифровое устройство управления блоком клапанов; 24 - драйверы управления электромагнитными клапанами; 25 - шлейф проводов, соединяющий первый драйвер в массиве с микроконтроллером или с соседним блоком клапанов; 26 - шлейф проводов, соединяющий два соседних драйвера электромагнитного клапана; 27 - металлические стержни, выполняющие роль шин питания и направляющих для крепления драйверов и корпуса; 28 - транслирующий D-триггер; 29 - переключающий D-триггер; 30 - цепь задержки тактового сигнала, состоящая из интегрирующей RC-цепочки и триггера Шмитта; 31 - H-мост, соединяющий электромагнитный клапан с источником питании с нужной полярностью; 32 - обмотка электромагнитного клапана; 33 - дифференцирующие RC-цепочки для создания импульса тока при изменении текущего положения клапана; 34 - входной канал для входного потока воздушной или аэрозольной среды в клапане; 35 - выходной канал для выходного потока воздушной или аэрозольной среды из клапана; 36 - часть шторки, перекрывающая один из двух потоков (заслонка); 37 - рычажная часть шторки; 38 - заострения, выполняющие роль оси шторки; 39 - электромагнит, закрепленный на шторке клапана; 40 - поперечное сечение шторки. (шторка изображена дважды в обоих своих положениях равновесия); 41 - постоянные магниты; 42 - обмотка электромагнита; 43 - посадочные места оси шторки; 44 - посадочные места постоянных магнитов; 45 - упоры, ограничивающие движение шторки и одновременно служащие уплотнением; 46 - технологический зазор для возможности установки шторки внутрь клапана; 47 - плоскость симметрии магнита; 48 - крышка клапана; 49 - отверстия для болтового соединения крышки и основного корпуса; 50 - сформированное изображение; 51 - выступы для намотки/установки электромагнита.
Осуществление изобретения
Далее представлено более подробное описание заявляемого изобретения, демонстрирующее возможность достижения заявленного технического результата. Настоящее изобретение может подвергаться различным изменениям и модификациям, понятным специалисту на основе прочтения данного описания. Такие изменения не ограничивают объем притязаний. Например, для формирования двумерного или трехмерного пространственного изображения могут быть использованы различные газовые и/или аэрозольные среды, отличающиеся коэффициентом рассеяния света; может быть использовано различное количество блоков электромагнитных клапанов, короб может быть выполнен из различных материалов и иметь различные размеры, электромагнитные клапаны могут быть заменены на пневматические и т.д.
В одном из вариантов осуществления изобретения система для формирования пространственного изображения в ламинарном воздушном потоке (фиг. 1-7) содержит короб 1, имеющий форму вытянутого параллелепипеда, внутренний объем которого является рабочим пространством для формирования пространственного изображения. Две из четырех протяженных граней параллелепипеда, прилегающие друг к другу, выполнены из оргстекла и являются смотровыми стенками 2 для наблюдения формируемого в рабочем пространстве изображения. Две другие протяженные стенки короба (грани) 3 являются фоновыми для изображения, могут быть выполнены из любого материала, например, из листа фанеры, и покрыты изнутри черной матовой краской. На одном из торцов короба вместо непроницаемой для воздуха стенки размещен ламинаризатор воздушного потока 4, представляющий собой массив сонаправленных трубок круглого сечения, упорядоченных в плотную гексагональную упаковку - сотовый ламинаризатор воздушного потока. На другом торце короба в его стенку встроен блок из вентиляторов 5, установленных таким образом, чтобы вытягивать воздух из короба. Короб 1 снабжен средством подсветки изображения 6, в качестве которого может быть использована светодиодная лента, установленная вдоль ребра между смотровыми стенками короба с его внутренней стороны вдоль всей длины рабочего пространства. Ключевым элементом системы является блок 7 электромагнитных клапанов 11. Блок электромагнитных клапанов содержит два вытянутых резервуара 8 и 9, разделенных перегородкой. В резервуарах предусмотрены посадочные места 10 для крепления электромагнитных клапанов 11, устанавливаемых в один ряд вдоль резервуара. Каждый клапан в одном стабильном положении соединяет свою выходную трубку, предназначенную для выходного потока среды (выходной канал 35) для формирования изображения, являющуюся источником ламинарной струи 12, с одним из двух резервуаров 8 или 9. Блок 7 электромагнитных клапанов может быть расположен за пределами короба 1, непосредственно за ламинаризатором 4 воздушного потока, как показано на фиг. 6, так и внутри короба в рабочем пространстве, как показано на фиг. 7. Во втором случае блок клапанов оснащается обтекаемым экраном 14 (фиг.4). Резервуары 8 и 9 блоков клапанов соединены с атмосферным воздухом с помощью отверстий 15 и находятся под атмосферным давлением. В случае использования нескольких блоков клапанов для создания трехмерного изображения соответствующие резервуары блоков могут быть соединены друг с другом в единый резервуар, как показано на фиг. 2. Снизу от резервуара для тумана расположен бак 16 с водой 17, с размещенными в воде ультразвуковыми генераторами тумана 18.
Корпус 19 блока 7 клапанов 11 имеет форму прямоугольного параллелепипеда, разделенного на два равных резервуара 8 и 9 продольной перегородкой 20. Один из резервуаров наполняют обыкновенным воздухом, а другой - аэрозолем или туманом. Соединения 20 и 21 соответствующих резервуаров с электромагнитными клапанами 11 могут быть реализованы с помощью отверстий в стенке корпуса, расположенных в два ряда вдоль перегородки: по два отверстия для каждого клапана. Каждый клапан имеет, по меньшей мере, два входных канала 34 и один выходной канал 35. Управление массивом клапанов осуществляется цифровым устройством 23, в качестве которого может быть использован микроконтроллер (фиг.5) с тремя цифровыми выходами: одним информационным, двумя тактовыми. Цифровые выходы микроконтроллера присоединены к массиву драйверов 24 с помощью шлейфа из проводов 25. Драйверы соединены последовательно попарно с помощью шлейфа 26, состоящего из таких же проводов. Положительное напряжение питания и нуль подведены к платам с помощью металлических стержней 27 прямоугольного сечения, одновременно выполняющих роль направляющих для крепления корпуса блока и драйверов клапанов. Каждый драйвер клапана содержит два D-триггера: транслирующий 28 и переключающий 29. Выходы транслирующих триггеров соединены с входом аналогичного триггера следующего драйвера в цепи для последовательной передачи данных по массиву драйверов, а также с входом переключающего триггера в пределах текущего драйвера. Текущее положение каждого клапана записано в цифровом виде на драйвере с помощью переключающего D-триггера. Вход первого транслирующего триггера соединен с информационным выходом микроконтроллера. Тактовые выходы микроконтроллера подсоединены к тактовым входам D-триггеров CLK: напрямую к транслирующим триггерам, и через последовательную цепь задержки 30 к переключающим. Выход каждого переключающего D-триггера подсоединен к входам H-моста 31, выходы которого соединены с обмоткой электромагнитного клапана 32 через дифференцирующую цепь 33. Для создания трехмерного движущегося в потоке изображения блоки клапанов расположены рядом, как показано на фиг.2, а драйверы разных блоков подключены последовательно к одному микроконтроллеру.
Клапан (фиг.9-14) содержит Y-образный полимерный корпус, состоящий из трех соединяющихся трубок: две из которых формируют каналы 34 для входных потоков, третья - для выходного потока 35. Клапан содержит шторку (фиг.13), предназначенную для переключения входных потоков, состоящую из следующих основных частей: заслонки 36, рычажной части 37, оси 38, выступов для установки/намотки электромагнита 39. Шторка может быть выполнена из тонколистного (0.1 - 0.3 мм) ферромагнитного материала и имеет два стабильных положения 40, соответствующих перекрытию одного из входных каналов. Стабильность этих положений обусловлена притяжением к одной из пар постоянных магнитов 41. Для перемещения между стабильными положениями на шторке установлена обмотка электромагнита 42, состоящая из двух сонаправленных частей и подключенных последовательно друг с другом. Для установки шторки в корпусе предусмотрены посадочные места в виде углублений 43, соответствующих по форме оси шторки. Для установки магнитов предусмотрены посадочные места 44, позволяющие установить магниты максимально близко к электромагниту, убрав материал корпуса между ними. Максимальный угол поворота шторки ограничен упорами 45, к которым заслонка прислоняется в стабильном положении, при этом рычажная часть не достигает плоскости симметрии магнитов 46.
Заслонка 36 имеет форму, соответствующую увеличенному на десятые доли миллиметра сечению канала, сделанному под углом, равным углу поворота между входной и выходной трубкой в месте их соединения. Увеличение необходимо, чтобы заслонка 36 упиралась, не проваливаясь в упоры 45, и перекрывала канал полностью без зазоров. Для возможности установки шторки внутрь клапана у его корпуса выполнен технологический зазор 47 и предусмотрена крышка 48 для закрытия данного зазора после установки шторки. Крышка может быть прикреплена к корпусу с использованием сквозных отверстий 49 при помощи болтовых соединений или саморезов.
Изображение формируется в ламинарном потоке воздуха его «подкрашиванием» посредством упорядоченной подачи аэрозольной среды, например, в виде взвеси мельчайших капель воды в газе, создающих эффект тумана, при этом упорядоченность нарушается при приближении сформированного изображения к выходу из короба, создавая визуальный эффект рассеяния изображения.
Работа устройства разделяется на несколько процессов: генерация тумана, создание ламинарного потока, подкрашивание ламинарного потока участками струй с туманом, подсветка.
После запуска блока вентиляторов 5, в рабочем пространстве формируется направленный поток воздуха. Турбулентные вихри, неизбежно присутствующие в атмосферном воздухе, устраняются с помощью ламинаризатора 4. Ламинарность потока нарушается лишь при приближении воздуха к блоку вентиляторов за счет того, что воздух проходит через закрытый объем, не содержащий преград для воздуха.
Ультразвуковой генератор 18 работает непрерывно, наполняя бак с водой туманом. Через некоторые клапаны 11 в процессе работы туман из бака с водой 16 вытягивается разницей давлений, создаваемой блоком вентиляторов 5, в рабочий объем. Для компенсации потраченной среды в резервуар с туманом 8 через отверстие 15 поступает атмосферный воздух. Таким образом, формируется направленный поток внутри резервуара. Аналогично действует и резервуар с воздухом 9 за исключением отсутствия генерации тумана.
В ходе работы каждый клапан 11 совершает большое количество переключений под управлением цифровой электроники. При каждом переключении изменяется вид выходящей в ламинарный поток струи: с тумана на воздух и наоборот. Два переключения одного клапана формируют подкрашенный туманом участок струи 13. Совокупность таких подкрашенных участков формирует движущееся в ламинарном потоке изображение 50 (фиг.6 и 7), которое остается практически неизменным до того момента, как этот участок окажется близко (менее 50 см) к блоку вентиляторов 5, где ламинарность потока нарушается, и картинка перемешиваясь исчезает, создавая оригинальный эффект.
Работа блока клапанов разделяется на циклы, в ходе которых каждый из N клапанов может переключиться не более одного раза. В начале цикла на информационном выходе микроконтроллера 23 выводится первый бит информации, который после тактового импульса на входе транслирующих D-триггеров 28 записывается на выход первого в массиве транслирующего D-триггера. Затем на информационном выходе микроконтроллера формируется второй бит. После второго аналогичного тактового импульса первый бит информации записывается на выход второго в массиве транслирующего D-триггера, а второй бит - на выход первого. Далее этот процесс повторяется до тех пор, пока первый бит информации не окажется записанным на выход последнего D-триггера в массиве под номером N. Таким образом, в массиве транслирующих триггеров оказывается закодирован участок формируемой картинки.
2
2
2
2
2
2
Микроконтроллер формирует тактовый импульс на входе переключающего D-триггера 29 первого драйвера в массиве, который приводит к записи бита информации с выхода транслирующего триггера 28 на выход переключающего 29. Аналогичный процесс осуществляется и для остальных драйверов. Однако благодаря цепи задержки 30 тактовый сигнал на вход переключающего триггера второго драйвера в массиве приходит с задержкой, пропорциональной RC интегрирующей цепи, а на вход переключающего триггера третьего драйвера с задержкой, пропорциональной 2RC, четвертого - 3RCи т.д. Задержка позволяет сгладить нагрузку на источник питания, избегая высоких пиковых нагрузок.
1
1
Если в результате какой-то из переключающих D-триггеров 29 меняет свое состояние, то это приводит к тому, что соответствующий ему H-мост 31 подключает обмотку 32 электромагнитного клапана к питанию. При этом полярность подключения питания соответствует знаку производной напряжения на выходе переключающего D-триггера. Подключение и соответствующий ему импульс тока имеет длительность, пропорциональную RC и выбирается исходя из характеристик клапана. Импульс тока приводит к кратковременному перекоммутированию выхода соответствующего электромагнитного клапана на один из входов 21 или 22. Использование импульса тока позволяет существенно уменьшить энергопотребление устройства.
Запись новых значений положения клапанов может быть произведена любым микроконтроллером или компьютером, имеющим три цифровых выхода частотой, по меньшей мере, N кГц, на одном из которых записывается бит информации, передаваемой первому драйверу в массиве, на втором идут тактовые импульсы для передачи данных по последовательно подключенной цепочке из драйверов, на третьем - тактовые импульсы, изменяющие текущее положение всех клапанов на новые.
Переключение шторки между стабильными положениями осуществляется при подаче на электромагнит 41 кратковременного импульса тока определенной полярности, приводящего к перемагничиванию рычажной части заслонки 37, включая ее выступы 51. После начала этого импульса как следствие возникает сила отталкивания между рычажной частью шторки и ближайшей к нему парой постоянных магнитов. Она вызывает поворот шторки вокруг оси по направлению к другой паре магнитов, поскольку шторка всегда располагается в зазоре 46 между плоскостями симметрии 47 постоянных магнитов 41. Между рычажной частью шторки и другой парой магнитов, напротив, действует сила притяжения, усиливающаяся по мере их приближения. Как только вторая пара магнитов окажется ближе к рычажной части шторки, чем первая, импульс тока может быть завершен. Далее шторка доходит до противоположного упора и останавливается в новом стабильном положении. Обратное переключение осуществляется подачей аналогичного импульса тока противоположного направления.
Заявленное устройство было реализовано следующим образом: короб имел длину 2 м, ширину и высоту 50 см. В качестве смотровых стенок выступали две примыкающие друг к другу стенки: верхняя и длинная боковая, изготовленные из оргстекла. В качестве фоновых стенок выступали листы фанеры, покрашенные черной матовой краской изнутри с коэффициентом поглощения более 0.9 (более 90%). Ламинаризатор воздушного потока представлял из себя массив плотно упакованных гексагональных трубок длиной 8 см и диаметром 5 мм. Блок вентиляторов состоял из 9 вентиляторов размером 12х12 см, работающих от сети 220 В. Регулировка скорости вращения вентиляторов осуществлялась с помощью семисторного регулятора мощности. Подсветка осуществлялась яркой диодной лентой длиной 1.9 метра и энергопотреблением 20 Вт/м и световым потоком 170 Лм/м., закрепленной на общем для двух смотровых стенок ребре короба с его внутренней стороны. Свет от ленты был направлен внутрь короба вниз по диагонали. Совокупность высокой яркости ленты и темного фона позволила наблюдать струи ламинарного потока при освещенности в помещении от 100 до 300 Лк.
Устройство содержало 4 блока клапанов по 13 клапанов в каждом из них. Блоки клапанов располагались за пределами короба, прилегая к ламинаризатору трубками-источниками подкрашиваемого ламинарного потока. Установка блока клапанов за пределами короба позволяет расположить блоки клапанов плотнее, не нарушая ламинарность потока, однако такое расположение не позволяет получить предельные значения разрешения по направлению вдоль потока вследствие размытия участка струи, подкрашенной туманом, при прохождении через ламинаризатор. Скорость переключения клапанов в совокупности с эффектом размытия струи в ламинаризаторе позволили создавать участки струй, подкрашенных туманом длиной в 5 см при скорости ламинарного потока до 1.5 м/с. С учетом шага в 3 см между клапанами в пределах одного блока разрешение картинки в плоскости составила 5х3 см, а с учетом ширины блоков, ограничивающей близкую установку массивов клапанов друг к другу в 10 см было получено разрешение 5х3х10 мм.
Простая геометрия короба, отсутствие преград для воздуха в виде выступов или резких изгибов внутри короба, закрытость короба и отсутствие влияния внешних потоков воздуха позволяют удерживать струи внутри единого ламинарного потока на довольно протяженном интервале. Нарушение ламинарности потока и перемешивание изображения начинает происходить для интервала скоростей потока от 0.5 до 1.5 м/с лишь при приближении струй к блоку вентиляторов на расстояние около 50 - 70 см. Это означает, что сформированное изображение хорошо различимо на протяжении примерно 1.5 м внутри рабочего пространства. Это означает, что в интервале скоростей потока от 0.5 до 0.75 м/с изображение можно было наблюдать не менее 2 с. При увеличении скорости потока до 1.5 м/c формируемое изображение наблюдалось около 1 с. Дальнейшее увеличение скорости потока вело к заметной турбулизации потока задолго до приближения струй к блоку вентиляторов. Уменьшение скорости потока ниже 0.5 м/с приводило к размытию участков струй, подкрашенных туманов, вследствие диффузии.
Ламинарность потока не нарушалась при плавных изгибах стенок короба с изменением его поперечного сечения как показано на фиг.13. Добавление таких изгибов позволяло получить эффект ускорения/торможения потока и соответственно его растяжения и сжатия на разных участках рабочего пространства.
2
Указанные выше характеристики блока клапанов были достигнуты следующим образом. Корпус выполнен из пластикового профиля с сечением 100х50 мм с толщиной стенки 3 мм. Перегородка имеет такую же толщину. Длина профиля составляет 400 мм. К корпусу присоединены 13 клапанов на расстоянии 30 мм друг от друга. Это расстояние определяет разрешение изображения в одном из измерений. В качестве клапанов выступают бистабильные электромагнитные клапаны со скоростью переключения до 50 раз в секунду, временем переключения 2 мс при подаче тока величиной 3 А через обмотку сопротивлением 1,7 Ом. Такой клапан позволяет получать подкрашенный аэрозолью участок струи длиной 30 мм при скорости потока 1.5 м/c. Этот параметр определяет разрешение изображения во втором измерении. Таким образом, разрешение изображения в плоскости составляет 3х3 см.
Максимальное разрешение изображения в третьем измерении в случае создания трехмерного изображения определяется шириной пластикового профиля и составляет 10 см.
В качестве устройства управления использован микроконтроллер с максимальной частотой цифровых выходов до 8 МГц. Высокая частота приводит к тому, что максимальное количество клапанов ограничено не микроконтроллером, а компромиссом в выборе источника питания. Номиналы резистора и конденсатора в дифференцирующей RC-цепи были выбраны для получения длительности импульса тока через обмотку клапана длительностью 2 мс.
Номиналы резистора и конденсатора в интегрирующей RC-цепи задержки выбираются исходя из максимальной мощности источника питания и количества используемых клапанов. Так, в случае использования блока питания мощностью 15 Вт, одновременно может быть запитан лишь один клапан. Тогда время задержки должно составить не менее 2 мс. С учетом длительности одного цикла работы блока клапанов (20 мс исходя из 50 переключений в секунду), это означает, что блок питания поддерживает максимально работу 10 клапанов. Поэтому для возможности подключения 100 клапанов был выбран источник мощностью 150 Вт при напряжении 5 В. Это означает, что через шину питания будет проходить пиковый ток величиной 30 А. Поэтому в качестве шины питания были выбраны латунные стойки сечением 4х2 мм.
Указанные выше характеристики клапана были достигнуты следующим образом. Корпус и крышка клапана были выполнены с помощью фотополимерной 3D-печати. Корпус с закрытой крышкой при этом имел следующие габаритные размеры: длина 65 мм, ширина 35 мм, высота 12 мм. Был выбран диаметр трубок 10 мм, с диаметром канала - 8 мм.
2
-4
3
Угол между трубками, содержащими входные каналы, был выбран равным 40°. Максимальный угол, при котором ламинарность потока удается поддерживать, составляет 90°, однако, чем меньше этот параметр, тем при более высоких скоростях потока это удается сделать. Так, для угла в 40°, ламинарность сохраняется для скоростей потока до 2 м/с, для 90° для скоростей потока до примерно 0.5 м/с. В то же время при очень малых значениях угла между входными трубками возникают трудности, связанные с размещением между ними магнитов, критически увеличивается необходимая длина заслонки. Скорость потока 2 м/с при сечении канала примерно 0.5 смпозволяет получить расход среды 10м/с. Полученные значения реализованы при перепаде давления на клапане величиной 200 Па.
В качестве постоянных магнитов использовались 4 неодимовых магнита с размерами 10x5x2 мм.
В месте соединения входных трубок находится полость, в которой перемещается шторка, отвечающая за переключение потоков. Шторка была вырезана с помощью лазерного гравера из листа конструкционной стали толщиной 0.1 мм, обладающей относительной магнитной проницаемостью около 100. В заявляемой конструкции клапана возможно использование более магнитомягкого материала с меньшей коэрцитивной силой, в идеале приближенной нулю, для упрощения его перемагничивания импульсом тока. В то же время этот материал должен обладать лучшей теплопроводностью для отвода тепла от электромагнита, т.к. именно через непрерывно обдуваемую заслонку происходит основной теплоотвод. Оптимальными свойствами обладает конструкционная сталь. Толщина 0.1 мм - минимальная толщина такого материала, обеспечивающая достаточную жесткость шторки. Толщина заслонки от 0,1 мм до 0,3 мм позволяет минимизировать ее массу, и, как следствие, увеличить скорость переключения устройства.
Максимальный угол поворота шторки определяется углом между трубками, содержащими входные каналы, однако оптимальным всегда будет являться чуть меньшее значение, в описываемом случае 32°. В альтернативном варианте возможно увеличение габаритных размеров клапана по высоте. Это связано с необходимостью размещения магнитов между входными трубками и, при этом, шторка не должна доходить до плоскости симметрии магнитов.
Сама шторка состоит из трех частей: эллиптической заслонки длиной 19 мм и шириной чуть больше диаметра каналов (9 мм), оси, выполненной в виде параболических заострений длиной 2 мм, рычажной части длиной 16 мм, выступов длиной 8 мм и величиной 2 мм. На выступы наматывается электромагнит или надевается готовый электромагнит из медного обмоточного провода диаметром 0.1 мм, состоящего из 50 витков.
Переключение шторки в такой геометрии между стабильными положениями осуществлялось импульсами тока длительностью 2 мс и величиной 3 А. Между переключениями необходимо выдержать интервал длительностью около 18 мс во избежание перегрева электромагнита. Его достаточно быстрое остывание обеспечено непрерывным обдувом шторки воздухом или аэрозолью из одного из входных потоков. Таким образом, шторка обеспечивала переключение до 50 раз в секунду. При этом ламинарность потока нарушается лишь в короткие интервалы времени в момент переключения длительностью около 2 мс.