Использование методов импульсной модуляции в медицинских озонаторах

А.В. Кипенский, Р.С. Томашевский, Н.В. Махонин, А.А. Коробка ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МЕТОДОВ ИМПУЛЬСНОЙ МОДУЛЯЦИИ В МЕДИЦИНСКИХ ОЗОНАТОРАХ

Национальный Технический Университет «ХПИ»

Харьков, Украина

Кипенский Андрей Владимирович - e-mail: kavkpi@ukr.net

Резюме: Проанализированы различные способы регулирования параметров озоно-кислородной смеси в медицинских озонаторах. Показана целесообразность использования методов импульсной модуляции для регулирования концентрации озона в озоно-кислородной смеси и ее расхода.

Summary: Different methods of regulation parameters of ozone-oxygen mixture in medical ozone generators are analyzed. The expediency of the use of pulse modulation methods for adjusting the concentration of ozone in the ozone-oxygen mixture and its flow rate is shown.

Для получения озона в медицинских озонаторах наиболее часто используют электрофизический метод, состоящий в создании объемного барьерного разряда в газовом промежутке разрядной камеры (РК), через который пропускают медицинский кислород [1, 2]. Источником кислорода для озонатора, как правило, являются баллоны с медицинским кислородом или кислородная сеть медицинского учреждения, значительно реже используются кислородные концентраторы. Барьерный разряд в РК возникает под действием высоковольтного переменного напряжения, которое прикладывается к ее электродам, разделенным одним или двумя изоляторами и газовым промежутком. В результате этого на выходе РК образуется озоно-кислородная смесь (ОКС), которая характеризуется двумя основными параметрами -объемной скоростью (расход) и концентрацией озона (КО) в ОКС.

Регулирование КО в ОКС обычно достигается за счет изменеия амплитуды переменного напряжения, которое прикладывается к электродам РК. При этом регулировочная характеристика (зависимость КО в ОКС от амплитуды приложенного переменного напряжения) будет иметь три характерных участка. На первом участке синтез озона будет практически отсутствовать из-за недостаточности напряжения на электродах РК для создания устойчивых разрядов. Второй участок является рабочим и, именно на нем возможно изменение КО в ОКС в некотором диапазоне. Третий участок характеризуется повышенной интенсивностью возникновения разрядов, что, с одной стороны, способствует повышению КО в ОКС, а с другой стороны приводит к повышению температуры внутри РК и, следовательно, к ускорению процесса разложения озона. Таким образом, для регулирования КО в ОКС возможно использование только второго (довольно непродолжительного) участка. Поскольку диапазон вариьрования КО в ОКС в медицинских озонаторах составляет порядка 1:1000,

то обеспечение такого диапазона оказывается далеко не всегда возможно лишь за счет регулирования амплитуды переменного напряжения, которое прикладывается к электродам РК.

Для обеспечения управления изменением КО в ОКС было предложено использовать импульсную модуляцию переменного напряжения на электродах РК [3]. Такой прием, во-первых, позволяет обеспечивать на электродах РК напряжение, необходимое для устойчивого образования разрядов, а во вторых -изменять мощность электрической энергии, подводимой к РК в широком диапазоне и с достаточно большой точностью. Сочетание методов частотно-импульсной и широтно-импульсной модуляции нашло применение, в частности, в медицинском озонаторе ОМ 80, где регулирование КО в ОКС было обеспечено в диапазоне 1:800 [4]. Однако здесь следует отметить, что указанный диапазон варьирования КО в ОКС был достигнут не только за счет импульсной модуляции переменного напряжения, но и за счет изменения его амплитуды. Для решения этой задачи рассматривались различные варианты, но наиболее эффективным оказался тот, который предполагает выпрямление переменного напряжения питающей сети, сглаживание его пульсаций, регулирование методом широтно-импульсной модуляции (ШИМ) и последующее инвертирование [5]. Такой вариант регулирования при наличии соответствующей обратной связи, позволяет также обеспечивать инвариантность напряжения на РК к изменениям напряжения питающей сети, т.е. компенсировать влияние входных возмущений на процесс синтеза озона.

Регулирование расхода ОКС через пневматический тракт озонатора обычно осуществляется двумя путями [6]. Первый состоит в том, что изменяют площадь поперечного сечения пневматического тракта, для чего используют специальные вентили. Однако такой путь позволяет обеспечивать заданный расход ОКС лишь при условии, что давление кислорода на входе озонатора изменяться не будет, а пневматическое сопротивление на его выходе будет иметь некоторое постоянное значение. В медицинских учреждениях обеспечение таких условий практически не реально.

Второй путь регулирования расхода ОКС через пневматический тракт озонатора состоит в изменении давления кислорода на его входе. Такая задача может быть решена с помощью автоматического регулятора, который благодаря наличию обратной связи, позволит не только изменять давление кислорода, но и обеспечит его стабилизацию. При этом, также как и в предыдущем случае, расход ОКС задается вручную, а для его измерения необходим специальный прибор.

Рассмотренные принципы изменения расхода ОКС были использованы в свое время в некоторых медицинских озонаторах, однако современные тенденции медицинского озонаторостроения предполагают автоматизацию всех процессов синтеза ОКС с заданными параметрами, включая и процесс управления расходом. Автоматическая система управления расходом была предложена в работе [7]. В этой системе последовательно с регулятором давления был включен стабилизатор давления, который обеспечивал стабильность перепада давления на краях пневматического тракта озонатора. Дискретное регулирование расхода ОКС по

двоичному принципу осуществлялось дроссельно-клапанным блоком. Испытания озонатора с такой системой изменения расхода ОКС показали, что она обеспечивает расход с отклонением от заданного значения не более чем 5 %, как при изменении давления кислорода на входе озонатора на ± 50 %, так и при изменении сопротивления нагрузки во всем реальном диапазоне [8]. Однако массогабаритные показатели дроссельно-клапанного блока оставляют желать лучшего. Именно поэтому такую систему целесообразно использовать только тогда, когда необходимы строгое дозирование расхода ОКС и его стабилизация при наличии значительных возмущающих факторов.

В результате дальнейшего исследования систем и принципов регулирования расхода ОКС было установлено, что существенно улучшить массогабаритные показатели пневматической части озонатора возможно при использовании методов импульсной модуляции для управления электромагнитным клапаном, установленным в его пневматическом тракте [9]. Экспериментальные исследования такой системы показали, что при различных значениях давления (от 25 до 100 кПа) кислорода на входе озонатора и при различных значениях пневматического сопротивления нагрузки (все реальные виды) на его выходе, отклонения фактического значения расхода ОКС от заданного значения не превышали 10 %. При этом (по сравнению с дроссельно-клапанной системой [7]) система с широтно-импульсной модуляцией потока ОКС оказалась в выигрыше и по массе (более 10 раз) и по габаритам (более 5 раз).

Для реализации микропроцессорных систем управления (МПСУ) энергетическими и вещественными потоками в медицинских озонаторах была использована теория цифро-импульсных и импульсно-цифровых преобразований [10]. На рис. 1 приведена функциональная схема МПСУ, которая позволяет регулировать параметры ОКС методами широтно-импульсной или частотно-импульсной модуляции.

Рис. 2. Временные диаграммы формирования управляющего импульсов

Управляющее воздействие ЫУ в такой системе формируется информационно-вычислительным блоком (ИВБ) с учетом сигнала N задания и

Рис. 1. Микропроцессорная система управления

сигнала ЯОС обратной связи по регулируемому параметру. Если для регулирования параметра используется метод широтно-импульсной модуляции, то в функции управляющего воздействия вычисляется число Ы2 = /¡(Жу), а число Ы\ выбирается с учетом требуемого значения частоты /с синхронизации

#1=/ш//с,

где /ТИ - частота тактовых импульсов (см. рис. 2, а).

Преобразование числа N в последовательность синхронизирующих импульсов иС, следующих с частотой /С, осуществляется в цифро-импульсном преобразователе (ЦИП) с частотно-импульсным законом преобразования (ЧИП) путем уменьшения числа N на единицу с приходом каждого из тактовых импульсов иТИ, которые следуют с периодом Тта (рис. 2, а, б). По окончании отсчета числа N1 на выходе ЦИП с ЧИП формируется импульс синхронизации ис. Период следования этих импульсов будет равен Тс = А^Тти-

Формирование последовательности управляющих импульсов и у с длительностью гу осуществляется в ЦИП с широтно-импульсным законом преобразования (ШИП). Появление синхронизирующего импульса иС на входе этого преобразователя приводит к формированию фронта управляющего импульса иу на его выходе (рис. 2, в, д). Срез этого импульса формируется по окончании отсчета числа Ы2, который осуществляется путём его уменьшения на единицу с приходом каждого тактового импульса мти (рис. 2, поз. а, г, д). Длительность ту управляющих импульсов и у при этом будет определяться выражением

Ту — М2 • Тш.

В том случае, когда для регулирования используется метод частотно-импульсной модуляции, в функции управляющего воздействия вычисляется число N1 = /г^у), а число N2 выбирается с учетом требуемого значения длительности гу управляющих импульсов иу.

Если МПСУ используется для стабилизации и регулирования выпрямленного и сглаженного напряжения Щ питающей сети, то выражение для среднего значения 17ср такого напряжения будет иметь вид

ис,=иА-ту/Тс.

При регулировании КО в ОКС методом импульсной модуляции переменного напряжения с амплитудой ит, которое прикладывается к электродам РК, его среднедействующее значение иСщ может быть определено как

ист=ит.гуЦс.4~2\

При периодическом открывании и закрывании электромагнитного клапана с целью управления расходом ОКС, его среднее значение @ср в первом приближении будет определяться выражением

<2ср=<2ш-Ту/Тс,

где Qm - расход ОКС через открытый клапан.

Наличие заваленного фронта и затянутого среза у импульса расхода вносит некоторую поправку в последнее выражение (5), однако, путем незначительного

усложнения алгоритма управления обеспечивается регулирование и стабилизация расхода ОКС с погрешностью не более 10% [11].

В заключение следует отметить, что использование методов импульсной модуляции в медицинских озонаторах позволяет, прежде всего, обеспечить точную отработку всех заданных параметров ОКС, а также способствует улучшению массогабаритных показателей систем регулирования энергетических и вещественных потоков.

Литература:

1. Карпенко А.И., Косарев А.В. Широкодиапазонный генератор озона / Патент РФ №2193521. Подача заявки: 20.06.2000. Дата публикации патента: 27.11.2002.

2. Ганичев В.В., Попсуйшапка А.К. / Основные медико-технические требования к медицинским озонаторам // Международный медицинский журнал. Приложение: «Озонотерапия». - Харьков, ХМАПО, 2003. - С. 26-28.

3. Об особенностях регулирования концентрации озона в медицинском озонаторе / Е.И. Сокол, А.В. Кипенский, А.А. Лашин и др. // Матерiали наук.-практ. конф. «Новi технологи оздоровлення природними та преформованими факторами». - Харюв: ХМАПО, 2002. - С. 229-231.

4. Расширение функциональных возможностей медицинского озонатора ОМ 40/1-01 / Е.И. Сокол, А.В. Кипенский, А.А. Лашин и др. // Вестник физиотерапии и курортологии. Спец. вып. Озонотерапия. - Евпатория: ЕИРИЦ, 2005. - № 5. - С. 150-153.

5. Сокол Е.И., Кипенский А.В., Лашин А.А. Компенсация возмущений при регулировании параметров озоно-кислородной смеси в медицинском озонаторе // Озонотерапия. Приложение к Нижегородскому медицинскому журналу. - Н. Новгород, 2003. - С. 313-315.

6. The Analysis of Technical Solutions for Medical Ozonators / Sokol E.I., Kipenskiy A.V., Kulichenko V.V.,Tomashevskiy R.S., Barkhotkina T.M. // 2013IEEE XXXIII International Scientific Conference Electronics and Nanotechnology (ELNANO). April 16-19, 2013, Kyiv, Ukraine - p. 262-265.

7. Комбинированная система управления расходом озоно-кислородной смеси в медицинском озонаторе / Е.И. Сокол, А.В. Кипенский, А.А. Лашин [и др.] // Международный медицинский журнал. Приложение: «Озонотерапия». - Харьков, 2003. - С. 158-161.

8. Характеристики и результаты эксплуатации медицинского озонатора ОМ 80/1. / А.В. Кипенский, Е.И. Сокол, А.А. Лашин и др. // Общая реаниматология. -М.: НИИ общей реаниматологии РАМН, 2006. - Т. 2. - № 4/1. - С. 297-301.

9. Пневмоэлектромеханичская система управления расходом озоно-кислородной смеси в медицинском озонаторе / Кипенский А.В., Куличенко В.В., Махонин Н.В. // Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика. Специальное издание. - Харьков, НТУ «ХПИ», 2013. - С. 186-188.

10. Кипенский А.В. Импульсно-цифровые и цифро-импульсные преобразователи. - Харьков: НТУ «ХПИ», 2000. - 132 с.

11. Алгоритм управления пневматической системой с широтно-импульсной модуляцией потока озоно-кислородной смеси / Кипенский А.В.,

Томашевский Р.С., Куличенко В.В., Махонин Н.В. // Силовая электроника и электроэнергетика. Специальный выпуск. Том 1. - Харьков, НТУ «ХПИ», 2013. - С. 151-155.