МНОГОКАНАЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБРАБОТКИ ВОДЫ
MULTI-CHANNEL WATER TREATMENT DEVICE

Изобретение относится к технике обработки воды и предназначено для предотвращения образования и очистки твердых отложений на рабочих поверхностях элементов систем водоснабжения и водоподготовки.
Из-за содержания в воде минеральных солей - магния и кальция, силикатов, на стенках устройств систем водоснабжения и водоподготовки образуются твердые осадки в виде жесткого слоя - накипи, который сужает внутренний диаметр трубопроводов, уменьшает теплопроводность и повышает энергетические затраты в системе водоподготовки теплоносителя. На уменьшение образования накипи влияет ряд исходных факторов: солевой состав носителя, его скорость движения, температура нагрева и т.д.
Эта проблема сегодня решается с использованием активных и пассивных методов. Так, к активным физическим методам можно отнести электромагнитный способ обработки жидкости (воды). Он основан на воздействии электромагнитного поля переменной интенсивности и частоты на технологический объект (труба с водой или кювета с жидкостью). Такой метод обработки жидкости (воды) позволяет эффективно изменять ее физические свойства для широкого спектра химического состава, позволяя создавать гамму разнообразных устройств. Кроме того, обработанная таким способом жидкость (вода) препятствует образованию последующей накипи и разрушает имеющуюся. Следовательно, можно говорить о значимости и актуальности этого направления в теоретическом и практическом аспектах.
Из источников патентной информации известны следующие технические решения по электромагнитной обработке воды.
Известно устройство для магнитной обработки жидкости по а.с. SU №865832, C02F 1/48, опубл. 23.09.1981, которое содержит последовательно включенные схему управления, трехфазный тиристорный преобразователь и трехфазные электромагнитные обмотки, закрепленные на диамагнитном объекте воздействия. Тиристорный преобразователь подключен к питающей трехфазной сети.
Известно устройство омагничивания лекарственных и пищевых жидкостей по патенту RU №2089513, C02F 1/48, опубл. 10.09.1997. Оно содержит устройство управления, управляющее работой источника переменного тока через токовый ключ, и соленоид, закрепленный на кювете с жидкостью. В соленоид проходят электрические сигналы от источника переменного тока по закону работы устройства управления.
В качестве прототипа выбрано устройство для преобразования (обработки) воды по патенту GB №2312635, C02F 1/48, приоритет 29.04.1996, опубл. 05.11.1997. Известное устройство содержит последовательно включенные источник питающего напряжения, генераторный блок и антенну, выполненную в виде соленоида со свободным концом, закрепленного на трубе с водой. Генераторный блок содержит двухфазный генератор электрических колебаний. Его сигналы сложной формы проходят в антенну-соленоид и воздействуют на воду, протекающую через трубу технологической системы.
Известные устройства имеют общие недостатки. Все они имеют недостаточную эффективность воздействия на жидкостную среду через электромагнитное поле. Так, например, в устройствах [1-2] электромагнитное воздействие на жидкость осуществляется по сигналам источника переменного тока сетевого напряжения, амплитудная модуляция которых осуществляется через электронный ключ (тиристорный преобразователь). Источником электромагнитного излучения здесь выступает многослойный соленоид, в рабочем пространстве которого размещен технологический объект (сосуд или труба с жидкостью).
Практическое применение подобных устройств показывает, что для эффективного изменения физических свойств воды при минимальных затратах энергии требуется формирование широкополосных сигналов воздействия заданной мощности по закону случайной функции (вероятностному закону), который трудно обеспечить при использовании нерегулируемого генератора электрических колебаний. Здесь же в качестве задатчика электрических колебаний используется источник переменного тока промышленной частоты f=50 Гц, коммутируемый электронным ключом по закону устройства управления. Вероятно, для омагничивания лекарственных препаратов не на водной основе [2] такой подход является самодостаточным, но не эффективным.
Отмеченные недостатки относятся и к выбранному прототипу [3] заявляемого устройства. Здесь, в отличие от известных устройств [1, 2] источником электромагнитных полей однослойного соленоидного излучателя выступает электронный генератор сложных колебаний, состоящий из двух параллельно включенных генераторов электрических колебаний. Невозможность регулирования мощности электромагнитного излучения снижает эффективность обработки жидкости (воды) с целью очистки накипи и ее предупреждения в элементах системы водоподготовки и водоснабжения.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в повышении эффективности очистки и предотвращения образования отложений в системах водоснабжения и водоподготовки.
Достижение технического результата в предлагаемом многоканальном устройстве для обработки воды, содержащем включенные последовательно блок управления и блок генерации электрических колебаний, дипольный излучатель, размещенный на поверхности технологического объекта, обеспечивается введением последовательно включенных датчика обратной связи, тактового генератора и блока электронной коммутации, его первые и вторые n информационные выходы подключены к одноименным входам блока дипольных излучателей, состоящего из двух идентичных частей с противофазным включением и равномерно закрепленных на поверхности технологического объекта на опорном расстоянии друг от друга, блок индикации, подсоединенный первыми выводами к группе выходов блока управления, его третий и четвертый выходы подключены к второму и третьему управляющим входам тактового генератора, а управляющий вход подсоединен к шине управления, при этом блок генерации электрических колебаний выполнен в виде последовательно включенных микроконтроллера и буферного усилителя, управляющий вход которого подсоединен к второму входу блока управления, а его информационный вывод подключен к одноименному входу блока электронной коммутации, второй выход микроконтроллера подключен к второму входу блока индикации, а датчик обратной связи закреплен на технологическом объекте на заданном расстоянии от блока дипольных излучателей.
Многоканальное устройство для обработки воды поясняется чертежами. На фиг.1 показана блок-схема предлагаемого устройства, на фиг.2 (только для пояснения) - вариант выполнения блока 4 электронной коммутации БЭК; на фиг.3 приведен его внешний вид в виде двухканального устройства.
Многоканальное устройство обработки воды (фиг.1) содержит блок 1 генерации электрических колебаний (БГЭК), состоящий из микроконтроллера 2 и буферного усилителя 3, блок 4 электронной коммутации (БЭК), тактовый генератор 5, блок 6 дипольных излучателей (БДИ), выполненный в виде двух идентичных частей 6-1 и 6-2 с противофазным включением, блок 7 управления (БУ), блок 8 индикации (БИ), технологический объект 9 (ТО), датчик 10 обратной связи (ДОС) и шину 11 управления.
Блок 7 управления БУ через блок 1 генерации электрических колебаний БГЭК, состоящий из последовательно включенных микроконтроллера 2 и буферного усилителя 3, подключен к информационному входу блока 4 электронной коммутации БЭК. Его вход синхронизации через тактовый генератор 5 подключен к третьему и четвертому выводам блока 7 управления БУ. Группы выводов блока 7 управления БУ к первым информационным входам блока 8 индикации БИ, а его другой вход соединен с вторым выходом микроконтроллера 2 БГЭК 1. Второй выход блока 7 управления БУ подключен к управляющему входу буферного усилителя 3 БГЭК 1, а управляющий вход - к шине 11 управления. Первые и вторые n информационные выходы подключены к одноименным входам блока 6 дипольных излучателей БДИ, состоящего из двух идентичных частей 6-1 и 6-2 с противофазным включением и равномерно закрепленных на поверхности технологического объекта 9 ТО на опорном расстоянии D друг от друга. Датчик 10 обратной связи ДОС закреплен на технологическом объекте на заданном расстоянии от блока 6 дипольных излучателей БДИ и подключен к второму управляющему входу тактового генератора 5.
Устройство работает следующим образом.
T
н
н
Первоначально устройство находится в исходном состоянии и не формирует электромагнитных полей, воздействующих на технологический объект 9 ТО (фиг.1). При подаче управляющего сигнала «Управление» производится его перевод в рабочее состояние, при котором запускается БГЭК 1 и устанавливается требуемая мощность усиления буферного усилителя 3. Устанавливается режим работы «Ручной» или «Автоматический» тактового генератора 5 и приводится в действие по формированию тактовых сигналов, поступающих на вход синхронизации БЭК 4 с частотой F=f(V), где V - скорость носителя (воды) ТО 9. На первые и второй группы информационных входов блока 8 индикации БИ с выводов блока 7 управления БУ и микроконтроллера 2 БГЭК 1 поступают сигналы установленных режимов работы устройства и отображаются на его светодиодной шкале.
i
i
Микроконтроллер 2 БГЭК 1 вырабатывает серию импульсных сигналов в заданном диапазоне частот ΔF (50 Гц - 30 кГц) по закону случайной функции, например нормального закона распределения, задаваемого программными средствами. Его сигналы проходят через буферный усилитель 3 БГЭК 1, где усиливаются до требуемой мощности излучения и через блок 4 электронной коммутации БЭК (см. фиг.2) проходят на коммутируемую пару противофазно включенных индуктивных излучателей БДИ 6 в виде плоских проводников со свободными выводами. В результате их установки на опорном расстоянии D друг от друга формируется импульсное электромагнитное поле диполя A-B, i=1, 2, … n, которое воздействует на носитель ТО 9 и изменяет его физическое состояние через процессы ионизации и коагуляции молекул минеральных солей магния и кальция, силикатов, препятствуя, таким образом, образованию и отложению накипи на стенках элементов ТО 9 (система водоснабжения или водоподготовки).
По сигналам тактового генератора 5 в БЭК 4 производится последовательное посекционное переключение индуктивных излучателей БДИ 6 в направлении движения носителя ТО 9, учитывая его скорость. Таким образом формируется интенсивное бегущее электромагнитное поле диполя на рабочей поверхности ТО 9 в зоне воздействия БДИ 6 из (2×n) дипольных излучателей, повышая воздействие на носитель.
T
С этой же целью предусмотрена работа тактового генератора 5 в двух отмеченных ранее режимах. Так, в автоматическом режиме в его контур управления введен датчик 10 обратной связи ДОС, который по такому параметру, как давление (датчик давления) или расход (датчик расхода), формирует управляющий сигнал и управляет работой тактового генератора 5. При этом ДОС 10 закрепляется вблизи установки излучателей БДИ 6 на ТО 9 или может быть использован штатный при его наличии. В этом режиме скорость коммутации элементов 6-1, 6-2 БДИ 6 авторегулируется с изменением скорости носителя в системе ТО 9. В ручном режиме контур обратной связи тактового генератора 5 с ДОС 10 отключается и его тактовая частота F задается вручную, добиваясь наиболее эффективной работы предлагаемого устройства по достижению поставленной цели. Этот режим может быть использован при нестандартных ситуациях обработки носителя ТО 9, отсутствия возможности использования ДОС 10.
Таким образом, использование пакета (блока) из (2×n) индуктивных излучателей БДИ 6 из плоских проводников, формирование сонаправленного с носителем и его скоростью бегущего электромагнитного поля диполя по закону заданной случайной функции и требуемой мощности излучения при обеспечении высокой электромагнитной совместимости, существенно отличает предлагаемое устройство от известных аналогов и выбранного прототипа и позволяет обеспечить достижение положительного эффекта в решении поставленной задачи.
Работа БЭК 4 (только для пояснения). На n-разрядном регистре 12 последовательного сдвига и логическом элементе 14 ИЛИ-НЕ собран цифровой распределитель импульсов. Группа из n логических элементов 13 И выполняет роль логического ключа по разрядным выводам распределителя импульсов. Тактирование распределителя импульсов от тактового генератора 5 приводит к потактному и последовательному формированию на одном из разрядных выходов регистра 12 последовательного сдвига цифрового импульсного сигнала, который через логические ключи на элементах 13 И поступает на соответствующий управляющий вывод транзисторных переключателей 15-1, 15-2, …, 15-n, открывая один из них. В результате через открытый транзисторный переключатель 15-1, 15-2, …, 15-n - его коллекторные цепи транзисторов VT1, VT2, пройдет серия электрических колебаний блока 1 генерации электрических колебаний частот ΔF на соответствующий дипольный излучатель 6, представленный парой однотипных катушек L индуктивности в виде плоских проводников со свободными выводами. Следовательно, по сигналам тактового генератора 5 в БЭК 4 производится последовательное посекционное переключение индуктивных излучателей БДИ 6 в направлении движения носителя (воды), формируя в зоне влияния технологического объекта 9 интенсивное электромагнитное поле диполя.
Практическая реализация устройства (только для пояснения): в блоке генерации электрических колебаний БГЭК 1 использованы микроконтроллер 2 серии MSP-430 и буферный усилитель 3, выполненный на ИМС К544УД2 с делителем напряжения на 3 положения и выходным умощенным каскадом на транзисторах КТ814, КТ815 с RC-элементами по известной схеме; блок электронной коммутации 4 БЭК реализован в виде распределителя импульсов на n-каналов (ИМС К555ИР1, К155ЛИ1, К155ЛЕ2) с разрядными токовыми ключами (ИМС К101КТ1) по числу (2×n) дипольных излучателей БДИ; тактовый генератор 5 выполнен по типовой схеме на ИМС К531ГГ1 с RC-элементами в цепях управления частотой и переключения режимов «Автоматический» от ДОС 10 и «Ручной» от БУ 7, который представляет собой набор механических маломощных переключателей; блок индикации 8 БИ выполнен по типовой схеме с использованием светодиодов АЛС324, К176ИД2; технологический объект 9 ТО - это элемент системы водоснабжения или водоподготовки в виде отрезка трубы с носителем (водой), на котором извне закрепляются противофазно включенных n дипольных излучателей на опорном расстоянии друг от друга для создания требуемой величины электромагнитного поля заданной интенсивности; в качестве датчика 10 здесь используется датчик давления типа DPE002 с аналоговым выходом. Других особенностей предлагаемое устройство не имеет и может быть промышленно реализовано.
Источники информации
1. Авторское свидетельство SU №865832, C02F 1/48. Опубл. 23.09.1981,
2. Патент RU №2089513, C02F 1/48. Опубл. 10.09.1997.
3. Патент GB №2312635, C02F 1/48. Опубл. 05/11/1997, прототип.