ОЗОНАТОР

Полезная модель относится к устройствам, предназначенным для получения озона из кислорода посредством электрического разряда, и может использоваться в медицине, а также в других областях техники, где требуется применение озона стабильной концентрации.
Озонатор относится к распространенному классу озонаторов, состоящих из двух электродов, разделенных между собой диэлектриком и зазором. Электроды подключены к генератору высоковольтных импульсов напряжения. В зазоре пропускается кислород. На электроды поступают импульсы высоковольтного напряжения. В зазоре возникает барьерный разряд, в результате чего из кислорода образуется озон.
Известна установка для производства озона, где для повышения производительности и надежности работы установки обеспечивается резонансный режим работы (авторское свидетельство СССР №1370072, МКИ С 01 В 13/11, G 05 D 27/00 с приоритетом от 24.04.86). Для этого во вторичной цепи включен датчик резонансной частоты, который управляет силовым тиристором. При таком управлении генератор высоковольтных импульсов вырабатывает импульсы с частотой, равной резонансной частоте озонатора.
Недостатком этой конструкции является то, что в небольших озонаторах (например, медицинских), где емкость разрядника мала, резонансная частота озонатора оказывается очень высокой, и для обеспечения резонансного режима необходимо работать на слишком высокой частоте. При работе на таких высоких частотах происходит выделение большого количества тепла в разряднике, а вследствие его разогрева концентрация озона снижается. Поэтому работать на таких высоких частотах оказывается нереальным.
В описании на полезную модель приведена схема, с помощью которой можно работать на частоте, в несколько раз меньше резонансной (патент РФ на полезную модель №32497, МКИ 7 С 25 В 1/13, С 01 В 13/11 с приоритетом от 03.03.2003). Эта схема состоит из источника постоянного напряжения, высоковольтного трансформатора, силового транзистора и генератора импульсов. Если генератор импульсов будет работать с частотой, в целое число раз меньше резонансной частоты, то можно обеспечить резонансный режим работы озонатора, и при этом частота работы озонатора не будет такой большой.
Недостатком такого решения является то, что со временем и при нагреве происходит отклонение от резонанса, что приводит к изменению концентрации генерируемого озона, а это недопустимо в медицинских озонаторах.
Резонансная частота озонатора определяется, в основном, индуктивностью вторичной высоковольтной обмотки трансформатора и емкостью электродов разрядника. Указанные параметры могут изменяться с температурой и со временем. Особенно это касается индуктивности трансформатора, которая зависит от магнитной проницаемости материала магнитопровода. Величина магнитной проницаемости нестабильна и может значительно изменяться с нагревом и со временем. Вследствие этого резонансная частота озонатора изменяется. Указанные факторы приводят к тому, что при длительной работе озонатора вследствие нагрева при заданной частоте высоковольтных импульсов происходит смещение от резонанса. Это рассогласование значительно возрастает вследствие того, что частота высоковольтных импульсов в несколько раз меньше резонансной частоты контура. Отклонение от резонанса (даже незначительное) приводит к изменению концентрации генерируемого озона. Таким образом, при работе озонатора происходит изменение концентрации озона, что недопустимо, например, для медицинских озонаторов, где требуется высокая стабильность работы.
Техническая задача заключается в обеспечении точного резонансного режима работы озонатора, и, соответственно, стабильной концентрации генерируемого озона при частоте следования высоковольтных импульсов в несколько раз меньше резонансной частоты озонатора.
Решение указанной технической задачи достигается тем, что на высоковольтном трансформаторе намотана дополнительная обмотка, подключенная к компаратору, выход которого соединен с делителем импульсов, выход которого соединен со схемой фазовой задержки, выход которой подключен к формирователю импульсов и к генератору начальных импульсов.
На фиг.1 показана функциональная схема предлагаемого озонатора.
Озонатор состоит из источника постоянного напряжения А1, высоковольтного трансформатора TV1, силового транзистора VT1, разрядника FV1, формирователя импульсов А2, компаратора A3, делителя А4, схемы фазовой задержки А5 и генератора начальных импульсов А6.
На трансформатор TV1 намотаны три обмотки: первичная силовая 1, связанная с силовым транзистором VT1 и источником питания А1, вторичная высоковольтная II, связанная с разрядником FV 1, и третья дополнительная III, предназначенная для обеспечения резонанса без отклонения.
Дополнительная обмотка III подключена к компаратору A3, выход которого соединен со входом делителя А4. Выход делителя А4 соединен со входом схемы фазовой задержки А5. Выход схемы фазовой задержки подключен к формирователю импульсов А2 и к генератору начальных импульсов А6.
Работает схема следующим образом. В установившемся режиме работы со схемы формирователя импульсов А2 на вход силового транзистора VT1 поступает запускающий импульс небольшой длительности. На вторичной обмотке II трансформатора TV1 формируется высоковольтный импульс, приводящий к электрическому разряду в кювете
разрядника FV1, По окончанию высоковольтного импульса в колебательном контуре, образованном индуктивностью вторичной обмотки II трансформатора TV1 и емкостью электродов, возникают затухающие колебания. Силовой транзистор VT1 закрыт, поэтому затухание в контуре невелико. Сигнал затухающих колебаний снимается с дополнительной обмотки III и поступает на вход компаратора A3. На выходе компаратора формируются прямоугольные колебания, которые поступают на вход делителя А4. Делитель отсчитывает заданное число колебаний N, после чего на выходе делителя появляется импульс, который поступает на схему фазовой задержки А5. Эта схема задерживает импульс по времени. Данная задержка нужна для того, чтобы запускающий импульс пришел точно в нужный момент времени, т.е. для исключения отклонения от резонанса.
Сигнал со схемы фазовой задержки А5 поступает на схему формирователя импульсов А2, которая вырабатывает требуемый для управления силовым транзистором импульс. Далее цикл повторяется.
Применение такой схемы обеспечивает резонансный режим работы озонатора при работе на частоте, в несколько раз (в N раз) меньше резонансной частоты, при этом изменения параметров колебательного контура озонатора, связанных с температурой, временем и т.д. не приводят к уходу от резонанса.
При начальном включении озонатора сама по себе схема не сможет заработать. В начальный момент времени нет запускающих импульсов, соответственно, отсутствуют колебания в контуре, компаратор не переключается и схема не работает. Для запуска схемы в начальный момент времени выполнен специальный генератор начальных импульсов А6.
Генератор начальных импульсов А6 при отсутствии колебаний (т.е. при отсутствии импульсов на выходе схемы фазовой задержки) в течение достаточно длительного времени вырабатывает один импульс, который поступает на вход
формирователя импульсов А2. Формирователь импульсов А2 посылает импульс на вход силового транзистора VT1 и далее общая схема начинает работать согласно приведенному выше алгоритму. При возникновении устойчивых колебаний работа генератора начальных импульсов А6 блокируется. Если по какой-либо причине (например, помеха по сети) произойдет прекращение работы озонатора, генератор начальных импульсов А6 перезапустит схему.
При использовании современной элементной базы формирователь импульсов А2, делитель А4, схема фазовой задержки А5 и генератор начальных импульсов А6 могут быть программно выполнены в одном микроконтроллере, благодаря чему схема получается компактной и дешевой.
3
В соответствии с предлагаемым техническим решением был изготовлен и испытан опытный образец озонатора. При испытаниях озонатор работал непрерывно в течение 8 часов в режиме максимальной мощности. Частота работы была выбрана в 6 раз меньше резонансной частоты озонатора. Расход кислорода равен 0,5 л/мин. Потребляемая мощность равна 20 Вт. Через каждые 15 минут измерялась концентрация озона. Среднее значение концентрации озона за время работы озонатора равно 37,9 г/м.
Результаты испытаний представлены в таблице 1. Здесь обозначены: t - время работы озонатора, С - концентрация озона, δ - отклонение концентрации озона от среднего значения в процентах.
3
Среднее значение концентрации генерируемого озона равно 37,9 г/м.
Таблица 1
1час
1час
1час
1час
2час
2час
2час
t
1мин
15мин
30мин
45мин
15мин
30мин
45мин
15мин
30мин
С, г/м<sup>3</sup>
38,0
38,8
38,2
37,5
36,4
36,7
37,5
37,5
39,3
38,8
38,7
δ,%
0,4
2,4
0,9
-1
-3,8
-3
-1
-1
+3,8
+2,5
+2,2
продолжение таблицы 1
2ч
3ч
3ч
3ч
3ч
4ч
4ч
4ч
4ч
5ч
5ч
t
45мин
15мин
30мин
45мин
15мин
30мин
45мин
15мин
С, г/м<sup>3</sup>
39,3
39,0
39,0
39,0
38,6
37,1
37,0
37,1
37,3
40,5
36,0
δ,%
+3,8
+3
+3
+3
+2
-2
-2,2
-2
-1,5
+7
-5
продолжение таблицы 1
5ч
5ч
6ч
6ч
6ч
6ч
7ч
7ч
7ч
7ч
8ч
t
30мин
45мин
15мин
30мин
45мин
15мин
30мин
45мин
С,г/м<sup>3</sup>
36,8
37,0
37,5
39,0
37,2
37,4
37,0
38,5
37,0
37,8
37,0
δ,%
-2,8
-2,2
-1
+3
-1,8
-1,2
-2,2
+1,6
-2,2
-0,2
-2,2
В ходе испытаний электроды разрядника нагрелись до температуры 39°С, силовой трансформатор нагрелся до температуры 34°С, но концентрация генерируемого озона в течение всей работы озонатора менялась незначительно - в пределах ±7%.
Результаты испытаний показали высокую стабильность концентрации генерируемого озона в течение длительной работы озонатора. Поставленная техническая задача решена.