Построение систем светодиодной индикации с аналоговым оптоэлектронным датчиком давления

Феоктистов Н.А. Feoktistov N.A.

доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет дизайна и технологий», Россия, г. Москва

Феоктистов А.Н. Feoktistov A.N.

кандидат технических наук, доцент НОУ ВПО «Институт государственного управления, права и инновационных технологий», Россия, г. Москва

УДК 621.79

ПОСТРОЕНИЕ СИСТЕМ СВЕТОДИОДНОЙ ИНДИКАЦИИ С АНАЛОГОВЫМ ОПТОЭЛЕКТРОННЫМ ДАТЧИКОМ ДАВЛЕНИЯ

Рассматриваются принципы построения систем светодиодной индикации на электронных элементах с разработанным аналоговым оптоэлектронным датчиком давления применительно к электронно-водному генератору (ЭВГ). Разработан датчик, обеспечивающий высшую эксплуатационную надежность. Чувствительный элемент датчика представляет собой плоскую круглую резиновую пластину с жестким центром, способную получать изгиб под давлением. На величину перемещения чувствительного элемента, зависящего от давления, реагирует фотоприемник оптрона. Перемещение мембраны изменяет интенсивность светового потока, воздействующего на светоприемник, и величину сигнала, поступающего на схему сравнения и индикации. Предложены три варианта схем сравнения и индикации на транзисторной матрице, диодных оптронах и фототранзисторах. Выход компаратора соединен с входом усилителя сигнала рассогласования, формирующего сигнал на отпирание и запирание регулятора давления (тока). Вместо традиционного измерения уровня электролита предлагается вариант измерения расхода воды в составе электролита путем регистрации количества электричества через электролизер. Предложены функциональная и электрическая схемы устройства расхода воды и выхода газов.

Ключевые слова: датчик, транзисторная матрица, диодный оптрон, фототранзистор.

DESIGN AND CONSTRUCTION OF THE LED DISPLAY WITH ANALOG OPTOELECTRONIC SENSOR PRESSURE

The principles of construction systems, the LED display on the electronic elements with the developed optoelectronic analog pressure sensor with respect to the electron-water generator. Developed sensor capable of the highest reliability. Sensing element is a flat circular plate with a hard rubber center capable of receiving pressurized bending. The magnitude of the displacement sensor, which depends on the pressure detector reacts optocoupler. Moving the diaphragm changes the light intensity acting on the light receiving signal value supplied to the comparison circuit and the display. Three options schemes comparison and display on the transistor array, diode and phototransistor optocouplers . The output of the comparator is connected to the input of the amplifier error signal, a signal is generated by unlocking and locking pressure regulator (DC). Instead of the traditional measurement of the electrolyte the variant of flow measurement within the electrolyte by recording the amount of electricity through the cell. Proposed functional and electrical system is the water flow and the gas exit.

Key words: sensor, transistor matrix, optocoupler diode, phototransistor.

Анализ эксплуатационных характеристик предлагаемых промышленностью датчиков давления от 0,5 до 3 кг/см2 показал, что они имеют существенные недостатки: разброс параметров из-за гистерезиса, непригодность к работе в щелочно-кислотной среде, значительные массогабаритные показатели и малую эксплуатационную надежность [1, 2]. Разработан датчик, обеспечивающий высокую эксплуатационную надежность [3, 4]. Чувствительный элемент датчика представляет собой плоскую круглую резинотканевую пластину с жестким центром, способную получать заметный прогиб h под давлением рабочей силы Реых. Сущность принципа действия датчика заключается в изменении интенсивности светового потока, отражаемого жестким центром. На величину перемещения чувствительного элемента, зависящего от входного давления Рвых, реагирует фотоприемник оптрона. Перемещение мембраны изменяет интенсивность светового потока, воздействующего на светоприемник, и величину сигнала, поступающего на схему сравнения и индикации. Предложены варианты схем сравнения и индикации на транзисторной матрице (рис. 1), диодных оптронах (рис. 2), электронных фототранзисторах (рис. 3).

С ростом давления в системе транзисторным оп-троном УТ1 переходит в более открытое состояние и на выходе делителя R3 транзисторной матрицы ДА1. Резисторы R4-R11 подобраны таким образом, что при нижнем уровне давления электронные элементы VS1-VS4, УТ2-УТ5, ДА1 приведенных схем переходят в открытое состояние, и в зависимости

от уровня сигнала давления загораются светодио-ды VD1-VD4. При максимальном уровне давления в открытое состояние переходят все электронные элементы и загораются все светодиоды. Резисторы R2 - R15 обеспечивают нормальный режим работы электронных элементов и светодиодов VD1-VD4.

С изменением уровня давления изменяется потенциал точки 4 выхода оптрона. Сигнал с выхода оптрона подается на один из входов системы сравнения компаратора системы управления ЭВГ. По мере увеличения давления потенциал точки 4 снижается, что приводит при его определенном уровне к переходу компаратора в другое состояние. Выход компаратора соединен с входом усилителя сигнала рассогласования, формирующего сигнал на отпирание или запирание регулятора тока (давления). Переменный резистор R3 позволяет обеспечить необходимый уровень входного сигнала индикатора давления. Серьезной проблемой на пути создания автоматизированных технологических установок на базе электролизно-водных генераторов является организация системы измерения уровня электролита в электролизере. Дело в том, что этот параметр является определяющим в обеспечении стабильной и контролируемой работы электролизера, поскольку отвечает за электрические характеристики электролизера как приемника энергии. В процессе работы электролизера количество воды в нем уменьшается. Это приводит к увеличению концентрации электролита и уменьшению активной площади электродов. Чрезмерное повышение концентрации и изменение плотности тока приво-

Рис. 1. Электронная схема на транзисторной матрице

Рис. 2. Электронная схема на диодных оптронах

Й18

«12 *

У01

413 *

уо:

Н4-

Я14 *

415 *

У04

Рис. 3. Электронная схема на фототранзисторах

дит к нарушению режима работы электролизера и, соответственно, электролизно-водного генератора в целом. В химической, газовой, атомной и других отраслях [1] разработаны и применяются разнообразные датчики уровня, использующие широкий спектр принципов первичного преобразования информации в электрический сигнал, - от простейших мерных трубок и поплавковых датчиков до весьма

сложных систем с использованием ультразвукового и электромагнитного излучения, а также достижений микроэлектроники. Такие датчики широко и с успехом применяются.

Однако в реализованных до настоящего времени технологических установках на базе электролизно-водных генераторов системы регистрации и измерения уровня электролита ограни-

чены простейшими устройствами для визуального контроля. Связано это, на наш взгляд, с электропроводностью и чрезвычайно высокой проникающей способностью используемого электролита, а также с возможностью загрязнения электролита и с пено-образованием. При работе с горелкой вручную оператор, как правило, имеет возможность визуально контролировать уровень электролита, а также изменять, при необходимости, режим работы горелки. В автоматическом режиме система должна как минимум сигнализировать о чрезмерном расходе дистиллированной воды в электролизере.

В связи с изложенным выше мы считаем целесообразным рассмотреть вариант измерения не уровня электролита, а расхода воды в составе электролита, начиная с момента начальной зарядки (максимальный рабочий уровень электролита). В этом случае измерение расхода электроэнергии позволяет нам (в соответствии с законом Фарадея) определить с хоро-

шей точностью (около 98%) расход воды, а также выход газов (водород, кислород, «гремучий газ» (2Н2 + О2)). Если сказать более корректно, то задача сводится к регистрации количества электричества, проходящего через электролизер. Это может быть сделано, в принципе, как по цепи постоянного, так и по цепи переменного тока (до выпрямителя) с соответствующим пересчетом на количество электричества. В соответствии с теорией на одну пару электродов (анод + катод) электролизера при электролизе диссоциирует 0,9 • 10-7 кг/Кл воды и генерируется 11,8 • 10-5 л/Кл водорода, 6 • 10-5 л/Кл кислорода (при нормальном давлении) и 17,8 •Ю-5 л/Кл смеси газов (2Н2 + О2).

Для построения электрической схемы устройства целесообразно использовать функциональную схему, приведенную на рис. 4. Основным узлом схемы является трансформатор тока (1). От него зависит корректность проводимых измерений.

Рис. 4. Функциональная схема устройства для измерения расхода воды и выхода Н0 и 00: 1 - трансформатор тока; 2 - интегратор; 3 - блок управления интегратором; 4 - микроконтроллер; 5 - индикатор расхода воды и газов; J - электрический ток, протекающий через электролизер

На трансформатор тока возлагаются две основные функции: передача тока из первичной (силовой) цепи во вторичную, по возможности без искажений и с необходимым для измерений коэффициентом трансформации, а также обеспечение надежной изоляции первичной и вторичной (измерительной) цепи. Выбор типа трансформатора тока определяется исходя из принятой системы регулирования потребляемой электролизером мощности. Так, при управлении по углу зажигания кривая тока и на стороне переменного тока, и в цепи постоянного тока, непосредственно питающей электролизер, носит явно несинусоидальный характер. Для этого случая необходимо использовать один из вариантов трансформатора постоянного тока [5]. В случае использования классического варианта трансформатора постоянного тока на базе ферромагнитных магнитоприводов с регулируемой индукцией реализуется функция изоляции измерительной цепи от силовой, однако здесь необходим дополнительный

изолированный источник переменного тока повышенной частоты. Возможно использование одного из вариантов оптоэлектронного трансформатора тока [5]. Такие трансформаторы постоянного тока могут с минимальными искажениями передать в измерительную цепь в аналоговой форме информацию о токе, протекающем в первичной цепи. Однако и здесь требуется дополнительный изолированный от измерительной цепи источник питания. На рис. 5 в качестве иллюстрации приведена принципиальная схема оптоэлектронного трансформатора тока на базе линейного оптрона HCNR200/1 фирмы «Avago».

Если ориентироваться на числоимпульсное регулирование электролизера [6, 7, 8], когда сила тока через электролизер неизменна и равна оптимальной для данной конструкции величине, а момент включения и выключения определяется датчиками давления, то задача организации системы регистрации количества электричества, проходящего через элек-

Рис. 5. Схема трансформатора постоянного тока на базе линейного оптрона HCNR200/1: Jэл - ток, протекающий через электролизер; - сопротивление шунта; СD - светодиод оптрона HCNR200/1; ФD1 - фотодиод обратной связи оптрона; ФD2 - сигнальный фотодиод оптрона

тролизер, упрощается. Действительно, поскольку в этом случае в цепи питания электролизера до выпрямителя протекает преимущественно синусоидальный электрический ток, можно использовать классический трансформатор тока с последующим выпрямлением его в режиме близком к режиму короткого замыкания. Далее, в соответствии со схемой (рис. 6) электрический ток интегрируется (блок 2), результаты интегрирования обрабатываются микроконтроллером (блок 4) и индицируются (блок 5). С целью расширения диапазона измерений в функциональной схеме предусмотрен управляющий блок (блок 3), который по сигналу от микроконтроллера обнуляет аналоговую память интегратора при ее переполнении, что сопровождается соответствующей записью в памяти микроконтроллера (блок 4). Таким образом, достаточно просто решается проблема контроля расхода воды в автоматизированных установках на базе электролизно-водных генераторов.

На рисунке штрихпунктирной линией выделены основные функциональные блоки схемы измерений. Электрический сигнал, пропорциональный протекающему по электролизеру току, поступает на вход интегратора (блок 1), собранный на базе отечественного операционного усилителя КП1407УДЗ, и заряжает конденсатор С4. Информация о накопленном заряде (аналоговое значение напряжения и на конденсаторе) через формирователь (блок 2) поступает на аналоговый вход микроконтроллера (блок 3), преобразуется в цифровую форму и сравнивается с записанным в памяти контроллера некоторым значением напряжения и . При достижении и > ив

накопительную память контроллера записывается единица («1»). Это есть одна «порция» количества электричества.

Одновременно на выходной порт контроллера поступает сигнал логической «1», который открывает оптоэлектронное реле КП293КП1А (блок 1). Контакты реле «замыкаются», и конденсатор С4 разряжается за некоторое время (;разр). По истечении этого времени сигнал «лог1» с выходного порта снимается, контакты оптоэлектронного реле «размыкаются», и вновь начинается процесс зарядки конденсатора С4. При достижении и > ио процесс записи и обнуления повторяется. Одновременно с этим осуществляется опрос памяти (где записано число «порции» количества электричества). При получении команды индикации интегрального расхода электроэнергии с пульта управления (рис. 3) решается уравнение:

Q = К Си N

^и т о

где Кт - коэффициент трансформации; С - емкость конденсатора С4; ио - пороговое напряжение на конденсаторе; N - число циклов зарядки конденсатора. По интегральному расходу электроэнергии определяется расход воды за время работы: Ж = Q  0,9  10-7, кг

ии

и соответствующие выходы газовой смеси аС=17,8 10-5^п, водорода Од = 11,8 10-5^п и кислорода а^=610-5^п в литрах, при нормальном давлении.

Текущий расход смеси, водорода и кислорода определяется путем подсчета числа «порций» электричества за определенный отрезок времени (например, за 1 минуту) и отображается на индикаторе при наличии соответствующей команды. В схеме

Рис. 6. Принципиальная электрическая схема системы измерения расхода воды и выхода газов: 1 - блок интеграции; 2 - блок формирования сигнала; 3 - микропроцессорный блок; 4 - блок индикации; 5 - тактовый генератор

предусмотрена выдача светового и звукового сигналов при перерасходе воды.

В заключение заметим, что измеренное значение выхода газов показало достаточно хорошее совпадение с результатами измерений традиционными расходомерами.

Список литературы

1. Кулаков М.В. Технологические измерения и приборы для химических производств [Текст] / М.В. Кулаков.- М.: Машиностроение, 1983. - 424 с.

2. Шкатов Е.Ф. Технологические измерения и КИП на предприятиях химической промышленности [Текст] / Е.Ф. Шкатов. - М.: Химия, 1986. - 320 с.

3. Варламов И.В. Научные основы создания оптоэлектронного датчика давления бытового электролизно-водного генератора обработки металлов [Текст] / И.В. Варламов, А.Н. Феоктистов // сб. трудов «Современные средства управления бытовой техникой». - М.: МГУс, 2006.

4. Феоктистов А.Н., Варламов И.В. Принципы построения и схемные решения оптоэлектронных датчиков давления бытового ЭВГ для сварки и пайки [Текст] / И.В. Варламов, А.Н. Феоктистов // Материалы 11-й Международной НПК «Наука сервису». - М.: МГУс, 2006.

5. Афанасьев В.В. Трансформаторы тока [Текст] / В.В. Афанасьев, Н.М. Адоньев, В.М. Ки-бель, И.М. Сирота. - Л.: Энергоатомиздат, 1989. -416 с.

6. Феоктистов А.Н. Потребляемый ток и коэффициент мощности при пакетном включении числоимпульсных модуляторов [Текст] / А.Н. Феоктистов // Электротехнические и информационные комплексы и системы. - 2006. - № 3.

7. Феоктистов Н.А. Режимы работы систем управления источников электропитания бытовых ЭВГ [Текст] / Н.А. Феоктистов, И.В. Варламов, Н.Н. Теодорович. - М., МГУс, 2004.

8. Феоктистов Н.А. Система управления и автоматического регулирования режимов работы электролизно-водного генератора с применением

микроЭВM [Текст] / H.A. Феоктистов, И.В. Варламов, А.Н. Феоктистов // Электротехнические и информационные комплексы и системы. - 2013. - № 3.

- Т. 9. - С. 31-36.

References

1. Kulakov M.V. Tehnologicheskie izmerenija i pribory dlja himicheskih proizvodstv [Tekst] / M.V. Kulakov. - M.: Mashinostroenie, 1983. - 424 s.

2. ShkatovE.F. Tehnologicheskie izmerenija i KIP na predprijatijah himicheskoj promyshlennosti [Tekst] / E.F. Shkatov. - M.: Himija, 1986. - 320 s.

3. Varlamov I.V. Nauchnye osnovy sozdanija optojelektronnogo datchika davlenija bytovogo jelektrolizno-vodnogo generatora obrabotki metallov [Tekst] / I.V. Varlamov, A.N. Feoktistov // Sb. trudov «Sovremennye sredstva upravlenija bytovoj tehnikoj».

- M.: MGUs, 2006.

4. Feoktistov A.N., Varlamov I.V. Principy postroenija i shemnye reshenija optojelektronnyh datchikov davlenija bytovogo JeVG dlja svarki i pajki. [Tekst] / I.V. Varlamov, A.N. Feoktistov // Materialy 11-j Mezhdunarodnoj NPK «Nauka servisu». - M.: MGUs, 2006.

5. Afanas'ev V.V. Transformatory toka [Tekst] / V.V. Afanas'ev, N.M. Adon'ev, V.M. Kibel', I.M. Sirota.

- L.: Jenergoatomizdat, 1989. - 416 s.

6. Feoktistov A.N. Potrebljaemyj tok i kojefficient moshhnosti pri paketnom vkljuchenii chisloimpul'snyh moduljatorov [Tekst] / A.N. Feoktistov // Jelektrotehnicheskie i informacionnye kompleksy i sistemy. - 2006. - № 3.

7. Feoktistov N.A. Rezhimy raboty sistem upravlenija istochnikov jelektropitanija bytovyh JeVG [Tekst] / N.A. Feoktistov, I.V. Varlamov, N.N. Teodorovich. - M., MGUs, 2004.

8. Feoktistov N.A. Sistema upravlenija i avtoma-tiche skogo regulirovanij a rezhimov raboty j elektrolizno -vodnogo generatora s primeneniem mikroJeVM [Tekst] / N.A. Feoktistov, I.V. Varlamov, A.N. Feoktistov // Jelektrotehnicheskie i informacionnye kompleksy i sistemy. - 2013. - № 3. - Т. 9. - S. 31-36.