CC BY
62
ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ ХИМИЧЕСКИХ ТЕХНОЛОГИЙ
УДК 577.352
Построение автоматизированной микропроцессорной системы сбора исходных данных, определения и индикации расхода воды, смеси газов, кислорода и водорода в электролизно-водных генераторах
Владимир Васильевич Кокорин, зав. учебно-исследовательской лабораторией, e-mail:info@igupit.ru
Николай Алексеевич Феоктистов, д.т.н., проф., зав. каф. «Информационные системы и инновационные технологии», первый проректор, e-mail:info@igupit.ru Игорь Владимирович Варламов, д. т. н., проф. каф. «Информационные системы и инновационные технологии», e-mail:info@igupit.ru
Николай Андреевич Чарыков, к.т.н., проф. каф. «Информационные системы и инновационные технологии», e-mail:info@igupit.ru
Демьян Леонидович Михайлюк, аспирант каф. «Информационные системы и инновационные технологии», e-mail:info@igupit.ru
НОУ ВПО «Институт государственного управления, права и инновационных технологий», Москва
Сформулирован алгоритм вычисления расхода воды, смеси газов, кислорода и водорода в электролизно-водных генераторах; представлена схемотехническая реализация автоматизированной микропроцессорной системы сбора и обработки данных на базе САПР QUARTUS II фирмы ALTERA; приведены результаты экспериментальных исследований автоматизированной установки на электролизно-водных генераторах «МЮОН» и «Лига».
The article formulated an algorithm for calculating the water flow, gas mixture of oxygen and hydrogen in the in aqua-electrolysis generators. The authors represented realization of the automated microprocessor system on the basis of CAD QUARTUS II produced by ALTERA. The article presented the results of experimental studies of the automated installation of water-electrolysis generators “MUON” and “League”.
Ключевые слова: QUARTUS II, электролизно-водный генератор, микропроцессорная система.
Keywords: QUARTUS II, electrolysis, water generator, a microprocessor system.
Постановка задачи
Принцип работы электролизера основан на разложении воды на кислород и водород. В последние десятилетия были разработаны модифицированные электролизно-водные генераторы, в которых для снижения температуры пламени в воднокислородную среду вводилась смесь паров ацетона или спирта, бензина или керосина.
Достоинством водородно-кислородной сварки с применением генераторов-электролизеров являются следующие возможности, не доступные для дуговой сварки:
• пайка и сварка деталей приборов точной ме-
ханики и оптики;
• обработка ювелирных изделий;
• зубопротезное производство;
• сварка и пайка разнородных металлов и неме-
таллов;
• ремонтно-восстановительные работы микро-
объектов;
• термообработка микроповерхностей.
Процесс разложения воды на водород и ки-
слород считается хорошо изученным и давно применяется на практике [1 - 3]. Широкое распро-
странение получили щелочные электролизеры [3], работающие при напряжении 2,2 - 2,4 В на ячейку. В настоящее время усовершенствование электролизеров идет в направлении увеличения КПД.
Цель данной работы - создание микропроцессорной системы учета и регистрации расхода дистиллированной воды и выхода кисло -рода, водорода и смеси газов, что является важным показателем при оценке работы электролизно-водных генераторов.
Электролиз происходит за счет подводимой энергии постоянного тока и энергии, выделяющейся при химических превращениях на электроде. Энергия при электролизе расходуется на повышение гиббсовой энергии системы в процессе образования целевых продуктов и частично рассеивается в виде теплоты при преодолении сопротивлений в электролизере и других участках электрической цепи.
На катоде в результате электролиза происходит восстановление ионов или молекул электролита с образованием новых продуктов. Катионы принимают электроны и превращаются в ионы более низкой степени окисления или в атомы.
На аноде в результате электролиза происходит окисление ионов или молекул, находящихся в электролите или принадлежащих материалу анода (анод растворяется или окисляется). Электрохимические процессы, протекающие у электродов при электролизе, прежде всего будут зависеть от соотношения электродных потенциалов соответствующих электрохимических систем. Из нескольких возможных процессов будет протекать тот, осуществление которого сопряжено с минимальной затратой энергии. Это означает, что на катоде будут восстанавливаться окисленные формы электрохимических систем, имеющих наибольший электродный потенциал, а на аноде будут окисляться восстановленные формы систем с наименьшим электродным потенциалом. В основе электролиза лежат два закона Фарадея.
Первый закон Фарадея гласит: «Масса вещества, выделившегося на электроде при прохождении по раствору электролита электрического тока, прямо пропорциональна количеству электричества» и описывается формулой
Ат = кэО>,
где Ат - количество прореагировавшего вещества; Q - количество электричества; кэ - коэффициент
пропорциональности, показывающий, сколько вещества прореагировало при прохождении единицы количества электричества.
Величина кэ называется электрохимическим эквивалентом и выражается в виде
кэ =-
Na ze'
где M - молярная масса вещества, выделившегося на электроде; NA - постоянная Авогадро; z - валентность иона; e = 1,6 • 10-19 Кл - элементарный заряд.
Согласно второму закону Фарадея, при определенном количестве прошедшего электричества отношения масс прореагировавших веществ равно отношению их химических эквивалентов:
AmJ A1 = Am2 / A2 = Am3 / A3 = const.
Химический эквивалент элемента равен части массы элемента, которая присоединяет или замещает в химических соединениях одну атомную массу водорода или половину атомной массы кислорода.
Если электролиз протекает без побочных процессов и без потерь газов электролиза, т.е. при 100 %-ном использовании тока и получении целевых продуктов, то в соответствии с законами Фарадея на каждые 96 540 Кл количества электричества, или 16,8 А-час, пропущенного через ячейку постоянного тока, выделяется по 1 г-экв водорода (на катоде) и кислорода (на аноде). В промышленных условиях процесса электролиза коэффициент полезного действия тока или выход по току меньше 100%.
Отношение количества газа (водорода или кислорода), практически получаемого в ячейке электролизера в ходе процесса электролиза, к количеству газа, которое должно выделиться при полном использовании тока на протекание основного процесса, называют выходом по току:
Vn
п =
где Уп - объем практически полученного газа; V -объем газа, теоретически рассчитанный в соответствии с законом Фарадея.
Выход по току в процентах определяют из выражения
V
Н = -^ • 100.
V,
В зависимости от конструкции и состояния электролизера, режима работы и других условий, выход по току обычно колеблется в пределах
0,95 - 0,99. При нормальной работе электролизеров выход по току близок к 0,98.
Некоторые потери тока на побочные электродные процессы все же происходят в процессе электролиза воды, что обусловлено наличием и некоторой растворимостью различных загрязнений в электролите. При попадании в электролит примесей, содержащих соединения железа, никеля или других более электроположительных металлов, чем водород, на катоде одновременно с выделением эти примеси восстанавливаются с образованием ионов меньшей валентности. На этот процесс расходуется некоторая часть тока, проходящего через электролитическую ячейку [5].
Алгоритм вычисления расхода воды, смеси газов, кислорода и водорода
Электролиз сопровождается изменением величины протекающего через электролизер заряда Q. Ток измеряется с помощью трансформатора постоянного тока (либо датчика Холла) и интегрируется операционным усилителем, включенным по схеме интегратора:
Q = ктси, (1)
где Кт - коэффициент трансформации трансформатора тока, или масштабный коэффициент в случае применения датчика Холла; С - емкость накопительного конденсатора; и - напряжение на конденсаторе, В.
Сигнал поступает на вход блока, преобразуется в цифровое значение и сравнивается с записанным в память схемы значением и0. При достижении и > и0 в накопительную память записывается единица («1»). Это и есть одна «порция» количества электричества.
Одновременно осуществляется опрос памяти (где записано число «порций» количества электричества №). При получении команды индикации интегрального расхода электроэнергии (К3) из памяти считывается число N и вычисляется интегральный расход электроэнергии, Кл, по формуле Qn = К тСи0 N. (2)
Интегральный расход воды, кг, вычисляется по формуле
Жп = Ктси0N • 0,9 • 10-7. (3)
Для реальной конкретной схемы Кт, С и и0 вводятся в виде числовых коэффициентов, которые не меняются в процессе работы.
Расход смеси («гремучий газ»), л, определяется из выражения
4 = 17,8 -10-5 оп, (4)
где коэффициент 17,8-10-5 - удельный расход смеси, л/Кл.
Аналогично рассчитываются расход водорода Хн2 и кислорода Ь02:
¿н2 = 11,8 • 10-5 Оп, (5)
¿с2 = 6-10-5 Оп. (6)
На индикаторе высвечивается значение интегрального расхода воды, интегрального выхода газовой смеси, интегрального выхода водорода и кислорода. Текущий выход смеси (2Н2 + О2), а также выход водорода определяются путем подсчета числа «порций» количества электричества за определенный отрезок времени (порядка одной минуты) [2].
Схемотехническая реализация системы
Структурная схема микропроцессорной системы приведена на рис. 1, где в качестве датчика тока
Блок обработки данных
Датчик тока Интегратор Блок индикации
Блок Авария
управления по количеству воды
Рис. 1. Схема микропроцессорной системы
применяются как трансформатор тока, так и датчик тока, основанный на эффекте Холла.
Линейный датчик на эффекте Холла состоит из полупроводникового элемента Холла, стабилизатора питания, дифференциального усилителя и выходного каскада. Выходное напряжение этого типа датчика находится в линейной зависимости от величины магнитного поля. Для данного варианта был выбран измеритель тока CSA-1V, произведенный SENTRON a Melexis Company.
В качестве интегратора используется операционный усилитель 1407УДЗ. Это программируемый ОУ с низким уровнем шума (спектральная плотность белого шума не превышает 2,5). Диапазон напряжений питания ±(2 - 12) В. Схема подключения интегратора приведена на рис. 2.
Интегрируем входной сигнал по времени:
Г -
-out = 1- t + V
0
RC
initial •
Здесь Ут, Уои1 - функции времени; УтцИ1 - выходное напряжение интегратора в момент времени ^ = 0.
Рис. 2. Принципиальная схема интегратора на основе операционного усилителя
Блок обработки данных разработан на базе ПЛИС ЬБМ-БР2С8-Т144. Выбор данной схемы связан с ее многофункциональностью и возможностью перепрограммирования, что позволяет использовать ее в различных схемотехнических вариантах.
Рис. 3. Блочная реализация программируемой микропроцессорной части
Блок-схема программируемой части микропроцессора приведена на рис. 3.
Блок управления содержит четыре кнопки, которые определяют следующий алгоритм работы:
• обнуление информации (осуществляется кнопкой К1);
• переключение индикации вывода текущего и интегрального значения расхода компонентов (осуществляется кнопкой К2, при этом высвечивается верхний квадратик при интегральном расходе и нижний квадратик при текущем значении);
• ручное переключение индикации расхода воды, смеси газов, кислорода и водорода Н2О, 2Н2 + О2, Н2, О2; соответственно на индикаторе отображается НО, 2Н, Н, О (кнопка К3);
12 3 4 5 6 7 89 10
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
1 1 О 1 1 С 1 1 с 1 1 с 1 1 О 1 1 <3 1 1 0 1 1 О 1 1 О 1 1 О
Рис. 4. Расположение знакомест жидкокристаллического модуля МТ-10Т9
Электротехнические и информационные комплексы и системы № 2, т. 7, 2011 г.
01
о>
ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ ХИМИЧЕСКИХ ТЕХНОЛОГИИ
• автоматическое переключение индикации расхода воды, смеси газов, кислорода и водорода Н2О, 2Н2 + О2, Н2, О2; соответственно на индикаторе отображается НО, 2Н, Н, О (кнопка К4). Индикация обновляется через 8 с.
Блок индикации, который реализован на базе жидкокристаллического десятиразрядного модуля, предназначен для визуального просмотра вычисленных данных Н2О, 2Н2 + О2, Н2, О2. Нумерация разрядов индикатора изображена на рис 4:
1-й разряд - индикация интегрального или текущего значения, где высвечиваемый верхний или нижний квадратик соответствует интегральному или текущему выходу компонентов;
2 - 6-й разряды - численные показания выхода компонентов;
7-й разряд - не используется;
8 - 10-й разряды - индикация потребления данного компонента.
При включении питания индикатор высвечивает данные, соответствующие алгоритму работы блока управления. При нажатии кнопки К1 происходит полное обнуление памяти и индикатора.
Тестовые испытания в случае аварии по количеству воды проводились на электролизере, состоящем из двух блоков. Каждый блок содержал 1,250 л дистиллированной воды и 22 %-го раствора едкого калия, что соответствует общему объему 2,5 л. При расходе воды более 1 л включался непрерывный звуковой сигнал длительностью 1 мин и частотой 3 кГц. Больший расход воды дает нестабильность работы установки.
Принципиальная схема микропроцессорной системы
Автоматизированная микропроцессорная системы сбора, обработки, вычисления и индикации данных реализована на микропроцессоре и внешних согласующих элементах малой степени интеграции (рис. 5). Проект выполнен в САПР QUARTUS II фирмы ALTERA.
Тактовый генератор частотой 4 мГц собран на ИМС DD1 К555ЛН1. Входной сигнал с трансформатора тока поступает на интегратор на ИМС DА1 (интегрирующий конденсатор С4). Далее сигнал с интегратора поступает на компаратор на ИМС DА2. С выхода компаратора уровень срабатывания подается на вход ИМС DD2 - это микросхема программируемой логики ЕР2С8-Т144 фирмы
ALTERA, которая формирует всю управляющую диаграмму работы платы обработки.
Программирование ИМС DD2 осуществляется на плате в процессе отладки через разъем ХР1. Окончательный файл проекта записывается в конфигурационное ПЗУ DD4.
После поступления сигнала с компаратора DА2 ИМС DD2 формирует импульс сброса, который, поступая на электронное реле VT1, осуществляет разрядку конденсатора С4, после чего цикл заряда начинается заново. Входные импульсы считаются счетчиком входных импульсов, их значение за минуту записывается в регистр хранения текущего значения. Схема содержит два основных регистра -это вышеуказанный регистр хранения текущего значения и регистр хранения суммарного значения, в который при включении питания переписывается информация из электрически перепрограммируемой памяти EEPROM DD3 - ИМС AT28C16. Диаграммы чтения и записи в EEPROM, которые формирует ИМС DD2, приведены на рис. 6.
Значения этих регистров суммируются, и каждую минуту происходит запись суммарного значения в EEPROM. При нажатии кнопки К4 регистр хранения суммарного значения обнуляется, при этом загорается светодиод, показывающий момент записи нулевого значения в EEPROM.
После нажатия кнопок К1 - К3, задающих режим отображения информации, их значения дешифрируются и поступают на блок задания режимов работы, который управляет отображением записанной в основных регистрах информации на жидкокристаллическом индикаторе НL1 МТ10Т7-7. Информация из выбранного регистра умножается на соответствующий коэффициент и выводится на индикатор. При превышении значения в регистре хранения суммарного значения заданной величины загорается светодиод HL3 и включается звуковой сигнал на пьезоизлучателе ВА1.
Внешний вид макетной платы приведен на рис. 7. Данная плата микропроцессорной системы работает автономно и может использоваться с любыми электролизерами подобного типа. Напряжение питания равно 12 В.
Экспериментально работоспособность микропроцессорной системы и ее программного обеспечения в виде макета проверялась на электролизерах «МЮОН» и «Лига» и показала удовлетворительные результаты.
исходных данных, вычисления и индикации расхода воды, смеси газов, кислорода и водорода в электролизно-водных генераторах. Электролизер с указанной микропроцессорной системой позволяет оператору более точно и детально контролировать процесс сварки и пайки изделий. На основе получаемой информации о расходе воды можно своевременно пополнять ее количество. Таким образом, внедрение данной системы позволяет повысить производительность труда и качество работ при пайке и сварки изделий.
ЛИТЕРАТУРА
1. Антропов Л. И. Теоретическая электрохимия. М.: Высшая школа. 1984.
2. Багоцкий В. С. Основы электрохимии. М.: Химия. 1988.
3. Якименко Л. М. и др. Электролиз воды. М.: Химия. 1970.
4. Морозов Ю.В. и др. Электролизеры с твердым полимерным электролитом для разложения воды. // Журнал депонированных рукописей. 2002. № 9. http://www4/mte/m/www/toim.nsf/ (дата обращения 21.01.2011).
5. Шпильрайн Э. Э., Малышенко С. П., Кулешов Г. Г. Введение в водородную энергетику. M.: Энергоатомиздат. 1984.
Поступила 16.03.2011 г.
Защиты в Диссертационном совете Д 212.150.05 при ФГОУВПО «РГУТиС» за 2010 год
Специальность 05.02.13 - Машины, агрегаты и процессы (коммунальное хозяйство и бытовое обслуживание)
1. Лукина Лилия Анатольевна
Тема: «Совершенствование оборудования для влажно-тепловой обработки спортивной одежды из высокоэластичных материалов на предприятиях бытового обслуживания».
Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент Максимов А. В.
2. Александров Евгений Борисович
Тема: «Математическое и компьютерное моделирование процессов механического контакта в узлах трения машин сферы быта и коммунального хозяйства».
Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор Косенко И.И.
3. Титов Владимир Александрович
Тема: «Исследование и разработка метода фрикционного нанесения износостойких покрытий на пред-прятиях автомобильного сервиса».
Научный руководитель: кандидат технических наук Быстров В.Н.
Рис. 7. Макетная плата
В результате проведенной работы была разработана компьютерная программа и выполнен макет автоматизированной микропроцессорной системы сбора
