CC BY
75
УДК 637.13:534.838.7
ИННОВАЦИИ В ДЕЙСТВИИ: РАЗРАБОТКА ГЕНЕРАТОРА УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ
Геннадий Николаевич Самарин, д. техн. н., доцент Евгений Валерьевич Шилин, аспирант Дмитрий Юрьевич Кривогузов, магистрант Елена Александровна Евентьева, аспирант
ФГБОУ ВО «Великолукская государственная сельскохозяйственная академия», Россия, г. Великие Луки
Ультразвуковое (УЗ) облучение имеет бактерицидные свойства, т.е. имеется возможность уничтожения бактерий в жидких средах, таких как вода, молоко, соки и др. УЗ-обработка в перспективе сможет заменить охлаждение и тепловую обработку молока, а это повлечет за собой сбережение электрической и тепловой энергии, что, в свою очередь, окажет положительное влияние и на себестоимость выпускаемой продукции.
На кафедре «МЖ и ПЭЭСХ» ФГБОУ ВО «Великолукская ГСХА» начали проводить работу по изучению ультразвукового воздействия на молоко. Для выяснения разных аспектов этого воздействия было принято решение о создании запатентованной лабораторной установки, основной целью которой являлось определение оптимальных технологических параметров ультразвуковой обработки.
В целях выполнения исследований по ультразвуковой обработке молока разработан генератор колебаний.
Генератор ультразвуковых колебаний построен на базе микроконтроллера марки АТИпу2313 фирмы АШе1. Пределы регулирования частоты ультразвука составляют от 20 до 65 кГц. Ультразвуковые колебания непосредственно вырабатываются пьезоэлектрическим излучателем, на который подается переменное напряжение соответствующей частоты.
Питание всего устройства обеспечивается блоком питания, преобразующим переменное напряжение величиной 220 В и частотой 50 Гц в постоянное стабилизированное напряжение двух значений: +5 В и +12 В.
В результате разработана установка с пьезоэлектрическим преобразователем проточной обработки молока.
Представленный в статье генератор ультразвуковых колебаний успешно прошел проверочные испытания, на основании которых признан работоспособным и готов к эксплуатации для проведения лабораторных исследований.
Ключевые слова: генератор ультразвуковых колебаний, принципиальная электрическая схема, ультразвуковое обеззараживание, животноводство, бактериальная обсеменен-ность, молоко.
Введение
Ультразвуковое (УЗ) облучение имеет бактерицидные свойства, т.е. имеется возможность уничтожения бактерий в жидких средах, таких
как вода, молоко, соки и др. [1, 2, 3, 4]. Это свойство звука, частотой выше 20 кГц, послужило толчком для начала исследований по обеззараживанию молока. Предпо-
ложительно, УЗ-обработка в перспективе сможет заменить охлаждение и тепловую обработку молока. Следовательно, это повлечет за собой сбережение электрической и тепловой энергии, что, в свою очередь, окажет положительное влияние и на себестоимость выпускаемой продукции.
Материал и методы
На кафедре «МЖ и ПЭЭСХ» ФГБОУ ВО «Великолукская ГСХА» начали проводить работу по изучению ультразвукового воздействия на молоко. Для выяснения разных аспектов этого воздействия, было принято решение о создании лабораторной установки [5], основной целью которой являлось определение оптимальных технологических параметров ультразвуковой обработки.
Результаты и обсуждение
В целях выполнения исследований по ультразвуковой обработке молока разработан генератор колебаний (схема на рисунке 1).
Генератор ультразвуковых колебаний построен на базе микроконтроллера марки ATtiny2313 фирмы Atmel. Для отображения установленной частоты ультразвуковых колебаний служит светодиодный семисегментный индикатор LED1, показывающий значение частоты в килогерцах (кГц). Для изменения вырабатываемой генератором частоты предназначены кнопки SB1 и SB2. С помощью SB1 частота генератора увеличивается на 5 кГц, а с помощью SB2 - на 1 кГц. Пределы регулирования частоты ультразвука
составляют от 20 до 65 кГц. Ультразвуковые колебания непосредственно вырабатываются пьезоэлектрическим излучателем BZ1, на который подается переменное напряжение соответствующей частоты.
Соответствующее функционирование микроконтроллера ATtiny2313 обеспечивается заложенной в его память программой, полностью определяющей алгоритм его взаимодействия с внешними электронными компонентами и устройствами. Для обеспечения стабильности частоты тактового генератора микроконтроллера согласно техническим рекомендациям производителя микросхемы применен кварцевый резонатор ZQ1 на частоту 4 МГц, который подключен к выводам XL и XL2. Кнопки SB1 и SB2 подключены к выводам PD.0 и РD.1 напрямую ввиду программного подключения подтягивающих резисторов к соответствующим выводам внутри микросхемы.
Питание всего устройства обеспечивается блоком питания, преобразующим переменное напряжение величиной 220 В и частотой 50 Гц в постоянное стабилизированное напряжение двух значений: +5 В и +12 В. Напряжение +5 В необходимо для обеспечения питания микроконтроллера ATtiny2313 и светодиодного семисегментного индикатора LED1. Напряжение +12 В служит для питания усилительной схемы на биполярных транзисторах VТ1-VТ6, к которой непосредственно подключен пьезоизлучатель BZ1. Блок питания функционирует следующим образом.
Рисунок 1 - Схема генератора УЗ-колебаний
Сетевое напряжение 220 В понижается трансформатором ТУ1 до напряжения 12 В, а затем выпрямляется полупроводниковыми диодами У01-У04. Полученный пульсирующий ток сглаживается электролитическим конденсатором С1 за счет того, что в период повышения напряжения конденсатор заряжается, а в период понижения напряжения -разряжается, отдавая ток в нагрузку. Конденсатор С2 шунтирует переменную составляющую напряжения. Затем микросхема интегрального стабилизатора 7812 создает стабилизированное фиксированное напряжение положительной полярности величиной 12 В. Конденсатор С3 улучшает переходные процессы и удерживает полное выходное со-
противление схемы на низком уровне при высоких частотах. Резистор создает минимально необходимую нагрузку для микросхемы интегрального стабилизатора 7812. Далее получаемое постоянное стабилизированное напряжение +12 В поступает на микросхему интегрального стабилизатора 7805, которая создает стабилизированное фиксированное напряжение положительной полярности величиной +5 В. Конденсатор С4 улучшает переходные процессы и удерживает полное выходное сопротивление схемы на низком уровне при высоких частотах. Резистор Я2 создает минимально необходимую нагрузку для микросхемы интегрального стабилизатора 7805.
Отображение значения частоты на семисегментном индикаторе происходит в динамическом режиме. Включение отдельных сегментов осуществляется путем подачи микроконтроллером напряжения +5 В на один из выводов РВ.0-РВ.6.РВ.6. Резисторы R9-R15 служат для ограничения тока, потребляемого каждым из сегментов индикатора. Включение отдельных разрядов индикатора осуществляется подачей микроконтроллером напряжения +5 В на базы ключевых транзисторов VТ7 и VТ8 через то-коограничивающие резисторы R7 и R8. При этом транзисторы VТ7 и VТ8 открываются и обеспечивают прохождение тока разрядов индикатора на нулевую шину.
Выработка напряжения необходимой частоты осуществляется микроконтроллером ATtiny2313. Согласно заложенной в него программе на выводы PD.6 и РD.7 попеременно подаются импульсы напряжения +5 В, длительность которых зависит от заданной частоты. Эти импульсы подаются на усиливающую схему на транзисторах VТ1-VТ6, с которой непосредственно переменное напряжение поступает на пьезоэлектрический излучатель BZ1. Усиливающая схема представляет собой мост, собранный на транзисторах VТ1-VТ4, к одной диагонали которого подано напряжение +12 В, а к другой - излучатель BZ1. Такое включение излучателя обеспечивает подачу на него полноценного переменного
напряжения с изменяющейся полярностью, а не просто пульсирующего напряжения, что гарантирует большую мощность излучаемого ультразвука. Управляющие импульсы от микроконтроллера подаются на базы транзисторов VТ5 и VТ6 через токоограничивающие резисторы R3 и R6. Транзистор VТ5 обеспечивает одновременное открытие транзисторов моста VТ2 и VТЗ, а транзистор VТ6 - транзисторов моста VТ1 и VТ4. Резисторы R4 и R5 ограничивают базовый ток транзисторов моста. Пары транзисторов моста VТ2, VТЗ и VТ1, VТ4 открываются поочередно, что и создает необходимое переменное напряжение с изменяющейся полярностью на зажимах излучателя.
На рисунке 2 приведён внешний вид генератора УЗ-колебаний.
На рисунке 3 - вид общий генератора с указанием основных параметров.
Выводы
Представленный в статье генератор ультразвуковых колебаний успешно прошел проверочные испытания, на основании которых признан работоспособным и готов к эксплуатации для проведения лабораторных исследований.
Авторы признательны за замечания и предложения, высказанные по настоящей работе ассистенту, учебному мастеру М.Ю. Егорову.
Рисунок 2 - Внешний вид 1 - корпус прибора; 2 - светодиодный семи-генератора УЗ-колебаний сегментный индикатор; 3 - кнопка увеличения частоты с шагом 5 кГц; 4 - кнопка увеличения частоты с шагом 1 кГц Рисунок 3 - Вид общий генератора УЗ-колебаний
Библиографический список
1. Акопян В.Б. Основы взаимодействия ультразвука с биологическими объектами: Ультразвук в медицине, ветеринарии и экспериментальной биологии. - М: МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2005. - 224 с.
2. Антушева Т.Н. Некоторые особенности влияния ультразвука на микроорганизмы / Т.Н. Антушева // Живые и биокосные системы. - 2013. - №4. - С.27-44.
3. Самарин Г.Н. Альтернативные методы первичной обработки молока / Г.Н. Самарин, В.А. Шилин, Е.В. Шилин // Известия Великолукской ГСХА. - 2014. - №3. - С. 42-49.
4. Сукиасян С.М. Устройство для обработки молока ультразвуком / С.М. Сукиасян, В.А. Шилин // Сельский механизатор. - 2009. - №11. - С.32-33.
5. Устройство для ультразвуковой обработки молока проточного типа: пат. на изобретение № 2603101 Рос. Федерация. № 2014137752/10; заявл. 17.09.2014; опубл. 20.11.2016, Бюл. №32. - 6 с.: ил.
E-mail: samaringn@yandex.ru
182112 Псковская область, г. Великие Луки, пр. Ленина д. 2, ФГБОУ ВО «Великолукская ГСХА»
Тел.: +7 (81153) 7-16-22
