CC BY
112
ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ ХИМИЧЕСКИХ ТЕХНОЛОГИЙ
УДК 577.352
Разработка системы автоматизации работы ионатора обеззараживания питьевой воды
Владимир Васильевич Кокорин, зав. учебно-исследовательской лабораторией, e-mail:info@igupit.ru
Николай Андреевич Чарыков, к.т.н., проф., каф. «Информационные системы и инновационные технологии», 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
НОУ ВПО «Институт государственного управления, права и инновационных технологий», Москва
Проанализированы недостатки отечественных автономных серебряных ионаторов для обеззараживания питьевой воды и предложены способы устранения этих недостатков; разработано техническое задание на разработку интегральной микросхемы (ИМС) для нового ионатора; приведено описание функционирования специализированной ИМС и выполненного на ее основе автономного серебряного ионатора, рассчитанного на обработку 250 -300 мл питьевой воды, который автоматически включается в водной среде, обеспечивает автоматическую дозировку ионов серебра, вводимых в водную среду, и автоматически выключается при завершении этого процесса, что исключает необходимость контроля пользователем времени обработки воды; показано, что результирующий разброс величины заряда вводимых в воду ионов серебра в диапазоне технологических параметров интегральной микросхемы и колебаний напряжения автономного источника электропитании не превышает ±10%.
Authors analyze disadvantages of domestic autonomous silver ionizer for disinfection of drinking water and suggest ways to remedy these disadvantages; develop a technical specification for development of integrated circuits (ICs) for a new ionizer; describe the operation of specialized ICs and executed on the its basis autonomous silver ionizer, designed to process 250-300 ml of water, which automatically turns on in the aquatic environment, provides an automatic dosage of silver ions introduced into the aquatic environment, and turns off automatically at the end of this process, that eliminates the need to control the user time for processing water; show that the resulting dispersion of the charge introduced into the water silver ions in the range of technological parameters of the integrated circuit and voltage fluctuations of autonomous source of power supply is less than ± 10%.
Ключевые слова: обеззараживание питьевой воды, автономный ионатор питьевой воды, ионы серебра, специализированная интегральная микросхема.
Keywords: disinfection of drinking water, autonomous ionizer of drinking water, silver ions, application-specific integrated circuit.
Постановка задачи
Проблема бактерицидного обеззараживания питьевой воды стоит в наши дни крайне остро. Это связано с падением качества воды и не прекращающейся чередой экологических катастроф на земном шаре. Из года в год население городов и сельской местности постоянно страдает из-за отсутствия гарантированного снабжения питьевой водой, зачастую люди пользуются водой из непроверенных источников децентрализованного водоснабжения (вода колодцев, родников, каптажей). Такое положение нередко приводит к вспышкам серьезных кишечных заболеваний. Фильтров, которые задержи-
вали бы все вредные примеси - химические вещества, радионуклиды, бактерии, болезнетворные микробы, плесень, грибки, - не существует.
По принципу действия установки по очистке питьевой воды подразделяются на несколько типов: устройства, очищающие воду с помощью механической фильтрации; системы на основе полупроницаемых тонкопленочных мембран; системы, использующие сорбенты (активированный уголь) и ионообменные смолы. Обеззараживание воды производится с помощью химических веществ (антисептиков) и электрохимическими методами. Недостатком химической очистки воды является
то, что после него воду все равно нужно очищать, но уже от самих антисептиков.
К электрохимическим методам относится метод обеззараживания воды серебром. Установлено, что присутствие в воде ионов серебра подавляет рост и жизнедеятельность различных микробов, а также и вирусов. При этом высокий антимикробный эффект достигается при концентрации серебра приблизительно 0,05 мг/л. Гибель микробных клеток наступает в основном через 40 - 50 мин при содержании серебра 0,1 - 0,2 мг/л. Отмирание основной массы клеток происходит в первые 15 - 30 мин. Затем скорость отмирания снижается. Концентрация серебра 0,1 мг/л оказывается достаточной для обеспечения бактерицидности в течение года [1 - 6].
Особенно важно, что серебро оказывает гибельное воздействие на возбудителей желудочнокишечных заболеваний (дизентерия, брюшной тиф, холера, и др.), источником возникновения которых может служить некачественная вода.
В начале ХХ в. началась научная разработка способов использования серебра для обеззараживания питьевой воды. Как показали все последующие исследования, самым эффективным и наиболее технологичным оказался электролитический способ.
Среди различных средств обеззараживания питьевой воды особое место занимают предназначенные для личного применения автономные серебряные ионаторы питьевой воды. Принцип действия серебряного ионатора - обеззараживание воды путем электролитического введения ионов серебра (Ag+) - известен давно и достаточно подробно описан в литературе [1 - 6].
Одной из разработок последних лет является автономный портативный ионатор «Сильва-
93Эм1», разработанный фирмой «ДиД» и изготавливавшийся АО НПО «Радий» (Москва), который имеет наипростейшую конструкцию и схемотехническую реализацию.
Целью данной статьи является
выявление недостатков указанного ионатора и разработка автоматизированной системы на базе интегральной микросхемы с целью дозированного введения ионов серебра.
Анализ функционирования выпускаемых ионаторов типа «Сильва-93Эм1»
Конструкция ионатора «Сильва-93Эм1» предельно проста. Она включает в себя автономный источник питания с напряжением 6,0 В и интегральную микросхему (ИС) генератора тока. На рис. 1 пред-
ставлены структурная и электрическая схемы ио-натора «Сильва-93Эм1».
В состав принципиальной электрической схемы ИС генератора тока схемы входят четыре биполярных транзистора (два p-n-p- и два n-p-n-типа) и три диффузионных резистора. Выходной ток ИС Iout с большой степенью точности определяется соотношением
lout = Vb-e(VT4)/R3, (1)
где Vb-e - напряжение база-эмиттер биполярного n-p-n транзистора.
Анализ работы ионатора «Сильва-93Эм1» позволил выявить следующие его недостатки.
1. Нестабильность количества Q вводимых ионов серебра. При Q меньше нормы снижается дезинфицирующее действие прибора, а при Q больше нормы имеет место превышение санитарной нормы на содержание ионов Ag в воде и за-мутнение воды, в результате чего она приобретает отталкивающий вид.
Рис. 1. Структурная (а) и электрическая (б) схема ионатора «Сильва-93 Эм1»
Причины этих явлений заключаются в несогласованности величины тока генератора 1оЫ с возможными высокими значениями сопротивления воды, в нестабильности значений тока 1оЫ в диапазоне разброса технологических параметров ИС генератора тока и разброса в диапазоне рабочих температур. Проблемой является необходимость жесткого контроля над временем обработки воды со стороны потребителя.
2. Возможность полного растворения анода по мере расхода ресурса источника питания, что вызывает такие негативные последствия, как резкое уменьшение вводимого количества ионов Ag+ в конце срока службы прибора, необходимость применения дорогостоящего источника питания с
высоким ресурсом, стремительное увеличение всех составляющих сопротивления «анод - катод» по мере растворения анода и соответствующего уменьшения его площади, а также осаждение очень большого количества пористого серебра внутри защитного кожуха ионатора, что приводит к полной потере «товарного» вида ионатора.
З. Несогласованность ресурса источника питания с предполагаемым сроком службы прибора требует применения источника питания с большим токовым ресурсом, имеющего высокую стоимость, в результате чего возрастает себестоимость и, как следствие, цена ионатора. Причина данного недостатка заключается в неправильной установке на полное растворение анода за время работы ионатора.
Решение задачи устранения существующих недостатков
При создании нового изделия предусмотрены следующие способы решения перечисленных проблем.
Для устранения первого недостатка необходимо оптимизировать выходную ВАХ генератора тока путем снижения величин тока /out и порогового напряжения Uout, а также увеличить площадь катода. Следует предусмотреть возможность автоматического выключения тока /out через заданное время t. При этом заряд вводимых ионов серебра Q = /outt не должен зависеть от разброса параметров ИС и от температуры обрабатываемой воды. Необходимо предусмотреть возможность полного растворения анода (серебряного электрода) по мере расхода ресурса источника питания.
Для устранения второго недостатка необходимо обеспечить автоматическое ограничение общего количества растворяемого серебра за все время работы ионатора.
Предлагаемый способ устранения третьего недостатка заключается в уменьшении напряжения источника питания с 6,0 до 4,5 В за счет оптимизации выходной ВАХ генератора тока, а также за счет автоматического ограничения общего количества растворяемого серебра.
При проектировании автономного серебряного ионатора питьевой воды предлагаемые усовершенствования касаются прежде всего интегральной микросхемы генератора тока. В состав разработанной ИМС на основе КМОП-технологии входят блоки, показанные на рис. 2.
Тактовый генератор (ТГ) и делитель частоты на 512/1024 (ДЧ1) представляют собой автономный узел ИС. Единственной связью с остальной
Рис. 2. Структурная схема ИМС управления ионатором
микросхемой для этих блоков является сигнал «Сброс», уровень логического нуля которого останавливает ТГ и устанавливает в ноль все разряды ДЧ1. Блок ДЧ1 имеет два внешних выхода, на которых формируются сигналы с частотой /с:512 и /С:1024, где /С - частота выходного сигнала ТГ.
При монтаже кристалла ИС на плату один из выводов «/С:512» или «/С:1024» соединяется с входом «/_ш» блока «Делитель частоты на 1024» (ДЧ2). Сигнал «Сброс» низкого уровня переводит все разряды ДЧ2 в состояние логического нуля.
Сигналы деленной частоты с блока ДЧ2 используются логическим блоком управления (ЛБУ) для формирования импульсов управления остальными узлами ИМС. Блок ЛБУ выполняет следующие функции: включает и выключает генератор выходного тока (ГВТ), вырабатывает импульсы опроса датчика отсутствия нагрузки (ДОН), а также управляет выходными МОП-транзисторами УТ1 и УТ2. Кроме того, ЛБУ формирует сигнал «Сброс», переводящий все узлы ИМС в пассивный режим работы с низким потреблением тока от источника питания.
Выходной ток управления индикаторным светодиодом вырабатывается генератором тока СД (ГТСД). Периоды времени, в течение которых должен протекать этот ток, определяется соответствующим логическим сигналом ЛБУ.
Выходной р-канальный МОП-транзистор УТ2 является относительно мощным элементом ИМС. Транзистор УТ2 служит для обеспечения короткого замыкания между катодом и анодом ионатора в активном режиме в течение времени, когда не вырабатывается выходной ток ИМС. Относительно маломощный выходной п-канальный МОП-тран-
зистор УТ1 функционально относится к блоку ДОН. Этот транзистор вырабатывает выходной ток, используемый для оценки величины сопротивления нагрузки ионатора.
Схема сброса при включении питания (ССВП) обеспечивает пассивный режим работы ИМС сразу же после установления напряжения питания на выводе «+^ГСС».
Алгоритм, согласно которому функционирует ИМС управления ионатором, заключается в следующем.
При включении напряжения питания активизируется блок ССВП. При этом соответствующие схемы блока ЛБУ переводятся в состояние, обеспечивающее уровень логического нуля сигнала «Сброс». Если сопротивление нагрузки ЯЬ больше или равно 640 кОм, то микросхема оказывается в пассивном режиме. Пассивному режиму (ПР) соответствует следующее состояние элементов микросхемы: тактовый генератор остановлен и находится в режиме малого потребления тока от источника питания; делители частоты ДЧ1 и ДЧ2 находятся в обнуленном состоянии; генератор выходного тока и генератор тока СД выключены и не потребляют тока от источника питания; р-каналь-ный МОП-транзистор УТ2 закрыт, п-канальный МОП-транзистор УТ1 открыт; выходное напряжение ИМС имеет уровень логического нуля, близкий к напряжению общей точки «0 В», блок ДОН идентифицирует отсутствие нагрузки.
Подключение между выводами «+Ucc» и «OUT» сопротивления нагрузки RL, не превышающего величины RLa = 25 Ком, должно вызывать переход ИМС в активный режим (АР) работы.
Работа ИМС в АР поясняется с помощью временных диаграмм, изображенных на рис. 3. Шкала времени приведена для номинального значения частоты входного напряжения ft = 64 Гц.
Блок ДОН идентифицирует наличие нагрузки и подает на блок ЛБУ сигнал, переводящий напряжение на шине «Сброс» в высокий уровень. При этом должны происходить следующие процессы: включается тактовый генератор; закрывается n-канальный МОП-транзистор VT1, входящий в состав ДОН, и последний блок переходит в неактивное состояние; открывается р-канальный МОП-транзистор VT2 и на выводе «OUT» формируется напряжение высокого уровня, близкое к потенциалу +Ucc; начинает формироваться первый импульс выходного тока через вывод «Упр. СД».
Рассмотрим количество заряда, протекающего через вывод «OUT» за один цикл работы иона-тора. Наибольшей стабильности величины заряда ионов серебра Q = /outtcurr, переходящих в раствор, можно достичь путем выполнения приводимых ниже соотношений.
Выражение для Q имеет вид
Q = Kf /out tc , (2)
где tc - период выходного сигнала тактового генератора (ТГ).
Рис. З. Временные диаграммы внешних и внутренних сигналов ИМС ионатора
Возможные величины Q, мА-с, протекающего через вывод «OUT»
Диапазон Iout, мА 4,0 мА 2,5 мА 1,5 мА
Внешние соединения ИМС (количество серебра, мкГ): вывод «/t in» соединен с выводом «/:512»; вывод «/t in» соединен с выводом «/:1024» 37,3 (33,6) 74,6 (67,2) 23,2 (20,9) 46,4 (41,8) 14.1 (12,7) 28.2 (25,4)
При монтаже кристалла ИМС вход «/_in» будет соединен либо с выходом <</:512», тогда значение коэффициента К/ = 311296, либо, в противном случае, с выходом «/:1024», тогда К/ = 622592.
Благодаря оптимальному построению схемы ТГ величина tc удовлетворяет соотношению
te = K1RpWC, (3)
где К1 = 20 - коэффициент, определяемый топологией схемы ТГ; Rpw -диффузионное сопротивление, составленное из слоя р-кармана; C = 10пФ -емкость конденсатора, имеющего структуру поли-кремний-окисел-кремний.
Выходной ток ИМС удовлетворяет соотношению
/oUt = K2(UCC - Uthn) / Rpw , (4)
где К2 - коэффициент, определяемый топологией ИМС и изменяющий свое значение в зависимости от выбранного диапазона выходного тока (см. ниже); Ucc - напряжение питания ИМС; Uthn - пороговое напряжение n-канальных МОП-транзисто-ров в составе ИМС.
Выражения (2 - 4) дают возможность получить обобщающую формулу для количества заряда, протекающего через вывод «OUT» за один цикл работы ионатора:
Q = K/K1K2C(Ucc - Uthn). (5)
Разброс возможных значений емкости C не превышает ±5%. Пороговое напряжение Uthn не должно выходить за пределы диапазона 0,5...1,0 В, что соответствует изменению величины Ucc - Uthn от 5,0 до 5,5 В (5,25В ± 4,8%) при Ucc = 6,0 В. Таким образом, результирующий разброс величины заряда Q в диапазоне технологических параметров ИМС не превышает ± 10%.
Величина коэффициента K2 достигает следующих предельных значений: в диапазоне выходного тока до 4,0мА - K2 = 114; в диапазоне до 2,5мА - K2 = 71 и в диапазоне до 1,5мА - K2 = 43.
Возможные значения заряда Q, которые обеспечены микросхемой, приведены в таблице. Там же указано соответствующее количество серебра, МКГ, вводимого ионатором при коэффициенте выхода по току 90%. Величины заряда Q, протекающего через вывод «OUT» за один цикл работы ионатора, указаны в единицах мА-с. Данная версия
прибора рассчитана на обработку 250 - 300 мл питьевой воды.
Выходные ВАХ микросхемы по выводу «OUT» обеспечивают заданные значения тока Iout в широком диапазоне значений сопротивлений воды. На рис. 4 приведены возможные выходные ВАХ ИМС для трех диапазонов тока Iout.
Пороговое выходное напряжение Uout, при котором ток Iout становится равным заданному пороговому значению (см. рис. 4), должно быть как можно меньше. Для данной микросхемы величина Uout не превышает 0,8 В на пределе 4,0 мА.
Рис. 4. Выходные ВАХ ИМС управления ионатором при различных предельных значениях Iout: кривая 1 - 4,0 мА; кривая 2 - 2,5 мА; кривая 3 - 1,5 мА
Отдельные и специальные вопросы, связанные с конструкцией и режимами работы ионатора, исследованиями деградации электрода анода и бактерицидными свойствами серебряного ионато-ра, а также динамикой установления режимов в серебряном ионаторе питьевой воды, были рассмотрены авторами ранее в работах [9 - 10].
Проанализированы недостатки отечественных автономных серебряных ионаторов типа «Сильва-93 Эм1» для обеззараживания питьевой воды и предложены способы устранения этих недостатков. Разработано техническое задание на ИМС ионатора и
выполнено ее проектирование. Проведены результаты испытаний специализированной ИМС и выпущенной на ее основе опытной партии ионаторов в различных условиях эксплуатации.
Новый ионатор на основе разработанной ИМС содержит элементы искусственного интеллекта. Показано, что прибор автоматически включается в рабочий активный режим в водной среде, в противном случае он находится в пассивном режиме с электропотреблением на уровне саморазряда батареи питания.
Прибор обеспечивает автоматическую дозировку ионов серебра, вводимых в водную среду, и автоматическое выключение при завершении этого процесса, что исключает необходимость контроля пользователем времени обработки воды. Данная версия прибора рассчитана на обработку 250-300 мл питьевой воды. При помещении ионатора в обрабатываемый объем воды на верхнем торце прибора загорается светодиод, который гаснет по завершении процесса. Предусмотрено уменьшение напряжения источника питания с 6,0 до 4,5 В за счет оптимизации выходной ВАХ ИМС генератора тока.
Проведена оптимизация выходной ВАХ интегральной микросхемы генератора тока и ионатора путем снижения величин рабочего тока 10^ и порогового напряжения иоц(, а также увеличения площади катода. Обеспечено автоматическое выключение тока /„„* через заданное время £ При этом заряд ионов серебра, вводимый в водный раствор, Q = /„„/, слабо зависит от разброса параметров интегральной схемы и от температуры обрабатываемой воды. Результирующий разброс величины заряда Q в диапазоне технологических параметров интегральной микросхемы не превышает ± 10%. Предусмотрена возможность полного растворения серебряного электрода анода по мере расхода ресурса источника питания.
ЛИТЕРАТУРА
1. Кульский Л. А. Основы физико-химических методов обработки воды. М.: Химия. 1962.
2. Таубе П. Р., Баранов А. Г. Химия и микробиология воды. М.: Высшая школа. 1983.
3. Кульский Л. А., Гребенюк В. Д., Савлук О. С. Электрохимия в процессах очистки воды. Киев: Техника. 1987.
4. Кульский Л. А. Серебряная вода. Киев: Наукова думка. 1987.
5. Кульский Л. А., Савлук О. С., Детега Е. Ю. Влияние
электрического поля на процессы обеззараживания воды. Киев: Наукова думка. 1980.
6. Кульский Л. А. Основы химии и технологии воды. Киев: Наукова думка. 1991.
7. ГОСТ 2874-82. Вода питьевая. Гигиенические требования и контроль за качеством.
8. СанПиН по устройству и содержанию колодцев и каптажей родников, используемых для децентрализованного хозяйственно-питьевого водоснабжения (Ы 1226 - 75).
9. Кокорин В. В., Серебренников В. Н., Шумков И. Е., Горюнов Н. Н., Чарыков Н. А. Динамика установления режима в серебряном ионаторе питьевой воды // Мат. докл. меж-дунар. научн.-техн. семинара «Шумовые и деградацион-ные процессы в полупроводниковых приборах» (Москва, 16 - 19 ноября 1998 г.). М.: МНТОРЭС им. А.С. Попова. МЭИ. 1999.
10. Кокорин В. В., Серебренников В. Н., Шумков И. Е., Кур-лапова Л. Д., Чарыков Н. А. Деградация электрода анода и бактерицидные свойства серебряного ионатора // Мат. докл. междунар. научн.-техн. семинара «Шумовые и де-градационные процессы в полупроводниковых приборах» (Москва, 16 - 19 ноября 1998 г.). М.: МНТОРЭС им. А. С. Попова. МЭИ. 1999.
11. Кокорин В. В., Чарыков Н. А. Технические средства обеззараживания питьевой воды // Межвуз. сб. научн. тр. «Инновационные технологии. Вып. № 4. Информационные системы и технологии». М.: НОУ ВПО «ИГУПИТ». 2011. С. 90 - 94.
Поступила 13.04.2011 г.
