Ионизатор воздуха и газов
Изобретение относится к высоковольтной импульсной технике и может быть использовано в химической промышленности для ионизации различных газовых сред, в лакокрасочной промышленности для нанесения порошковых полимерных материалов на металлоизделия, в медицинской технике для ионизации воздуха в лечебных и профилактических целях, в сельском хозяйстве для обработки и хранения сельскохозяйственной продукции с помощью озоновоздушного агента, в электростатических фильтрах, кондиционерах и т.д. Ионизатор воздуха и газов содержит стабилизированный блок питания, регулятор напряжения, задающий генератор, высоковольтный трансформатор, умножитель напряжения и ионизирующие электроды, электронный коммутатор, схему контроля тока, содержащую задатчик тока, и счетный одновибратор, образуя при этом дополнительные новые связи. Технический результат: создание устройства для ионизации воздуха и газов, обладающего высокой стабильностью рабочих характеристик, надежной защитой от перегрузок и коротких замыканий, имеющего высокий КПД и широкий диапазон использования. 1 ил.
Изобретение относится к высоковольтной импульсной технике и может быть использовано в химической промышленности для ионизации различных газовых сред, в лакокрасочной промышленности для нанесения порошковых полимерных материалов на металлоизделия, в медицинской технике для ионизации воздуха в лечебных и профилактических целях, в сельском хозяйстве для обработки и хранения сельскохозяйственной продукции с помощью озоновоздушного агента, в электростатических фильтрах, кондиционерах и т.д.
Известен ионизатор воздушной среды, содержащий диэлектрическое кольцо, в проходном канале которого расположены положительный пластинчатый изолированный и отрицательный из металлических нитей электроды, подключенные соответственно к положительному и отрицательному полюсам источника высокого напряжения. На металлических нитях расположены элементы типа колючей проволоки, шипы которой направлены в сторону пластин электродов (RU 92002010 А, 15.11.1994).
Недостатками данного устройства являются низкая производительность и ограниченный диапазон применения.
Известен также ионизатор воздуха, содержащий корпус с входными и выходным отверстиями, цилиндрический кожух, воздушный фильтр, источник питания, ионообразующий электрод, схему возбуждения, высоковольтный трансформатор, выпрямитель, вентилятор, состоящий из электродвигателя и лопастей, сепаратор аэроионов и трубку (RU 2241501 С1, 10.12.2004).
К недостаткам данного устройства следует отнести низкую стабильность рабочих характеристик процесса ионизации воздуха, низкий уровень защиты от перегрузок и коротких замыканий и ограниченный диапазон использования.
Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения является ионизатор воздуха, содержащий стабилизированный блок питания в виде выпрямителя и стабилизатора напряжения, задающий генератор, усилитель мощности, высоковольтный трансформатор, умножитель напряжения, устройство для снятия статического заряда, содержащее ограничитель тока, и ионизирующий электрод, соединенный с выходом умножителя напряжения (RU 2014851 С1, 30.06.1994).
Работа ионизатора воздуха (прототипа) основана на преобразовании электрических импульсов частотой 15...70 кГц, вырабатываемых задающим генератором, в высокое напряжение постоянного тока 10...100 кВ. Импульсы с выхода генератора, проходя через последовательно соединенные усилитель мощности и высоковольтный трансформатор, поступают на вход умножителя напряжения. На его выходе образуется высоковольтный сигнал, который через ограничитель тока подается на ионизирующий электрод. В процессе работы неизменность электрических параметров устройства определяется стабилизатором напряжения, от которого получает питание усилитель мощности. Стабилизация тока на ионизирующем электроде и защита его от коротких замыканий осуществляются с помощью высокоомного резистивного ограничителя тока.
На процесс ионизации воздуха и других газовых сред влияют два электрических фактора: напряжение и ток между активными (ионизирующими) электродами или между активным электродом и заземленным объектом. Величина напряжения определяет интенсивность ионообменных процессов в межэлектродном пространстве ионизатора от тлеющего разряда до лавинного пробоя при неизменной конструкции активных электродов и расстоянии между ними. Однако качественные характеристики ионообразования зависят от величины и стабильности тока, протекающего через воздушно-газовую среду.
Например, для нанесения порошковых полимерных материалов на металлические изделия в электростатическом поле величина тока распылителя-ионизатора находится в диапазоне от 8 мкА до 50 мкА. При обработке сельскохозяйственной продукции озоновоздушным агентом с целью улучшения ее сохранности величина тока ионизации составляет от 200 мкА до 2500 мкА. В химическом производстве ток ионизации газовых сред при синтезе полимеров составляет десятки миллиампер и более, причем во всех случаях с течением времени значение этого тока не должно изменяться более чем на 10...15% от своего номинального значения.
Описанная выше конструкция не решает проблемы стабильности процесса ионообразования в газовых средах и не способна поддерживать на должном уровне заданный технологический режим при изменении внешних факторов, таких как температура, влажность, проводимость воздушно-газовой среды, освещенность и т.д. Использование резистивного ограничителя тока в высоковольтных устройствах с целью стабилизации рабочих режимов и защиты от коротких замыканий возможно только в узком микроамперном диапазоне токов. Это связано с большими тепловыми потерями на элементе, который ограничивает ток. Такие устройства обладают ограниченной мощностью и имеют низкий КПД.
Недостатками данного устройства являются низкая стабильность рабочих характеристик процесса ионизации, малоэффективная защита от перегрузок и коротких замыканий, низкий КПД, а также ограниченный диапазон использования.
Технической задачей изобретения является создание устройства для ионизации воздуха и газов, обладающего высокой стабильностью рабочих характеристик, надежной защитой от перегрузок и коротких замыканий, имеющего высокий КПД и широкий диапазон использования.
Эта техническая задача достигается тем, что в ионизатор воздуха, содержащий стабилизированный блок питания, регулятор напряжения, задающий генератор, высоковольтный трансформатор, умножитель напряжения и ионизирующие электроды, введены электронный коммутатор, схема контроля тока, содержащая задатчик тока, и счетный одновибратор, образуя при этом новые дополнительные связи.
Функциональная схема, поясняющая работу устройства, представлена на чертеже.
Ионизатор воздуха и газов содержит стабилизированный блок питания 1, первый выход которого подключен к входу регулятора напряжения 2, выходом соединенного с входом питания электронного коммутатора 4, второй выход стабилизированного блока питания 1 подключен к входу питания задающего генератора 3, выходом соединенного с входом управления электронного коммутатора 4, выходы которого подключены к выводам первичной обмотки высоковольтного трансформатора 5, первый вывод вторичной обмотки высоковольтного трансформатора 5 подключен к входу умножителя напряжения 6, выход которого соединен с первым ионизирующим электродом 7, второй ионизирующий электрод 8 подключен к земле и первому входу схемы контроля тока 9, содержащей задатчик тока 10, второй вход схемы контроля тока 9 соединен со вторым выводом вторичной обмотки высоковольтного трансформатора 5 и общим выводом умножителя напряжения 6, первый выход схемы контроля тока 9 подключен к управляющему входу задающего генератора 3, второй выход схемы контроля тока 9 соединен с входом счетного одновибратора 11, первый выход которого подключен к входу блокировки электронного коммутатора 4, а второй выход соединен с входом блокировки стабилизированного блока питания 1.
Устройство работает следующим образом. Задающий генератор 3, выполненный по схеме широтно-импульсного преобразователя, вырабатывает тактовые импульсы прямоугольной формы фиксированной частоты в диапазоне 20...100 кГц, которые поступают на вход электронного коммутатора 4. Питание генератора 3 осуществляется от стабилизированного блока питания 1, поэтому частота и амплитуда его выходного напряжения имеют высокую стабильность. Электронный коммутатор 4 преобразует опорный сигнал генератора 3 в импульсы переменной амплитуды и скважности, которые подаются на первичную обмотку высоковольтного трансформатора 5. Начальная скважность импульсов генератора 3 устанавливается из расчета максимальной передачи мощности трансформатором 5. Амплитуда импульсов на выходах коммутатора 4 изменяется от минимального до максимального значения при помощи регулятора напряжения 2, подключенного к стабилизированному блоку питания 1. Вследствие этого напряжение на выходах коммутатора 4 стабилизировано в любом положении регулятора 2 при неизменной скважности тактовых импульсов генератора 3. В результате на вторичной обмотке высоковольтного трансформатора 5 образуется изменяемое по величине импульсное напряжение с частотой задающего генератора 3. Это напряжение посредством диодно-емкостного умножителя преобразуется в высокое постоянное напряжение 5...100 кВ, достаточное для нормальной работы ионизатора (электроды 7, 8). Нагрузкой диодно-емкостного умножителя 6 является первый ионизирующий электрод 7, второй электрод 8 соединен с землей. Под действием высокого напряжения между ионизирующими электродами 7, 8, помещенными в газовую среду, происходит непрерывный процесс ионообразования. Его интенсивность пропорциональна величине тока, протекающего в межэлектродном пространстве. Для поддержания тока на заданном уровне в устройстве имеется схема контроля тока 9, включенная входами между общим выводом умножителя 6 и вторым ионизирующим электродом 8. На первом выходе схемы контроля тока 9 образуется напряжение обратной связи, пропорциональное величине тока ионизации, которое подается на управляющий вход задающего генератора 3. Увеличение напряжения обратной связи на управляющем входе генератора 3 вызывает изменение скважности импульсов на его выходе таким образом, что ток между электродами 7, 8 уменьшается до номинального значения. Описанная система работает аналогично схеме широтно-импульсного регулятора. Отрицательная обратная связь непрерывно отслеживает изменение рабочего тока ионизации, возвращая его в исходное состояние. Номинальное значение этого тока устанавливается при помощи задатчика тока 10, входящего в состав схемы контроля тока 9.
Регулятор напряжения 2 предназначен для установления максимального рабочего напряжения на активном электроде 7. Его величина, зависящая от конструкции ионизатора, должна быть всегда меньше величины напряжения, при котором возникают электрические пробои между электродами 7, 8.
Счетный одновибратор 11 выполняет функции двухступенчатой защиты устройства от перегрузок по току, вызванных стохастическими изменениями температуры, влажности, проводимости среды и другими внешними воздействиями. В момент превышения тока ионизации выше заданной величины, установленной задатчиком тока 10, на втором выходе схемы контроля тока 9 появляется сигнал, запускающий одновибратор 11. На первом выходе одновибратора 11 образуется импульс, который временно блокирует работу электронного коммутатора 4, обесточивая первичную обмотку высоковольтного трансформатора 5. В результате этого прекращается подача электрической энергии на умножитель напряжения 6 и ток ионизации уменьшается. Длительность импульса блокировки коммутатора 4 находится в диапазоне 0,2...2 сек и выбирается из расчета времени, в течение которого ток ионизации самопроизвольно восстанавливается до исходного значения. Такая защита имеет очень высокое быстродействие, поскольку не содержит интегрирующих цепей и линий задержки. Она срабатывает сразу после появления переднего фронта нарастания тока перегрузки на входах схемы контроля тока 9.
Если перегрузка по току имеет непрерывный характер или периодически повторяется в течение длительного времени, то на втором выходе одновибратора 11 появляется сигнал блокировки, поступающий на вход стабилизированного блока питания 1. Счетчик импульсов, входящий в состав одновибратора 11, фиксирует количество перегрузок, например микропробоев между электродами 7, 8, в единицу времени и, если процесс приобретает систематический характер, то счетчик одновибратора 11 переполняется и выдает сигнал, блокирующий работу блока питания 1. В этом случае устройство полностью отключается (обесточивается) до устранения причин, вызвавших перегрузку.
Описанное устройство имеет надежную быстродействующую защиту от перегрузок по току и коротких замыканий, а также ограничивает высокое напряжение между ионизирующими электродами 7, 8 до заданного установленного уровня.
К достоинствам электрической схемы описанного устройства следует отнести полную развязку по напряжению схемы контроля тока 9, включенную в цепь обратной связи, поскольку второй ионизирующий электрод 8 непосредственно соединен с землей.
Устройство имеет высокий КПД и способно работать в широком диапазоне токов (от 5 мкА до 50 мА) и напряжений (от 5 кВ до 100 кВ), сохраняя при этом высокую стабильность.
Ионизатор воздуха и газов, содержащий стабилизированный блок питания, первым выходом соединенный с регулятором напряжения, вторым выходом подключенный к входу питания задающего генератора, высоковольтный трансформатор, первым выводом вторичной обмотки соединенный с входом умножителя напряжения, вторым выводом вторичной обмотки подключенный к общему выводу умножителя напряжения, выход которого соединен с первым ионизирующим электродом, второй ионизирующий электрод, подключенный к земле, отличающийся тем, что в него введены электронный коммутатор, выходами подключенный к выводам первичной обмотки высоковольтного трансформатора, входом управления соединенный с выходом задающего генератора, входом питания подключенный к выходу регулятора напряжения, схема контроля тока, первым входом подключенная ко второму ионизирующему электроду, вторым входом подключенная к общему выводу умножителя напряжения, первым выходом соединенная с управляющим входом задающего генератора, и счетный одновибратор, входом соединенный со вторым выходом схемы контроля тока, первым выходом подключенный к входу блокировки электронного коммутатора, вторым выходом соединенный с входом блокировки стабилизированного блока питания, причем в состав схемы контроля тока включен задатчик тока, устанавливающий номинальное значение рабочего тока между ионизирующими электродами.
