गैस प्रवाह नियंत्रक (आरआरजी) उपयोगकर्ता-परिभाषित प्रवाह दर को बनाए रखने के लिए डिज़ाइन किए गए हैं। RWG का उपयोग उद्योग और अनुसंधान प्रयोगशालाओं में सिलेंडर और राजमार्गों से गैस की आपूर्ति को व्यवस्थित करने के लिए किया जाता है। Eltochpribor, MKS, Bronkhorst, आदि के उपकरणों को बाजार पर दर्शाया गया है। ऐसे उपकरणों की लागत 1000-2500 USD है। इस काम का उद्देश्य अधिक सुलभ घटकों से गैस प्रवाह नियामक बनाना है। विचार एक प्रतिक्रिया प्रणाली को व्यवस्थित करने के लिए है जिसमें एक आनुपातिक वाल्व और एक प्रवाह मीटर शामिल हैं। नीचे सिस्टम के हार्डवेयर और सॉफ्टवेयर का एक संक्षिप्त विवरण है, जो इसे उन सभी को पुन: प्रस्तुत करने की अनुमति देता है जो अपनी गतिविधियों में आरआरजी का उपयोग करते हैं। सभी स्रोत कोड GitHub पर उपलब्ध हैं ।हमने संकेत के बिना एसएमसी उत्पादों, पीवीक्यू श्रृंखला वाल्व और पीएफएम 5 श्रृंखला प्रवाह मीटर का उपयोग किया। दो आरडब्ल्यूजी को 0.2-5 एल / मिनट (पीवीक्यू 13 + पीएफएम 510) और 1-50 एल / मिनट (पीवीक्यू 31 + पीएफएम 550) के समायोज्य प्रवाह श्रेणियों के साथ इकट्ठा किया गया था। एक प्रवाह नियामक की लागत 100 USD (PVQ31 वाल्व) + 80 USD (PFM5 मीटर) + 20 USD (Arduino नैनो माइक्रोकंट्रोलर, बिजली की आपूर्ति और रेडियो घटकों) = 200 USD के रूप में ऊपर से अनुमानित की जा सकती है। नीचे वर्णित सब कुछ आरडब्ल्यूजी 1-50 एल / मिनट पर लागू होता है। एक रेगुलेटर 0.2-5 l / मिनट, साथ ही साथ अन्य कंपोनेंट्स से समान कंपोनेंट बनाना समान स्कीम को फॉलो करता है, लेकिन मामूली डिटेल्स में अलग हो सकता है।हार्डवेयर
हार्डवेयर को आकृति में दिखाया गया है और इसमें निम्न शामिल हैं:- आनुपातिक वाल्व PVQ31
- PFM550 फ्लो मीटर
- फ़िल्टर
- बिजली आपूर्ति इकाई (24 वी, 1 ए)
- वर्तमान नियंत्रण सर्किट
- Arduino नैनो माइक्रोकंट्रोलर और इसकी बिजली योजनाएं
घटकों का विद्युत कनेक्शन आरेख चित्र में दिखाया गया है। सर्किट को बिजली देने के लिए, 24 V, 1 A DC स्रोत का उपयोग किया जाता है, जो कि 200 mA से कम की वाल्व खपत और 35 mA से कम के मीटर को देखते हुए, पर्याप्त से अधिक है। PVQ श्रृंखला आनुपातिक वाल्व वर्तमान नियंत्रित हैं। प्रलेखन के अनुसार, उन्हें वोल्टेज नियंत्रण द्वारा नियंत्रित करने की अनुशंसा नहीं की जाती है। वर्तमान नियंत्रण को यहां चर्चा की गई सर्किट का उपयोग करके , यहां और अधिक विस्तार से लागू किया जा सकता है । वर्तमान नियंत्रण सर्किट को सामान्य विद्युत सर्किट (छवि 3) पर धराशायी आयत द्वारा हाइलाइट किया गया है। PVQ श्रृंखला वाल्व दो बिजली के तारों से जुड़े हुए हैं: लाल - डीसी +, काले - डीसी-।वर्तमान ताकत को माइक्रोकंट्रोलर के एनालॉग पिन द्वारा उत्पादित पीडब्लूएम सिग्नल का उपयोग करके विनियमित किया जाता है। डिफ़ॉल्ट रूप से, ATmega328 आधारित नियंत्रक (Arduino UNO / Nano / Pro Mini) पिन के आधार पर 488 या 976 हर्ट्ज की आवृत्ति पर 8-बिट (0-255 मूल्य) PWM सिग्नल उत्पन्न करते हैं। कम पीडब्लूएम सिग्नल चौड़ाई वाल्व नियंत्रण की सटीकता को कम करती है। कम आवृत्ति इसकी चर्चा करती है। इन मूल्यों को क्रमशः 10 बिट्स (0-1023) और 15.6 kHz तक बढ़ाया जा सकता है। हमने 7.8 kHz की आवृत्ति का उपयोग किया। setup()Arduino फर्मवेयर फ़ंक्शन में सम्मिलित करने के लिए आवश्यक आदेशों का विवरण यहां और यहां दिया गया है ।PFM5 श्रृंखला प्रवाह मीटर में 2 सिग्नल तार (काले - एनालॉग आउटपुट, सफेद - प्रतिक्रिया समय सेटिंग (उपयोग नहीं किया गया)) और दो बिजली के तार (भूरा - डीसी +, नीला - डीसी-) है। 24 वी डीसी स्रोत द्वारा संचालित। फ्लो मीटर 1-5 वी की रेंज में एक एनालॉग सिग्नल देता है। 1 वी का मूल्य शून्य गैस प्रवाह दर, 5 वी से मेल खाती है - इस मीटर के लिए अधिकतम। प्रलेखन के अनुसार, प्रवाह और वोल्टेज के बीच संबंध रैखिक है। इस बीच, यह नियमित रूप से प्रवाहमापी को कैलिब्रेट करने के लिए सार्थक लगता है। फ्लो मीटर (काला तार) से एनालॉग सिग्नल प्रोसेसिंग और डिस्प्ले के लिए 10 बिट (0-1023) Arduino एनालॉग पिन द्वारा प्राप्त किया जाता है। सफेद तार को प्रतिक्रिया समय निर्धारित करने के लिए डिज़ाइन किया गया है, हम इसका उपयोग नहीं करते हैं। इस मामले में, प्रतिक्रिया समय 50 एमएस है।Arduino बोर्ड को 5V पिन के माध्यम से संचालित किया जाना चाहिए, आपूर्ति वोल्टेज 5.5 V से अधिक नहीं होनी चाहिए। ऐसी शक्ति वाल्व PSU और L7805 स्टेबलाइजर के माध्यम से प्रवाह मीटर से प्रदान की जा सकती है, जैसा कि आरेख (चित्र 3) में दिखाया गया है। सबसे अधिक संभावना है कि आपको स्टेबलाइजर पर रेडिएटर की आवश्यकता होगी। परीक्षण के दौरान उपयोग किए जाने वाले कंप्यूटर के यूएसबी पोर्ट से पावर (छवि 2) वांछनीय नहीं है क्योंकि इस मामले में एडीसी का उपयोग करते समय संदर्भ वोल्टेज अस्थिर है। बोर्ड पावर के बारे में अधिक जानकारी के लिए, यहां देखें ।सॉफ्टवेयर भागसॉफ्टवेयर भाग में Arduino नैनो माइक्रोकंट्रोलर और एक पीसी पर चलने वाले ग्राफिकल यूजर इंटरफेस के फर्मवेयर होते हैं।माइक्रोकंट्रोलर के लिए डाउनलोड किया गया कार्यक्रम निम्नलिखित क्रियाओं को चक्रवात करता है:- ,
- ,
- , -
सिस्टम मैन्युअल और स्वचालित मोड में काम कर सकता है। मैनुअल ऑपरेशन के दौरान, एक चर valve(0 <= valve<1023) द्वारा व्यक्त वांछित वाल्व खोलने का मूल्य , सीरियल पोर्ट पर भेजा जाना चाहिए । इस चर का मान पीडब्लूएम सिग्नल के अधिभोग को निर्धारित करता है, जिसे वर्तमान नियंत्रण सर्किट और आनुपातिक वाल्व कमांड के माइक्रोकंट्रोलर के एनालॉग आउटपुट के माध्यम से भेजा जाता है analogWrite(valvepin, valve)। खोलने के बाद, वाल्व सेट की स्थिति में रहता है जब तक कि एक नया कमांड सीरियल पोर्ट के माध्यम से प्राप्त नहीं होता है।स्वचालित ऑपरेशन पर जाने के लिए, सीरियल पोर्ट पर एक नकारात्मक नंबर भेजा जाना चाहिए -targetflow। चर मानtargetflow0-1023 की सीमा में स्थित है और गैस प्रवाह दर निर्धारित करता है जिसे बनाए रखा जाना चाहिए। वास्तविक गैस प्रवाह दर प्रवाह मीटर रीडिंग द्वारा निर्धारित की जाती है, जो एक कमांड realflow = analogRead(fmpin)(0 <= realflow<1023) के साथ माइक्रोकंट्रोलर के एनालॉग इनपुट से पढ़ी जाती है । स्वचालित मोड में, सिस्टम आनुपातिक वाल्व targetflowको realflowनियंत्रित करने और उसके बीच समानता बनाए रखने का प्रयास करता है । वाल्व खोलने का मूल्य आनुपातिक-अभिन्न-विभेदक (पीआईडी) नियंत्रक का उपयोग करके गणना की जाती है। आप पीआईडी नियंत्रक के बारे में यहां , यहां और यहां पढ़ सकते हैं । GyverPID लाइब्रेरी का उपयोग नियंत्रक को लागू करने के लिए किया जाता है ।कुछ बदलाव और परिवर्धन के साथ। चूंकि लाइब्रेरी को संशोधित किया गया है, इस कोड से जुड़ी लाइब्रेरी का उपयोग करें, और ऊपर दिए गए लिंक से डाउनलोड नहीं किया गया है।पीआईडी नियंत्रक का उपयोग करने के लिए, आनुपातिक Kp, अभिन्न Kiऔर अंतर Kdघटकों के गुणांक का चयन करना आवश्यक है , साथ ही पुनरावृत्ति समय भी dtpid। चर का मान dtpidसिस्टम की जड़ता के आधार पर चुना जाना चाहिए। सिस्टम जितना अधिक निष्क्रिय होगा, उतना ही अधिक होना चाहिए dtpid। सवाल में डिवाइस के लिए रेटिंग और परीक्षण के परिणामों के आधार पर, हमने मान dtpid= 100-330 एमएस चुना । गुणांक Kp, Ki, Kdएक निश्चित मूल्य पर चयन किया जाता हैdtpidऔर काफी सिस्टम पर निर्भर करता है। गुणांक के चयन पर सिफारिशें यहां , यहां और यहां पाई जा सकती हैं ।इसलिए, माइक्रोकंट्रोलर द्वारा चक्रीय रूप से निष्पादित एल्गोरिदम इस प्रकार है:if( )
inp
if(inp >= 0 && inp < 1023)
inp
if(inp <= 0 && inp >= -1023)
-inp
if( && dtpid )
-
if( dt )
PyQt के ग्राफिकल फ्रेमवर्क का उपयोग करके ग्राफिकल यूजर इंटरफेस पायथन में लिखा गया है। डिज़ाइन Qt डिज़ाइनर प्रोग्राम में बनाया गया था, जिसके बाद .ui फ़ाइल का कोड पायथन फ़ाइल में बदल दिया गया था। जीयूआई विकास और PyQt के उपयोग के लिए एक परिचय के लिए, यहां और यहां देखें ।चित्रमय इंटरफ़ेस लाइब्रेरी का उपयोग करके सीरियल पोर्ट के माध्यम से Arduino फर्मवेयर के साथ इंटरैक्ट करता है pyserial। पायथन कार्यक्रम निम्नलिखित करता है:- , ,
- 0-1023, ,
- .3
- , ( 0-1023)
- .5
सीरियल पोर्ट से जुड़ने का कोड यहाँ से उधार लिया गया है ।मॉड्यूल को उपयोगकर्ता इकाइयों से 0-1023 की सीमा में स्थानांतरित करने का इरादा है units.py। यह मॉड्यूल नई इकाइयों को जोड़ना आसान बनाता है। उपयोगकर्ता को इकाइयों के नाम और 0-1023 से नई इकाइयों में रूपांतरण सूत्र का संकेत देना आवश्यक है। मॉड्यूल विस्तृत टिप्पणियों के साथ प्रदान किया गया है।माइक्रोकंट्रोलर फ़र्मवेयर द्वारा सीरियल पोर्ट में प्रवाह मीटर और आउटपुट से प्राप्त डेटा को पायथन प्रोग्राम द्वारा पोर्ट से पढ़ा जाता है और, इकाइयों को परिवर्तित करने के बाद, पाठ और ग्राफिक रूप में प्रदर्शित किया जाता है। एक पुस्तकालय का उपयोग वर्तमान खपत का ग्राफ खींचने के लिए किया जाता है pyqtgraph।परिणाम
आरआरजी के साथ काम करना शुरू करने के लिए, आपको निम्न करने की आवश्यकता है: माइक्रोकंट्रोलर को फ्लैश करें, बिजली कनेक्ट करें, पायथन प्रोग्राम चलाएं, सीरियल पोर्ट के लिए एक कनेक्शन स्थापित करें। उसके बाद, उपयोगकर्ता ऑपरेटिंग मोड (मैनुअल या स्वचालित) का चयन कर सकता है और मैन्युअल ऑपरेशन मोड में आवश्यक वाल्व खोलने के मूल्य या स्वचालित मोड में समर्थित प्रवाह मान सेट कर सकता है। वर्तमान गैस प्रवाह दर को संबंधित क्षेत्र में प्रदर्शित किया जाता है और ग्राफ पर प्रदर्शित किया जाता है। ग्राफ को चक्रवाती रूप से अपडेट किया जाता है, निर्दिष्ट अंकों तक पहुंचने के बाद, ग्राफ साफ हो जाता है और ड्राइंग फिर से शुरू होती है। उपयोगकर्ता उपयोग की गई इकाइयों का चयन कर सकता है।
यह आंकड़ा ग्राफिकल यूजर इंटरफेस की उपस्थिति और स्वचालित मोड में प्राप्त गैस प्रवाह दर के ग्राफ को दिखाता है और समर्थित प्रवाह दर के विभिन्न मूल्यों के बीच आरजीजी के स्विचिंग को दर्शाता है। परिणाम 0-1023 की इकाइयों में दिए गए हैं।एक निरंतर गैस प्रवाह दर को बनाए रखने की संभावनाओं को प्रदर्शित करने के लिए, हमने उस मामले पर विचार किया जब प्रवाह मान एक निरंतर मान "फ्लोट" द्वारा खोला जाता है, जैसा कि ग्राफ के बाईं ओर दिखाया गया है (x <950) नीचे चित्र में। सेट प्रवाह दर के स्वचालित रखरखाव के संचालन का परिणाम ग्राफ के दाईं ओर देखा जा सकता है (x> 1000)। परीक्षणों से पता चला कि स्वचालित पकड़ मोड में सेट प्रवाह दर से विचलन 2% से अधिक नहीं है।
टिप्पणियों
Arduino नैनो माइक्रोकंट्रोलर का उपयोग करना अनावश्यक है क्योंकि इसके पिन का केवल एक छोटा हिस्सा शामिल है। दूसरी ओर, माप और समायोजन की सटीकता को बढ़ाने के लिए एनालॉग इनपुट / आउटपुट की बड़ी क्षमता के साथ माइक्रोकंट्रोलर्स का उपयोग करना बेहतर होगा। माइक्रोकंट्रोलर के प्रकार को बदलते समय, अपने स्वयं के पीआईडी नियंत्रक को लागू करना आवश्यक हो सकता है; यह एल्गोरिथ्म सरल होने के बाद से कठिनाइयों का कारण नहीं होना चाहिए।विकास के चरण में, विद्युत सर्किट को एक ब्रेडबोर्ड पर इकट्ठा किया गया था (चित्र 2 देखें)। आगे के उपयोग के लिए, सर्किट को मिलाप करना और इसे आवास में रखना आवश्यक है।लेख के लेखक न तो इलेक्ट्रॉनिक इंजीनियर हैं और न ही प्रोग्रामर हैं, इसलिए, सुधार के लिए रचनात्मक सुझावों का स्वागत है।अतिरिक्त सामग्री
Arduino फर्मवेयर और पायथन कार्यक्रमों के स्रोत कोड, साथ ही उपयोग किए गए प्रवाह मीटर और आनुपातिक वाल्व के लिए प्रलेखन, GitHub पर उपलब्ध हैंस्वीकृतियाँ
इस कार्य में लागू प्रणाली के विचार के लिए हम अपने सहयोगियों के आभारी हैं। एलेक्सगाइवर और अन्य उपयोगकर्ता उदारता से हमारे काम में उपयोग की जाने वाली जानकारी के लिए अपने अनुभव साझा कर रहे हैं।जाँच - परिणाम
एक आनुपातिक वाल्व, एक फ्लो मीटर और एक माइक्रोकंट्रोलर से मिलकर एक फीडबैक सिस्टम का उपयोग करके आप किसी दिए गए गैस प्रवाह को बनाए रखने के लिए आरआरजी बना सकते हैं। परीक्षणों ने 2% से कम के भीतर आवश्यक प्रवाह दर से विचलन दिखाया। सिस्टम की लागत 200 USD से कम थी। इकट्ठे किए गए प्रोटोटाइप ने कई स्थितियों में परिचालन क्षमता दिखाई। आगे के उपयोग में शोधन की आवश्यकता हो सकती है, जिसमें सर्किट को तार करना, मामले का निर्माण करना, आदि शामिल हैं।