РадиоКот >Лаборатория >Цифровые устройства >
Автоматизация температурных режимов в процессе производства этилового спирта.
Процесс получения высококачественного пищевого этилового спирта (этанол - винный спирт, самогон, водка), довольно сложен. На всех стадиях производства требуется постоянный, строгий контроль температурных режимов. От точности выдерживания технологии в сильной степени зависит качество конечного продукта.
В теории и практики получения этилового спирта-ректификата изложена классическая теория тепломассообменных процессов, которые является основой для получения спирта:
- процесс дистилляции - получении спирта сырца (СС), грубая перегонка,
- процесс ректификации - получение высококачественного спирта ректификата (СР), при помощи ректификационной колоны (не сложно изготовить в домашних условиях).
В перегонных аппаратах, где нагревание производится при помощи теплоэлектронагревателей (ТЭН), возникает необходимость применения схем управления, для регулирования и контроля электрической мощности нагревателей.
Типовой график изменения температуры по времени при простой дистилляции по получению СС схематично представлен на Рис. 1.
Температура контролируется и регулируется по показанию термометра.
Участки:
A-B - режим интенсивного нагревания, включение полной мощности нагревателей,
B-C - стабилизация температуры, переход на технологический режим - переключение нагревателей в режим пониженной мощности,
C-D - технологический режим, отбор СС,
D - по достижению температуры 97 - 98оС отключение нагревателя - завершение процесса дистилляции.
Типовой график изменения температуры по времени при ректификации представлен на Рис. 2.
Контролируется и регулируется по показанию термометра.
Участки:
A-B - режим интенсивного нагревания, включение полной мощности нагревателей,
B-C - стабилизация температуры, переключение нагревателей на минимальную мощность, отбор головной фракции;
C-D - технологический режим, отбор СР;
D-E - режим повышенного нагревания, перевод нагревателей на среднюю мощность, отбор конечной фракции,
E - по достижению температуры 97 - 98оС отключение нагревателя - завершение процесса ректификации.
Контроллер, схема которого приводится ниже, является программируемым многофункциональным электронным устройством. Основное предназначение - автоматизация процессов температурных режимов в производстве этилового спирта в домашних условиях. Имеет два режима работы - автоматический и ручной. Не требует постоянного присутствия человека.
Контроллер выполнен на базе AVR мк ATmega16. За основу взята схема модели часов на mega16, дополненная и адаптирована на работу под производство этанола. Предусмотрено управление системой охлаждения, путем периодической подачи воды с помощью водяного насоса. Имеется режим аварийного отключения в случае сбоя в системе охлаждения.
Принципиальная электрическая схема условно разделена на несколько функциональных частей DS,А, А1 - А9:
- DS - модуль индикации и управления функциями контроллера - в данной версии схемы кнопка "PW" не устанавливается , ее установка предполагалась в схеме с модулем питания со "спящим режимом".
- А - основной базовый модуль - его работа и подробное функциональное описание приводятся здесь и здесь, поэтому, нет необходимости подробно останавливаться на принципах его работы.
- А1 - объем для холодной воды (достаточно 10 литровый) - для охлаждения спиртовых паров - конденсата. Располагается выше холодильника - устройства простой перегонки или - ректификационной колоны. Подача воды в объем производится насосом "МАЛЫШ" (могут быть другие варианты), отток в устройство конденсации (холодильник) - самотеком. Уровень воды в объеме контролируется с помощью электродов E2, E3. Все электроды располагаются по высоте соответственно рисунка схемы.
- А2 - датчик отсутствия воды с задержкой по выходу ERR_OUT на время tзад. Начинает функционировать с момента достижения температурного порога Т1 оС, с подачей напряжения U1. До этого момента нет необходимости эксплуатировать систему охлаждения, так как отсутствует процесс парообразования. Если воды в объеме нет, на электроде E1, где должен всегда присутствовать "0" (наличие воды в кубе - штатный режим), переключится в "1" - авария - все исполнительные устройства нагревателя отключатся - цикл прервется - до устранения неисправности. Задержка по времени tзад необходима для того, чтобы куб успел заполнится водой до уровня не ниже электрода E1 и устройство не вошло в режим аварии. При использовании насоса "МАЛЫШ" tзад выставляется порядка 1мин, для центробежного - порядка 20сек и менее.
- А3 - схема контроля уровня воды в объеме. Если уровень воды меньше уровня электрода Е2, включается исполнительное устройство насоса - схема A5 - процесс заполнения объема водой. При достижении уровня электрода Е3 подача воды в объем приостанавливается до спада по уровню электрода Е2. Функционировать схема начнет также, как и схема А2, по достижению температурного порога Т1 оС, с подачей напряжения U1.
*В случае необходимости систему охлаждения можно легко отключить (если имеется альтернатива - вода из крана), не меняя значение порога температуры Т1 - перемкнуть электроды E2 E3 на общую шину схемы.
**Датчик отсутствия воды отключать не следует! Его необходимо встроить на выходе оттока из холодильника.
- А4 - Схема фильтра по питанию - А2, А3. Его можно исключить вообще, не ставить С10, а вместо R31 впаять перемычку. Она использовалась на макетной плате для более надежной работы от наводок и перенесена в принципиальную схему контроллера автоматически.
- А5 - исполнительное устройство подачи воды. Ключ на транзисторе Q2 открываетcя сигналом E2_E3 лог "1". На выходе X1-1, X1-2 устанавливается 12В (можно подключить электромагнитные реле, ток через обмотку до 100mА), или изменив номинал резистора R33 на 1кОм - электронный оптосимисторный силовой ключ. LED1 - индикация состояния выхода X1-1, X1-2.
- А6 - исполнительное устройство интенсивного нагрева (переход на технологическую мощность). При достижении температуры выше порога T1=75 оС, по сигналу OUT_1 в "0", по выходу X2-1, X2-2 электромагнитные реле отключится (силовой ключ интенсивного нагревателя). К примеру - перевод ТЭН из параллельного соединения в последовательное. Переключение нагревателей на минимальную мощность.
- А7 - исполнительное устройство дополнительного подогрева (поддерживание технологической мощность при простой перегонке). Порог T2 выставляется 75 оС, при ректификации порог T2 выставляется 78,4 оС (*учитывая атмосферное давление). Схема ни чем не отличается от устройства А5, аналогична работе схемам А5, А6.
- А8 - исполнительное устройство повышенного нагрева (при ректификации, участок D-E). Включение дополнительной ТЭНы не высокой мощности. При простой перегонке порог T3 выставить в пределах 90 или более 100 оС (отключить). Аналогично работе схемам А6, А7.
- А9 - схема ручного и автоматического - включения - отключения. Начало и завершение цикла соответственно, подача и отключение напряжения 12VPW на схемы исполнительных устройств (A5, A8, X5-1, X5-2).На элементах DD1.2, кнопке "pow"(вкл - откл - вкл ...), R42, R43, C11 выполнен одновибратор (с длительностью импульса t = R43*C11 - устраняет дребезг контактов), на элементе DD1.1 делитель на два. Включено - режим нагрева - на выходе Q (DD1.1 вывод 2) установится "1", ключи на транзисторах Q7, Q9 открыты. Любой из сигналов - "pow" (кнопка "вкл - откл"), OUT_4 (достижение предельной установленной температуры порога P4 = 97 - 98 оС), ERR_OUT (авария) - переведут выход триггера Q (DD1.1 вывод 2) в первоначальное состояние "0" - выключено - режим ожидания. Автоматический режим устанавливается путем ввода времени "будильников A-E". Сигналом по выводу PIN_CLLS_A_E лог "1" ключи на транзисторах Q8, Q9 переводятся в активное состояние - включено - рабочий режим. По окончанию установленного времени "будильников A-E" возврат в "0" - отключено, или любым из сигналов - "pow", OUT_4, ERR_OUT, - одновибратор сигналом LE (DD1.2 вывод 13) произведет сброс установленного времени, прервет автоматический режим - переход в режим ожидания.
Модуль питания в данном варианте схемы может быть любой стабилизированный на напряжение 12В, мощностью достаточной для срабатывания всех электромагнитных реле, коммутируемых нагреватели.
Потребление от встроенного источника питания (6В) в режиме "сна", составляет порядка 60mА.
Наиболее простой и возможный пример коммутации ТЭН, управляемыми двумя исполнительными устройствами, с использованием электромагнитных реле, может быть следующим:
Пороги:
T1 - размыкаются контакты реле K1,
T4 - размыкаются контакты реле K2.
Для процесса простой дистилляции по получению СС, этого вполне достаточно.
Подробную информацию по принципам работы устройств дистилляции и ректификации, по расчетам мощности нагревателей, температурным режимам и др., можно найти походив по соответствующим ссылкам в Интернете...
Схема полностью функциональна, ее работоспособность проверялась на макете и была перенесена в графический редактор схем Schematic Editor, (Cadsoft Eagle Easily Applicable Graphical Layout Editor), трассировка производилась с помощью трассировщика печатных плат в (Layout Editor). Итог трассировки - две печатные платы - основной модуль (вид со стороны элементов) - модуль индикации и управления (!!! вид со стороны печатного монтажа - при печати включить "Mirror"). Cadsoft Eagle v4.13 можно взять здесь.
Возможный внешний вид конструкции контроллера.
Правильно собранная схема в настройке не нуждается. Необходимо, лишь в режиме "сна" проверить напряжение и ток встроенного источника питания, в схеме в точке VCC и в разрыве перемычки J (на плате), они должно быть в пределах 4,5...5В и 45...55мкА, соответственно.
Подготовка контроллера к работе заключается в установке соответствующих порогов температуры, после его включения в сеть. Перевод в автоматический режим - вводом значением времени одного из будильников A...E. В автоматическом режиме кнопка "pow" не нажимается, индикация на передней панели отсутствует - светодиод не светится. Приоритетным - является ручной режим.
*Если процесс идет в автоматическом режиме -любое нажатие на кнопку "pow"- переведет контролер в ручной режим, произойдет сброс автоматического режима (сброс будильника A...E).
Все значения порогов температуры, текущего времени, времени будильника A...E, и др. вводятся так же, что и в схеме модели часов на mega16, время tзад устанавливается следующим образом:
|
кнопка |
|
|
"F" |
 |
|
"F" |
 |
|
"F" |
 |
|
"SET" |
 |
|
"+" |
 |
|
"+" |
 |
|
"SET" |
 |
Стоит отметить то, что погрешность измерения датчиков температуры, достаточна велика на верхних пределах, порядка 2оC! В текущей прошивке мк эта погрешность не учтена, возможно в последующих версиях будет введена программа устраняющая этот недостаток. Прежде чем приступить к работе по дистилляции и ректификации, необходимо измерить погрешность датчиков контроллера более точным термометром в нескольких точках, и уже с учетом этой погрешности, установить пороги температуры! Нельзя забывать и об атмосферном давлении, в соответствие с чем, корректировать пороги температуры, поскольку предложенное устройство не имеет системы измерения и коррекции с учетом атмосферного давления (барометра).
Файлы:
Прошивка контроллера с исходниками - 01.rar.
Схемы и рисунки ПП в формате gif - 02.rar.
Схемы и рисунки ПП в формате Cardsoft Eagle - 03.rar.
Все вопросы как обычно в форум.
ЗЫ
И да - много не пейте.
Кот.
|
Как вам эта статья?
|
Заработало ли это устройство у вас?
|
|
|
|
Эти статьи вам тоже могут пригодиться:
