RU2783677C1

RU2783677C1 - Apparatus for generating a spatial image in a laminar air flow

Info

Publication number: RU2783677C1
Application number: RU2021132255A
Authority: RU
Inventors: Иван Вячеславович Божьев; Саркис Арменакович Дагесян; Георгий Александрович Жарик; Михаил Александрович КОЛПАКОВ; Павел Станиславович ПАНАСЮЧЕНКО
Filing date: 2021-11-06
Publication date: 2022-11-15

Abstract

FIELD: imaging.

SUBSTANCE: invention relates to electromagnetic apparatus for generating a spatial image. Apparatus for generating a spatial image in a laminar air flow comprises an electromagnetic valve unit. The unit includes two tanks for gas and/or aerosol media with different scattering coefficients; electromagnetic valves (N > 1); an electronic unit for switching the input channels; N series-connected electronic drivers converting the control signal from the microcontroller into an executive signal for switching the valves; and a power supply unit. Herewith, each of the N electromagnetic valves has at least two input channels connected to the corresponding tanks, an output channel, and a switching tool.

EFFECT: creation of a moving image in a laminar flow with controlled speed of movement with the maintained high image quality.

24 cl, 14 dwg

Description

Область техники, к которой относится изобретениеThe field of technology to which the invention belongs

Настоящее изобретение относится к электромагнитным устройствам формирования пространственного изображения в струе ламинарного потока газовой среды путем добавления примесей газа или аэрозоля в участки струй этого потока с помощью управляемого цифровым образом массива клапанов. Настоящее изобретение может быть реализовано в дисплеях, работающих в режиме бегущей строки, где статическая картинка перемещается вдоль определенного направления. Преимуществом изобретения является возможность создания как двумерного, так и трехмерного изображения. Такие устройства могут быть использованы в качестве рекламных конструкций, элемента шоу или для дизайнерских решений. Например, это устройство может быть частью внешней рекламной вывески коммерческого предприятия. Крупногабаритное устройство такого типа может быть использовано как самостоятельное демонстрационное средство шоу или музейной выставки. В частности, такое устройство может быть использовано для популяризации современных научных разработок, включая современные разработки в области квантовых технологий.The present invention relates to electromagnetic devices for forming a spatial image in a jet of a laminar flow of a gaseous medium by adding gas or aerosol impurities to the areas of the jets of this flow using a digitally controlled array of valves. The present invention can be implemented in ticker displays where a static picture moves along a certain direction. The advantage of the invention is the possibility of creating both two-dimensional and three-dimensional images. Such devices can be used as advertising structures, show elements or for design solutions. For example, this device may be part of an outdoor advertising sign for a commercial establishment. A large-sized device of this type can be used as an independent demonstration tool for a show or museum exhibition. In particular, such a device can be used to popularize modern scientific developments, including modern developments in the field of quantum technologies.

Уровень техникиState of the art

Из уровня техники известны различные проекционные экраны, формируемые из тумана или водяных завес (RU2514084, RU2474854, RU2106671, CH647605, DE3130638, GB2220278, US5067653, US5270752, US5989128, KR19950016820, KR101771123, EP2541954). Принцип их действия основан на том, что изображения проецируют дополнительным устройством на сформированную из тумана поверхность.Various projection screens formed from fog or water curtains are known from the prior art (RU2514084, RU2474854, RU2106671, CH647605, DE3130638, GB2220278, US5067653, US5270752, US5989128, KR1995001641714). The principle of their operation is based on the fact that images are projected by an additional device onto a surface formed from fog.

Из уровня техники также известны различные аэрозольные проекционные экраны (RU2508603, RU2278405, JP1995056235, WO 2011117721, WO2012131554, CN108681203, WO2019035105), где плоский непрерывный поток аэрозоля вводится с помощью ламинаризатора в транспортирующий ламинарный поток, ограничивающий рабочий объем локализации пространственного изображения коробом, а изображение на ламинарном потоке создается с помощью цифрового светового проектора, расположенного вне конструкции экрана. Недостатком таких устройств является невозможность создания изображения непосредственно с помощью аэрозоля, который в известных технических решениях выполняет лишь роль экрана, что по своей сути не обеспечивает возможности формирования пространственного изображения непосредственно из газовых и/или аэрозольных cред без использования проекторов. Другим недостатком является сложность создания трехмерного изображения на основе известного принципа.Various aerosol projection screens are also known from the prior art (RU2508603, RU2278405, JP1995056235, WO 2011117721, WO2012131554, CN108681203, WO2019035105), where a flat continuous flow of aerosol is introduced by means of a laminarizer into the transporting working volume of the laminar on laminar flow is created using a digital light projector located outside the screen structure. The disadvantage of such devices is the impossibility of creating an image directly using an aerosol, which in known technical solutions only plays the role of a screen, which inherently does not provide the possibility of forming a spatial image directly from gas and/or aerosol media without the use of projectors. Another disadvantage is the difficulty of creating a three-dimensional image based on a known principle.

Известны дисплеи на основе капель воды, называемые искусственными водопадами или цифровыми водяными занавесами (RU118887U1, RU146437U1), где изображение формируется по сходному принципу: массив из клапанов, управляемый ЭВМ, формирует в заданные моменты времени и из соответствующих клапанов падающие вертикально вниз капли воды. Данные конструкции используют в рекламных конструкциях или в качестве элемента внутреннего интерьера торговых, выставочных, музейных помещений. Несмотря на то, что создаваемое падающими каплями воды изображение привлекательно и необычно, оно обладает рядом недостатков: детализированное изображение может формироваться исключительно в вертикальной плоскости, изображение, растягиваясь, сильно деформируется в связи с ускоренным падением капель воды, устройство создает достаточно высокий уровень шума, при этом скорость падения капель не может регулироваться.Known displays based on water drops, called artificial waterfalls or digital water curtains (RU118887U1, RU146437U1), where the image is formed according to a similar principle: an array of valves, controlled by a computer, forms water drops falling vertically downwards at specified times and from the corresponding valves. These designs are used in advertising structures or as an element of the interior of trade, exhibition, museum premises. Despite the fact that the image created by falling water drops is attractive and unusual, it has a number of disadvantages: a detailed image can be formed exclusively in the vertical plane, the image, when stretched, is strongly deformed due to the accelerated fall of water drops, the device creates a fairly high noise level, while In this case, the falling speed of the droplets cannot be controlled.

В отличие от капель воды, движение участков тумана в ламинарном потоке можно сделать равномерным и при этом управлять скоростью потока. Однако стоит отметить, что ламинарность потока сложнее контролировать, чем направление движения капель воды, а небольшой объем тумана (~1 см3) не так эффективно рассеивает свет, как капли воды, что создает определенные трудности при создании четкого и хорошо различимого в освещенном помещении изображения.Unlike water droplets, the movement of fog patches in a laminar flow can be made uniform and the flow rate controlled. However, it should be noted that the laminar flow is more difficult to control than the direction of movement of water drops, and a small amount of fog (~1 cm3) does not scatter light as efficiently as water drops, which creates certain difficulties in creating a clear and well-distinguished image in an illuminated room.

Технической проблемой является разработка устройства, обеспечивающего создание изображения по аналогичному с цифровым водяным занавесом принципу, на основе газовых и/или аэрозольных cред (включая туман) с получением движущегося изображения с возможностью регулирования скорости движения изображения. При этом устройство должно обеспечивать различимость изображения для типичных уровней освещенности внутри нерабочих помещений (коридоров, жилых комнат), то есть не ниже 100 Лк, а ламинарность потока должна быть обеспечена на достаточном протяжении вдоль движения потока, чтобы изображение было различимо, по меньшей мере, в течение 1 с.The technical problem is the development of a device that provides the creation of an image similar to a digital water curtain, based on gas and/or aerosol media (including fog) with a moving image with the ability to control the speed of the image. At the same time, the device must provide image visibility for typical levels of illumination inside non-working premises (corridors, living rooms), that is, not lower than 100 Lx, and the laminar flow must be ensured for a sufficient distance along the flow movement so that the image is distinguishable, at least within 1 s.

Раскрытие сущности изобретенияDisclosure of the essence of the invention

Техническим результатом изобретения является разработка устройства, обеспечивающего создание движущегося изображения, формируемого из газовых и/или аэрозольных cред (включая туман).The technical result of the invention is the development of a device that provides the creation of a moving image formed from gas and/or aerosol media (including fog).

Устройство позволяет формировать в замкнутых объемах (например, в коробе с оптически прозрачными смотровыми стенками) двумерные и трехмерные изображения с регулируемой скоростью перемещения изображения при сохранении высокого качества изображения с разрешением 3х3 см для двумерного изображения в интервале скоростей потока от 0.5 до 2 м/с и длительностью наблюдения различимого изображения не менее 1 с (например, до 2 с), уверенно наблюдаемого при уровне освещенности не ниже 100 Лк (например, до 300 Лк).The device allows forming in closed volumes (for example, in a box with optically transparent viewing walls) two-dimensional and three-dimensional images with adjustable image movement speed while maintaining high image quality with a resolution of 3x3 cm for a two-dimensional image in the range of flow velocities from 0.5 to 2 m/s and duration of observation of a distinguishable image of at least 1 s (for example, up to 2 s), confidently observed at an illumination level of at least 100 Lx (for example, up to 300 Lx).

Технический результат достигается устройством для формирования пространственного изображения в ламинарном потоке воздуха, содержащем, по меньшей мере, один блок электромагнитных клапанов, включающий, по меньшей мере, два резервуара, предназначенные для газовых и/или аэрозольных cред, используемых для формирования пространственного изображения и отличающихся коэффициентом рассеяния; N электромагнитных клапанов, где N > 1, расположенных один за другим, каждый из которых имеет, по меньшей мере, два входных канала, подключенных к соответствующим резервуарам, выходной канал, и средство переключения входных каналов для соединения с выходным каналом; электронный блок для управления режимами переключения клапанов, содержащий микроконтроллер или компьютер, выполненный с возможностью формирования управляющего сигнала переключения входных каналов; последовательно соединенные N электронные драйверы, выполненные с возможностью преобразования управляющего сигнала от микроконтроллера в исполнительный сигнал (импульсы тока) для переключения входных каналов клапанов; блок питания.The technical result is achieved by a device for forming a spatial image in a laminar air flow, containing at least one block of electromagnetic valves, including at least two tanks intended for gas and/or aerosol media used for forming a spatial image and differing in the coefficient scattering; N solenoid valves, where N > 1, located one after the other, each of which has at least two inlet channels connected to the respective tanks, an outlet channel, and an input channel switching means for connection with the outlet channel; an electronic unit for controlling valve switching modes, containing a microcontroller or computer configured to generate a control signal for switching input channels; series-connected N electronic drivers configured to convert the control signal from the microcontroller into an actuating signal (current pulses) for switching the input channels of the valves; power unit.

В одном из вариантов осуществления изобретения резервуары устройства могут быть сформированы в протяженном полом корпусе путем разделения его объема на две полости продольной перегородкой.In one of the embodiments of the invention, the reservoirs of the device can be formed in an extended hollow body by dividing its volume into two cavities by a longitudinal partition.

Кроме того корпус может иметь прямоугольный, круглый или овальный профиль поперечного сечения при расположении корпуса в пределах рабочего объема формирования пространственного изображения.In addition, the housing may have a rectangular, round or oval cross-sectional profile when the housing is located within the working volume of spatial imaging.

Корпус также может иметь каплеобразный профиль поперечного сечения при расположении корпуса за пределами рабочего объема формирования пространственного изображения.The body can also have a drop-shaped cross-sectional profile when the body is located outside the working volume of the formation of spatial imaging.

Площадь поперечного сечения каждого резервуара, как правило, превышает суммарную площадь отверстий для подключения к соответствующим клапанам.The cross-sectional area of each tank generally exceeds the total area of the openings for connection to the respective valves.

Клапаны могут быть расположены в ряд и на равноудаленном расстоянии друг от друга.Valves can be arranged in a row and at an equidistant distance from each other.

В устройстве, как правило, использованы бистабильные электромагнитные клапаны.As a rule, bistable solenoid valves are used in the device.

В одном из вариантов осуществления изобретения клапан содержит три трубки, имеющие Y -образное соединение, две из которых образуют входные каналы для двух потоков газовых и/или аэрозольных cред, отличающихся коэффициентом рассеяния, третья трубка – выходной канал, при этом клапан выполнен с плавным переходом входных каналов в выходной.In one of the embodiments of the invention, the valve contains three tubes having a Y-shaped connection, two of which form inlet channels for two flows of gas and/or aerosol media that differ in scattering coefficient, the third tube is an outlet channel, while the valve is made with a smooth transition input channels to output.

Кроме того, средство переключения входных каналов для соединения с выходным каналом может включать шторку, имеющую перекрывающую каналы часть - заслонку, ось и рычажную часть, при этом заслонка расположена в области соединения двух входных каналов и выполнена с возможностью перемещения из одного положения, обеспечивающего перекрытие первого входного канала, во второе положение, обеспечивающего перекрытие второго входного канала, по меньшей мере, двух постоянных магнитов, расположенных между трубками, которые соответствуют входным каналам корпуса, при этом шторка снабжена электромагнитом, размещенным на ее рычажной части с возможностью перемещения между постоянными магнитами при подаче на электромагнит импульсов тока.In addition, the means for switching input channels for connection with the output channel may include a shutter having a part blocking the channels - a damper, an axis and a lever part, while the damper is located in the connection area of two input channels and is movable from one position, providing overlapping of the first of the input channel to the second position, providing overlapping of the second input channel, at least two permanent magnets located between the tubes that correspond to the input channels of the body, while the shutter is equipped with an electromagnet placed on its lever part with the possibility of moving between the permanent magnets when applying on the electromagnet of current impulses.

Кроме того, шторка может быть выполнена из ферромагнитного материала с относительной магнитной проницаемостью не менее 20.In addition, the shutter can be made of a ferromagnetic material with a relative magnetic permeability of at least 20.

Клапан, как правило, снабжен корпусом, выполненным с посадочными местами для оси шторки, расположенными вблизи места соединения трубок, и посадочными местами для постоянных магнитов.The valve, as a rule, is provided with a housing made with seats for the shutter axis, located near the junction of the tubes, and seats for permanent magnets.

Корпус клапана, как правило, снабжен упорами для ограничения угла поворота шторки, и препятствующими достижению шторкой плоскости симметрии постоянных магнитов.The valve body, as a rule, is equipped with stops to limit the angle of rotation of the shutter, and prevent the shutter from reaching the symmetry plane of the permanent magnets.

Трубки, содержащие входные каналы, предпочтительно расположены под углом между осями трубок до 90 градусов.Tubes containing inlet channels are preferably located at an angle between the axes of the tubes up to 90 degrees.

Кроме того, клапан может быть выполнен с возможностью поворота шторки на угол до 90 градусов.In addition, the valve can be configured to rotate the shutter at an angle of up to 90 degrees.

Кроме того, трубки клапана могут быть выполнены круглыми в сечении с одинаковой площадью поперечного сечения по длине трубки, при этом заслонка может иметь форму эллипса с эксцентриситетом, определяемым углом соединения трубок.In addition, the valve tubes can be made round in cross section with the same cross-sectional area along the length of the tube, while the damper can be in the form of an ellipse with an eccentricity determined by the angle of connection of the tubes.

Клапан может содержать четыре постоянных магнита, расположенные попарно между частями трубок, которые соответствуют входным каналам корпуса.The valve may contain four permanent magnets located in pairs between the parts of the tubes that correspond to the inlet channels of the housing.

Заслонка может иметь форму, соответствующую форме сечения в месте соединения трубок с входными каналами.The damper may have a shape corresponding to the shape of the section at the junction of the tubes with the inlet channels.

Расстояние между электромагнитом на рычажной части шторки и постоянными магнитами в крайних положениях шторки, как правило, составляет не более 1 мм.The distance between the electromagnet on the lever part of the curtain and the permanent magnets in the extreme positions of the curtain, as a rule, is no more than 1 mm.

Кроме того, рычажная часть шторки может быть снабжена выступами для установки катушек электромагнита.In addition, the lever part of the shutter can be provided with protrusions for mounting electromagnet coils.

Кроме того, корпус клапана может быть снабжен крышкой, выполненной с возможностью герметизации технологического зазора, выполненного для установки шторки внутрь клапана, в месте соединения трубок с входными каналами, при этом посадочные места для размещения постоянных магнитов, углубление для размещения оси шторки и крепежные отверстия выполнены в упомянутой крышке.In addition, the valve body can be provided with a cover designed to seal the technological gap made for installing the shutter inside the valve, at the junction of the tubes with the inlet channels, while the seats for placing permanent magnets, the recess for placing the shutter axis and the mounting holes are made in said cover.

Конструкция электронного драйвера устройства в одном из вариантов осуществления изобретения включает H-мост, предназначенный для коммутации электромагнита клапана в требуемой полярности; переключающий D-триггер, предназначенный для подачи сигнала о текущем состоянии клапана на H-мост; дифференцирующую RC-цепь, обеспечивающую возможность переключения клапана импульсным током; транслирующий D-триггер, предназначенный для передачи сигнала о текущем состоянии клапана между соседними драйверами; цепь задержки, включающую интегрирующую RC-цепь и триггер Шмитта, предназначенный для поочередного переключения клапанов с возможностью сглаживания пиковой нагрузки на блок питания.The design of the electronic device driver in one of the embodiments of the invention includes an H-bridge designed to switch the valve solenoid in the required polarity; switching D-trigger designed to signal the current state of the valve to the H-bridge; a differentiating RC circuit that provides the ability to switch the valve with a pulsed current; broadcasting D-trigger designed to transmit a signal about the current state of the valve between neighboring drivers; delay circuit including an integrating RC circuit and a Schmitt trigger designed to alternately switch valves with the ability to smooth out the peak load on the power supply.

Микроконтроллер или компьютер содержит три цифровых выхода, два из которых имеют частоту, по меньшей мере, N кГц - один подключен к информационному входу транслирующего D -триггера, второй – к тактовому входу транслирующего D -триггера, а третий цифровой выход имеет частоту, по меньшей мере, 50 Гц и подключен к тактовому входу переключающего D - триггера, входного (первого) драйвера.The microcontroller or computer contains three digital outputs, two of which have a frequency of at least N kHz - one is connected to the information input of the broadcasting D-flip-flop, the second is connected to the clock input of the broadcasting D-flip-flop, and the third digital output has a frequency of at least at least 50 Hz and connected to the clock input of the switching D - trigger, input (first) driver.

Корпус снабжен металлическими направляющими или кронштейнами для крепления драйверов, выполненные с возможностью подключения к источникам питания и контактным площадкам на драйверах.The case is equipped with metal guides or brackets for mounting drivers, made with the ability to connect to power supplies and contact pads on the drivers.

Для формирования двумерного изображения устройство также содержит, по меньшей мере, один блок электромагнитных клапанов, для формирования объемного изображения устройство содержит, по меньшей мере, два блока электромагнитных клапанов.For forming a two-dimensional image, the device also contains at least one block of electromagnetic valves, for forming a three-dimensional image, the device contains at least two blocks of electromagnetic valves.

Достижению технического результата способствует отказ от непрерывного потока аэрозоля и его подачи исключительно через переключаемые клапаны. При этом клапаны в любой момент времени подают либо воздух, либо аэрозоль, что позволяет избежать ситуации отсутствия источника струи ламинарного потока, приводящей к возможной турбулизации потока. Последовательное подключение драйверов позволяет подключать большое количество клапанов с удовлетворительным разрешением получаемого изображения в первом измерении. Удовлетворительному разрешению во втором измерении (в направлении движения потока) способствует использование высокоскоростных клапанов. Осуществлению возможности получения 3D изображения и разрешения в третьем измерении способствует использование нескольких расположенных рядом блоков клапанов.The achievement of the technical result is facilitated by the rejection of a continuous flow of aerosol and its supply exclusively through switchable valves. In this case, the valves supply either air or an aerosol at any time, which makes it possible to avoid the situation of the absence of a laminar flow jet source, leading to possible flow turbulence. Serial connection of drivers allows connecting a large number of valves with a satisfactory resolution of the resulting image in the first dimension. Satisfactory resolution in the second dimension (in the direction of flow) is facilitated by the use of high speed valves. The implementation of the possibility of obtaining 3D images and resolution in the third dimension is facilitated by the use of several adjacent blocks of valves.

Краткое описание чертежейBrief description of the drawings

Изобретение поясняется следующими чертежами, гдеThe invention is illustrated by the following drawings, where

на фигуре 1 представлен пример исполнения блока клапанов с прямоугольным сечением корпуса для формирования 2-мерного изображения;figure 1 shows an example of a valve block with a rectangular body section for forming a 2-dimensional image;

на фигуре 2 - пример расположения нескольких блоков клапанов для формирования 3-мерного изображения;figure 2 - an example of the location of several blocks of valves to form a 3-dimensional image;

на фигуре 3 - пример расположения и последовательного подключения драйверов электромагнитных клапанов;figure 3 - an example of the location and serial connection of solenoid valve drivers;

на фигуре 4 - блок клапанов с обтекаемым экраном;figure 4 - valve block with a streamlined screen;

на фигуре 5 - принципиальная электронная схема управления клапанами;figure 5 is a schematic diagram of the valve control;

на фигуре 6 - схема формирования изображения: вид спереди и поперечное сечение блока (короба) воспроизведения изображения;figure 6 - scheme of image formation: front view and cross section of the block (box) image reproduction;

на фигуре 7 - пример реализации системы, содержащей заявляемое устройство формирования изображения, вид сверху;figure 7 - an example of the implementation of the system containing the inventive imaging device, top view;

на фигуре 8 - пример соединения резервуаров нескольких блоков клапанов с источниками воздуха и тумана.figure 8 is an example of connecting tanks of several valve blocks with sources of air and mist.

на фигуре 9 изображена принципиальная схема работы электромагнитного клапана;figure 9 shows a schematic diagram of the solenoid valve;

на фигурах 10 - 12 представлена трехмерная модель корпуса электромагнитного клапана, демонстрируемая с трех разных сторон, при этом на фигурах 11 и 12 представлена трехмерная модель корпуса электромагнитного клапана вместе с крышкой;figures 10 to 12 show a three-dimensional model of the solenoid valve body, shown from three different sides, while figures 11 and 12 show a three-dimensional model of the solenoid valve body with a cover;

на фигуре 13 представлена форма шторки клапана;figure 13 shows the shape of the valve shutter;

на фигуре 14 схематично представлено поперечное сечение расположения шторки относительно постоянных магнитов в двух разных устойчивых состояниях;figure 14 is a schematic cross-sectional representation of the location of the shutter relative to the permanent magnets in two different stable states;

Позициями на чертежах обозначены: 1 - короб с рабочим пространством внутри; 2 - смотровые стенки из прозрачного материала; 3 - темная фоновая стенка; 4 – ламинаризатор на входе воздушного потока в короб; 5 - блок вентиляторов на выходе воздушного потока; 6 - средство подсветки изображения; 7 – блок электромагнитных клапанов; 8 - резервуар с аэрозолем; 9 – резервуар с воздухом; 10 - место установки клапанов на резервуар; 11 – электромагнитный клапан для переключения источника ламинарной струи; 12 - ламинарная струя, выходящая из клапана; 13 - участок струи ламинарного потока, подкрашенный туманом; 14 – обтекаемый экран блока клапанов; 15 – вентиляционные отверстия резервуаров; 16 - бак с водой; 17 - вода; 18 - ультразвуковой генератор тумана; 19 – корпус блока клапанов; 20 – продольная перегородка; 21 – соединение воздушного резервуара с клапаном (первый вход электромагнитного клапана); 22 – соединение аэрозольного резервуара с клапаном (второй вход электромагнитного клапана); 23 – цифровое устройство управления блоком клапанов; 24 – драйверы управления электромагнитными клапанами; 25 – шлейф проводов, соединяющий первый драйвер в массиве с микроконтроллером или с соседним блоком клапанов; 26 – шлейф проводов, соединяющий два соседних драйвера электромагнитного клапана; 27 – металлические стержни, выполняющие роль шин питания и направляющих для крепления драйверов и корпуса; 28 – транслирующий D-триггер; 29 – переключающий D-триггер; 30 – цепь задержки тактового сигнала, состоящая из интегрирующей RC-цепочки и триггера Шмитта; 31 – H-мост, соединяющий электромагнитный клапан с источником питании с нужной полярностью; 32 – обмотка электромагнитного клапана; 33 – дифференцирующие RC-цепочки для создания импульса тока при изменении текущего положения клапана; 34 – входной канал для входного потока воздушной или аэрозольной среды в клапане; 35 – выходной канал для выходного потока воздушной или аэрозольной среды из клапана; 36 – часть шторки, перекрывающая один из двух потоков (заслонка); 37 – рычажная часть шторки; 38 – заострения, выполняющие роль оси шторки; 39 – электромагнит, закрепленный на шторке клапана; 40 – поперечное сечение шторки. (шторка изображена дважды в обоих своих положениях равновесия); 41 – постоянные магниты; 42 – обмотка электромагнита; 43 – посадочные места оси шторки; 44 – посадочные места постоянных магнитов; 45 - упоры, ограничивающие движение шторки и одновременно служащие уплотнением; 46 – технологический зазор для возможности установки шторки внутрь клапана; 47 - плоскость симметрии магнита; 48 - крышка клапана; 49 – отверстия для болтового соединения крышки и основного корпуса; 50 – сформированное изображение; 51 – выступы для намотки/установки электромагнита.The positions in the drawings indicate: 1 - a box with a working space inside; 2 - viewing walls made of transparent material; 3 - dark background wall; 4 - laminarizer at the air flow inlet to the box; 5 - block of fans at the outlet of the air flow; 6 - means of highlighting the image; 7 - block of electromagnetic valves; 8 - tank with aerosol; 9 - reservoir with air; 10 - place of installation of valves on the tank; 11 - electromagnetic valve for switching the laminar jet source; 12 - laminar jet exiting the valve; 13 - section of the laminar flow jet, tinted with fog; 14 - streamlined valve block screen; 15 - ventilation openings of the tanks; 16 - tank with water; 17 - water; 18 - ultrasonic fog generator; 19 - body of the valve block; 20 - longitudinal partition; 21 - connection of the air reservoir with the valve (the first input of the electromagnetic valve); 22 - connection of the aerosol tank with the valve (the second input of the electromagnetic valve); 23 - digital valve block control device; 24 – solenoid valve control drivers; 25 - a loop of wires connecting the first driver in the array with a microcontroller or with an adjacent valve block; 26 - a loop of wires connecting two adjacent solenoid valve drivers; 27 - metal rods that act as power rails and guides for attaching drivers and the case; 28 - broadcasting D-trigger; 29 - switching D-trigger; 30 - clock signal delay circuit, consisting of an integrating RC circuit and a Schmitt trigger; 31 - H-bridge connecting the solenoid valve with a power source with the desired polarity; 32 - solenoid valve winding; 33 - differentiating RC circuits for creating a current pulse when the current position of the valve changes; 34 - inlet channel for the inlet flow of air or aerosol medium in the valve; 35 - outlet channel for the outlet flow of air or aerosol medium from the valve; 36 - part of the shutter, blocking one of the two flows (damper); 37 - lever part of the curtain; 38 - points that act as the axis of the shutter; 39 - an electromagnet fixed on the valve shutter; 40 - cross section of the curtain. (the shutter is shown twice in both of its equilibrium positions); 41 - permanent magnets; 42 - electromagnet winding; 43 - seats for the curtain axis; 44 - seats for permanent magnets; 45 - stops that limit the movement of the curtain and at the same time serve as a seal; 46 - technological clearance for the possibility of installing a shutter inside the valve; 47 - plane of symmetry of the magnet; 48 - valve cover; 49 - holes for bolted connection of the cover and the main body; 50 - formed image; 51 - protrusions for winding / installing an electromagnet.

Осуществление изобретенияImplementation of the invention

Далее представлено более подробное описание заявляемого изобретения, демонстрирующее возможность достижения заявленного технического результата. Настоящее изобретение может подвергаться различным изменениям и модификациям, понятным специалисту на основе прочтения данного описания. Такие изменения не ограничивают объем притязаний. Например, для формирования двумерного или трехмерного пространственного изображения могут быть использованы различные газовые и/или аэрозольные cреды, отличающиеся коэффициентом рассеяния света; может быть использовано различное количество блоков электромагнитных клапанов, различное количество электромагнитных клапанов в блоках, а также может меняться исполнение цепи задержки, дифференцирующая цепочка может быть заменена на таймер, обеспечивающий импульс аналогичной длительности, может быть добавлен дополнительный обтекаемый экран, закрывающий весь блок за исключением места выхода струи из клапана, могут быть изменены размеры устройства и т.д.The following is a more detailed description of the claimed invention, demonstrating the possibility of achieving the claimed technical result. The present invention may be subject to various changes and modifications, clear to a person skilled in the art based on reading this description. Such changes do not limit the scope of claims. For example, to form a two-dimensional or three-dimensional spatial image, various gas and/or aerosol media can be used, differing in the coefficient of light scattering; a different number of solenoid valve blocks can be used, a different number of solenoid valves in the blocks, and the design of the delay circuit can also change, the differentiating circuit can be replaced with a timer that provides a pulse of the same duration, an additional streamlined screen can be added to cover the entire block except for the place outlet of the jet from the valve, the dimensions of the device can be changed, etc.

В одном из вариантов осуществления изобретения устройство для формирования пространственного изображения в ламинарном воздушном потоке (фиг.1 – 5) может быть интегрировано в систему для формирования изображения (фиг.6, 7), которая содержит короб 1, имеющий форму вытянутого параллелепипеда, внутренний объем которого является рабочим пространством для формирования пространственного изображения. Две из четырех протяженных граней параллелепипеда, прилегающие друг к другу, выполнены из оргстекла и являются смотровыми стенками 2 для наблюдения формируемого в рабочем пространстве изображения. Две другие протяженные стенки короба (грани) 3 являются фоновыми для изображения, могут быть выполнены из любого материала, например, из листа фанеры, и покрыты изнутри черной матовой краской. На одном из торцов короба вместо непроницаемой для воздуха стенки размещен ламинаризатор воздушного потока 4, представляющий собой массив сонаправленных трубок круглого сечения, упорядоченных в плотную гексагональную упаковку - сотовый ламинаризатор воздушного потока. На другом торце короба в его стенку встроен блок из вентиляторов 5, установленных таким образом, чтобы вытягивать воздух из короба. Короб 1 снабжен средством подсветки изображения 6, в качестве которого может быть использована светодиодная лента, установленная вдоль ребра между смотровыми стенками короба с его внутренней стороны вдоль всей длины рабочего пространства. Ключевым элементом системы является блок 7 электромагнитных клапанов 11. Блок электромагнитных клапанов содержит два вытянутых резервуара 8 и 9, разделенных перегородкой. В резервуарах предусмотрены посадочные места 10 для крепления электромагнитных клапанов 11, устанавливаемых в один ряд вдоль резервуара. Каждый клапан в одном стабильном положении соединяет свою выходную трубку, предназначенную для выходного потока среды (выходной канал 35) для формирования изображения, являющуюся источником ламинарной струи 12, с одним из двух резервуаров 8 или 9. Блок 7 электромагнитных клапанов может быть расположен за пределами короба 1, непосредственно за ламинаризатором 4 воздушного потока, как показано на фиг. 6, так и внутри короба в рабочем пространстве, как показано на фиг. 7. Во втором случае блок клапанов оснащается обтекаемым экраном 14 (фиг.4). Резервуары 8 и 9 блоков клапанов соединены с атмосферным воздухом с помощью отверстий 15 и находятся под атмосферным давлением. В случае использования нескольких блоков клапанов для создания трехмерного изображения соответствующие резервуары блоков могут быть соединены друг с другом в единый резервуар, как показано на фиг. 2. Снизу от резервуара для тумана расположен бак 16 с водой 17, с размещенными в воде ультразвуковыми генераторами тумана 18.In one of the embodiments of the invention, a device for forming a spatial image in a laminar air flow (Fig.1 - 5) can be integrated into an imaging system (Fig.6, 7), which contains a box 1 having the shape of an elongated parallelepiped, an internal volume which is the workspace for the formation of a spatial image. Two of the four extended faces of the parallelepiped, adjacent to each other, are made of plexiglass and are viewing walls 2 for observing the image formed in the working space. The other two extended walls of the box (faces) 3 are background for the image, can be made of any material, for example, from a sheet of plywood, and covered from the inside with black matte paint. At one of the ends of the box, instead of an air-tight wall, there is an air flow laminarizer 4, which is an array of co-directional round tubes arranged in a dense hexagonal package - a honeycomb air flow laminarizer. At the other end of the box, a block of fans 5 is built into its wall, installed in such a way as to draw air out of the box. The box 1 is equipped with an image illumination device 6, which can be an LED strip installed along the edge between the viewing walls of the box from its inner side along the entire length of the working space. The key element of the system is block 7 of solenoid valves 11. The block of solenoid valves contains two elongated reservoirs 8 and 9 separated by a partition. Seats 10 are provided in the tanks for attaching solenoid valves 11 installed in one row along the tank. Each valve in one stable position connects its output tube for the output flow of the medium (outlet 35) for imaging, which is the source of the laminar jet 12, with one of the two tanks 8 or 9. The solenoid valve block 7 can be located outside the box 1, immediately after the airflow laminarizer 4, as shown in FIG. 6, and inside the box in the workspace, as shown in FIG. 7. In the second case, the valve block is equipped with a streamlined screen 14 (figure 4). Tanks 8 and 9 of the valve blocks are connected to atmospheric air through holes 15 and are under atmospheric pressure. In the case of using multiple valve banks to create a three-dimensional image, the respective reservoirs of the reservoirs can be connected to each other into a single reservoir, as shown in FIG. 2. Below the fog tank is a tank 16 with water 17, with ultrasonic fog generators 18 placed in the water.

Корпус 19 блока 7 клапанов 11 имеет форму прямоугольного параллелепипеда, разделенного на два равных резервуара 8 и 9 продольной перегородкой 20. Один из резервуаров наполняют обыкновенным воздухом, а другой - аэрозолем или туманом. Соединения 20 и 21 соответствующих резервуаров с электромагнитными клапанами 11 могут быть реализованы с помощью отверстий в стенке корпуса, расположенных в два ряда вдоль перегородки: по два отверстия для каждого клапана. Каждый клапан имеет, по меньшей мере, два входных канала 34 и один выходной канал 35. Управление массивом клапанов осуществляется цифровым устройством 23, в качестве которого может быть использован микроконтроллер (фиг.5) с тремя цифровыми выходами: одним информационным, двумя тактовыми. Цифровые выходы микроконтроллера присоединены к массиву драйверов 24 с помощью шлейфа из проводов 25. Драйверы соединены последовательно попарно с помощью шлейфа 26, состоящего из таких же проводов. Положительное напряжение питания и нуль подведены к платам с помощью металлических стержней 27 прямоугольного сечения, одновременно выполняющих роль направляющих для крепления корпуса блока и драйверов клапанов. Каждый драйвер клапана содержит два D-триггера: транслирующий 28 и переключающий 29. Выходы транслирующих триггеров соединены с входом аналогичного триггера следующего драйвера в цепи для последовательной передачи данных по массиву драйверов, а также с входом переключающего триггера в пределах текущего драйвера. Текущее положение каждого клапана записано в цифровом виде на драйвере с помощью переключающего D-триггера. Вход первого транслирующего триггера соединен с информационным выходом микроконтроллера. Тактовые выходы микроконтроллера подсоединены к тактовым входам D-триггеров CLK: напрямую к транслирующим триггерам, и через последовательную цепь задержки 30 к переключающим. Выход каждого переключающего D-триггера подсоединен к входам H-моста 31, выходы которого соединены с обмоткой электромагнитного клапана 32 через дифференцирующую цепь 33. Для создания трехмерного движущегося в потоке изображения блоки клапанов расположены рядом, как показано на фиг.2, а драйверы разных блоков подключены последовательно к одному микроконтроллеру.The body 19 of the block 7 of the valves 11 has the shape of a rectangular parallelepiped, divided into two equal reservoirs 8 and 9 by a longitudinal partition 20. One of the reservoirs is filled with ordinary air, and the other with an aerosol or mist. Connections 20 and 21 of the respective reservoirs with solenoid valves 11 can be implemented using holes in the housing wall arranged in two rows along the partition: two holes for each valve. Each valve has at least two input channels 34 and one output channel 35. The array of valves is controlled by a digital device 23, which can be used as a microcontroller (figure 5) with three digital outputs: one informational, two clock. The digital outputs of the microcontroller are connected to the array of drivers 24 using a loop of wires 25. The drivers are connected in series in pairs using a loop 26 consisting of the same wires. The positive supply voltage and zero are connected to the boards with the help of metal rods 27 of rectangular section, which at the same time act as guides for fastening the block body and valve drivers. Each valve driver contains two D-flip-flops: broadcasting 28 and switching 29. The outputs of the broadcasting triggers are connected to the input of a similar trigger of the next driver in the chain for serial data transfer through the array of drivers, as well as to the input of the switching trigger within the current driver. The current position of each valve is digitally recorded on the driver using a switching D-flip-flop. The input of the first broadcast trigger is connected to the information output of the microcontroller. The clock outputs of the microcontroller are connected to the clock inputs of the D-flip-flops CLK: directly to the broadcast triggers, and through a serial delay circuit 30 to the switching ones. The output of each switching D-flip-flop is connected to the inputs of an H-bridge 31, the outputs of which are connected to the coil of the solenoid valve 32 via a differentiating circuit 33. connected in series to the same microcontroller.

Клапан (фиг.9 – 14) содержит Y-образный полимерный корпус, состоящий из трех соединяющихся трубок: две из которых формируют каналы 34 для входных потоков, третья - для выходного потока 35. Клапан содержит шторку (фиг.13), предназначенную для переключения входных потоков, состоящую из следующих основных частей: заслонки 36, рычажной части 37, оси 38, выступов для установки/намотки электромагнита 39. Шторка может быть выполнена из тонколистного (0.1 - 0.3 мм) ферромагнитного материала и имеет два стабильных положения 40, соответствующих перекрытию одного из входных каналов. Стабильность этих положений обусловлена притяжением к одной из пар постоянных магнитов 41. Для перемещения между стабильными положениями на шторке установлена обмотка электромагнита 42, состоящая из двух сонаправленных частей и подключенных последовательно друг с другом. Для установки шторки в корпусе предусмотрены посадочные места в виде углублений 43, соответствующих по форме оси шторки. Для установки магнитов предусмотрены посадочные места 44, позволяющие установить магниты максимально близко к электромагниту, убрав материал корпуса между ними. Максимальный угол поворота шторки ограничен упорами 45, к которым заслонка прислоняется в стабильном положении, при этом рычажная часть не достигает плоскости симметрии магнитов 46.The valve (Fig.9 - 14) contains a Y-shaped polymer housing, consisting of three connecting tubes: two of which form channels 34 for the input streams, the third - for the output stream 35. The valve contains a shutter (Fig.13) designed to switch input streams, consisting of the following main parts: damper 36, lever part 37, axis 38, protrusions for installing/winding an electromagnet 39. one of the input channels. The stability of these positions is due to the attraction to one of the pairs of permanent magnets 41. To move between stable positions, an electromagnet winding 42 is installed on the shutter, consisting of two co-directional parts and connected in series with each other. To install the shutter in the housing, seats are provided in the form of recesses 43, corresponding in shape to the axis of the shutter. Seats 44 are provided for the installation of magnets, allowing you to install the magnets as close as possible to the electromagnet, removing the body material between them. The maximum angle of rotation of the shutter is limited by stops 45, against which the shutter leans in a stable position, while the lever part does not reach the symmetry plane of the magnets 46.

Заслонка 36 имеет форму, соответствующую увеличенному на десятые доли миллиметра сечению канала, сделанному под углом, равным углу поворота между входной и выходной трубкой в месте их соединения. Увеличение необходимо, чтобы заслонка 36 упиралась, не проваливаясь в упоры 45, и перекрывала канал полностью без зазоров. Для возможности установки шторки внутрь клапана у его корпуса выполнен технологический зазор 47 и предусмотрена крышка 48 для закрытия данного зазора после установки шторки. Крышка может быть прикреплена к корпусу с использованием сквозных отверстий 49 при помощи болтовых соединений или саморезов.The damper 36 has a shape corresponding to the section of the channel increased by tenths of a millimeter, made at an angle equal to the angle of rotation between the inlet and outlet tubes at their junction. The increase is necessary so that the damper 36 abuts without falling into the stops 45 and closes the channel completely without gaps. For the possibility of installing a shutter inside the valve, a technological gap 47 is made near its body and a cover 48 is provided to close this gap after the shutter is installed. The cover can be attached to the housing using through holes 49 using bolted connections or self-tapping screws.

Изображение формируется в ламинарном потоке воздуха его «подкрашиванием» посредством упорядоченной подачи аэрозольной среды, например, в виде взвеси мельчайших капель воды в газе, создающих эффект тумана, при этом упорядоченность нарушается при приближении сформированного изображения к выходу из короба, создавая визуальный эффект рассеяния изображения.The image is formed in a laminar air flow by its “tinting” by means of an ordered supply of an aerosol medium, for example, in the form of a suspension of tiny water droplets in a gas, creating a fog effect, while the order is broken when the formed image approaches the exit from the box, creating a visual effect of image scattering.

Работа устройства разделяется на несколько процессов: генерация тумана, создание ламинарного потока, подкрашивание ламинарного потока участками струй с туманом, подсветка.The operation of the device is divided into several processes: fog generation, creation of a laminar flow, tinting of a laminar flow with sections of jets with fog, illumination.

После запуска блока вентиляторов 5, в рабочем пространстве формируется направленный поток воздуха. Турбулентные вихри, неизбежно присутствующие в атмосферном воздухе, устраняются с помощью ламинаризатора 4. Ламинарность потока нарушается лишь при приближении воздуха к блоку вентиляторов за счет того, что воздух проходит через закрытый объем, не содержащий преград для воздуха.After starting the fan unit 5, a directed air flow is formed in the working space. Turbulent eddies that are inevitably present in the atmospheric air are eliminated with the help of a laminarizer 4. The laminarity of the flow is broken only when the air approaches the fan unit due to the fact that the air passes through a closed volume that does not contain air barriers.

Ультразвуковой генератор 18 работает непрерывно, наполняя бак с водой туманом. Через некоторые клапаны 11 в процессе работы туман из бака с водой 16 вытягивается разницей давлений, создаваемой блоком вентиляторов 5, в рабочий объем. Для компенсации потраченной среды в резервуар с туманом 8 через отверстие 15 поступает атмосферный воздух. Таким образом, формируется направленный поток внутри резервуара. Аналогично действует и резервуар с воздухом 9 за исключением отсутствия генерации тумана.The ultrasonic generator 18 operates continuously, filling the water tank with mist. Through some valves 11, during operation, the mist from the water tank 16 is drawn out by the pressure difference created by the fan unit 5 into the working volume. To compensate for the spent medium, atmospheric air enters the fog tank 8 through the opening 15. Thus, a directed flow is formed inside the tank. The air tank 9 operates similarly, except for the absence of fog generation.

В ходе работы каждый клапан 11 совершает большое количество переключений под управлением цифровой электроники. При каждом переключении изменяется вид выходящей в ламинарный поток струи: с тумана на воздух и наоборот. Два переключения одного клапана формируют подкрашенный туманом участок струи 13. Совокупность таких подкрашенных участков формирует движущееся в ламинарном потоке изображение 50 (фиг.6 и 7), которое остается практически неизменным до того момента, как этот участок окажется близко (менее 50 см) к блоку вентиляторов 5, где ламинарность потока нарушается, и картинка перемешиваясь исчезает, создавая оригинальный эффект.During operation, each valve 11 performs a large number of switchings under the control of digital electronics. With each switch, the type of jet entering the laminar flow changes: from fog to air and vice versa. Two switchings of one valve form a fog-tinted section of the jet 13. The combination of such tinted sections forms an image moving in a laminar flow 50 (Fig.6 and 7), which remains practically unchanged until this section is close (less than 50 cm) to the block 5 fans, where the laminar flow is broken, and the picture disappears while mixing, creating an original effect.

Работа блока клапанов разделяется на циклы, в ходе которых каждый из N клапанов может переключиться не более одного раза. В начале цикла на информационном выходе микроконтроллера 23 выводится первый бит информации, который после тактового импульса на входе транслирующих D-триггеров 28 записывается на выход первого в массиве транслирующего D-триггера. Затем на информационном выходе микроконтроллера формируется второй бит. После второго аналогичного тактового импульса первый бит информации записывается на выход второго в массиве транслирующего D-триггера, а второй бит - на выход первого. Далее этот процесс повторяется до тех пор, пока первый бит информации не окажется записанным на выход последнего D-триггера в массиве под номером N. Таким образом, в массиве транслирующих триггеров оказывается закодирован участок формируемой картинки.The operation of the valve block is divided into cycles, during which each of the N valves can switch at most once. At the beginning of the cycle, the first bit of information is output at the information output of the microcontroller 23, which, after a clock pulse at the input of the broadcasting D-flip-flops 28, is written to the output of the first broadcasting D-flip-flop in the array. Then the second bit is formed at the information output of the microcontroller. After the second similar clock pulse, the first bit of information is written to the output of the second broadcasting D-flip-flop in the array, and the second bit is written to the output of the first. Further, this process is repeated until the first bit of information is written to the output of the last D-flip-flop in the array numbered N. Thus, in the array of broadcasting triggers, the section of the generated image is encoded.

Микроконтроллер формирует тактовый импульс на входе переключающего D-триггера 29 первого драйвера в массиве, который приводит к записи бита информации с выхода транслирующего триггера 28 на выход переключающего 29. Аналогичный процесс осуществляется и для остальных драйверов. Однако благодаря цепи задержки 30 тактовый сигнал на вход переключающего триггера второго драйвера в массиве приходит с задержкой, пропорциональной R₂C₂ интегрирующей цепи, а на вход переключающего триггера третьего драйвера с задержкой, пропорциональной 2R₂C₂, четвертого - 3R₂C₂и т.д. Задержка позволяет сгладить нагрузку на источник питания, избегая высоких пиковых нагрузок.The microcontroller generates a clock pulse at the input of the switching D-flip-flop 29 of the first driver in the array, which leads to the recording of a bit of information from the output of the broadcasting trigger 28 to the output of the switching 29. A similar process is carried out for other drivers. However, due to the delay circuit 30, the clock signal arrives at the input of the switching trigger of the second driver in the array with a delay proportional to R ₂ C _{2 of} the integrating circuit, and at the input of the switching trigger of the third driver with a delay proportional to 2R ₂ C ₂ , the fourth - 3R ₂ C ₂ and etc. The delay allows you to smooth the load on the power supply, avoiding high peak loads.

Если в результате какой-то из переключающих D-триггеров 29 меняет свое состояние, то это приводит к тому, что соответствующий ему H-мост 31 подключает обмотку 32 электромагнитного клапана к питанию. При этом полярность подключения питания соответствует знаку производной напряжения на выходе переключающего D-триггера. Подключение и соответствующий ему импульс тока имеет длительность, пропорциональную R₁C₁ и выбирается исходя из характеристик клапана. Импульс тока приводит к кратковременному перекоммутированию выхода соответствующего электромагнитного клапана на один из входов 21 или 22. Использование импульса тока позволяет существенно уменьшить энергопотребление устройства.If, as a result, one of the switching D-flip-flops 29 changes its state, then this leads to the fact that the corresponding H-bridge 31 connects the winding 32 of the solenoid valve to power. In this case, the polarity of the power connection corresponds to the sign of the derivative of the voltage at the output of the switching D-flip-flop. The connection and the corresponding current pulse has a duration proportional to R ₁ C ₁ and is selected based on the characteristics of the valve. The current pulse leads to a short-term re-switching of the output of the corresponding solenoid valve to one of the inputs 21 or 22. The use of a current pulse can significantly reduce the power consumption of the device.

Запись новых значений положения клапанов может быть произведена любым микроконтроллером или компьютером, имеющим три цифровых выхода частотой, по меньшей мере, N кГц, на одном из которых записывается бит информации, передаваемой первому драйверу в массиве, на втором идут тактовые импульсы для передачи данных по последовательно подключенной цепочке из драйверов, на третьем - тактовые импульсы, изменяющие текущее положение всех клапанов на новые.The recording of new valve position values can be performed by any microcontroller or computer that has three digital outputs with a frequency of at least N kHz, one of which records a bit of information transmitted to the first driver in the array, the second contains clock pulses for serial data transmission. connected chain of drivers, on the third - clock pulses that change the current position of all valves to new ones.

Переключение шторки между стабильными положениями осуществляется при подаче на электромагнит 41 кратковременного импульса тока определенной полярности, приводящего к перемагничиванию рычажной части заслонки 37, включая ее выступы 51. После начала этого импульса как следствие возникает сила отталкивания между рычажной частью шторки и ближайшей к нему парой постоянных магнитов. Она вызывает поворот шторки вокруг оси по направлению к другой паре магнитов, поскольку шторка всегда располагается в зазоре 46 между плоскостями симметрии 47 постоянных магнитов 41. Между рычажной частью шторки и другой парой магнитов, напротив, действует сила притяжения, усиливающаяся по мере их приближения. Как только вторая пара магнитов окажется ближе к рычажной части шторки, чем первая, импульс тока может быть завершен. Далее шторка доходит до противоположного упора и останавливается в новом стабильном положении. Обратное переключение осуществляется подачей аналогичного импульса тока противоположного направления.Switching the shutter between stable positions is carried out when a short-term current pulse of a certain polarity is applied to the electromagnet 41, leading to magnetization reversal of the lever part of the damper 37, including its protrusions 51. After the start of this pulse, as a result, a repulsive force arises between the lever part of the shutter and the pair of permanent magnets closest to it . It causes the shutter to rotate around the axis towards the other pair of magnets, since the shutter is always located in the gap 46 between the symmetry planes 47 of the permanent magnets 41. Between the lever part of the shutter and the other pair of magnets, on the contrary, there is an attractive force that increases as they approach. As soon as the second pair of magnets is closer to the lever part of the curtain than the first one, the current pulse can be completed. Then the shutter reaches the opposite stop and stops in a new stable position. Reverse switching is carried out by applying a similar current pulse in the opposite direction.

Заявленное устройство было реализовано следующим образом. Корпус выполнен из пластикового профиля с сечением 100×50 мм² с толщиной стенки 3 мм. Перегородка имеет такую же толщину. Длина профиля составляет 400 мм. К корпусу присоединены 13 клапанов на расстоянии 30 мм друг от друга. Это расстояние определяет разрешение изображения в одном из измерений. В качестве клапанов выступают бистабильные электромагнитные клапаны со скоростью переключения до 50 раз в секунду, временем переключения 2 мс при подаче тока величиной 3 А через обмотку сопротивлением 1,7 Ом. Такой клапан позволяет получать подкрашенный аэрозолью участок струи длиной 30 мм при скорости потока 1.5 м/c. Этот параметр определяет разрешение изображения во втором измерении. Таким образом, разрешение изображения в плоскости составляет 3×3 см.The claimed device was implemented as follows. The housing is made of a plastic profile with a section of 100×50 mm ² with a wall thickness of 3 mm. The partition has the same thickness. The profile length is 400 mm. 13 valves are attached to the body at a distance of 30 mm from each other. This distance determines the resolution of the image in one of the dimensions. The valves are bistable solenoid valves with a switching speed of up to 50 times per second, a switching time of 2 ms when a current of 3 A is applied through a winding with a resistance of 1.7 Ohm. Such a valve makes it possible to obtain an aerosol-tinted section of the jet with a length of 30 mm at a flow rate of 1.5 m/s. This setting determines the resolution of the image in the second dimension. Thus, the image resolution in the plane is 3×3 cm.

Максимальное разрешение изображения в третьем измерении в случае создания трехмерного изображения определяется шириной пластикового профиля и составляет 10 см.The maximum image resolution in the third dimension in the case of creating a three-dimensional image is determined by the width of the plastic profile and is 10 cm.

В качестве устройства управления использован микроконтроллер с максимальной частотой цифровых выходов до 8 МГц. Высокая частота приводит к тому, что максимальное количество клапанов ограничено не микроконтроллером, а компромиссом в выборе источника питания. Номиналы резистора и конденсатора в дифференцирующей RC-цепи были выбраны для получения длительности импульса тока через обмотку клапана длительностью 2 мс.A microcontroller with a maximum digital output frequency of up to 8 MHz was used as a control device. High frequency leads to the fact that the maximum number of valves is limited not by the microcontroller, but by a compromise in the choice of power supply. The values of the resistor and capacitor in the differentiating RC circuit were chosen to obtain the duration of the current pulse through the valve winding with a duration of 2 ms.

Номиналы резистора и конденсатора в интегрирующей RC-цепи задержки выбираются исходя из максимальной мощности источника питания и количества используемых клапанов. Так, в случае использования блока питания мощностью 15 Вт, одновременно может быть запитан лишь один клапан. Тогда время задержки должно составить не менее 2 мс. С учетом длительности одного цикла работы блока клапанов (20 мс исходя из 50 переключений в секунду), это означает, что блок питания поддерживает максимально работу 10 клапанов. Поэтому для возможности подключения 100 клапанов был выбран источник мощностью 150 Вт при напряжении 5 В. Это означает, что через шину питания будет проходить пиковый ток величиной 30 А. Поэтому в качестве шины питания были выбраны латунные стойки сечением 4×2 мм.The resistor and capacitor values in the integrating RC delay circuit are selected based on the maximum power of the power supply and the number of valves used. So, in the case of using a 15 W power supply, only one valve can be powered at a time. Then the delay time should be at least 2 ms. Given the duration of one cycle of the valve block (20 ms based on 50 switching per second), this means that the power supply supports a maximum of 10 valves. Therefore, to be able to connect 100 valves, a source with a power of 150 W at a voltage of 5 V was chosen. This means that a peak current of 30 A will pass through the power bus. Therefore, brass posts with a cross section of 4 × 2 mm were chosen as the power bus.

Указанные выше характеристики клапана были достигнуты следующим образом. Корпус и крышка клапана были выполнены с помощью фотополимерной 3D-печати. Корпус с закрытой крышкой при этом имел следующие габаритные размеры: длина 65 мм, ширина 35 мм, высота 12 мм. Был выбран диаметр трубок 10 мм, с диаметром канала - 8 мм.The above characteristics of the valve were achieved in the following way. The body and valve cover were made using photopolymer 3D printing. The case with the lid closed had the following overall dimensions: length 65 mm, width 35 mm, height 12 mm. A tube diameter of 10 mm was chosen, with a channel diameter of 8 mm.

Угол между трубками, содержащими входные каналы, был выбран равным 40°. Максимальный угол, при котором ламинарность потока удается поддерживать, составляет 90°, однако, чем меньше этот параметр, тем при более высоких скоростях потока это удается сделать. Так, для угла в 40°, ламинарность сохраняется для скоростей потока до 2 м/с, для 90° для скоростей потока до примерно 0.5 м/с. В то же время при очень малых значениях угла между входными трубками возникают трудности, связанные с размещением между ними магнитов, критически увеличивается необходимая длина заслонки. Скорость потока 2 м/с при сечении канала примерно 0.5 см²позволяет получить расход среды 10^-4м³/с. Полученные значения реализованы при перепаде давления на клапане величиной 200 Па.The angle between the tubes containing the inlet channels was chosen to be 40°. The maximum angle at which the laminar flow can be maintained is 90°, however, the smaller this parameter, the higher the flow rates. So, for an angle of 40°, laminarity is maintained for flow velocities up to 2 m/s, for 90° for flow velocities up to about 0.5 m/s. At the same time, at very small values of the angle between the inlet tubes, difficulties arise associated with the placement of magnets between them, and the required length of the damper critically increases. A flow velocity of 2 m/s with a channel cross section of approximately 0.5 cm ² allows obtaining a medium flow rate of 10 ^-4 m ³ /s. The obtained values are realized at a pressure drop across the valve of 200 Pa.

В качестве постоянных магнитов использовались 4 неодимовых магнита с размерами 10x5x2 мм.Four neodymium magnets with dimensions of 10x5x2 mm were used as permanent magnets.

В месте соединения входных трубок находится полость, в которой перемещается шторка, отвечающая за переключение потоков. Шторка была вырезана с помощью лазерного гравера из листа конструкционной стали толщиной 0.1 мм, обладающей относительной магнитной проницаемостью около 100. В заявляемой конструкции клапана возможно использование более магнитомягкого материала с меньшей коэрцитивной силой, в идеале приближенной нулю, для упрощения его перемагничивания импульсом тока. В то же время этот материал должен обладать лучшей теплопроводностью для отвода тепла от электромагнита, т.к. именно через непрерывно обдуваемую заслонку происходит основной теплоотвод. Оптимальными свойствами обладает конструкционная сталь. Толщина 0.1 мм - минимальная толщина такого материала, обеспечивающая достаточную жесткость шторки. Толщина заслонки от 0,1 мм до 0,3 мм позволяет минимизировать ее массу, и, как следствие, увеличить скорость переключения устройства.At the junction of the inlet tubes there is a cavity in which the shutter moves, which is responsible for switching flows. The shutter was cut using a laser engraver from a sheet of structural steel 0.1 mm thick, with a relative magnetic permeability of about 100. In the inventive valve design, it is possible to use a softer magnetic material with a lower coercive force, ideally close to zero, to simplify its magnetization reversal by a current pulse. At the same time, this material must have better thermal conductivity to remove heat from the electromagnet, because It is through the continuously blown damper that the main heat removal takes place. Structural steel has optimal properties. The thickness of 0.1 mm is the minimum thickness of such material, which ensures sufficient rigidity of the curtain. The thickness of the damper from 0.1 mm to 0.3 mm allows minimizing its weight, and, as a result, increasing the switching speed of the device.

Максимальный угол поворота шторки определяется углом между трубками, содержащими входные каналы, однако оптимальным всегда будет являться чуть меньшее значение, в описываемом случае 32°. В альтернативном варианте возможно увеличение габаритных размеров клапана по высоте. Это связано с необходимостью размещения магнитов между входными трубками и, при этом, шторка не должна доходить до плоскости симметрии магнитов.The maximum angle of rotation of the shutter is determined by the angle between the tubes containing the inlet channels, however, a slightly smaller value will always be optimal, in the described case 32°. Alternatively, it is possible to increase the overall dimensions of the valve in height. This is due to the need to place magnets between the inlet tubes and, at the same time, the shutter should not reach the plane of symmetry of the magnets.

Сама шторка состоит из трех частей: эллиптической заслонки длиной 19 мм и шириной чуть больше диаметра каналов (9 мм), оси, выполненной в виде параболических заострений длиной 2 мм, рычажной части длиной 16 мм, выступов длиной 8 мм и величиной 2 мм. На выступы наматывается электромагнит или надевается готовый электромагнит из медного обмоточного провода диаметром 0.1 мм, состоящего из 50 витков.The shutter itself consists of three parts: an elliptical damper 19 mm long and slightly wider than the diameter of the channels (9 mm), an axis made in the form of parabolic points 2 mm long, a lever part 16 mm long, protrusions 8 mm long and 2 mm in size. An electromagnet is wound on the protrusions or a finished electromagnet is put on from a copper winding wire with a diameter of 0.1 mm, consisting of 50 turns.

Переключение шторки в такой геометрии между стабильными положениями осуществлялось импульсами тока длительностью 2 мс и величиной 3 А. Между переключениями необходимо выдержать интервал длительностью около 18 мс во избежание перегрева электромагнита. Его достаточно быстрое остывание обеспечено непрерывным обдувом шторки воздухом или аэрозолью из одного из входных потоков. Таким образом, шторка обеспечивала переключение до 50 раз в секунду. При этом ламинарность потока нарушается лишь в короткие интервалы времени в момент переключения длительностью около 2 мс.Switching the shutter in this geometry between stable positions was carried out by current pulses with a duration of 2 ms and a value of 3 A. Between switching, it is necessary to maintain an interval of about 18 ms in order to avoid overheating of the electromagnet. Its sufficiently rapid cooling is ensured by continuous blowing of the curtain with air or aerosol from one of the inlet streams. Thus, the shutter provided switching up to 50 times per second. In this case, the laminarity of the flow is violated only in short time intervals at the moment of switching with a duration of about 2 ms.

Claims

1. A device for forming a spatial image in a laminar air flow, containing

at least one block of electromagnetic valves, including at least two tanks designed for gas and/or aerosol media used for spatial imaging and differing in scattering coefficient; and N solenoid valves, where N > 1, located one after the other, each of which has at least two inlet channels connected to the respective tanks, an outlet channel, and an input channel switching means for connection with the outlet channel;

an electronic unit for controlling valve switching modes, containing a microcontroller or computer configured to generate a control signal for switching input channels; series-connected N electronic drivers configured to convert the control signal from the microcontroller into an actuating signal for switching the input channels of the valves; power unit.

2. The device according to claim 1, characterized in that the tanks are formed in an extended hollow body by dividing its volume into two cavities by a longitudinal partition.

3. The device according to claim 2, characterized in that the body has a rectangular, or round, or oval cross-sectional profile when the body is located within the working volume of spatial imaging.

4. The device according to claim 2, characterized in that the housing has a drop-shaped cross-sectional profile when the housing is located outside the working volume of the spatial imaging.

5. The device according to claim 1, characterized in that the cross-sectional area of each reservoir exceeds the total area of the holes for connection to the respective valves.

6. The device according to claim 1, characterized in that the valves are arranged in a row and at an equidistant distance from each other.

7. Device according to claim 1, characterized in that bistable solenoid valves are used.

8. The device according to claim 1, characterized in that the valve contains three tubes having a Y-shaped connection, two of which form inlet channels for two flows of gas and / or aerosol media, differing in the scattering coefficient, the third is an outlet channel, while the valve is made with a smooth transition of the inlet channels to the outlet.

9. The device according to claim 1, characterized in that the means for switching input channels for connecting to the output channel includes a shutter having a part that overlaps the channels - a damper, an axis and a lever part, while the damper is located in the connection area of two input channels, which are formed by tubes , and is movable from one position, providing overlapping of the first input channel, to the second position, providing overlapping of the second input channel; at least two permanent magnets located between the tubes that correspond to the input channels of the body, while the shutter is equipped with an electromagnet placed on its lever part with the possibility of moving between the permanent magnets when current pulses are applied to the electromagnet.

10. The device according to claim 9, characterized in that the shutter is made of a ferromagnetic material with a relative magnetic permeability of at least 20.

11. The device according to claim 9, characterized in that the valve is provided with a housing made with seats for the shutter axis, located near the junction of the tubes, and seats for permanent magnets.

12. The device according to claim 11, characterized in that the valve body is provided with stops to limit the angle of rotation of the shutter and prevent the shutter from reaching the symmetry plane of the permanent magnets.

13. The device according to claim 9, characterized in that the tubes containing the inlet channels are located at an angle between the axes of the tubes up to 90°.

14. The device according to claim 9, characterized in that the valve is configured to rotate the shutter through an angle of up to 90°.

15. The device according to claim 9, characterized in that the valve tubes are made of circular cross section with the same cross-sectional area along the length of the tube, while the damper has the shape of an ellipse with an eccentricity determined by the angle of the tubes connection.

16. The device according to claim 9, characterized in that the valve contains four permanent magnets located in pairs between parts of the tubes that correspond to the inlet channels of the body.

17. The device according to claim 9, characterized in that the damper has a shape corresponding to the shape of the section at the junction of the tubes with the inlet channels.

18. The device according to claim 9, characterized in that the distance between the electromagnet on the lever part of the shutter and the permanent magnets in the extreme positions of the shutter is not more than 1 mm.

19. The device according to claim 9, characterized in that the lever part of the shutter is provided with protrusions for mounting electromagnet coils.

20. The device according to claim 9, characterized in that the valve has a technological gap for installing a shutter, made at the junction of the tubes corresponding to the inlet channels, while the valve body is provided with a cover made with the possibility of sealing the technological gap, in which there are seats for placement of permanent magnets, a recess for accommodating the axis of the shutter and mounting holes.

21. The device according to claim 1, characterized in that the electronic driver includes an H-bridge designed to switch the valve solenoid in the required polarity; switching D-trigger designed to signal the current state of the valve to the H-bridge; a differentiating RC circuit that provides the ability to switch the valve with a pulsed current; broadcasting D-trigger designed to transmit a signal about the current state of the valve between neighboring drivers; a delay circuit that includes an integrating RC circuit and a Schmitt trigger designed to alternately switch valves with the ability to smooth out the peak load on the power supply.

22. The device according to claim 21, characterized in that the microcontroller or computer contains three digital outputs, two of which have a frequency of at least N kHz - one is connected to the information input of the broadcasting D-trigger, the second is connected to the clock input of the broadcasting D-trigger , and the third digital output has a frequency of at least 50 Hz and is connected to the clock input of the switching D-flip-flop, the input of the first driver.

23. The device according to claim 2, characterized in that the case is provided with metal guides or brackets for mounting drivers, made with the ability to connect to power supplies and contact pads on the drivers.

24. The device according to claim 1, characterized in that for the formation of a two-dimensional image the device contains at least one block of electromagnetic valves, for the formation of a three-dimensional image the device contains at least two blocks of electromagnetic valves.