RU2789655C1 - System for generating a spatial image in a laminar air flow - Google Patents
System for generating a spatial image in a laminar air flow Download PDFInfo
- Publication number
- RU2789655C1 RU2789655C1 RU2021132256A RU2021132256A RU2789655C1 RU 2789655 C1 RU2789655 C1 RU 2789655C1 RU 2021132256 A RU2021132256 A RU 2021132256A RU 2021132256 A RU2021132256 A RU 2021132256A RU 2789655 C1 RU2789655 C1 RU 2789655C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- valve
- image
- air flow
- shutter
- box
- Prior art date
Links
Images
Abstract
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 обычно 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 are known from the prior art, usually formed from fog or water curtains. (RU2514084, RU2474854, RU2106671, CH647605, DE3130638, GB2220278, US5067653, US5270752, US5989128, KR19950016820, KR101771123, EP2541954)
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 сред 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 aerosol flow is introduced using a laminarizer into the transporting working volume of the laminar flow. And the laminar flow image 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.
Наиболее близким к заявляемому устройству являются 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.Closest to the claimed device are 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 at given times and from the corresponding valves falling vertically down drops of water. 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 принципом, на основе газовых и/или аэрозольных сред (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 principle, based on gas and/or aerosol media (including fog) to obtain 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 сред (включая туман).The technical result of the invention is the development of a device that provides the creation of a moving image formed from gaseous and/or aerosol media (including fog).
Устройство позволяет формировать 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 to form 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 the duration of observation of a distinguishable image for 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 системой для формирования пространственного изображения в ламинарном воздушном потоке, включающей, короб, ограничивающий рабочий объем локализации пространственного изображения в ламинарном воздушном потоке, формируемом посредством подачи газовой и/или аэрозольной среды, выполненный с возможностью наблюдения изображения, имеющий вход и выход для воздушного потока, устройство для формирования пространственного изображения, включающее, по меньшей мере, один блок электромагнитных клапанов, содержащий, по меньшей мере, два резервуара, предназначенные для газовых и/или аэрозольных сред, используемых для формирования пространственного изображения и отличающихся коэффициентом рассеяния света; N электромагнитных клапанов, где N > 1, расположенных со стороны входа короба, 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; блок питания, электронный блок для управления клапанами, содержащий электронные драйверы, подключенные к цифровому программируемому устройству; блок вентиляторов, содержащий, по меньшей мере, один вентилятор, расположенный со стороны выхода короба с обеспечением протока воздуха через короб (создания разряжения внутри короба для формирования воздушного потока, проходящего через короб), ламинаризатор воздушного потока, расположенный со стороны входа короба до или после блока электромагнитных клапанов, выполненный с возможностью устранения турбулентных вихрей из входного потока воздуха; средство подсветки изображения, размещенное в коробе, включающее, по меньшей мере, один источник света;The technical result is achieved by a system for forming a spatial image in a laminar air flow, including a box that limits the working volume of localization of a spatial image in a laminar air flow formed by supplying a gas and/or aerosol medium, configured to observe the image, having an inlet and outlet for air flow, a device for forming a spatial image, including at least one block of electromagnetic valves containing at least two tanks designed for gas and/or aerosol media used for forming a spatial image and differing in the coefficient of light scattering; N solenoid valves, where N > 1, located on the input side of the box, each of which has at least two input channels connected to the respective tanks, an output channel, and a means for switching input channels for connection with the output channel; power supply, an electronic valve control unit containing electronic drivers connected to a digital programmable device; a fan unit containing at least one fan located on the side of the duct outlet to ensure air flow through the duct (creating a vacuum inside the duct to form an air flow passing through the duct), an air flow laminator located on the side of the duct inlet before or after a solenoid valve block configured to eliminate turbulent eddies from the inlet air stream; means for illuminating an image placed in the box, including at least one light source;
Кроме того, короб может быть выполнен прямоугольным в сечении, одна из стенок короба может быть выполнена из оптически прозрачного материала (т.е. является смотровой) для наблюдения (визуализации) изображения, при этом противоположная стенка со стороны ее внутренней поверхности может быть выполнена с коэффициентом поглощения видимого света от 0,8 и выше для минимизации бликов от источника света, а вход и выход размещены со стороны других противоположных друг другу стенок короба, перпендикулярных стенке из оптически прозрачного материала, выполненных проницаемыми для воздуха.In addition, the box can be made rectangular in cross section, one of the walls of the box can be made of an optically transparent material (i.e., it is a viewing one) for observing (visualizing) the image, while the opposite wall from the side of its inner surface can be made with visible light absorption coefficient of 0.8 and higher to minimize glare from the light source, and the entrance and exit are located on the side of other opposite walls of the box, perpendicular to the wall of optically transparent material, made permeable to air.
В одном из вариантов осуществления изобретения резервуары блока электромагнитных клапанов могут быть сформированы в протяженном полом корпусе разделением его объема на полости продольной перегородкой.In one of the embodiments of the invention, the reservoirs of the electromagnetic valve block can be formed in an elongated hollow body by dividing its volume into cavities by a longitudinal partition.
При этом корпус для резервуаров блока электромагнитных клапанов может иметь прямоугольный, или круглый, или овальный профиль поперечного сечения при расположении корпуса в коробе, или каплеобразный профиль поперечного сечения при расположении корпуса за пределами короба (рабочего объема формирования пространственного изображения).In this case, the housing for the reservoirs of the solenoid valve block can have a rectangular, or round, or oval cross-sectional profile when the housing is located in the box, or a drop-shaped cross-sectional profile when the housing is located outside the box (working volume of spatial imaging).
Кроме того корпус для резервуаров блока электромагнитных клапанов может быть снабжен металлическими направляющими или кронштейнами для крепления драйверов, выполненными с возможностью подключения к источникам питания и контактным площадкам на драйверах.In addition, the housing for the reservoirs of the solenoid valve block can be provided with metal guides or brackets for mounting drivers, made with the ability to connect to power supplies and contact pads on the drivers.
Как правило, площадь поперечного сечения каждого резервуара превышает суммарную площадь отверстий для подключения к соответствующим клапанам.As a rule, the cross-sectional area of each tank exceeds the total area of the openings for connection to the corresponding valves.
В одном из вариантов осуществления изобретения блок электромагнитных клапанов может содержать два резервуара, один из которых предназначен для размещения газовоздушной среды, второй - для аэрозольной среды, в качестве которой использована взвесь мельчайших капель воды в газе в виде тумана, при этом резервуары соединены с источниками тумана и воздуха. In one of the embodiments of the invention, the solenoid valve block may contain two tanks, one of which is designed to accommodate a gas-air medium, the second - for an aerosol medium, which is used as a suspension of tiny water droplets in a gas in the form of fog, while the tanks are connected to fog sources and air.
Источники тумана и воздуха могут быть расположены с противоположных сторон от блоков электромагнитных клапанов (источник тумана расположен снизу от блоков электромагнитных клапанов, источник воздуха - сверху).The fog and air sources can be located on opposite sides of the solenoid valve blocks (the fog source is located below the solenoid valve blocks, the air source is on top).
Резервуары для воздуха и тумана, как правило, содержат вентиляционное отверстие, необходимое для поддержания в резервуарах атмосферного давления и соединяющее их с атмосферой, превосходящее по площади суммарное поперечное сечение всех подкрашиваемых туманом струй.The air and fog tanks typically contain a vent to keep the tanks at atmospheric pressure and connect them to the atmosphere, which is larger than the total cross-sectional area of all the jets tinted with fog.
В системе в качестве источника тумана может быть использован, по меньшей мере, один ультразвуковой генератор тумана, погруженный в бак с водой, соединенный с резервуаром для тумана.The system may use at least one ultrasonic fog generator immersed in a water tank connected to the fog tank as the fog source.
Электромагнитные клапаны в блоке расположены в ряд на равноудаленном расстоянии друг от друга.Solenoid valves in the block are arranged in a row at an equidistant distance from each other.
В системе могут быть использованы бистабильные электромагнитные клапаны.Bistable solenoid valves can be used in the system.
Электромагнитные клапаны могут быть выполнены с возможностью формирования потоков с ламинарным течением среды при скоростях потока до 1.5 м/с, расходе воздуха до 10-4 м3/c и скорости переключения электромагнитного клапана до 50 раз в секунду, с обеспечением перепада давления на клапане, реализуемого блоком вентиляторов.Solenoid valves can be configured to form flows with a laminar flow of the medium at flow rates up to 1.5 m/s, air flow up to 10 -4 m 3 /s and switching speeds of the electromagnetic valve up to 50 times per second, providing a pressure drop across the valve, Fans sold by the unit.
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 сред, отличающихся коэффициентом рассеяния света, третья - 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, differing in the light scattering coefficient, the third is an outlet channel, while the valve is made with a smooth transition input channels to output.
Трубки, содержащие входные каналы, могут быть расположены под углом между осями трубок, до 90 градусов.The tubes containing the inlet channels can be located at an angle between the axes of the tubes, up to 90 degrees.
Трубки клапана могут быть выполнены круглого сечения с одинаковой площадью поперечного сечения по длине трубки, при этом заслонка имеет форму эллипса с эксцентриситетом, определяемым углом соединения трубок.The valve tubes can be made of circular cross-section with the same cross-sectional area along the length of the tube, while the valve has the shape of an ellipse with an eccentricity determined by the angle of the tubes connection.
Предпочтительно клапан содержит четыре постоянных магнита, расположенные попарно между трубками, которые соответствуют входным каналам корпуса.Preferably, the valve comprises four permanent magnets positioned in pairs between tubes that correspond to the housing inlets.
Помимо этого средство переключения входных каналов для соединения с выходным каналом включает 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, два постоянных магнита, расположенные 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 includes a shutter having a part blocking the channels - a damper, an axis and a lever part, while the damper is located in the area of the connection of two input channels and is movable from one position, providing overlapping of the first input channel , in 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 housing, while the shutter is equipped with an electromagnet placed on its lever part with the possibility of moving between the permanent magnets when applied to the electromagnet current pulses.
Шторка, как правило, выполнена из ферромагнитного материала с относительной магнитной проницаемостью не менее 20.The shutter, as a rule, is made of a ferromagnetic material with a relative magnetic permeability of at least 20.
Клапан выполнен с возможностью поворота шторки на угол до 90 градусов.The valve is made with the ability to rotate the shutter at an angle of up to 90 degrees.
Заслонка имеет форму, соответствующую форме сечения в месте соединения трубок с входными каналами.The damper has a shape corresponding to the shape of the section at the junction of the tubes with the inlet channels.
Кроме того, расстояние между электромагнитом на рычажной части шторки и постоянными магнитами в крайних положениях шторки может составлять не более 1 мм.In addition, the distance between the electromagnet on the lever part of the curtain and the permanent magnets in the extreme positions of the curtain can be no more than 1 mm.
Рычажная часть шторки может быть снабжена выступами для установки катушек электромагнита.The lever part of the shutter can be provided with protrusions for mounting electromagnet coils.
Клапан может быть снабжен корпусом, выполненным с посадочными местами для оси шторки, расположенными вблизи места соединения трубок, и посадочными местами для постоянных магнитов, при этом корпус клапана снабжен упорами, ограничивающими угол поворота шторки, и препятствующими достижению шторкой плоскости симметрии постоянных магнитов.The valve can be provided with a housing made with seats for the shutter axis located near the junction of the tubes, and seats for permanent magnets, while the valve body is equipped with stops that limit the shutter rotation angle and prevent the shutter from reaching the symmetry plane of the permanent magnets.
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.The valve body can be provided with a lid 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 accommodating the shutter axis and the mounting holes are made in the mentioned cover .
Конструкция электронного драйвера 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 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 adjacent 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.
Цифровое программируемое устройство выполнено в виде микроконтроллера или компьютера. Микроконтроллер или компьютер содержит три цифровых выхода, два из которых имеет 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 digital programmable device is made in the form of a microcontroller or a computer. 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 at least 50 Hz and connected to the clock input of the switching D-flip-flop, the input (first) driver.
При расположении блока электромагнитных клапанов после ламинаризатора, блок клапанов может быть размещен в кожухе с выходами, подключенными к выходным каналам клапанов блока, при этом кожух имеет каплеобразную форму поперечного сечения, обеспечивающую сохранение ламинарности формируемого клапаном выходного потока. When the block of electromagnetic valves is located after the laminarizer, the block of valves can be placed in a casing with outlets connected to the outlet channels of the valves of the block, while the casing has a teardrop-shaped cross-section, which ensures that the output flow formed by the valve remains laminar.
В системе блок вентиляторов предпочтительно выполнен с обеспечением перемещения воздушного потока через короб со скоростью от 0,5 до 1.5 м/с.In the system, the fan assembly is preferably configured to move the air flow through the duct at a speed of 0.5 to 1.5 m/s.
Источник света может быть расположен со стороны стенки из оптически прозрачного материала перпендикулярно направлению перемещения воздушного потока.The light source can be located on the side of the wall of optically transparent material perpendicular to the direction of movement of the air flow.
В качестве ламинаризатора воздушного потока могут быть использованы массивы параллельных трубок, представляющие собой множество воздушных каналов, сонаправленных с воздушным потоком и плотно упакованных (гексагонально или тетрагонально) в перпендикулярной направлению потока плоскости. Трубки ламинаризатора могут иметь диаметр, равный или меньше диаметра выходного канала электромагнитного клапана, при этом длина трубки может превосходить ее диаметр, по меньшей мере в 8 раз.As an air flow laminarizer, arrays of parallel tubes can be used, which are a plurality of air channels co-directed with the air flow and densely packed (hexagonally or tetragonally) in a plane perpendicular to the flow direction. The tubes of the laminarizer can have a diameter equal to or less than the diameter of the outlet channel of the solenoid valve, while the length of the tube can exceed its diameter by at least 8 times.
Для формирования двумерного изображения устройство может содержать, по меньшей мере, один блок электромагнитных клапанов, для формирования объемного изображения устройство содержит, по меньшей мере, два блока электромагнитных клапанов.For two-dimensional imaging, the device may include at least one solenoid valve assembly, for three-dimensional imaging, the device may comprise at least two solenoid valve assemblies.
В заявляемом изобретении изображение создается благодаря использования блока клапанов, содержащего массив электромагнитных клапанов, управляемых цифровой электроникой. 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. Стабильный во времени и протяженный в пространстве вдоль направления течения ламинарный поток, позволяющий удержать на протяжении достаточного времени различимое изображение, достигается за счет использования ламинаризатора на входе воздушного потока в короб и за счет протекания воздуха в закрытом объеме, что позволяет избежать влияния воздушных потоков и турбулентностей снаружи устройства. Различимость изображения при типичных для закрытых помещений уровнях освещенности достигается за счет использования яркой подсветки, использования темного поглощающего свет фона, а также отсутствия бликов от освещения в сторону наблюдателя в силу направленности источника света под углом к фону.In the claimed invention, the image is created through the use of a valve block containing an array of solenoid valves controlled by digital electronics. 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. A laminar flow that is stable in time and extended in space along the direction of flow, which makes it possible to keep a distinguishable image for a sufficient time, is achieved through the use of a laminarizer at the inlet of the air flow into the box and due to the flow of air in a closed volume, which avoids the influence of air flows and turbulences outside of the device. Image visibility at typical indoor lighting levels is achieved through the use of bright illumination, the use of a dark light-absorbing background, and the absence of glare from the illumination towards the observer due to the direction of the light source at an angle to the background.
Краткое описание чертежейBrief description of the drawings
Изобретение поясняется следующими чертежами, где The 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-section of the position 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 inlet of the air flow into 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 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 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 mounting drivers and the case; 28 - broadcasting D-trigger; 29 - switching D-flip-flop; 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, acting 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 - generated 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 среды, отличающиеся коэффициентом рассеяния света; может быть использовано различное количество блоков электромагнитных клапанов, короб может быть выполнен из различных материалов и иметь различные размеры, электромагнитные клапаны могут быть заменены на пневматические 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, the duct can be made of different materials and have different sizes, solenoid valves can be replaced with pneumatic ones, etc.
В одном из вариантов осуществления изобретения система для формирования пространственного изображения в ламинарном воздушном потоке (фиг. 1-7) 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, the system for forming a spatial image in a laminar air flow (Fig. 1-7) contains a
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
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
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
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
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
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
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
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 - 3R2C2 и 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-
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-
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
Заявленное устройство было реализовано следующим образом: короб имел длину 2 м, ширину и высоту 50 см. В качестве смотровых стенок выступали две примыкающие друг к другу стенки: верхняя и длинная боковая, изготовленные из оргстекла. В качестве фоновых стенок выступали листы фанеры, покрашенные черной матовой краской изнутри с коэффициентом поглощения более 0.9 (более 90%). Ламинаризатор воздушного потока представлял из себя массив плотно упакованных гексагональных трубок длиной 8 см и диаметром 5 мм. Блок вентиляторов состоял из 9 вентиляторов размером 12х12 см, работающих от сети 220 В. Регулировка скорости вращения вентиляторов осуществлялась с помощью семисторного регулятора мощности. Подсветка осуществлялась яркой диодной лентой длиной 1.9 метра и энергопотреблением 20 Вт/м и световым потоком 170 Лм/м., закрепленной на общем для двух смотровых стенок ребре короба с его внутренней стороны. Свет от ленты был направлен внутрь короба вниз по диагонали. Совокупность высокой яркости ленты и темного фона позволила наблюдать струи ламинарного потока при освещенности в помещении от 100 до 300 Лк.The claimed device was implemented as follows: the box had a length of 2 m, a width and a height of 50 cm. Two walls adjacent to each other acted as viewing walls: the upper and the long side, made of plexiglass. The background walls were plywood sheets painted with black matte paint from the inside with an absorption coefficient of more than 0.9 (more than 90%). The airflow laminator was an array of densely packed
Устройство содержало 4 блока клапанов по 13 клапанов в каждом из них. Блоки клапанов располагались за пределами короба, прилегая к ламинаризатору трубками-источниками подкрашиваемого ламинарного потока. Установка блока клапанов за пределами короба позволяет расположить блоки клапанов плотнее, не нарушая ламинарность потока, однако такое расположение не позволяет получить предельные значения разрешения по направлению вдоль потока вследствие размытия участка струи, подкрашенной туманом, при прохождении через ламинаризатор. Скорость переключения клапанов в совокупности с эффектом размытия струи в ламинаризаторе позволили создавать участки струй, подкрашенных туманом длиной в 5 см при скорости ламинарного потока до 1.5 м/с. С учетом шага в 3 см между клапанами в пределах одного блока разрешение картинки в плоскости составила 5х3 см, а с учетом ширины блоков, ограничивающей близкую установку массивов клапанов друг к другу в 10 см было получено разрешение 5х3х10 мм.The device contained 4 valve blocks with 13 valves in each of them. The valve blocks were located outside the box, adjoining the laminarizer with tubes-sources of the tinted laminar flow. Installing the valve block outside the duct allows the valve blocks to be arranged more densely without disturbing the laminar flow, however, such an arrangement does not allow obtaining resolution limits in the direction along the flow due to blurring of the mist-tinted jet section when passing through the laminarizer. The speed of switching valves in combination with the effect of blurring the jet in the laminarizer made it possible to create sections of jets tinted with
Простая геометрия короба, отсутствие преград для воздуха в виде выступов или резких изгибов внутри короба, закрытость короба и отсутствие влияния внешних потоков воздуха позволяют удерживать струи внутри единого ламинарного потока на довольно протяженном интервале. Нарушение ламинарности потока и перемешивание изображения начинает происходить для интервала скоростей потока от 0.5 до 1.5 м/с лишь при приближении струй к блоку вентиляторов на расстояние около 50 - 70 см. Это означает, что сформированное изображение хорошо различимо на протяжении примерно 1.5 м внутри рабочего пространства. Это означает, что в интервале скоростей потока от 0.5 до 0.75 м/с изображение можно было наблюдать не менее 2 с. При увеличении скорости потока до 1.5 м/c формируемое изображение наблюдалось около 1 с. Дальнейшее увеличение скорости потока вело к заметной турбулизации потока задолго до приближения струй к блоку вентиляторов. Уменьшение скорости потока ниже 0.5 м/с приводило к размытию участков струй, подкрашенных туманов, вследствие диффузии.The simple geometry of the box, the absence of air barriers in the form of protrusions or sharp bends inside the box, the closeness of the box and the absence of the influence of external air flows make it possible to keep the jets inside a single laminar flow over a fairly long interval. Violation of the laminar flow and mixing of the image begins to occur for the range of flow velocities from 0.5 to 1.5 m/s only when the jets approach the fan unit at a distance of about 50 - 70 cm. This means that the formed image is clearly distinguishable for about 1.5 m inside the working space . This means that in the range of flow velocities from 0.5 to 0.75 m/s, the image could be observed for at least 2 s. When the flow velocity increased to 1.5 m/s, the formed image was observed for about 1 s. A further increase in the flow rate led to a noticeable flow turbulence long before the jets approached the fan assembly. A decrease in flow velocity below 0.5 m/s led to blurring of jet sections, colored fogs, due to diffusion.
Ламинарность потока не нарушалась при плавных изгибах стенок короба с изменением его поперечного сечения как показано на фиг.13. Добавление таких изгибов позволяло получить эффект ускорения/торможения потока и соответственно его растяжения и сжатия на разных участках рабочего пространства.The laminarity of the flow was not violated with smooth bends of the walls of the box with a change in its cross section, as shown in Fig.13. The addition of such bends made it possible to obtain the effect of acceleration / deceleration of the flow and, accordingly, its tension and compression in different parts of the working space.
Указанные выше характеристики блока клапанов были достигнуты следующим образом. Корпус выполнен из пластикового профиля с сечением 100х50 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 3х3 см.The above characteristics of the valve block were achieved as follows. The housing is made of plastic profile with a section of 100x50 mm 2 with a wall thickness of 3 mm. The partition has the same thickness. The length of the profile is 400 mm. 13 valves are attached to the housing at a distance of 30 mm from each other. This distance determines the image resolution in one of the measurements. 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 parameter determines the resolution of the image in the second dimension. Thus, the resolution of the image in the plane is 3x3 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 4х2 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 section of 4x2 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,
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 см2 позволяет получить расход среды 10-4 м3/с. Полученные значения реализованы при перепаде давления на клапане величиной 200 Па.The angle between the tubes containing the input channels was chosen 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 one to obtain a medium flow rate of 10 -4 m 3 /s. The values obtained are realized with 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
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
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 (39)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2789655C1 true RU2789655C1 (en) | 2023-02-07 |
Family
ID=
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20050037459A (en) * | 2002-07-01 | 2005-04-21 | 아이오투 테크날러지 엘엘씨 | Method and system for free-space imaging display and interface |
| WO2011117721A2 (en) * | 2010-03-25 | 2011-09-29 | Manfredo Giuseppe Mario Ferrari | Apparatus for generation of a volume of free air adapted for projection of holographic images |
| CN103365489A (en) * | 2013-06-25 | 2013-10-23 | 南京信息工程大学 | Interactive fog screen projection system |
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20050037459A (en) * | 2002-07-01 | 2005-04-21 | 아이오투 테크날러지 엘엘씨 | Method and system for free-space imaging display and interface |
| WO2011117721A2 (en) * | 2010-03-25 | 2011-09-29 | Manfredo Giuseppe Mario Ferrari | Apparatus for generation of a volume of free air adapted for projection of holographic images |
| CN103365489A (en) * | 2013-06-25 | 2013-10-23 | 南京信息工程大学 | Interactive fog screen projection system |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| ES2400776T3 (en) | Wind tunnel free fall simulator | |
| JP2020518026A (en) | System and method for preventing bending deformation of a display | |
| JPH11184420A (en) | Eddy ring generating device, display device using it and its method | |
| ES2296700T3 (en) | APPARATUS AND METHOD FOR THREE-DIMENSIONAL MOVEMENT OF A PROJECTED MODULATED BEAM. | |
| MX2011002549A (en) | A device provided with a gap-like space and a synthetic jet generator coupled thereto. | |
| US20170214909A1 (en) | Method and Apparatus for Displaying a Still or Moving Scene in Three Dimensions | |
| US20160033780A1 (en) | True three-dimensional volumetric imaging device and display device | |
| RU2789655C1 (en) | System for generating a spatial image in a laminar air flow | |
| US3963326A (en) | Data display panels | |
| RU2783677C1 (en) | Apparatus for generating a spatial image in a laminar air flow | |
| WO2011062898A1 (en) | Projector system for animation of image cells | |
| CN112750385A (en) | Bus station billboard with automatic replacement of advertising information | |
| US20070125871A1 (en) | Imaging system with liquid pixels | |
| JPH02501012A (en) | display device | |
| CN104715685B (en) | Display panel, display method of display panel and display device | |
| CN107941455B (en) | Disturbance-reducing self-circulation smoke wind tunnel and flow field display method thereof | |
| US6559840B1 (en) | Process for transforming two-dimensional images into three-dimensional illusions | |
| US6172658B1 (en) | Bubble imaging technology | |
| US3726025A (en) | Methods and apparatus for visually illustrating sound waves | |
| JP4651085B2 (en) | Projection device | |
| RU2786091C1 (en) | Electromagnetic valve for switching source of laminar flow jet | |
| RU120586U1 (en) | WATER CURTAIN | |
| JP5986079B2 (en) | Display device | |
| JP2011237497A (en) | Production method and device | |
| JP2001305648A (en) | Liquid phenomenon projection unit of wave pattern or the like |