Stwórz swój własny koncentrator tlenu oparty na Arduino

Układ i działanie

Ten Koncentrator tlenu jest montażem wykonanym z kilku części elektronicznych, mechanicznych i chemicznych. Są to Arduino Uno, obwód zasilania 12 V DC, obwód przekaźnika sterującego, zawory elektromagnetyczne, sprężarka powietrza, jednostka filtrująca powietrze, zawór sterujący przepływem, obudowa membranowa jako kanistry, złącza PU i sita zeolitowe.

Arduino Uno

Płytka Arduino Uno jest podłączona do przekaźników sterujących. Arduino jest wstępnie zaprogramowany z opóźnieniami. Ma zadanie włączać i wyłączać przekaźniki sterujące zgodnie z zaprogramowanymi wartościami.

Zasilanie 12 V

Zasilacz ten służy do zasilania Arduino UNO, oraz przekaźników sterujących. Składa się on z transformatora step down 15 V 2A, gdzie napięcie pierwotne wynosi 230 V AC, a napięcie wtórne 15 V AC, prostownika diodowego z pełnym mostkiem wykonanego z 4 diod 1N4007, dwóch kondensatorów o wartości 1000 µF 25 V i 1 µF, regulatora napięcia 12 V (7812) IC, rezystora 4,7 kΩ, 1 diody LED jako wskaźnika. Transformator step-down zmniejsza napięcie wejściowe AC 230 V do AC 15 V. Prąd zmienny jest zamieniany na prąd stały za pomocą prostownika diodowego z pełnym mostkiem, który jest dalej filtrowany za pomocą kondensatora a za pomocą układu scalonego 7812 napięcie jest regulowane do 12 V DC.

Przekaźnik

Przekaźnik jest elektromagnetycznym urządzeniem przełączającym, które zapewnia całkowitą izolację elektryczną pomiędzy obwodem sterującym a obwodem wyjściowym. Jest on sterowany/wyzwalany przez niskie napięcie stałe. Podczas gdy jego styki mogą obsługiwać wysoki przepływ prądu z całkowitą izolacją elektryczną z delikatnego obwodu elektronicznego o niskiej mocy. Przekaźnik SPST/SPDT 12 V DC jest używany do włączania i wyłączania zaworów elektromagnetycznych za pomocą impulsu elektrycznego.

Zeolitowe sita molekularne

Są to materiały z porami o precyzyjnej i jednolitej wielkości i strukturze, które mogą być wykorzystane jako adsorbent. Są one wykorzystywane do oddzielenia azotu i tlenu z powietrza atmosferycznego, zatrzymując duże cząsteczki, które są większe w rozmiarze niż pory.

Sprężarka powietrza

To urządzenie jest wyposażone w silnik elektryczny wraz z mechanizmem sprężarki, który będzie zasysać powietrze atmosferyczne i wykonywać kompresję objętości.

Jednostka filtrująca

Służy do filtrowania zanieczyszczeń ze sprężonego powietrza, a także do oddzielania wilgoci ze sprężonego powietrza, która zbiera się w dołączonej do niego misce. Woda zebrana w misce musi być odprowadzana ręcznie.

Zawór elektromagnetyczny

Są to urządzenia elektromechaniczne, które służą do sterowania przepływem powietrza za pomocą sygnałów elektrycznych. Użyliśmy 2/2 pneumatycznych zaworów sterujących, co oznacza, że mają one 2 porty do połączeń z 2 możliwymi pozycjami. Są one więc obciążone sprężyną. Użyliśmy normalnie zamkniętych zaworów.

Adsorpcja zmiennociśnieniowa (PSA)

Technika ta jest używana do oddzielania określonych gazów z mieszaniny gazów pod ciśnieniem. Sita molekularne są używane w zależności od wymagań. Do produkcji koncentratora tlenu używa się 13 X zeolitowych sit molekularnych. Dla większego stężenia tlenu można zastosować litowe, wzbogacone zeolitowe sita molekularne.

W tej technice istnieje zestaw minimum 2 kanistrów lub wież wypełnionych sitami. Sprężone powietrze jest dostarczane tylko do jednego kanistra w danym czasie, a drugi kanister jest opróżniany z pewnej ilości tlenu, który jest wyprowadzany z pierwszego kanistra. Dzieje się tak dlatego, że w kanistrze wzrasta stężenie azotu, co może mieć wpływ na czystość i stężenie tlenu wyjściowego. Kierunek przepływu powietrza sterowany jest za pomocą zaworów elektromagnetycznych, które podają sygnał zgodnie z zaprogramowanymi wartościami.

Sita te mają określoną pojemność adsorpcyjną. Aby uzyskać określone natężenie przepływu musimy obliczyć wymaganą ilość sita. Można to obliczyć w prosty sposób. W tym celu należy zapoznać się z arkuszem danych dostawcy sit, aby wiedzieć ile sit jest wymaganych do wytworzenia 1 LPM tlenu przy określonym stężeniu granicznym.

Na przykład: 700 gramów sita jest wymagane dla 1 LPM tlenu o stężeniu 94%,

Tak więc dla koncentratora tlenu o przepływie 5 LPM, potrzebujemy 700×5 = 3500 g w jednym kanistrze.
Tak więc dla 2 kanistrów potrzeba 3500×2 = 7000 gramów sita.
Przy czym każdy kanister będzie miał 3500 g sita (biorąc pod uwagę, że używane są 2 kanistry).

Program komputerowy

Dla tego prototypu został użyty program Arduino (Oxygen_Concentrator_DIY.ino). Musi on być załadowany do Arduino Uno. Do tego celu wymagane jest oprogramowanie open source o nazwie Arduino IDE. W programie pin cyfrowy arduino 2, 3, 4, 5, 6 i 7 jest zdefiniowany jako wyjście.

Główne funkcje kodu Arduino są wyjaśnione poniżej.

pinMode(): Konfiguruje określony pin, aby zachowywał się albo jako wejście, albo jako wyjście. Zobacz opis pinów cyfrowych, aby zobaczyć ich funkcjonalność. Mogą one być również użyte jako piny PWM.

digitalWrite(): Jeśli pin został skonfigurowany jako OUTPUT za pomocą pinMode(), jego napięcie zostanie ustawione na odpowiednią wartość: 5 V (lub 3,3 V na płytkach 3,3 V) dla stanu wysokiego, 0 V (masa) dla stanu niskiego.

Serial: Służy do komunikacji pomiędzy płytką Arduino a komputerem lub innymi urządzeniami. Wszystkie płytki Arduino mają co najmniej jeden port szeregowy (znany również jako UART lub USART), a niektóre mają ich kilka.

begin(): Ustawia szybkość transmisji danych w bitach na sekundę (baud) dla szeregowej transmisji danych. Do komunikacji z komputerem użyj jednej z tych szybkości: 300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600, 14400, 19200, 28800, 38400, 57600 lub 115200. Możesz jednak określić inne szybkości transmisji – na przykład, aby komunikować się przez piny 0 i 1 z komponentem, który wymaga określonej szybkości transmisji.

println(): Drukuje dane do portu szeregowego jako czytelny dla człowieka tekst ASCII, po którym następuje znak powrotu karetki.

delay(): Służy do wstrzymania działania programu na czas (w milisekundach) podany jako parametr.

Budowa i testowanie

Jak pokazano na rysunku 1, zasilacz 12 V DC jest wykonany przy użyciu transformatora, kondensatorów, prostownika diodowego z pełnym mostkiem, układu scalonego regulatora napięcia, diod LED i rezystorów, aby zapewnić zasilanie całego układu, w tym przekaźnika sterującego i Arduino. Przekaźnik SPDT 12 V DC (RL1) jest używany do sterowania zaworami elektromagnetycznymi podłączonymi do niego po stronie wyjściowej. Jest on wyzwalany za pomocą rezystora podciągającego 1 kΩ (R2) oraz tranzystora przełączającego 2N2222 NPN (Q1-Q6) wraz z diodą 1N4007 (D5-10) jako diodą zamachową za pomocą Arduino Uno pin 2 do pin 7. Arduino jest zaprogramowane w taki sposób, aby sprężone powietrze wchodziło do kanistra z wlotu pojedynczo. Część wydatku z tego kanistra jest wykorzystywana do przepłukania innego kanistra. A pozostała część jest zużywana jako tlen. A po osiągnięciu opóźnienia przekaźniki są przełączane i powyższy stan jest zmieniany z drugim kanistrem. W ten sposób ze sprężonego powietrza zostaje wyodrębniony czysty tlen.

Dla lepszego zrozumienia nomenklatury zaworów i przekaźników związanych z projektem, patrz poniższa tabela.

2 kanistry zostały nazwane jako CAN1 i CAN2.

Wlot CAN1 oznaczamy jako CAN11, a wylot jako CAN12.

Wlot CAN2 oznaczamy jako CAN21, a wylot jako CAN22.

Wlot dla wszystkich zaworów elektromagnetycznych należy oznaczyć jako port A, a wylot jako port B.

Rysunek 1. Zasilacz DC

Rysunek 2. Układ koncentratora tlenu

Rysunek 3. Rysunek pneumatyczny

Orurowanie jest wykonane zgodnie z rysunkiem 3. Jak pokazano na rysunku jest 6 zaworów elektromagnetycznych (V1 do V6), które są pneumatycznymi zaworami elektromagnetycznymi 2/2 normalnie zamkniętymi. Kiedy cewka zaworu elektromagnetycznego jest pod napięciem, umożliwia on przepływ powietrza z portu A do portu B. W przeciwnym razie zamyka przepływ powietrza.

Jako element wstępny, bezolejowa sprężarka powietrza jest używana do sprężania powietrza atmosferycznego w celu wytworzenia powietrza pod ciśnieniem. Powietrze to jest dostarczane do filtra liniowego, który usuwa wszelkie zanieczyszczenia z dostarczanego powietrza. Usuwa on również wilgoć z powietrza. Z jednostki filtracyjnej powietrze jest dzielone na dwie części i dostarczane do portu A zaworów elektromagnetycznych V1 i V2. Podczas pracy jeden z nich zostanie włączony, a drugi wyłączony. Port B obu zaworów jest wylotem. Wylot ten jest podzielony na dwie części. Jedna będzie podłączona do portu A zaworu elektromagnetycznego V3 dla V1 i portu A zaworu elektromagnetycznego V4 dla V2, a druga będzie podłączona do CAN1 dla V1 i CAN2 dla V2.

Jeśli CAN1 jest spolaryzowany w kierunku przewodzenia, gdzie jest generowanie tlenu, zawór V3 jest wyłączony i przepływ powietrza jest dostarczany do CAN1. Część powietrza będzie dostarczana do CAN2 wylotu CAN22 i to będzie odprowadzane z zaworu V4, który będzie włączony w tym czasie i jednocześnie zawór V2 jest wyłączony.

W tym samym czasie zostanie włączony zawór V5, który pozwoli na wyjście wyprodukowanego czystego tlenu z jego portu B.

Ponieważ w przekaźnikach zastosowaliśmy styki normalnie otwarte, należy pamiętać, że przekaźniki będą wyzwalać cewkę zaworu zgodnie z powyższą sekwencją.

Ten sam cykl zostanie przełączony po osiągnięciu zaprogramowanego czasu cyklu dla CAN2.

Aby mieć większe bezpieczeństwo możemy użyć zaworów normalnie otwartych dokonując niewielkich zmian w programie. W ten sposób powietrze może opuścić układ w przypadku nagłej awarii zasilania.

Aby używać tego koncentratora tlenu na optymalnym poziomie należy sprawdzić natężenie przepływu i czystość tlenu wyjściowego oraz zmienić czas cyklu w programie zgodnie z analizą wyników.

W ten sposób możemy wykonać Koncentrator Tlenu w domu.

Należy pamiętać, że czystość i natężenie przepływu powinny być sprawdzane i monitorowane w sposób ciągły. Autor nie ponosi odpowiedzialności za jakiekolwiek straty.