Автоматизированная установка для изучения электрохромных характеристик материалов в режиме реального времени с дистанционным управлением

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автоматизированная установка для изучения электрохромных характеристик материалов в режиме реального времени с дистанционным управлением

Е.В. Сохович, М.М. Сычев, С.В. Мякин,

В.И. Халимон, О.В. Проститенко

Разработана автоматизированная экспериментальная установка, представляющая собой двухуровневую автоматизированную систему, позволяющую реализовывать как ручное, так и автоматическое управление параметрами электрохромного устройства, осуществлять сбор данных с устройств измерения рабочих параметров и расчет основных характеристик электрохромного устройства в режиме реального времени. Первый уровень данной установки связан непосредственно с исследуемым объектом аппаратурой сбора данных и передачи управления. Второй уровень представляет собой многомодульную программную систему, обеспечивающую задание режима проведения эксперимента, а также обработку, хранение полученных данных и предоставление информации в удобном для восприятия и анализа виде, в том числе в дистанционном режиме.

Ключевые слова: электрохромное устройство, многомодульная программная система, дистанционный доступ, режим реального времени, программа проведения эксперимента.

E.V. Sokhovich, M.M. Sychev, S.V. Myakin, V.I. Khalimon, O.V. Prostitenko. Automated installation for studying electrochromic characteristics of materials in real time with remote control functions

The automated experimental installation representing the two-level automated system allowing to realize both manual, and automatic control of parameters of the electrochromic device, to carry out data collection from devices of measurement of working parameters and calculation of the main characteristics of the electrochromic device in real time is developed. The first level of this installation is connected directly with the studied object the equipment of data collection and transfer of management. The second level represents the multimodular program system providing a task of the mode of carrying out an experiment and also processing, storage of the obtained data and providing information in a look, convenient for perception and the analysis, including in the remote mode.

Keywords: electrochromic device, multimodular program system, remote access, mode of real time, program of carrying out experiment.

Разработка «умных» («интеллектуальных») материалов («smart materials»), характеризующихся возможностью прецизионного управления свойствами за счет внешних воздействий и способных к преобразованию одного вида энергии в другой, является одной из наиболее актуальных задач современного материаловедения и технологии перспективных материалов. К числу материалов данного типа относятся, в частности, материалы с управляемыми оптическими свойствами -- пропусканием (поглощением, отражением, преломлением, рассеянием) электромагнитного излучения в заданном частотно-волновом диапазоне. В частности, в настоящее время разработан ряд электро-, фото- и термохромных материалов, обратимо изменяющих цвет (прозрачность в определенной области спектра оптического излучения) под действием соответственно электрического тока, света и изменения температуры. Такие материалы могут использоваться для защиты от солнечного излучения (в частности, очки-«хамелеоны», антибликовые покрытия для зеркал заднего вида и т.д.), энергосберегающего остекления зданий и транспортных средств, создания светофильтров с регулируемой прозрачностью, дисплеев специального назначения и ряда других перспективных применений, включая регулирование траектории на орбите разрабатываемых в настоящее время космических кораблей сверхмалого размера под действием «солнечного ветра» за счет изменения светопоглощения [1, 2]. Наиболее перспективным среди рассматриваемых подходов к управлению оптическими свойствами является электрохромный эффект, обеспечивающий возможность быстрого и прецизионного регулирования характеристик светопропускания в сочетании с возможностью использования неорганических материалов, характеризующихся расширенным диапазоном допустимых условий эксплуатации, возможностью длительного использования с количеством циклов окрашивания-обесцвечивания до 106 и низким энергопотреблением (номинальное рабочее напряжение и ток не выше соответственно 3-5 В и 5 мА) [1].

Для решения данной задачи необходимы разработка электрохромных материалов, удовлетворяющих указанному комплексу требований, усовершенствование конструкции электрохромных устройств, а также разработка автоматизированных методов их испытаний при многократном воздействии напряжения переменной полярности и варьировании условий процесса. автоматизированный электрохромный устройство

Основными характеристиками электрохромного устройства (ЭХУ) являются оптический контраст (отношение коэффициентов пропускания в обесцвеченном и окрашенном состояниях), электрохромная эффективность (отношение площади окрашиваемой поверхности к затрачиваемому количеству электричества), длительность сохранения окрашенного состояния, стабильность указанных параметров при многократных (не менее десятков тысяч) циклов окрашивания-обесцвечивания, а также отсутствие деградации при длительном (не менее нескольких месяцев) использовании в активном (при регулярных переключениях) или пассивном (в обесцвеченном состоянии) режимах. Для улучшения указанных показателей необходима как оптимизация состава и способов изготовления всех функциональных слоев ЭХУ (подложек с прозрачными проводящими слоями, слоя электрохромного материала, например оксида вольфрама, наносимого на одну из подложек, и аккумулирующего носители заряда противоэлектрода - на другую, а также разделяющего функциональные слои электролита) [3], так и разработка комплексных контрольно-измерительных систем, обеспечивающих программируемое изменение управляющих параметров процессов окрашивания-обесцвечивания ЭХУ, а также синхронизированное динамическое измерение оптических (коэффициент пропускания или оптическая плотность в заданном диапазоне длин волн) и электрических (ток и напряжение) характеристик процесса.

На основе подхода, рассмотренного в [4, 5], для решения данной задачи была разработана автоматизированная установка, представляющая собой двухуровневую автоматизированную систему экспериментальных исследований, позволяющую реализовывать как ручное, так и автоматическое управление параметрами ЭХУ, осуществлять сбор данных с устройств измерения рабочих параметров (напряжения, тока, коэффициентов пропускания в заданном диапазоне длин волн) и расчет основных характеристик ЭХУ в режиме реального времени. Первый уровень данной установки связан непосредственно с исследуемым ЭХУ аппаратурой сбора данных и передачи управления (датчики, устройства связи с объектом, микропроцессор). Второй уровень представляет собой многомодульную программную систему, обеспечивающую задание режима проведения измерений (рабочего напряжения и временного цикла его изменения), а также обработку, хранение полученных данных и предоставление информации в удобном для восприятия и анализа виде, в том числе в дистанционном режиме.

Результатом работы является создание лабораторного комплекса, который включает в себя электрохромное устройство, управляющий вычислительный комплекс и программно- алгоритмическое обеспечение, позволяющее получать данные с датчиков, расположенных на ЭХУ, передавать эти данные на сервер (центральный компьютер), который находится рядом с установкой, после чего эти данные по запросу через сеть Интернет предаются локальным пользователям (учащимся или исследователям) для обработки и принятия решений по управлению экспериментом. Необходимо отметить, что удаленные клиенты могут обрабатывать данные, поступающие с установки как в реальном масштабе времени, так и работать с данными, полученными ранее. Это дает возможность студентам выполнять лабораторные работы в режиме имитации, а исследователям вести дополнительный анализ ранее полученных данных.

Рисунок 1 - Обобщенная функциональная схема лабораторного комплекса

Система является открытой и, в зависимости от специфики и свойств технологического объекта, методы, алгоритмы и программы могут модифицироваться. В системе предусмотрен импорт полученных данных для обработки в сторонних программных пакетах обработки.

Рисунок 2 - Интерфейс оператора

На рисунке 2 представлены следующие обозначения:

1 - база данных блоков управления;

2 - поле построения алгоритма для автоматического режима управления;

3 - настройка и отображение параметров блоков управления;

4 - область диаграммы алгоритма управления;

5 - средства управления автоматическим режимом;

6 - средства для управления в ручном режиме.

Рисунок 3 - Визуализация основных параметров с экспериментальной установки

При реализации дистанционного лабораторного практикума данная система позволяет в процессе учебного занятия получать и анализировать поступающие от лабораторной установки данные в удаленном режиме, находясь в компьютерном классе.

Для выполнения лабораторной работы в первую очередь необходимо задать программу проведения эксперимента.

Программа проведения эксперимента, которая состоит из блоков управления, задается через экранный интерфейс (рисунок 2)

Результаты эксперимента в режиме реального времени в виде графиков выводятся на экран, а массивы данных сохраняются в файлах.

Многооконный интерфейс позволяет в процессе эксперимента одновременно наблюдать графики и соответствующие им данные (рисунок 3) либо заданную программу эксперимента и текущие зависимости, характеризующие изменение контролируемых параметров.

Помимо изучения электрохромного эффекта, разработанная автоматизированная установка может использоваться при выполнении исследований, испытаний и лабораторных работ, предусматривающих длительные (в том числе циклические) измерения оптических и электрических характеристик различных материалов в управляемом режиме, в том числе с дистанционным управлением.

Список литературы

1. Somani P.R., Radhakrishnan S. Electrochromic materials and devices: present and future // Materials Chemistry and Physics. 2002. V.77. P.117-133.

2. Colombo C., Lьcking C., McInnes C.R. Orbit evolution, maintenance and disposal of SpaceChip swarms through electro-chromic control // Acta Astronautica. 2013. V.82. No.1. P.25-37

3. Сохович Е.В., Мякин С.В., Земко В.С., Амосов Д.О., Суворова Л.А., Семенова А.А., Ерузин А.А. Оптимизация условий синтеза и модифицирования функциональных слоев в электрохромных устройствах на основе WO3 // Международная конференция «Прикладная оптика-2016», Санкт-Петербург 15-18 ноября 2016, c. 136-140.

4. Арбузов, Ю.В. Новое в концепции дистанционного образования. Дистанционный лабораторный практикум / Ю.В. Арбузов, В.Н. Леньшин, С.И. Маслов, А.А. Поляков, В.Г. Свиридов // Проблемы информатизации высшей школы. Бюллетень 1-2 (7-8). - М.: ГосНИИСИ, 1997. - С. 50-58.

5. Халимон, В.И. Разработка дистанционных образовательных комплексов в сфере организации сложных учебно-исследовательских технологий / В.И. Халимон, Ю.П. Юленец, О.В. Проститенко, А.Ю. Рогов // Известия Санкт-Петербургского государственного технологического института (технического университета) №35(61). - СПб.: СПбГТИ(ТУ), 2016. - С. 92-95.

Размещено на Allbest.ru