Что такое диф автоматы в электрике: для чего нужен, как работает

Содержание

Что такое дифавтомат Назначение устройство характеристики отличие от УЗО

В этой статье мы подробно разберем:

  • Что такое дифавтомат?
  • Его назначение, применение и характеристики.
  • Узнаем, чем отличается УЗО от дифавтомата?
  • Поговорим о существующий стандартах и типах АВДТ

Что такое дифавтомат?

Дифференциальные автоматы (их так же называют дифавтоматами или АВДТ) в технической литературе определяются, как автоматические выключатели, срабатывающие при появлении в сети дифференциальных токов. Кроме этого, в дифференциальном автомате обязательно имеется защита от сверхтоков в виде теплового и электромагнитного расцепителя. При этом дифференциальный модуль должен одновременно выполнять три функции: обнаруживать дифференциальный ток, сравнивать его со значением уставки, и отключать защищаемую сеть, если дифф. ток превысил ее значение.

Такое определение создает условия для некоторой путаницы в названиях и не дает ответа на вопрос – чем дифференциальный автомат отличается от УЗО со встроенной защитой от сверхтоков? Т.е. привычный критерий – компоновка явно недостаточен, поскольку УЗО со встроенной защитой имеет в своем составе и автоматический выключатель, обеспечивающий защиту от сверхтоков. Так в чем же отличие дифавтомата от УЗО?

Для того чтобы получить все ответы достаточно обратиться к официальным документам по техническому регулированию и внимательно прочитать несколько страниц из стандартов ГОСТ Р 51326.1-99, ГОСТ Р 51327.1-99 и ГОСТ Р 50807-95 (2001). В них содержится исчерпывающая информация, исключающая разногласия. Основываясь на этих данных можно ответить на еще один очень известный вопрос обывателей, узо или дифавтомат, что выбрать?

Для более быстрого изучения и понимания информации она систематизирована и сведена в таблицу представленную ниже. Обратите внимание на графу «назначение».

Таблица 1. Отличия УЗО, дифференциальных автоматов и выключателей дифференциального тока

УЗО или дифавтомат, что выбрать? – ответ на этот вопрос будет завесить от поставленной перед устройством задачей. Давайте разъясним.

Из данных, представленных выше, следует, что главное отличие дифавтомата от УЗО будет не столько компоновка, сколько возможности и назначение. Дифференциальный модуль АВДТ предназначен для защиты людей при КОСВЕННЫХ касаниях, а УЗО – при  КОСВЕННЫХ и НЕПОСРЕДСТВЕННЫХ** касаниях. Иными словами дифференциальный автомат не рассчитан на спасение человека, коснувшегося оголенного провода под напряжением, в то время как УЗО может справиться с такой задачей.

В остальном – защите от сверхтоков и последствий появления токов утечки возможности АВДТ и УЗО со встроенной защитой от сверхтоков идентичны. Соответственно ознакомиться с принципом работы АВДТ можно на страницах, описывающих работу дифференциального модуля (принцип работы УЗО) и автоматического выключателя.

Стандарты

Общие требования, основные характеристики и методики проверки бытовых и аналогичных АВДТ изложены в ГОСТ Р 51327.1-99, дополнения в ГОСТ Р 51327.2-99. Оба стандарта являются аналогами соответствующих нормативов МЭК. Их действие охватывает АВДТ на напряжение не более 440 В переменного тока с частотой 50 или 60 Гц, зависимые и независимые от напряжения сети, с номинальными токами, не превышающими 125 А и с наибольшими коммутационными способностями, не превышающими 25000 А по номиналу.

Различные типы АВДТ

В ГОСТ Р 51327.1-99 принята классификация дифференциальных автоматов по ключевым показателям. Для более удобного применения все типы сведены в таблицу 2.

Таблица 2. Классификация дифференциальных автоматов

Конструкция дифференциальных автоматов (диф автоматов)

В начале этой страницы уже приводилась информация о компоновке дифференциальных автоматов (АВДТ), из которой очевидно, что их конструкция  не содержит каких-то особых элементов. Здесь в едином корпусе собраны: механический узел коммутации со свободным расцеплением, электромагнитный и тепловой расцепители, плюс – дифференциальный модуль. Срабатывание любого из них приводит к отключению автомата.  По отдельности эти узлы рассматривались в разделах посвященных автоматическим выключателям и УЗО. Зачастую производители используют унифицированные корпуса и основные узлы с небольшими вариациями.

Характеристики дифференциальных автоматов (дифавтоматов) бытового применения

В предыдущем списке описана классификация дифференциальных автоматов по их важнейшим конструкционным признакам и техническим показателям. Практически все из них входят также и в число важнейших характеристик, сообщаемых заводами изготовителями,  а стандартом ГОСТ Р 51327.1-99 даются их  предпочтительные значения. Они показаны в следующей таблице.

Таблица 3. Характеристики дифференциальных автоматов бытового применения

Применение дифференциальных автоматов (диф автоматов) ГОСТ Р 51327.1–99

Российские и зарубежные АВДТ (дифавтоматы) бытового и аналогичного назначения используются главным образом в жилом секторе. Также они находят применение в электроснабжении небольших производственных и коммерческих объектов с напряжением до 400 В. Они позволяют защитить электрооборудование от сверхтоков, снизить риск возникновения пожаров за счет отключения при утечках. Также дифференциальные автоматы обеспечивают защиту персонала от поражения током при прикосновении к корпусам и частям электроустановок при выходе из строя изоляции.

В чём разница между дифавтоматом и УЗО

При разработке схемы электроснабжения или капитальном ремонте электропроводки важно обеспечить надежную защиту от короткого замыкания в сети. Здесь возникает вопрос о том, что лучше использовать в каждом конкретном случае: УЗО или дифавтомат. Оба эти устройства относятся к защитным. Они повышают уровень безопасности и даже внешне похожи друг на друга, на первый взгляд отличие минимальное. Поэтому разница в применении не так очевидна.

Защитный дифавтомат в щитке квартиры

Многие просто не знают о том, какой из этих приборов установлен в щитке квартиры и не понимают, в чем состоит разница между устройствами, и как отличить одно от другого. До тех пор пока с проводкой что-то не происходит, вопросов о замене УЗО или как воспользоваться дифавтоматом просто не существует.

Определения

УЗО отключает нагрузку, когда значение дифференциального тока выше допустимого (ГОСТ 31601.2.1-2012). Полное название на русском языке – устройство защитного отключения, а английская аббревиатура названия RCD – residual current device. Несмотря на принятое среди электриков обозначение УЗО, правильное название будет звучать как выключатель дифференциальный. Такое же название будет и на маркировке изделия.

Этот механический аппарат коммуникативного типа срабатывает при изменении векторной разности токов, возникающих в трансформаторе, входящем в дифференциальные выключатели.

Эти изменения происходят при прикосновении человека к токоведущим частям, а также в случае перегрева или пожара, вызванного утечкой тока. Устройства защитного отключения устанавливают не только в системы электроснабжения, но и в некоторые бытовые приборы, которые используются в сырых помещениях, например, в определенные модели фенов.

Схема работы УЗО

Дифавтомат или автоматический выключатель дифференциального тока обладает более широкими возможностями по сравнению с выключателем дифференциальным. В нем соединены вместе устройство защитного отключения и автоматический выключатель (ГОСТ Р 51327.1-2010). За счет такого сочетания дифавтомат защищает от удара электрического тока при утечке или соприкосновении с токоведущими фрагментами, а также предохраняет от перегрузок и коротких замыканий с помощью автомата. Дифавтомат предотвращает пожары, которые могут возникнуть при возгорании изоляции из-за перегрева.

Отличия

Главное предназначение устройства защитного отключения в контроле над утечкой тока, а также отслеживании поступления напряжения к электроприборам. При одновременном подключении всех приборов, находящихся в сети, схема с выключателем дифференциальным не отреагирует на перегрузку, и проводка сгорит.

Даже при принудительном создании короткого замыкания путем соединения нуля и фазы дифференциальные выключатели не отключат напряжение. Дифавтомат, где устройство защитного отключения и автомат работают вместе, способен справиться со всеми этими проблемами.

Только дифавтомат предотвратит короткое замыкание и перегрузку в сети. Дифференциальные выключатели такими функциями не обладают.

Устройство дифавтомата

Главные визуальные различия между УЗО от дифавтоматом
По внешнему виду сразу понять, почему одно устройство называется УЗО, а второе – дифавтоматом не совсем просто.

Корпуса в одном и другом случае примерно одинаковые, есть выключатель, на каждом устройстве нарисована схема, перечислены определенные параметры и заданы технические характеристики. Но при ближайшем рассмотрении видно, что все эти обозначения разные.

Таким образом, можно перечислить основные отличия, по которым можно определить, что именно перед вами находится:

  • название;
  • схема подключения;
  • обозначение минимального тока;
  • аббревиатура.

Рассмотрим, как отличается защита по внешнему виду корпуса. Название, аббревиатура и обозначения минимального тока
Прежде чем присоединять выбранное устройство к сети, внимательно рассмотрите корпус. В большинстве случаев полное название защитного механизма располагается на задней крышке.

На лицевой стороне корпуса будет указана аббревиатура ВД (для УЗО) или АВДТ (при работе с дифавтоматом). В нашем случае – это обозначения ВДТ1-63, то есть выключатель дифференциальный и АВДТ32 –дифавтоматы. Отличие в написание обозначений очевидны, дифавтоматы всегда именуются по-другому.

Различия в обозначении

Отличается и лицевая сторона. Если на корпусе видна большая буква и числа, стоящие за ней, то это дифавтомат (у нас С 16), если же все буквы идут после числа (32 А) – это УЗО. Данные цифры обозначают величину номинального тока в цепи.

Величина номинального тока определяется, исходя из мощности используемых электроприборов и сечения кабеля. Буква, стоящая перед обозначением номинального тока показывает, какие расцепители (электромагнитные и тепловые) используются в сети.

Если вы никак не можете понять, как отличить один прибор от другого, то рисковать и самостоятельно устанавливать защитные устройства нельзя. Вызовите квалифицированного электрика, который решит, где воспользоваться дифавтоматом, а где выключателем дифференциальным вместе с автоматом.

Схемы подключения

Существует разница между подключением таких защитных устройств к сети, а также схемами самого устройства. В работе выключателя дифференциального и при пользовании дифавтоматом применяются разные, хотя и похожие принципы. Важно отличать их друг от друга.

Схема дифференциального выключателя

На рисунке с дифавтоматом обязательно будут присутствовать обозначения теплового расцепителя в виде полукруга с буквой «П», соединенных вместе. Этот расцепитель моментально реагирует на перегрузки, возникающие в сети, и дифавтоматы отключает ток. Отличить разные защитные механизмы можно и по этому признаку.

Схема на корпусе дифавтомата

Что лучше

Выбрать между разными типами защитных устройств без учета индивидуальных характеристик сети невозможно. Ведь важно не только правильно подобрать параметры дифференциального выключателя или необходимые характеристики для работы с дифавтоматом, но и оценить хватит ли для них места в щитке.

Можно выбрать схему, где дифференциальные выключатели и автоматы будут выступать как отдельные элементы цепи, или же все-таки взять отдельно дифференциальный автомат. Хотя не всегда в щитке присутствует место, достаточное для размещения более громоздких схем на рейсе, к которой прикрепляются защитные конструкции. В этом случае дифавтомат будет предпочтительнее.

Профессиональному электрику намного проще установить только один прибор, чем возиться с несколькими сразу. Кроме того, каждый дополнительный разрыв в сети – это потеря мощности и возможная утечка тока. Поэтому специалисты чаще всего советуют использовать дифференциальный автомат вместо УЗО с автоматом в комплексе.

Но с другой стороны, поменять отдельно дифференциальный выключатель или автомат будет дешевле, чем покупать дифавтомат при выходе из строя устройства. При срабатывании дифференциального автомата определить, в чем причина сбоев в сети, трудно. Ведь это устройство реагирует на любые критические изменения в работе электропроводки и приборов.

А при срабатывании схемы, в которой используются выключатель дифференциальный и автомат по отдельности, такой проблемы не существует. Дифференциальные выключатели регистрируют утечку токов, а автомат скачки напряжения. Поэтому найти источник, вызывающий проблемы с подачей электроэнергии, становится намного проще. Особенно это нужно, если к сети подключено несколько разных электроприборов.

Сегодня, когда количество используемых в быту электроприборов постоянно растет, отследить уровень суммарной мощности не всегда представляется возможным. Если для группы электропотребителей будет установлен общий дифавтомат, при возрастании нагрузки потребуется заменять его целиком. Если же используется связка из выключателя и автомата, то достаточно будет подобрать новое УЗО с нужными характеристиками.

Если же нужно защитить электропроводку от перебоев в сети, вызванных работой какого-то конкретного электроприбора большой мощности, имеет смысл установить дифференциальный автомат только на этот участок.

Главное при этом подобрать параметры устройства так, чтобы они четко отслеживали работы конкретного агрегата, например, стиральной машинки или бойлера.

Общий дифавтомат для группы электроприборов

При аварийной ситуации, когда защитные устройства выходят из строя или требуется замена УЗО, на время возможно подсоединить автомат с помощью перемычки без дифференциального выключателя. Таким образом, электроснабжение в дома будет восстановлено. Если же из строя вышли дифавтоматы, то помещение будет обесточено до замены защитного устройства.

Стоимость комплекта с дифференциальным выключателем и автоматом будет выше, чем если используются дифавтоматы. По качеству импортные экземпляры более надежны. Хотя отечественные устройства тоже работают неплохо, но проигрывают по такой важной характеристике, как время срабатывания, и сильнее подвержены механическим повреждениям.

Существуют модели, где в работе с дифавтоматом используются индикаторы, которые показывают, когда дифференциальные токи спровоцировали срабатывание устройства. С такой защитной схемой можно определить, что стало причиной аварийного отключения в сети.

При проведении ремонта электропроводки в квартире или дома можно применять разные схемы подключения для групп электроприборов. Все зависит от назначения конкретной линии сети, а также мощности посаженных на нее приборов.

Почему счетчик вырубается при использовании новых защитных устройств

Электропроводка в старых квартирах и домах выполнялась с учетом требований, которые сегодня не актуальны. Поэтому нередко возникают ситуации, когда автоматы подобраны правильно, хозяева знают, где воспользоваться выключателем дифференциальным с автоматом, а где обойтись одним дифатоматом, а свет все равно вырубает. Причин для подобного явления несколько:

  • использование в электропроводке старых алюминиевых кабелей, которые в отличие от медных эксплуатируются на пределе своих возможностей;
  • некачественный монтаж новой проводки.

Поэтому надо не просто правильно воспользоваться дифавтоматом или выключателем дифференциальным, но и отследить работу всей сети.

Что лучше. Видео

Окончательно определиться с выбором дифавтомата или УЗО поможет это видео. Здесь собраны основные преимущества и недостатки каждого из них.

Прежде чем выбрать между той или иной защитой, важно учитывать, каким способом и для чего нужно обезопасить помещение. Использование одного УЗО не защитит от резких скачков напряжения, но предохранит от утечки тока. Дифавтоматы справятся с любыми проблемами в сети, но их лучше применять не для группы, а для отдельного мощного агрегата.

Оцените статью:

Дифференциальный выключатель | У электрика.ру

Сейчас вы познакомитесь с таким чудо-юдо зверем, как дифференциальный выключатель. В магазинах можно встретить и другое его название – дифавтомат. В большинстве случаев он обозначается АВДТ, что расшифровывается как автоматический выключатель дифференциального тока.

Чтобы вы не пугались слова «дифференциал», давайте и его расшифруем. С латинского языка это слово переводится, как разность. Ну а теперь можно прочитать аббревиатуру по другому – автоматический выключатель разного тока и здесь мы подходим к одному важному понятию работы дифавтомата – он размыкает цепь, если «видит» разный ток. Что это значит? По замкнутой цепи протекает один ток (школьный курс физики). Если это однофазный дифавтомат, то по фазному и нулевому проводнику должен протекать один и тот же ток, но с разным направлением, если дифавтомат трёхфазный, то сумма токов по фазам равна току по нулевому проводу. Как только эти токи начнут отличаться на заданную величину уставки, дифавтомат срабатывает и размыкает цепь. Точно такие же функции и у другого устройства, которое называется УЗО – устройство защитного отключения. В чём же тогда разница? Есть два отдельных устройства: автоматический выключатель и УЗО. А если эти устройства объединить в одно, то получится дифавтомат, который работает и как автомат, и как УЗО одновременно. С одной стороны это удобно, потому что есть дифавтоматы которые занимают столько же посадочных мест в электрощите, что и автоматы, но обладают свойствами УЗО. С другой стороны, это устройство, как правило, обходится в два раза дороже по сравнению с парой «УЗО-автомат». Больше никаких принципиальных отличий нет.

ЭТО ВАЖНО! Нельзя включать УЗО без автомата. УЗО не отключает токи короткого замыкания, только дифференциальные токи.

Зачем вообще были придуманы дифавтоматы и УЗО? Посмотрите внимательно на схему.

Ток I3, который протекает через человека, очень мал для срабатывания обычного автомата или предохранителя, но человеку много и не надо – смертельный для нас ток составляет всего 60 мА. Такой ток потребляет лампочка мощностью 13,2 ватта в сети 220 вольт. Хотя на самом деле не важно, сколько будет вольт, смертелен именно ток, протекающий через тело человека. Дифференциальные автоматы выпускаются на следующие уставки: 10 мА (для сырых и особо опасных помещений), 30 мА (наиболее применяемый в повседневной жизни), 100 мА и 300 мА (для групповой защиты от токов утечки, применяются на выводах электростанций и подстанций или на вводах ВРУ). Срабатывание дифавтоматов – доли секунды. То есть, если вас ударит током и ток, протекающий через ваше тело превысит ток уставки (обычно 10 или 30 мА), то дифавтомат разомкнёт цепь, и вы отделаетесь лёгким испугом. В быту наиболее широко распространена именно такая цель применения дифференциальных выключателей.

Типы дифференциальных выключателей

По сути их всего два: электронный и электромеханический. Разница заключается в схеме, которая отвечает за срабатывание по дифференциальному току. Как можно понять из названия, в электронном АВДТ за это отвечает электроника, а в электромеханическом применена аналоговая схема – как правило, это специальный трансформатор и устройство расцепления. А вот характеристик будет немного больше.

Поскольку АВДТ это автомат и УЗО в одном флаконе и выпускается он на стандартные значения токов, то обозначения очень похожи на те, что вы видели у автоматических выключателей. В общем, у АВДТ есть две главные характеристики: дифференциальный ток и номинальный. Дифференциальный мы уже рассмотрели. Номинальный обозначается буквой и цифрой. Никаких отличий от автоматов здесь нет:

В – срабатывает при токе, кратном 3 и более от In;

С – срабатывает при токе, кратном 5 и более от In;

D – срабатывает при токе кратном 10 и более от In.

Цифра показывает номинальное значение тока. Если ток в цепи превышает это значение на 13% и более, то сработает тепловой расцепитель.

Характеристика А или АС

Класс А – защита от переменного (синусоидального), пульсирующего и постоянного дифференциального тока.

 

Класс АС – защита только от переменного (синусоидального) дифференциального тока.

 

Максимальная отключающая способность – это максимальный ток короткого замыкания, который, по гарантии производителя, будет отключен. Если ток короткого замыкания превысит данное значение, то отключения дифавтомата может и не произойти по разным причинам.

Класс токоограничения. Их всего три. 1 класс никак не отображается на АВДТ. Время отключения таких устройств более 10 миллисекунд. Время отключения 2 класса до 10 миллисекунд. И, наконец, время отключения 3 класса от 3 до 6 миллисекунд.

Кнопка проверки работоспособности АВДТ – имитирует замыкание на землю. Рекомендуется проверять раз в месяц, ибо срабатывание дифавтомата с помощью этой кнопки гарантирует вашу безопасность.

Кнопка возврат – выскакивает, если произошло срабатывание по дифференциальному току, пока не будет вновь утоплена, АВДТ включить не получится.

Принципиальная схема включения дифавтомата показывает элементы (тепловое и электромагнитное реле, электромеханическое или электронное дифференциальное устройство, схему включения тестовой кнопки и т.д.) в графическом виде по общепризнанным нормам.

Монтаж дифавтомата

В монтаже ничего сложного нет. Устанавливается он на специальную din-рейку. Для этого надо плоской отвёрткой оттянуть один или два специальных пластиковых крепления, установить на din-рейку дифавтомат и отпустить пластиковое крепление. Если крепление с фиксацией, то пальцем защёлкнуть крепление. Фазу и ноль подвести сверху (если только вдруг каким-то непостижимым образом не указано иное в паспорте, прилагаемом к дифавтомату или в принципиальной схеме, нанесенной на дифавтомат).

ВАЖНО!!! Практически во всех АВДТ имеется обозначение фазной и нулевой клеммы – не перепутайте, когда будете производить монтаж.

У одножильных проводов достаточно снять изоляцию (обычно 10-12 мм), для многожильных проводов желательно использовать специальные наконечники (типа НШВИ или НШВ подходящего диаметра, либо наконечник под опрессовку). Монтаж дифавтомата ничем не отличается от УЗО. Единственное, чего нельзя допускать, чтобы нулевой провод после дифавтомата не замыкался электрически с нулевым проводом до дифавтомата или с заземляющим проводником. То есть, взять фазу после дифференциального выключателя, а ноль до него не получится, ибо вызовет срабатывание дифференциальной защиты.

В зависимости от желаемого результата, дифавтомат устанавливается либо на вводе, либо на каждую защищаемую линию. Если поставить на ввод, то под защитой будет все оборудование, подключенное к щиту. В этом есть только одно неудобство – при срабатывании дифференциального реле отключится всё электричество в доме, но есть преимущество – значительная экономия средств. Если защищать каждую линию по отдельности, то это приведет к значительным расходам, но зато можно будет ставить АВДТ на меньший дифференциальный ток, что приведет к лучшей электробезопасности и касание к токоведущим элементам будет менее болезненным.

Рассмотрим общие вопросы

Можно ли заменить автомат на дифавтомат если в доме нет заземления?

Да, можно. Если через человека на землю начнёт протекать ток, то АВДТ сработает в любом случае, если значение превысит значение дифференциального тока. Единственное, что изменится в работе АВДТ, он не отключится, если произойдет пробой изоляции на корпус какого либо устройства. То есть, если, к примеру, возник пробой изоляции заземлённой стиральной машинки, то АВДТ сработает сразу. Если же машинка не была заземлена, то только после того, как к корпусу прикоснётся человек, через которого потечёт ток на землю.

Можно ли ставить дифавтоматы в старых домах на ток 10 мА. Теоретически можно, если состояние проводки удовлетворительное. Чем старее проводка, тем больше вероятность возникновения токов утечки. То есть, часть тока через постаревшую изоляцию уходит в землю и чем больше повреждений у изоляции, тем больше может быть ложных срабатываний. Решается установкой дифавтоматов на 30 мА или (если всё равно наблюдаются ложные срабатывания) нескольких дифавтоматов – по одному на каждую линию. Но лучшим вариантом будет замена электропроводки.

Можно ли ставить дифавтоматы на 100 и 300 мА, если нет на 30 мА?

Нет, нельзя. Для человека смертелен ток 60 мА. Поэтому АВДТ с дифференциальным током 100 и 300 мА считаются потенциально опасными для человека.

Обязательно ли на линию в ванную ставить АВДТ с дифференциальным током только 10 мА?

Нет, не обязательно, но крайне желательно. По-крайней мере, ГОСТ гласит так: если линия только на ванную, то следует устанавливать АВДТ на 10 мА, если ванная и другие помещения, то 30 мА.

Сработает ли дифавтомат, если я возьмусь за фазу и ноль, но буду стоять на диэлектрическом коврике?

Нет, не сработает. Это самая опасная ситуация от которой пока ещё не придумали защиты. Ток, который будет протекать через человека в этом случае будет считаться нормальным током как для дифавтомата, так и для автомата, и для УЗО.

Поделиться ссылкой:

Похожее

в чем отличие и что лучше выбрать

Большая часть потребителей посредственно ориентируются в различных устройствах, которые защищают человека от удара электрическим током и электросети от негативных обстоятельств. На практике эти устройства способны разрешать различные задачи. По этой причине необходимо обладать знаниями: в чем их отличия, и какое у них функциональное предназначение. При этом возникает путаница между двумя защитными устройствами. Какое же средство выбрать дифавтомат или УЗО, что лучше, надежнее и долговечнее?

Что делать если человека ударило током? Это должен знать каждый, читать всем!

УЗО. автомат и дифавтомат

Дифавтомат или УЗО: отличия

Дифавтомат или УЗО? Эти приборы отличаются своим внешним видом. Во-первых, рычаг переключателя у дифавтомата стоит с правой стороны, а у УЗО — с левой. Кнопка тестирования также расположена в разных сторонах, только наоборот. Во-вторых, защитные устройства имеют различную маркировку. На корпусе УЗО номинальный ток помечается цифрами, а на дифавтомате – латинскими буквами. В-третьих, схема, которая наносится на поверхность прибора также разная.

Какие провода лучше использовать для проводки в квартире. Большая сравнительная статья тут.

На защитных устройствах российских производителей наносится также аббревиатура прибора. Так, на дифавтомате наносятся буквы АВДТ – автоматический выключатель дифференциального тока, а УЗО – ВД, что означает выключатель дифференциальный.

Отличия состоят также в функциях, которые способны выполнять заявленные механизмы. УЗО может защитить потребителя и электропроводку в аварийной ситуации, вызванной утечкой тока. Дифавтомат же способен выполнить свои защитные функции при любых неисправностях электросети, будь то перенапряжение или короткое замыкание.

Плюсы и минусы УЗО

Положительными свойствами являются:

Трехфазные УЗО и дифавтомат

При монтировании УЗО совместно с автоматическим выключателем можно легко понять причину срабатывания механизма. В случае если УЗО сработает, это говорит о наличии неисправности или утечки тока в электросети или в самих электроприборах. Ежели, произойдет отключение автомата, стоящего совместно с УЗО, то это свидетельствует о высокой нагрузке на защищаемой линии или возникновении короткого замыкания.

При поломке защитных устройств, для ликвидации неисправности достаточно поменять только один испорченный механизм для дальнейшей работы электрической системы.

Также необходимо помнить о том, что УЗО бывает двух видов, это следует учитывать при выборе, так как одно из них для работы нуждается в дополнительном питании. Вследствие этого, если автомат сработает и обесточит всю линию, то электронное УЗО уже не сможет функционировать, так как нет дополнительного источника питания.

Минусами устройства защитного отключения являются:

УЗО нуждается в добавочной защите. В этой роли выступает автоматический выключатель. Такой тандем занимает больше место в главном щитке. Вследствие этого монтаж будет более трудоемким. Потому что при установке УЗО, необходимо предварительно присоединить фазный провод к автомату. И только потом запитать перемычку от него и нулевой проводник на входные клеммы УЗО.

Устройство защитного отключения срабатывает лишь, когда в сети возникает утечка. При этом УЗО способно защищать человека от поражения электрическим током, а также электрическую линию. Ежели в электролинии возникла высокая нагрузка или короткое замыкание в этом случае она остается незащищенной и продолжает греться, что приводит к плавлению электропроводки, а вследствие, и к ее возгоранию.

Дело в том, что УЗО не выполняет функций по обеспечению сохранности электрической цепи. Если неполадка связана с перегрузкой или коротким замыканием. При одновременном использовании электроприборов, обладающих большой мощностью, УЗО не сработает. При этом электролиния будет греться и перегорит вместе с данным механизмом, если не установлена дополнительная защита. Поэтому и устанавливается УЗО вместе с автоматическим выключателем. УЗО защищает от утечки тока, а автомат — от высокой нагрузки и короткого замыкания.

Плюсы и минусы дифавтомата

К положительным качествам дифференцированного автомата относят:

Подключение дифавтомата предусматривает присоединение на вводе нулевого и фазного проводников. Вследствие этого монтаж данного приспособления содержит меньшее количество соединений, что делает такой монтаж более проще и надежнее по сравнению с УЗО.

Дифференциальный автомат

Минусами данного механизма являются:

При отключении дифференциального автомата точную причину распознать непросто. Для этого потребуется какое-то количество времени. По этой причине предпочтение отдают УЗО. Ремонтируя дифавтомат необходимо полностью заменить защитное устройство, что является более трудоемким и затратным процессом.

Лучшие производители розеток и выключателей для вашего дома. ТОП самых покупаемых, по мнению покупателей.  

Дифавтомат включает в себя два защитных механизма – УЗО и автома. УЗО, в свою очередь, подразделяется на две группы, которые отличаются между собой принципом действия. Поэтому выбирая дифавтомат следует это учитывать,что в нем могут заключаться также разные виды УЗО (как электронный, так и электромеханический).

Что лучше выбрать

Этот вопрос очень популярный на начальном этапе производства электромонтажа. Большая часть потребителей придерживается мнения, что дифавтомат имеет больше преимуществ по отношению к УЗО. Потому что он выполняет функции не только УЗО, но еще и автомата, но это ошибочное мнение. Если рассматривать стоимость двух этих приборов, то дифавтомат стоит больше чем УЗО. Однако следует учитывать,что УЗО должно быть установлено совместно с автоматом. Поэтому стоимость таких двух механизмов гораздо выше дифавтомата.

УЗО и автомат или дифавтомат

Изоляция проводов имеет огромное значение. Читайте тут о том, какая изоляция лучше.

Если рассматривать защитные устройства на предмет надежности ?Этот критерий у них равен и при возникновении аварийной ситуации они сработают одинаково. Различия могут быть в качестве предлагаемых услуг. Вследствие разных производителей.В распределительном щитке дифавтомат занимает меньше места, чем УЗО вместе с автоматом, так как УЗО рекомендуется устанавливать только совместно.

Вследствие вышеперечисленных свойств защитных агрегатов, конкретного ответа на этот вопрос нет. Опираясь на плюсы и минусы можно выбрать походящее средство защиты. Стоит также учитывать потребляемую мощность в жилище. При этом лучше проконсультироваться со специалистом.

Чем отличается узо от дифференциального автомата

  1. Главная
  2. Электробезопасность
  3. УЗО или дифавтомат

Для того, чтобы определиться что выбрать узо или дифавтомат, начнем с определений для более полного понимания различий, а затем рассмотри в каких ситуациях что следует выбрать.

УЗО — устройство защитного отключения. Защитный аппарат, предназначенный для:

  • защиты человека от поражения электротоком при касании к корпусу оборудования, находящемуся под напряжением в связи с пробоем изоляции
  • защита самой электроустановки при повреждении изоляции и протекании тока утечки большой величины
  • пожаробезопасность — пробитая изоляция может привести к пожару в помещении

Ток утечки — ток, возникающий на корпусе электрооборудования при пробое изоляции на корпус. УЗО отключает ток до 30мА, не давая ему вырасти. Почему именно столько миллиампер — это ток неотпускания для человека. Ток, при котором человек сам может оторваться от опасной поверхности.

Также встречаются узо и на ток 10 мА — данные устройства применяют в помещениях с повышенной влажностью: ванная, душевая, прачечная. Ведь влажность улучшает проводимость и поражение будет иметь более серьезные последствия.

Автоматический выключатель

— например, АП50.

Предназначен для:

  • защиты от коротких замыканий
  • защиты от перегрузок

Выбирается по номинальному току нагрузки и типу кривой B, C, D. Стоит знать какая кратность соответствует какой букве по ГОСТ Р 50345-2010, он же МЭК 60898-1-2003:

  • B — 3÷5 Iном
  • C — 5÷10 Iном
  • D — 10÷20 Iном

Дифавтомат — дифференциальный автомат. Защитный аппарат, предназначенный для:

  • защиты участка сети от сверхтоков и токов перегрузки в электросети
  • защита человека и установки от тока утечки выше величины уставки
  • служит для пожаробезопасности

Кроме тока утечки, будет указана кратность тока отключения и номинальный ток. Обозначение буквенно-цифровая: С16, D25.

Отличить просто автомат от дифф можно по схеме, которая на нем нанесена. На дифавтомате будет показано УЗО, плюс на корпусе написано 30 мА (или 10, или 100).

По описанным функциям делаем вывод, что разница между этими аппаратами в наличии у дифавтомата защиты от сверхтоков — то есть это автоматический выключатель и узо в одном корпусе или наоборот, как вам удобнее.

Что установить узо, автомат или дифавтомат?

С точки зрения экономии — одно устройство будет дешевле, чем два. Просто ставятся дифавтоматы на все линии, где могут быть токи утечки на корпус (стиралка, посудомойка и прочее). Это один подход.

Второй подход — на каждый вид защиты своё устройство. Для защиты от тока утечки — узо, защита от сверхтоков — автоматический выключатель.

Третий вариант — вводной автомат и на каждой линии только УЗО. Полная защита от тока утечки и никакая от сверхтоков.

Третий вариант плох тем, что при замыкании в розетке остальные включенные в розетки приборы со сложной электроникой и не только по всей квартире могут выйти из строя. Если же на каждой линии кроме узо будет и автомат, то кз в одной розетке отключит только одну линию, а остальная квартира будет в порядке. Если конечно не попытаться включить опять автомат на короткое замыкание.

Также большой вопрос это ложные срабатывания при ложных токах утечек.

Что лучше из этих трех однозначного ответа нет. Что думаю я: если узо выйдет из строя, то останется защита от кз и перегрузки. Но будет вероятность при пробое изоляции потрястись. Если не работает автомат, то ситуация наоборот.

В случае с дифом, при выходе его из строя не останется вообще защиты. Ну как не останется, всё зависит от схемы. Если есть вводной автомат, то в итоге по селективности он всё равно сработает. Лучше всего разветвленная схема по комнатам: отдельно освещение, отдельно стиралка, отдельно розетки — и так по каждой комнате.

Как внешне отличить узо от дифавтомата?

1)Если говорить совсем на бытовом уровне, то:

  • за УЗО отвечает надпись величины максимального тока утечки в мА (10мА, 30 мА, 100 мА)
  • за автоматический выключатель отвечает надпись, состоящая из буквенно-цифрового кода (типа B16, C25). В данном коде: буква — это характеристика, про которые писал выше; а цифра — это номинальный ток выключателя
  • на дифавтомате будет встречаться одновременно обе надписи: и милиамперы и номинальный ток выключателя с характеристикой

2) Второй вариант — это схема, которая нарисована на корпусе устройства. Ниже нарисовано, как может обозначаться УЗО — обычно, это овал, вокруг трех линий (проводов). Если этот круг есть — значит, это либо УЗО, либо дифавтомат. Если отсутствует — значит автоматический выключатель.

Проанализировав эти два способа, можно прийти к выводу, что перед вами за устойство. Если аппарат пришел к вам с рынка, то в коробке должна быть инструкция, где описано, что за аппарат вы купили. Ну и плюс ко всему кнопка «Т» подскажет, что Вы имеете дело с устройством, защищающим от токов утечек.

Как проверить, что УЗО работает?

Проверка работоспособности УЗО или дифференциального автоматического выключателя состоит из следующих шагов:

  • проверяется кнопка «Тест» три раза. При нажатии на кнопку при нахождении устройства под напряжением, оно должно отключаться
  • далее проверяется сопротивление изоляции между различными фазами и нулем (L1-L2, L2-L3, L1-L3, L1-N, L2-N, L3-N) с помощью мегаомметра при включенном состоянии. Цель данной проверки состоит в том, чтобы не допустить включение на короткое замыкание, при значении сопротивления изоляции близкого к нулю
  • затем с помощью устройства типа MPI-511 проверяется минимальный ток срабатывания для каждой из фаз; время отключения для каждой фазы при токах I∆n= I∆n, 2I∆n, 5I∆n
  • и в случае с диффавтоматом проверяем ток срабатывания (отсечку) и кратность тока отсечки

Если по одному из условий УЗО или дифавтомат не проходит проверку, то устройство считается негодным и подлежит замене.

Разнообразие функций и номинальных параметров позволит вам собрать именно ту схему и те устройства, которые обеспечат максимальную электробезопасность в вашей квартире, даче, бане, коттедже.

Правильное подключение дифавтомата к однофазной сети: 4 характеристики


Схема подключения дифавтомата к однофазной сети 220 Вольт

Для подачи электрического тока к квартирам, используется однофазная сеть, в которой задействованы два проводника (фаза и рабочий ноль). Поэтому, для осуществления защиты проводки и оборудования, необходимо правильно подобрать устройство (диф).

Дифференциальный автомат подключается по двум схемам:

  • Защита всей квартиры;
  • Установка на отдельные группы.

При стандартной сборке электрощитка, зачастую устанавливают один дифавтомат, от которого подключаются автоматические выключатели для отдельных групп.

В данном случае, электромонтаж устройств производится следующим образом. Устанавливается вводный автоматический выключатель, рассчитанный на суммарную мощность всех потребителей.

После в него, в цепь встраивается устройство учета электроэнергии (счетчик). Далее устанавливается дифференциальный автомат. Стоит отметить, что важна правильность подключения нулевого проводника. Нулевой провод от счетчика подключается к дифавтомату, и потом идет на нулевую шину.

Обратите внимание! При таком подключении, после срабатывания дифавтомата, достаточно сложно обнаружить неполадку.

Лучшим вариантом, будет установить несколько дифавтоматов на отдельные линии данной сети. Важно понимать, что такое подключение необходимо производить правильно. Фазный проводник от счетчика, подключается к дифавтомату, рабочий ноль, подключается к нулевой шине.

Далее, от нулевой шины производится подключение рабочего нуля к дифавтомату. Так как стоимость данных защитных устройств не совсем маленькая, следует установить дифавтоматы на определенные группы. Например, отдельно подключенная стиральная машинка и электрическая духовка.

Автомат 3х фазный: подключение

В отличие от квартир, питание к частным домам в большинстве случаев, подается посредством трехфазной сети. Проводником в данном случае служит пяти или четырех жильный кабель.

Этапы работ:

  • Монтаж вводного автомата;
  • Подключение счетчика;
  • Установка дифавтомата.

Трехфазная сеть 380 Вольт отличается от однофазной тем, что имеет три фазных проводника, рабочий нулевой и заземляющий провода. Поэтому, для осуществления защиты частного дома, подбирается трехфазные устройства.

В первую очередь, производим правильное подключение вводного автомата. Данные устройства бывают с тремя или четырьмя полюсами. Поэтому, если автомат 4 полюсный, то к нему могут подключаться три фазы и ноль, к трехполюсному, только три фазных провода.

Обратите внимание! Не допустить ошибок при подключении трехфазных устройств, позволит специальная маркировка, которая нанесена на корпус устройства (L – фазный провод, N – нулевой проводник).

После этого, производим подключение трехфазного электросчетчика. К клеммам 1, 3 и 5, подключаем три фазных провода от вводного автомата. К клемме 7, подключаем рабочий ноль от питающего кабеля.

Далее, к клеммам 2, 4 и 6, подключаем фазные проводники, идущие на дифавтомат, и к лемме 8 подключаем нулевой провод. Стоит отметить, что при установке нескольких дифавтоматов на отдельные линии, недопустимо перекидывать фазы.

И обязательным условием, является равномерное распределение устройств по мощности на каждую из фаз. Таким образов вы сможете добиться стабильной и корректной работы вашей сети.

Дифавтомат Schneider (Шнайдер): устройство

Одним из лидеров на рынке электротоваров, является компания Шнайдер. Данная фирма, производит различные устройства высокого качества. Одним из представителей таких устройств, является дифференциальный автомат.

Устройство дифавтомата:

  • Корпус;
  • Клеммы;
  • Трансформатор;
  • Расцепители.

Корпус устройства, выполнен из пластика, который способен выдерживать различные тепловые и механические нагрузки.

Клеммные колодки, оснащаются двумя, тремя или четырьмя винтовыми зажимами, посредством которых производится подключение проводников.

Обратите внимание! Для проверки на работоспособность устройства, предназначена специальная кнопка, которая создает искусственный дисбаланс токов, что приводит к отключению устройства.

В зависимости от предназначения (однофазная или трехфазная сеть), трансформатор дифавтомата может оснащаться несколькими обмотками. Работа трансформатора основана на том, что при работе, он сравнивает ток нагрузки, и если они имеют разные потенциалы, на вторичной обмотке появляются токи утечки, который поступая на пусковой механизм устройства. Данный механизм осуществляет мгновенное отключение дифавтомата.

Расцепитель электромагнитный, выполнен в виде электромагнита с сердечником, который при работе управляет работой механизма отключения. При достижении током нагрузки определенного значения, происходит отключение устройства.

Электрическую сеть от перегрузок защищает тепловой расцепитель. Конструкцию данного расцепителя, составляет биметаллическая пластина. При условии, что через данную пластину протекает ток нагрузки, превышающий номинальное значение, пластина деформируется, тем самым отключает подачу питания на линию.

Как подключить однофазный автомат

Защиту определенной электросети от перегрузок, осуществляет автоматический выключатель. Любой распределительный щиток, оснащается данными автоматами. Но важно понимать, что качество и продолжительность работы данных устройств зависит от правильности подключения.

Порядок работы:

  • Выбор автомата;
  • Установка в щиток;
  • Подключение устройства.

В первую очередь, необходимо правильно подобрать автомат по номинальному рабочему току. Данные показатели для бытового использования могут быть (10 А, 16 А, 25 А, 32 А, 40 А и 63А).

Например, для обеспечения безопасности для группы осветительных приборов, следует выбрать автомат со значение 10 или 16 А. Для подключения мощного оборудования, от 25 А. Делается это для того, чтобы защитить проводник от перегрузок и не допустить его выход из строя.

Обратите внимание! Защитные автоматы, могут использоваться для однофазного или трехфазного подключения.

Установка автомата, производится на специальную DIN – рейку. Для этого, в его нижней части, плоской отверткой необходимо отжать защелку, установить автомат на рейку и отпустить механизм.

После этого, зачищается проводник для подключения. Важно понимать, что недопустимо попадание изоляции в клеммный зажим.

Подключение дифавтомата в однофазной сети (видео)

Обладая данной информацией, вы легко сможете сделать и правильный выбор автоматического выключателя или дифавтомата, и осуществить подключение устройства без привлечения электрика.

Что такое дифференциальный автомат

Устройство дифференциального автомата

В корпусе дифференциального автомата собран узел дифференциальной защиты при возможной утечке тока, а также элементы защиты автоматического выключателя при возникшем коротком замыкании и от перегрева электропроводки при перегрузках.

Устройство дифференциального автомата

Как видим, в корпусе дифференциального автомата собран УЗО и автомат и содержит он три модуля защиты. Помимо этого, дифференциальный автомат имеет тестовую кнопку, при нажатии которой подается тестовый ток утечки номинальной величины на дифавтомат и он отключается. Дифференциальный автомат предназначен для электросетисети 220 В и 380 В. Для однофазной сети используется двухполюсный дифференциальный автомат, а трехфазной – четырехполюсный.

Как работает дифференциальный автомат

Элементы дифференциальной защиты определяют величину тока утечки, и воздействуя на механические расцепители дифавтомата отключают его. Основой дифференциальной защиты является дифференциальный  тороидальный трансформатор, определяющий разницу тока входа и выхода.

В нормальном состоянии токи входа дифференциального автомата равны токам выхода дифференциального трансформатора, на выходе усилителя тока разность токов равна нулю, следовательно, дифференциальный автомат включен. Когда возникла неисправность стиральной машины, электрической плиты – фаза сети пробивает на корпус электроприбора, и при прикосновении к нему человека, на выходе дифференциального трансформатора возникает ток утечки, идущий через корпус электрического устройства – человека – на землю.

В нормальном состоянии токи утечки дифференциального автомата равны нулю

Тогда токи на входе тороидального трансформатора и его выходе не будут равны. Эта разность токов (ток утечки) усиливается усилителем тока, и электрический узел воздействует на механический расцепитель, который отключает дифференциальный автомат. Причиной возникновения токов утечки может быть также старая электропроводка при сырых стенах. Кнопкой тест создается тестовый ток утечки для проверки работоспособности дифференциальной защиты устройства.

При прикосновении человека к токонесущим частям токи утечки дифференциального автомата не равны нулю, сработает защита

Отличие дифференциального автомата от автомата состоит в том, что в дифавтомат добавлена еще защита при утечке тока. Еще одно отличие УЗО от дифференциального автомата состоит в том, что УЗО имеет  только защиту при утечке тока. В то время как дифференциальный автомат содержит защиту УЗО и защиту встроенного автоматического выключателя, и все это в одном корпусе устройства.

Где применяется дифференциальный автомат

Широкое применение дифференциальные автоматы нашли в одно и трехфазных электросетях переменного тока. Использование этих устройств повышает степень безопасности сетей, пожаробезопасность электропроводки и электрических приборов.

Дифференциальный автомат имеет меньший размер, чем два устройства с теми же защитами – это УЗО и автоматический выключатель. Поэтому дифференциальный автомат ставится в небольших электрических щитах, где имеется недостаток места.

Что выбрать УЗО или дифференциальный автомат

Узлы дифференциального автомата содержат УЗО и автомат, то есть это комбинированное электрическое устройство. Как известно, что комбинированные устройства имеют более низкую надежность и качество исполнения. Получается, что срок службы дифавтомата меньше, чем у УЗО и автомата.  При выходе из строя дифференциального автомата вы заплатите больше, чем за отдельно выбранный УЗО и автомат.

Если возникла неисправность и отключилась УЗО можно быть уверенным, что это результат возникших токов утечки, если сработает дифференциальный автомат, то причину отказа нужно искать – это может сработать защита утечки тока или произошло короткое замыкание с перегрузкой.

конечных автоматов | Последовательные схемы

До сих пор каждая представленная схема представляла собой комбинаторную схему . Это означает, что его выход зависит только от его текущих входов. Предыдущие входы для этого типа цепей не влияют на выход.

Однако есть много приложений, в которых наши схемы должны иметь «память»; запоминать предыдущие входы и рассчитывать их выходы в соответствии с ними. Цепь, выход которой зависит не только от текущего входа, но и от истории входа, называется последовательной цепью .

В этом разделе мы узнаем, как проектировать и строить такие последовательные схемы. Чтобы увидеть, как работает эта процедура, воспользуемся примером, на котором будем изучать нашу тему.

Итак, предположим, что у нас есть цифровая викторина, которая работает с часами и считывает ввод с ручной кнопки. Однако мы хотим, чтобы коммутатор передавал в схему только один HIGH-импульс. Если мы подключим кнопку непосредственно к игровой цепи, она будет передавать ВЫСОКОЕ значение в течение минимального количества тактовых циклов, которое может достичь наш палец.На обычной тактовой частоте наш палец никогда не может быть достаточно быстрым.

Процедура проектирования включает определенные шаги, которые необходимо выполнить, чтобы выполнить работу:

Шаг 1

Первым шагом процедуры проектирования является определение простыми, но ясными словами, что мы хотим, чтобы наша схема выполняла:

«Наша миссия состоит в том, чтобы спроектировать вторичную цепь, которая будет передавать ВЫСОКИЙ импульс длительностью только один цикл при нажатии кнопки ручного управления и не будет передавать другой импульс, пока кнопка не будет нажата и снова нажата.”

Шаг 2

Следующим шагом является создание диаграммы состояний.

Это диаграмма, составленная из кругов и стрелок и визуально описывающая работу нашей схемы. С математической точки зрения эта диаграмма, описывающая работу нашей последовательной схемы, является конечным автоматом. Обратите внимание, что это конечный автомат Мура.

Его выход является функцией только его текущего состояния, но не входом. Это контрастирует с конечным автоматом Мили, где ввод влияет на вывод.В этом руководстве будет рассматриваться только конечный автомат Мура.

Диаграмма состояний нашей схемы следующая: (Рисунок ниже)

Диаграмма состояния

Каждый кружок представляет «состояние», четко определенное состояние, в котором находится наша машина. В верхней половине круга мы описываем это состояние. Описание помогает нам вспомнить, что наша схема должна делать в этом состоянии.

  • Первый кружок — состояние «ожидания».Это то место, откуда начинается наша схема и где она ждет следующего нажатия кнопки.
  • Второй кружок — это состояние, при котором кнопка была только что нажата, и наша схема должна передать ВЫСОКИЙ импульс.
  • Третий кружок — это состояние, при котором наша схема ожидает отпускания кнопки, прежде чем она вернется в состояние «ожидания».

В нижней части круга — вывод нашей схемы. Если мы хотим, чтобы наша схема передавала HIGH в определенном состоянии, мы устанавливаем 1 для этого состояния.В противном случае ставим 0.

Каждая стрелка представляет собой «переход» из одного состояния в другое. Переход происходит один раз за каждый такт. В зависимости от текущего ввода мы можем каждый раз переходить в другое состояние. Обратите внимание на число в середине каждой стрелки. Это текущий ввод.

Например, когда мы находимся в состоянии «Initial-Stand by» и «читаем» 1, диаграмма говорит нам, что мы должны перейти в состояние «Activate Pulse». Если мы читаем 0, мы должны оставаться в состоянии «Initial-Stand by».

Итак, что именно делает наша «Машина»? Он запускается из состояния «Начальное — Ожидание» и ждет, пока на входе не будет считана 1. Затем он переходит в состояние «Активировать импульс» и передает на свой выход ВЫСОКИЙ импульс. Если кнопка остается нажатой, схема переходит в третье состояние, «цикл ожидания».

Там он ждет, пока кнопка не будет отпущена (вход становится 0), при этом на выходе передается LOW. Тогда все снова!

Это, возможно, самая сложная часть процедуры проектирования, потому что ее нельзя описать простыми шагами.Чтобы построить диаграмму состояний, требуется опыт и немного острого мышления, но все остальное — это просто набор заранее определенных шагов.

Шаг 3

Затем мы заменяем слова, описывающие различные состояния диаграммы, на двоичных чисел . Мы начинаем перечисление с 0, которое присваивается начальному состоянию. Затем мы продолжаем перечисление с любым состоянием, которое нам нравится, пока все состояния не будут иметь свои номера. Результат выглядит примерно так: (Рисунок ниже)

Диаграмма состояний с кодированными состояниями

Шаг 4

После этого мы заполняем Таблицу состояний .Эта таблица имеет очень специфическую форму. Я приведу таблицу нашего примера и воспользуюсь ею, чтобы объяснить, как ее заполнить. (Рисунок ниже)

Таблица состояний

Первые столбцы равны битам наивысшего числа, которое мы присвоили диаграмме состояний. Если бы у нас было 5 состояний, мы бы использовали до 100, что означает, что мы использовали бы 3 столбца. В нашем примере мы использовали число до 10, поэтому нам потребуется всего 2 столбца. Эти столбцы описывают Текущее состояние нашей схемы.

Справа от столбцов «Текущее состояние» мы пишем Входные столбцы . Их будет столько же, сколько и наших входных переменных. В нашем примере только один вход.

Затем мы записываем Столбцы следующего состояния . Их столько же, сколько столбцов «Текущее состояние».

Наконец, мы пишем Выходные столбцы . Это столько же, сколько и наших результатов. В нашем примере только один выход. Поскольку мы построили более конечный автомат, вывод зависит только от текущих состояний ввода.По этой причине в столбце output есть две единицы: для вывода логической функции, не зависящей от ввода I. Продолжайте читать, чтобы узнать подробности. Столбцы Current State и Input — это входы нашей таблицы. Заполняем их всеми двоичными числами от 0 до:

2 (количество столбцов текущего состояния + количество столбцов ввода) -1

К счастью, это проще, чем кажется. Обычно строк будет больше, чем фактических состояний, которые мы создали на диаграмме состояний, но это нормально.

Каждая строка столбцов следующего состояния заполняется следующим образом: мы заполняем ее состоянием, которого достигаем, когда на диаграмме состояний из текущего состояния той же строки мы следуем за входом той же строки. Если необходимо заполнить строку, номер текущего состояния которой не соответствует какому-либо фактическому состоянию на диаграмме состояний, мы заполняем ее условиями безразличия (X). В конце концов, нам все равно, куда мы можем уйти из несуществующего государства. Во-первых, нас бы там не было! Опять же, это проще, чем кажется.

Столбец выходов заполняется выходными данными соответствующего текущего состояния на диаграмме состояний.

Таблица состояний завершена! Он описывает поведение нашей схемы так же полно, как и диаграмма состояний.

Шаг 5а

Следующий шаг — взять эту теоретическую «Машину» и реализовать ее в схеме. Чаще всего в этой реализации используются шлепанцы. Это руководство посвящено этому типу реализации и будет описывать процедуру как для D-триггеров, так и для JK-триггеров.T — Вьетнамки не будут включены, поскольку они слишком похожи на два предыдущих случая. Выбор флип-флопа является произвольным и обычно определяется факторами стоимости. Лучший выбор — выполнить как анализ, так и решить, какой тип триггера дает минимальное количество логических вентилей и меньшую стоимость.

Сначала мы рассмотрим, как мы реализуем нашу «Машину» с D-шлепанцами.

Нам понадобится столько же D-Flip Flops, сколько столбцов State, в нашем примере 2. Для каждого триггера мы добавим еще один столбец в нашу таблицу состояний (рисунок ниже) с именем входа триггера, в данном случае «D».Столбец, соответствующий каждому триггеру, описывает , какие входные данные мы должны дать триггеру, чтобы перейти от текущего состояния к следующему состоянию . Для D-триггера это просто: необходимый вход равен следующему состоянию. В строках, содержащих X, мы также заполняем X в этом столбце.

Таблица состояний с возбуждениями D-триггера

Шаг 5b

Мы можем проделать те же шаги с JK — Flip Flops. Однако есть некоторые отличия.JK — Flip Flop имеет два входа, поэтому нам нужно добавить два столбца для каждого Flip Flop. Содержание каждой ячейки определяется таблицей возбуждения JK:

.

В этой таблице сказано, что если мы хотим перейти из состояния Q в состояние Q , следующий за , нам необходимо использовать определенный вход для каждого терминала. Например, чтобы перейти от 0 к 1, нам нужно передать J в 1, а не заботится о , какой ввод мы подаем на терминал K.

Таблица состояний с JK-триггерами возбуждения

Шаг 6

Мы находимся на завершающей стадии нашей процедуры.Остается определить логические функции, которые производят входные данные для наших триггеров и выходных данных. Мы извлечем одну логическую функцию для каждого входного сигнала Flip Flop, который у нас есть. Это можно сделать с помощью карты Карно. Входными переменными этой карты являются переменные текущего состояния , а также входы.

Тем не менее, входные функции для наших D-триггеров следующие: (Рисунок ниже)

Карты Карно для входов D — триггера

Если бы мы выбрали JK — Flip Flops, наши функции были бы следующими: (Рисунок ниже)

Карта Карно для JK — вход с триггером

Карта Карно также будет использоваться для определения функции вывода: (рисунок ниже)

Карта Карно для выходной переменной Y

Шаг 7

Проектируем нашу схему.Мы размещаем триггеры и используем логические элементы для формирования вычисленных нами логических функций. Ворота принимают входные данные с выхода триггеров и входа схемы. Не забудьте подключить часы к шлепанцам!

Версия D — триггера: (рисунок ниже)

Завершенная последовательная схема D — триггера

The JK — версия Flip Flop: (рисунок ниже)

Завершенная JK — последовательная схема триггера

Вот оно! Мы успешно спроектировали и построили последовательный контур.Сначала это может показаться сложной задачей, но после практики и повторения процедура станет тривиальной. Последовательные схемы могут пригодиться в качестве управляющих частей более крупных схем и могут выполнять любую последовательную логическую задачу, о которой мы только можем подумать. Небо это предел! (или хотя бы печатная плата)

ОБЗОР:

  • Функция последовательной логики имеет функцию «памяти» и принимает во внимание прошлые входные данные, чтобы принять решение о выходе.
  • Конечный автомат — это абстрактная математическая модель последовательной логической функции.Он имеет конечные входы, выходы и количество состояний.
  • Конечные автоматы
  • реализованы в реальных схемах с помощью триггеров
  • .
  • Процедура реализации требует определенного порядка шагов (алгоритма) для выполнения.

Детерминированные, недетерминированные конечные автоматы

В сегодняшнюю технологическую эпоху области аппаратного и программного обеспечения претерпели колоссальное развитие. Одно из основных направлений развития было замечено в методах проектирования аппаратного обеспечения.С развитием технологий стало возможным реализовать концепцию совместного проектирования аппаратного и программного обеспечения. Разработаны различные методы, с помощью которых с помощью программного обеспечения можно полностью проектировать и моделировать аппаратные системы. Одним из таких методов является теория автоматов. Теория автоматов — это раздел информатики, который занимается проектированием абстрактных моделей вычислительных устройств, которые автоматически следуют заранее определенной последовательности шагов. В этой статье обсуждается краткая информация об учебнике по автоматам.


Что такое теория автоматов?

Слово «автоматы» происходит от греческого языка, что означает «самодействующий». Автомат — это математическая модель машины. Автомат состоит из состояний и переходов. Когда ввод передается автомату, он переходит в следующее состояние в зависимости от функции перехода. Входные данные для функции перехода — это текущее состояние и недавние символы. Если автомат имеет конечное число состояний, он известен как конечный автомат или конечный автомат.Конечные автоматы представлены набором из пяти (Q, ∑, δ, qo, F)

Где,

Q = Конечный набор состояний.

∑ = конечный набор символов, также называемый алфавитом автоматов.

δ = переходная функция.

qo = начальное состояние входа.

F = набор конечных состояний Q.

Основные термины теории автоматов

Некоторые из основных терминов теории автоматов:

1 . Алфавит : Любой конечный набор символов в теории автоматов известен как Алфавит.Представленный буквой набор {a, b, c, d, e,} называется алфавитным набором, тогда как буквы набора ‘a’, ‘b’, ‘c’, ‘d’, ‘e’ называются символы.

2 . Строка : В автоматах строка — это конечная последовательность символов, взятых из алфавитного набора ∑, например, строка S = ‘adeaddadc’ действительна на алфавитном наборе = {a, b, c, d, e ,}.

3 . Длина строки : количество символов, присутствующих в строке, называется длиной строки.Для строки S = ​​‘adaada’ длина строки составляет | S | = 6. Если длина строки равна 0, она называется пустой строкой.

4 . Kleen Star : это унарный оператор на множестве символов Σ, который дает бесконечный набор всех возможных строк, включая λ, всех возможных длин на множестве Σ. Он представлен. Например, для множества Σ = {c, d}, ∑ * = {λ, c, d, cd, dc, cc, dd, ……}.

5 . Замыкание Клина : Это бесконечный набор всех возможных строк алфавита, исключая λ.Обозначается он. Для множества Σ = {a, d}, ∑ + = {a, d, ad, da, aa, dd,… ..}.

6 . Язык : Язык — это подмножество звездного набора Клини * для некоторого набора алфавитов Σ. Язык может быть конечным или бесконечным. Например, если язык принимает все возможные строки длины 2 по множеству Σ = {a, d}, тогда L = {aa, ad, da, dd}.

Формальные языки и автоматы

В теории автоматов формальный язык — это набор строк, где каждая строка состоит из символов, принадлежащих конечному набору алфавита Σ.Давайте рассмотрим кошачий язык, который может содержать любые строки из бесконечного множества ниже…
mew!
меня!
я ебу !!…

Алфавит для кошачьего языка Σ = {m, e, w,!}. Пусть этот набор используется для модели конечного автомата-m. Тогда формальный язык, характеризуемый моделью m, обозначается

.

L (м)
L (м) = {‘mew!’, ‘Meww!’, ‘Mewww’, ……}

Automaton полезен для определения языка, потому что он может выражать бесконечное множество в замкнутой форме.Формальные языки не совпадают с естественными языками, на которых мы говорим в повседневной жизни. Формальный язык может обозначать различные состояния машины, в отличие от наших обычных языков. Формальный язык используется для моделирования части естественного языка, такой как синтаксис и т. Д. Формальные языки определяются автоматами с конечным числом состояний. Есть две основные точки зрения автоматов с конечным состоянием: акцепторы, которые могут определить, находится ли строка на языке, и вторая — это генератор, который производит только строки на языке.

Детерминированные конечные автоматы

В автоматах детерминированного типа, когда задан вход, мы всегда можем определить, в какое состояние будет переход. Поскольку это конечный автомат, он называется детерминированными конечными автоматами.

Графическое представление

Диаграмма состояний

— это орграфы, используемые для графического представления детерминированных конечных автоматов. Давайте разберемся на примере. Пусть детерминированный конечный автомат имеет вид…
Q = {a, b, c, d}.
Σ = {0, 1}
= {a}
F ​​= {d} и функция перехода будет

Графическое представление в виде таблицы

Диаграмма состояния

Диаграмма состояний детерминированных конечных автоматов

Из диаграммы состояний

  • Состояния представлены вершинами.
  • Переходы представлены дугой, помеченной входным алфавитом.
  • Пустая одиночная входящая дуга представляет начальное состояние.
  • Состояние с двойными кружками — это конечное состояние.

Недетерминированные конечные автоматы

Автоматы, в которых состояние выхода для данного входа не может быть определено, называются недетерминированными автоматами. Его также называют недетерминированными конечными автоматами, поскольку он имеет конечное число состояний. Недетерминированные конечные автоматы представлены в виде набора из 5, где (Q, ∑, δ, qo, F)

Q = конечный набор состояний.
∑ = Набор алфавитов.
δ = переходная функция

, где : qo = Исходное состояние.

Графическое представление

Недетерминированные конечные автоматы представлены с помощью диаграммы состояний. Пусть недетерминированные конечные автоматы будут —

Q = {a, b, c, d}
Σ = {0,1}
qo = {a}
F ​​= {d}

Переходов

Графическое представление Табличная форма
Диаграмма состояний Диаграмма состояний недетерминированных конечных автоматов

Приложения теории автоматов

Приложения теории автоматов включают следующее.

  • Теория автоматов очень полезна в области теории вычислений, производства компиляторов, искусственного интеллекта и т. Д.
  • Для компиляторов обработки текста и проектирования оборудования конечные автоматы играют важную роль.
  • Для приложений в области искусственного интеллекта и языков программирования очень полезна контекстно-свободная грамматика.
  • В области биологии полезны клеточные автоматы.
  • В теории конечных полей также можно найти применение автоматов.

В этой статье мы узнали краткое введение в языки теории автоматов и вычисления.Автоматы существуют с доисторических времен. С изобретением новых технологий в этой области наблюдается много новых разработок. С какими типами автоматов вы сталкивались?

В чем разница между аналоговыми и дискретными сигналами?

Разница между аналоговыми и дискретными сигналами подобна разнице между переключателем света и переключателем света с диммером.

В этой статье мы ответим на основной вопрос, касающийся электрической связи: в чем разница между аналоговыми и дискретными сигналами?

Valve Automation on the Rise

Для все большего числа производителей автоматизация клапанов оказывается выгодным вложением средств.Kimray предлагает несколько продуктов, которые работают с помощью электроэнергии, и знания, чтобы заставить их работать.

Типы связи

В современной нефтегазовой отрасли существует два основных типа электронной связи: дискретная и аналоговая.

Понимание того, как они взаимодействуют с PLC (программируемым логическим контроллером), RTU (Remote Terminal Unit) и другой электроникой, поможет вам выбрать правильное оборудование для вашего приложения.

Дискретные сигналы

Дискретные сигналы либо включены, либо выключены, как выключатель света.

Приложения и процессы, которые вы хотите автоматизировать, будут определять типы дискретных устройств, которые вы выбираете.

Существует множество устройств, используемых для отправки и приема дискретных сигналов включения / выключения. К ним относятся:

Аналоговые сигналы

Аналоговые сигналы — это сигналы, которые могут изменяться или изменяться, как выключатель света с диммером. Диммер будет изменять сопротивление в линии, заставляя свет тускнеть или становиться ярче по вашему выбору.

Уровень жидкости, температура, положение, давление и расход — это лишь некоторые из измерений, которые аналоговые устройства могут предоставить системе управления.

Как что-то физическое, например давление, становится аналоговым сигналом?

Устройства мониторинга, такие как преобразователи, используются для преобразования физических свойств в электрический сигнал. Некоторые преобразователи используют физические свойства для управления сопротивлением в электрической цепи. Вот два примера:

  • RTD — RTD (датчик температуры сопротивления) будет изменять свое значение сопротивления в зависимости от температуры. С увеличением температуры увеличивается и сопротивление в цепи, изменяя подаваемое напряжение или ток.
  • Датчик давления — То же самое верно и для датчиков давления, в которых используются тензодатчики. По мере увеличения давления на тензодатчике сопротивление в цепи увеличивается, а уровень напряжения или тока изменяется.

Выходные сигналы, которые выдают преобразователи, могут быть основаны на напряжении или токе. Самыми популярными сигналами преобразователей в нефтегазовой отрасли являются 4-20 мА (миллиампер) и 0-10 В постоянного тока (постоянный ток вольт).

Аналоговые устройства используются в таких приложениях, как управление давлением, управление потоком и других приложениях, где изменяющийся сигнал используется для дросселирования или управления положением устройства.

Чтобы обсудить со специалистом электрические опции для вашей работы, обратитесь в местный магазин Kimray или к авторизованному дистрибьютору.

конечных автоматов | Блестящая вики по математике и науке

Детерминированные конечные автоматы

Детерминированный конечный автомат (ДКА) описывается набором из пяти элементов: (Q, Σ, δ, q0, F) (Q, \ Sigma, \ delta, q_0, F) (Q, Σ, δ, q0 , F).

QQQ = конечный набор состояний

Σ \ SigmaΣ = конечный непустой входной алфавит

δ \ deltaδ = серия переходных функций

q0q_0q0 = начальное состояние

FFF = набор состояний приема

Должна быть ровно одна функция перехода для каждого входного символа в Σ \ SigmaΣ из каждого состояния.

DFA могут быть представлены схемами такого вида:

Напишите описание DFA, показанного выше. Опишите словами, что он делает.

Показать ответ

Q = {s1, s2} Q = \ {s_1, s_2 \} Q = {s1, s2}

Σ = {0,1} \ Sigma \ = \ {0,1 \} Σ = {0,1}

В следующей таблице описывается δ \ deltaδ:

текущее состояние входной символ новое состояние
s1s_1s1 1 s1s_1s1
s1s_1s2 0225 s262 s2s_2s2
s2s_2s2 0 s1s_1s1

q0 = s1q_0 = s_1q0 = s1

F = s1F = {s_1} F = s1

Этот DFA распознает все строки, в которых есть четное количество нулей (и любое количество единиц).Это означает, что если вы запустите любую входную строку с четным числом 0, строка завершится в состоянии принятия. Если вы запустите строку с нечетным числом 0, строка завершится на s2s_2s2, что не является состоянием приема.

abacdaac abac ааааак aaaacd

Какая строка не может быть сгенерирована конечным автоматом ниже?

Вот диаграмма DFA, которая описывает несколько простых движений, которые может делать персонаж в видеоигре: стоять, бегать и прыгать.Кнопки, которые игрок может использовать для управления этим конкретным персонажем, — это «Вверх», «А» или игрок не может нажимать кнопку.

Используя диаграмму состояний для персонажа видеоигры, описанного выше, опишите, как игрок может управлять своим персонажем, чтобы он переходил от стояния к бегу к прыжку.

Показать ответ

В стоячем состоянии игрок не может ничего нажимать и оставаться в стоячем состоянии, затем, чтобы перейти в состояние бега, пользователь должен нажать кнопку «Вверх».В состоянии бега пользователь может продолжать заставлять своего персонажа бегать, нажимая кнопку «Вверх», а затем для перехода в состояние перехода пользователь должен нажать «А».

Нарисуйте диаграмму для DFA, который распознает следующий язык: Язык всех строк, заканчивающихся на 1.

Показать ответ

Недетерминированные конечные автоматы

Подобно DFA, недетерминированный конечный автомат (NDFA или NFA) описывается набором из пяти элементов: (Q, Σ, δ, q0, F) (Q, \ Sigma, \ delta, q_0, F) (Q, Σ, δ, q0, F).

QQQ = конечный набор состояний

Σ \ SigmaΣ = конечный непустой входной алфавит

δ \ deltaδ = серия переходных функций

q0q_0q0 = начальное состояние

FFF = набор состояний приема

В отличие от DFA, для NDFA требуется , а не , чтобы иметь функции перехода для каждого символа в Σ \ SigmaΣ, и может быть несколько функций перехода в одном и том же состоянии для одного и того же символа. Кроме того, NDFA могут использовать нулевые переходы, которые обозначаются символом «\ epsilon».Нулевые переходы позволяют машине переходить из одного состояния в другое без необходимости читать символ.

NDFA принимает строку xxx, если существует путь, совместимый с этой строкой, который заканчивается в состоянии принятия.

NDFA могут быть представлены схемами следующего вида:

источник [1]

Опишите язык, который распознается указанным выше NDFA.

Показать ответ

NDFA распознает строки, оканчивающиеся на «10», и строки, оканчивающиеся на «01».”

Состояние aaa — это начальное состояние, и оттуда мы можем создать строку с любым количеством единиц и нулей в любом порядке, а затем перейти в состояние bbb или состояние eee, или мы можем сразу перейти в состояние bbb или состояние eee. В любом случае NDFA будет принимать только строку, которая достигает состояния ddd или состояния ggg. Чтобы достичь состояния ddd или состояния ggg, строка должна заканчиваться «01» (для состояния ddd) или «10» (для состояния ggg).

Например, все следующие строки распознаются этим NDFA.

  • 00000000010
  • 10
  • 01
  • 1111101

Какая строка не может быть сгенерирована конечным автоматом ниже?

Нарисуйте диаграмму для NDFA, которая описывает следующий язык: Язык всех строк, заканчивающихся на 1.

Показать ответ

На пути к внедрению клеточных автоматов в микробные топливные элементы

Abstract

Микробный топливный элемент (MFC) — это биоэлектрохимический преобразователь, преобразующий отходы в электричество с помощью микробных сообществ. Cellular Automaton (CA) — это однородный массив конечных автоматов, которые обновляют свои состояния в дискретное время в зависимости от состояний своих ближайших соседей по одному и тому же правилу.Массивы MFC в принципе могут действовать как вычислительные устройства с массовым параллелизмом с локальной связью между элементарными процессорами. Мы обеспечиваем теоретический дизайн такого параллельного процессора путем реализации CA в MFC. Мы выбрали «Игру жизни» Конвея в качестве «эталонного» ЦА, потому что это самый популярный ЦС, который также демонстрирует чрезвычайно богатый спектр шаблонов. Каждая ячейка CA Game of Life реализована с помощью двух MFC. MFC связаны электрически и гидравлически. Модель проверена путем моделирования электрической цепи, демонстрирующей эквивалентное поведение.Этот проект — первый шаг к будущим реализациям полностью автономных биологических вычислительных устройств с массивным параллелизмом. Энергетическая независимость таких устройств противодействует их несколько медленным переходам — ​​по сравнению с кремниевой схемой — между различными состояниями во время вычислений.

Образец цитирования: Tsompanas M-AI, Adamatzky A, Sirakoulis GC, Greenman J, Ieropoulos I (2017) На пути к внедрению клеточных автоматов в микробные топливные элементы. PLoS ONE 12 (5): e0177528.https://doi.org/10.1371/journal.pone.0177528

Редактор: Франческо Паппалардо, Universita degli Studi di Catania, ИТАЛИЯ

Поступила: 17.11.2016; Принята к печати: 29 апреля 2017 г .; Опубликован: 12 мая 2017 г.

Авторские права: © 2017 Tsompanas et al. Это статья в открытом доступе, распространяемая в соответствии с условиями лицензии Creative Commons Attribution License, которая разрешает неограниченное использование, распространение и воспроизведение на любом носителе при условии указания автора и источника.

Доступность данных: Все соответствующие данные находятся в документе.

Финансирование: Эта работа была поддержана Программой исследований и инноваций Европейского Союза Horizon 2020 в соответствии с соглашением о гранте № 686585 (https://ec.europa.eu/programmes/horizon2020/).

Конкурирующие интересы: Авторы заявили об отсутствии конкурирующих интересов.

Введение

Микробные топливные элементы (MFC) — это устройства, которые производят электроэнергию из сточных вод, используя процессы метаболического окисления микробов [1].MFC состоит из протонообменной мембраны (PEM), анода (отрицательный полуэлемент) и катода (положительный полуэлемент). Электричество генерируется как побочный продукт микробного метаболизма, в результате которого электроны перетекают из бактериальных клеток на анодный электрод, а затем от анода к катодному электроду через внешнюю электрическую цепь; это создает поток электрического тока. Положительно заряженные ионы, которые являются продуктами реакций окисления, например протоны, также выходят из бактериальных клеток из-за электронной нейтральности и диффундируют к катоду через PEM.Электроны, катионы и выбранный катодный окислитель (например, кислород) рекомбинируют для завершения реакции и замыкания цепи. Несмотря на то, что технология MFC является предметом исследований в течение как минимум трех десятилетий, практическое внедрение или коммерциализация все еще ограничены [2–7].

В последнее время активизируются исследования МФЦ. Например, исследование недавно открытого графена как многообещающего электродного материала показало, что он значительно улучшает биоэлектрокаталитические свойства [8].В [9] был предложен MFC, использующий электрокаталитические анодные и катодные электроды, функционализированные графеном, которые осуществляют окисление NADH и восстановление H 2 O 2 . Это устройство использовалось в условиях, имитирующих человеческое тело, и его следовало изучить как имплантируемое устройство, работающее от естественной биожидкости. Тем не менее, было изучено использование свободноживущих фототрофных азотфиксирующих цианобактерий в другой области, а именно в области сельского хозяйства, в качестве биоудобрений [10].Тем не менее, электропроводность и взаимодействие между популяциями бактерий и электродами необходимо рассматривать через призму микробной экологии [11] и аспектов синтетической биологии [12].

В дополнение к использованию MFC в очистке сточных вод и производстве энергии было предложено их использование в других областях, например, в сенсорных приложениях [13, 14]. Тем не менее, приложение, которое редко изучается, использует конфигурации на основе MFC, которые реализуют вычислительные блоки [15, 16].Более конкретно, первый подход [15] заключался в воспроизведении обычных двоичных логических вентилей с использованием MFC, чтобы исследовать возможности такой системы, с конечной целью создания некремниевых многозначных логических процессоров, предусмотренных теми же авторами. в [15]. В этом исследовании предлагаются конструкции гидравлических и электрических соединений для построения трех основных логических вентилей (И, ИЛИ и НЕ), которые можно комбинировать для сборки универсальных вентилей, следовательно, схем, способных к универсальным вычислениям.

Помимо базовых логических вентилей, были продемонстрированы более сложные вычислительные возможности с соответствующим соединением небольшого количества MFC, а именно упрощенная Павловская модель обучения [16]. В этом исследовании симбиотическая смесь природных бактерий, таких как анодофилы, способных к внеклеточной передаче электронов — производство тока, и искусственных систем, таких как электроды, приводы, насосы и химические растворы, использовались для моделирования цикла обучения. Упрощенная модель обучения Павлова [16] исследует связь ряда входов системы, чтобы обеспечить желаемый результат.Например, входы могут быть определены как запах еды и звук колокольчика, а выход — переключение слюноотделения, если рассматривать систему как домашнее животное. В деталях, два сигнала, представляющие запах пищи, который активирует выработку слюны, и слышание звука колокольчика, не активирующего независимо выработку слюны, были связаны, чтобы звук колокольчика запускал слюноотделение. производство слюны само по себе, т.е. автоматически.

Несмотря на кажущиеся упрощенными двоичные вычислительные задачи, выполняемые в обоих вышеупомянутых исследованиях [15, 16], авторы обращают внимание на большое количество состояний, которые могут быть реализованы устройствами MFC для обеспечения сложных вычислений.В этом отношении здесь предлагается конфигурация MFC для имитации вычислительной динамики клеточных автоматов (CA). Недавно была предложена новая разработка MFC, которая включает введение дополнительных электродов, действующих как точки равновесия / смещения или «штыри» [номер заявки на патент: GB1501570.4]. В этом случае отрицательный вывод внешнего смещения подключается к рабочему анодному электроду, а положительный вывод внешнего смещения подключается к третьему электроду. Это приводит к модуляции стандартного окислительно-восстановительного потенциала () до уровня, подаваемого внешним источником.Изобретение вводит принцип электрохимического окислительно-восстановительного смещения (восстановления-окисления) через третий и / или четвертый электрод, когда внешний источник питания или другой MFC подключен к этому третьему или четвертому контакту и к рабочему аноду или катодному электроду, соответственно. . По умолчанию это нетрадиционный способ подключения, поскольку разность потенциалов (напряжение) внешнего MFC (также известного как « драйвер ») может смещать разность окислительно-восстановительных потенциалов (напряжение) анодного или катодного полуэлемента, в зависимости от конечно от того, как производится подключение.Такая система, естественно, подвержена поляризации и поэтому ограничена постоянной времени ( t ) в зависимости от материалов, уровней напряжения и состояний окисления / восстановления. Следовательно, система является идеальной платформой для методов широтно-импульсной модуляции. В целях настоящего исследования третий электрод используется для достижения равновесия и, таким образом, имеет два MFC, которые ведут себя как ячейка CA. Обратите внимание, что третий электрод, используемый в вышеупомянутой схеме MFC, также может действовать как электрод сравнения.

КА можно рассматривать как идеализацию физической системы, в которой пространство и время дискретны, а физические величины принимают только конечный набор значений [17, 18]. CA состоит из одинаковых ячеек в регулярной сетке, которые характеризуются своим состоянием. Состояние каждой ячейки обновляется единым локальным правилом в зависимости от состояний ячеек в ее окрестностях. ЦС можно концептуально идентифицировать как общие и простые [19]. Термин общий относится к тому факту, что центры сертификации могут способствовать универсальным вычислениям и что правила обновления ячеек состояния и локального уровня не ограничиваются конкретными правилами.Более того, термин простой оправдан простой схемой CA — ячейки характеризуются базовыми состояниями с локальными взаимодействиями — по сравнению с другими вычислительными машинами. Наконец, CA можно рассматривать как одного из самых любимых кандидатов в будущие вычислительные архитектуры, устраняющие узкое место архитектуры фон Неймана, когда речь идет о сосуществовании вычислительных модулей и модулей памяти в одном простом модуле или ячейке CA.

В частности, изучается хорошо известная модель CA, а именно Game of Life (GoL) Конвея, которая инкапсулирует возможности универсальных вычислений и конструирования [20].Однако реализация GoL здесь не ограничивает возможности возможных конфигураций, состоящих из гидравлически и электрически связанных MFC. Фактически, на основе локальной активности [21], проявляемой MFC, любое локальное правило CA может быть реализовано в аналогичных конфигурациях. Помимо преимущества энергонезависимости, наряду с очисткой воды предложенной вычислительной схемы, по сравнению с другими преобразователями возобновляемых источников энергии, MFC объединяют как механизмы извлечения энергии, так и вычислительные блоки.

Здесь следует отметить, что источник топлива, то есть сточные воды, используемых MFC, должен быть сбалансированным, но ограниченным, чтобы добиться желаемого поведения. Тем не менее, существуют стандарты очистки сточных вод, которым представленная здесь схема может не соответствовать, и добавление большего количества МФЦ, необходимых после глобального стока компьютерной системы, может свидетельствовать о достижении более низкого значения регулируемых максимальных концентраций органических веществ. Дополнительные MFC не будут мешать процедуре вычислений.Тем не менее, расчетная схема частично поспособствует процессу очистки сточных вод.

Более того, продолжающаяся миниатюризация МФЦ [7] позволит производить меньшие по размеру единицы биологической обработки. Наконец, количество физико-химических параметров, которыми можно управлять извне и которые влияют на производительность и, таким образом, выход биопленок в MFC, огромен [16]. Этот факт может оправдать использование MFC для более сложных вычислительных схем, чем те, которые предлагались до сих пор.

МФЦ

основаны на бактериальном метаболизме и могут быть стабильными и демонстрировать динамические установившиеся состояния в зависимости от экологических / физико-химических условий, как только на электроде образуется биопленка. Здесь использовались стандартные МФЦ, вмещающие мезофильные микроорганизмы, которые имеют широкую толерантность, даже при работе в условиях, которые не полностью соответствуют условиям окружающей среды (температура 30 ° C , влажность 50-60%, pH 7,0 и окружающая / атмосферная давление).Однако есть два ключевых ограничения предложенной схемы, основанной на биологии, по сравнению с традиционной вычислительной кремниевой схемой. Естественно, скорости реакции, способствующие выработке энергии в MFC, приводят к замедленной реакции выходов на чередование входов. Хотя задержка между входами и выходами схемы на основе MFC значительна (около 4 минут [15]) и не может сравниться со скоростью переключения современных вычислительных электронных схем (порядка наносекунд), как в установившемся режиме, так и в переходное поведение между установившимися состояниями было найдено согласованным и воспроизводимым [15], таким образом, эти системы могут быть использованы для вычислительных приложений.Однако СА отличаются присущей им параллельной природой, которая не подавляется при их реализации с помощью предлагаемой системы на биологической основе. Следовательно, внутренний параллелизм обеих систем будет способствовать уменьшению расхождения во времени вычислений. В дополнение к этому, потребности современных вычислений помимо классических устройств, где поведение переключения сильно зависит от стабильности новых устройств, их характеристик переключения, включая высокое (и четкое) соотношение между состояниями «включено» и «выключено», удовлетворяются за счет Предлагаемая схема.Тем не менее, амплитуда выходных сигналов MFC ограничена теоретическим максимумом 1,1 В [1], что недостаточно для управления широко доступной современной и традиционной электроникой. Несмотря на это, тенденция к снижению мощности, необходимой для обычной электроники, сократит разрыв между этими технологиями в будущем и, возможно, объединит их в гибридные системы.

Игра жизни

Клеточный автомат (CA) состоит из регулярной сетки ячеек. Каждая ячейка принимает k различных состояний, где k > 2, но не сразу.Сетка может быть n -мерной ( n ≥ 1). Эволюция клеток происходит в дискретные моменты времени. Это означает, что состояние каждой ячейки в сетке изменяется только в дискретные моменты времени, а именно на временных шагах t . Временной шаг t = 0 обычно рассматривается как начальный шаг, и поэтому никаких изменений в состоянии ячеек не происходит.

Для каждой ячейки определяется набор ячеек, называемый ее окрестностью (обычно включая саму ячейку), относительно указанной ячейки.Для двумерных ЦС обычным типом соседства является район Мура . А именно, район Мура состоит из центральной ячейки, состояние которой подлежит обновлению, и восьми ячеек; непосредственно соседние камеры, расположенные к северу, югу, востоку, западу, северо-западу, северо-востоку, юго-востоку и юго-западу от центральной ячейки.

Развитие ячеек требует определения состояния ячейки, соседних ячеек, а также функции локального перехода:

Состояние ячейки на временном шаге ( t + 1) вычисляется в соответствии с R . R является функцией состояния этой ячейки на временном шаге ( t ) и состояний ячеек в ее окрестности на временном шаге ( t ). В приведенном выше определении функция R идентична для всех сайтов и применяется одновременно к каждому из них, что приводит к синхронной динамике. Важно отметить, что правило однородно, т.е. не зависит явно от положения ячейки. Однако пространственные неоднородности могут быть внесены путем систематического установления фиксированного значения некоторых состояний ячеек, т.е.е. 1 в некоторых заданных местах решетки, чтобы отметить определенные ячейки, для которых применяется другое правило. Кроме того, новое состояние в момент времени t + 1 является только функцией предыдущего состояния в момент времени t . Иногда бывает необходимо иметь большую память и вводить зависимость от состояний на временах t — 1, t — 2,…, t k . Такая ситуация уже включена в определение, если в текущем состоянии сохраняется копия предыдущего состояния.

Игра Жизни Конвея (GoL) — это двумерная СА с бинарными состояниями [22], которая внесла значительный вклад в широкое внимание, которое привлекла теория КА. Рассматривается соседство Мура, , и два состояния, которые может принять каждая ячейка, — это живое и мертвое (или «1» и «0», соответственно). Правило локального перехода использует состояния всех девяти ячеек в окрестности во время непосредственно предшествующего временного шага, чтобы определить новое состояние центральной ячейки в окрестности.В частности, могут происходить следующие переходы между состояниями:

  1. Когда ячейка мертва в момент времени t и ровно три из восьми соседей живы , ячейка принимает состояние жив в момент времени t + 1.
  2. Когда ячейка активна в момент времени t и ни один, один или более трех из восьми соседей являются живыми , ячейка принимает состояние мертв в момент времени t + 1.

Обратите внимание, что если ни один из двух вышеупомянутых случаев не является истинным, локальное правило требует, чтобы ячейка сохранила свое предыдущее состояние. Предполагая, что i и j — это индексы измерений, которые определяют положение каждой ячейки в сетке, а t — текущий временной шаг, правило перехода можно выразить как: (4)

Обратите внимание, что Мур окрестность ячейки C i , j состоит из ячеек C i +1, j , C i +1 , C i −1, j , C i , j −1 , C i +1, j , C i +1, j −1 , C i −1, j +1 , C i −1, j — 1 и сама ячейка.

Предполагается, что сложность, присущая GoL, связана с тем, что его правило перехода немонотонно и нелинейно [20, 21, 23]. Более того, вышеупомянутое правило характеризуется как внешнее тоталистическое правило, учитывая, что оно учитывает только значение центральной ячейки во время последнего временного шага и сумму значений ячеек во внешней окрестности Мура .

Также была предложена непрерывная версия GoL, а именно непрерывный пространственный автомат с дискретным временем и тем же поведением, что и GoL [24].В непрерывных пространственных автоматах клетки и их состояния образуют континуум. Подобное поведение GoL в непрерывном поле может быть реализовано с помощью локального правила, реализуемого немонотонной функцией плотности населения в окрестности. Это предполагает, что функция будет графически представлена ​​в двух измерениях, а именно: вход или плотность населения на оси x и выход или следующее состояние ячейки на оси y . Принимая во внимание правила исходной GoL, непрерывная функция локального правила должна непрерывно увеличиваться в пространстве (0, м ) и непрерывно уменьшаться в пространстве ( м , 1), например, перевернутая парабола; где м — значение в пространстве (0, 1), минимальное значение плотности населения равно 0, а максимальное значение — 1.Обратите внимание, что значение м = 3/8 обеспечивает наиболее близкую аналогию со стандартным двоичным GoL.

В другом исследовании [25] была предложена модель CA с локальным правилом, основанная на выражении с непрерывными значениями с тремя параметрами. Эта модель соответствует GoL, когда один из этих параметров, а именно один, определенный как температура T , приблизительно равен нулю, а два других имеют соответствующие значения. Исследованы верхние пределы температурного параметра, где образования GoL, как и планеры, начинают распадаться.Тем не менее, предполагается, что для более высоких значений параметра T поведение модели все больше склоняется к хаосу [20].

Кроме того, была предложена реализация GoL с помощью сотовых нейронных сетей (CNN) [26]. В этом исследовании были представлены двухслойный одношаговый шаблон CNN, многоступенчатый трехуровневый шаблон CNN с дискретным временем с пороговым сигмоидом, а также многошаговый и многоступенчатый кусочно-линейный шаблон CNN с дискретным временем.

Предлагаемая реализация

Вдохновленные реализацией, использующей MFC для построения логических вентилей [15], мы предлагаем новую реализацию для выполнения популярного примера CA, а именно вышеупомянутого GoL.Здесь выбран экземпляр GoL, поскольку это отличный пример того факта, что сложное поведение возникает в результате тривиального локального взаимодействия простых агентов. Тем не менее, применение правил GoL для реализации функций, которые могут быть переведены как глобальные вычисления [20], может определять ограничения предлагаемой конфигурации. На функциональность MFC влияет напряжение, приложенное к третьему электроду (см. Рис. 1A) устройства, которое создает электрохимическое окислительно-восстановительное смещение.

Схема, реализующая одну ячейку GoL CA, состоит из двух MFC, одного первичного и одного вторичного.Два MFC гидравлически и электрически связаны, как показано на рис. 1B. Первичный MFC питается от основного / начального источника топлива, в то время как вторичный питается стоками второго. Оба работают в условиях непрерывного потока. Было доказано, что MFC, уложенные в каскады, производят более высокую мощность и плотность тока, когда их положение находится выше по каскаду и, таким образом, они питаются напрямую от источника топлива, чем те, которые размещены ниже по потоку [6, 27]. Следовательно, установка источника топлива, который обеспечивает сбалансированную, но ограниченную концентрацию субстрата, позволит функционировать только одному из MFC.Обратите внимание, что поток вторичного MFC не возвращается в другую вычислительную схему MFC. Из-за короткого каскада МФЦ, короткого времени удерживания и их изменчивой производительности, зависящей от процесса вычислений, стандарты качества сточных вод могут не соблюдаться. Таким образом, могут быть добавлены дополнительные этапы MFC, нацеленные исключительно на очистку сточных вод, с получением сточных вод расчетной схемы и получением конечных очищенных сточных вод. Однако это не изменит поведения представленной здесь вычислительной схемы, и точный процесс очистки выходит за рамки данной работы.

Предполагается, что биопленка, образованная в обоих МФЦ, находится в стабильном состоянии и не зависит от метаногенов или сульфатредуцирующих бактерий, поскольку они будут удерживать полезный субстрат от внеклеточных бактерий, переносящих электроны, таким образом, уменьшая основной процесс текущего производства. Учитывая, что третий электрод будет находиться в анодном отсеке в течение длительных периодов времени, рост биопленки неизбежен; однако ожидается, что это явление не повлияет на основную функциональность третьего электрода в качестве штифта смещения.Весь смысл включения дополнительного электрода в анодную камеру состоит в том, чтобы его можно было использовать для создания окислительно-восстановительного смещения от внешнего источника. Несомненно, существуют методы, которые можно использовать для подавления любого роста бактерий на дополнительном электроде, такие как противообрастающие покрытия, но они не входят в объем настоящей работы.

Выбор того, какой из двух MFC будет работать, зависит от их электрического соединения. Оба МФЦ независимо оснащены третьим электродом.Эти электроды соединены через фиксированные различные сопротивления ( R 1 и R 2 ), причем один контакт представляет собой электрический вход реализации ячейки CA. Обратите внимание, что различные значения сопротивления разделяют работу ячейки MFC GoL на три области в зависимости от подаваемого входного напряжения, как описано ниже. Выходная мощность вторичного MFC используется для описания состояния ячейки CA, то есть ее выхода. Значения сопротивлений, используемых в качестве нагрузки для двух MFC, фиксированы и не равны друг другу.Нагрузка первичного MFC используется для замыкания цепи и обеспечения желаемого поведения — расхода подложки — при необходимости. Нагрузка вторичного MFC представляет собой эквивалентное сопротивление локальных межсоединений соседних ячеек GoL, наблюдаемое вторичным MFC центральной ячейки GoL.

Первичный MFC будет действовать как блок управления через гидравлическую связь для вторичного. Считается, что основной источник топлива обеспечивает решение с ограниченной углеродной энергией, так что только один из двух МФЦ сможет полностью обработать его с помощью своей анодофильной биопленки, способной к внеклеточному переносу электронов, для выработки электричества.Когда соответствующее смещение приложено к входному порту ячейки CA, таким образом, на третьем электроде первичного MFC, процессы в биопленке анода первичного MFC будут активированы. Следовательно, биопленка будет использовать питательные вещества из источника, в результате чего сточные воды будут обеднены углеродной энергией, которая будет использоваться в качестве притока для вторичного MFC. Это означает, что вторичный MFC не сможет вырабатывать электрическую энергию и его выходная мощность будет низкой, следовательно, состояние предлагаемой ячейки CA будет «0» (см. Рис. 2C).

Рис. 2. Три рабочих региона схемы на основе MFC.

A: Низкое входное смещение, приводящее к состоянию «0». B: Промежуточное входное смещение результирующего состояния «1». C: Высокое входное смещение, приводящее к состоянию «0».

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0177528.g002

С другой стороны, когда смещение, приложенное к третьему электроду обоих MFC, достаточно низкое (или нулевое), ни один из них не будет активирован. Следовательно, мощность, производимая вторичным MFC, будет низкой, и состояние предлагаемой ячейки CA будет «0» (см. Рис. 2A).

Наконец, промежуточное значение смещения, приложенное к входу ячейки CA или третьим электродам обоих MFC, позволит вторичному MFC производить электричество. При условии, что конструкция с соответствующим образом выбранными значениями сопротивлений, подключенных к третьим электродам, падение напряжения на сопротивлении, подключенном к первичному MFC, будет достаточно большим, чтобы не допустить его активации и, таким образом, истощения углеродной энергии в его выходящем потоке. Обратите внимание, что значения входных сопротивлений R 1 и R 2 являются фиксированными и должны удовлетворять R 1 > R 2 , чтобы установить падение напряжения, которое будет только срабатывать. вторичный МФЦ.Падение напряжения на сопротивлении, подключенном к вторичному MFC, будет недостаточно большим, но, учитывая, что входящий поток будет насыщен углеродной энергией (т.е. богат метаболитами), это приведет к выработке электрического тока (состояние «1»). (см. рис. 2B).

Выходная мощность ( P ) каждой ячейки CA для трех рабочих областей выражается по отношению к приложенному входному смещению ( В, ), как в уравнении (5). Обратите внимание, что временной вариант включен в уравнение, чтобы соответствовать терминологии CA.Временной вариант имеет реальную аналогию с переходной реакцией для установления нового устойчивого состояния в результате изменений условий, применяемых к компоненту биопленки. Этот переходный ответ составляет примерно четыре минуты [15]. (5)

Диапазон значений напряжения, которые могут применяться для облегчения определенных окислительно-восстановительных реакций, может варьироваться от -0,32 В ( NAD / NADH ) вплоть до +0,82 В ( O ). 2 ).Определение входного смещения как низкого или высокого связано с порогом, который активирует функциональность конкретного MFC, как описано в уравнении (5).

Каждая ячейка CA, реализованная дуэтом MFC, связана со своими восемью соседями, как показано на рис. 3, для формирования окрестности Мура, которая используется в GoL. Ток, производимый каждым вторичным MFC, используется для передачи информации о состоянии центральной ячейки всем ее соседям.

Эквивалент электрической цепи

Электрическая схема, которая имеет поведение, эквивалентное конфигурации MFC, представленной в предыдущем разделе, и, таким образом, реализует правило перехода состояний ячейки GoL, представлена ​​на рис. 4A.Однако есть существенные отличия. Во-первых, логика MFC может комбинировать гидравлические и электрические связи, таким образом, она может выполнять более сложные вычисления с тем же количеством основных строительных единиц. Как упоминалось ранее, существует огромное количество физико-химических параметров, которые влияют на биопленки в MFC. В результате MFC, который используется в качестве вычислительного блока, кроме электрических контактов, также имеет гидравлические входы, которые влияют на его функциональность. Обратите внимание, что нет возможности соединения двух транзисторов, которые будут действовать как электрический аналог предложенной конфигурации дуэта MFC, и, таким образом, на рис. 4A используются три транзистора.Причем схемы MFC требуют не внешнего источника питания, а источника топлива; топливо, которое недорогое и в изобилии. Следовательно, предлагаемые вычислительные конфигурации вместо потребления энергии способны производить электрическую энергию, уровень которой будет зависеть от требований желаемой задачи; Другими словами, более сложная вычислительная задача, требующая большего количества MFC, естественно, будет генерировать больше энергии. Напротив, переходная характеристика в электрической цепи быстрее.

Рис. 4. Электрическая схема, эквивалентная предлагаемой конфигурации MFC.

A: Схема эквивалентной схемы, где R : сопротивления, Q : транзисторы, C : конденсатор и В 2: источник питания напряжения. B: Выход эквивалентной схемы.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0177528.g004

Всего схема состоит из трех транзисторов. Транзисторы Q1-Q2 обеспечивают высокий выход, когда входное напряжение выше нижнего порога (т.е.е. 2 В, как показано на рисунке 4B), тогда как Q3 приводит к высокому выходу, когда входное напряжение ниже верхнего порога (то есть 7 В, как показано на рисунке 4B). Также соединение коллекторов транзисторов Q2 и Q3 образует проводку и затвор. Выходное напряжение (синяя линия) схемы, коррелированное с входным синусоидальным напряжением (черная линия), показано на рис. 4B. Поведение схемы имитирует поведение непрерывной ячейки GoL [24]. Значения R 1 и R 2 на рисунках 2 и 4 не совпадают.Обратите внимание, что различные диапазоны напряжения были исследованы в двух системах, как описано ниже.

Выбор 2 и 7 В произвольный и сделан для того, чтобы проиллюстрировать функциональность эквивалентной схемы. Обратите внимание, что любые другие значения можно рассматривать как два порога, которые запускают включение и выключение выхода следующего состояния, как указано локальным правилом двоичного GoL (уравнение (4)). Представление входных и выходных сигналов физической величиной, в данном случае напряжением, методом суммирования выходных сигналов соседей и наложенными потерями, определяют значения этих пороговых значений.Пороговые значения не ограничивают универсальность функциональности системы. Эти значения не являются репрезентативными для MFC, которые могут обеспечивать максимальное напряжение приблизительно 1,1 В.

Функциональные возможности эквивалентной схемы для трех различных состояний представлены на рис. 5, и их можно сравнить с функциональными возможностями конфигурации MFC, представленной на рис. 2.

Рис. 5. Три рабочих региона эквивалентной схемы.

A: Низкий ток на входе приводит к состоянию «0».B: Промежуточный токовый вход, результирующее состояние «1». C: Высокий входной ток, приводящий к состоянию «0».

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0177528.g005

Значения входных напряжений для трех рабочих областей, показанных на рисунке 5 эквивалентной схемы, можно извлечь из рисунка 4B. А именно, высокое входное напряжение превышает 7 В, промежуточное входное напряжение составляет от 7 до 2 В, а низкое входное напряжение ниже 2 В. Аналогично, значения выходного напряжения: 0 В для «нет» выхода и 5 В для «высокого» выхода.

Эквивалентом первичного MFC является Q3, а эквивалентом вторичного MFC — Q1. В то время как функциональность гидравлического соединения между MFC приблизительно соответствует Q2, а также проводному соединению и затвору (соединение коллекторов транзисторов Q2 и Q3). Это соединение может быть выполнено путем сравнения состояния каждого элемента в трех различных рабочих областях, показанных на рисунках 2 и 5.

Здесь следует отметить, что эквивалентная схема не разработана как возможный аналог ячейки GoL на основе MFC, а именно с такими же величинами и временными масштабами выходных напряжений.Напротив, эквивалентная схема спроектирована как демонстрация обычной электрической системы, выполняющей GoL, и для того, чтобы обеспечить случай управления, который можно сравнить с предложенной нетрадиционной схемой на основе MFC. Масштаб времени эквивалентной электрической схемы может совпадать с масштабом выходных сигналов системы MFC, то есть минутами, путем изменения задержек, налагаемых специализированными схемами таймера; тем не менее, это не добавит дополнительных деталей или не ограничит поведение эквивалентной системы.С другой стороны, амплитуда напряжения эквивалентной электрической системы была выбрана для иллюстрации и не ограничивает функциональность системы.

Чтобы проиллюстрировать функциональность эквивалентной схемы по правилам GoL, с помощью программного обеспечения LTspice спроектирована сетка из 3 × 3 ячеек, как показано на рис. 6. Несмотря на то, что длину сетки можно охарактеризовать как малую, эта сетка используется в демонстрационных целях, поэтому ее простота повышает удобочитаемость и детальное понимание предлагаемых электронных схем.Тем не менее, проектирование более крупных сетей, то есть из n × n ячеек, является тривиальной и простой процедурой из-за хорошо известных характерных особенностей CA, таких как локальные межсоединения, простота, единообразие и использование площади. Сетка инициализируется с помощью транзисторов Q1, Q2 и Q3, чтобы установить на входах ячеек X4, X5 и X6 напряжение, необходимое для запуска состояния «1» на следующем временном шаге. Обратите внимание на результаты, показанные на рис. 7, что выходы центральной ячейки (X5) и западной ячейки (X4) высокие (состояние «1») при t = 2 мс .Также обратите внимание, что состояние центральной ячейки остается «1», в то время как состояния западной (X4) и северной (X2) ячеек колеблются между состояниями «1» и «0», в то время как они оба не находятся в состоянии «1». одно и то же состояние для любого временного шага. Каждая ячейка в сетке, представленной на рис. 6, состоит из схемы, изображенной на рис. 4A, и схемы, добавляющей некоторую временную задержку между ее входом и выходом. Схема временной задержки для этого примера добавляет 1 мс с момента изменения входа к ответу ячейки, чтобы реализовать правила GoL в синхронном режиме и избежать потери сигналов.Эта процедура является неотъемлемой частью конфигурации MFC, поскольку время перехода между состояниями, как сообщается, составляет около четырех минут [15].

Выводы

Возможности MFC в очистке воды, извлечении полезных элементов, сенсорных приложениях и производстве энергии были тщательно изучены. Другое предложенное приложение для MFC — выполнение вычислительных функций, которое было выражено как построение обычных логических вентилей, модели обучения Павлова и, в данном исследовании, реализации парадигмы CA, а именно GoL.

Возможность соединения MFC через гидравлические и электрические соединения и множественные состояния, которые могут быть приняты каждым MFC, делает возможные вычислительные конфигурации более сложными, чем обычные. Более того, вычислительные блоки MFC не ограничены источником питания; напротив, они питаются от устойчивых, разнообразных и обильных источников топлива. Недостатком этих систем является длительное время перехода между устойчивыми состояниями, которое может достигать четырех минут; однако, как сообщается, они согласуются.

Здесь была предложена конструкция дуэта MFC, соединенных между собой гидравлически и электрически, чтобы сформировать единицу, которая ведет себя как ячейка GoL. А именно, сток одного MFC используется как приток другого, третьи электроды обоих соединены с электрическим входом ячейки, в то время как анод одного из MFC используется как выход ячейки. Учитывая тот факт, что предложенная конфигурация, состоящая из двух MFC, ведет себя так же, как ячейка GoL CA, реализация универсального вычисления возможна.

Аспектом будущей работы является реализация различных локальных правил CA с конфигурациями реальных взаимосвязанных MFC. Кроме того, будет исследована возможность использования обычных вычислительных машин для инициализации CA-сетки и использования выходных данных для разработки и реализации гибридной вычислительной системы.

Благодарности

Эта работа финансировалась Программой исследований и инноваций Европейского Союза Horizon 2020 в рамках Соглашения о гранте №

.686585. http://livingarchitecture-h3020.eu

Вклад авторов

  1. Концептуализация: MAIT.
  2. Обработка данных: MAIT.
  3. Формальный анализ: MAIT AA GCS JG II.
  4. Получение финансирования: AA.
  5. Методология: MAIT AA GCS JG II.
  6. Надзор: AA II.
  7. Проверка: MAIT.
  8. Визуализация: MAIT.
  9. Написание — первоначальный эскиз: MAIT.
  10. Написание — просмотр и редактирование: MAIT AA GCS JG II.

Ссылки

  1. 1. Ieropoulos I, Greenman J, Lewis D, Knoop O. Производство энергии и улучшение санитарных условий с использованием микробных топливных элементов. Журнал водной санитарии и гигиены в целях развития. 2013. 3 (3): 383–391.
  2. 2. Cheng S, Xing D, Logan BE. Производство электроэнергии однокамерными микробными топливными элементами при низких температурах.Биосенсоры и биоэлектроника. 2011; 26 (5): 1913–1917. pmid: 20627513
  3. 3. Санторо С., Артюшкова К., Гайда И., Бабанова С., Серов А., Атанасов П. и др. Катодные материалы для микробных топливных элементов (МТЭ) на керамической основе. Международный журнал водородной энергетики. 2015. 40 (42): 14706–14715.
  4. 4. Ортис-Мартинес В.М., Гайда И., Салар-Гарсия М.Дж., Гринман Дж., Эрнандес-Фернандес Ф.Дж., Иеропулос И. Исследование влияния катодов, модифицированных ионной жидкостью, и керамических сепараторов на характеристики МФЦ.Журнал химической инженерии. 2016; 291: 317–324.
  5. 5. Марданпур М.М., Исфахани М.Н., Бехзад Т., Седакатванд Р. Однокамерный микробный топливный элемент со спиральным анодом для очистки сточных вод молочных предприятий. Биосенсоры и биоэлектроника. 2012. 38 (1): 264–269. pmid: 22748963
  6. 6. Ledezma P, Greenman J, Ieropoulos I. Каскадные стеки MFC максимизируют снижение ХПК и позволяют избежать реверсирования напряжения в неблагоприятных условиях. Биоресурсные технологии. 2013; 134: 158–165. pmid: 23500573
  7. 7.Чоулер Дж., Пэджетт Г.А., Камерон П.Дж., Прейсс К., Титиричи М.М., Иеропулос И. и др. На пути к эффективным мелкомасштабным микробным топливным элементам для производства энергии из мочи. Electrochimica Acta. 2016; 192: 89–98.
  8. 8. Кушанпур А., Гуз Н., Гамелла М., Кац Э. Биотопливный элемент на основе электродов из углеродного волокна, функционализированных графеновыми нанолистами. ECS Journal of Solid State Science and Technology. 2016; 5 (8): M3037 – M3040.
  9. 9. Коушанпур А, Гамелла М, Гуз Н., Кац Э.Биотопливный элемент, основанный на биокаталитических реакциях глюкозы на анодном и катодном электродах. Электроанализ. 2017; 4 (29): 950–954.
  10. 10. Сием МБ, Сингх А.К., Рай А.Н. Цианобактериальные системы, фиксирующие N2, как биоудобрение. В кн .: Агроэкологическая устойчивость. Springer; 2017. с. 43–61.
  11. 11. Лавли ДР. Счастливы вместе: сообщества микробов, которые обмениваются электронами. Журнал ISME. 2017; 11: 327–336. pmid: 27801905
  12. 12. Тан Й., Адхикари Р. Я., Малванкар Н. С., Пи С., Уорд Дж. Э., Вудард Т. Л. и др.Синтетические биологические белковые нанопровода с высокой проводимостью. Небольшой. 2016; 12 (33): 4481–4485. pmid: 27409066
  13. 13. Kumlanghan A, Liu J, Thavarungkul P, Kanatharana P, Mattiasson B. Биосенсор на основе микробных топливных элементов для быстрого анализа биоразлагаемых органических веществ. Биосенсоры и биоэлектроника. 2007. 22 (12): 2939–2944. pmid: 17223031
  14. 14. Abrevaya XC, Sacco NJ, Bonetto MC, Hilding-Ohlsson A, Cortón E. Аналитические приложения микробных топливных элементов.Часть II: токсичность, микробная активность и количественное определение, обнаружение одного аналита и другие применения. Биосенсоры и биоэлектроника. 2015; 63: 591–601. pmid: 244
  15. 15. Гринман Дж., Иеропулос И., Маккензи С., Мелхуиш С. Микробные вычисления с использованием биопленочных электродов Geobacter: стабильность и согласованность выходных данных. Международный журнал нетрадиционных вычислений. 2006. 2 (3): 249–265.
  16. 16. Гринман Дж., Иеропулос И., Мелхуиш К. Перфузионные анодофильные биопленочные электроды и их потенциал для вычислений.В: Адамацкий А., Тойшер С., редакторы. От утопических к подлинно нетрадиционным компьютерам. Лунивер Пресс; 2006. с. 67–78.
  17. 17. Шопар Б. Моделирование физических систем клеточными автоматами. В кн .: Энциклопедия сложности и системологии. Springer; 2009. с. 865–892.
  18. 18. Мизас К., Сиракулис Г.К., Мардирис В., Карафиллидис И., Гликос Н., Сандальцопулос Р. Реконструкция последовательностей ДНК с использованием генетических алгоритмов и клеточных автоматов: на пути к предсказанию мутации? Биосистемы.2008. 92 (1): 61–68. pmid: 18243517
  19. 19. Сиппер М. Квазиравномерные вычисления-универсальные клеточные автоматы. В: Моран Ф, редактор. Достижения в области искусственной жизни: Третья европейская конференция по искусственной жизни, Гранада, Испания, 4–6 июня 1995 г. Материалы. № τ . 3 в конспектах лекций по искусственному интеллекту. Springer; 1995. стр. 544–554.
  20. 20. Адамацкий А. Игра Жизни клеточных автоматов. т. 1. Спрингер; 2010.
  21. 21. Чуа ЛО.CNN: парадигма сложности. т. 31. World Scientific; 1998.
  22. 22. Конвей Дж. Игра жизни. Scientific American. 1970; 223 (4): 4.
  23. 23. Ренделл П. Тьюринг: Универсальность Игры Жизни. В: Адамацкий А., редактор. Вычисления на основе коллизий. Springer; 2002. с. 513–539.
  24. 24. МакЛеннан Б. Непрерывные пространственные автоматы. Citeseer; 1990.
  25. 25. Адачи С., Пепер Ф., Ли Дж. Игра в жизнь при конечной температуре.Physica D: нелинейные явления. 2004. 198 (3): 182–196.
  26. 26. Чуа ЛО, Роска Т., Венецианец П.Л., Заранди А. Некоторые новые возможности CNN: Игра жизни и примеры алгоритмов многолучевого распространения. В: Сотовые нейронные сети и их приложения, 1992. CNNA-92 Proceedings., Второй международный семинар по; 1992. стр. 276–281.
  27. 27. Уолтер XA, Гринман Дж., Тейлор Б., Иеропулос И. Микробные топливные элементы, непрерывно питаемые необработанной свежей биомассой водорослей. Исследования водорослей.2015; 11: 103–107.

Исследование различных факторов, влияющих на электрические свойства пород-коллекторов природного газа на основе цифровых кернов | Журнал геофизики и инженерии

Аннотация

Влияние смачиваемости и растворимости природного газа в пластовой воде на электрические свойства пород-коллекторов природного газа изучается с использованием метода конечных элементов на основе цифровых кернов. Результаты показывают, что показатель удельного сопротивления газомощных пород-коллекторов значительно выше, чем у водовмещающих пород-коллекторов во всем диапазоне водонасыщенности.Разница между ними увеличивается с уменьшением водонасыщенности. Показатель удельного сопротивления пород-коллекторов природного газа уменьшается с увеличением дополнительной проводимости водяной пленки. Растворимость природного газа в пластовой воде оказывает сильное влияние на электрические свойства пород-коллекторов. Индекс удельного сопротивления пород-коллекторов увеличивается с увеличением растворимости природного газа. Влияние растворимости природного газа на показатель удельного сопротивления очень очевидно в условиях низкой водонасыщенности и ослабевает с увеличением водонасыщенности.Следовательно, смачиваемость пласта и растворимость природного газа в пластовой воде следует учитывать при определении показателя насыщения.

Введение

Электрические свойства породы очень важны при интерпретации каротажных диаграмм, оценке коллектора и подсчете запасов. Электрические свойства зависят от распределения жидкости в поровом пространстве, свойств жидкости и микроструктуры породы. Поскольку традиционные физические эксперименты с горными породами не могут количественно контролировать, наблюдать и вычислять перечисленные выше микрофакторы, трудно изучить влияние этих микрофакторов на электрические свойства.Для изучения взаимосвязи между макроскопическими физическими свойствами горных пород и их микроструктурой используется капиллярная модель, модель решеточного газового автомата, сетевая модель и модель перколяционной сети (Fatt 1956, Wang and Sharma 1988, Suman and Knight 1997, Küntz et al 2000, Wang и др. 2005). С развитием компьютерных технологий стало возможным вычислять макроскопические физические свойства пористых пород на основе их микроструктурной информации с использованием строгого численного моделирования физических экспериментов в реалистичных геометриях порового пространства.Этот подход стал известен как цифровая физика горных пород или вычислительная физика горных пород, который использовался для моделирования влияния структуры пор, трещин и жидкостей на электрические и акустические свойства горных пород (Arns и др. 2001, 2002, 2004, Meille и Garboczi 2001, Roberts and Garboczi 2002, Saenger et al 2004, Knackstedt et al 2007).

Смачиваемость — это термин, описывающий относительное предпочтение породы, покрытой определенной жидкой фазой.Это очень важный параметр, потому что поверхностные свойства породы определяют распределение жидкости в поровом пространстве и имеют большое влияние на электрические свойства горных пород (Huang 1995, Suman and Knight 1997). Газофазный перенос разнообразен и в основном включает свободную газовую фазу и газовую фазу раствора. Природный газ, растворенный в нефти или пластовой воде, является важной формой транспортировки. В пластовых условиях природный газ будет растворен в пластовой воде, и растворимость природного газа в пластовой воде зависит от давления, температуры и солености.Пластовая вода с высокой минерализацией имеет более низкую растворимость газа, чем вода с низкой соленостью при той же температуре и давлении (Hao and Zhang 1993). По сравнению с нефтяными породами-коллекторами, влияние растворимости природного газа в пластовой воде на электрические свойства следует учитывать в породах-коллекторах природного газа.

Насколько нам известно, не проводилось много исследований электрических свойств пород-коллекторов природного газа на основе цифровых кернов. В этой статье мы исследуем влияние смачиваемости и растворимости природного газа в пластовой воде на электрические свойства пород-коллекторов природного газа на основе цифровых кернов.

Приобретение цифровых ядер

В настоящее время существует три метода построения трехмерных (3D) цифровых ядер. Набор двумерных (2D) последовательных сечений образца может быть отображен и объединен для построения трехмерного изображения пористой структуры. Однако серийный раздел — это утомительное и трудоемкое занятие. На практике информация о микроструктуре пористого материала часто ограничивается двумерными изображениями тонких сечений. Поэтому восстановление трехмерного описания структуры поры из двухмерных изображений является привлекательным и экономичным подходом и имеет важные приложения (Yao et al 2005).Ряд статистических моделей (Zhu and Tao 2007, Zhao et al 2007) был предложен для восстановления трехмерных пористых сред по двумерным изображениям тонких срезов. Он заключается в измерении статистических свойств, таких как пористость, корреляция и линейные функции траектории на 2D-изображениях тонких срезов образца. Затем генерируются случайные 3D-модели таким образом, чтобы они соответствовали измеренным статистическим свойствам. Количественные сравнения этих статистических моделей с томографическими изображениями осадочных пород (Liu et al 2009a) показали, что статистические реконструкции могут значительно отличаться от исходного образца по их геометрической связанности.В отличие от статистических моделей, модели, основанные на процессах, пытаются учесть тот факт, что структура пор часто является результатом физических процессов. Орен и Бакке (2002, 2003) разработали процедуру реконструкции, основанную на процессе, которая включает в себя гранулометрический состав и другие петрографические данные, полученные из двумерных тонких срезов, для реконструкции трехмерных песчаников. Количественные сравнения с микротомографическими изображениями показали, что реконструированная на основе процесса модель адекватно воспроизводит важные геометрические свойства и свойства связности реального песчаника (Øren and Bakke 2002, Liu et al 2009b).Сканирование с помощью рентгеновской микрокомпьютерной томографии (КТ) является наиболее прямым и точным методом построения трехмерных цифровых ядер, но эта технология не может найти широкого распространения из-за высокой стоимости. В этой статье мы выбираем четыре цифровых керна песчаников Фонтенбло, полученных с помощью рентгеновского компьютерного сканирования с разрешением 5,7 мкм. Их объемная пористость составляет 8%, 13%, 17% и 21% соответственно. Реконструированные трехмерные цифровые керны песчаника Фонтенбло с использованием рентгеновской компьютерной томографии показаны на рисунке 1, на котором синяя (более темная) и красная (более светлая) области представляют матрицу и поровое пространство соответственно.

Рисунок 1

Реконструированные трехмерные цифровые керны песчаников Фонтенбло с использованием рентгеновской компьютерной томографии.

Рисунок 1

Реконструированные трехмерные цифровые керны песчаников Фонтенбло с использованием рентгеновской компьютерной томографии.

Теоретический и численный метод моделирования

Уравнения Арчи

Арчи (1942) определил взаимосвязь между коэффициентом формации ( F ) и пористостью (ϕ), которая дается в уравнении (1) (здесь называется первым уравнением Арчи): где R 0 — удельное сопротивление водонасыщенная порода, R w — удельное сопротивление пластовой воды, a — эмпирическая константа, обычно принимаемая равной 1, а м — показатель степени цемента, который зависит от структуры пор и степени цементирования. .Арчи (1942) также установил корреляцию между индексом удельного сопротивления RI и водонасыщенностью S w , которая дается в уравнении (2) (здесь называется вторым уравнением Арчи): где R t — истинное удельное сопротивление. для породы, насыщенной как пластовой водой, так и углеводородами, S w — водонасыщенность, а n — показатель насыщенности.

Метод конечных элементов

Метод конечных элементов (МКЭ), разработанный Garboczi (1998), особенно подходит для прогнозирования электрических свойств пористых горных пород на основе их микроструктуры.FEM специально разработан для работы с произвольными моделями на основе вокселей. Учитывая тензоры электропроводности твердых компонентов материала и жидких фаз, FEM может рассчитать удельное сопротивление пористых пород на основе цифровых трехмерных кернов в масштабе пор. FEM использует вариационную формулировку линейных уравнений проводимости и решает уравнение Лапласа путем минимизации энергии с помощью метода быстрого сопряженного градиента. FEM дискретизирует цифровые изображения, где каждый воксель в 3D рассматривается как трехлинейный конечный элемент.Используются непериодические граничные условия и выполняются вычисления для градиентов напряжения, приложенных вдоль каждой из главных осей томограммы, что дает три основных значения проводимости, определяемые осями томограммы. На практике точность результатов ограничена ошибками дискретизации. Однако количество вокселей зависит от памяти и скорости компьютера. Поскольку численное моделирование требует больших вычислительных ресурсов, очевидно, что существует компромисс между количеством вокселей и скоростью вычислений.В этой статье мы используем цифровые изображения в масштабе (160) 3 вокселей для исследования влияния смачиваемости и растворимости природного газа в пластовой воде на электрические свойства пород-коллекторов природного газа.

Результаты и обсуждение

В этой статье мы изучаем влияние смачиваемости и растворимости природного газа в пластовой воде на электрические свойства пород-коллекторов природного газа на основе цифровых данных кернов. В наших расчетах электропроводность кварца и природного газа составляет σ м = 0 и σ г = 0 соответственно, а электропроводность пластовой воды составляет σ w = 1 при Тл. = 80 ° C и C = 3000 ppm, где C — соленость пластовой воды, что означает содержание соли в единице объема воды.Метод морфологии (Liu et al 2009b) используется для определения распределения жидкости в поровом пространстве при различной водонасыщенности. Смачиваемость породы определяет распределение жидкости в поровом пространстве. Мы рассматриваем две простые крайности смачиваемости: сильно смачиваемость газом и сильно смачиваемость водой. Геометрии флюидов распределены исходя из предположения, что флюиды мигрировали и занимают наиболее благоприятное поровое пространство. В случае смачивания водой газ будет заполнять самые большие поры и каналы, в то время как вода предпочтительно будет занимать более мелкие поры и каналы.В случае смачивания газом распределение жидкости меняется на противоположное, при котором газ преимущественно занимает более мелкие поры и горловины. Распределение флюидов песчаника Фонтенбло с ϕ = 17% в условиях смачивания водой и смачиванием газом при различной насыщенности показано на рисунках 2 и 3 соответственно. Синий (темно-серый), зеленый (светло-серый) и красный (средний серый) области представляют матрицу, воду и газ соответственно. В нашем исследовании мы выбрали песчаник Фонтенбло с ϕ = 17%, чтобы изучить влияние смачиваемости и растворимости природного газа в пластовой воде на электрические свойства пород-коллекторов природного газа.

Рисунок 2

Распределение флюида в смоченной водой породе при различной водонасыщенности.

Рисунок 2

Распределение флюида в смоченной водой породе при различной водонасыщенности.

Рис. 3

Распределение флюидов в газомощных породах при различной водонасыщенности.

Рис. 3

Распределение флюидов в газомощных породах при различной водонасыщенности.

Влияние смачиваемости

Обнаружено, что смачиваемость оказывает доминирующее влияние на удельное сопротивление, поскольку смачиваемость изменяет распределение жидкости в поровом пространстве.В случае смачивания водой газ будет заполнять самые большие поры и горловины, в то время как вода предпочтительно будет занимать более мелкие поры и горловины. Индекс удельного сопротивления для случаев смачивания водой и смачиванием газа, полученный для песчаника Фонтенбло с ϕ = 17%, показан на рисунке 5 (a). Из рисунка 5 (а) видно, что индекс удельного сопротивления газомощных пород-коллекторов значительно выше, чем у смоченных водой пород-коллекторов во всем диапазоне водонасыщенности, и разница между ними увеличивается с уменьшением водонасыщенности.Для случая смачивания водой также можно увидеть, что показатель насыщения n увеличивается по мере уменьшения водонасыщенности, и соотношение между log (RI) и log ( S w ) является нелинейным, когда проводимость водяной пленки не считается. В условиях смачивания газом показатель насыщения n имеет тенденцию уменьшаться по мере уменьшения водонасыщенности. Показатель насыщения n больше 5 во всем диапазоне водонасыщенности, и соотношение между log (RI) и log ( S w ) очевидно нелинейно.

Для смачиваемых водой пород коллектора смачивающая пленка будет присутствовать на поверхности пор, когда пластовая вода в поровом пространстве вытесняется газом. На рисунке 4 показано распределение жидкости с насыщением на уровне 78%, если присутствует водная пленка, где синий (темно-серый), зеленый (светло-серый), желтый (самый светлый) и красный (средний серый) области представляют матрицу, воду, газ. и водная пленка соответственно. Толщина водной пленки измеряется в нанометровом масштабе. Хотя толщина водяной пленки очень мала, она оказывает сильное влияние на сопротивление породы, особенно при низкой водонасыщенности.На рисунке 5 (b) показано влияние водной пленки на сопротивление породы. Основываясь на результатах Xiang и Xiang (1999), мы рассматриваем четыре толщины пленки: D 1 = 0, D 2 = 30 × 10 -9 м, D 3 = 35 × 10 -9 м и D 4 = 45 × 10 -9 м. Электропроводность водной пленки такая же, как и у пластовой воды. Как показано на рисунке 5 (b), показатель удельного сопротивления пород-коллекторов природного газа уменьшается по мере увеличения толщины водяной пленки при низкой водонасыщенности.Однако показатель удельного сопротивления стремится к постоянному значению, когда водонасыщенность S w ≥ 45%, что указывает на то, что проводимость водяной пленки оказывает небольшое влияние на показатель удельного сопротивления при средней или высокой водонасыщенности. Причина в том, что водная пленка в случае смачивания водой может проводить электрический ток, тем самым создавая дополнительные пути для электрического потока через поровое пространство, что оказывает сильное влияние на индекс удельного сопротивления, особенно при низкой водонасыщенности.При рассмотрении водяной пленки получается линейная зависимость между log (RI) и log ( S w ), как показано на рисунке 5 (b). Следовательно, проводимость водяной пленки следует учитывать как при теоретическом исследовании, так и при практическом применении.

Рисунок 4

Распределение жидкости в смоченной водой породе, включая проводимость водяной пленки (Sw = 78%).

Рис. 4

Распределение жидкости в смоченной водой породе, включая проводимость водяной пленки (Sw = 78%).

Рисунок 5

( и ) Сравнение индекса удельного сопротивления для двух случаев смачиваемости. ( b ) Влияние тонкой водной пленки на показатель удельного сопротивления пород-коллекторов природного газа. Символ D обозначает толщину водяной пленки.

Рисунок 5

( и ) Сравнение индекса удельного сопротивления для двух случаев смачиваемости. ( b ) Влияние тонкой водной пленки на показатель удельного сопротивления пород-коллекторов природного газа.Символ D обозначает толщину водяной пленки.

Влияние растворимости природного газа в пластовой воде

В пластовой воде растворимость углеводородного газа в 100 раз больше, чем растворимость нефти при нормальной температуре и давлении. Влияние растворимости природного газа в пластовой воде на электрические свойства следует учитывать в породах-коллекторах природного газа, а не в породах-коллекторах нефти. Зависимость между растворимостью природного газа и соленостью пластовой воды с температурой T = 80 ° C и давлением P = 25 МПа (Hao and Zhang 1993) представлена ​​на рисунке 6.Как показано на рисунке 6, растворимость природного газа увеличивается с уменьшением солености пластовой воды. Следовательно, для пород-коллекторов природного газа нельзя игнорировать влияние растворимости природного газа на удельное сопротивление пород-коллекторов, когда соленость пластовой воды низкая, например, C <10 000 ppm. Удельное сопротивление пластовой воды увеличивается, когда в пластовой воде растворяется большое количество природного газа. Чтобы изучить влияние растворимости природного газа в пластовой воде на удельное сопротивление пород-коллекторов, мы предполагаем, что удельное сопротивление пластовой воды, содержащей растворенный природный газ, в H в раз выше, чем исходная пластовая вода, а порода-коллектор является гидрофобный случай с толщиной водяной пленки D = 30 × 10 -9 м и соленостью пластовой воды C = 3000 ppm.Влияние растворимости природного газа на показатель удельного сопротивления показано на рисунке 7 (а). Индекс удельного сопротивления породы увеличивается с увеличением растворимости природного газа. Влияние растворимости природного газа на показатель удельного сопротивления очевидно в условиях низкой водонасыщенности и ослабевает с увеличением водонасыщенности, как показано на рисунке 7 (а). На рисунке 7 (b) показано влияние растворимости природного газа на удельное сопротивление пород-коллекторов. Мы видим, что эффект согласуется с показателем удельного сопротивления.Как показано на рисунке 7, индекс удельного сопротивления и удельное сопротивление пород-коллекторов уменьшаются с увеличением водонасыщенности. Более того, удельное сопротивление быстро уменьшается при низкой водонасыщенности ( S w ⩽ 30%), как показано на рисунке 7 (b).

Рисунок 6

Соотношение между растворимостью природного газа и пластовой водой (80 ° C, 25 МПа).

Рисунок 6

Соотношение между растворимостью природного газа и пластовой водой (80 ° C, 25 МПа).

Рисунок 7

Влияние растворимости природного газа в воде на электрические свойства породы: ( a ) индекс удельного сопротивления и ( b ) удельное сопротивление. Символ H представляет отношение удельного сопротивления пластовой воды, содержащей растворенный природный газ, к удельному сопротивлению исходной пластовой воды.

Рисунок 7

Влияние растворимости природного газа в воде на электрические свойства породы: ( a ) индекс удельного сопротивления и ( b ) удельное сопротивление.Символ H представляет отношение удельного сопротивления пластовой воды, содержащей растворенный природный газ, к удельному сопротивлению исходной пластовой воды.

Выводы

Влияние смачиваемости и растворимости природного газа в пластовой воде на электрические свойства пород-коллекторов природного газа изучается с использованием метода конечных элементов на основе цифровых кернов. Результаты показывают, что показатель удельного сопротивления газомощных пород-коллекторов значительно выше, чем у водовмещающих пород-коллекторов во всем диапазоне водонасыщенности.Разница между ними увеличивается с уменьшением водонасыщенности. Индекс удельного сопротивления пород-коллекторов природного газа уменьшается по мере увеличения толщины водной пленки при низкой водонасыщенности. Однако показатель удельного сопротивления стремится к постоянному значению, когда водонасыщенность S w ≥ 45%, что указывает на то, что проводимость водяной пленки оказывает небольшое влияние на показатель удельного сопротивления при средней или высокой водонасыщенности. Растворимость природного газа в пластовой воде оказывает сильное влияние на электрические свойства пород-коллекторов.И индекс удельного сопротивления, и удельное сопротивление пород-коллекторов увеличиваются с увеличением растворимости природного газа. Влияние растворимости природного газа на показатель удельного сопротивления очень очевидно при низкой водонасыщенности и ослабевает с увеличением водонасыщенности. Следовательно, смачиваемость пласта и растворимость природного газа в пластовой воде следует учитывать при определении показателя насыщения.

Благодарности

Мы благодарим доктора Ч. Арнса за предоставленные данные рентгеновской компьютерной томографии четырех песчаников Фонтенбло.Эта работа была частично поддержана NSFC (грант № 40574030) и исследовательским проектом CNPC (грант № 06A30102) Китайского нефтяного университета.

Список литературы

. ,

1942

Каротаж электрического сопротивления как помощь в определении некоторых характеристик коллектора

,

Trans. Являюсь. Inst. Мех. Англ.

, т.

146

(стр.

54

61

),,,. ,

2001

Точная оценка транспортных свойств по микротомографическим изображениям

,

Geophys.Res. Lett.

, т.

28

(стр.

3361

4

) http://dx.doi.org/10.1029/2001GL012987,,,. ,

2002

Расчет линейных упругих свойств по микротомографическим изображениям: методология и соответствие теории и эксперимента

,

Geophysics

, vol.

67

(стр.

1396

405

) http://dx.doi.org/10.1190/1.1512785,,,. ,

2004

Виртуальная пермеаметрия на микротомографических изображениях

,

J.Домашний питомец. Sci. Англ.

, т.

45

(стр.

41

6

) http://dx.doi.org/10.1016/j.petrol.2004.05.001. ,

1956

Сетевая модель пористой среды III: динамические свойства сетей с распределением радиуса трубы

,

Пер. AIME

, т.

207

(стр.

164

81

). ,

1998

Конечно-элементные и конечно-разностные программы для вычисления линейных электрических и упругих свойств цифровых изображений случайных материалов

,.,

1993

Характеристика растворимости природного газа в пластовых водах и ее геологическое значение

,

Acta. Petrolei. Sinca

, т.

14

(стр.

12

22

). ,

1995

Модель оценки влияния смачиваемости на удельное сопротивление горных пород

,

Чин. J. Geophys.

, т.

38

(стр.

405

10

),,,,. ,

2007

Показатели Арчи в сложных литологиях, полученные на основе трехмерного цифрового анализа керна

48-й ежегодный симпозиум по каротажу SPWLA.(Остин, Техас)

,,. ,

2000

Численная оценка электропроводности в насыщенных пористых средах с двумерным решеточным газом

,

Geophysics

, vol.

65

(стр.

766

72

) http://dx.doi.org/10.1190/1.1444775,,. ,

2009a

Реконструкция трехмерных цифровых ядер гибридным методом

,

Прил. Geophys.

, т.

6

(стр.

105

12

) http://dx.doi.org/10.1007/s11770-009-0017-y,,.,

2009b

Численное моделирование электрических свойств горных пород на основе цифровых кернов

,

Прил. Geophys.

, т.

6

(стр.

1

7

) http://dx.doi.org/10.1007/s11770-009-0001-6,. ,

2001

Линейные упругие свойства 2D и 3D моделей пористых материалов, изготовленных из удлиненных объектов

,

Модель. Simul. Матер. Sci. Англ.

, т.

9

(стр.

371

90

) http://dx.doi.org/10.1088 / 0965-0393 / 9/5/303,. ,

2002

Процессная реконструкция песчаников и прогноз транспортных свойств

,

Трансп. Пористая среда

, т.

46

(стр.

311

43

) http://dx.doi.org/10.1023/A:1015031122338,. ,

2003

Реконструкция песчаника Береа и моделирование эффектов смачиваемости в масштабе пор

,

J. Pet. Sci. Англ.

, т.

39

(стр.

177

99

),.,

2002

Расчет линейно-упругих свойств случайных пористых материалов с большим разнообразием микроструктуры

,

Proc. R. Soc.

, т.

A458

(стр.

1033

54

) http://dx.doi.org/10.1098/rspa.2001.0900,,. ,

2004

Численное рассмотрение влияния жидкости на распространение волн: влияние извилистости

,

Geophys. Res. Lett.

, т.

31

стр.

L21613

http: // dx.doi.org/10.1029/2004GL020970,. ,

1997

Влияние структуры пор и смачиваемости на электрическое сопротивление частично насыщенной породы — исследование сети

,

Geophysics

, vol.

62

(стр.

1151

62

) http://dx.doi.org/10.1190/1.1444216,,,. ,

2005

Сетевое моделирование электрических свойств сложных коллекторских пород

,

Прил. Geophys.

, т.

2

(стр.

223

9

) http: // dx.doi.org/10.1007/s11770-005-0028-2,. ,

1988

Сетевая модель поведения удельного сопротивления частично насыщенных пород

29th SPWLA Ann. Логг. Symp. (Сан-Антонио, Техас)

,. ,

1999

Исследование газоотдачи и толщины водяной пленки в гидроприводе для газового коллектора из плотного песчаника

,

J. Chengdu Univ. Technol.

, т.

26

(стр.

389

91

),,. ,

2005

Текущее состояние и перспективы цифровых базовых технологий

,

Пет.Геол. Эффективность извлечения

, об.

12

стр.

52254

,,. ,

2007

Новый стохастический метод реконструкции пористых сред

,

Проз. Пористая среда

, т.

69

(стр.

1

11

) http://dx.doi.org/10.1007/s11242-006-9052-9,. ,

2007

Метод последовательного индикаторного моделирования и его применение в трехмерном цифровом моделировании керна

,

ГИС Техн.

, т.

31

(стр.

112

5

)

© 2011 Нанкинский научно-исследовательский геофизический институт

Схема генератора четности со сверхнизким энергопотреблением на основе технологии QCA

Технология клеточных автоматов с квантовыми точками (QCA) — одна из новых технологий, которая может использоваться для замены технологии CMOS. В последние годы он привлек значительное внимание из-за чрезвычайно низкой рассеиваемой мощности, высокой рабочей частоты и небольших размеров.В этом исследовании мы демонстрируем схему генератора четности n бит с использованием технологии QCA. Здесь новый вентиль XOR используется в синтезе предложенной схемы. Предлагаемый затвор основан на электростатическом взаимодействии между ячейками для выполнения желаемой функции. Результаты сравнения демонстрируют, что разработанные схемы QCA имеют преимущества по сравнению с другими схемами с точки зрения количества ячеек, площади, задержки и энергопотребления. Программное обеспечение QCADesigner, широко используемое для проектирования и проверки схем QCA, использовалось для реализации и проверки всех проектов в этом исследовании.Рассеиваемая мощность была рассчитана для предложенной схемы с использованием точного инструмента оценки мощности QCAPro.

1. Введение

Непрерывное уменьшение размеров устройств на основе КМОП в течение последних нескольких десятилетий в соответствии с законом Мура приводит к множеству различных и сложных проблем, поскольку в последнее время эти устройства становятся более устойчивыми к масштабированию [1– 3]. Одной из самых больших проблем, с которыми сталкиваются схемы на основе транзисторов, является потребление энергии из-за тока утечки из-за повышенного порогового напряжения и пониженного напряжения питания [4].Поиск новых технологий привел к созданию клеточного автомата с квантовыми точками (QCA), который имеет привлекательные особенности, такие как более низкое потребление энергии и меньшая плотность клеток [5]. Конструкции QCA предлагают решения с меньшим энергопотреблением и меньшими площадями по сравнению с существующей логикой CMOS [6, 7]. Конструкции на основе QCA подходят для изготовления устройств нанометрового масштаба. В QCA схемы создаются квантовыми ячейками, и каждая ячейка содержит четыре квантовых точки, а также два электрона. Квантовые точки — это наноразмерные структуры, состоящие из полупроводников, таких как InAs и GaAs.Передача информации достигается путем распространения состояния поляризации вместо тока в реализации QCA. Эта новая технология привлекла множество исследователей из-за ее прямого использования в квантовых вычислениях. На сегодняшний день выполнено несколько работ по разработке логических схем QCA, таких как умножители, сумматор, реверсивный ALU, делитель, декодер и схемы памяти [8–15]. Многие из этих конструкций имеют такие преимущества, как более высокая скорость и меньший размер по сравнению со своими КМОП-аналогами. Напротив, массовое производство сверхмалых технологий контроля качества очень сложно.Кроме того, технология QCA подвержена высокому уровню ошибок. Высокая частота ошибок этой технологии по сравнению с традиционной КМОП-технологией связана с дефектами перемычки, смещения, несоосности и пропусков ячеек, а также с застреванием неисправности, которые, вероятно, возникают в затворах и межсоединениях. Дефекты могут иметь место как на этапе химического синтеза, так и на этапе осаждения. На этапе химического синтеза производятся клетки QCA, а на этапе осаждения клетки QCA помещаются на подложку.Однако дефекты более вероятны на этапе осаждения, когда идеально изготовленные ячейки неидеально прикреплены к подложке. Устройства QCA также подвержены переходным сбоям, которые вызваны термодинамическими эффектами, излучением и другими эффектами, такими как небольшая разница в энергии между основным и возбужденным состояниями.

В этой структуре логический элемент «исключающее ИЛИ», вероятно, является жизненно важной частью сложных цифровых схем, поскольку он часто используется как структурные блоки при цифровом производстве.Его можно использовать при разработке конкретных схем связи, таких как генератор четности и средство проверки. QCA — одна из важных технологий, позволяющих проектировать высокопроизводительные схемы с функциями низкого энергопотребления. В этом контексте вентиль «исключающее ИЛИ» представляет собой важный компонент. В литературе были предложены различные вентили исключающего ИЛИ на основе QCA, которые были разработаны с использованием методологии на основе большинства вентилей. Чтобы снизить энергопотребление и сложность оборудования, в этом исследовании представлен оптимизированный вентиль QCA с исключающим ИЛИ, с помощью которого могут быть синтезированы любые сложные цифровые конструкции.Кроме того, оптимизированная схема генератора четности достигается за счет использования предложенного логического элемента XOR. Основные вклады статьи заключаются в следующем: (i) Предлагается эффективный дизайн логического элемента QCA с исключающим ИЛИ (ii) 4-, 8-, 16- и 32-битные схемы генератора четности QCA спроектированы с использованием этого предложенного ворота как строительный блок (iii) Спроектированные схемы моделируются с помощью программного обеспечения QCADesigner (iv) Рассеиваемая мощность предложенных конструкций оценена

Остальная часть документа организована следующим образом: В Разделе 2 представлены основы технологии QCA рассмотрено.В Разделе 3 представлены предлагаемые нами ворота «исключающее ИЛИ» и сравниваются с традиционными воротами «Исключающее ИЛИ». В разделе 4 схемы генератора четности разработаны с использованием предложенного затвора и сравниваются с другими аналогичными схемами. Результаты моделирования предложенных конструкций представлены в Разделе 5. Наконец, Раздел 6 завершает статью.

2. Предпосылки QCA

Основным функциональным блоком QCA является квантовая ячейка, состоящая из четырех квантовых точек. Каждая точка может содержать один электрон [6].Электростатическое отталкивание двух электронов в квантовой ячейке гарантирует, что электроны могут находиться только в противоположных местах. Таким образом, эти электроны принимают устойчивые состояния, называемые поляризациями, которые энергетически равны и интерпретируются как бинарные «0» и «1» [16]. Они имеют соответствующие поляризации как = «-1» (логический «0») и = «+1» (логический «0»), как показано на рисунке 1. Поляризация ячеек рассчитывается по уравнению (1) [17], где ρ i показывает электрический заряд в точке i th.Двоичная информация отображается с использованием положения двух электронов в каждой логической ячейке.


С другой стороны, для обеспечения правильного потока данных вводится тактирование схемы QCA [18]. Схемы на основе QCA имеют четырехфазную синхронизацию, а именно переключение, удержание, отпускание и расслабление, как показано на рисунке 2. Эти четыре фазы генерируются бегущей волной электрического поля, перпендикулярной плоскости QCA. Различные зоны часов представлены четырьмя разными цветами.Ноль часов обозначен зеленым, первый — розовым, второй — синим, а третий — белым. Каждая зона тактирования имеет фазовый сдвиг 90 относительно соседних зон. Каждая ячейка в зоне синхронизации ведет себя как защелка [19].


Кроме того, когда они расположены близко друг к другу, поляризация одной ячейки QCA влияет на поляризацию другой, опять же за счет кулоновского взаимодействия. Этот эффект можно использовать для создания логических вентилей, таких как вентили NOT и MAJ.Инвертор — это результат размещения ячеек таким образом, чтобы их вершины соприкасались, как показано на Рисунке 3 (а) [20]. Избиратель с большинством голосов состоит из пяти ячеек: одной ячейки устройства (центральной ячейки), трех входных и выходных ячеек, как показано на рисунке 3 (b). Большинством избирателя управляют три входных фактора: A , B и C . Его выходной сигнал можно вычислить следующим образом:

Типы кроссовера обеспечивают преимущество при проектировании схем в QCA, поскольку они предлагают определенную гибкость проектирования.Технология QCA имеет два типа кроссовера. Один — многослойный кроссовер, а другой — копланарный кроссовер, как показано на рисунках 4 (a) и 4 (b) соответственно [16, 21]. Многослойный кроссовер имеет высокую стоимость из-за проблем с производством. Во втором методе два провода перекрываются в одинаковой плоскости, чтобы облегчить пересечение простого двоичного провода цепи инвертора.

3. Сопутствующие работы
3.1. Предыдущие схемы QCA Exclusive-OR

На сегодняшний день, широко распространенное исследование в QCA было намечено для достижения конструкций исключительного OR [22–27], которые используются во многих цифровых логических схемах, таких как схемы обнаружения ошибок, арифметические логические схемы , мультиплексоры, полные сумматоры и компараторы.Элемент XOR состоит из двух входов и одного выхода. Его вывод истинен, когда два входных операнда не совпадают, и вывод ложен в противном случае.

В [22] авторы предложили новый маломощный вентиль XOR. Этот спроектированный затвор состоит из 13 ячеек и 0,012 мкм м 2 площади. Он занимает меньше места среди других. Этот дизайн основан на взаимодействии между ячейками для реализации желаемой функции. Он не включает в свой состав кроссовер. Кроме того, отсутствует мажоритарный затвор, что приводит к меньшему количеству ячеек и потребляемой мощности.В [23] авторы представили новый, надежный вентиль исключительного ИЛИ. Этот спроектированный затвор состоит из 28 ячеек и 0,02 мкм м 2 площади. Он реализован без использования копланарного и многослойного кроссовера. В этом новом подходе к проектированию с исключительным ИЛИ используется один мажоритарный затвор с пятью входами и две ячейки с фиксированной поляризацией. Авторы в [24] предложили схему с 36 ячейками, протяженностью 0,030 мкм м 2 и задержкой 0,75. Эта конструкция разработана с использованием конструкции, состоящей из парных ворот для большинства избирателей-меньшинств (CMVMIN), двух ворот для большинства и двух ворот с инвертором.Для схемы, предложенной в [25], требуется 37 ячеек QCA, протяженность 0,030 мкм м 2 и задержка 1. Эта конструкция имеет важное количество ячеек и обеспечивает большую площадь. Кроме того, Бахар и др. Предложили новую конструкцию логического элемента XOR. в [26]. В этой конструкции удалось снизить количество используемых ячеек и потребление площади. Он состоит из 12 ячеек QCA, 0,02 мкм м 2 протяженности и 1,25 задержки. На рисунке 5 показаны некоторые ранее разработанные вентили исключающего ИЛИ.

3.2. Предлагаемый вентиль исключающего ИЛИ QCA

В этом разделе предлагается новый эффективный вентиль исключающего ИЛИ, использующий упорядоченные и взаимодействующие ячейки QCA. Разработанная схема и результаты ее моделирования показаны на рисунках 6 (а) и 6 (в) соответственно. Здесь для достижения предложенного дизайна не используются никакие ворота большинства. Программное обеспечение QCADesigner используется для проверки функциональности разработанной схемы. Предлагаемый дизайн QCA охватывает только 9 ячеек, протяженность 0,01 мкм м 2 и задержку 0.5. Напротив, для схемы QCA, предложенной в [25], требуется 37 ячеек, протяженность 0,03 мкм м 2 и задержка 1. Следовательно, разработанный вентиль XOR имеет улучшение на 75,67%, 66,66% и 50% по сложности ячейки, протяженности и задержке, соответственно, по сравнению с проектом [25]. Кроме того, предлагаемый затвор достигает 67,85%, 50% и 33,33% с точки зрения сложности ячейки, площади, задержки и стоимости, соответственно, по сравнению с проектом [23]. Таким образом, предлагаемый вентиль может привести к цифровым проектам QCA с меньшей аппаратной сложностью и потребляемой мощностью.

4. Конструкции генератора четности

Генератор логической четности является фундаментальным компонентом микросхем обработки информации и вычислительных систем, в которых необходимо проверять точное соответствие всех принятых и переданных данных. Он играет важную роль в проектировании цифровых схем. В результате было сделано несколько попыток реализовать этот важный логический компонент, особенно в технологии QCA [22, 23, 25, 27]. В этом разделе мы предлагаем новую схему QCA для генератора четности.На рисунке 7 (а) показана реализация предлагаемого логического блока предлагаемой схемы 4-битного генератора четности с тремя копиями предложенного логического элемента QCA XOR. На рисунке 7 (b) показаны результаты моделирования предложенной схемы 4-битного генератора четности. Временная диаграмма показывает, что выходной сигнал четности получен правильно. Следует отметить, что эту схему можно легко расширить до n-разрядной схемы генератора четности QCA. На рисунке 8 показана реализация QCA предлагаемой схемы генератора 8-битной четности.В этом фокусе мы демонстрируем только схемы QCA 4- и 8-битных схем генератора четности из-за нехватки места. Здесь количество ячеек, площадь и задержка разработанных схем 4- и 8-битных генераторов четности значительно улучшены по сравнению со схемами 4- и 8-битных генераторов четности в [22, 23, 25].


5. Результаты моделирования и сравнение

Инструмент QCADesigner версии 2.0.3 используется для проверки функциональности разработанных схем QCA. Используемые параметры для моделирования следующие: ширина ячейки = 18 нм, высота ячейки = 18 нм, диаметр точки = 5 нм, количество образцов = 12.800, допуск сходимости = 0,001, радиус действия = 80 нм, относительная диэлектрическая проницаемость = 12,9, высокие часы = 9,8 E — 22 Дж, низкие часы = 3,8 E — 23 Дж, коэффициент амплитуды часов = 2, разделение слоев = 11,5 нм , а максимальное количество итераций на выборку = 100. В таблице 1 показаны результаты сравнения предложенного логического элемента «исключающее ИЛИ» с ранее сообщенными вентилями «исключающее ИЛИ». Сравнение выполняется с учетом количества ячеек и общей площади, а также задержки цепи. Как видно из таблицы 1, предложенная схема XOR имеет меньшее количество ячеек и меньшую площадь устройства по сравнению с существующими схемами.В таблице 2 предложенные схемы генератора четности сравниваются с ранее описанными схемами генератора четности [23, 25, 28–30]. Очевидно, что наши проекты превосходят предложенные в [23, 25, 28–30]. В этой работе программное обеспечение QCAPro [31], механизм вероятностного проектирования, было применено для исследования истощения энергии. Карта рассеяния мощности предлагаемого логического элемента XOR изображена на рисунке 6 (b). Согласно рисунку 6 (b), более темные ячейки показывают более высокое среднее рассеивание мощности, а белые квадраты представляют входные ячейки.В таблице 3 показана мощность, потребляемая предлагаемой схемой QCA XOR. Оценка выполняется при температуре T = 2 K с использованием трех уровней энергии канала, а именно: 0,5 E k , 1,0 E k и 1,5 E k . Как показано на рисунке 9, предлагаемый нами затвор имеет наименьшее значение рассеяния энергии на трех отдельных уровнях туннельной энергии по сравнению со схемами в [22, 23, 25, 27, 32].Следовательно, использование предложенного логического элемента XOR в схемах генератора четности обеспечит большую экономию энергии. Из рисунка 10 видно, что предлагаемые нами архитектуры имеют наименьшее значение рассеяния энергии в различных размерах (4, 8, 16 и 32 бита) по сравнению с существующими.

9024 1 905 28]

Контур Кол-во ячеек Площадь ( мкм м 2 ) Часы № цикла Тип кроссовера 60 0.09 1,5 Копланарный
XOR [29] 54 0,08 1,5 Coplanar
XOR [30] 67 67 905 XOR [25] 37 0,03 1 Не требуется
XOR [24] 36 0,03 0,75 Не требуется XOR [24] 0.02 0,75 Не требуется
XOR [22] 13 0,012 0,5 Не требуется
XOR [22] 12 0,05
Предлагаемый XOR 9 0,01 0,5 Не требуется

цепи
1625 905 918 905 905 905 905 905 905 905 322 905 905 905 4,75

905 количество
Площадь ( мкм м 2 ) № часов.цикл

[28] 4 187 0,32 2,75
8 465 0,92 9025 905 905 905 905 905 905 905 905 905 905 5,25
32 2220 5,96 6,5

[29] 4 168 0526 .28 2,75
8 408 0,8 4
16 912 2,09 5,25
3225 905 915
[30] 4 188 0,2 2,25
8 369 0,49 2,25
3,25
32 1862 3,58 4,25

[25] 4 111 9025 2 905 905 826 905 0,43 3
16 603 1,13 4
32 1,312 2,81 5 205
87 0.10 1,75
8 213 0,30 2,75
16 480 0,81 3,75
Предлагаемый дизайн 4 37 0,05 1,5
8 97 0,18 2,5
16850 3,5
32 511 1,3 4,5

918 9185 47525 905 905 905 905 905 905 905 905 905 9025 62,326 XOR [27] 905.36
918 918 2
9185 = 2,0 K
γ = 0,5 E k γ = 1 E k γ = 1.5 E K

XOR [25] 46,99 66,54 89,51
XOR [32] 39,06 53,63 71,08
XOR [23] 36,20 50,28 66,58
18,42 26,02
Предлагаемый XOR 6,7 11,29 16,19


917 -Фока [33]. Матрица гамильтониана подхода среднего поля объясняется как

Стоимость энергии излома двух соседних ячеек i и j с противоположными поляризациями получается следующим образом:

Для любого случая истощение мощности ячейки QCA можно рассчитать следующим образом:

6.Заключение

Клеточные автоматы с квантовыми точками (QCA) — это развивающаяся наноразмерная технология с большими перспективами создания компактных схем с низким энергопотреблением по сравнению с КМОП-технологией. В этой статье был представлен новый дизайн ворот с исключающим ИЛИ в технологии QCA. Это более предпочтительно для реализаций QCA, поскольку в нем не используются поворотные ячейки и мажоритарные вентили. Это невероятно уменьшает площадь. Схемы генератора четности были спроектированы и проанализированы с использованием предложенного вентиля в качестве строительного блока.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.

Весь товар подлежит гарантии и сертифицирован!Все права защищены .RU