CC BY
61
УДК 615.4,621.03-006.62-5
DOI: 10.14529/ozfk150310
МЕТОД ВИБРОДИАГНОСТИЧЕСКОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ АППАРАТА АЭРОЗОЛЬНОЙ ТЕРАПИИ УЗОЛ-01-«4»
А.М. Захезин
Южно-Уральский государственный университет, г. Челябинск
Цель: повышение эффективности терапевтического лечения больных с использованием аппарата аэрозольной терапии УЗОЛ-01-«4». Медикаментозная терапия занимает важное место в лечении лекарственными растворами при воздействии на них вирирующим источником. Аппарат аэрозольной терапии УЗОЛ-04-«4» создает лекарственную струю с ультразвуковыми колебаниями. Для описания механизма воздействия струи орошения с различными составами лекарственных препаратов была разработана методика по определению её динамических параметров. Исследования показали, что акустическая активность струйного орошения изменяется в зависимости от степени заполнения струи, проходящей через ороситель. Наиболее информативными параметрами акустического мониторинга являются амплитуда и частота акустического сигнала. Применение вейвлет преобразования позволяет исключить основной недостаток Фурье анализа, невозможность получения независимости частотных составляющих с течением времени. С использованием результатов проведенного динамического исследования можно провести выбор оптимальных конструктивных и технологических параметров работы аппарата аэрозольной терапии УЗОЛ-01-«4», разработать эффективные методики аэрозольной терапии и контролировать методы создания лечебного раствора на базе инфракрасной спектроскопии.
Ключевые слова: аэрозольная терапия, ультразвуковые колебания, вибрационный процесс.
Целью вибродиагностического обследования является регистрация уровней виброскорости лекарственного раствора с течением времени и его частотного состава в контрольной точке (рис. 1) в зависимости от режима работы аппарата УЗОЛ-01-«4». Для определе-
ния динамических характеристик ультразвуковых колебаний в лекарственном растворе достаточно одного акселерометра с высокой собственной частотой установленного в направлении струи орошения, так как распространение ультразвуковых волн плоское (рис. 1).
В состав виброизмерительной системы входят: 1 - высокочувствительный пьезоэлектрический акселерометр 8309 фирмы «Вгие1&^ег»; 2 - предусилитель пита 2635; 3 - многоканальный синхронный регистратор «Атлант» фирмы «Вибро-Центр».
Источником вибрации вибрационного процесса в лекарственном растворе является колеблющийся наконечник вибратора оросителя, вызывающий кавитации в эксплуатационных режимах работы.
При определенных условиях работы аппарата могут возникать нестандартные ситуации, поэтому необходимо строго придерживаться мер безопасности, изложенных в техническом паспорте аппарата, и руководствоваться методическими рекомендациями «Диагностика и лечебно-профилактические мероприятия при воздействии ультразвука различных частот», разработанных ГУ НИИ и координации научных исследований.
Все приборы, используемые для вибродиагностического обследования, прошли механическую проверку на специальном калибровочном оборудовании и метрологически аттестованы в установленном порядке.
Акселерометр типа 8309 специально предназначен для измерения и анализа механических ударов с большими амплитудами. Типичными областями применения являются измерения ударов и измерения ударных волн на клапанах двигателей внутреннего сгорания. Очень прочная конструкция акселерометра благоприятствует его использованию в крайних условиях окружающей среды.
В качестве чувствительного элемента в акселерометре типа 8309 использован специальный пьезоэлектрический материал (рис. 2).
Рис. 2. Акселерометр типа 8309
Он отличается небольшими размерами и весом, что благоприятствует его использованию при измерении колебаний небольших и легких объектов. Интегральный малошумный кабель длиной 300 мм обеспечивает надежное соединение даже при измерении ударов с амплитудой до 100 000 д. Вместе с акселерометром поставляется также удлинительный
кабель длиной 1,2 м, который можно соединять рядом с интегральным кабелем.
Преимуществом акселерометра 8309 является высокая частота резонанса в поперечном направлении. Это очень важно при измерении комплексных ударов, при котором трудно определить поперечные движения испытуемого объекта.
Вместе с акселерометром 8309 используется предусилитель 2635, выпускаемый фирмой Вгие1&^ег. При необходимости сигнал можно ослаблять с помощью дополнительного кабеля, подключаемого между датчиком и предусилителем.
Надежное крепление акселерометра типа 8309 является очень важным вопросом при измерении ударов с высокими амплитудами. Для этой цели акселерометр снабжен прочной интегральной шпилькой, рассчитанной на неискаженную передачу колебательного сигнала от объекта к чувствительному элементу. Поверхность, на которой устанавливается акселерометр, должна быть ровной и гладкой.
В табл. 1 представлены технические характеристики акселерометра.
Таблица 1
Технические характеристики акселерометра
Чувствительность по заряду 0,03-0,04 пКл/g
Диапазон частот: 5 % 10 % 1-36 000 Гц 1-60 000 Гц
Ударная стойкость 100 000 д
Поперечная чувствительность 5 %
Резонансная частота в поперечном направлении 28 кГц
Вес без интегрального кабеля 3 г
Вес с интегральным кабелем 5 г
Предусилитель сигнала 2635 (рис. 3) является высококачественным универсальным усилителем заряда и формирователем сигнала, предназначенным для измерений механических колебаний (вместе с пьезоэлектрическими вибродатчиками) и распространяющегося в воде звука (при работе с пьезоэлектрическими гидрофонами).
Прибор 2635 можно соединять с портативными магнитофонами, самописцами уровня, электронными вольтметрами и частотными анализаторами. В качестве источника питания прибора 2635 можно использовать внутренние батареи или внешний источник постоянного тока. Следовательно, прибор 2635 эффективен как в полевых, так и в лабораторных условиях.
Рис. 3. Предусилитель сигнала 2635
Многоканальный синхронный регистратор и спектроанализатор АТЛАНТ (рис. 4) включен в Государственный реестр средств измерения под № 19989-00 и допущен к применению, предназначен:
- для синхронной регистрации, спектральной обработки и графического анализа сигналов с различных датчиков, имеющих выход по напряжению (по току). Количество синхронно регистрируемых сигналов может изменяться пользователем при работе с прибором в произвольной конфигурации от 1 до 8;
- решения практических проблем оперативной диагностики состояния аппарата «на месте измерения и регистрации» при помощи встроенных в компьютер экспертных систем, поиска дефектов различных узлов аппарата;
- создания и «ведения» баз данных по регистрированным сигналам, сосредоточенным в специальных директориях программы, соответствующих конкретным аппаратам. При помощи этой базы данных можно контролировать техническое состояние аппарата, выявлять тенденции изменения.
Рис. 4. Многоканальный синхронный регистратор и спектроанализатор АТЛАНТ
АТЛАНТ является универсальным прибором, обладает широкими возможностями и позволяет легко изменять параметры и свойства регистрации сигналов. При его помощи можно синхронно, т. е. одновременно регистрировать и просматривать на экране «временные» сигналы от многих датчиков.
Конструктивно многоканальный синхронный регистратор АТЛАНТ состоит:
- из блока регистрации и синхронизации сигналов. Он представляет собой небольшой модуль, в состав которого входят входные нормирующие усилители, перестраиваемые фильтры и плата быстродействующего синхронного АЦП;
- блока обработки и хранения сигналов. Он представляет собой переносной компьютер стандартной конфигурации. Единственным дополнительным требованием к компьютеру является наличие специальных протоколов обмена информацией через принтерный порт компьютера;
- вибродатчиков-пьезоакселерометров с комплектом соединительных проводов и магнитами быстрого крепления.
Основные технические параметры регистратора АТЛАНТ представлены в табл. 2.
АТЛАНТ создавался преимущественно как регистратор и анализатор вибросигналов, поэтому основное внимание в данной инструкции уделено регистрации и обработке сигналов с вибродатчиков-пьезоакселеро-метров.
Спектроанализатор АТЛАНТ, благодаря эффективному использованию свойств переносного компьютера, имеет гибкую конфигурацию, обладает большими вычислительными возможностями. Он позволяет пользователю:
- изменять конфигурацию прибора, основные параметры регистрации сигналов:
• тип и частотный диапазон применяемых датчиков,
• количество каналов регистрации и «Раскладку» датчиков по каналам,
• частоту синхронного опроса датчиков,
• длительность непрерывной регистрации сигналов;
- зарегистрированную с датчиков информацию для визуального контроля и экспресс-анализа просматривать на экране компьютера, который программно разбивается на нужное количество отдельных окон просмотра, и в широком диапазоне изменять параметры про-смотра-масштабирование и «временное» разрешение;
- всю информацию по контролируемым агрегатам, выполненным замерам и рассчитанным параметрам состояния хранить во внутренней базе данных прибора;
- исходные вибросигналы подвергать дополнительной обработке.
Таблица 2
Основные технические параметры регистратора АТЛАНТ
Количество каналов регистрации аналоговых сигналов 8 (до 16*)
Частота опроса каналов при регистрации сигналов 1-20 000 Гц
Частотный диапазон поставляемых вибродатчиков 5-5000 Гц
Длительность временных выборок сигналов 0,01 с - 2 ч
Объем памяти для хранения сигналов 1000 МБ
Частотное разрешение получаемых спектров 50-12 800 линий
Разрешение цветного жидкокристаллического дисплея 600 х 800 точек
Время работы от внутренних источников питания 2,5-4,0 ч
Вес прибора в упаковке без датчиков 7,0 кг
* - специальная версия поставки.
Это позволяет:
• осуществлять переходы между виброускорением, виброскоростью и виброперемещением,
• контролировать изменение параметров при пуске аппарата практически на любом интервале времени, определять критические резонансные частоты аппарата,
• учитывать влияние режимов работы аппарата, устранять тепловые расцентровки,
• выполнять специальные преобразования, такие, как расчет взаимных спектров, кепстров, вейвлет-анализ и т. д.
- регистрировать любые электрические сигналы в диапазоне 0-5 В.
Измерения параметров вибрации проводится в контрольной точке, расположенной на металлическом кубе, жестко соединенном с акселерометром 8309 (см. рис. 1).
Пьезоэлектрический акселерометр нужно надёжно прикрепить к поверхности куба, подвергаемого вибродинамическому воздействию струи аппарата, в выбранной контрольной точке. Надёжность крепления и качество механической связи между акселерометром и кубом являются основными условиями получения точных и воспроизводимых результатов измерения и анализа параметров вибраций.
В связи с тем, что направление от гидродинамического воздействия струи орошения соответствовало одной из главных осей, регистрировалась компонента по х, совпадающее с главной (продольной) осью пьезоакселеро-метра 8309.
Регистрация колебаний велась в нескольких эксплуатационных режимах под воздействием гидродинамики струи.
Данная работа имела целью провести натурные экспериментальные исследования параметров виброактивности струи аппарата при создании динамического воздействия в экс-
плуатационных режимах работы. В рамках этого исследования предполагалось также определить динамические характеристики струи в зависимости от времени.
Измерения параметров вибрации проводят в контрольной точке 1, расположенных на металлическом кубе в горизонтальном продольном направлении (см. рис. 1). В табл. 3 приведены характеристики различных режимов работы аппарата. Значения СКЗ ускорений для этих режимов работы аппарата приведены в табл. 4.
Таблица 3 Характеристики различных режимов работы аппарата
Контрольная точка Режим Запись Виброускорение м/с2
10 70 1,5 1,0
8 9 10 11 12 13
КТ1Х 2,7 3,0 5,1 2,9 4,8 3,0
Амплитуды скорости и ускорения колебательного движения частиц в струе аппарата, а также амплитуды звукового давления в ультразвуковых волнах во много раз больше соответствующих величин для слышимых звуков. Благодаря большой амплитуде звукового давления, создаваемого мощным ультразвуковым излучателем, в жидкости возникает явление кавитации, которое характеризует частоту образования и схлопывания внутренних разрывов сплошности. Поэтому ультразвуковые колебания струи ускоряют процесс растворения, а также за счет образования свободных ионов повышают эффективность протекания химических процессов. Эффективность и акустическая активность в струйном измельчении изменяются в зависимости от параметров (амплитуды, частоты) акустического излучения оросителя.
Временная реализация вибрационного сигнала, получаемая непосредственно с датчика
Таблица 4
Значения СКЗ ускорений
Расстояние, мм Мощность орошения, % Мощность насоса, % Номер записи «АТЛАНТ» Примечание (рис.)
10 50 30 8 9 (а)
10 100 100 9 9 (б)
70 50 30 10 10 (а)
70 100 100 11 10 (б)
1,5 100 100 12 11 (а)
1,0 100 100 13 11 (б)
Atlant
0.03782 0.0392 0.04 0.0408 0.041 8 0.0424 0.0432 0.044 0.0448 0.0456 0.0464 0.0472 0.048 0.0488 0.05009 Х=0.04403 с Y=22.611 2 iWc2
13.03.2015 в 0:43:28
11 Вертикально [СКЗ: 9.5 мм/с]
Ml*]
0.06022 0.061 6 0.0624 0.0632 0.064 0.0646 0.0656 0.0664 0.0672 0.068 0.0668 0.0696 0.0704 0.071 2 0.07248 Х=0.07006 с У=-22.31 4 гл*с2
13.03.2015 в 0:50:29
Рис. 5. Реализация вибрационного сигнала режим 12 (а), режим 13 (б)
I ¡^ 1 Вертикально [СКЗ: 10.7 мм/с
4.644 4 3.2 2.4 1.6 0.8 п
4 \ -
А / X
L Т"
LLL...I т
\ / _____
/ X4 ч_ _ ^_ _ 1
0 60 90 1 20 1 50 1 80 21 0 240 270 300 330 360 390 420 4SS.2S1 >=1 01.725 Гц У=4.598 м/с2
13.03.2015 в 0:43:28
^g 1 Вертикально [СКЗ 9.5 мм/с] -lö|x|
3.946 3.5 2.8 2.1 1.4 0.7 п
\
"J к
1 \ \ -
"J" \
_ t" "и/ у_ ^Z4 V _ ______
0 60 90 1 20 1 50 1 60 21 0 240 270 300 330 360 390 420 466.261 Х=50.8626 Гц Y=3.907 lWc2
13.03.2015 в 0:50:29
Рис. 6. Низкочастотный спектр струйного воздействия запись 12 (а), запись 13 (б)
(рис. 5), является малоинформативной с точки зрения получения параметров, характеризующих процесс колебательного состояния струи аппарата. Причина заключается в том, что исходный сигнал представляет собой совокупность различных низко- и высокочастотных составляющих, характеризующих работу оросителя и насоса в эксплуатационных режимах работы. Наиболее распространенным методом обработки вибрационного сигнала в целях получения его параметров является применение преобразования Фурье, т. е. замена временной реализации вибрационного сигнала на его частотные составляющие.
На рис. 6 представлен низкочастотный спектр. В преобразовании Фурье базисные функции определены на всей временной оси и
поэтому не могут выявлять появление спектральных составляющих сигнала в определенный момент времени.
В последнее время активно развивается направление, связанное с применением вейв-летов в задачах анализа вибрационных сигналов. Используя вейвлет-преобразование, можно выделить не только частотные составляющие сигнала (рис. 7), но и четко локализовать во времени появление отдельных спектральных составляющих (рис. 8).
Выполненные научные исследования направлены на применение новых знаний для достижения практических целей и решения конкретных задач: испытание аппарата аэрозольной терапии УЗОЛ-01-«4» неразрушаю-щими вибрационными методами.
Atlant
1 Вертикально [СКВ: 10.7 мм/с]
4.644 4 3.2 2.4 1.6 0.8
-
0 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 16000 20000 22000 24000 26000 26000 32541.9
Х=2081 3 Гц Y=0.09753 ruiic2
а)
13.03.2015 в 0:43:28
Исходный сигнал (ВА£Е\ Л0Р\ 8309ДАТЧИК\та20020313.0121
30000
40000
40000
320002400016000 8000-
fii-дтть Бейвлеш-преобразаБания
Ы4
^ Ушш -
J-
20000 30000 40000 S0000
Фаза Бейвлея-преобразавания
10000 20000 30000 40000 50000 60000
б)
13.03.2015 в 0:43:28
Рис. 7. Спектр струйного воздействия (а) и вейвлет преобразования (б) запись 12
1 Вертикально [СКЗ: 9.5 мм/с]
3.946 3.5
2.8 2.1 1.4 0.7 0
-
а)
0 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000 20000 22000 24000 26000 28000
Х=2081 3 Гц У=0.09077 М<с2
13.03.2015 в 0:50:29 Атлант
Исходный сигнал (ВАЕЕА ЛОР\ В309ДАТЧИК\тт20020313.013)
400003200024000160003000-
Нодуль Бейвлет-цреобразаБанин
10000 20000 30000 40000
50000 60000
б)
■ I I
10000 20000 30000 40000 50000 60000 мкс
Фаза вейвлет-преобразаванин
13.03.2015 в 0:50:29
Рис. 8. Спектр струйного воздействия (а) и вейвлет преобразования (б) запись 13
Согласно [1-4] определены динамические параметры колебаний и их частотный состав для аппарата от динамического воздействия в эксплуатационных режимах с использованием метрологически аттестованного оборудования аттестованными специалистами по неразрушающему контролю вибрационным методом [5, 6].
Результаты проводимого вибродиагностического исследования Фурье и вейвлет анализом динамического поведения струи аппарата аэрозольной терапии УЗОЛ-01-«4» позволяет сделать следующие выводы:
1. На основе аппаратных средств фирмы Вгие1&К)ег и регистратора АТЛАНТ разработана методика регистрации и анализа параметров частиц лекарственного раствора под
воздействием вибрирующего источника, создающего ультразвуковую волну.
2. Исследования показали, что акустическая активность струйного орошения изменяется в зависимости от степени заполнения струи, проходящей через ороситель.
3. Наиболее информативными параметрами акустического мониторинга является амплитуда и частота акустического сигнала.
4. Применение вейвлет преобразования позволяет исключить основной недостаток Фурье-анализа: невозможность получения независимости частотных составляющих с течением времени. На рис. 9 наглядно представляется, какие частоты преобладают во временной области.
5. С использованием результатов прове-
денного динамического исследования можно провести выбор оптимальных конструктивных и технологических параметров работы аппарата аэрозольной терапии УЗОЛ-01-«4»,
разработать эффективные методики аэрозольной терапии и контролировать методы создания лечебного раствора на базе инфракрасной спектроскопии.
Исходный сигнал <BASE\ ЛОРА 830ЭДАТЧИК\ет20020313.012)
10000 20000 30000 40000
50000 S0000
Модуль ЕеЙЕлет-преебрав аЕалия
8000 16000 24000 32000
13.03.2015 в 0:43:28 Atlant
а)
Исподний сигнал tBASE\ Л0Р\ 8309ДАТЧИК\тд20020313 - 013)
10000 20000 30000 40000
S0000 60000
3200024000160008000-
Модуль вейвлет-преобразавания
I II .Ш
,, шп „. ,jI lMMi'i '/'п 1,,'П
- ■ ■
U 1 1 Li Ы
10000 20000
40000 Б0000
Сечение по времени t =41136.00 мке (сп
8000 16000 24000 32000
я: 41136 10000 20000 ЗОООО 40000 Б0000 60000
13.03.2015 в 0:50:29
Рис. 9. Вейвлет преобразование запись 12 (а), запись 13 (б).
б)
Литература
1. ГОСТ 31191.1-2004. Вибрация и удар. Измерение общей вибрации и оценка её воздействия на человека. Ч. 1. Общие требования. - Введ. 30-06-08. - М. : Нац. стандарт РФ: Стандартинформ, 2010.
2. ГОСТ 31319-2006. Измерение общей вибрации и оценка её воздействия на человека. Требования к проведению измерений на рабочих местах. - Введ. 30-06-08. - М. : Нац. стандарт РФ: Стандартинформ, 2008.
3. Смоленцев, Н.К. Основы теории вейв-летов. Вейвлеты в МАТЬАБ /Н.К. Смоленцев. -М.: Изд-во ДМК, 2008. - 448 с.
4. Захезин, А.М. Метод разрушающего контроля для определения зарождающихся дефектов при помощи Фурье и Вейвлет-анализа вибрационного сигнала / А.М. Захезин // Вестник ЮУрГУ. Серия «Строительство и архитектура». - 2013. - Т. 13, № 2. -С. 28-34.
5. Письмо Федеральной службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека от 21 января 2009 г. № 01/752-9-32 «О методах инструментального контроля вибрации».
6. Аппарат аэрозольной терапии. УЗОЛ-01-«4». Паспорт. г. Челябинск.
Захезин Альберт Михайлович, кандидат технических наук, доцент кафедры теоретической механики и основ проектирования машин, Южно-Уральский государственный университет (Челябинск), a.zakhezin@gmai1.com.
Поступила в редакцию 9 июля 2015 г.
DOI: 10.14529/ozfk150310
VIBRODIAGNOSTIC EXAMINATION OF PERFORMANCE OF AEROSOL THERAPEUTIC DEVICE UZOL-01-"4"
A.M. Zakhezin, South Ural State University, Chelyabinsk, Russian Federation, a.zakhezin@gmail.com
Aim: to enhance the effectiveness of therapeutic treatment of patients using aerosol therapeutic device UZOL-01-"04". Drug therapy holds a prominent place in treatment with liquid medicinal products intensified by some source. Aerosol therapeutic device UZOL-01-"4" forms a drug stream with ultrasound oscillations. To describe the mechanism of the irrigation stream effect with different medical drug compositions we developed a method defining its dynamic properties. Research suggest that the acoustic activity of the stream irrigation changes depending on the fill of stream flowing through irrigation canal. The most informative parameters of acoustic monitoring are amplitude and frequency of the acoustic signal. Using the wavelet transform makes it possible to preclude the major drawback of Fourier-analysis, impossibility to obtain the independence of the frequency components with the course of time. The results of the conducted dynamic research make it possible to choose optimal constructive and operational parameters of performance of aerosol therapeutic device UZOL-01-"04", to develop effective methods of aerosol therapy and to control methods of creating of the liquid medicine on the basis of infrared spectroscopy.
Keywords: aerosol therapy, ultrasound oscillations, vibration process.
References
1. GOST 31191.1-2004. Vibratsiya i udar. Izmerenie obshchey vibratsii i otsenka ee vozdeystviya na cheloveka. Ch. 1. Obshchie trebovaniya [Vibration and Shock. Measurement of the Overall Vibration and Evaluation of Its Effects on Humans. Part 1: General Requirements]. Moscow, Standartinform Publ., 2010.
2. GOST 31319-2006. Izmerenie obshchey vibratsii i otsenka ee vozdeystviya na cheloveka. Trebo-vaniya k provedeniyu izmereniy na rabochikh mestakh [Measurement of the Overall Vibration and Evaluation of Its Effects on Humans. Requirements for Measurement at the Workplace]. Moscow, Stan-dartinform Publ., 2008.
3. Smolentsev N.K. Osnovy teorii veyvletov. Veyvlety v MATLAB [Fundamentals of the Theory of Wavelets. Wavelets in MATLAB]. Moscow, DMC Publ., 2008. 448 p.
4. Zakhezin A.M. [Destructive Testing Method for Determining Incipient Defects Using Fourier and Wavelet Analysis of the Vibration Signal]. Bulletin of South Ural State University. Ser. Construction Engineering and Architecture, 2013, vol. 13, no. 2, pp. 28-34. (in Russ.)
5. Pis'mo Federal'noy sluzhby po nadzoru v sfere zashchity pravpotrebiteley i blagopoluchiya cheloveka "O metodakh instrumental'nogo kontrolya vibratsii" [Letter of Federal Service for Supervision of Consumer Rights Protection and Human Welfare. On the Methods of Instrumental Control of Vibration], 2009, no. 01/752-9-32.
6. Apparat aerozol'noy terapii [Apparatus Aerosol Therapy]. UZ0L-01-"4". Pasport. Chelyabinsk.
Received 9 July 2015
ОБРАЗЕЦ ЦИТИРОВАНИЯ
FOR CITATION
Захезин, А.М. Метод вибродиагностического исследования технического состояния аппарата аэрозольной терапии УЗОЛ-01-«4» / А.М. Захезин // Вестник ЮУрГУ. Серия «Образование, здравоохранение, физическая культура». - 2015. - Т. 15, № 3. - С. 67-76. Ш1: 10.1452^£к150310
Zakhezin A.M. Vibrodiagnostic Examination of Performance of Aerosol Therapeutic Device UZOL-01-"4". Bulletin of the South Ural State University. Ser. Education, Healthcare Service, Physical Education, 2015, vol. 15, no. 3, pp. 67-76. (in Russ.) DOI: 10.14529/ozfk150310
