CC BY
155
УДК 621.002:004.354
Применение пьезоэлектрических преобразователей в системе дистанционного мониторинга потребляемых водных ресурсов в сфере жилищно-коммунального хозяйства
A.А. Сапронов, д.т.н., профессор, e-mail: marchuk@sssu.ru
B.А. Зибров, к.т.н., доцент
C.В. Воробьев, студент
ФГОУ ВПО «Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса», г. Шахты
Представлена электрическая модель движения среды в гидротрубопроводе; рассмотрен метод электродинамических аналогов для расчета сопротивлений магистрального гидротрубопровода; приведены аналитические выражения для определения амплитуды колебаний пьезоэлектрического преобразователя.
The authors describe an electrical model of medium movement in the water pipeline. This article presents the method of electrodynamic analogue for calculating the resistance of the main hydropipeline and reveals analytical formulas for determining the oscillation amplitude of the piezoelectric transducer.
Ключевые слова: гидротрубопровод, пьезоэлектрический преобразователь, гидроакустический канал, схема замещения.
Key Words: water pipeline, piezoelectric transducer, hydroacoustic channel, substitution scheme.
В настоящее время деятельность жилищно - коммунального хозяйства (ЖКХ) сопровождается весьма большими потерями ресурсов, как потребляемых самими коммунальными предприятиями, так и предоставляемых потребителям воды, тепловой и электрической энергии.
Это обусловлено изношенностью основных фондов и отсутствием эффективного контроля за израсходованными энергоресурсами. Так, например, вместо требуемой ежегодной замены
3-4% сетей инженерной инфраструктуры перекладывается 0,3-0,8% их общей длины, что ведет к увеличению числа аварий и повреждений. Кроме того, уровень оплаты за использованные ресурсы в коммунально-бытовом секторе существенно занижен, что также негативно отражается на экономических показателях предприятий ЖКХ и приводит к росту тарифов на энергоносители.
Современный уровень развития вычислительной техники и средств связи позволяет перевести большинство объектов ЖКХ на автоматический режим работы, а также предоставляет возможности дистанционного мониторинга и управления сетью объектов с единых диспетчерских пунктов [1]. Такой подход приводит к снижению затрат на эксплуатацию объектов, позволяет сократить численность их персонала при одновременном существенном повышении качества обслужи-
вания, решении задачи автоматизированного учета и оптимизации управления технологическими процессами. Получение объективной информации необходимо для реальной оценки истинного состояния объектов и их оборудования, что обеспечивает принятие обоснованных решений для планирования организационно-технических мероприятий.
Известные автоматизированные системы учета и диспетчеризации имеют ряд преимуществ [2-5]: измерение аналоговых электрических сигналов от устройств нижнего уровня и преобразование их в эквивалентное значение физической величины; автоматическое переключение диапазонов измерения составных измерительных каналов; прием цифровой информации от интеллектуальных датчиков по интерфейсам RS-232, RS-48S и Ethernet, Radio Ethernet; восстановление учетных данных за время простоя системы и т. п.
Метрологические характеристики автоматизированных систем учета гидроресурсов достаточно высоки, однако имеются и недостатки: применение ненадежных радио- и проводных систем связи, наличие достаточно мощного источника питания, работающего от общей сети энергоснабжения, отсутствие унификации протоколов связи, работа программы верхнего уровня с несколькими драйверами и т. п.
Следует заметить, что на практике не всегда удается оснастить узел учета надежным устройством передачи телеметрической информации. Это в большей степени касается приборов учета потребленной воды, так как в этом случае, как правило, отсутствует возможность использования источника питания, а место установки водомеров не позволяет эффективно применять проводной канал или радиоканалы, а также РЬС-технологии.
В то же время использование ультразвуковой технологии передачи данных для учета энергоресурсов позволит измерять параметры любых сред: жидкостей, газов и даже пара. Измерение и передачу данных можно проводить с помощью гидроакустического ультразвукового канала связи в магистрали трубопровода при транспортировке тех или иных сред.
Одним из важных моментов при организации надежного гидроакустического ультразвукового канала связи является определение технических параметров собственно канала связи, а также приемника и передатчика акустической волны, выполненных на основе пьезоэлектрических преобразователей (ПП).
При несомненной значимости теоретических и практических результатов, полученных в данном направлении, следует сказать, что роль волновых явлений в гидротрубопроводной системе изучена недостаточно [4].
Обладая высокой степенью информативности, амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) спектра гидродинамических шумов позволяет оценить такие важнейшие технико-технологические параметры водной среды, как появление негерме-тичности стенки самого трубопровода, сужение его проходного сечения, вызванного, например, отложениями солей, а также ряд других обстоятельств. Таким образом, можно предположить, что в составе спектра гидродинамических колебаний (шумов) содержится объективная информа-
ция об эффективности выбранного технологического режима работы системы в целом.
В этом смысле исследование АЧХ спектра гидродинамических шумов в гидротрубопроводе приобретает особую значимость. Согласованный режим волноводной системы гидротрубопровода и нагрузки будет означать отсутствие отраженных волн давления и скорости. В этих условиях реализуется максимум мощности, передаваемой в нагрузку, и, как следствие, достигается максимальный КПД системы в целом. При этом затраты энергии на передачу информационного сигнала минимизируются.
Электрическая модель магистрального гидротрубопровода общеизвестна - это линия с распределенными параметрами. Рассчитать его волновое сопротивление не составляет особого труда. Для согласования требуется знать сопротивление нагрузки гидротрубопровода. Им будет входное сопротивление приемника ультразвукового излучения, расчет которого более сложен, чем расчет волнового сопротивления собственно гидротрубопровода. Данную задачу можно исследовать, используя метод электродинамических аналогий. Фундаментальность этого метода объясняется тем, что одни и те же дифференциальные уравнения описывают процессы гидродинамики, акустики и электричества, различаясь лишь значениями постоянных коэффициентов, входящих в их состав. Данный подход позволяет применить доступный набор методов расчета электрических цепей как аналогов сложных динамических систем. С позиции теории электрических цепей модель магистрального гидротрубопровода будет представлена каскадным соединением активных и пассивных 4-полюсников (рис. 1).
Для простоты в схеме не обозначены входные и выходные токи и напряжения 4-полюсни-ков. Модель является двуединой. Она требует самостоятельного решения применительно к каждо-
Источник
ультразвукового
излучения
Г идротрубопровод (волновод)
Приемник
ультразвукового
излучения
Рис. 1. Электрическая модель магистрального гидротрубопровода
му из основных блоков, входящих в состав каскадного соединения 4-полюсников. Сопоставляя значимость результатов исследования гидротрубопровода (ГТ) и приемника ультразвукового излучения (ПУИ) 4-полюсников, можно утверждать, что ПУИ имеет определяющее значение, поскольку моделирует процесс движения среды в гидротрубопроводе и в то же время с позиции акустики является наиболее сложным звеном всей системы. Использование данной модели предполагает следующую систему аналогий: «давление - напряжение», «скорость - электрический ток».
С учетом сказанного выше ПУИ может быть представлен схемой замещения, приведенной на рис. 2, где — X - комплексные сопротивле-
ния; й1 — й2 - комплексные входные и выходные напряжения. Параметры комплексных ЭДС и напряжений с индексами 1х и 2х получены при реализации опытов холостого хода со стороны как входных (1-2), так и выходных (3-4) зажимов.
Изображенный на рис. 2 активный 4-полюс-ник относится к классу автономных источников,
для которых характерно наличие входных и выходных напряжений даже при отсутствии подключенных к входным и выходным зажимам внешних источников энергии. Базовая система уравнений А-формы для данной схемы будет иметь соответствующий вид:
Гй — й1х= лфг—Ц*)+^2, 11Х = с й — й2*)+в1г,
где А, В, С и В - комплексные коэффициенты, определяемые структурой пассивного 4-полюсника.
Базовые схемы замещения некоторого активного 4-полюсника могут видоизменяться при моделировании конкретного динамического объекта.
В рамках поставленной задачи реализуем это применительно к ПУИ в системе магистрального гидротрубопровода. Соответствующая электрическая схема приведена на рис. 3.
На этой схеме источник ЭДС Е1х принимается идеализированным, для него внутреннее сопротивление равно нулю. Сопоставляя параметры входных и выходных токов и напряжений
Рис. 2. Схема замещения приемника ультразвукового излучения
в
'м А л ь л А А
ч V', С Сі' к' с ^ ^ і Ї ч = Со = Ь 4 ■ т = Ко 1 ж ХЛ
Пьезоэлектрический преобраз< эватель
Приемник ультразвукового излучения
2
Рис. 3. Электрическая схема приемника ультразвукового излучения
для этой схемы, можно заключить, что й2 > й1 и 11 > 12, и это полностью соответствует роли ПУИ как объекта, выполняющего функции приемника. С учетом сказанного запишем систему уравнений А-формы для схемы, представленной на рис. 3:
й + Дх = лй2 +В1,, 1II = ей2+щ2.
При этом (О - угловая частота волнового процесса в гидротрубопроводе, задаваемая источником а матрица коэффициентов полученной системы в А-форме будет выглядеть следующим образом:
A _ A B
C D
Для матрицы коэффициентов выполняется главное соотношение AB — BC = 1, которое подтверждает факт автономности рассматриваемого
4-полюсника для схемы, представленной на рис. 3.
Полученный результат может быть использован при расчете исходной схемы системы магистрального гидротрубопровода (см. рис. 1). При заданных геометрических параметрах линейной части гидротрубопровода и акустических свойствах среды, которая его заполняет, можно получить аналогичную матрицу коэффициентов эквивалентного пассивного 4-полюсника. После чего задача по расчету всего каскадного соединения цепи (см. рис. 1) решается с использованием известного матричного метода.
Определим амплитуду колебаний пьезоэлектрического преобразователя, выступающего в качестве приемника акустической волны, распространяемой в гидроакустическом канале, для случая практически идеальной трубы без изменения ее конфигурации, т. е. сужений, расширений, без наличия на участке «карманов» около ультразвуковых датчиков и т. д.
Колебания, распространяемые в гидроакустическом ультразвуковом канале, достигают пьезоэлектрического преобразователя, изменяя его деформацию, пропорциональную потенциалу на его пластинах [6-7]:
= 7J^«(t)dt + 7Ja(t^(t^u™(t)dt, l 0 7 0
где - деформация ПП; %н (t) - начальная дефор-
мация; a(t) - коэффициент всестороннего сжатия; unn(t) - потенциал на пластинах ПП; b,a,l - соответственно ширина, толщина и длина ПП.
Рассмотрим изменение величины потенциала ипп (t) в процессе приема ультразвукового излучения ПП. В одномерной модели движение каждого слоя ПП подчиняется волновому уравнению [7]
д2и 2 д2и
---г _ с ,
dt2 д%2
где и - смещение; с - скорость распространения упругой волны; t , x -время и координата. Решение уравнения <^3 запишем в виде
u _ V Ак-(х+b-)-wt] + W е-[(х+b-)+fflt]
U- V -C i" YY qC
и- _ vxe[klX-at] + W1e-[kix,
u2 _ v2e[k2X-at] + W2e-[klx+№t],
u3 _ V3eikx-№t] + W3e-kX+M ,
где Vq,V1, V2 ,V3 - амплитуды смещений в падающей волне соответственно в трубопроводе, звукоприемной насадке, ПП, корпусе ПП; Wq ,W1 ,W2, W3 - амплитуды смещений в отраженных волнах; kQ _alс0;k1 _а/с1;к2 _а/с2;к3 _а/с3 волновые числа.
В полученных выражениях известным считается только параметр VQ, а остальные определим, используя граничные условия. Как известно [8], при переходе от слоя к слою должны быть непрерывны смещения и давления, т. е.:
при x _ b1
2 ди0 2 ди,
и0 _ и1, gQсо -Г- _ g^1 —;
дх дх
при х _ 0
2 ди- 2 ди 2
и1 _ и2 , g^1 -Z- _ g2с2 -Z- ;
дх дх
при х _ b2
2 ди2 2 ди3
и2 _ U3, g2с2 -Z- _ g3с3 ,
дх дх
где g0, g1, g2, g3 - удельные электропроводности жидкости соответственно в трубопроводе, насадке, ПП, корпусе ПП.
Подставляя полученные выражения в граничные условия, получаем систему уравнений:
у^-ікА + ЩхёкА - -Що-- = ^,
V ёС е-ікА + Щ ёС еікл + Що
ёоСо ёоСо
V + Щ - У2 - Щ2 = о,
V + Щ - V ё 2С2 + Щ2 ё 2С2 = о,
ё\С\ ёС
"Ъ ЪУ + Щ2 Є-ік2А2 - ^зЄ ;ік3А2 - о,
у2 еікЛ - Щ2 Є-ік2А2 Vз ё3С3 ЄікзА2
Согласно формулам Крамера имеем:
0’
ё 2С2
= 0.
А =
-1 е 0 0 0
1 «Ле-«А 8осо 8іС] ік,Ь, 8осо 0 0 0
0 1 1 -1 -1 0
0 1 -1 82С2 Мг 0
8Л 8Л
0 0 0 е»*і*г е
0 0 0 Q^Ь2^2 ] 1 0) ] £зсз е*Л 82е2
-1 е-Й,4, 1 0 0
1 1Ле- £осо /*,6, _ £іс'і £,:* Л 8осо 1 0 0
0 1 1 0 -1 0
=К 0 1 -1 0 8гС2 8& 0
0 0 0 0 е‘*А е -ікфї
0 0 0 0 _е-*А 8ъсъ е<*А 8ісі
-1 е-*А е*А 0 1 0
1 8Л. 8сРв -&А _ 8\с\ е«,4, р 8„Со 1 0
0 1 1 -1 0 0
=к 0 1 -1 8іС2 &сі 0 0
0 0 0 0
0 0 0 е*2 Ь 0 - 8зсз С**А §2С2
V = V ■
2 у 0
Определим величину колебаний потенциала на пластинах ПП:
^пп .§2С2^0
ґ AV .. Дщ
е'Ь*--------^ е-
Д Д
V
ік2е
Для нахождения амплитуд падающей (У3) и отраженной (Щ) волн в ПП составляем определители системы:
Амплитуда смещения и амплитуда напряжения в контакте жидкость-насадка связаны соотношением ¥0 = —и0 / mg0c0, где ио - амплитуда напряжения на контактах ПП, выступающего в качестве передатчика ультразвуковых колебаний. Тогда окончательное выражение для амплитуды колебаний на ПП, выступающего в качестве приемника акустической волны, примет окончательный вид:
&2С2
8осо
К Дщ
2-С08 к.,х---------2С08 к.,х
Д 2 Д 2
+і
—2- 8ІИ Ьх +----------------щ 8Ш Ьх
Полученное выражение позволяет определить амплитуду колебаний на пластинах ПП, выступающего в качестве приемника акустической волны, распространяемой в гидроакустическом ультразвуковом канале.
Для уменьшения величины погрешности передачи ультразвуковых колебаний можно использовать многохордовые схемы зондирования потока.
При традиционном однолучевом расположении пьезоэлектрических преобразователей необходимо экспериментально уточнять значения гидродинамического поправочного коэффициента, влияющего на значение амплитуд падающих и отраженных волн в гидроакустическом ультразвуковом канале.
Традиционно этот коэффициент вычисляется по формуле, выведенной на базе степенного закона распределения скоростей в потоке по данным измерений, проведенных Никурадзе [8]:
А=2и/(1+2и),
где п=11,269 - 3,019^Яе+0,432^2Яе (Яе - число Рейнольдса).
Проблема организации передачи информации по гидроакустическому ультразвуковому каналу состоит в том, что изложенная теория подходит лишь для случая практически идеальной трубы без изменения ее конфигурации, т. е. сужений, расширений, ответвлений, без наличия на расходомерном участке «карманов» около пьезоэлектрических преобразователей и т. д. Кроме того, предложенная формула не учитывает асимметрию водного потока, приводящую к неравномерному распределению скоростей жидкостных слоев внутри потока. Также следует определить технические характеристики передатчика ультразвуковых колебаний, создающего акустическое давление с заданной амплитудой в точке приема ультразвукового сигнала.
В связи с вышесказанным целесообразно разработать имитационные модели распространения ультразвуковых волн в неидеальном трубопроводе, провести численный эксперимент, а для оценки его достоверности сравнить полученные результаты с результатами натурного эксперимента.
Вместе с тем применение гидроакустического ультразвукового канала для передачи информации при учете гидроресурсов дает возможность наиболее полно реализовать контроль их потребления, особенно в тех случаях, когда передача информации традиционно используемыми способами затруднена или невозможна.
ЛИТЕРАТУРА
1. Григорьев М.В., Шафер Е.С., Балихин И.Н., Плюшаев В.И. Аппаратно-программный комплекс для канализационных насосных станций // Водоснабжение и санитарная техника, 2000, №6.
2. Ладугин Д.В. Интегрированная система коммерческого учета тепловой энергии и природного газа на базе программно-технических комплексов серии «КРУГ-2000» // Датчики и системы, 2005, № 5, С. 2-5.
3. Бартенев В.Г., Бартенев М.В Энергосберегающая модульная АСУТП для распределенных объектов «СИНТАЛ ТЕЛЕТЕРМ» // Датчики и системы, 2005, № 2, С. 32-35
4. Карташев А.А., Мартынов В.И. Организация учета энергоносителей на источниках теплоты в бюджетной и жилищно-коммунальной сфере г. Сургута // Тр. XX1 Международной научн.-практ. конф. «Коммерческий учет энергоносителей» (СПб, май, 2005).
5. Титович Ю.В., Барашков В.М., Астапкович
А.М., Касаткин А.А. Обслуживание индивидуальных тепловых пунктов в филиале «Петербургская Телефонная Сеть» ОАО «СевероЗападный Телеком» // Энергосбережение, 2005, № 4, С. 2 - 6 .
6. Ерофеев А.А., Ковалев В.С. Современная нетрадиционная электроника - М.: Знание, 1989.
7. Ерофеев А.А. Пьезоэлектрические устройства автоматики. - Л.: Машиностроение, 1982.
8. Шлихтинг Х. Пространственный пограничный слой. - М.: ИИЛ, 1965.
Поступила 08.12.2009 г.
МАШИНЫ, АГРЕГАТЫ И ПРОЦЕССЫ
УДК 675.055.18
Некоторые вопросы теории заточки ножей строгальных машин
В.А. Иванов, д.т.н., профессор, e-mail: byttech@yandex.ru
В.В. Рашкин, аспирант
ФГОУ ВПО «Российский государственный университет туризма и сервиса», г. Москва
Проведен сравнительный анализ различных методов, с помощью которых моделируются операции затачивания ножей; показано, что для прогнозирования показателей качества продукции после механической обработки в большинстве случаев наиболее эффективными являются нейросетевые модели.
The comparative analysis of methods, which model the grinding procedure for cutter, reveals that the most effective in most cases are the neural network models (for the predicted product quality after machining).
Ключевые слова: строгальная машина, нейросетевая модель, параметры заточки, метод прогнозирования. Key Words: planing machine, neural network model, grinding parameters, forecasting method.
Введение
Современные модели строгальных машин оснащаются автоматическими затачивающими аппаратами разнообразных конструкций с системами централизованной смазки, автоматическими лубрикаторами и т. п. Все эти конструктивные особенности существенно усложняют проведение теоретического анализа, так как в расчетную модель приходится вводить все большее число параметров. Поэтому при расчете параметров заточки и последующих режимов обработки кожи на строгальных машинах возникают сложности с обработкой массива данных.
Для анализа работы отдельной марки строгальной машины подходят математические модели, но при увеличении числа испытуемых марок значительно увеличивается сложность модели. Как известно, строгальные машины относятся к наиболее сложным видам оборудования в системе бытового обслуживания, к которым предъявляются высокие требования как по жесткости машины в целом, так и по жесткости ее основных элементов, что обусловлено значительными силовыми нагрузками при выполнении операции механической обработки крупногабаритных кож и высокими требованиями к качеству операции строгания [1]. Это актуали-
зирует проведение анализа работы строгальной машины в совокупности с учетом свойств полуфабриката. Требуется принимать во внимание и субъективные качества оператора, выполняющего операцию строгания. В целом работу можно представить как систему, содержащую ряд подсистем, основными из которых являются ножевой вал, снабженный спиральными ножами, заточной механизм, подающий вал и обрабатываемый полуфабрикат [2].
Каждая из этих перечисленных подсистем, в свою очередь, характеризуется своим набором как «нормативных», экзогенных параметров, обусловленных их назначением и выполняемыми функциями, так и специфическими, эндогенными параметрами, отражающими взаимодействие подсистем. Если в первом приближении исключить из рассмотрения существенный разброс свойств обрабатываемого полуфабриката (что особенно важно в единичном производстве на мелких предприятиях бытового обслуживания, когда необходимо обрабатывать партии сырья достаточно малого объема), то получится сложная открытая система управления. Она не требует новых подходов и не может быть сведена к решению системы заранее установленных правил, пусть и на основе эмпирических исследований, апробированных на практике [3].
