textarchive.ru

Главная > Документ

1

Смотреть полностью

ЕЖЕМЕСЯЧНЫЙ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ И ПРОИЗВОДСТВЕННЫЙ ЖУРНАЛ

Датчики

и Системы

УЧРЕДИТЕЛИ

Ф.Ф. Пащенко Н.Н. Кузнецова Г.М. Баранова В.Ю. Кнеллер В. П. Морозов

Институт проблем управления им. В. А. Трапезникова РАН, Московский государственный институт электроники и математики, "МВТК" (Ассоциация делового и научно-техничес­кого сотрудничества в области машиностро­ения, высоких технологий и конверсии. Национальная технологическая палата), ООО "СенСиДат-Контрол" (редакция)

Гл. редактор Зам. гл. редактора Отв. секретарь Гл. редактор ИКА Научный редактор

Выпускающий редактор С. В. Суханова

РЕДАКЦИОННАЯ КОЛЛЕГИЯ

Р.Р. Бабаян, Г.М. Баранова, Г.И. Джанджга-ва, В.Г. Домрачев, А.Н. Житков, Э.Л. Ицко-вич, А.Ф. Каперко, В.Ю. Кнеллер, Л.Н. Ко-ломиец, Н.Н. Кузнецова, В.П. Морозов, Ф.Ф. Пащенко, Б.И. Подлепецкий, В.В. По­ляков, Н.Л. Прохоров, М.В. Сенянский, И.Б. Ядыкин

РЕГИОНАЛЬНЫЕ РЕДСОВЕТЫ

Ижевск

В.А. Алексеев —

(341-2) 21-29-33

Оренбург

М.Г. Кучеренко —

(353-2) 77-34-19

Орел

В.И. Гаврищук —

(486-2) 41-00-35

Владимир

В.Н. Устюжанинов -

(492-2) 33-59-67

Тула

В.Я. Распопов —

(487-2) 35-19-59

Воронеж

В.К. Битюков —

(473-2) 55-35-21 Курск

  1. С. Титов —

(471-2) 58-71-12

Тамбов

  1. В. Мищенко —

(475-2) 72-10-19

Астрахань

И.Ю. Петрова —

(851-2) 25-73-11

А.И. Надеев

(851.2) 61-45-49 Минск

И.С. Манак —

(417) 278-13-13 Львов

И.И. Марьямова —

(10-380-322) 72-16-32

(руководители)

Санкт-Петербург

  1. Г. Кнорринг — (812) 297-60-01

Нижний Новгород

  1. М. Никулин — (831) 436-78-40

Екатеринбург С.В. Поршнев — (343) 375-97-79 Челябинск

Л.И. Боришпольский -

(351-2) 41-45-26 Новосибирск Ю.В. Чугуй —

(383-3) 33-73-60

Красноярск

  1. Г. Патюков — (391-2) 912-279

Пенза

Е.А. Мокров — (841-2) 56-55-63

М.А. Щербаков — (841-2) 56-37-08

Рязань

  1. Н. Кириллов — (491-2) 92-04-55

Ульяновск

Н.Г. Ярушкина —

(842-2) 43-03-22

Уфа

В.Г. Гусев —

(347-2) 23-77-89

Саранск

В.А. Табункин —

(8342) 29-65-18

Журнал включен в Перечень ведущих рецензируемых изданий ВАК, публикующих основные результаты докторских и кандидатских диссертаций (июль 2007 г.)

Подписные индексы:

79363 в каталоге Роспечати; 40874 в каталоге "Пресса России" АДРЕС РЕДАКЦИИ:

117997, ГСП-7, Москва, ул. Профсоюзная, 65, к. 104

Тел./факс: (495) 330-42-66

E-mail: datchik@

Оригинал-макет и электронная версия

подготовлены ООО "Адвансед Солюшнз".

Отпечатано в типографии

ООО "ЭЛИТ-ЮТЕРНА".

Подписано в печать 02.10.2009.

Заказ № 63/10.

Журнал зарегистрирован

в Комитете РФ по печати.

Свидетельство о регистрации

ПИ № ФС 77-24419 от 18 мая 2006 г.

ОКТЯБРЬ 2009

СОДЕРЖАНИЕ

Представляет Новомосковский институт (филиал) Российского химико-технологического университета им. Д. И. Менделеева

Вент Д. П. Новомосковскому институту ГОУ ВПО "Российский химико-технологи-
ческий университет имени Д. И. Менделеева" — 50 лет! 2

Сидельников С. И. Комплексное решение задачи управления загрязнением окружаю-
щей среды на химических предприятиях 4

Волков В. Ю. Интеллектуальная система оценки влияния промышленных предприя-
тий на концентрацию загрязняющих веществ в атмосферном воздухе 10

Беляев Ю. И., Гербер Ю. В. Система мониторинга распространения газообразных ве-
ществ в атмосфере мегаполиса 13

Волков В. Ю., Самородова И. И. Оптимизация системы контроля концентраций

загрязняющих веществ в атмосферном воздухе промышленного кластера 16

Богатиков В. Н., Соболева Ю. В., Пророков А. Е. Диагностика состояния оборудования и систем управления промышленными процессами на основе индекса

безопасности 18

Соболев А. В., Вент Д. П. Энергосберегающие регуляторы: задачи и структура 23

Иванков В. И., Иванкова Л. В., Вент Д. П. Некоторые практические вопросы расчета

параметров нейтральных объектов 29

Беляев Ю. И., Гринюк А. В., Внуков А. В. Компьютерный измеритель теплопровод-
ности в диапазоне температур 20...700 °С 32

Беляев Ю. И., Вент Д. П., Вепренцева О. Н. Теплофизический контроль твердых

образцов различных геометрических размеров 36

Азима Ю. И. Решение задач нестационарной теплопроводности на примере измеритель-
ной системы теплового потока 39

Азима Ю. И. Нестационарный метод измерения теплопроводности высокотеплопровод-
ных материалов малой толщины 44

КОНСТРУИРОВАНИЕ И ПРОИЗВОДСТВО ДАТЧИКОВ, ПРИБОРОВ И СИСТЕМ

Глаголев А. Е. Ультразвуковые индукционные параметрические пьезопреобразователи . . . 50 Данилова Н. Л., Панков В. В., Суханов В. С. Микроэлектронный преобразователь

абсолютного давления 52

Беседина К. Н., Булыгина Е. В., Сидорова С. А. Технология изготовления газочувстви-
тельного элемента на основе матрицы синтетического опала 55

Хвалин А. Л., Овчинников С. В., Сотов Л. С., Самолданов В. Н. Первичный преобра-
зователь на основе ЖИГ-генератора для измерения сильных магнитных полей 57

Лара В., Петров И., Тузов А. Рекомендации по выбору акселерометров Endevco. Ч. I. . 58

РОССИЙСКОЕ ПРОИЗВОДСТВО

Мурашов В. М. Пневмоэлектронный контрольно-сортировочный автомат нового
поколения КСАР-22 62

ИЗМЕРЕНИЯ, КОНТРОЛЬ, АВТОМАТИЗАЦИЯ (журнал в журнале)

Новости 67

Библиография+ 70

Конференции, симпозиумы, семинары (январь—июнь 2010 г.) 73

НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКАЯ ПУБЛИЦИСТИКА

Кнорринг В. Г. Первому выпуску отечественных инженеров-электроизмерителей —

80 лет 74

ХРОНИКА

Лабутин С. А. Доклады на научных конференциях по измерениям (Нижний Новгород,

декабрь 2008 г. — июнь 2009 г.) 81

ИСПЫТАНИЯ И СЕРТИФИКАЦИЯ ДАТЧИКОВ, ОТРАСЛЕВЫЕ СТАНДАРТЫ

Внесены в Государственный реестр средств измерений 85

***

Contents and abstracts 87

Журнал издается при поддержке ООО "ЭКиТ" — Электронные компоненты и технологии (495) 788-78-60. © СенСиДат-Контрол, 2009

Представляет Новомосковский институт (филиал) Российского химико-технологического университета им. Д. И. Менделеева

НОВОМОСКОВСКОМУ ИНСТИТУТУ ГОУ ВПО

"РОССИЙСКИЙ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИМЕНИ Д. И. МЕНДЕЛЕЕВА" — 50 ЛЕТ!

такого крупного производства назрела острая необходимость в подготовке квалифицирован­ных кадров.

Руководители Новомосков­ска, Химкомбината, совнархоза обратились с письмом в Ми­нистерство высшего образова­ния СССР, к ректору Менделе­евского института Н. М. Жаво-ронкову с ходатайством органи­зовать в городе филиал МХТИ им. Д. И. Менделеева. Так 1 июня 1959 года приказом по Минвузу СССР было принято решение об образовании фа­культета МХТИ при Сталино-горском химическом комбина­те. Вскоре он был преобразован в филиал. Его назначением бы­ла подготовка специалистов хи­миков-технологов для химичес­кой промышленности Приок-ского экономического района, бурно развивающейся после майского Пленума ЦК КПСС (1959 год). Ведь не так давно окончилась война и среди ИТР было очень много "практиков", не имевших инженерного обра­зования. Их надо было гото­вить. Это и явилось причиной появления филиала МХТИ в Новомосковске.

В 1995 г. филиал МХТИ был переименован в Новомосковс­кий институт ГОУ ВПО "Рос­сийский химико-технологичес­кий университет им. Д. И. Мен­делеева" (НИ РХТУ).

Сегодня в НИ РХТУ обуча­ются 4600 студентов, в том чис­ле 225 иностранных из 40 стран

мира по 23 лицензированным профессиональным образова­тельным программам очной, очно-заочной и заочной фор­мам обучения.

Институт имеет 10 факуль­тетов и 32 кафедры, на кото­рых готовят дипломированных специалистов и бакалавров по 17 специальностям и 7 направ­лениям в области химической технологии, машин и аппара­тов, энергетики, автоматиза­ции, информационных техно­логий, сервиса, экономики. Учебный процесс осуществля­ют 310 штатных преподавате­лей и 60 внешних совместите­лей, из них более половины с учеными степенями и звания­ми, в том числе 30 докторов на­ук, профессоров.

За 50 лет в НИ РХТУ под­готовлено более 25 тысяч спе­циалистов, которые работают на всем пространстве бывшего Советского Союза, а более 500 иностранных специалис­тов — в странах Европы, Азии, Африки, Латинской Америки.

В институте осуществляет­ся и целевая подготовка мо­лодых специалистов по дого­ворам с предприятиями, по программам, согласованным с предприятиями-заказчиками.

Многие из выпускников НИ РХТУ стали видными уче­ными, государственными деяте­лями, квалифицированными руководителями производства. Только в Тульском регионе ру­ководящий состав управленчес­кого персонала компаний ОАО "Кнауф Гипс Новомосковск", ООО "Проктер энд Гэмбл — Новомосковск", ОАО "Плас­тик", ОАО "Ефремовский за­вод синтетического каучука", ОАО "Щекино АЗОТ" и ряда других успешных предпри­ятий — это выпускники НИ РХТУ. ОАО "НАК "Азот" в на­стоящее время возглавляет вы­пускник института А. В. Са­венков. Технические директо­ра компаний ОАО "Кнауф Гипс Новомосковск" и ООО "Проктер энд Гэмбл — Ново­московск" Л. А. Третьяков и Е. В. Мараховский — выпуск­ники института. На ОАО "НАК "Азот" 70 % инженерно-техни­ческих работников — выпуск­ники НИ РХТУ, на Новомос­ковской ГРЭС — 60 %, на Се-

веро-Задонском конденсатор­ном заводе — 50 %, на ОАО "Донской завод радиодета­лей" — 70 % и т. д.

В институте созданы и про­должают работу научные шко­лы профессоров Э. А. Киричен­ко, В. Н. Анохина, В. А. Васи­лева, Д. П. Вента, Г. И. Бабоки-на, Н. Ф. Кизима, А. И. Ерма­кова, Б. П. Сафонова и ряда других ученых, внесших замет­ный вклад в науку и промыш­ленность.

НИ РХТУ имеет договора о научно-техническом сотрудни­честве с рядом Институтов РАН, другими вузами РФ, до­говора о содружестве с зару­бежными организациями. Глу­бина научных проблем, решае­мых в НИ РХТУ, широкий спектр задач приводят к воз­никновению творческих кол­лективов из профессорско-преподавательского состава вуза, ученых, научных работ­ников и преподавателей других организаций и учреждений, что, несомненно, повышает инновационный потенциал. Научно-исследовательские ра­боты и конструкторские раз­работки, проводимые в НИ

РХТУ, поддерживаются гран­тами РФФИ, Министерства образования и науки, губерна­тора Тульской области, РГНФ, Минздравсоцразвития РФ, ФЦП "Интеграция". Объем хоздоговорных работ в инсти­туте возрастает.

Значительную помощь в со­вершенствовании учебно-экс­периментальной базы институ­та оказывают предприятия ре­гиона. На средства спонсорской

помощи МКХ "ЕВРОХИМ"

приобретены научные прибо­ры и оборудование для межка­федральной учебно-научной лаборатории физико-химичес­ких методов исследования. Она оснащена современным анали­тическим оборудованием, с по­мощью которого можно ре­шать широкий круг задач в са­мых разных областях химии, а также в смежных с химией об­ластях. Оснащение десяти ком­пьютерных классов НИ РХТУ, которые активно используются как в учебном процессе, так и в научных исследованиях вы­полнено при участии предпри­ятий ОАО "НАК "Азот", ОАО

"Кнауф Гипс Новомосковск", ООО "Проктер энд Гэмбл — Новомосковск".

В связи с полувековым юби­леем института было принято решение о публикации резуль­татов научных работ, выпол­ненных профессорско-препо­давательским составом инсти­тута и научными работниками, в отдельном номере журнала "Датчики и системы".

Данный номер журнала представляет вниманию его чи­тателей научные статьи препо­давателей и ученых НИ РХТУ им. Д. И. Менделеева.

Ректор НИ РХТУ, доктор технических наук, профессор, академик МАСИ, лауреат премии Правительства Российской Федерации в области образования

Д. П. Вент

УДК 632.15.66.013

КОМПЛЕКСНОЕ РЕШЕНИЕ ЗАДАЧИ УПРАВЛЕНИЯ ЗАГРЯЗНЕНИЕМ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ НА ХИМИЧЕСКИХ ПРЕДПРИЯТИЯХ

С. И. Сидельников

Рассмотрены принципы построения иерархических распределенных систем управления сбросами и выбросами на промышленных предприятиях. На нижнем уровне иерархии производств решаются локальные задачи регу­лирования и управления технологическими процессами на основе эколого-экономического критерия. На втором уровне иерархии вступает в действие ситуационная система поддержки принятия решения управлением эколо­гической безопасностью производства. На верхнем уровне иерархии решается задача управления стоками всего предприятия.

Ключевые слова: система поддержки принятия решений, экологическая безопасность, нечеткая модель, нечеткое уп­равление, регрессионный анализ.

Одна из приоритетных задач развития общества на современ­ном этапе — обеспечение его экологической безопасности. Такая задача в современном ми­ре должна решаться на основе принципа устойчивого развития, т. е. сбалансированного разви­тия экономики и улучшения со­стояния окружающей природ­ной среды.

Вследствие интенсификации промышленных производств с все увеличивающимися объема­ми промышленных выбросов и сбросов в окружающую среду, несовершенства технологичес­ких процессов и систем управ­ления ими, нарушения техноло­гических режимов, отсутствия очистных сооружений ряда про­изводств экологическая обста­новка во многих регионах Рос­сии достигает критического со­стояния. Выбросы и сбросы про­мышленных предприятий до­стигли таких размеров, что в ряде районов уровни загрязне­ний значительно превышают допустимые санитарные нормы. Как правило, решение пробле­мы экологической безопасности регионов с большим сосредото­чением промышленных пред­приятий осуществляется на уровне экологического монито­ринга и планирования оператив­ных или долгосрочных меропри­ятий по предотвращению загряз­нения окружающей среды.

На уровне регионов распро­странена практика экологичес­кого планирования средствами целевых комплексных программ. В России по примеру зарубеж­ных стран разработан и внедрен ряд экономических методов, на­правленных на решение этой за­дачи: платежи за загрязнение, лимитирование, лицензирова­ние природопользования, эко­логическая ответственность. Од­нако вопросам управления, свя­занным с упреждением сбросов и выбросов в реальном масшта­бе времени непосредственно на промышленных площадках — источниках загрязнений, уделя­ется недостаточное внимание.

Решение проблемы управле­ния загрязнением окружающей среды промышленными произ­водствами можно проводить следующими путями.

• Не меняя технологического оборудования, изменить режи­мы его функционирования с це­лью уменьшения сбросов и вы­бросов производства при задан­ном выходе и качестве продукта. Данное направление предпола­гает ряд интеллектуальных и ма­териальных затрат для теорети­ческого расчета и промышлен­ного испытания.

  1. Изменить условия всего тех­нологического процесса произ­водства, учитывая при этом фактор экологической безопас­ности. Данное направление предполагает проведение боль­шого объема работ по проекти­рованию нового производства. Это требует значительных мате­риальных затрат.

  2. Разработать или модернизи­ровать системы управления про­цессом на базе эколого-матема-тических моделей производств, которые будут учитывать не только качество и количество получаемого продукта, но и уменьшение и/или качествен­ное изменение отходов данных производств.

В статье рассматриваются некоторые подходы к решению поставленных проблем на раз­личных уровнях иерархии сис­тем управления химическими производствами.

Качество и уровень прини­маемых решений при управле­нии производственными про­цессами в современных усло­виях во многом определяются человеческим фактором. Это обусловлено сложностью техно­логических процессов, неопре­деленностью исходной инфор­мации, связанной с недостаточ­ным количеством или вовсе от­сутствием средств получения

информации о состоянии за­грязнения промышленных пло­щадок, трудоемкостью проце­дур построения математическо­го описания. Все это в совокуп­ности ограничивает применение традиционных математических подходов описания протекания процессов.

В то же время использование и обработка качественной ин­формации на основе математи­ческого аппарата нечетких мно­жеств, нейронных сетей спо­собствует преодолению указан­ных трудностей. Развитие сов­ременных информационных технологий и искусственного интеллекта позволяет создавать советующие экспертные систе­мы, способные производить не­прерывный мониторинг и под­держку принятия решений уп­равления загрязнением про­мышленных площадок в реаль­ном масштабе времени, а также разрабатывать оптимальные сис­темы управления и регулирова­ния, синтезированные на осно­ве интегрированного эколого-экономического критерия.

Город Новомосковск Туль­ской области является регионом России с большим сосредоточе­нием промышленных предпри­ятий и в перспективе антропо­генная нагрузка возрастет в свя­зи с созданием в Новомосковс­ком районе "промышленного кластера", объединяющего ряд крупнейших предприятий.

Водный бассейн г. Новомос­ковска включает Шатское водо­хранилище, куда сбрасываются стоки промышленных предпри­ятий, в том числе и городские сточные воды. При этом все стоки НАК "АЗОТ" перед сбро­сом в Шатское водохранилище направляются на отстаивание или очищение. Одновременно водохранилище считается рыбо-хозяйственным объектом и снаб­жает НАК "АЗОТ" водой для производственных нужд. Воды Шатского водохранилища сли­ваются в реку Шат, тем самым влияя на экологическую обста­новку всего региона.

Решение проблемы управ­ления загрязнением водного бассейна в рамках промышлен­ного предприятия предлагается осуществлять путем построе­ния иерархических распреде­ленных систем управления сто­ками (рис. 1).

На нижнем уровне иерархии производства решаются ло­кальные задачи регулирования и управления технологическими процессами на основе эколого-экономического критерия. На втором уровне иерархии вступа­ет в действие ситуационная сис­тема поддержки принятия ре­шения управлением экологи­ческой безопасностью цехов. На верхнем уровне иерархии реша­ется задача управления стоками всего предприятия.

Каждая локальная подсис­тема может решать свои част­ные задачи. Например, для не­прерывных процессов на НАК "Азот" ряд задач управления производством ацетилена с уче­том экологических факторов рассмотрены в работах [1, 2].

Производство ацетилена ме­тодом окислительного пиролиза состоит из нескольких стадий: пиролиз, включающий в себя восемь одинаковых реакторов; очистка от сажи; выделение аце­тилена и концентрирование. Лишь первая из них определяет процент выхода готового про­дукта (около 8 %) и появление сажи как отхода в нем. Сырьем для стадии пиролиза являются природный газ и кислород. Час­тичный распад ацетилена из-за обратимости реакции приводит к образованию сажи, которая извлекается из газа пиролиза в аппаратах очистки при помощи воды. Вся вода, загрязненная сажей, поступает в цикл очист­ки, где в сажеотстойниках в ре­зультате флотации сажа всплы­вает и извлекается из воды. Часть сажи тонет (рис. 2), что обусловлено ее дисперсностью. Наличие тонущей сажи в воде приводит к попаданию сажи в водохранилище Шат.

Концентрация ацетилена максимальна при определенном соотношении метана и кислоро­да (0,58...0,62). В то же время

минимум тонущей сажи дости­гается при несколько меньшем значении этого соотношения. Поэтому, поддерживая рабочую точку реактора на некотором удалении от экстремума, можно уменьшить количество тонущей сажи, тем самым снизив отходы производства ценой небольшого снижения концентрации ацети­лена. В связи с тем что объект является нестационарным и инерционным, возникает задача экстремального регулирования инерционным объектом со сме­щением его рабочей точки на некоторое расстояние от экстре­мума [3]. Реализация поставлен­ной задачи нашла свое эффек­тивное решение в рамках нечет­ких систем.

Важной задачей, которая оп­ределяет эффективность нечет­ких систем, является построение

Объект


y

функций принадлежности, обес­печение их корректности в прак­тических реализациях, разработ­ка правил построения. В связи с этим предложен способ синтеза нечетких систем управления, базирующийся на поверхности управления, отображающей вы­бранную стратегию управления объектом.

Для комплексного решения экологической безопасности производства ацетилена синте­зирована нечеткая система регу­лирования температуры подог­реваемых газов — кислорода и метана, служащих сырьем для получаемого газа пиролиза. При обеспечении максимально до­стижимых температур (700 °С), приводящих к увеличению кон­версии ацетилена из природно­го газа, следует учитывать воз­можность остановки реактора из-за преждевременного само­воспламенения смеси. В резуль­тате действия возмущений тем­пературу подогрева приходится поддерживать на более низком значении, что приводит к умень­шению выхода ацетилена. Кро­ме того, даже при остановке по срабатыванию противоаварий-ной защиты в течение несколь­ких минут сбрасывается на све­чу и сжигается несколько сотен кубометров природного газа и кислорода (и это только по од­ному реактору), что неблаго­приятно сказывается на эколо­гии промышленных площадок. В связи с этим определяющим является качество переходного процесса в системе управления. Данная проблема нашла свое отражение в реализации нечет­кого регулятора с переменными настроечными коэффициента­ми, позволяющего "быстро" ре­агировать на перегрев и "мед­ленно" — на недогрев, что в свою очередь приводит к повы­шению экономической эффек­тивности от использования сы­рья в связи с уменьшением по­терь от аварийных остановок аг­регата.

В условиях рыночной эко­номики на химические произ­водства оказывается перемен­ная нагрузка. Однако при смене нагрузки нелинейность объек­тов управления предъявляет со­ответствующие требования к системам управления. В связи с этим предложен нечеткий регу­лятор (Fuzzy controller) (рис. 3), обеспечивающий заданные по­казатели качества переходного процесса на нелинейных объек­тах в различных точках его ста­тической характеристики, а сле­довательно, в рабочем диапазо­не изменения возмущений [2].

Входами регулятора являют­ся задание s и переменная регу­лирования у. Управляющее воз­действие первого контура про­порционально величине ошибки регулирования є. Причем нечет­кие коэффициенты пропорцио-

нальности k (fuzzy_k) и интег­рирования k{(fuzzy_i) зависят от положения рабочей точки объекта в данный момент вре­мени. Положение рабочей точ­ки объекта определяется регу­лятором по значению перемен­ной у. Интегратор, включенный на выходе второго контура, реа­лизует функцию управляющего воздействия, меняющегося со скоростью, пропорциональной величине ошибки є. Закон, реа­лизуемый регулятором, может быть записан в форме:

t

H(t) = kє(?) +~ktj"є(

0

где коэффициенты k = /і (у) и

k = /2(у) являются функцией переменной у и заданы через не­четкое отношение. Их величина определяется на основе компо­зиционных правил нечеткого логического вывода, заложен­ного в соответствующем конту­ре. Эта зависимость представля­ет собой линию, форма которой однозначно определяется фор­мой статической характеристи­ки объекта.

Если рассчитать оптималь­ные значения коэффициентов пропорциональности и интег­рирования в каждой точке или на отрезке нелинейной стати­ческой характеристики объекта известными методами синтеза линейных АСР, то можно полу­чить регулятор, который обес­печит переходный процесс с за­данными показателями качества при любых возмущениях.

Одним из способов умень­шения отрицательного воздей­ствия промышленных предпри­ятий на окружающую среду яв­ляется оптимизация режимов функционирования произ­водств. Данная задача решалась для производства суспензион­ного поливинилхлорида (ПВХ) [4] прежде всего с точки зрения вредного воздействия исходного

Л

Корки

Время процесса

Ацетилен

II

Насыпной вес

Время поглощения пластификатора ^ Константа Фикентчера *

Дивинил

/

Транс-дихлорэтилен

Сыпучесть Дисперсность сито 0,4 ~ Дисперсность сито 0,315

Дихлорэтан

Дисперсность сито ^ 0,2 Дисперсность сито 0,16"

/

' Реактор Полимеризатор

2 примесь

Дисперсность сито 0,1

Дисперсность сито 0,063~ Дисперсность сито 0,05 Дисперсность пыли

Антиоксидант Инициатор

Распределение по плотностиd< 1'05а Распределение по плотности 1,05 < d < 1,1?

pH

Время дополимеризации

Температура дополимеризации

Стабилизатор

ВХ

Распределение по плотности 1,15 < d < 1,25""

Распределение по плотности 1,7.5 < d < 1А5» Распределение по плотности d > 1,35

Рис. 4. Декомпозиция процедуры получения моделей

ВХ на показатели качества ПВХ (рис. 4, блок I), а затем рецепту­ры загрузки реактора, время и температура дополимеризации (рис. 4, блок II).

На первом этапе с помощью регрессионного анализа мето­дом пассивного эксперимента были разработаны 18 математи­ческих моделей, определяющих зависимость показателей качес­тва ПВХ от количества приме­сей основного сырья (ВХ) и ре­цептурных факторов, сглажива­ющих отрицательное воздейс­твие примесей на показатели качества.

На втором этапе методом полного факторного экспери­мента на физической модели процесса полимеризации ВХ получена 21 математическая мо­дель. Эти модели определяют зависимость показателей качес­тва ПВХ от рецептуры загрузки, времени и температуры дополи-меризации.

Для оптимизации процесса с множеством откликов исполь­зован мультипликативный кри­терий качества, представляю­щий собой обобщенную функ­цию желательности D:

D=

= я/й?! х fi?2 х х ... х djх ... х dn_і хdn,

где di= exp [-exp(-(öQ + axY))] — частные функции желательнос-

ти; отображение откликов Y} системы в шкалу желательности производится методом эксперт­ных оценок.

Решением поставленной за­дачи является получение экс­тремального значения обобщен­ной функции желательности D в заданной области изменения факторов. Затем решением об­ратной задачи в точке экстрему­ма определяются оптимальные значения концентрации исход­ных компонентов в рецептуре загрузки и технологических фак­торов, которые обеспечивают максимальный выход ПВХ за­данного качества при минимуме отходов производства.

Полученные математичес­кие модели позволяют перед за­грузкой реактора просчитывать ожидаемые показатели качества получаемого ПВХ и в зависи­мости от качества исходного сы­рья ВХ проводить оптимизацию рецептуры и технологических факторов с целью увеличения выхода ПВХ заданного качества.

Комплексное решение воп­росов управления периодичес­кими процессами достигается созданием оптимальных систем логического управления на ос­нове аппарата сетей Петри [5].

Сложность и взаимосвязан­ность химических производств диктует необходимость в реаль­ном масштабе времени прини­мать оптимальные решения по управлению выбросами и сбро­сами в зависимости от склады­вающейся экологической ситуа­ции, времени года, состояния рынка и т. д. как для промыш­ленных площадок, так и для предприятия в целом.

Оптимальные решения по управлению выбросами и сбро­сами предложено решать в рам­ках ситуационной советующей системы поддержки принятия решений (СССППР), позволя­ющей решать не только задачи мониторинга сточных вод и ат­мосферы, но и управление сбро­сами и выбросами в режиме ре­ального времени (рис. 5).

Для повышения эффектив­ности принимаемых решений необходима оперативная досто­верная информация о состоя­нии объекта управления. В то же время, значительная часть ин­формации о состоянии объекта управления наряду с количест­венной информацией, опреде­ляемой по приборам контроля, носит качественный характер. Неопределенность исходной ин­формации обусловлена, в част­ности, отсутствием по ряду при­чин приборов, в том числе изме­ряющих значение загрязняю­щих веществ в выбросах и сбро­сах промышленных площадок. В этой связи на первый план вы­ходит задача прогнозирования.

Система прогноза должна включать в себя следующие под­системы:

  1. сбора и подготовки исход­ных данных в модуле проверки;

  2. выбора и обоснования ма­тематической модели прогнози­руемого объекта [6];

  3. обработки статистической и качественной информации, адаптация модели при выходе ее за заданную точность прогнози­рования, т. е. если e > едоп);

  4. прогнозирования, т. е. вы­числение значений интересую­щих нас концентраций вредных примесей в стоках в заданный момент времени.

В то же время для повыше­ния достоверности принимае­мых компьютерных решений необходимо в режиме имитаци­онного моделирования осущест­вить прогнозирование измене­ния основных переменных про­цесса (выход продукта, качест­венные показатели, концентра­ции вредных примесей в стоках, т. п.) в зависимости от предло­женных альтернатив [7].

Для описания процессов адекватными моделями приме­нялись гибридные нейронные сети. В этом случае на первом этапе синтезируется нечеткая модель Сугено первого порядка из экспериментальных данных с использованием метода субтрак-тивной кластеризации. На вто­ром этапе, применяя гибридные нейронные сети и алгоритм об­ратного распространения ошиб­ки, корректируются параметры системы нечеткого вывода.

Проведенные исследования по ряду объектов, в частности, сбрасывающих вредные соеди­нения на НАК "Азот", показа­ли, что средняя относительная погрешность прогнозируемых по моделям переменных про­цесса не превышает 19 %.

Нечеткая модель управления объектом (рис. 5) использует нечеткий вывод ситуационного типа и структурно включает в себя четыре блока: БОС; БПР; БВУР; БА.

Процесс поддержки приня­тия решения управления эколо­гической обстановкой на про­мышленной площадке осущест­вляется следующим образом. Поступающая как количествен­ная, так и качественная входная информация проверяется в мо­дуле проверки на непротиворе­чивость и достоверность. В блоке фаззификации четкая количест­венная информация отобража­ется в нечеткие термы множест­ва на множестве технологичес­ких параметров (температура, давление, концентрация и т. п.). В результате расчета по модели объекта текущая ситуация до­полняется прогнозируемым со­держанием вредных веществ в сбросах. В процессе поступле­ния информации о концентра­ции вредных веществ по резуль­татам лабораторного анализа (как правило, раз в смену) мо­дель объекта обновляется в слу­чае превышения допустимой от­носительной погрешности (едоп).

В случае превышения уста­новленных норм загрязняющих веществ активизируется модель МУО. В блоке БОС строится формализованное описание на множестве технологических пе­ременных текущей ситуации, возникшей на объекте управле­ния, определяется типовая (эта­лонная) нечеткая ситуация, в некотором смысле наиболее близкая поступающей входной. Информация об этой типовой ситуации поступает в блок БПР. Модель управления объектом класса "ситуация — стратегия управления — действие" содер­жит набор эталонных ситуаций, описывающих пространство воз­можных состояний объекта уп­равления. Управляющие реше­ния, соответствующие текущим ситуациям, формируются в бло­ке БПР на основе моделирова­ния и анализа возможных пере­ходов между текущей ситуацией и целевой, т. е. ситуацией, при которой обеспечивается выпуск продукции заданного количест­ва и качества при нормализации допустимых сбросов и выбросов вредных веществ. Поиск такого решения осуществляется по не­четкой ситуационной сети в со­ответствии с выбранной страте­гией управления, обеспечиваю­щей оптимальный перевод объ­екта управления в целевое со­стояние. В блоке принятия решений БПР рассчитываются степени предпочтения каждого из решений; из блока БВУР про­исходит передача всех альтерна­тивных решений в блок БА.

Следует отметить, что в представленной структуре от­сутствует блок объяснения ре­шений, так как проверка всех альтернативных решений осу­ществляется путем имитацион­ного моделирования поведения объекта по результатам приня­тия этих решений [7]. В резуль­тате такого моделирования БА через блок дефазификации вы­дает ЛПР оптимальное решение.

На основе предложенной структуры разработаны СССП-ПР управления стоками выпар­ки первой ступени производства аммиачной селитры [8] и стадии ректификации производства ме­танола НАК "Азот" [6]. Погреш­ность систем признана удовлет­ворительной. Кроме того, опыт­ная эксплуатация систем пока­зала их простоту и доступность.

Объектом управления стока­ми всего предприятия является промышленная канализация, включающая в себя пруд-от­стойник (см. рис. 1). Стоки рас­пределяются на органические, азотосодержащие и хозфекаль-ные, которые перед попаданием в пруд-отстойник проходят че­рез биологические очистные со­оружения, где перерабатывают­ся бактериями. Именно по это­му выпуску НАК "Азот" осу­ществляет основной сброс сточ­ных вод. Здесь отбираются и отрабатываются оперативные данные о концентрации вред­ных веществ в стоках, поступа­ющие в систему верхнего уровня из локальных подсистем и из пунктов отбора проб из Шатс-кого водохранилища, а также данные центральной лаборато­рии. По моделям прогнозиру­ются концентрация вредных ве­ществ поступающих и исходя­щих потоков Шатского водохра­нилища, что позволяет системе произвести оценку и корректи­ровку складывающейся произ­водственной ситуации, учиты­вая разные критерии, например, текущее состояние рынка, эко­логической обстановки и т. п.

Следовательно, в зависимос­ти от производственной ситуа­ции выбирается критерий управ­ления и определяется его отно­сительная важность на данный период. Ситуационная подсис­тема верхнего уровня генериру­ет возможные сценарии реали­зации управляющих воздейст­вий и с помощью блока прогно­за определяет возможное состо­яние объекта. С помощью блока поддержки принятия решений (ППР) проводится оценка аль­тернатив и выбирается опти­мальный сценарий развития си­туации.

Таким образом, экспертные системы ППР в процессе реали­зации человеко-машинных про­цедур:

— помогут оценить экологи­ческую обстановку, выбрать кри­терии и определить их относи­тельную важность в конкретной производственной ситуации;

  1. позволят генерировать возможные сценарии реализа­ции управляющих воздействий;

  2. обеспечат постоянный межуровневый обмен информа­цией об экологической обста­новке, принимаемых решениях и помогут согласовывать груп­повые решения;

  3. позволят смоделировать принимаемые решения;

— осуществят динамический компьютерный анализ возмож­ных последствий принимаемых решений и произведут оценку результатов реализации приня­тых решений.

ЛИТЕРАТУРА

1. Сидельников С. И., Родин С. Н. Не­четкое экстремальное регулирова­ние в производстве ацетилена //

Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. — 2005. — № 8.

  1. Вент Д. П., Родин С. Н., Сидельни­ков С. И. Нечеткое регулирование нелинейных объектов // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. — 2006. — № 7.

  2. Пат. № G05B 13/00 (2006.01), G05B 11/00 (2006.01). Способ экстремаль­ного регулирования с поддержанием рабочей точки инерционного объек­та на заданном расстоянии от экс­тремума / С. Н. Родин, С. И. Си­дельников // Бюл. — 2006.

  3. Сидельников С. И., Вент Д. П., Ло­патин А. Г. Оптимизация процесса получения суспензионного поливи­нилхлорида // Химическая техноло­гия. — 2004. — № 8. — С. 23—27.

  4. Сидельников С. И., Вент Д. П., Ло­патин А. Г. Разработка типовых мо­делей системы логического управ­ления со сложным аппаратурным оформлением // Вестник Академии РАДСИ (информатика, экология, экономика). — 1998. — Т. 2. —

С. 75—88.

  1. Сидельников С. И., Голиков С. В. Раз­работка ситуационной советующей системы управления стоками коло­ны ректификации // Изв. вузов. Хи­мия и химическая технология. —

Иваново, 2009. — Т. 52, № 6. — С. 123—127.

  1. Сидельников С. И. Применение мо­дели объекта для прогнозирования его состояния по результатам уп­равляющих решений // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. — 2009. — № 3. —

С. 53—56.

  1. Сидельников С. И., Сентельяс Ли­ма С. Э. Экспертная система по уп­равлению промышленными стока­ми на основе нечетких ситуацион­ных алгоритмов // Сб. научн. тр. Междунар. конф. "Успехи в химии и химической технологии". — Т. XVI. — М.: РХТУ им. Д. И. Мен­делеева, 2002.— С. 36—38.

Сергей Иванович Сидельников — канд. техн. наук, доцент кафедры "Автоматиза­ция производственных процессов", чл. кор.

МАСИ.

тел.:(48762) 6-12-50

E-mail: sidserg11@

УДК 681.518.3:351.777.6

ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНАЯ СИСТЕМА ОЦЕНКИ ВЛИЯНИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ НА КОНЦЕНТРАЦИЮ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ В АТМОСФЕРНОМ ВОЗДУХЕ

В. Ю. Волков

Предложены состав и структура интеллектуальной системы для оценки влияния промышленных предприятий на концентрацию загрязняющих веществ в атмосферном воздухе. Приведен процесс измерения степени влияния для оксида углерода.

Ключевые слова: измерения, степень влияния, атмосферный воздух, экология, концентрация загрязняющих веществ, интеллектуальная система, экспертная система.

Валовые выбросы загрязняющих веществ (ЗВ) в атмосферу в Тульской области неуклонно уве­личиваются [1]. Атмосферный воздух — жизненно важный компонент окружающей природной сре­ды, представляющий собой естественную смесь газов атмосферы, находящуюся за пределами жи­лых, производственных и иных помещений [2].

В связи с этим необходимо целенаправленное воздействие на предприятия-загрязнители атмос­феры, что является весьма затруднительным в ус­ловиях промышленного кластера, так как не всег­да однозначно можно определить какое предпри­ятие является загрязнителем.

Именно для решения этой задачи предлагает­ся интеллектуальная система измерения степени влияния промышленных предприятий на концен­трацию загрязняющих веществ в атмосферном воздухе (рис. 1), которая содержит блок непрерыв­ного измерения концентрации ЗВ, блок эпизоди­ческих лабораторных измерений концентрации ЗВ, когнитивную нечеткую модель степени влия­ния промышленных предприятий на концентра­цию ЗВ в атмосфере, экспертную систему на базе Байесовских сетей доверия для расчета текущей степени влияния на основе данных стационарных постов наблюдения за ЗВ, элемент сравнения те­кущей и исходной степени влияния, расчетный блок для проведения корректировки и уточнения исходной когнитивной модели, виртуальный при­бор, показывающий степень влияния отдельного

Рис. 1. Интеллектуальная система измерения степени влияния промышленных предприятий на концентрацию загрязняющих веществ в атмосферном воздухе

предприятия на концентрацию ЗВ в атмосферном воздухе.

В системе по ранее составленной нечеткой когнитивной модели рассчитывается степень вли­яния (СВм) промышленных предприятий на концентрацию ЗВ в атмосфере. Затем на базе ав­томатизированной системы контроля "Атмосфе­ра" г. Новомосковска происходит текущий конт­роль концентрации ЗВ в атмосферном воздухе. Результаты поступают в ЭС, где на базе Байесов­ских технологий происходит альтернативный рас­чет степени влияния (СВэс).

В блоке сравнения производится анализ СВм и СВэс. Эпизодически по жалобам населения ко­миссия в составе представителей МЧС и Роспот-ребнадзора, которые выезжают на место и прово­дят лабораторные исследования атмосферного воздуха, дает заключение о виновности промыш­ленного предприятия в загрязнении, и на этом ос­новании может быть вычислена степень влияния этого предприятия на концентрацию ЗВ (СВл). СВл является приоритетной величиной, поступа­ющей в блок сравнения, так как получена на ос­нове более точных лабораторных исследований и заключении квалифицированных экспертов.

Если СВл и СВэс отличаются от СВм, то про­изводится расчет уточненных весовых коэффи­циентов нечеткой когнитивной модели в блоке расчета.

На основе анализа и классификации выбросов ЗВ, а также субъективных представлений экспер­тов была составлена нечеткая когнитивная модель системы для г. Новомосковск (на рис. 2), где Xl—X22 — исходные факторы, влияющие на сте­пень загрязнения атмосферного воздуха: Xi— ЖКХ; X2 — строительные площадки; X3 — "P&G Новомосковск", X4 — OOO "Аэрозоль Новомос­ковск"; X5 — ОАО НАК "Азот"; X6 — OOO "По­липласт"; X7— ОАО "Полимерконтейнер"; X8— ОАО "Новомосковская ГРЭС"; X9 — Электро­монтажный завод, X10— ОАО "Новомосковский котельно-механический завод"; X11— ООО "КНАУФ-ГИПС"; X12 — Новомосковскогнеупор; X13 — ЗАО "Сервис ЖБИ"; X14 — ЗАО "Мель­ничный комбинат"; Х15 — ЗАО ПКП "Хлебоком­бинат"; — автомобильный транспорт, X17 — железнодорожный транспорт, X18 — организаци­онные выбросы, X19 — неорганизационные вы­бросы, X20 — продукты сгорания топлива, X21 — распределенные выбросы, X22 — метеорологичес­кие параметры; X23 — концентрация загрязняю­щих веществ (CO, NO, NO2, SO2, NH3) — в рас­сматриваемом примере — CO.

Дуги графа нечеткой когнитивной модели имеют вес Wij,отражающий степень взаимовлия­ния факторов Xij.

На основе полученной модели была состав­лена исходная матрица весовых коэффициентов для определения степени влияния на концентра­цию CO в атмосферном воздухе, размерность ко­торой (23 х23) обусловлена количеством факто­ров X23X 23, входящих в нечеткую когнитивную модель.

Для определения опосредованного влияния всех факторов нечеткой когнитивной карты друг на друга используется операция транзитивного замыкания квадратной нечеткой матрицы весов

W = Wv W2v W3vгде степени нечетких мат­

риц вычисляются на основе операции макстриан-гулярной композиции Wk= Wk-1° W.

По полученной транзитивно замкнутой ког­нитивной матрице взаимовлияний определяются системные и интегральные показатели влияния факторов на систему:

консонанс влияния фактора Щ на фактор Щ-:

j

S1 Tpi, і+ і,

лению совокупного причинного эффекта такого пути между влияниями Pt,который характеризу­ется максимальным совокупным значением соот-вествующего влияния Pi,в соответствии с выра­жением:

m

Pi

;

ci,j

\VL / + п /I

диссонанс влияния фактора Щ на фактор Щ-: = 1-ci,j;

воздействие (влияние) фактора Щ на фактор Щ:

Pij= signtoj- + v,; / )max(|vi,/|,| v,; /1) для vf, / = - v,; /;

взаимное положительное влияние фактора Щ на фактор Щ/:

«г j= «/• i = Л',j,/), где S — соответствующая S-норма;

взаимное отрицательное влияние фактора Щ на фактор Щ:

(1)

«г, j = «j, i = -kj|S1vj, i|; воздействие i-го фактора на систему:

1

j = і

воздействие (влияние) системы на j-й фактор:

г = 1

Для определения взаимного влияния факто­ров используется формула (1).

Расчеты по загрязняющему веществу CO све­дены в таблицу.

Так как с течением времени влияние действу­ющих предприятий и вводимых в строй новых на концентрацию ЗВ в атмосферном воздухе изменя­ется, то необходимо уточнять значение весов не­четкой когнитивной карты. Для этого использу­ется блок непрерывного измерения на рис. 1 и экспертная система на базе Байесовских сетей до­верия [4]. Уточнение весовых коэффициентов Wij

происходит методом макстриангулярной компо­зиции [5].

Как было указано выше, если СВл и СВэс от­личаются от СВм, то нечеткие значения степеней влияния Piполучаются с использованием харак­терных для нечеткой логики операций Т-норм (операция минимума (min) и алгебраического произведения (prod)) над нечеткими значениями степеней влияния. Эта задача сводится к опреде­где в качестве операции T-нормы берется опера­ция минимума, а в качестве S-нормы — операция максимума; l— путь между рассматриваемыми степенями влияния промышленных предприятий на концентрацию ЗВ; m— возможное число путей между СВ, для данного случая m= 3.

Для решения задачи уточнения весовых коэф­фициентов необходимо решить реляционное урав­нение макстриангулярной композиции P ° W=

= Pcв, где W — транзитивное замыкание матри­цы смежности W; Pcв — полученные новые зна­чения СВ. Задача заключается в нахождении мно­жества весовых коэффициентов П — {Р}.

Множество решений задачи представляется как П = {pmax,Pmin},гдеPmin = {P1,P2,Pq}множество минимальных решений; Pmax — одно максимальное решение. В работе [6] показано, что решение реляционного уравнения макстри-ангулярной композиции эквивалентно задаче покрытия, и поэтому является NP-трудной, а так­же приведены приемы, позволяющие уменьшать число переменных в уравнении. С целью упроще­ния расчетов применим итерационный метод с учетом "золотого сечения".

Для рассматриваемого примера (концентра­ция СО) после лабораторных исследований было скорректировано значение степени влияния по промышленному предприятию ОАО "Новомос­ковская ГРЭС". Степень влияния P8 = 0,4. Соот­ветственно изменим значения весовых коэффи­циентов w8-i6, w8-i7, w8-i8, w8-i9, w8-20, wi6-8 на величину "золотого сечения" и матрицу транзи­тивного замыкания и степени влияния. В резуль­тате расчетов в блоке когнитивного моделирова­ния (рис. 1) получено уточненное значение степе­ни влияния СВм, равное 0,4049.

В таблице представлены исходные и уточнен­ные значения СВ для концентрации СО в атмос­фере г. Новомосковска. Так как весовые коэф­фициенты влияют на расчет и для других пред­приятий, то в таблице видно, что изменились значения СВ не только для промышленного пред­приятия ОАО "Новомосковская ГРЭС", но и для других предприятий.

В результате работы интеллектуальной измери­тельной системы виртуальный прибор (см. рис. 1) показывает степень влияния конкретного предпри­ятия на контролируемое ЗВ в атмосферном воздухе.

Разработанная структура измерительной сис­темы позволяет наглядно в режиме реального вре­мени получать значения СВ. На базе структуры этой системы в дальнейшем планируется разрабо­тать и новый способ измерения, и устройство на его основе.

ЛИТЕРАТУРА

  1. Батышкина В. В., Волков В. Ю. Применение методов ког­нитивного моделирования для построения интеллектуаль­ной автоматизированной системы экологической безо­пасности г. Новомосковска Тульской области // Тр. XVI Междунар. конф. "Проблемы управления безопасностью сложных систем". — М.: 2008. — С. 222—225.

  2. Об охране окружающей среды: Федеральный закон от 10.01.2002 № 7-ФЗ (в ред. Федеральных законов от

  1. № 122-ФЗ, от 29.12.2004 № 199-ФЗ, от

  2. № 45-ФЗ, от 31.12.2005 № 199-ФЗ, от

  3. № 232-ФЗ, от 05.02.2007 № 13-ФЗ, от

  4. № 118-ФЗ, от 24.06.2008 № 93-ФЗ, от

14.07.2008 № 118-ФЗ). — Ст. 1

  1. Батышкина В. В., Волков В. Ю. Построение обобщенной когнитивной модели управления степенью загрязнения атмосферного воздуха в режиме реального времени г. Новомосковска Тульской области // Информатика, Экология, Экономика. Вестник МАСИ. — М., 2008. —

С. 128—136.

  1. Волков В. Ю., Мансур А. Применение байесовских техно­логий в системах экологического мониторинга предпри­ятий химической промышленности // Известия вузов: Химия и химическая технология. — Иваново, 2009. —

Т. 52, № 6. — С. 120—123.

  1. Силов В. Б. Принятие стратегических решений в нечеткой обстановке. — М.: ИНПРО-РЕС, 1995.

  2. Марковский А. В. О решении нечетких уравнений типа "max-product" в обратных задачах управления и принятия решений // Автоматика и телемеханика. — 2004. — № 9. —

С. 149—159.

Владислав Юрьевич Волков — канд. техн. наук, доцент кафедры "Автоматизация производственных процессов и производств".

тел.:8(48762) 6-12-50

E-mail: duga@

УДК 502.7

СИСТЕМА МОНИТОРИНГА РАСПРОСТРАНЕНИЯ ГАЗООБРАЗНЫХ ВЕЩЕСТВ В АТМОСФЕРЕ МЕГАПОЛИСА

Ю. И. Беляев, Ю. В. Гербер

Для оценки прогнозирования движения воздушных потоков предложено использовать алгоритм оперативного прогноза, позволяющий наблюдать распространение газового облака, возникшего в любой точке исследованного района, и имитировать движение воздушных потоков над городским массивом.

Ключевые слова: прогнозирование, алгоритм, движение воздушных потоков, мегаполис, атмосфера, газовое облако, экологический мониторинг, реперные точки, эпюры движения, экспериментальные обследования.

Система мониторинга распространения газо­образных веществ в атмосфере является надежным помощником в решении практических природоох­ранных задач мегаполиса и важным элементом системы обеспечения экологической безопасно­сти жителей мегаполиса. Во многом это связано с тем, что система не остается неизменной. Она не­прерывно видоизменяется и совершенствуется синхронно с развитием города, оперативно реаги­руя на изменения в градостроительной, промыш­ленной и транспортной сферах.

Первоначальной информацией для системы мониторинга является предварительное обследо­вание мегаполиса (разделение на районы). Для получения репрезентативной информации о про­странственной и временной изменчивости движе­ния воздушных потоков мегаполиса предваритель­но проводятся экспериментальные исследования метеоусловий в нем (скорость и направление вет­ра) с помощью передвижных постов контроля ка­чества воздуха (принципы их размещения, методы и периодичность измерений автоматической сис­темы контроля качества воздуха удовлетворяют требованиям директив ЕС) и данных с метеостан­ции. На основе полученных данных создается ма­тематическая модель движения газового облака внутри мегаполиса.

Моделирование распространения газообраз­ных примесей в атмосфере городов развивалось по четырем основным направлениям.

Использование статистических моделей рас­пространения, основанных на функции распреде­ления Гаусса. Данное направление заключается в применении моделей распространения, предна­значенных для ровной подстилающей поверхнос­ти, модифицированных путем введения эмпири­ческих коэффициентов, учитывающих возможное перераспределение концентрации в застойных зо­нах вблизи зданий и сооружений.

Моделирование течений в уличных "каньонах" на основе решения транспортно-диффузионных уравнений.

Физическое моделирование в аэродинамических трубах. Эти эксперименты дают возможность оценить некоторые особенности распределения примеси в условиях застройки для таких метео­рологических условий, которые можно с той или иной точностью воспроизвести в аэродинамичес­кой трубе. При этом в трубах невозможно соблюс­ти подобие течения по достаточному набору кри­териев, например, число Рейнольдса одновремен­но с числом Росби.

Построение моделей на основе комплексного подхода: сравнительного анализа результатов на­турных экспериментов, результатов численного моделирования и физического моделирования. При этом проводится сравнительный анализ ре­зультатов натурных экспериментов с результатами численного и физического моделирования с пос­ледующим построением параметрических моде­лей распределения примеси в уличных каньонах в зависимости от метеоусловий: скорости и направ­ления ветра, температурной стратификации ат­мосферы, влажности и т. п.

Наряду с достоинствами традиционных моде­лей важно учитывать их ограничения. Рассмот­ренные выше модели применимы к ситуациям, в которых метеорологические параметры, такие как характеристики ветров и вертикальный градиент температуры, приблизительно равномерны во вре­мени и пространстве. В реальности могут возник­нуть ситуации, в которых метеорологические па­раметры быстро изменяются. Существующие мо­дели не позволяют охватывать все ситуации, так как не могут подстраиваться под изменения дви­жения воздушных потоков в зависимости от ланд­шафта местности. Наибольшее накопление приме­сей происходит в приземном слое воздуха, поэтому для решения задач, связанных с моделированием загрязнения атмосферы мегаполиса, основную роль оказывает особенность рельефа и застройки мегаполиса. Таким образом, выбор подходящей модели или необходимого сочетания моделей для конкретной ситуации очень сложен и трудоемок.

Нами предлагается интерполяционный под­ход к решению данной проблемы экологического мониторинга, который намного проще и эффек­тивней. Несмотря на то, что он является прибли­зительным, для решения задач такого характера он вполне приемлем.

Для моделирования движения облака газа не­обходимо учесть все особенности переноса эле­ментарного объема частиц газа. Для каждой точки необходимо рассчитывать три вида движения: пе­ремещение воздушными потоками; диффузию; движение в вертикальном направлении, обуслов­ленное выталкивающей силой (из-за разницы плотностей воздушной среды и газа). Увеличение скорости моделирования процесса позволяет рас­считать длительный процесс за небольшой в срав­нении с реальным промежуток времени.

Рассмотрим эти составляющие более подробно.

Для расчета перемещения воздушными потока­ми необходимо к текущим координатам точки прибавлять величины смещения по двум осям, которые определяются как произведение проек­ции скорости ветра в данной точке на коэффици­ент изменения скорости, зависящий от размеров карты и величины отношения скорости процесса моделирования к реальной скорости ветра.

Величины смещения рассчитываются следую­щим образом: Ax = MXij-IndexX; Ay = MYij -IndexY где MXijи MYij— проекции скорости ветра на оси координат X и Yв точке (x, y); i= xEw/Nw; j= yEh/Nh; Nwи Nh— число точек по ширине и по длине соответственно; Ewи Wh— число точек в эпюре по ширине и по длине соответственно.

В вертикальном направлении на частицу дей­ствует выталкивающая сила, которая пропорци­ональна разности плотностей среды и примеси: B= k(p0 — р), где р0 и р — плотность среды и при­меси соответственно, кг/м3; k— коэффициент.

Таким образом, можно приблизительно при­нять перемещение частицы в вертикальном на­правлении пропорциональным разности плотнос­

тей среды и примеси: Az= K(1— р/р0), где K— коэффициент, зависящий от плотности среды, размеров частицы, ускорения свободного паде­ния, вязкости среды и примеси.

Моделирование процесса диффузии проводит­ся на основании первого закона Фика: количес­тво продиффундировавшего вещества пропорци­онально градиенту концентрации. Из этого следу­ет, что необходимо знать концентрацию n вещества в каждой точке пространства. Поэтому исследуемое пространство разбивается на неболь­шие объемы (камеры) в форме куба и для каждого такого куба в трехмерном массиве записывается значение концентрации.

Рассмотрим диффузию для одного направле­ния; в этом случае уравнение будет иметь вид: An = —Ddn/dx,где D— коэффициент диффузии, dn/dx— градиент концентрации.

Выделим два элементарных объема с разной концентрацией, причем ni > n2 (рис. 1). Для дан­ного случая запишем уравнение для расчета изме­нения концентрации в приращениях:

An = —DAAn= —D^= D^.
Ax Ax Ax

В случае трехмерной модели в элементарной ячейке перенос вещества происходит в шести на­правлениях через грани куба, при этом градиент концентрации равен разности значений элемен­тов массива концентраций, соответствующих рас­сматриваемому объему и смежным ему ячейкам (такая модель показана на рис. 2).

В этом случае изменение концентрации в те­кущем объеме запишется в виде:

An= —nl - пі - n3 - n4 - n5 - n6=

= D+ D+ D+ D+

Ax Ax Az Az

+ D€-5^ + D. Ay Ay

На основании приведенных рассуждений применяется следующий эвристический алгоритм расчета диффузии: для каждой точки (элементар­ного объема газа) определяется смещение за счет разности концентрации по схеме рис. 1, а также случайное смещение, пропорциональное концен­трации в текущей ячейке. Таким образом, частица переходит из одной ячейки в другую, в результате чего концентрация в этих ячейках изменяется.

Для экологического контроля атмосферы ме­гаполиса необходим комплексный подход, кото­рый требует использования больших объемов эко­логической, картографической и другой коли­чественной информации о состоянии компонент природной среды, что практически невозможно без применения развитых методов и средств ин­форматики. Поэтому с помощью разработанного программного обеспечения можно рассмотреть эпюры движения воздуха в мегаполисе и карто­граммы распространения (выброса) газа.

Были проведены эксперименты в централь­ном районе города; результаты обработаны про­граммой помехоустойчивой интерполяции. С ис­пользованием полученных интерполяционных моделей можно построить эпюры движения воз­душных потоков (рис. 3) и получить наглядную картину распространения газового облака, пока­занную на рис. 4.

Предложенная система экологического мони­торинга обладает рядом достоинств:

Доступность реализации из-за невысокой стои­мости достигается минимизацией числа средств контроля и определением оптимальных коорди­нат их размещения.

Точность полученных данных достигается при­менением при проектировании системы экологи­ческого мониторинга полуэкспериментального метода проектирования и интерполяционного подхода к расчету полей распределения скорости и направления ветра.

Эффективность, т. е. снижение катастрофи­ческих последствий аварии, достигается получе­нием своевременного и адекватного оперативного прогноза, включающего в себя определение пред­полагаемого уровня концентрации химически опасных газообразных веществ и времени появле­ния этого газового облака в каждом городе, и, как следствие, своевременного оповещения о чрезвы­чайной ситуации близлежащих населенных пунк­тов и принятия соответствующих мер защиты и снижения катастрофических последствий аварии.

Юрий Иванович Беляев — профессор кафедры "Автоматизация производственных процессов";

тел.:(48762) 6-12-50

E-mail: teplofon@

Юлия Валерьевна Гербер — ассистент кафедры "Прикладная ин­форматика".

тел.:(48762) 6-06-76

E-mail: jugerber@

УДК 62-784.2

ОПТИМИЗАЦИЯ СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ КОНЦЕНТРАЦИЙ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ В АТМОСФЕРНОМ ВОЗДУХЕ ПРОМЫШЛЕННОГО КЛАСТЕРА

В. Ю. Волков, И. И. Самородова

Рассмотрена автоматизированная система контроля концентрации пяти загрязняющих веществ в атмосферном воздухе г. Новомосковска. Предложено оптимизировать структуру системы с целью повышения достоверности и точности измерений.

Ключевые слова: измерения, атмосферный воздух, концентрация загрязняющих веществ, автоматизированная сис­тема, промышленный кластер.

Город Новомосковск являет­ся одним из экономически раз­витых муниципальных образо­ваний Тульской области. Здесь сосредоточены многие круп­нейшие предприятия региона, имеется высокий кадровый по­тенциал, хорошо развита инф­раструктура. Именно здесь на­чалось создание первого в Тульском регионе промышлен­но-экономического кластера. Консолидированный бизнес-план этого проекта включает в себя строительство новых про­изводств, а также транспортной и инженерной инфраструктуры, обеспечивающей потребности развивающейся экономики.

Город Новомосковск распо­ложен в средней полосе Россий­ской Федерации на самом высо­ком месте Средне-Русской воз­вышенности с благоприятными природно-климатическими ус­ловиями. Вместе с тем, в связи с большим числом промышлен­ных предприятий и все увеличи­вающимся количеством выбро­сов от автотранспорта экологи­ческая обстановка в городе ос­тается напряженной. Выбросы вредных веществ в атмосферу от

стационарных источников и ав­тотранспорта составляют свыше 108 000 т/год. Основная доля приходится на предприятия теп­лоэнергетики — 95 %. Наиболь­шее количество специфических вредных веществ выбрасывают предприятия химической и неф­техимической промышленнос­ти — 4950 т/год. На предприятиях города улавливается 49 800 т/год вредных веществ, из них утили­зируется около 42 %. Вклад ав­тотранспорта в суммарный вы­брос — 14,3 %. За последние пять лет выбросы вредных ве­ществ от стационарных источ­ников уменьшились на 38 000 т, а автотранспорта увеличились более чем на 5000 т. За тот же период уровень загрязнения воз­духа существенно не изменился, однако планирующийся рост производства в результате пост­роения промышленного класте­ра в регионе и строительство но­вой автодороги могут привести как к росту загрязнения воздуха, так и к перераспределению об­ластей загрязнения ближе к мес­там поселения жителей города и района.

Основная экологическая стратегия градостроительного развития г. Новомосковска на­правлена на обеспечение устой­чивого и экологически безопас­ного развития территории, со­здания условий, обеспечиваю­щих снижение антропогенного воздействия на окружающую среду, формирование комфорт­ных условий проживания насе­ления.

Существующая автоматизи­рованная система контроля (АСК) "Атмосфера" подробно описана в книге [1]. В ее состав входят три стационарных поста наблюдения за пятью загрязня­ющими веществами (ПНЗА) и метеопараметрами. Число пос­тов изначально было выбрано исходя из существующих норм: один пост на 50 000 человек. Од­нако с течением времени насе­ление города претерпевало из­менения, в подчинение адми­нистрации города был включен Новомосковский район, при этом число промышленных предприятий значительно воз­росло. Так как экологический мониторинг является несомнен­но актуальной задачей, возник­ла необходимость пересмотра существующего экологического состояния окружающей среды и оптимизации структуры АСК.

В целях обеспечения более эффективного производствен­ного контроля за выбросами вредных ЗВ в атмосферу пред­приятиями, расположенными на территории муниципального об­разования, координации де­ятельности в области экологи­ческой и промышленной безо­пасности, построения системы устойчивого развития необхо­дим перевод имеющихся у про­мышленных предприятий лабо­раторий и постов производ­ственного контроля концентра­ции загрязняющих веществ (ЗВ) в автоматический режим с пере­дачей информации в сеть муни­ципальной службы автоматизи­рованной системы контроля "Атмосфера" г. Новомосковска.

Концентрация ЗВ в городс­кой черте, т. е. там, где располо­жены посты АСК "Атмосфера", во многом зависит от погодных условий: направления и скоро­сти ветра, влажности, давления, состояния атмосферы. При не­благоприятных метеорологичес­ких условиях (НМУ) приземная концентрация может увеличи­ваться многократно.

Некоторые предприятия на­ходятся достаточно далеко от городской черты, а некоторые расположены в непосредствен­ной близости от города. Так как автомобильные и железные до­роги проходят через город, то концентрация ЗВ от автотранс­портных средств и железнодо­рожного транспорта может до­стигать и превышать ПДК.

7058


После анализа [2] валовых выбросов ЗВ и данных по пос­там наблюдения за последние пять лет был сделан вывод о не­достаточности наблюдаемой ин­формации для принятия реше­ний по управлению экологичес­кой ситуацией в г. Новомосков­ске. Поскольку состояние атмос­ферного воздуха очень быстро меняется под действием метео­параметров, а время, необходи­мое для выезда комиссии МЧС и Роспотребнадзора на место жалобы населения на состояние атмосферного воздуха, может составлять от 30 мин до 2 ч, то состояние атмосферы может из­мениться как в лучшую (кон­центрация ЗВ уменьшится), так и в худшую сторону (концентра­ция ЗВ увеличится). Для повы­шения точности измерения кон­центрации ЗВ и увеличения до­стоверности прогноза развития экологической ситуации необхо­димо изменить структуру АСК "Атмосфера".

Если принять в качестве критерия оптимальности струк­туры вышеуказанные факторы, то измененная структурная схе­ма АСК будет выглядеть следу­ющим образом (см. рисунок). На схеме пунктиром показана существующая подсистема пос­тов наблюдения. Остальные, до­полняющие систему, компонен­ты содержат системы контроля предприятий и две подвижные лаборатории, из которых одна выезжает к месту проведения анализа, а вторая находится в горячем резерве или проводит анализы во время движения, если ЗВ распространяется под действием ветра.

Такая оптимальная структу­ра АСК должна поднять мони­торинг на качественно новый уровень и создать предпосылки к переходу от мониторинга к уп­равлению экологической ситуа­цией.

ЛИТЕРАТУРА

  1. Комиссаров Ю. А., Гордеев Л. С., Эдельштейн Ю. Д., Вент Д. П. Эколо­гический мониторинг окружающей среды. Т. 1. — М.: Химия, 2005. — 362 с.

  2. Бархум И., Волков В. Ю., Эдель­штейн Ю. Д., Али Мансур. Состоя­ние атмосферного воздуха как объ­ект управления в АСЭМ // Вестник МАСИ. Информатика, экология, экономика. Т. 10. — М., 2007. — С. 88—95.

Владислав Юрьевич Волков — канд. техн. наук, доцент кафедры "Автоматизация производственных процессов и произ­водств";

тел.:8(48762) 6-12-50 E-mail: duga@

Ирина Ирековна Самородова — ассистент кафедры "Автоматизация производствен­ных процессов и производств".

тел.:8(48762) 6-12-50

E-mail: irina_sem25@

УДК 66.0.004.2

ДИАГНОСТИКА СОСТОЯНИЯ ОБОРУДОВАНИЯ

И СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ПРОМЫШЛЕННЫМИ ПРОЦЕССАМИ

НА ОСНОВЕ ИНДЕКСА БЕЗОПАСНОСТИ

В. Н. Богатиков, Ю. В. Соболева, А. Е. Пророков

Введено понятие индекса безопасности, рассмотрено его применение для диагностики состояний основного обо­рудования и систем управления на примере технологических процессов выпаривания в производстве каустичес­кой соды.

Ключевые слова: индекс безопасности, диагностика, функция принадлежности, лингвистическая переменная, нечет­кое отношение, система управления.

При создании систем диагностики химико-технологических процессов (ХТП), создающих по­тенциальную опасность для окружающей среды и обслуживающего персонала, для определения пер­вопричин внештатных ситуаций руководствуются следующими принципами [1]:

  1. принципом классификации состояний эле­ментов;

  2. принципом декомпозиции;

  3. принципом иерархичности распознавания неисправностей и аварийных состояний;

  4. принципом прогнозирования изменения состояний ХТП;

  5. принципом управления критическими ре­жимами.

В настоящее время существуют различные подходы к диагностированию состояний ХТП, в том числе, на основе следующих моделей: логико-вероятностных; моделей нечеткой логики; байе­совских; причинно-следственных; моделей про­странства состояний; интервальных параметри­ческих моделей; дискретных моделей [2].

Нечеткий характер критериев выбора при про­ведении процедур диагностики состояний ХТП приводит к невозможности во многих случаях пос­троить адекватную математическую модель управ­ления технологической безопасностью. В этих слу­чаях единственной информацией для принятия ре­шений оказываются экспертные оценки.

Ядром системы управления технологической безопасностью непрерывных химических произ­водств является система диагностики состояний ХТП, от которой зависит точность и быстрота ус­транения нарушений.

На первом шаге определения области центра технологической безопасности выделяется конеч­ное множество альтернатив, на котором будем строить нечеткое отношение предпочтения. Для каждого из параметров в области его существова­ния можно выделить интервалы — диапазоны значений параметров, которые характеризуют оп­ределенные режимы, т. е. соответствуют опреде­ленным состояниям непрерывного технологичес­кого процесса. Таким образом, получаем ограни­ченное множество непересекающихся интервалов

T 1

x/ >, где Tp = {Ti, T2, Tp} — индекс техноло­гического параметра, Кр= {1, 2, Kp}— индекс интервала.

Далее на множестве непересекающихся облас­тей некоторого параметра P, X = {xi, x2, xn} за­дается нечеткое отношение нестрогого предпочте­ния R(\ip)с функцией принадлежности цд^і, x2). Эта функция принадлежности интерпретируется как интервал x1значений параметра Pне хуже (с точки зрения безопасности функционирования технологического процесса) интервала x2значе­ний параметра P.

Затем, используя знания экспертов, проводим попарно нечеткое сравнение на множестве аль­тернатив X = {xi, x2, xn} с целью выявления между ними степени принадлежности к заданно­му отношению.

Чтобы выделить те состояния, которые счита­ются недоминируемыми, выделим соответствую­щее отношению предпочтения R(^r) отношение

строгого предпочтения RD(). Интервал xi стро­го безопаснее интервала x2,если одновременно (xi, є Rи (x2, xi) g R. Совокупность таких пар называется отношением строгого предпочтения на Xи используется для определения и анализа свойств множества недоминируемых альтернатив, т. е. таких альтернатив, выбор которых является наилучшим в заданном множестве. Пара (X, R(md) является моделью выбора, который представляет подмножество наиболее безопасных состояний.

Нечеткое отношение доминирования описы­вается следующей функцией принадлежности: Vrd (xi, x2) = max{ p.RD(xi, — p.R_ (x2, xi),0} [3].

Величина 1 — ц D (у, x)для любой альтернати-

R

вы xявляется значением функции принадлежнос­ти дополнения отношения RDи показывает сте­пень, с которой альтернатива xне доминируется альтернативой у. Тогда величина min(1 — ц D (у, x))

yє X R

показывает степень недоминируемости альтерна­тивы xдля любой альтернативы из X. Это позво­ляет сформулировать понятие нечеткого множес­тва XH, определяемого функцией принадлежнос-ттгт

ти вида: цд (x) = min(1 — ц D (x, у)) = min(1 —

xє X R yє X

— гпах{ц^(у, x) — m(x,у), 0}), у є X, заданное мно­жество называется нечетким множеством недоми­нируемых альтернатив в модели выбора (X, R^r)).

Таким образом, нечеткое множество XR(ставит

в соответствие каждой альтернативе xє Xстепень ее недоминируемости, принимающую значения от 0 до 1. Чем больше степень принадлежности

ТГ

альтернативы xнечеткому множеству X, тем

более предпочтительной является данная альтер­натива.

Выделим из полученного подмножества тот интервал, который имеет максимальную сте­пень недоминируемости sup (x). Полученный

xє X

интервал t0 является наиболее предпочтительным

для данного параметра с точки зрения безопас­ности. Проделав эту процедуру для всех техноло­гических параметров процесса, получим набор интервалов, которые характеризуют состояние

области центра безопасности: S0= {4, t0, ?о },

t,] — наиболее благоприятный интервал для /-го параметра.

Введем понятие индекса безопасности коли­чественно характеризующего смещение рабочей точки процесса от центра безопасности — наибо­лее безопасного состояния процесса, которое бу­дет показывать степень опасности для данного ра­ботоспособного состояния процесса.

Определение индекса безопасности опирается на следующие рассуждения. Обозначим через фі, i= 1...Njjm — множество границ области работос­пособного состояния, вырезающее на множестве всевозможных состояний процесса Sобласть ра­ботоспособных состояний Sр. Пусть S0— точка процесса, соответствующая области центра техно­логической безопасности для данного процесса и s* — текущая рабочая точка процесса. Расстояние от рабочей точки процесса s* до границ области работоспособного состояния обозначим через рі = гпіпр^*, фі), i= 1...Nijm; расстояние от рабочей точки процесса s*до области центра технологи­ческой безопасности через S0: A* = гпіпр^*, S0), а

расстояние от области центра технологической безопасности S0 до границ области работоспособ­ного состояния фічерез 8f = пшір^0, ф/), i= 1...Nlim.

Визуально процесс определения индекса безо­пасности состояния s* для случая трех границ представим следующим образом (рис. 1).

Вычислим степень опасности для данного процесса s* относительно каждой из границ. Обоз­начим полученную величину опасности достиже­ния границы фі, i= через Of: Of = |8f — р/1. Величину безопасности Dдля достижения i-ой границы определим как: Df= |8f — A*|.

Поставим каждой переменной состояния St из множества {Si, S2, S3, Sp} возможных со­стояний процесса в соответствие лингвистичес­кую переменную, которая описывается как трой­ка <ßf, Tf, Di>, где ßf — название переменной со­стояния; Tf = {T■ , T2 , TM1} — терм-множество лингвистической переменной ßf, каждый элемент которого соответствует отдельному интервалу пе­ременной состояния S(; Mt— число значений лин­гвистической переменной или число интервалов; Di— базовое множество лингвистической пере­менной ß i.

Каждому интервалу переменной состояния, за которым закрепляется элемент терм-множества, ставится в соответствие своя функция принад­лежности (рис. 2). Набор значений переменных состояния, описывающих состояние объекта в не­который момент времени, назовем ситуацией. При описании типовых ситуаций эксперту наибо­лее удобно пользоваться словесными значениями признаков, представляющих собой значения со­ответствующих лингвистических переменных.

Для описания термов Tj (jє H= {1, 2, Mf}), соответствующих значениям ß i, используются не­четкие переменные <TJ, Df,CJ>, т. е. Tjописы­вается нечетким множеством CJв базовом мно­жестве Df: CJ= {< ц.і(d)/d>}, dє Df, где ц„t(d) — степень принадлежности элемента dнечеткому

множеству CJ.

Определим формально нечеткую ситуацию. Пусть Y= {уі, у2, у^}— множество параметров, значениями которых описывается состояние про­цесса. Каждый параметр у{(iє G= опи­сывается соответствующей лингвистической пе­ременной <ßf, Tf, Df>. Нечеткой ситуацией s на­зовем нечеткое множество второго уровня: s = = {<^(у/)/у/>}, уі є Y, где ц(уг)=

{< ццs(yj)(Tj)/ Tj>}, jє H, iє G.

Ограниченный набор нечетких ситуаций

Ss= {51, 52, 5n} может описывать практически бесконечное число состояний процесса, так как множество эталонных ситуаций строится на осно­ве комбинаторного перебора всех возможных ин­тервалов переменных состояний. В это множество входит и ситуация, которая была определена как

центр технологической безопасности 5 о. Таким

образом, для любой входной ситуации 5* сущест­вует некоторая близкая ей ситуация.

В качестве меры близости между ситуациями обычно рассматриваются два критерия: степень нечеткого включения и степень нечеткого равенс­тва [4].

Понятие степени нечеткого включения ситуа­ции базируется на определении степени включе­ния нечетких множеств. Пусть 5/= {< цs(у)/у>},

5; = {< ц (у)/у>}, ує Y, есть некоторые ситуации.

J j

Степень включения ситуации 5, в ситуацию s7-обозначается v(51, sy) и определяется выражени­

ем: v(5t, Isj)

v( ц_5. (yp), ц5. (yp)) является степенью включения нечеткого множества ^) в нечеткое множест­во ц5, и определяется по формуле:

v( ц5. G^), ц^. (у_))=

Если множество текущих ситуаций Sсодержит такие ситуации 5, и s,- (i, jє K = {1, 2, N}, iф j),

что 5j-нечетко включается в sy, а 5jнечетко

включается в sг, то ситуации 51 и Sjнужно вос­принимать как одну ситуацию. Такое сходство ситуаций называется нечетким равенством, при

этом степень нечеткого равенства равна: ц( ~st, Sj) =

= v( s i, s )&v( s,-, s i).

Пусть Ss = {5!, s 2, s n} — некоторое множе­ство типовых ситуаций. Полученная ситуация мо­жет использоваться при идентификации входной

ситуации s * посредством сравнения ее с ситуаци­ями из Sна нечеткое равенство.

Таким образом, для определения индекса безо­пасности текущего состояния процесса необходимо сравнить на нечеткое равенство входную нечеткую

ситуацию s* с нечеткой ситуацией, которая харак­теризует центр безопасности so. При этом степень

нечеткого равенства ц( ~s, 50) = v(5 , so )&v( ~s0, ~s) будет показывать индекс безопасности данного процесса.

В качестве примера использования предло­женной методики рассмотрим четырехкорпусную выпарную установку производства хлора и каус­тика, основной элемент которой — выпарной ап­парат (ВА), где происходит конденсация пара в греющей камере, передача тепла через стенку по­верхности нагрева к кипящей жидкости, кипение жидкости.

Различные процессы, протекающие в выпар­ной установке, находятся в тесной взаимосвязи. Всевозможные возмущения, поступающие на вход всей системы и в отдельный аппарат (изменения концентрации и температуры, поступающей на выпарку электролитической щелочи; изменение давления и температуры греющего пара; измене­ния вакуума; изменения коэффициента теплопе­редачи из-за засоления поверхности нагрева гре­ющей камеры; отказ элемента аппаратуры или системы управления и т. д.), вызывают изменение выходных параметров. Центральным звеном вы­парной установки является последовательная цепь выпарных аппаратов, которые определяют эффек­тивность работы всей многокорпусной выпарной установки (МВУ). В связи с этим, основное вни­мание при создании модели выпарной установки уделено моделям ВА. Все остальные процессы но­сят вспомогательный характер, и эффективность их работы определяется работой ВА.

Особенность технологии выпаривания с точки зрения технологической безопасности состоит в том, что основная нагрузка по обеспечению безо­пасной работы выпарной установки ложится на обеспечение безотказной работы непосредствен­но технологического процесса выпаривания, про­филактики отказов оборудования и систем управ­ления (СУ).

Построение функций принадлежности линг­вистических термов основано на обработке ста­тистических данных. В качестве степени прина­длежности элемента множеству принимается оценка частоты использования понятия, задавае­мого нечетким множеством, для характеристики элемента. Значения лингвистической переменной "Влияние определенного параметра на безопас­ность технологического процесса" оценивается по десятибалльной шкале. Термы лингвистичес­кой переменной могут быть, например следующи­ми: T1 — "Значение параметра занижено" (опас­ность); T2 — "Значение параметра в нормальном режиме"; T3 — "Значение параметра завышено" (опасность).

Для проведения экспертного опроса диапазон значений технологического параметра разбивает­ся на интервалы; шаг разбиения выбирается как минимальное изменение параметра, которое мо­жет с точки зрения экспертов оказать влияние на работу данного технологического процесса. Экс­пертам предлагается сделать оценку значений параметров по десятибалльной шкале по каждому из заданных термов. По полученным экспертным данным вычисляются элементы матрицы под-

N

сказок kj= ^ b/j, j= 1...m. Выбираем в получен-

i = 1

ной строке максимальный элемент kmax = maxkj, i= 1...N, j= 1...m, и далее все элементы преоб­разуются по формуле: c/j= bfjkmax/kj, i= 1...N, j= 1...m. Для столбцов, где kj= 0, применяется линейная аппроксимация: c/j= (cfj -icy+i)/kj, i= 1...N, j= 1...m. Функция принадлежности вы­числяется по формуле: m(c/j)= cj/cimax, i= 1, N, j= 1, m, где c/max = maxcj, i= 1...N, j= 1...m.

На основе полученных данных построены графики функций принадлежности (рис. 3). В со­ответствии с алгоритмом определения центра бе-

Полученные в результате расчетов данные позволили построить графики изменения индекса безопасности (рис. 4) в зависимости от изменения значения диагностируемого параметра и опреде­лить по ним максимальное значение индекса тех­нологической безопасности, которое находится в области центра технологической безопасности данного параметра. Значение индекса уменьшает­ся по мере выхода значения параметра из области центра технологической безопасности. Для вы­числения индекса безопасности оборудования и систем управления, входящих в состав МВУ, с по­мощью описанного выше метода построены фун­кции принадлежности.

Эксперту необходимо было оценить по веро­ятности отказа оборудования или системы управ­ления значения следующих термов: T1 — низкая возможность отказа; T2 — средняя возможность отказа; T3 — высокая возможность отказа. В ре­зультате обработки полученных данных в про­грамме "МВУ" были получены графики соответс­твующих термов (рис. 5). В качестве центра бе­зопасности взят интервал вероятностей отказа от 0 до 7 %. График изменения индекса безопас­ности для оборудования, входящего в состав МВУ, приведен на рис. 6. График изменения индекса

Рис. 4. График изменения индекса безопасности технологи­ческого параметра "Давление греющего пара на входе в пер­вый ВА"

зопасности проводится вычисление центра безо­пасности для технологических параметров выпар­ных аппаратов. Так, для параметра "Концентрация №ОН на входе в первый ВА" получаем множест­во интервалов значений параметра B1n: X = {xi; x3; x4; x5; = {(6,5; 7,5); (7,5; 8,5); (8,5; 9,5); (9,5; 10,5); (10,5; 11,5); (11,5; 12,5)}. В табл. 1 при­ведена матрица отношения mfcc,у)— "интервал x значений параметра pi не хуже (с точки зрения бе­зопасности функционирования технологического процесса) интервала у значений параметра P1". В табл. 2 представлена матрица нечеткого отно­шения доминирования ц D(x,у).

R

В табл. 3 приведено нечеткое множество недо-

ТГ

минируемых альтернатив. Здесь sup{ (X)} = = X3 => X3 = (8,5; 9,5) — область центра техноло­гической безопасности для параметра B1n. На ос­новании полученных данных о функциях прина­длежности и данных о центре безопасности для технологических параметров ВА были проведены расчеты индекса безопасности согласно предло­женному алгоритму расчета.

3 1 З 0,8 j0,6 І 0,4 З 0,2

П 0 -0,2

Рис. 5. Функция принадлежности к термам T;для оборудова­ния первого ВА

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

Рис. 6. Изменение индекса безопасности для оборудования первого ВА

безопасности для систем управления аналогичен графику для оборудования (см. рис. 6).

Проведенное исследование позволило вы­явить возникновение опасных ситуаций на основе индекса безопасности и может быть рекомендова­но в качестве подхода для исследования безопас­ности как отдельных аппаратов и систем управле­ния, так и ХТП в целом.

ЛИТЕРАТУРА

  1. Палюх Б. В. Основы построения и разработки автомати­зированной системы управления эксплуатационной на­дежностью химических производств: Автореф. дис. ... д-ра техн. наук. — М., 1991. — 360 с.

  2. Богатиков В. Н., Палюх Б. В., Пророков А. Е., Мартынен­ко И. Б. Методология управления технологической безо­пасностью непрерывных химико-технологических процес­сов. — Новомосковск: Новомосковский институт РХТУ им. Д. И. Менделеева, 2005. — 188 с.

  3. Орловский С. А. Проблемы принятия решений при нечет­кой исходной информации. — М.: Наука, 1981. — 207 с.

  4. Мелихов А. Н., Бернштейн Л. С., Коровин С. Я. Ситуацион­ные советующие системы с нечеткой логикой. — М.: На­ука, 1990. — 272 с.

Валерий Николаевич Богатиков — д-р техн. наук, доцент, вед. на­учн. сотрудник Учреждения Российской академии наук "Инсти­тут информатики и математического моделирования технологи­ческих процессов Кольского научного центра";

тел.:8(815 55) 79-691

E-mail:vnbgtk@

Анатолий Евгеньевич Пророков — канд. техн. наук, доцент, зав. кафедрой "Прикладная информатика" НИ РХТУ им. Д. И. Мен­делеева

тел.:8(48762) 6-06-76 E-mail:prorokov@

Юлия Владимировна Соболева — ассистент кафедры "Автома­тизация производственных процессов" НИ РХТУ им. Д. И. Мен­делеева

тел.:8(48762) 6-12-50

E-mail:soboleva2135@

УДК 62-503.5

ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЕ РЕГУЛЯТОРЫ: ЗАДАЧИ И СТРУКТУРА

А. В. Соболев, Д. П. Вент

Рассмотрен подход к синтезу энергосберегающих систем регулирования и их структура, сформулирован критерий оптимальной работы системы для обеспечения экономии ресурсов и получения требуемого качества управления. Приводятся основные задачи, возникающие при создании подобных систем.

Ключевые слова: энергосбережение, оптимизация, химико-технологическая система, система регулирования, на­стройка, нестационарность, критерий оптимальности

Химико-технологическая система (ХТС) пред­назначена для целенаправленной переработки оп­ределенного сырьевого потока вещества в необхо­димый продукт при энергетических воздействиях на исходное вещество и протекании химических превращений. Такую ХТС можно охарактеризо­вать соответствующей структурой, определяющей взаимосвязи между ее элементами, и совокупно­стью переменных (координат), определяющих ее состояние в данный момент.

ОСОБЕННОСТИ УПРАВЛЯЕМЫХ ХТС И СТРУКТУРА ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕЙ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ (ЭСАР)

Для управляемых ХТС наиболее характерны­ми являются три типа координат: управляемые, управляющие и координаты, соответствующие внешним возмущениям.

В общем виде в установившемся состоянии взаимосвязь между этими координатами можно представить совокупностью алгебраических урав­нений в неявной форме: f(у, u, ю, k, v, n) = 0,

iє I, где у, u, ю — векторы управляемых, управ­ляющих и возмущающих координат ХТС соот­ветственно; k— совокупность конструктивных параметров; v— стехиометрические координаты и физико-химические константы; n — КПД элемен­тов ХТС; I — конечное множество целых неотри­цательных чисел (i— элемент этого множества). В состав вектора uвходят также различные энергети­ческие потоки, используемые для ведения техно­логического процесса в рассматриваемой ХТС.

Эффективность функционирования ХТС обычно оценивается с помощью какого-либо кри­терия эффективности, в выражение которого практически всегда входят управляемые и управ­ляющие координаты:

J= Ф(у, U, D), (1) где D — параметры, влияющие на эффективность работы ХТС.

Задача оптимизации режима функционирова­ния ХТС заключается в подборе такого вектора

—*

управляющих координат u , который минимизи­рует (или максимизирует) критерий эффектив­ности при соблюдении необходимых технологи­ческих и организационных ограничений вида:

Sq= {SqISqє Eh;ф/^о)= 0, i= TTp;

9,-(Sß) m0, j= О },

где Sq— обобщенное обозначение варьируемых переменных; Q— индекс, обозначающий вид ва­рьируемых переменных (у или u).

Найденные в результате решения задачи опти-

—*

мизации управления координаты uопределяют оптимальный технологический режим ХТС, соот­ветствующий каким-либо заранее заданным вне­—*

шним возмущениям ю (как правило, берутся среднестатистические значения возмущений). Ре­альные возмущения в управляемой ХТС обычно, во-первых, в значительной степени не соответс­твуют априорно заданным, а во-вторых, меняются во времени, вынуждая вводить в структуру ХТС регулирующие элементы, автоматически подде­рживающие режим ее функционирования, близ­кий к оптимальному в условиях реальных измене­ний вектора ю (t). Причем типовые промышлен­ные САУ предполагают наличие структур вида ук <^> Uk, т. е. наличие замкнутых контуров управ­ления с четко выраженными сепаратными кана­лами, где число управляемых координат строго соответствует числу управляющих.

Таким образом, вследствие отклонений Acö (t) возмущающих воздействий от априорно заданных значений Acö(t) = ю(t) — ю ф 0 вектор текущих уп­равляющих координат u (t) отклоняется от своего априорно оптимального положения, что вызвано необходимостью компенсации дополнительных

возмущений Acö (t) ф 0. Это в свою очередь вызы­вает изменение критерия эффективности ХТС. Чаще всего критерий изменяется в сторону ухуд­шения. В частности, если критерий (1) энергети­ческий, то появление Aö (t) ф 0 вызывает ухудше­ние энерготехнологических характеристик ХТС. Следовательно, эффективность функционирую­щей в реальных условиях управляемой ХТС прак­тически никогда не достигает априорно опреде­ленного оптимального значения (opt J).

Однако, если рассматриваемый критерий эф­фективности (1) по своему физическому смыслу связан с энергопотреблением ХТС либо ее взаим­ным энергообменом с окружающей средой, то, используя специфические свойства химической технологии, можно в ряде случаев существенно уменьшить ухудшение критерия эффективности путем использования в определенных узлах ХТС систем автоматического управления со специаль­ной структурой. Рассмотрим особенности ХТС и принципы построения указанных САУ.

В подавляющем большинстве случаев в ХТС с целью теплового или химического воздействия на протекающие процессы используются различные источники энергии: электроэнергия, горючие га­зы, пар и т. д. Аналогично, возможно использо­вание "на стороне" различных видов вторичных энергоресурсов (ВЭР), получаемых в процессе функционирования рассматриваемой конкретной ХТС. Отдельные технологические узлы ХТС, ис­пользующие внешнюю энергию и (или) произво­дящие ВЭР, построены обычно в виде, представ­ленном на рис. 1.

Здесь следует подчеркнуть, что рассматривает­ся узел ХТС только с одной управляемой пере­менной (такую декомпозицию в принципе всегда можно произвести).

В общем виде зависимость между переменной у и потоками Qiи Hjнелинейная: Ду, Q0, Qn, H1, ... , Hm)= 0. Однако для технологических про­цессов, основу которых составляют энергетичес­кие превращения, в установившихся режимах можно с достаточной степенью точности предста­вить эту зависимость в линеаризованной форме:

n m

у = i kiQi+ i cjhj,(2)

i = 1 j = 1

где ki, cj— коэффициенты, отражающие балансо­вые и кинетические зависимости.

Критерий эффективности типа (1) для такого узла ХТС, отражающий условия энергетических преобразований, 1э = Ф^-, Hj), i є I, j є Jбудем называть критерием энергосбережения. Часто его можно представить в виде аддитивной функции:

При этом необходимо иметь в виду, что отдель­ные входные и выходные потоки из формулы (2) являются внешними возмущениями и не входят в критерий (3).

Задача оптимизации процесса энергетических преобразований в рассматриваемом узле может

выглядеть, например, как minФШ,-, Hj), i є I, j є J

Q, H J

при ограничениях на эти же потоки с точки зрения производственных и технических возможностей.

Спецификой таких узлов является то, что в химической технологии часто можно найти не од­ну, а несколько управляющих координат, воз­действующих на одну и ту же управляемую пере­менную. Отсюда возникает возможность выбора той или иной управляющей координаты для орга­низации САУ. Но в любом случае в типовой структуре САУ для управления какой-либо пере­менной у используется только одна регулирующая координата (обычно лучшая по динамическим показателям), и структура объекта с САУ выгля­дит так, как, например, показано на рис. 2. Уп­равляющие координаты Qiи Hqможно условно назвать динамически эффективными, т. е. позво­ляющими на их основе построить динамически эффективные САУ.

Однако использованные в САУ управляющие координаты Qiи Hqмогут быть далеко не лучши­ми с точки зрения критерия эффективности (3), т. е. с точки зрения энергосбережения.

Задачу энергосбережения и одновременного достижения эффективного управления в условиях

Qi

y

Qn

Hi

Qi

Qk

Hm

Ю

О

EH

(3)

nm

1э = i a/Qi+ i ^

i = 1 j = 1

где а/,bj— коэффициенты веса; Iи J— множества целых чисел соответственно из ряда 1, nи 1, m.

Рис. 3. Структурная схема энергосберегающей САР в общем виде:

Qi, Qk, Hf— управляющие координаты; , Pgt, PH— ре­гуляторы в контурах с соответствующими управляющими ко­ординатами реально действующих возмущений предлагается решить с помощью применения многоконтурных САУ, использующих для целей стабилизации од­ной переменной у(^ одновременно несколько уп­равляющих координат. Типовая структурная схе­ма такой САУ показана на рис. 3. Аналогично по­нятию динамически эффективной управляющей координаты (в данном случае Ql)введем понятие энергоэффективных координат, позволяющих су­щественно воздействовать на критерий энергос­бережения (Qk, Hfи т. д.).

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭСАР И ОСОБЕННОСТИ

МАТЕМАТИЧЕСКОГО ОПИСАНИЯ

Предположим, что или уже существует, или спроектирована ХТС. Для нее известна структур­ная схема и математическое описание, представ­ленное системой дифференциальных и алгебраи­ческих уравнений Ф, связывающих между собой элементы vє V. Здесь V — множество координат

ХТС, которое состоит из двух подмножеств ю с V и xс V (ю n x= 0). Множество ю назовем мно­жеством возмущений ХТС, а x— множеством внутренних координат технологического процес­са. В свою очередь xсостоит из подмножеств Y и U. Будем называть элементы ує Yуправляе­мыми координатами ХТС, а uє U— управляю­щими координатами (U = X/Y). Необходимо от­метить, что до того как спроектирован оконча­тельный вариант ЭСАР, границы подмножеств Y

и Uв общем случае не определены, т. е. перед проектированием ЭСАР известна лишь часть эле­ментов множества Y, а именно те элементы, ко­торые заведомо не могут выступать в роли управ­ляющих координат. К таким элементам относятся все параметры качества технологических потоков (состав, вязкость, pH и т. п.), некоторые количе­ственные параметры (температура, давление), а также отдельные энергетические и материальные потоки (последние, в частном случае, все могут быть использованы в качестве управляющих пе­ременных). Все вышеперечисленные множества конечны. Кроме того, будем считать, что извест­ны статистические характеристики возмущающих воздействий, например, спектральные плотности

S(d(ö), ю є ю.

Управляемая динамическая, в общем случае нелинейная непрерывная система с сосредото­ченными параметрами, описывается следующим дифференциальным уравнением:

у * (t) = Ф( у*, u*, ю*, t); у* (t0) = уо;

tє [t0, °°), (4) где у = [ у1, у2, уП ]7 — n-мерный вектор фа­зовых координат системы; ю = [юі, Ю2, юг]г — r-мерный вектор внешних возмущений, действую­щих на управляемую систему; u= [ui, u2, um]T— m-мерный вектор управляющих координат; T— символ операции транспонирования; вектор фун­кция Ф(*) удовлетворяет условиям существования и единственности решений. Для заданных функ­ций времени uH0M (t), юном (t) и конкретных на­чальных условий известно частное (вынужденное)

решение ун0м (t), называемое невозмущенным. Причем для систем стабилизации, к которым мож­но отнести и ЭСАР, уном = [уном, 0, 0, 0]Т.

Введем интегральный критерий качества для системы (4):

'*_

I = Ду, u, t)dt; tk - ~,(5)

uє V J

где f(*) — заданная функция.

В случае ЭСАР этот критерий должен сово­купно отражать свойства асимптотической устой­чивости системы, динамическое качество управ­ления и степень энергосбережения. Задача поиска оптимального управления в условиях (4), (5) для общего случая неразрешима в замкнутой форме и трудно разрешима алгоритмически. Целесообраз­но произвести ее декомпозицию на две иерархи­чески соподчиненные подзадачи: определение оптимального закона управления динамическими режимами ХТС на основе линеаризованной в ок­рестностях рабочих точек математической модели объекта управления и последующая коррекция за­кона управления по критерию энергосбережения.

Задача проектирования ЭСАР может быть сформулирована следующим образом. Необхо­димо, зная структуру объекта и характеристики возмущающего воздействия, определить допол­нительные связи и их операторы Wy(представля­ющие собой систему управления), которые позво­лили бы свести к минимуму величину критерия эффективности системы в целом, а также удовлет­ворить заданным запасам устойчивости и част­ным ограничениям на точность регулирования внутренних координат системы. Кроме того, сто­имость системы управления не должна быть боль­ше заданной.

Специфика ЭСАР заключается в том, что k-ая управляемая переменная подвержена па­раллельному воздействию ряда управлений uj(s), различающихся свойствами оказываемого влия­

y

Фі

Фі

Рис. 4. Структурная схема ЭСАР

ния на критерий энергосбережения, т. е. =

= i Wkj(s)uj(s). С другой стороны, эти же управ-j = 1

ления не адекватны и с точки зрения динамичес­кой стабилизации ХТС.

Будем условно называть управляющее воз­действие "энергоэффективным", если его ис­пользование в качестве управляющего позволяет существенно улучшить обобщенный критерий энергоиспользования ХТС. Если же управляющее воздействие позволяет эффективно стабилизиро­вать переменную с точки зрения показателя дина­мического качества САУ, то определим его как "динамически эффективное".

Структурная схема ЭСАР показана на рис. 4. Структура дополнена идеальными фильтрующи­ми элементами Ф/, определяющими подключение того или иного канала управления.

ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ, ВОЗНИКАЮЩИЕ ПРИ СИНТЕЗЕ ЭСАР

На основании структуры энергосберегающей САР (см. рис. 4) и критерия ее функционирования (5) определим алгоритм работы такой системы. Работа системы регулирования должна осущест­вляться следующим образом: если возмущение та­ково, что может справиться энергоэффективный канал управления, то задействован он один (хотя качество регулирования с динамической точки зрения может быть неудовлетворительным). По мере роста возмущения (или изменения его харак­тера) в работу должен подключиться более дина­мически эффективный канал управления. При этом энергоэффективный контур регулирования продолжает свою работу. Если не достаточно двух контуров регулирования, можно задействовать третий, четвертый и т. д. каналы, подключая каж­дый раз все более эффективные с динамической точки зрения каналы управления. По мере подав­ления возмущения менее энергоэффективные ка­налы управления отключаются. Соответствующее подключение или отключение контуров регулиро­вания определяется работой фильтров Ф/.

При реализации описанного алгоритма рабо­ты системы в целом существуют определенные трудности.

Сложность точного определения пределов изме­нения возмущающего воздействия, при переходе че­рез которые осуществляется подключение или от­ключение каналов регулирования. Если возможно непосредственное измерение возмущения, то ре­ализацию переключений можно выполнять по не­му, иначе возмущение можно косвенно оценить по характеру отклонения регулируемой величины от задания. В этом случае переключение следует выполнять не по фактическому значению пере­менной, а по ее поведению за некоторый проме­жуток времени. При этом выполнить анализ до­статочно сложно, поскольку наряду с действием возмущения будет оказывать влияние и управля­ющее воздействие.

В результате подключения большего числа ка­налов управления устойчивость системы регулиро­вания в целом снижается. Действительно, переда­точная функция по каналу возмущение — регули­руемая величина имеет вид:

W(p) =

1 +

Wf(p) i Wi(p)Ri(p)

i

где Wf (p) — передаточная функция по каналу воз­мущения; Wi( p)— передаточная функция по со­ответствующему каналу управления; Ri(p)— пе­редаточная функция i-го регулятора.

В результате характеристическое уравнение системы постоянно изменяется и необходимо оценивать возможности сохранения устойчиво­сти системы регулирования при изменении ее структуры.

Поскольку структура системы изменяется, на­строечные параметры регуляторов требуют своей корректировки. Перенастройку следует осущест­влять таким образом, чтобы минимизировался критерий (5), который принимает вид:

оо

I= j (s2(t) + ai u\ (t) + a2 u2 (t) + ... + an u2 (t))dt,

о

где ai — весовые коэффициенты, показывающие "значимость" соответствующего канала управле­ния. На коэффициенты веса налагается ограни-

n

чение: I ai = 1. При этом значение весового ко­/ = 1

эффициента тем выше, чем более динамически эффективен и менее энергоэффективен соответ­ствующий канал управления. Если, начиная с не­которого момента времени, канал управления отключается, то соответствующий коэффициент веса принимается равным нулю, т. е. ai = 0. В ко­нечном итоге, если работает только один канал регулирования, задача оптимальной настройки имеет вид:

о

I= f (s2(t) + u2 (t))dt — min.

J Ui

о 1

Поскольку при реализации ЭСАР предполага­ется использование типовых регуляторов, то оп­тимизацию следует выполнять путем поиска со­ответствующих оптимальных настроечных пара­метров. При переходе на более сложную систему регулирования весовые коэффициенты изменяют свои значения (могут принять заранее предопре­деленные значения либо рассчитываться на осно­вании экспертных оценок; в этом случае возмож­на определенная коррекция (адаптация) весовых коэффициентов таким образом, чтобы "улучшить" использование динамически эффективных кана­лов управления с учетом характеристик возмуща­ющего воздействия, меняющейся нагрузки объек­та управления, нестационарности объекта управ­ления). Естественно такая задача достаточно трудная и может быть решена с привлечением современных математических методов — нейрон­ных сетей, нечеткой логики, искусственного ин­теллекта. В принципе, для решения той же задачи может изменяться структура и алгоритм работы регулятора, установленного в соответствующем канале управления. В силу аддитивности интегра­ла из-за изменений весовых коэффициентов кри­терий работы системы будет представлять собой сумму следующего вида:

h

I= I f (B2(t) + aiu\ (t) + a2u2 (t) + ...

i

4 -1

... + an u2n(t))dt, где моменты времени ti, ti-1 определяют область работы выбранной структуры системы управле­ния, в течение которой весовые коэффициенты остаются постоянными. Поскольку подынтеграль­ные выражения неотрицательны, задача миними­зации критерия в целом распадается на ряд ло­кальных задач минимизации:

h

Ii= j (s2(t) + aiЩ(t) + a2u2 (t) + ...

h -1

2

... + anun(t))dt— min.

ui

Рассмотренный выше подход предполагает, что при любых возмущающих воздействиях и ре­жимах работы объекта управления энергоэффек­тивный канал регулирования способен зарегу­лировать возмущающее воздействие в статике. Однако может возникнуть ситуация, когда управ­ляющего воздействия экономичного канала будет не хватать. В этом случае для увеличения диапа­зона регулирования система управления должна предусмотреть обязательное использование как минимум двух каналов регулирования. Действи­тельно, в установившемся режиме выходная вели­чина будет равна: у(°°) = kiui(^) + k2u2(°°), где k1, k2— коэффициенты передачи объекта по со­ответствующим каналам регулирования.

Если предположить, что управляющие воздей-

г min max п

ствия изменяются в диапазоне u1є [u1, u1] и

min max

u2є [ u2, u2], то использование нескольких ка­налов управления позволяет получить диапазон из-

min min

менения регулируемой величин^і: [ki u1 + k2 u2 ,

max max

ki u1 + k2 u2 ]. В результате этого система спо­собна зарегулировать большие возмущающие воз­действия, чем в случае одноконтурных АСР. В этом случае следует предусматривать изменение алго­ритма работы регулятора. Например, если бы для поддержания заданного значения было достаточ­но управляющего воздействия энергоэффектив­ного канала, то по остальным каналам регулиро­вания использовались бы более простые законы регулирования. Если для поддержания в статике заданного значения регулируемой величины тре­буется использование двух каналов и более, то соответствующие регуляторы должны содержать интегральную составляющую в своем законе ре­гулирования. В результате область устойчивости существенно уменьшается и требуется дополни­тельная проверка на устойчивость.

В случае нестационарности объекта управле­ния (это характерно для периодических процес­сов и объектов с меняющейся нагрузкой) для улучшения качества работы системы в целом можно было бы использовать адаптивные алго­ритмы управления.

Ввиду сложности организации и настройки системы управления ее техническая реализация возможна только при использовании вычисли­тельных ресурсов, входящих в состав современ­ных АСУТП.

Алексей Валерьевич Соболев — канд. техн. наук, доцент кафедры "Автоматизация производственных процессов";

тел.:(48762) 6-12-50

E-mail: AlexSobolev75@

Дмитрий Павлович Вент — д-р техн. наук, профессор, ректор НИ РХТУ им. Д. И. Менделеева, зав. кафедрой "Автоматизация про­изводственных процессов".

тел.:(48762) 4-89-91

E-mail: rector@

УДК 66.011-52

НЕКОТОРЫЕ ПРАКТИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ

РАСЧЕТА ПАРАМЕТРОВ НЕЙТРАЛЬНЫХ ОБЪЕКТОВ

В. И. Иванков, Л. В. Иванкова, Д. П. Вент

Рассмотрена существующая методика определения инерционности нейтральных объектов с введенным в нее по­нятием "время разгона". Показана нечеткость в выборе исходных данных для расчета величины инерционности. Предложена методика определения инерционности нейтральных объектов по конкретным и обоснованным ис­ходным данным в соответствии с типовым способом расчета.

Ключевые слова: нейтральный объект, время разгона, постоянная времени интегрирования.

Параметры нейтральных объ­ектов требуется определять с целью получения передаточных функций, необходимых для рас­чета настроек регуляторов.

В качестве примера ней­трального объекта обычно бе­рется резервуар для жидкости (рис. 1), на выходе которого ус­тановлен насос. В работе [1] этот вопрос рассмотрен обстоя­тельно и подробно. Схема дина­мических каналов резервуара представлена на рис. 2.

Входными величинами яв­ляются Fnp(z) — приход жид­кости, м/с, Fp(x) — расход жид­кости, м/с, а выходной величи­ной — уровень жидкости L(у), м. В большинстве случаев Ftp яв­ляется возмущением, а Fp— ре­гулирующим воздействием.

В объекте отсутствует внут­ренняя обратная связь, т. е. вы­ходная величина L(у)не влияет на входную Fnp(z). Величина Fp(x) также не зависит от L^). Такой объект обладает интегри­рующими свойствами, определя­емыми насосом, который обес­печивает равенство Fp(x) = const.

Определение передаточной функции проводится общепри­нятым путем через составление материального баланса и соот­ветствующих преобразований. В результате получается уравне­ние динамики

dL/dt= 1/A(Fm — Fp), (1) где A— площадь сечения резер­вуара, м2.

Из формулы (1) следует, что скорость изменения уровня dL/dtпрямо пропорциональна разности потоков жидкости на входе и выходе резервуара и об­ратно пропорциональна площа­ди сечения резервуара.

При AF = Fnp — Fp = 0, т. е. при равенстве прихода и расхода уровень остается постоянным: L= const (dL/dt= 0).

Обычно входные и выходные величины представляются в при­ращениях и относительных еди­ницах: у= AL/L0, x = AFp/F0, z= AFnP/F0, где F0 и L0 — зна­чения расхода и уровня при равновесном состоянии объек­та; AL и AFnp, AFp — прираще­ния уровня и соответствующих расходов.

Окончательно уравнение ди­намики принимает вид:

AL^F^/dt= z— х,(2)

а величина Tg, определяемая как Tg = A• L0/F0, называется време­нем разгона. Тогда T^/dt= = zxи W(p) = 1/T£p.

Проанализируем уравнение (2). В нем используется значе­ние расхода при равновесном состоянии объекта F0.Исходя из физического смысла равно­весное состояние в объекте на­ступает при равенстве расходов Fnp = Fp, т. е. при AF = 0. Стро­го говоря, входами объекта яв­ляются не расходы Fnp и Fp, а их разность AF,что иллюстриру­ется структурной схемой (рис. 3). По-видимому, за F0 можно было бы принять значение расхода при номинальной нагрузке, од­нако так как само понятие но­минальной нагрузки не вполне конкретно, то неясно, какое

значение можно придать вели­чине

В уравнении (2) использует­ся величина Lo— значение уровня в равновесном состоя­нии. Но в резервуаре равновес­ное состояние может быть при любом значении уровня L, важ­но только, чтобы выполнялось условие AF = 0. Поэтому также неясно, какое значение можно придать величине Lo.

Поскольку нет строгих обос­нований выбора значений вели­чин Fo и Lotто определение вре­мени разгона Тє по уравнению (2) не является однозначным. Наверное не случайно при опи­сании таких объектов использо­вано понятие "время разгона" Тє, а не общепринятый для ин­тегрирующих звеньев термин "постоянная времени интегри­рования" Ти.

Возникает вопрос: почему для нейтральных объектов вы­бран такой способ определения временной характеристики, а для других интегральных звень­ев принят типовой подход, при котором постоянная времени интегрирования Ти определяет­ся как время, в течение которого приращение выхода достигнет величины, вызвавшего прира­щения входа?

В работе [2] также предложе­но понятие времени разгона. Однако для интегрирующего звена (резервуара) при постоян­ной по высоте площади сечения A= const временная характерис­тика должна быть конкретной и однозначной и не может зави­сеть от произвольности выбора величин Lo и Fo. Поэтому воз­никает следующий вопрос: по­чему в передаточной функции W(p) нейтрального объекта (по сути интегрирующего звена) ис­пользуется величина времени разгона Тє, рассчитываемая по уравнению (2) с нечетко опреде­ляемыми и объективно несвяз­ными между собой исходными данными? К тому же при нали­чии в системе регулирования других интегрирующих звеньев (например, в регуляторе) ис­пользуется величина постоян­ной времени интегрирования Ти, определяемая типовым спо­собом, отличным от определе­ния Тє.

В данной статье предлагает­ся для описания нейтральных объектов в передаточной функ­ции применить общепринятую для интегрирующих звеньев ве­личину постоянной времени ин­тегрирования Ти, которая опре­деляется по однозначным и объ­ективным исходным данным.

Обычно на практике приме­няется схема регулирования уровня, представленная на рис. 4. На схеме исполнительное уст­ройство ИУ (регулирующий кла­пан), реализующее управляющее воздействие, устанавливается на стоке жидкости и изменяет ве­личину расхода Fp. К объектам с таким расположением ИУ от­носятся широко распростра­ненные в химической и других отраслях промышленности аб­сорберы, десорберы, ректифика­ционные колонны, скрубберы, сборники, сепараторы и т. п., т. е. аппараты, в которых проис­ходит разделение жидких и газо­образных сред.

В отличие от схемы резерву­ара, показанной на рис. 1, где на выходе установлен насос, в схе­ме на рис. 4 после резервуара стоит регулирующий клапан, расход через который зависит от давления p перед ним (при пос­тоянных степени открытия и давлении после него), а давле­ние, в свою очередь, зависит от высоты столба жидкости Ljx, ее плотности р и давления в газовой фазе рг. Если при изменении уровня L на величину AL выпол­няется условие: ALpg n p = pr + + LjxPg, то можно принять, что p не изменяется при изменении L (влиянием обратной связи пренебрегаем). Следовательно, Fp не зависит от L, и тогда регу­лирующий клапан работает ана­логично насосу (расход через него не зависит от уровня), а объект обладает нейтральными свойствами.

Обычно уровень измеряется не от дна резервуара (см. рис. 1), а в некотором диапазоне LH4M от среднего значения L (см. рис. 4). Следовательно, выходом объек­та является уровень L, располо­женный в интервале LH4M и из­меряемый датчиком LT Строго говоря, объектом управления является не весь резервуар, а его часть — объем высотой LH4M. Уровень выше и ниже диапазо­на LH4M системой не восприни­мается и не является объектом управления.

Регулирующее воздействие вносится регулирующим клапа­ном, который изменяет Fp в диапазоне от полного закрытия до полного открытия, т. е. Fp =

= 0... Fmax. А это значит, что пе­ред определением передаточной функции объекта необходимо произвести расчет и выбор регу­лирующего клапана с вычисле­нием максимального расхода жидкости при его полном от­крытииFmax .

Регулятор LC при работе АСР располагает информацией об уровне L (из диапазона LH4M) и воздействует на объект измене­нием Fp (в диапазоне 0... F^y). Теперь уравнение (2) можно привести к виду, удобному для определения постоянной време­ни интегрирования ТИ (при ли­нейных характеристиках объек­та, датчика и исполнительного устройства):

ТИ = А^изм/Fmax • (3)

Физический смысл уравне­ния (3) иллюстрируется рис. 5. Он состоит в том, что Ти — это время, в течение которого объем резервуара высотой Хизм (100 %)

при Fnp = FmaX (100 %) и полно­стью закрытом клапане (Fp = 0) заполнится жидкостью, т. е. Ти — время, в течение которого объем резервуара высотой Хизм при Fnp = 0 и полностью откры­том клапане Fp = Fj^aX освобо­дится от жидкости.

Если за расчетную схему принять рис. 4, то вывод урав­нений, представленный в рабо­те [1], можно сохранить, заме­нив L0и Fo на Хизм и F^aX соот­ветственно.

Таким образом, в уравнение (3) подставляются конкретные

значения ^зм и Fmax, характе­ризующие параметры датчика (выходная величина объекта) и исполнительного устройства (входная величина объекта), а не неопределенные значения Lo и Fo. При этом динамика ней­трального объекта (Ти) опреде­ляется конструктивной характе­ристикой объекта (значение A), выбранным датчиком (і^зм) и исполнительным устройством

(FИУ)

max

Обратим внимание на то, что в уравнении (3) исходные данные имеют строго опреде­ленные значения и получена именно постоянная времени интегрирования Ти. Передаточ­ная функция при этом имеет вид W(p) = 1/Ти p.

Таким образом, нейтраль­ный объект описывается типо­вым методом как интегральное звено.

Целесообразность предло­женного подхода можно под­твердить тем, что при экспери­ментальном исследовании объ­екта (снятии кривой разгона) величина Ти определяется по входной и выходной величи­нам, которые могут изменяться в диапазонах Fp = 0... Fmax и

т 7-0 т max і-

L = Lизм ...Lизм . Eстественно,

при эксперименте постоянная времени интегрирования Ти бу­дет определяться как время, в течение которого приращение выходной величины AL изме­нится на величину приращения входного сигнала AFp. При этом AL и AFp берутся в безразмерном виде как равные доли (или про­центы) диапазонов изменения

LM3M и0...Fmax .

Таким образом, при практи­ческих расчетах параметров пе­редаточной функции W(p)ней­трального объекта определение постоянной времени интегри­рования Ти предлагается выпол­нять типовым методом, исполь­зуя значения предела измерения

0 max датчикаLH3M = Тизм ...Lизм (вы­ходная величина) и диапазона изменения управляющего воз-

ИУ

действия Fp = 0... Fmax (входная

величина). При этом для линей­ных объектов можно брать как полные диапазоны изменения выхода и входа, так и их равные доли, а для нелинейных — их малые приращения (доли) в районе рабочей точки.

ЛИТЕРАТУРА

  1. Полоцкий Л. М., Лапшенков Г. И. Автоматизация химических произ­водств. — М.: Химия, 1982. — 296 с.

  2. Эрриот П. Регулирование произ­водственных процессов. — М.: Энергия, 1967. — 480 с.

Валентин Иванович Иванков — канд. техн. наук, доцент, профессор кафедры "Автоматизация производственных про­цессов";

Лидия Валентиновна Иванкова — ведущий программист кафедры "Автоматизация производственных процессов".

тел.:+7 910 701 81 37

E-mail: ivi34@

Дмитрий Павлович Вент — д-р техн. наук, профессор, ректор, зав. кафедрой "Авто­матизация производственных процессов".

тел.:(48762) 4-89-91

E-mail: rector@

УДК 536.2

КОМПЬЮТЕРНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ В ДИАПАЗОНЕ ТЕМПЕРАТУР 20...700 °С

Ю. И. Беляев, А. В. Гринюк, А. В. Внуков

Рaссмотpeны существующие методы измерения коэффициента теплопроводности и компьютерный измеритель теплопроводности твердых материалов в диапазоне температур 20...700 °С.

Ключевые слова: теплопроводность, приборы для измерения теплопроводности, теплофизический контроль, огнеупор­ные материалы.

Сегодня на российском рынке все более быс­трыми темпами развивается сфера производства материалов с широким спектром свойств, таких как легкость, прочность, надежность, технологич­ность. Для получения заданных свойств, прогно­за применения материалов и совершенствования технологий необходимо знать скорость, с которой происходит изменение температуры в материале, т. е. теплопроводность и теплоемкость. К приме­ру, одним из путей реализации существующей в ядерной энергетике тенденции к снижению сто­имости топливного цикла является увеличение глубины выгорания топлива. Для правильного моделирования поведения топлива при больших выгораниях необходимы достоверные данные о влиянии глубины выгорания, температуры и вы­горания поглотителей нейтронов на теплопровод­ность таблеток оксидного ядерного топлива

Для металлов можно рассчитать теплопровод­ность с точностью до 15 % и ориентировочно ука­зать характер изменения теплопроводности от температуры, т. е. весьма удовлетворительно опи­сать и объяснить механизм теплопроводности.

На теплопроводность существенно влияет хи­мический состав, физическое состояние тела, на­личие дефектов в кристаллических решетках.

В изоляторах перенос теплоты осуществляется фононным газом (фонон — квазичастица с энер­гией, определяемой упругими колебаниями ре­шетки). Здесь не удалось получить пока доста­точно простой, как для металлов, зависимости теплопроводности от температуры. Получение формулы для фононной теплопроводности, при­годной для расчетов, является пока нерешенной задачей физики твердого тела.

В полупроводниках имеет место перенос тепло­ты и электронами, и фононами, а при высоких тем­пературах возможно фотонами, экситонами и пр.

Из сказанного можно сделать вывод, что на­иболее точным способом определения теплопро­водности твердых тел является ее непосредст­венное экспериментальное измерение. Основная проблема, определяющая точность измерения теплопроводности в широком интервале темпера­тур, заключается в тщательном измерении тепло­вых потоков.

Особое место в теплофизическом контроле за­нимают неразрушающие методы контроля и тех­нической диагностики, характеризующиеся высо­кой сложностью физического эксперимента, тре­бованием детального математического описания физических процессов в контролируемых объек­тах измерения, необходимостью проведения кор­ректного метрологического анализа результатов измерений.

Для определения коэффициента теплопровод­ности X металлов и жаропрочных конструкцион­ных материалов в широком диапазоне температур (до 3000 °С) используют различные методы. Су­ществующие методы определения теплофизичес-ких свойств основаны на экспериментальном на­хождении температурного поля в теле заданной формы и известных размеров при граничных усло­виях первого, второго, третьего и четвертого рода или при сочетании этих условий. Методы изме­рения коэффициента теплопроводности твердых материалов представлены стационарным методом монотонного нагрева, нестационарными и кос­венными методами, а также методом лазерной вспышки (LFA).

Разработанный компьютерный измеритель теп­лопроводности КИТ-02Ц предназначен для изме­рения удельного коэффициента теплопроводности твердых материалов в диапазоне 0,1...40 Вт/м-К и температуре 20...700 °С. Прибор основан на со­зданном в КБ "Теплофон" нестационарном методе измерения теплопроводности, базирующемся на:

  1. преобразовании уравнения Фурье к интег­ральной форме;

  2. импульсном нагреве образца;

  3. регистрации температурного поля;

  4. компьютерном управлении процесса на­грева и охлаждения образца, а также применении современных информационных технологий для обработки информации теплофизического экспе­римента.

Компьютерный измеритель теплопроводности состоит из трех блоков и включает в себя тепло-измерительный модуль, электронный блок и ком­пьютер (рис. 1).

Принцип действия прибора основан на им­пульсном нагреве образца электрическим нагре­вателем и отводом выделившейся теплоты в теп-лоприемник. Измеряется разность температур на образце с помощью термодатчиков. Электрон­ный блок преобразует сигналы, а программа "КИТ-02Ц" управляет теплоизмерительным мо­дулем и обрабатывает поступившую информа­цию. Результат измерения представляется в графе таблицы на экране компьютера.

Теплоизмерительный модуль включает в себя печь, теплоизмерительную ячейку и терморегуля­тор (рис. 2). Печь предназначена для нагрева об­разца и теплоизмерительной ячейки в защитной среде азота в диапазоне температур 20...700 °С. Она состоит из основания, на котором крепится теплоизмерительная ячейка и токосъемные кон­такты для колпака и нагревателя. Нагреватель со­стоит из корундового цилиндра с внешним и внутренним диаметрами 45 и 38 мм, на котором навит нагреватель из нихромовой проволоки диа­метром 0,5 мм, и защитных теплоотражающих эк­ранов. Основание и колпак печи представляют со­бой теплообменник типа "труба в трубе", по ру­башке которого постоянно должна протекать вода с расходом не менее 1 л/мин. В колпаке и осно­вании имеются два штуцера для продувки печи азотом и создания в ней защитной среды.

Конструкция теплоизмерительной ячейки для измерения температурозависимого коэффици­ента теплопроводности представлена на рис. 3. Ячейка состоит из основания, выполненного в виде трубы, на вершине которой закреплены три датчика HA421, один измерительный и два, ис­пользуемые в качестве импульсных нагревателей. Внутри основания ячейки проходят четыре двой­ные корундовые соломки: по трем из них прохо­дят провода от датчиков, а по четвертой — термо­пара типа ХА, подключенная к терморегулятору печи. Сверху на основание ячейки одевается кол­пак, выполненный в виде трубы с окном для за­грузки образца. В верхней части колпака закреп­лен медный теплоприемник, в который встроен датчик типа НА421 для измерения температуры поверхности образца. Колпак ячейки переме­щается относительно основания на расстояние 10...18 мм, что позволяет измерять образцы раз­личной высоты.

Теплоприемник обеспечивает прием тепла, выделяемого в нагревателе и прошедшего через исследуемый образец, причем температура его не должна изменяться в процессе эксперимента. Для выполнения этих требований теплоприемник вы­полняется из меди, при этом габариты и масса теплоприемника в 4—6 раз больше габаритов и массы исследуемого образца.

В днище теплоприемника расположено отвер­стие прямоугольной формы, в которое вставляет-

Соломка корундовая

Измерительный датчик (НА421)

Образец Соломка корундовая

Нагреватель (датчикНА421) измерительный датчик

(НА421)

Нагреватель

(датчикНА421)

Рис. 3. Теплоизмерительная ячейка


Соломка корундовая

Q+15 В

15к

20к

На вход усилителя

пуска программы на экране компьютера появля­ется рабочее окно программы (рис. 5).

Экспериментальное испытание опытного об­разца установки проводилось в среде вакуума и азота. В результате исследований, проведенных в азотной среде на образцах сталей марок ВТ6 и 12Х18Н10Т высотой 12...16 мм и диаметром 8...10 мм, были получены данные, приведенные на рис. 6 и 7. Из графиков видно, что кривые 3 и 4 показаний прибора отличны от паспортных дан­ных образцов 1 и 2; это отличие можно объяс­нить наличием тепловых потерь в виде излучения и конвекцией.

Из сравнения рисунков 6 и 7 видно, что кри­вые 3 и 4 показаний прибора в среде азота и в ва-

ся теплоизоляционная подложка с датчиком тем­пературы, а также просверлены отверстия для крепления винтами теплоприемника к корпусу.

В качестве дифференциального термодатчи­ка применены два платиновых датчика темпе­ратуры фирмы Heraeus Sensor Technology, вклю­ченные по схеме на рис. 4. В качестве терморе­гулятора печи был использован ПИД-регулятор МИНИТЕРМ-300.

Для управления процессом измерения, обра­ботки данных с АЦП и представления данных в удобной для человека форме была разработана компьютерная программа "КИТ-02Ц". После за­

50

47 44 41

38

35 32

29

26 23

20

17 14 11

0

8 5

0 100 200 300 400 500 600 700

T,°С

Рис. 8. График показаний прибора(после введения поправоч­ных коэффициентов) на эталонах в диапазоне температур 20...700 °С в среде азота:

1, 2 — паспортные данные сплавов марок ВТ6 и 12Х18Н10Т соответственно; 3, 4 — показания прибора на образце из спла­вов марок ВТ6 и 12Х18Н10Т соответственно

кууме различны, загиб кривой в вакууме меньше, чем в среде азота. Это объясняется сокращением тепловых потерь в результате конвекции.

После расчета и введения в программу "КИТ-02Ц" поправочных коэффициентов, учи­тывающих тепловые потери, были получены дан­ные, которые представлены на рис. 8. Из графика видно, что показания прибора соответствуют пас­портным значениям эталонов с относительной погрешностью 7 %.

Создание данного прибора открывает значи­тельные перспективы в области получения мате­риалов с новыми свойствами. Использование прибора позволяет:

— существенно повысить экспрессность изме­рения и обеспечить время измерения, исчисляе-

мое минутами, в любой выбранной точке темпе­ратурного диапазона;

  1. измерять теплопроводность в диапазоне от 0,1 до 40 Вт/мК, что важно для различных пено-материалов, а также композиционных и неодно­родных материалов;

  2. измерять образцы любой конфигурации и геометрических размеров;

  3. контролировать качество промышленных изделий и строительных конструкций;

  4. исследовать поведение огнеупорных мате­риалов и изделий из них при различных темпера­турах в азотной среде;

  5. исследовать свойства материала в диапазо­не температур от 20 до 700 °С, что ранее было не­доступно и является основным достоинством прибора.

При внесении незначительных конструктив­ных изменений данный прибор позволяет рас­ширить диапазон измерений теплопроводности до 600 Вт/м-К в диапазоне температур от 20 до

1000 °С.

Опыт эксплуатации компьютерного измерите­ля теплопроводности КИТ-02Ц показал, что он занимает достойное место в ряду теплофизичес-ких приборов.

Юрий Иванович Беляев — д-р техн. наук, профессор кафедры "Ав­томатизация производственных процессов и производств";

тел.: (48762) 6-12-50

E-mail:ybelyaev@

Александр Владимирович Гринюк — аспирант той же кафедры; тел.: (48762) 6-12-50

Алексей Валерьевич Внуков — аспирант той же кафедры.

тел.: (48762) 6-12-50

АГЕНТСТВО ПО РАСПРОСТРАНЕНИЮ ПЕРИОДИЧЕСКИХ ИЗДАНИЙ И КНИГ

экономическая газета ид арпк

ПОДПИСКА-2009

на июль—декабрь по Объединенному каталогу "Пресса России".

На почте с апреля 2009 г. проводится подписная кампания на журнал "Датчики и системы"

по Объединенному каталогу "Пресса России "ПОДПИСКА-2009, второе полугодие"

по индексу 40874.

Условия оформления подписки (аннотация, индекс, стоимость) вы найдете в I томе каталога на страницах, указанных в Тематическом и Алфавитном указателях каталога.

ТРЕБУЙТЕ ОБЪЕДИНЕННЫЙ КАТАЛОГ НА ПОЧТЕ!

ДатчикииСистемы10.2009

УДК 536.2

ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ ТВЕРДЫХ ОБРАЗЦОВ РАЗЛИЧНЫХ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ РАЗМЕРОВ

Ю. И. Беляев, Д. П. Вент, О. Н. Вепренцева

Представлен обзор основных методов и приборов для теплофизического контроля твердых материалов. Приве­дены основные положения метода измерения теплопроводности образцов с любыми геометрическими парамет­рами, а также методика измерения.

Ключевые слова: измерение теплопроводности и теплоемкости, неразрушающий метод теплофизического контроля, определение теплофизических свойств образцов в форме диска, пластины, шара.

На российском рынке все более быстрыми темпами развивается производство материалов с широким спектром таких свойств, как легкость, прочность, надежность, технологичность. Чтобы удовлетворять заданным свойствам, специальной обработки материала уже недостаточно, и появля­ется необходимость в использовании компози­ционных материалов, в связи с чем требования, предъявляемые к приборам для определения теп-лофизических свойств материалов и изделий, воз­росли многократно.

Теплофизический контроль позволяет иден­тифицировать материал изделия, а также опреде­лять качество его изготовления и режимы эксплу­атации. Например, дефект металлической кон­струкции в виде пузырька воздуха внутри или вкрапления инородной частицы может привести к разрушению всей детали целиком или образова­нию трещины либо надлома при эксплуатации де­тали в рабочем режиме. Просвечивание изделия рентгеном или ультразвуком требует значительно­го времени обследования и сложного техническо­го оснащения. Задача по обнаружению подобных дефектов достаточно просто решается с помощью теплофизического контроля.

На сегодняшний день теплофизический конт­роль материалов широко применяется при произ­водстве пластмасс, резиновой промышленности, в химической индустрии, фармацевтике, для кон­троля продуктов питания, в производстве лаков и красок, строительных материалов, керамики и ог­неупорных материалов, в металлургии.

Наиболее важными теплофизическими пара­метрами при исследовании материалов являются коэффициент теплопроводности, удельная тепло­емкость и температуропроводность, которые яв­ляются взаимовычисляемыми. Приборы для оп­ределения этих параметров на сегодняшний день представлены в большом многообразии, однако их технические характеристики не обеспечивают достаточного быстродействия и высокой точности на образцах с разными физическими и геометри­ческими параметрами.

Существующие методы определения тепло-физических свойств основаны на эксперимен­тальном нахождении температурного поля в теле заданной формы и с известными размерами при граничных условиях первого, второго, третьего и четвертого родов или при сочетании этих условий. Методы измерения коэффициента теплопровод­ности твердых материалов представлены стацио­нарным методом монотонного нагрева, нестацио­нарными и косвенными методами, методом лазер­ной вспышки (LFA), методом горячей проволоки, методом импульсного источника, зондовым мето­дом, последние из которых на сегодняшний день являются наиболее востребованными.

К ведущим прибором данной категории на ми­ровом рынке относятся приборы QTM-500 япон­ской фирмы KEM, приборы немецкой фирмы NETZSCH-Geterbau GmbH (HFM 436, ТСТ 426), основанные на методе горячей проволоки, а также приборы американской фирмы Anter, которые ос­нованы на методе лазерной вспышки.

Российский рынок приборов теплофизичес-кого контроля представлен приборами ИТП-МГ4 "100" и "250", ИТС-1 (основаны на стационарном методе), КД-Х-400 (метод монотонного нагрева), МИТ-1 (стационарный зондовый метод), изме­рителями температуры и теплопроводности ИТ-2 и другими.

Несмотря на обилие приборов и методов, тех­ническая реализация и сам процесс измерения теплофизических свойств известными методами не позволяют измерять образцы различных форм (цилиндры, диски, пластины) и геометрических параметров (высотой от 0,1 мм и площадью сече­ния до 3 х 3 мм). Обычно это образцы прямо­угольной формы высотой 15 мм и выше с площа­дью сечения в среднем 100 х 100 мм и выше. В свя­зи с этим создание приборов для оперативного определения с высокой точностью теплофизичес-ких параметров образцов с различными физичес­кими и геометрическими характеристиками явля­ется актуальным.

Инженеры КБ "Теплофон", опираясь на 30-летний опыт в конструировании, создали ра­дикально новый инструмент для оптимального испытания материалов различных типов. Прибо­ры основаны на неразрушающем методе контроля

u(0, t)

Примем условие совпадения температурного поля пластины в моменты t = 0 и t = Т, т. е.:

u(x, 0) = u(x, Т ).

(5)

Тогда с учетом формул (2)—(4), введя калиб­ровочный коэффициент k, определяемый измере­нием эталонных образцов, получим из выражения (5) коэффициент теплопроводности:

теплофизических свойств материалов с различны­ми геометрическими размерами.

Метод интегрального преобразования уравне­ния Фурье относится к нестационарным методам определения теплофизических свойств различных материалов и основан на экспериментальном на­хождении температурного поля в теле заданной формы и известных размеров при граничных ус­ловиях первого, второго, третьего и четвертого ро­дов или при сочетании этих условий [1].

Рассмотрим работу метода на примере опреде­ления коэффициента теплопроводности образца из высокотеплопроводного материала, выполнен­ного в виде прямоугольной пластины. Будем счи­тать, что потери тепла с боковых поверхностей об­разца имеет малую величину.

X

du(x, t) dt

d u(x, t) dx2

cp

Для прямоугольной пластины передача тепла подчиняется уравнению линейной теплопровод­ности (рис. 1):

x є [0, L], t є [0, T], (1)

где c, X —коэффициенты объемной теплоемкости и теплопроводности соответственно; p — плот­ность вещества; q(t) — тепловой поток через сече­ние площадью h х w (h, w —толщина и ширина пластины соответственно); u(x, t) — температура как функция длины интервала и времени.

Имеется информация о разности температур, измеренная на границах интервала [0,L], т. е.:

u(0, t) - u(L, t) = Au(t), (2)

и о количестве теплоты, поступившем в пластину за время измерения Т :

Расчетная формула для определения коэффи­циента теплопроводности может быть получена многократным интегрированием (1) по x и t. Пос­ле преобразования получаем:


hw


q(0, t) = Q(t)|; = T.

(6)

X

kLQ( t)It=oT

T

hwJAu (t) dt

0

Расчет теплопроводности по выражению (6) требует, чтобы тепловой поток через пластину был равномерным. На практике при создании прибора это потребовало бы применения нагрева­тельного элемента одинаковой ширины с измеря­емым образцом, т. е. прибор позволял бы работать с образцами только одного размера, что не очень практично. Так как зачастую необходимо изме­рять образцы различных размеров и форм (плас­тины, диски), то в формуле (6) нельзя напрямую использовать значение ширины образца. Его не­обходимо заменить параметром геометрической формы F(w), который учитывал бы влияние гео­метрии образца на результаты измерений. Для этого были измерены значения теплопроводности набора образцов, выполненных из меди, алюми­ния, углеродистой (марка 15) и хромоникелевой (марка 1Х18Н9Т) стали в виде пластин размерами 5 х 7; 10 х 12; 15 х 17; 20 х 25; 30 х 35; 40 х 50 мм толщиной 0,5; 1,0; 1,5; 2,0 мм и дисков диаметра­ми 5; 7; 10; 12; 15; 17; 20; 25; 30; 35; 40; 50 мм тол­щиной 0,5; 1,0; 1,5; 2,0 мм. В результате прове­денных испытаний было установлено, что пара­метр F(w) зависит только от размеров (длина, ширина, диаметр) и формы (пластина, диск) об­разца (рис. 2) и не зависит от теплопроводности образца и его толщины.

T

L x

= X j[u(0, t) — u(L, t)]dt + cp j ju(x, t)dxdt

л = T

\t = 0 .

(4)

0

00

t = T

t = 0

Заменив в формуле (6) w на F(w), получим:

kLF( w) Q (t )|

X

h jA u (t )dt

0

Полученная таким образом формула позволяет вычислять коэффициент теплопроводнос­ти образцов с любыми парамет­рами геометрии (прямоугольная пластина, диск, шар).

Основанные на данном ме­тоде теплофизические приборы КБ "Теплофон" подразделяют­ся на две группы (рис. 3): ком­пьютерные измерители тепло­проводности КИТ-02Ц и быст­родействующие измерители теплоемкости БИТ.

Приборы основаны на мето­дике измерения, базирующейся на следующих положениях:

— приведение уравнения Фурье к интегральной форме;

  1. импульсный нагрев об­разца;

  2. регистрация температур­ного поля платиновыми датчи­ками;

— компьютерное управле­ние процессом нагрева и охлаж­дения образца;

  1. применение специализи­рованного программного обес­печения для обработки инфор­мации теплофизического экспе­римента.

Функциональная схема при­боров состоит из теплоизмери-тельной ячейки, электронного блока, подключенного через USB-интерфейс к компьютеру, и специализированного про­граммного обеспечения. Ком­пьютер непрерывно обрабаты­вает данные, анализирует усло­вия равновесия и освобождает оператора от постоянного конт­роля за процессом измерения. В заключение печатается отчет испытания.

Различные модификации компьютерных измерителей теп­лопроводности КИТ-02Ц поз­воляют измерять теплопровод­ность в диапазоне от 0,01 до 2500 Вт/м-К на образцах раз­личной конфигурации и геомет­рических размеров с высотой от 0,1 мм и размерами сечения от 5 х 5 мм для пластин и прямо­угольных образцов и диаметром от 5 мм для дисков и цилиндров в различных температурных ре­жимах.

Быстродействующий метод измерения теплоемкости1, на котором основаны приборы БИТ-01Ц и БИТ-02Ц, относит­ся к универсальным методам. Он основан на импульсном на­греве образца электрическим нагревателем и измерении тем­пературы на образце с помощью термопары или платинового датчика. Но в отличие от суще­ствующих методов имеет доста­точно простую реализацию уста­новки и удобный пользователь­ский интерфейс, позволяющий проводить измерение удельной теплоемкости образцов с раз­личной формой (цилиндры, пи­рамиды, пластины) и геометри­ческими параметрами (высотой, диаметром, длиной сторон) в диапазоне от 0,1 до 3 Дж/кгК с погрешностью 3 %, за время от 20 с до 15 мин в зависимости от параметров образца.

Юрий Иванович Беляев — д-р техн. наук, профессор кафедры "Автоматизация про­изводственных процессов и производств";

тел.:8(48762) 6-12-50

E-mail:ybelyaev@

Дмитрий Павлович Вент — д-р техн. на­ук, профессор, зав. той же кафедрой;

тел.:8(48762) 6-13-78

Ольга Николаевна Вепренцева — канд. техн. наук, доцент той же кафедры.

E-mail:oveprenceva@

УДК 681.2:536.083

РЕШЕНИЕ ЗАДАЧ НЕСТАЦИОНАРНОЙ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ НА ПРИМЕРЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ ТЕПЛОВОГО ПОТОКА

Ю. И. Азима

Предложен подход к решению коэффициентной и граничной обратных задач теплопроводности на основе ин­тегральной формы дифференциального уравнения нестационарной теплопроводности. Показана возможность определения двойного интеграла по координате по результатам измерений температур в заданных точках. Ключевые слова: дифференциальное уравнение, интегральная форма, температурное поле, ошибка, тепловой поток, тепломер, измерительная система, модель.

В соответствии с принятой классификацией обратных задач теплопроводности (ОЗТ) измере­ние нестационарного теплового потока в задан­ных сечениях объекта и измерение теплофизичес-ких свойств (ТФС) материалов нестационарными методами являются соответственно граничной и коэффициентной (внутренней) ОЗТ.

Традиционно искомые величины (коэффици­енты уравнения или тепловой поток на границе) определяют путем подгонки температурного поля выбранной модели к измеренным значения тем­ператур в заданных точках объекта. Результатами измерения считаются значения, обеспечивающие выполнение одного из критериев:

T

E(xi, у/, Zi)= j£e2(x/, yi, ц,x)dx — min о '

или

e(x, у/, zi, t) = 0 (i = 0, n, T l Ty),

где e(%i,Уі,zi, t) = t(%i, yi, zi, t) — tM(x/, yi, zi, t) — разность температур объекта t(x/, у/, z/, t) и модели tM(x/, у/, Zi, t); T, ty — время измерения и установ­ления заданного режима теплового процесса со­ответственно.

Таким образом, при решении ОЗТ использу­ется решение прямой задачи теплопроводности (ПЗТ) с коэффициентами, обеспечивающими выполнение приведенных критериев совпадения температурных полей.

Численное решение ПЗТ и данных задач воз­можно с использованием современных компьюте­ров. Кроме того, некоторые аналитические реше­ния для объектов с простыми геометрическими формами и равномерным начальным распределе­нием температуры, на границах которых действу­ют простые по функциональному виду тепловые воздействия, можно использовать для разработки методов измерения ТФС. Но при таком подходе решение жестко привязано к краевым условиям, и всякое их отклонение от реальных условий эк­сперимента изменяет температурное поле объекта исследования и приводит к погрешности измере­ния. Часто имеется также ряд ограничений и спе­цифических требований, вытекающих из свойств объектов исследования, которые не позволяют ре­шить поставленные задачи традиционным путем. Поэтому требуется поиск других путей решения данных задач.

Источником возникновения указанных про­блем является исходная модель:

e(x, Уі, Zi,т) = t(x/, у/, z/, т) — tM(x/, у/, Zi,т),

из которой определяют искомые величины. Она изначально предполагает определение темпера­турного поля объекта в виде аналитического или численного решения краевой задачи теплопро­водности. В качестве другой модели может быть использовано дифференциальное уравнение (ДУ), описывающее процесс передачи тепла (нестацио­нарное уравнение Фурье), или его интегральная форма [1]. Аналогичная модель применяется для идентификации объектов с сосредоточенными параметрами [2]. Она задается в виде ДУ динами­ки объекта с учетом ошибки e(T). Например, для объекта, динамика которого описывается урав­нением у" + a1y' + a0y3 = bx [2], модель задается в следующем виде: e = у" + a^' + a0y3 — ßx, где Ofl, а1, ß — оценки коэффициентов соответствен­но a0, a1, b; у, x — выходной и входной сигналы соответственно.

Применив в качестве критерия оптимальности оценок а0, а1, ß коэффициентов a0, a1, b, напри­мер, минимум среднеквадратической ошибки на интервале времени [0, Т], получают систему ал­гебраических уравнений относительно оценок. Поскольку некоторые коэффициенты данных уравнений представляют собой производные по времени, которые вычисляются по результатам измерений сигналов на выходе объекта с низкой точностью, возможно получение большой пог­решность искомых оценок. Уменьшить порядок производных или освободиться от них полностью позволяет метод Стрейца [2], по которому с по­

мощью операции повторного интегрирования по времени осуществляется переход от ДУ к его ин­тегральной форме.

Принципиальное различие двух подходов за­ключается в том, что в первом случае использу­ется модель в виде решения ДУ, а во втором мо­делью является само это уравнение, что исклю­чает необходимость его решения. Очевидно, выбор подхода определяется соотношением "це­на" (сложность технической реализации метода измерения, построенного на базе данного подхо­да) и "качество" (погрешность измерения иско­мых величин, время измерения и другие метроло­гические характеристики). В частных случаях вы­бор может быть однозначным в силу очевидной невозможности применения одного из подходов.

C(t) dt dT

Предлагаемый подход применим к тепловым объектам с кондуктивным переносом тепла. Для них процесс передачи тепла, в общем случае, под­чиняется уравнению Фурье:

div(X(t)gradt) + qv, ся распространение теплового потока; S5 , S(§i) —

соответственно поверхность и площадь сечения, перпендикулярного координате §i; V5 — объем

части тела, ограниченной сечением S5 ; Г — по­верхность, ограничивающая объект исследования

т іmax „ min і

и заданная явным уравнением; = | §i§i|

max

или L, . = | §i— xl (х — текущее значение пере­менной §i) — расстояние в направлении координа­ты §iмежду границами тела или его части, ограни­ченной сечением S5 и граничной поверхностью;

q(r)( §, т) (Вт/м2) — тепловой поток, проходящий через граничную поверхность Г тела в выбранном

направлении координаты §; q(v)( §, т) (Вт/м3) — тепловой поток, выделяемый (или поглощаемый) в единице объема V, тела; Xj и Cj— коэффици­енты температурной зависимости соответственно

где C(t), X(t) — соответственно объемная теплоем­кость и теплопроводность материала объекта как функция температуры; qv — удельная мощность

выделяемого или поглощаемого тепла (Вт/м3); div — дивергенция поля V = X(t)gradt.

В качестве математической модели такого

j= v j= ц

объекта при X(t) = V XjtJи C(t) = V Cj-tj будем

j = о j = о

использовать интегральную форму данного урав­нения (ИФУТ), которую можно представить в следующем виде [3]:

где

-(Г) q5,

) (t) + (t) = q,. (X, t) + q,. (C, т),

(T) = LT I St") I!q(r)( §,T)dr;

L5, S(§) r6<

rdtj + 1(§,t)


q£ (X, t) = 1 V ±L. f-ß- f (dti:Uj) dS5 ;



5, S(§i> S,


4 j =o-


L5 ^ j + 1

Cj

(C, t)=f V ^ rd§

dV.

dt t+1(§, т ) dT

К(т) = f I& II!q(v)(§,T)dV;

I d-§ I I

I S(§ )II

Аналогичное уравнение можно записать для количества тепла за определенный промежуток времени.

Здесь § = (§1, §2, §3) — вектор координат; § — координата, в направление которой рассматривает­j= v

теплопроводностиX(t) = VXjtj и объемной теп-

j = 0

j= ц

лоемкости C(t) =V Cjtj.

j = 0

ИФУТ представляет собой уравнение баланса средних на заданном промежутке L5 и для вы-

5

бранного направления тепловых потоков или ко­личества тепла: q,. (т) (или (т)) — поступив­шего в объект исследования через его граничную поверхность Г; q,v) (т) (или Q,v) (т)) — выделивше­гося (поглощенного) внутри объекта; q5 (X, т) (или

5

Q5 (X, т)) — прошедшего через объект вследствие

5

теплопроводности и q5 (C, т) (или Q5 (C, т)) — ак-

5 5

кумулированного в объекте за счет теплоемкости.

Составляющие данного уравнения относи­тельно просто определить по результатам прямых измерений температуры в определенных точках объекта. Например, для одномерного линейного объекта ИФУТ по координате х на интервале [r, R] имеет вид:

R s

q(r, т) I-dx = X[t(r, т) — t(R, т)] +

r

R x R x

s

x

rr

+cA I^ I§st(§, T)d§ — Ix? I§sqv(§, T)d§, (1)

s

x

rr

где s = 0, 1, 2 — соответствует плоскому, цилинд­рическому и сферическому вариантам темпера­турных полей.

В данном уравнении при известной функции распределения qv(§, т) плотности теплового пото­ка, выделяемого (поглощаемого) в единице объ­ема тела, сложно найти двойной интеграл по ко­ординате x:

Rx dx

xs

rr

I =idxst(§, T)d§.

Для его определения может быть использован интерполяционный многочлен Лагранжа [4] сте­пени m:

В качестве примера покажем возможности данного подхода при решении задачи измерения нестационарного теплого потока. С учетом заме­ны интеграла I его приближенным аналогом из выражения (1) получается следующая расчетная формула для вычисления нестационарного тепло­вого потока в сечении с координатой x = r объекта исследования:

R s

q(r, т) IГ-dx = qv (t) + X[t(r, t) — t(R, т)] +

xs

r

m dt(xk, t)

(2)

k = 0

m

Pm(x) = vQm (x)t(xk),

k = 0

совпадающий с неизвестной функцией распреде­ления температуры t(x, т) на отрезке [r, R] в лю­бой момент времени т в точках x^: t(x^) = Pm(x^),

k = 0, 1, m, где (x) — представляет собой

многочлены степени m, определяемые равенства­ми [4]:

Можно показать, что определение теплового потока, действующего в сечении с координатой x = R, может быть выполнено по уравнению:

r s _

q(R, т) Ir- dx = qv (t) + X[t(r, t) — t(R, т)] —

xs

(3)

Rx

dT

m dt(xk, t)

k = 0

где

Q

(k)= (x-x0) . . .(x-xk -і) (x-xk +і) . ..(x-xm)

(xk -x0)...(xk -xk- 1)(xk -xk + і)...(xk -xm)

k = 0, 1, m.

x

R

x

Тогда в общем виде приближенная формула для определения интеграла I примет вид:

r

r

r

R

r

m

= v pkt(xk),

x

k = 0

R

гдеpk= i(p(x)dx i^(x) (x)dx — весовой коэф-

rr

фициент; p(x), \|/(x) — известные функции коор­динаты; ?(x^) — известное значение температуры в точке xK.

Подобная замена интеграла обеспечивает до­статочную точность измерения нестационарного теплового потока, теплопроводности или комп­лекса "теплопроводность — объемная теплоем­кость" за счет использования достаточного ко­личества точек измерения температуры, выбора оптимального размера объекта (интервала, на ко­тором определяется интеграл) и выбора теплового режима, при котором обеспечивается допустимая погрешность определения интеграла.

x

Pk=i<p(x)dx |\|/(x) Qmk) (x)dx;

RR

rx

qv(т) =^ I ^i§sqv(§, T)d §.

R x R

Таким образом, уравнения (2), (3) представля­ют собой расчетные формулы для определения плотности одномерного нестационарного тепло­вого потока для трех систем координат по ин­формации о разности температур и суммарной скорости изменения взвешенных температур (или суммарной взвешенной скорости изменения тем­ператур), измеренных в известных точках є [ r, R]. Данные формулы могут быть использованы и для конструирования тепломеров, работающих как дополнительная стенка, и для разработки измери­тельных систем нестационарных тепловых потоков тепловоспринимающими одномерными плоски­ми, цилиндрическими или сферическими стенка­ми по измерительной информации о температу­рах, измеренных непосредственно в стенке объек­та исследования. В обоих случаях должны быть известны ТФС материала тепломера или стенки и значения: (k = 1, n), L = R — r.

Приведем значения весовых коэффициентов для некоторых приближенных формул: х1 = r = 0;

x2 = R = L; P0 = L2/3; P1 = L2/6 — формула, точная для полинома первой степени (формула линейной

б)

трапеции); x1 = r = 0; x2 = R = L/2; p0 = L2/6;

p1 = L2/3 (формула параболической трапеции) — формула, точная для полинома второй степени.

Пример измерительной системы (ИС) тепло­вого потока показан на рис. 1. Тепломер представ­ляет собой двухслойную пластину на граничных поверхностях, в среднем сечении установлены ра­бочие спаи дифференциальной термопары, изме­ряющей разность температур, и термобатареи, из­меряющей суммарно-взвешенную температуру в точках с координатами x = 0 и x = 0,5L, термоЭДС которой пропорциональна интегралу I.

Первый канал ИС формирует напряжение, пропорциональное разности температур, второй — скорости изменения интеграла 1(т) во времени. После суммирования выходных напряжений дан­ных каналов и операции масштабирования вы­ходное напряжение измерительной системы при­водится к измеряемому тепловому потоку.

Для повышения точности дифференцирова­ния в ИС используется дифференциатор-фильтр на базе интегратора и низкочастотного фильтра (рис. 2). Схема состоит из усилителя-сумматора с коэффициентами k1, &2, низкочастотного филь­тра Ф с передаточной функцией И^ф(р), интегра­тора с постоянной времени Т в цепи отрицатель­ной обратной связи и делителя напряжения с ко­эффициентом ß. Передаточная функция по каналу x(t) — у(т) имеет вид:

W(p) = TdЖФ(P)P

где Td = k1T/k2ß — постоянная дифференциро­вания.

Применение фильтра с передаточной функцией
W>(P) = кфз,

i

где a/, bi — коэффициенты; P = p/o^ — нормиро­ванная комплексная переменная; юс — частота среза фильтра, обеспечивает дифференцирование входного сигнала x(t) в диапазоне частот от нуля до частоты среза юс и фильтрацию с асимптоти­ческим наклоном АЧХ: 20(n + 1) дБ на декаду, где n — порядок применяемого фильтра.

В качестве примера были рассчитаны парамет­ры схемы дифференциатора с фильтром Бесселя четвертого порядка с частой среза f = 3 Гц и пос­тоянной дифференцирования Td = 5*105 с [5]. При расчете использовались следующие значения коэффициентов: k1 = 2500; k2 = 10; кф = 1783; T = 10 c; ß = 0,005. Выходной сигнала ИС тепло­вого потока, представленной на рис. 1 и учитыва­ющей динамические свойства ее компонентов, определялся по амплитудно- и фазочастотной характеристикам фильтра-дифференциатора, по­лученным в среде Multisim-2001, и интегралу Дюамеля:

т

у(т) = ix(t)g(T — t)dt,

0

где у(т), x(t) — выходной и входной сигналы ди­намического звена соответственно; #(т) — его им­пульсная переходная характеристика.

В расчетах использовались следующие зна­чения коэффициентов динамической модели: s = 40 мкВ/К — чувствительность термоэлектри­ческого преобразователя (ТЭП); Td = 1000 c — постоянная дифференцирования (задается на ос­новании максимальной скорости изменения из­меряемых температур), K = 631 — коэффициент усиления преобразователя термоЭДС (рассчи­тывается); T1 = 0,02 с, T2 = 0,01 с — соответ­ственно постоянная времени ТЭП и усилителя термоЭДС (задается исходя из реально возмож­ных значений динамических свойств ТЭП и уси­лителя термоЭДС); Cq= 8125 Вт/м2В — градуи-ровочный коэффициент измерительной системы (рассчитывается).

Исследование данной ИС проводилось путем имитационного моделирования. Плоская или ци­линдрическая стенка объекта (или тепломера типа "дополнительная стенка") моделировались в виде системы дифференциальных уравнений, теплово­го баланса для одномерных ячеек толщиной h, в центре которых вычисляется температура при за­данных краевых условиях.

Для объекта без внутреннего источника тепла на границах первой и последней ячеек задавалось соответственно изменение плотности теплового потока во времени q(T) и конвективный теплоот-ток с коэффициентом теплоотдачи а: q(r, т) = q(T); q(R, т) = at(R, т). В качестве начальных условий использовались равномерное распределение тем­пературы или соответствующее некоторому мо­менту времени, полученное из предшествующего решения.

Вычисленные значения температур в задан­ных точках объекта исследования использовались как источник измерительной информации для математической модели ИС плотности теплового потока, выполняющей ее обработку в соответ­ствии с расчетными формулами метода измере­ния. Амплитуда выходного сигнала измеритель­ной системы соответствует измеренным значени­ям q (r, т), q (R, т) теплового потока. Погрешность определяется как разность между результатом виртуального измерения (выходной сигнал изме­рительной системы) q (r, т), q (R, т) и заданными в модели значениями: q(r, т), q(R, т).

Программа имитационного моделирования была реализована в среде Mathcad 13. Для задания теплового потока на границе q(T) использовалась квазислучайная функция, полученная кубической сплайн-интерполяцией точек, имеющих квази­случайную по выбранному закону распределения амплитуду и заданные координаты на фиксиро­ванном интервале времени T. Температурное поле определялось с помощью функции Radaus. Таким образом обеспечивалась возможность формиро­вания большого числа различных функций изме­нения теплового потока во времени с различным частотны спектром.

Исследования проводились в два этапа. Сна­чала исследовалась идеальная ИС и фактически определялась погрешность адекватности уравне­ний (2), (3) при использовании приближенных формул линейной и параболической трапеции. На втором этапе определялась погрешность измере­ния теплового потока тепломером и ИС, пред­ставленной на рис. 1. Были приняты следующие параметры плоского и цилиндрического объек­тов: коэффициент теплоотдачи а = 20 Вт/м2-К; толщина L = R — r = 1 мм; внутренний радиус r = 10 мм; теплофизические свойства материала

стенок: X = 0,2 Вт/м-К; C = 2-106 Дж/м3 - К.

Относительная среднеквадратическая погреш­ность инерционной измерительной системы со­ставила 3,3 %, что на 2 % меньше, чем у идеаль­ной. Это объясняется тем, что погрешность адек­ватности и динамическая погрешность имеют противоположные знаки.

Предлагаемый подход к решению данной за­дачи позволяет достаточно просто учесть влияние конвективного теплообмена с боковой поверх­ности тепломера, а также температурную зависи­мость ТФС материала объекта исследования от температуры. Для случая, когда тепломер имеет форму диска толщиной h и радиус основания R, а измеряемый тепловой поток поступает в его ос­нование, ИФУТ имеет вид:

q(V (0, т) = X [ t (0, т) — t (h, т)] +

+ C idz Rh idziqr(Rz,т)dz,

0 0 0 0

где

R

t (zi)= 2irt(r, z/)dr, zi= 0, h.

R0

Для одномерного случая плоской стенки при линейной аппроксимации температурных зави­симостей X(t) = Xq + X\t,C{t) =Cg + C\t,уравне­ние (1) принимает вид:

і x

Lq(r,т) = у [f + V, t) - f + t)] +

i = 0

1 CRX =J + 1/4

^ г + 1 j j 5t

i = 0r r

Данные выражения имеют простой для тех­нической реализации вид. Задача нахождения теплового потока численно решается значительно сложнее, а непрерывное его измерение вообще не­возможно.

Таким образом, предложенный подход позво­ляет существенно упростить техническую реали­зацию измерения нестационарного теплового по­тока, проводить измерения в реальном масштабе времени, учесть влияние теплообмена с окружаю­щей средой и температурную зависимость ТФС материала, а также обеспечить необходимую точ­ность измерения. Как показал опыт, применение данного подхода существенно упрощает прибор­ную реализацию метода измерения теплопровод­ности высокотеплопроводных материалов для об­разцов малой толщины и низкотеплопроводных материалов для образцов произвольной формы, моделью которых является полуограниченное тело.

ЛИТЕРАТУРА

  1. Самарский А. А. Теория разностных схем. — М., 1977.

  2. Эйкхофф П. Основы идентификации систем управления. — М.: Мир, 1975.

  3. Азима Ю. И. // Измерительная техника. — 2008. — № 6. — С. 32—38.

  4. Никольский С. М. Квадратурные формулы. — М.: Наука,

1979.

  1. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. —

М.: Мир, 1982.

Юрий Иванович Азима — канд. техн. наук, доцент кафедры "Метрология и системы качества".

тел.:(08762) 6-68-02

E-mail:JUIA@

УДК. 681.2:536.086

НЕСТАЦИОНАРНЫЙ МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ВЫСОКОТЕПЛОПРОВОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ МАЛОЙ ТОЛЩИНЫ

Ю. И. Азима

Описан нестационарный метод измерения теплопроводности (ТП) для высокотеплопроводных материалов малой толщины на основе интегральной формы дифференциального уравнения Фурье. Получены расчетные формулы для образцов в виде прямоугольной пластины и диска. Исследовано влияние различных факторов на погрешность измерения ТП.

Ключевые слова: метод измерения, интегральная форма, теплопроводность, количество тепла, измерительная ячейка, дискретная модель, тепломер, тепловая проводимость.

Особенностью многих изделий, применяемых в области высоких технологий, являются малая толщина (h= 0,20...2,00 мм) и высокая теплопро­водность материала (X = 10...600 Вт/(м-К)). В си­лу специфических особенностей технологии про­изводства изделий из таких материалов необходи­мо проводить измерение ТП или непосредственно на изделии, или на его фрагменте заданного раз­мера и формы с достаточно высокой производи­тельностью измерений при относительно неболь­шой погрешности (не более 5—7 %).

Для решения данной задачи наиболее эф­фективен двухимпульсный нестационарный ме­тод на основе интегральной формы уравнения теплопроводности [1], поясняемый графиками на рис. 1, где Y1, Y2 — время первого и второго им­пульса тепла; т1, Т2 — моменты времени начала и окончания интегрирования. В процессе измере­ния на заданный участок образца последователь­но воздействуют двумя импульсами тепла, а мо­менты времени начала обработки измерительной информации (т1) и окончания (т2) определяются по достижению взвешенной суммы температур в выбранных точках заданного значения. Измеряет­ся количество тепла, поступившее в образец за интервал времени Т2—Т1, интеграл по времени от разности температур за тот же промежуток време­ни и количество тепла, теряемое образцом с бо­ковой поверхности в окружающую среду. В итоге реализуются условия, исключающие свойствен­

ное стационарному методу влияние теплоемкости на результат измерения.

Наиболее рационально измерять ТП высоко­теплопроводных материалов малой толщины в схеме с продольным распространением теплового потока [2], что предполагает для образцов в виде диска или прямоугольной пластины распростра­нение основного потока тепла соответственно по радиусу или по длине образца. Варианты схем из­мерительных ячеек для образцов в виде пластины и диска представлены на рис. 2. Ячейка состоит из следующих элементов: образца 1 толщиной Lz; тепломера 2; нагревателя 3 в виде прямоугольника

50

0^5 10^ 15 \ 20 25 30J\_35 40
Yl I I i\\Времяс\Т2


t, °С

шириной hни длиной, равной ширине пластины, или в виде кругового кольца (круга) толщиной /гн и диаметром d; теплоприемника 4 из высокотеп­лопроводного материала (медь, алюминий). Ос­новными преимуществами таких схем является минимальное влияние контактных тепловых со­противлений (КТС) за счет малой величины теп­лового потока через тепловое сопротивление меж­ду термочувствительным элементом (ТЧЭ) и об­разцом в сравнении с основным потоком тепла через образец, а также возможность измерения теплопроводности образцов различной толщины в пределах установленного диапазона и простая техническая реализация.

Кроме того, для схемы на рис. 2, б, возможно использование образцов произвольной формы при условии, что в них можно вписать окружность радиусом r lВт+ 5 мм, где Лт — внутренний ра­диус теплоприемника.

Приведем расчетные формулы метода измере­ния ТП в данных тепловых схемах. Воспользуемся трехмерной ИФУТ в прямоугольной системе ко­ординат для варианта рис. 2, а, и двухмерной ИФУТ по радиусу в цилиндрической системе — для варианта рис. 2, б. Для части пластины c пло­щадью основания Sxy= Lxх Lyи толщиной Lz (V = LxLyLz),у которой границы определяются уравнениями y = 0, y= Ly, x = 0, x = Lx, z = 0, z= Lzпри симметричном нагреве можно записать:

X

і

1

4

x

(Syz)

LxQx

Lx

(0, т)\l2i+ L ||Qp'(x, y = 0, T)dxdx|+

^00

(0, т)

x2

J

+lУ' ii QZLy)(x>z,T)dxdxi Tl

zz=0 00

а)

t

-(SV7)

(Lx, t) dT

d

где

2

1

4 \

б)

Рис. 2. Схемы измерительных ячеек с продольным распростра­нением теплового потока:

а — для прямоугольной формы образца; б — для диска диа­метром d

T2

-(Syz)

jt w (0)dT,

Q^' (x, y = 0, t)|TJ = -a jt z (x, y = 0, T)dc,

-(Lv) t2%\-(Ly)

Qz(x, Lz,т)|Ti = -a j t (x, Lz, x)dx,

J

-(Lv) t2

Qz v (x, z = 0, t)|t2 =

Qz(z =0, t)\t2если xH < x < xH + hH,

+ hH < x < L

2

(Lv)

jt y (x, 0, t)dt, если xH + hH

i

— количества теплоты, проходящие за интервал времени т2—т1 соответственно через торцевую (x = 0) поверхность площадью Syz,боковую по­верхность площадью Sxzи боковую поверхность площадью Syx;

IіZ(x, y = 0) = L- j t(x, y = 0, z)dz,

0

Lv

tLy)(x, z = 0) = L j t(x, y, z = 0)dy,

0

После преобразования уравнений с учетом за­мены двойного интеграла (интегрального пара­метра Ip) приближенной формулой, а средних

-(S ) -(S ) _(Lz)

температур t (0, т), t (L, т), t (0, т),

-(Lz)

t (R, т) — температурами в одной точке соот­ветственно с координатами (0, yc, Lz), (Lx, yc, Lz), (r = 0, Lz) и (R, Lz), окончательно получим: для пластины:

x = (1)

T2 Г L2,Lz

Lq jq(T)dx -aenjj^[L + f) [2tj(т) + t2(т)] + LzLxtx(x)|dx Lz j[tl(т) - t2(т)] dx

где Lq = hjj(Lx - 0,5hн - xн); ^(т), t2(T) — темпе­ратура, определяемая соответственно в точках (0, yc, Lz) и (Lx, yc, Lz); ус є [0, Ly] — координата точки измерения средней по оси у температуры; для диска:

-(Svz)

t '(x = 0) = J- jjt(x = 0, y, z)dydz

Svz

— средние температуры;

2

Для диска диаметром d и толщиной Lzс сим­метричной областью действия источника посто­янной плотности #(т) в виде кольца с внешним радиусом Лн и внутренним гн (или круга радиу­сом Лн) формула определения ТП для симметрич­ного нагрева имеет вид:

2

Lqjq(т)dT -a j[Ip(0, т) +Ip(Lz, т)]dT

Lzj

X

dT

2

t z(0,t) -t z(R,t)

i

где

R 7'

Lq = ^ - 2 rH ln (+ ^ ln г дї;

Lz

z

t(z) (r, t) = L- jt(r, z, t)dz;

0

R r

dr

гн r

dr

r

r

00

R r

dr


Ip(0, t) =j jrt(r, 0,t)dr +jуjrt(r, 0,t)dr;

r

Ip(Lz, t)=j dr jrt(r, Lz, t)dr.

T2

2t2

2sflR a

X

,(2)

Jq(x)dx -—S9 J[ 1,25t(0, Lz, x) + t(R, Lz, x)]dx LzJ[t(0,Lz,x)- t(R, Lz,x)]dx

где Lq = ^ - і rH lnГ+ (RH^> ln (*) ;

Lz — толщина образца; єд, єц — поправочные ко­эффициенты, компенсирующие погрешность от упрощения составляющей расчетной модели, учитывающей теплообмен с воздушной средой.

Моменты времени начала т1 и окончания Т2 ин­тегрирования соответственно для пластины и дис­ка определяются, исходя из выполнения условия:

L z -(s ) Lz _(S)

j dxj t yz (x, T1)dx = j dx j t yz(x, T2)dx = Qg;

0 0 0 0

jX jrt(Lz) (r, T1)dr = j dTjrt(Lz) (r, T2)dr = Q1,

0 0 0 0

где Qg и Q1 — порог остывания образца, соответс­твует моменту времени т1 начала интегрирования по времени и т2 — окончания интегрирования (измерения).

Значение Ip определим с использованием ин­терполяционного многочлена Лагранжа первой

степени [3]. Соответственно для пластины и диска:

L x -(S)

j dxj t yz (x)dx =

00

= у1 yz(0) + Lt yz(Lx);

RrfJj rt(Lz)(r)dr=

00

= R t(Lz) (0) + 5| t(Lz) (R).

Порог остывания Q, может быть или постоянным для вы­бранного диапазона теплопро­водности, или (равнозначное условие) привязан к максималь­ному значению двойного интег­рала, соответствующему момен­ту окончания действия первого теплового импульса: Q = <pQ(y1), где ф = 0,1...0,3, Y1 — время дей­ствия первого импульса тепла.

Для исследования метода были разработаны математичес­кие модели объектов в виде сис­темы дифференциальных урав­нений теплового баланса в эле­ментарных одно- или двумерных объемах (ячейках). В качестве объекта исследования выбирал­ся образец или измерительная ячейка, содержащая образец, на­греватель, тепломер и два ТЧЭ. Дискретные модели образца име­ли число ячеек 30 х 5 (первое число — по координате х, вто­рое — по координате z), 40 х 5 для пластины и 30 х 10 — для диска (цилиндра).

Модель измерительной ячей­ки для образца в виде прямо­угольной пластины представле­на на рис. 3. Решение системы дифференциальных уравнений находится для начальных и гра­ничных условий, моделирую­щих реальные условия осущест­вления метода измерения. На­чальными условиями являются: равномерное распределение тем­пературы во всех учтенных эле­ментах измерительной ячейки или распределение, полученное в момент времени, соответству­ющее окончанию предшествую­щего виртуального измерения. В качестве граничных условий используются: условие четвер­того рода, которое отражает теп­лообмен между контактирую­щими слоями элементов изме­рительной ячейки; условие тре­тьего рода — моделирует потери тепла с поверхности образца в воздух; условие первого рода — соответствует теплообмену об­разца, тепломера и оснований термопар с теплорассеивающи-ми элементами измерительной ячейки. Температура вычисля­ется в центре каждой ячейки.

Равенство температур в че­тырех точках измерительной ячейки температуре окружаю­щей среды (см. рис. 3) не явля­ется необходимым условием. Требование t = 0 на границе контакта 37-ой ячейки образца с теплоприемником в модели для исследований позволяет обеспе­чить остывание образца после импульсного нагрева, что соот­ветствует условию реализации метода измерения. Можно при­менять другие граничные усло­вия, например, идеальный кон­такт (или через контактное теп­ловое сопротивление) образца с медным теплоприемником и его теплообмен с воздушной средой по закону Ньютона. Однако это не повлияет на результаты тео­ретических исследований мето­да. Остальные требования моде­лируют лишь теплообмен на указанных поверхностях разра­ботанной конструкции измери­тельной ячейки. Данные усло­вия используются только при модельных исследованиях и не требуют их выполнения при ре­альных измерениях ТП, но до­статочно точно соответствуют теплообмену на указанных по­верхностях, чтобы их можно бы­ло применять при теоретичес­ких исследованиях.

В данных моделях для реше­ния системы дифференциальных уравнений в среде Mathcad 13 применялась функция Radau, использующая алгоритм Radaus. Полученные значения темпера­тур использовались в расчетных формулах (1) и (2). Результаты вычисления ТП по данным фор­мулам (результаты виртуальных измерений) сравнивались с ис­тинными значениями ТП, ис­пользуемыми в модели, и опре­делялась относительная пог­решность виртуального измере­ния для образцов толщиной H = 0,25...2 мм с теплопровод­ностью X = 10...600 Вт/м-К и температуропроводностью a =

= (2...150)-10_6 м2/с. Соотно­шения X и a приближенно со­ответствовали теплофизическим свойствам (ТФС) металлов (алю­миний, медь) и сплавов (нержа­веющая сталь, низкоуглеродис­тая сталь).

Определялось влияние на погрешность измерения тепло­проводности следующих факто­ров: контактных тепловых со­противлений между образцом и термочувствительными элемен­тами, длины контакта образца с теплоприемником, толщины об­разца, теплообмена образца с окружающей средой. Другие факторы не учитывались.

Влияние длины контакта об­разца с теплоприемником на погрешность измерения тепло­проводности определялось для пластины толщиной H = 2 мм при расстоянии L = 7,5...12,5 мм от торцевой границы образца до границы его с теплоприемни-ком. Длина касания с теплопри-емником составляла 2,5 и 7,5 мм. Результаты позволяют сделать вывод об отсутствии влияния длины касания образца с тепло-приемником на погрешность определения X при различных положениях точек измерения температуры и теплофизичес-ких свойств (ТФС). На этом ос­новании возможно использо­вать образцы различной длины или диаметра на одной измери­тельной ячейке.

Одним из источников пог­решности расчетных формул (1), (2) является приближенное оп­ределение средней по толщине образца температуры по одной точке (см. рис. 2). Ее уменьше­ния можно добиться приближе­нием температурного поля в об­разце к одномерному, увеличив длину участка [0, Lx] или [0, R] образца, на котором выполняется измерение ТП, и смещая области источника и стока тепла относи­тельно границ этих участков.

Для оценки влияния рассто­яния L (или Rj,) от границы теп-лоприемника до торцевой гра­ницы пластины или центра ос­нования диска для толщины об­разцов H < 2 мм были определе­ны погрешности нахождения теплопроводности при толщине H = 2 мм, при которой погреш­ность максимальна, в зависи­мости от относительного рас­стояния xyL-j, между точкой из­мерения температуры t(L) и границей теплоприемника при L-j, = Rт = 12,5; 10; 7,5 мм. На­илучшие результаты: для плас­тины 8 = ±0,5 % при L = = 10,0...12,5 мм для области xu/L = 0,2...0,3 и xт/Lт = = 0,25...0,35; для диска 8 = ±0,5 % при L = 10,0...12,5 мм для об­ласти xjj/L,, = 0,3...0,4 и xr/L,, = = 0,25...0,35. Для образцов тол­щиной H = 1,6; 1,2; 0,8 мм ре­зультаты, полученные на образ­цах толщиной H = 2,0 мм, со­храняются при выполнении ра­нее используемого отношения НДт = 0,16...0,20.

Следующий этап исследова­ний заключался в определении составляющей погрешности, обусловленной приближенным учетом влияния тепловых по­терь в окружающую воздушную среду. При этом использовались ранее полученные результаты по взаимному расположению об­ласти источника и стока (тепло-приемник) тепла относительно границ участка [0, L] или [0, R], в пределах которого выполняет­ся определение ТП. Исследова­ния проводились при L = Rт = = 12,5 мм и коэффициенте теп­лоотдачи a = 10 Вт/м2-К на виртуальных образцах толщи­ной H = 0,25... 2 мм с теплопро­водностью X = 10...600 Вт/м-К и температуропроводностью a =

= (2...150)-10_6 м2/с.

Для минимизации погреш­ности определения теплопро­водности для указанных пара­метров образцов были вычисле­ны поправочные коэффици­енты: єп = 1,1, єд = 1,23. В диа­пазоне X = 10...600 Вт/м-К и H = 0,25... 2 мм погрешность определения ТП не превышала

±0,5 %

Основным источником пог­решности измерения ТП явля­ются контактные тепловые со­противления, возникающие в месте контакта ТЧЭ и образца. Для определения их влияния на погрешность использовалась модель измерительной ячейки. Контактное термическое со­противление между образцом, нагревателем и основаниями термопар моделировалось в ви­де одной ячейки, геометричес­кие размеры и ТФС которой та­кие же, как у среды, заполняю­щей контактную зону. Толщина зоны контакта hk выбирается равной сумме средних высот микрошероховатостей контак­тирующих поверхностей. Длина контакта нагревателя и основа­ний термопар с образцом равна длине элементарной ячейки hx образца. Были приняты следу­ющие значения параметров модели: X = 10...600 Вт/м-К; C = (2,5...4,0)-106 Дж/м3 - К; hx = (0,7...0,9)-10_3 м; hy =

= (0,025...1,000)-10"3м — диск­ретность по оси x и y для образ­ца; Xn = 20 Вт/м-К — теплопро­водность нагревателя; Хр= Xj = = 0,2 Вт/м-К — теплопровод­ность преобразователя темпе­ратуры (микротермопара при­клеенная на торцевую поверх­ность теплоизоляционной плас­тины толщиной hx) и тепломера;

Cn = 3-106 Дж/м3 - К, Cp= CT=

= 2,5 • 106 Дж/м3 • К — объемная теплоемкость нагревателя, пре­образователя температуры и теп­ломера соответственно; hp = hj=

= 0,05 • 10-3 м, hn = 0,5-10"3 м,

hk = 10-10"6 м, — дискретность по оси y для преобразователя температуры, тепломера, нагре­вателя и теплового сопротивле­ния; a = 10 Вт/м2-К — коэф­фициент теплоотдачи в воздух; g = (0,3...4,0)-104 Вт/м2 - К [4] — проводимость теплового контак­та между образцом и преобразо­

вателем температуры; ф = 0,25 — порог остывания.

В диапазоне проводимости теплового сопротивления g =

= (0,3...4)-104 Вт/м2К величи­на погрешности не превышала 8 = ±2,5 % в указанном диапа­зоне теплопроводности. Таким образом, погрешность опреде­ления ТП 8 в диапазоне Х = = 10...600 Вт/м-К на образцах толщиной h < 2 мм по предло­женному методу не превышает ±3,5 %. Если нормировать пог­решность измерения для более узкого диапазона ТП и толщи­ны, то погрешность можно оце­нить границей 8 < ±3 %.

Предложенный метод изме­рения ТП был реализован в виде различных модификаций прибо­ров: ИТ-МХТИ, ИТ-02 и др., из-

готовленных в Новомосковском институте РХТУ им. Д. И. Мен­делеева для различных предпри­ятий. Прибор ИТ-02Ц был ат­тестован в НПО "Дальстандарт" по четырем образцовым мерам толщиной H = 1 мм (из стали 12Х18Н10Т, низкоуглеродистой стали, молибдена марки МЧВП, меди марки М1) с погрешно­стью ±7 %.

В моделях была реализована упрощенная расчетная формула метода, в которой количество тепла, поступившее в образец, определялось по мощности на­гревателя и времени нагрева, и измерялась только разность тем­ператур, однако даже она обес­печила достаточную для тепло-физических измерений точ­ность. Проведенные исследова-

ния показывают, что при неко­тором усложнении приборов возможны и более точные изме­рения с погрешностью на уров­не 8 < 3 %.

ЛИТЕРАТУРА

  1. Азима Ю. И. // Измерительная тех­ника. — 2008. — № 6. — С. 32—38.

  2. Тепло- и массообмен. Теплотехни­ческий эксперимент / Под ред. В. А. Григорьева, В. М. Зорина. — М., Энергоиздат, 1982.

  3. Никольский С. М. Квадратурные формулы. — М.: Наука, 1979.

  4. Теплофизические измерения и при­боры / Под ред. Е. С. Платунова. — Л.: Машиностроение, 1986. — 256 с.

Юрий Иванович Азима — канд. техн. наук, доцент кафедры "Метрология и системы качества".

тел.: (08762) 6-68-02

E-mail:JUIA@

Вниманию авторов!

ПРАВИЛА ОФОРМЛЕНИЯ СТАТЕЙ

Статья высылается по e-mail в электронной форме или по почте в одном экземпляре на бумаге (в данном случае обязательно должна быть приложена дискета 3,5 дюйма или CD с текстом, иден­тичным напечатанному тексту).

Наличие аннотации и ключевых слов к статье обязательно.

Желательно наличие названия статьи, аннотации, ключевых слов и ФИО авторов на англий­ском языке.

Объем статьи, исключая обзорные, не должен превышать 10 страниц текста. Текст печатается через 1,5 интервала с одной стороны бумаги формата A4, страницы нумеруются. Требования к статье в электронной форме:

  1. редактор не ниже Word 97;

  2. печатная полоса 16,5 х 25 см;

  3. шрифт Times New Roman, 12 пт;

  4. текст не должен иметь колонок, разделов и т. д.

Рисунки должны иметь формат, совместимый с операционной системой Windows (Рисунок Microsoft Word, редакторы CorelDraw, Photoshop, Illustrator и т. п.).

Все буквенные обозначения, приведенные в формулах и на рисунках, необходимо пояснять в основном или подрисуночном текстах (недопустимы повторные обозначения в подрисуночных подписях и в тексте). Нумеровать следует только те формулы и уравнения, на которые есть ссылка в последующем изложении. Не следует перегружать статью математическими выкладками, не не­обходимыми для понимания статьи.

Растровые изображения должны быть предельно четкими с разрешением не менее 300 dpi.

Список использованной литературы (только органически связанной со статьей) составляется в порядке цитирования и дается в конце статьи. В тексте ссылки на литературу отмечаются по­рядковыми номерами в квадратных скобках.

В конце статьи следует обязательно указать полностью имя, отчество и фамилию авторов, уче­ные степени и звания, должность, место работы, контактный телефон, электронные адреса.

Научные статьи аспирантов и докторантов публикуются бесплатно в порядке очередности.

ДатчикииСистемы10.2009

Конструирование и производство датчиков, приборов и систем

УДК 620.179.16

УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ ИНДУКЦИОННЫЕ ПАРАМЕТРИЧЕСКИЕ ПЬЕЗОПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

А. Е. Глаголев

Описаны принцип действия и конструкция нового вида ультразвуковых индукционных пьезопреобразователей с параметрическим усилением сигнала. Показана возможность использования таких преобразователей для УЗ-контроля сред с большим затуханием сигнала.

Ключевые слова: ультразвуковой индукционный преобразователь, повышение чувствительности дефектоскопа.

При проведении УЗ-контроля в сложных ус­ловиях прохождения сигнала (сильное затухание УЗК в материале, большая глубина прозвучива-ния и т. п.) важным фактором является чувстви­тельность самих пьезопреобразователей (ПЭП) на излучение и прием УЗК. И если в случае излучения мощность излучаемых УЗ-колебаний ограничена в основном электропрочностью пьезоэлемента ПЭП, то на прием малых УЗ-сигналов ограниче­ние налагает коэффициент электромеханической связи пьезоэлемента емкостного ПЭП, который не может быть более единицы, а обычно состав­ляет величину около 0,5.

Для существенного усиления приемного УЗ-сигнала при преобразовании его в электри­ческий автором предложено применять внешнюю накачку мощности путем периодического измене­ния магнитной проницаемости магнитного сер­дечника катушки описанного ранее индукцион­ного пьезопреобразователя (ИПЭП) [1].

Предлагаемый ИПЭП (рис. 1) содержит дис­ковую пьезопластину 1, охваченную двумя коль­цевыми магнитными сердечниками 2, на которые намотана одна общая сигнальная обмотка 3 и две обмотки накачки 4, соединенные последователь­но-встречно [2].

На рис. 2 показана электрическая схема ИПЭП, а на рис. 3 — схема ультразвуковой установки для испытания предлагаемого способа усиления сиг­нала.

При включении такого преобразователя в ус­тановку (см. рис. 3) ток накачки генератора 9 с помощью обмоток 4 возбуждал в магнитных сер­дечниках 2 магнитные потоки накачки, направ­ленные встречно. Эти потоки изменяли магнит­ную проницаемость сердечников, усиливая тем самым магнитный поток сигнала и напряжение сигнала на выводах обмотки 3. При этом на вы­водах обмотки 3 напряжение, наводимое магнит­ным потоком накачки, может быть подавлено ба­лансировкой схемы с помощью потенциометра R.

Для осуществления параметрической накачки частоту ,/н магнитного поля накачки выбирают из соотношения и/н/2 m /fj < и/в/2, где /н и f — ниж­няя и верхняя частота спектра сигналов акусти­ческого поля соответственно, n — целое число (n = 1, 2, 3...).

Таким образом, частота изменения поля на­качки /н близка либо к самой частоте сигнала (при n = 2), либо в целое число раз больше или меньше половины частоты сигнала, т. е. /н = /с/2(п)к, где n — целое число (n = 1; 2; 3...), а k — (+1) или (-1).

Известно, что периодические изменения па­раметра элемента системы, в котором сосредото­чена энергия колебаний сигнала, могут вызвать явление раскачки этих колебании за счет компен­сации потерь энергии параметрическим эффек­том, т. е. происходит увеличение выходного сиг­нала при том же входном, причем эти изменения параметра элемента системы могут происходить по любому закону периодически с частотой либо равной частоте сигнала, либо в целое число раз больше или меньше половины частоты сигнала, либо вблизи этих частот в пределах полосы частот (зоны неустойчивости) [3].

Предложенный способ повышает чувстви­тельность электроакустического тракта дефекто­скопа к сигналам дефектов, усиливает такие сиг­налы непосредственно в ультразвуковом пре­образователе, что позволяет уменьшить число каскадов усиления в электронных блоках дефек­тоскопа и тем самым снизить уровень электрон­ных шумов на выходе дефектоскопа, упростить его схему и конструкцию, повысить надежность дефектоскопа и результатов контроля. Кроме то­го, так как такой способ ультразвукового контро­ля наиболее эффективен для сигналов, синфазных или противофазных полю накачки, и подавляет сигналы, имеющие фазовые сдвиги ±90° относи­тельно накачки, то выбором соответствующего фазового сдвига поля накачки относительно зон­дирующего импульса дефектоскопа могут быть по­давлены мешающие эхосигналы от дна или струк­турных элементов контролируемого изделия. Для осуществления предложенного способа применя­ется стандартное дефектоскопическое оборудова­ние, генератор стандартных сигналов для накачки и индукционный пьезоэлектрический ультразву­ковой преобразователь с дополнительной обмот­кой подмагничивания.

ТТргшер. Дисковый пьезоэлемент (см. рис. 1, 2) толщиной 1,1 мм и диаметром 10 мм из пьезоке-рамики ЦТС-19 охвачен двумя кольцевыми маг­нитными сердечниками типа К20х12х6 из фер­рита 400НН, на которые намотана одна общая сигнальная обмотка в виде 10 витков провода МГТФ-0,14 и две обмотки накачки по 5 витков того же провода, соединенные последователь­но-встречно.

С помощью дефектоскопа типа УД-10П пря­мой преобразователь П111-2,5 через звукопровод из оргстекла диаметром 10 мм и длиной 50 мм об­лучал ультразвуковым импульсом частотой около 2 МГц ультразвуковой индукционный преобразо­ватель ИПЭП (см. рис. 1). Сигнальная обмотка преобразователя была присоединена к входу де­фектоскопа, а его обмотки накачки — к потенци­ометру R с сопротивлением 470 Ом типа СП4-1 и генератору накачки типа Г4-18. Потенциометром R балансировали преобразователь ИПЭП так, что­бы в сигнальной цепи получить минимальный уровень наводки напряжения накачки. Затем под­бором частоты накачки генератора добивались на­ибольшего уровня сигнала УЗ импульса на экране дефектоскопа. Таким образом, на частоте накачки 2,00 МГц и напряжении генератора 80—100 мВ сигнал на входе дефектоскопа изменялся с 25 дБ (без накачки) до 32—34 дБ (с накачкой) по атте­нюатору дефектоскопа при размахе импульса на экране в 5 клеток, т. е. было получено увеличение коэффициента преобразования сигнала на 7—9 дБ при его преобразовании из ультразвука в электри­ческий ток.

Далее ультразвуковой преобразователь (ИПЭП) был применен для эхоимпульсного контроля од­нородности структуры графитовых блоков толщи­ной 100 мм. При этом пьезопластина преобразо­вателя выполнялась с металлическими обкладками на торцевых поверхностях, которые присоединя­лись к выходу генератора дефектоскопа. Послед­ний вырабатывал импульс, возбуждавший с по­мощью обкладок пьезоэлемент, прижатый через смазку глицерином к плоской поверхности гра­фитового блока. Ультразвук от пьезоэлемента рас­пространялся в контролируемом блоке и в случае наличия дефекта типа трещины или пустот отра­жался от дефекта и возвращался на пьезоэлемент, посредством которого преобразовывался в элект­ромагнитное поле.

Магнитная составляющая этого поля наводи­ла в магнитных сердечниках магнитные потоки, преобразуемые сигнальной обмоткой в ЭДС сиг­нала, поступающего в приемный тракт дефектос­копа и отображавшегося на его экране в виде им­пульса. Для браковочного дефекта диаметром 1—1,2 мм на глубине 50—70 мм величина сигнала при отключенном генераторе составляла 1—1,5 дел. по шкале экрана дефектоскопа при положении его аттенюатора "0 дБ", что явно недостаточно для надежной разбраковки изделий в автомати­ческом режиме контроля из-за большого влияния на вероятность пропуска дефекта и ложной бра­ковки случайных шумов, уровень которых всего в 2—3 раза ниже уровня сигнала. При подаче от ге­нератора напряжения накачки 150 мВ частотой 2,0 МГц уровень сигнала на экране дефектоскопа увеличился до 2,5—3 дел., т. е. на 6—8 дБ, что ста­ло в 6—7 раз больше уровня случайных шумов, что позволило получить надежное выявление брако­вочных дефектов.

ЛИТЕРАТУРА

  1. Глаголев А.Е. Ультразвуковые индукционные пьезопре­образователи // Датчики и системы. — 2008. — № 8. —

С. 37—40.

  1. А. с. 1346026 СССР. Способ электроакустического преоб­разования / А.Е. Глаголев. М.Кл. H 04 R 23/00 // Бюл. —

1987. — № 38. — С. 271.

  1. Физический энциклопедический словарь. Гл. ред. А. М. Про­хоров. — М.: Сов. Энциклопедия, 1983. — С. 520.

Александр Евгеньевич Глаголев — канд. техн. наук, инженер ОАО "Подольск-Цемент";

тел.:8 (4967) 63-87-98

E-mail: ta53@

УДК 681.586.326

МИКРОЭЛЕКТРОННЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ АБСОЛЮТНОГО ДАВЛЕНИЯ

Н. Л. Данилова, В. В. Панков, В. С. Суханов

Рассмотрены конструкции микроэлектронных преобразователей абсолютного давления, выполненных на базе кремниевого тензорезистивного преобразователя давления мембранного типа. Приведена конструкция, обеспе­чивающая защиту микроэлектронного преобразователя от воздействия окружающей среды. Ключевые слова: преобразователь абсолютного давления, соединительное стекло, малогабаритный тензомодуль, чувс­твительный элемент давления.

Преобразователи абсолютно­го давления — тензомодули се­рии ТДМ-А и ТДМ1-А для не­агрессивных газовых сред на базе кристаллов интегральных пре­образователей давления (ИПД) мембранного типа выпускаются в соответствии с ГОСТ 22520 на ряд давлений с пределами изме­рений от 0 до 0,01...10 МПа. На кристалле ИПД сформированы тензосхема в виде моста Уитсто-на и схема температурной ком­пенсации. В соответствии с ука­занными диапазонами давлений применяются три типа кристал­лов: ИПД5.2, ИПД6 и ИПД9.1,

отличающиеся размером крис­талла и геометрией мембраны. Каждый преобразователь имеет индивидуальную характеристи­ку преобразования давления в выходное напряжение. Выход­ной сигнал ивых при поданном на тензомодуль давлении р вы­числяется по формуле:

ТТ TTI^ UBbDLHOM „

ивых = U0 + —р р

гном

где Ug — выходное напряжение при давлении p = 0; рном — вер­хний предел преобразуемого

давления, МПа; Ліоном = = ивых.ном -U0 диапазониз­менения выходного напряже­ния при номинальном давлении = pном),мВ.

Основные параметры тензо-модулей приведены в таблице.

Конструкция тензомодулей абсолютного давления серии ТДМ-А приведена на рис. 1, а. Кристалл ИПД монтируется в корпус в составе чувствительно­го элемента ЧЭД, который со­стоит из кристалла ИПД 1 и кремниевой прокладки 2, со­единенных в вакууме легкоплав­ким стеклом. При этом в про­цессе сборки под мембраной ИПД образуется вакуумирован-ная полость 4. В конструкции тензомодуля применены два клеевых соединения: для закреп­ления стеклянного основания 3 на основании корпуса 5 и для закрепления ЧЭД на стеклян­ном основании 3.

Рис. 1. Конструкции тензомодулей абсолютного давления:

а — серия ТДМ-А, б — серия ТДМ1-А

основания 3 и кремниевой за­щитной прокладки 4. Соотно­шение размеров в соединяемых деталях выбрано таким образом, чтобы обеспечить механичес­кую развязку ИПД от корпуса преобразователя [1]. Кристалл ИПД имеет квадратную форму с размерами 6,2 х 6,2 мм; в крис­талле сформирована тонкая мембрана с жестким центром, на которую подается измеряе­мое давление. С лицевой сторо­ны кристалла ИПД расположе­ны четыре тензорезистора 9. Над лицевой поверхностью ИПД рас­положена защитная прокладка, в которой анизотропным трав­лением сформировано углубле­ние. Защитная прокладка по пе­риметру герметично соединяет­ся с ИПД при помощи легко­плавкого стекла.

Процесс соединения всех деталей ЧЭД происходит в ваку­уме. При этом под защитной прокладкой создается вакуум­ная полость 5, относительно ко­торой происходит измерение давления. В кристалле ИПД со­единение тензорезисторов с ме­таллической разводкой осуще­ствлено с помощью переходных высоколегированных областей

р+-типа проводимости [2] за пределами зоны соединения кристалла ИПД с защитной прокладкой, что предотвращает обрывы металлизации и обеспе­чивает надежность конструкции. Надежность образования ваку­умной полости ЧЭД возрастает вследствие того, что разновысо-тность лицевой стороны крис­талла ИПД, создаваемая алю­миниевой разводкой, вынесена на периферию кристалла ИПД и находится вне зоны соедине­ния кристалла с защитной про­кладкой.

Из рис. 2, б, видно, что такая конструкция ЧЭД позволяет полностью изолировать элект­рическую схему кристалла от воздействия внешней среды благодаря применению крыш­ки (баллона) корпуса 7, а также за счет вакуумноплотного со­единения 10 между крышкой корпуса 7 и основанием корпу­са 6. При этом полость 11 между основанием корпуса и крышкой (баллоном) корпуса заполнена воздухом при атмосферном дав­лении или инертным газом. Давление измеряемой среды по­дается со стороны основания корпуса через трубку 8. Измеря­емая среда воздействует на крем­ний и соединительное стекло, что позволяет контролировать давление как газов, так и жид­костей.

Была изготовлена серия тен-зомодулей предлагаемой конс­трукции на давление с верхними пределами измерения 25; 40; 60; 100 кПа. Предлагаемая кон­струкция малогабаритного тен-зомодуля ТДМ203 показала мет­рологические характеристики, не уступающие характеристикам серийно выпускаемых тензомо-дулей ТДМ-А и ТДМ1-А. Ин­тегральная технология изготов­ления кристалла тензочувстви-тельного преобразователя дав­ления, технологичность сборки тензомодуля, защита его от вне­шних воздействующих факто­ров обеспечивают низкую се­бестоимость и расширяют фун­кциональные возможности его применения в различных отрас­лях промышленности.

ЛИТЕРАТУРА

  1. Пат. РФ № 2169912, МПК G01L9/04. Микроэлектронный дат­чик давления / В. Н. Зимин, А. В. Ковалев, В. В. Панков и др. // Бюл. — 2001.

  2. Пат. РФ № 2278447, МПК H01L 29/84, G01L 9/04. Интегральный преобразователь давления / В. Н. Зи­мин, А. А. Резнев, А. Н. Сауров, Н. А. Шелепин / Бюл. — 2005.

Работа выполнена в НПК "Технологичес­кий центр" МИЭТ (г. Зеленоград).

Наталья Леонтьевна Данилова — ст. на­учн. сотрудник;

тел.:(499) 720-85-35

E-mail: N.Danilova@

Владимир Валентинович Панков — ст. на­учн. сотрудник;

тел.:(499) 720-85-35

Владимир Сергеевич Суханов — начальник лаборатории.

УДК 621.3.049.772.1

ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ГАЗОЧУВСТВИТЕЛЬНОГО ЭЛЕМЕНТА НА ОСНОВЕ МАТРИЦЫ СИНТЕТИЧЕСКОГО ОПАЛА

К. Н. Беседина, Е. В. Булыгина, С. А. Сидорова

Приведены результаты исследования топологии тонких пленок, сформированных на подложках из синтетичес­кого опала. Показано, что такие структуры могут использоваться в качестве газочувствительных элементов. Пред­ставлена технология изготовления газочувствительного элемента на основе опаловых матриц. Ключевые слова: матрица синтетического опала, газочувствительный элемент, тонкопленочное покрытие.

Интерес к структурам, полу­ченным осаждением тонких на-ноструктурированных пленок на поверхность опаловых матриц, вызван уникальностью свойств синтетического опала, представ­ляющего собой правильные ку­бические упаковки наносфер SiÜ2, и практически неограни-

Технология Технология изготовления изготовления

газочувствительного газочувствительного

Выращивание опала

элемента на основе элемента на основе
опала ситалла

Выращивание монокристалла |

Резка на пластины

X


Подготовка подложки к нанесению олова X

ченной номенклатурой матери­алов тонких пленок с диапазо­ном толщин отдельных слоев и многослойных структур (от де­сятков ангстрем до единиц мик­рометров), а также другими до­стоинствами технологии получе­ния тонких пленок [1]. Экспери­ментальные исследования газо­чувствительности тонких пленок диоксида олова, осажденных на поверхность синтетического опа­ла, показали [2], что одной из об­ластей применения таких струк­тур могут быть чувствительные элементы тонкопленочных ре-зистивных газовых сенсоров, в которых опаловая матрица мо­жет служить рельефообразую-щей подложкой.

Процесс изготовления тако­го элемента более технологичен в сравнении с традиционным, так как не содержит операции модификации структуры плен­ки, поскольку осаждение пленки на опаловую подложку уже при­водит к формированию струк­туры с развитой поверхностью (рис. 1).

Процесс формирования пленки синтетического опала сегодня достаточно отработан и позволяет получать упорядочен­ную структуру из плотноупако-ванных глобул диоксида крем­ния (рис. 2). Нанесение пленки на такую поверхность вакуум­ными методами приводит к усу­гублению шероховатости по­верхности. Причем наилучшие (в смысле большей шерохова­тости) результаты получаются при использовании метода тер­мического испарения (рис. 3), что вполне объяснимо с точки зрения физики процесса фор­мирования пленки.

Рис. 4 отображает геометри­ческие характеристики глобулы опала с пленкой, т. е. показыва­ет сечение глобулы опаловой

Подготовка к фотолитографии

Фотолитография

Контроль

Рис. 1. Технологии формирования резистивного газочувствительного эле­мента традиционным способом и с использованием опаловой матрицы в качестве рельефообразующей подложки


200

2


100

200

0

100

-100

0

-200

100 200

-200 -100

100 200

0

а)

0

б)

-100

-200

-200 -100

Рис. 4. Модель процесса осаждения тонкой пленки на поверхность глобул опаловой матрицы приt= 60 с (а) и приt= 120 с (б):

1 — поверхность глобулы опала; 2 — поверхность пленки на глобуле

матрицы в определенный мо­мент времени.

h(t) =

2

n r

Данная модель была рассчи­тана с использованием ПК с учетом геометрических особен­ностей поверхности опала и про-

Свойства поверхности структур

Образец

Шерохо­ватость, нм

Опаловая подложка

Пленки оксида олова на опаловой подложке

Типовой газовый сенсор

75 150...320

200...250

где h — толщина пленки; VpSn— скорость распыления Sn; Su= = »УмКм — площадь источника; £м и Км— площадь мишени и коэффициент полезной площа­ди магнетрона; ф, 9— углы меж­ду направлением потока паров и нормалью к поверхности испа­рителя и подложки соответст­венно; ам = 1 — коэффициент

прилипания осаждаемых моле­кул (при установившемся режи­ме); r — расстояние между под­ложкой и мишенью.

Изготовленная данным спо­собом структура демонстрирует приведенные в таблице характе­ристики поверхности, анало­гичные характеристикам тради­ционного газового сенсора.

ЛИТЕРАТУРА

  1. Самойлович М. И., Белянин А. Ф., Панфилов Ю. В. Получение и свойс­тва наноструктурированных пленок на подложках из правильных упако­вок наносфер SiO2 / Высокие тех­нологии в промышленности Рос­сии. Коллективная монография. — М.: ОАО ЦНИТИ "Техномаш",

2003. — С. 196—234.

  1. Булыгина Е. В., Сидорова С. А., Си­дорова С. В. Тонкопленочные газо­вые сенсоры на основе опаловых матриц // Матер. XIV междунар. на­учн. техн. конф. "Высокие техноло­гии в промышленности России". —

М., 2007. — С. 435—437.

Работа выполнена на кафедре МТ11 Мос­ковского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана.

Ксения Николаевна Беседина — студент­ка;

Екатерина Вадимовна Булыгина — канд. техн. наук, доцент;

Светлана Александровна Сидорова — ас­пирант.

E-mail: sidorova_sa@

Приглашаем участвовать в конференциях

В декабре 2009 г. Нижегородский научный и информационно-методический центр "Диалог" проводит следую­щие заочные Всероссийские научно-технические конференции (ВНТК) (Computer-based conferences):

  1. XXVIII ВНТК "Информационные технологии в науке, проектировании и производстве"

  2. XXII ВНТК "Методы и средства измерений физических величин"

  3. XXV ВНТК "Современные проблемы математики и естествознания"

  4. XVI ВНТК "Современные промышленные технологии".

Для участия в конференциях необходимо выслать тезисы докладов и оргвзнос не позднее 20 ноября 2009 г. Заказанные части сборника тезисов докладов конференций будут напечатаны и высланы авторам не позднее

29 декабря 2009 г.

Информационное сообщение о конференциях с условиями их проведения размещено в Интернете по адресу </RUS/NEWS/konf_new2.htm> и может быть выслано авторам по электронной почте при получении запроса по электронному адресу: labutin-sergei@

С уважением,

Сергей Александрович Лабутин — д-р техн. наук, профессор кафедры "Общая и ядерная физика" Нижегородского государственного технического университета.

Тел.: (831) 212-61-70

УДК 537.633.9

ПЕРВИЧНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

НА ОСНОВЕ ЖИГ-ГЕНЕРАТОРА

ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СИЛЬНЫХ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ

А. Л. Хвалин, С. В. Овчинников, Л. С. Сотов, В. Н. Самолданов

Рассмотрена модель первичного преобразователя магнитного поля на основе магнитоуправляемого ЖИГ-гене­ратора в среде компьютерной САПР.

Ключевые слова: магнитоуправляемые генераторы; ферромагнитный резонанс; датчик магнитного поля; полевой транзистор с затвором Шоттки; система автоматизированного проектирования (САПР).

Первичные преобразователи магнитного поля в виде магнитоуправляемых генераторов на осно­ве ферромагнитного резонанса имеют ряд пре­имуществ — малые размеры, низкое энергопот­ребление, быстродействие, технологичность, вы­сокая точность.

Ниже рассмотрена модель магнитоуправляе­мого генератора на основе железо-иттриевых гранатов (ЖИГ) малой мощности (до 10 мВт) в диапазоне частот 18...26 ГГц, созданная в среде Microwave Office 2007 [1, 2]. Она включает в себя следующие блоки: усилитель на основе транзис­тора с затвором Шоттки типа ПТШ-100, магни-точувствительный элемент связи со сферическим ферритовым ЖИГ-резонатором типа 140КГ, вклю­ченным в линию обратной связи [3, 4].

На первом этапе моделирования решены зада­чи электродинамического анализа и синтеза топо­логии усилителя с элементами микрополосково-го тракта (отрезки регулярной линии, повороты, тройники, согласующие шлейфы, модели СВЧ-конденсаторов и пр.). В качестве критериев опти­мизации использованы коэффициент усиления (не менее 12 дБ) в рабочей полосе частот и коэф­фициент стоячей волны напряжения (КСВН) вхо­да и выхода усилителя (не более 2,5). В качестве варьируемых параметров использованы номи­нальные значения сосредоточенных элементов (резисторов, конденсаторов), а также геометри­ческие размеры микрополосковых проводников, элементов подстройки и согласования.

Моделирование режима генерации заключает­ся в удовлетворении амплитудного и фазового ус­ловий генерации (см. эквивалентную схему на рис. 1). На рис. 2 представлены АЧХ и ФЧХ ко­эффициента усиления цепи генератора, получен­ные при использовании в САПР блока поиска ус­ловий генерации. Как видно из рисунка, условия генерации выполняются на частоте 22,441 ГГц: приведенная амплитуда в линии обратной связи составляет 1,15 (т. е. превышает 1,0), ФЧХ пере­ходит через 0,0.

В гармонических составляющих генерируемо­го сигнала преобладает первая гармоника на час­тоте 22,45 ГГц, мощность 5,142 мВт (получено с использованием в САПР блока измерения мощ­ности генерации). Небольшое отличие частоты генерации (см. рис. 2) связано с нелинейным на­сыщением мощности транзистора.

На рис. 3 представлена топология платы гене­ратора. В нем усилитель собран на полевых тран­зисторах T1 и T 2; C1, C 2 и C3 — разделительные конденсаторы; 26.1, 26.2 и 26.3 — согласующие платы на подложке 100 мкм из арсенида галлия; Uc1, Uc2, U31, U32 — питание стока и затвора пер­вого и второго транзистора соответственно; ЭС1 — элемент связи с ферритовым резонатором типа 140КГ; Li,L2, L3и L4образуют цепь обратной связи через элемент связи.

Рис. 3. Топология генератора в диапазоне частот 18,0...26,0 ГГц

Расчетная мощность генератора составила от 1 до 6,8 мВт при перестройке внешним магнит­ным полем напряженностью 785,7...805,9 мТл в полосе частот 433 МГц (от 21,988 до 22,421 ГГц).

Проведенные исследования модели генерато­ра показывают принципиальную возможность разработки первичных преобразователей магнит­ных полей на основе ЖИГ-генераторов. Диапазон измеряемых значений индукции магнитного поля определяется элементной базой (типом транзис­тора и ЖИГ-резонатора) и в нашем случае может изменяться в пределах от 0,5 до 1 Тл.

В рамках единого программного пакета Micro­wave Office 2007 могут быть проведены все этапы разработки преобразователей с учетом конкрет­ных технических требований: выбор и расчет принципиальной электрической схемы; создание

моделей транзисторов и магниточувствительных ферритовых элементов; создание топологий мик-рополосковых плат; оценка влияния технологичес­ких допусков на характеристики элементов конс­трукции; изучение режимов усиления и генерации; получение результатов расчетов электродинами­ческих структур и принципиальных электричес­ких схем в наглядной графической форме и т. д.

ЛИТЕРАТУРА

  1. Гупта К., Гардж Р., Чадха Р. Машинное проектирование СВЧ устройств. — М.: Радио и связь, 1987.

  2. Хвалин А. Л., Игнатьев А. А., Васильев А. В., Самолданов В. Н. Электродинамическое проектирование селективных уси­лителей с гетеромагнитным взаимодействием. Проблемы защиты информации ограниченного доступа от утечки по техническим каналам // Матер. Всерос. науч.-практич. конф. представителей органов по аттестации, аккредито­ванных в Системе сертификации Гостехкомиссии России и организаций-лицензиатов. — Саратов: РАЦ "Тантал",

2003. — С. 129—135

  1. Лакс Б., Баттон К. Сверхвысокочастотные ферриты и ферримагнетики. — М.: Мир, 1965.

  2. Гуревич А.Г., Мелхов Г.А. Магнитные колебания и волны. — М.: Фирма "Физ.-мат. литература", 1994.

Александр Львович Хвалин — канд. техн. наук, доцент Саратов­ского государственного университета им. Н. Г. Чернышевского (СГУ);

тел.:(8452) 78-44-55 E-mail: Khvalin63@

Сергей Владимирович Овчинников — доцент СГУ; E-mail: omf@

Виктор Николаевич Самолданов — мл. научн. сотрудник ОАО

"НИИ-Тантал"(г. Саратов);

Леонид Сергеевич Сотов — доцент СГУ;

тел.: (8452) 78-44-55

E-mail: slskit@

УДК 531.768.001.37

РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ВЫБОРУ АКСЕЛЕРОМЕТРОВ ENDEVCO.Ч. I

В. Лара, И. Петров, А. Тузов

Представлены рекомендации по выбору акселерометров компании Endevco, ориентированные на конкретные приложения.

Ключевые слова: виброакселерометр, измерение характеристик вибрации.

Современные технологии требуют контроля ряда парамет­ров технологических процессов и состояния оборудования. Важ­ными для контроля и монито­ринга объектов и конструкций

являются характеристики меха­нического движения, в частно­сти параметры периодических знакопеременных перемещений исследуемого объекта в про­странстве (вибрации). Точное

измерение характеристик виб­рации (амплитуды, частоты, формы составляющих гармо­ник) необходимо для определе­ния прочностных характеристик исследуемых объектов (конст-

Sensors & Systems• № 10.2009

рукций, механизмов, узлов и аг­регатов, масштабных моделей и т. д.), прогнозирования их пове­дения в различных условиях ок­ружающей среды, определения текущего состояния механиз­мов, степени их износа и пра­вильности балансировки частей механизмов.

Подобный контроль необхо­дим в самых разных областях: в полупроводниковой электрони­ке (контроль вибрации устано­вок для выращивания кристал­лов); в микроэлектронике (виб­рация установок фотолитогра­фии); в машиностроении (вибра­ция станков и биение деталей); в автомобильной промышлен­ности (контроль вибрации отде­льных узлов автомобилей и всего автомобиля в целом); на желез­нодорожном транспорте (дат­чики приближения поезда); в энергетике (контроль вибрации лопаток газовых турбин); в авиа­строении (контроль биений тур­бин) и т. д.

Мировым лидером в произ­водстве вибропреобразователей (виброакселерометров) и обо­рудования для измерений виб­рации является американская компания Endevco. Ее продук­ция давно и заслуженно пользу­ется уважением и авторитетом у профессионалов в различных областях виброиспытаний, а ряд производимых этой компанией виброакселерометров стали ос­новой (эталоном) для формиро­вания американских стандартов для вибрационных измерений. Параметры этих приборов легли в основу требований по прове­дению испытаний в автомобиль­ной промышленности, авиации, космической технике и других отраслях.

Номенклатура виброакселе­рометров компании Endevco очень широка. В статье авторы дают рекомендации по выбору именно тех датчиков (преобра­зователей вибрации), которые наилучшим образом подходят для нужд потребителей. Это — лишь общие рекомендации, бо­лее точную информацию можно найти в технической документа­ции, доступной на сайте произ­водителя или проконсультиро­ваться со специалистами компа­нии Endevco и их российских дистрибьюторов.

Итак, как подобрать вибро­акселерометры для конкретной задачи? Для этого рассмотрим приложения, в которых они должны применяться. К ним от­носятся области измерения: дви­жения, высокочастотной и низ­кочастотной вибрации, ударных нагрузок, микровибраций (зна­чений микро G), вибрации ми­ниатюрных объектов, измере­ние в высокотемпературной и низкотемпературной средах, из­мерения в условиях радиации, измерения при мониторинге со­стояния оборудования (машин, двигателей, агрегатов), а также многоканальные измерения.

ИЗМЕРЕНИЕ ДВИЖЕНИЯ

При выборе акселерометра важно определить, где измеря­ется движение или вибрация. При измерениях вибрации глав­ный вопрос состоит в определе­нии вибрационного отклика ис­пытуемого объекта, а при изме­рениях движения основной ин­терес представляет скорость или перемещение твердого тела (или его части).

Для точного измерения дви­жения (как, например, скорости медленно перемещающейся ру­ки робота или движения лифта) необходимо, чтобы в получен­ных результатах измерений от­сутствовала ошибка смещения нуля. Даже очень малое значе­ние величины смещения нуля в выходных данных измерения ускорения может привести к большим значениям ошибки из­меренной скорости или переме­щения при численном интегри­ровании полученных данных. По этой причине все акселеро­метры с пьезоэлектрической ос­новой и другие приборы, пред­назначенные для измерения знакопеременных величин (ко­лебаний), будут выдавать ошиб­ку смещения нуля при попытках измерить медленное движение, поэтому они для измерения та­кого движения не подходят.

При выборе акселерометра в таких приложениях следует ори­ентироваться на следующие его характеристики.

Чувствительность к посто­янным значениям (DC Response). Наиболее целесообразны для измерения движения чувстви­тельные к постоянным значе­ниям сигнала пьезорезистивные (PR) и переменноемкостные (VC) акселерометры.

Разрешение. Так как резуль­тат интегрирования (скорость или перемещение) очень сильно зависит от качества сигнала ус­корения, важно получить неис­каженный выходной сигнал от акселерометра, т. е. при выборе акселерометра нужно отслежи­вать его разрешение или соот­ношение сигнал/шум прибора.

Температурное смещение ну­ля (TZS),т. е. сдвиг нулевой от­метки при измерении постоян­ной величины, вызывающий ошибку, аналогичную той, ко­торая возникает в приборах, ос­нованных на измерении пере­менных значений. В зависи­мости от температурного диа­пазона измерений большое зна­чение может иметь низкое значение TZS.

Для измерения движения ре­комендуются акселерометры мо­делей 7290A-2, 7290D, 7593A, 7596A-10, 40366, 7265A-HS (рис. 1).

ИЗМЕРЕНИЕ

ВЫСОКОЧАСТОТНОЙ ВИБРАЦИИ

Такие приложения, как ана­лиз шумов в шасси, мониторинг турбин или двигателей с высо­кой скоростью вращения требу­ют акселерометров с исключи­тельно высокими частотными характеристиками, что предпо­лагает высокую резонансную частоту акселерометра. Но при­боры с высоким резонансом обычно обладают очень низкой выходной чувствительностью. Это обычное физическое огра­ничение для любого датчика, выполненного по системе с уп­ругой массой.

При выборе акселерометров для этой области применения следует акцентировать внима­ние на таких параметрах как:

  1. резонансная частота, воз­никающая в результате воздейс­твия высокочастотных гармо­ник, которые приводят к появ­лению резонанса, вызывая пе­регрузку в выходных каскадах электронных схем; из-за этого резонансная частота акселеро­метра должна быть значительно выше, чем частота исследуемой структуры;

  2. метод установки, от изме­нения которого значительно ва­рьируется коэффициент переда­чи высокочастотного сигнала; наиболее надежный способ уста­новки акселерометра для замера частот выше 10 кГц — шпилька;

  3. калибровка — для широко­полосных акселерометров важ­на способность калибровки на частотах свыше 10 кГц (самые легкие датчики Endevco спо­собны к калибровке частотной характеристики до величины

50 кГц).

Перечисленным условиям удовлетворяют имеющиеся пьезоэлектрические (PE) и ISÜTRÜN-датчики с очень вы­сокой резонансной частотой — более 70 кГц и высокой выход­ной чувствительностью.

Также существуют пьезо-электронные (PR) датчики с ре­зонансом свыше 1 МГц, но сла­бая чувствительность может по­мешать их применению в дан­ных условиях.

Примеры имеющихся моде­лей акселерометров для таких приложений: 7201-10, 7240C, 7593A, 7259B-100, 7250A-10, 71-60K (рис. 2).

ИЗМЕРЕНИЕ

НИЗКОЧАСТОТНОЙ

ВИБРАЦИИ

Такие задачи, как анализ форм колебаний, мониторинг строений и мостов, требуют применения акселерометров с предельно низким частотным диапазоном. При анализе фор­мы колебаний основной про­блемой является сдвиг фазы между каналами. Идеальный ак­селерометр не должен иметь из­менения фазы сигнала в интере­сующей полосе частот. В этом отношении у датчиков со свя­зью по постоянному току есть преимущество перед датчиками со связью по переменному току.

Для этого применения вы­бор акселерометров осущест­вляется исходя из следующих соображений.

Низкочастотная характе­ристика. Для низкочастотных измерений датчики со связью по постоянному току, такие как

PR, VC, SERVÜ (с приводом си­ловой балансировки), являются очевидным выбором. Благодаря отсутствию фазового сдвига на низких частотах такие акселеро­метры также пригодны для из­мерения медленного движения объекта.

Погрешность, вносимая меха­низмом крепления, на низких частотах мало отличается от из­меряемой вибрации. Поэтому в идеале акселерометр должен об­ладать очень малой чувстви­тельностью к таким паразитным вибрациям. Клеевой монтаж, если им возможно воспользо­ваться, способен значительно ослабить воздействие этой пог­решности на датчик.

Чувствительность к темпе­ратурным колебаниям. Погреш­ность от внешнего изменения

температуры складывается со значащим сигналом низкочас­тотных колебаний и практичес­ки неотличима от него. Приме­нение термоизоляции значи­тельно уменьшает эту проблему.

Низкочастотная фильтрация. Когда полезный сигнал являет­ся низкочастотным, высокочас­тотные гармоники могут сильно повлиять на диапазон измеряе­мых вибраций. В этом случае рекомендуется применять вне­шний низкочастотный фильтр.

В качестве примеров акселе­рометров для таких приложений можно рекомендовать модели

7290A-2, 7290D, 7593A, 7265A,

86, 87-1 (рис. 3).

ИЗМЕРЕНИЕ УДАРНЫХ НАГРУЗОК

Измерения нагрузок в таких областях, как испытания на па­дение, автомобильные краш-тес-ты, моделирование пироударов, требуют специальных акселеро­метров. Случайное падение мо­бильного телефона с высоты че­ловеческого роста может вызвать ударную нагрузку до 10 000 g.

При измерении значитель­ных ускорений ударных нагру­зок структурное поведение ма­териала часто нелинейно и труд­но описываемо. В таких случаях крайне важно выбрать верный акселерометр.

Выбор акселерометров для этого применения следует про­водить, руководствуясь следую­щими основными условиями.

Смещение нуля. Этот пара­метр не стандартизируется, поэ­тому не включен в характерис­тики датчика. Датчики PR, спроектированные для измере­ний значительных ускорений, обычно защищены от такого смещения нуля. Акселерометры7255А, 71-60К со встроенным механическим фильтром спро­ектированы для значительного ослабления этого эффекта.

Выживаемость. Большинс­тво акселерометров могут без ка­ких-либо деформаций пережить испытание с малыми ускорения­ми. В случаях, когда ускорение велико, физический ущерб уже реален. При выборе диапазона измерений датчика рекоменду­ется несколько завышать пре­дельный уровень ускорений. Чем ближе датчик находится к источнику (взрыва или удара), тем выше должен быть уровень воспринимаемого ускорения. Выживаемость также зависит от кабелей и разъемов. В условиях больших ускорений даже не­большая масса, предварительно не закрепленная, может созда­вать немалую силу, вызывая рассоединение, нарушение кон­такта или трибоэлектрический шум в полезном сигнале даже при использовании обычного коаксиального кабеля. Для та­ких применений рекомендуется установка контактов пайкой и шлейфовые проводники.

Диапазон. Это важный пара­метр в данном виде испытаний. Например, акселерометр может быть предназначен для измере­ния номинального ускорения до 100 g, но при этом должен вы­держивать кратковременные уда­ры до 10 000 g. Также необходи­мо различать предельный ожи­даемый уровень спектра реак­ции на удар и реальный входной спектр акселерометра.

Низкочастотная фильтрация. Низкочастотный фильтр может устанавливаться на входе усили­теля во избежание перегрузки от неожиданных ударных пиков.

Чувствительность к посто­янному значению. При исследо­вании длительного удара или движения твердого тела необхо­димы акселерометры с чувстви­тельностью к постоянному зна­чению, так как они точно ин­терпретируют низкочастотную вибрацию.

Для таких приложений мож­но применять акселерометры

моделей 2225М5А, 2255В-01,

7255А-01, 71-60К, 7264D (рис. 4).

ИЗМЕРЕНИЕ МИКРОВИБРАЦИЙ

Задачи по измерению вибра­ции в космосе на телескопе Хаббл или мониторинг шума на атомной подводной лодке тре­буют чрезвычайно чувствитель­ных акселерометров. Уровень шума и динамический диапазон таких приборов должны быть очень высокими. Шумовые ха­рактеристики обычно даются в широкополосных среднеквадра­тичных единицах, этого доста­точно для большинства приме­нений. Но иногда более нагляд­но использовать единицы, вы­раженные корнем квадратным из спектральной плотности мощности.

При этом, шумовые характе­ристики всей системы детекти­рования (включая источник пи­тания, формирователь сигнала) имеют гораздо большее значе­ние, чем отдельные характерис­тики датчика. В большинстве случаев предпочтительно пита­ние от аккумуляторных батарей. Также при возможности лучше использовать акселерометр с со­ответствующим формировате­лем сигнала, в этом случае чувс­твительность к шуму будет ми­нимальна.

Выбор акселерометров для этого случая опирается на такие основные условия.

Соотношение сигнал/шум. Высокая чувствительность и низ­кий уровень шума являются не­обходимыми условиями для из­мерения вибрации микроускоре­ний. Эти условия, однако, влия­ют на размер и массу датчика.

В этом отношении, при всех про­чих равных параметрах, датчики ISÜTRÜN имеют преимущество перед PE, PR и VC типами.

Чувствительность к измене­ниям внешней среды. Все акселе­рометры с высоким уровнем сиг­нала сильно подвержены влия­нию внешних помех — погреш­ности от механизма крепления, температурного смещения, акус­тического шума. В датчиках виб­раций микроускорений должен быть предусмотрен барьер от этих помех.

Существует ряд акселеро­метров типов PE, ISÜTRÜN, VC

и SERVÜ, которые были специ­ально разработаны для измере­ния вибраций малых ускорений.

При использовании в изме­рениях малых ускорений аксе­лерометров, чувствительных к постоянным значениям (PR, VC, SERVÜ), следует обращать вни­мание на вектор земной грави­тации. Датчики с высокой чув­ствительностью могут перейти в насыщение из-за наличия пос­тоянного фонового ускорения земной гравитации. В датчиках с разомкнутой петлей обратной связи, например PR, проблема практически не решаема. В дат­чиках с замкнутой петлей ОС (SERVÜ), смещение постоян­ной составляющей может быть приведено к нулю, но при этом ограничение динамического диа­пазона останется. Акселеромет­ры типа PE не имеют такой про­блемы, так как связаны по пере­менному току.

Примеры имеющихся моде­лей акселерометров для таких применений: 86, 87-10, 752A13, 7703A-1000, 7290A-2 (рис. 5).

Дистрибьютором компании Endevcoна территории России является компания "Радиант-Элком ".

Виктор Лара — технический специалист компании Endevco;

Илья Петров — инженер по применению продукции компании "Радиант-Элком";

Александр Тузов — бренд-менеджер компа­нии "Радиант-Элком".

тел.:+7 (495) 725-04-04

Российское производство

УДК 53.082.32.62-791.8

ПНЕВМОЭЛЕКТРОННЫЙ КОНТРОЛЬНО-СОРТИРОВОЧНЫЙ АВТОМАТ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ КСАР-22

В. М. Мурашов

Описаны принцип действия и конструкция пневмоэлектронного сортировочного аппарата КСАР-22, предназна­ченного для автоматического измерения длины и диаметра роликов подшипников качения и последующей их рассортировки.

Ключевые слова: измерение линейных размеров, пневматический метод, автоматический контроль, сортировочный комплекс КСАР-22.

На ООО "Прогресс-Санкоинструмент" (г. Ижевск) спроектирован и изготавливается по­луавтоматический прибор подборки роликов при сборке подшипников железнодорожных вагонов. Это событие ознаменовало собой окончательное восстановление в промышленности некогда за­бытого в стране, но сохраненного и развитого в Ижевске, пневматического метода измерения ли­нейных размеров. Опыт ижевского предприятия по созданию автоматических и полуавтоматичес­ких средств измерения для подшипниковой про­мышленности может быть распространен на из­делия с другими размерами и формой.

Автоматический контроль основан на замере детали воздушной струей (вместо прямого кон­такта при ручном контроле). Автоматизация, после некоторых доработок ижевского прибора, обеспе­чила стабильный и высокоточный замер и сорти­ровку ролика по высоте и диаметру. Контроль­но-сортировочный автомат ролика ижевской сбор­ки — КСАР 22 способен распознавать 22 группы роликов.

Главные достоинства пневматического метода измерения, примененного в автомате, — высочай­шие точность и объективность измерения, надеж­ность и производительность внедренного автома­та. Его применение позволило резко сократить процент ложного брака и на 50 % снизить трудо­емкость контроля и рассортировки роликов, что в конечном итоге повысило их качество и снизило себестоимость. С момента создания первого авто­мата КСАР-22 прошло немногим более двух лет. За это время на Степногорском подшипниковом заводе было запущено еще два таких автомата и по одному — на Харьковском и Самарском заводах. Положительный опыт применения этих автома­тов стимулировал их дальнейшее совершенство­вание. На Саратовском подшипниковом заводе уже больше года работает сдвоенный КСАР-22, сортирующий ролики по диаметру и длине уже на 44 группы.

На рис. 1 показан общий вид автомата

КСАР-22.

В мировой практике механизации контроль­ных операций автоматов, подобных КСАР-22, нет, что подтверждается рядом патентов на авто­мат в целом и на его составляющие, главным из которых является патент Российской Федерации RU 2317156. Измерительная станция автомата построена по оригинальной двухпозиционной метрологической схеме с применением новейших пневмоэлектронных длиномеров "Аэротест", сер­тифицированных и внесенных в Государственный реестр.

Математическая обработка результатов изме­рения, их запоминание и отображение в цифро­вом виде, выдача команд сортирующему устройс­тву производится с помощью компьютера.

Все исполнительные механизмы по подаче ро­ликов в измерительную позицию, сортирующее устройство и раскладка роликов в приемники вы­полнены в виде управляемых пневматических ци­линдров, срабатывающих также по сигналу ком­пьютерного блока управления.

В целом КСАР-22 предназначен для автомати­ческого измерения длины 52,000-0'03 и диаметра

32,000+°0°00146 цилиндрических роликов подшип­ников качения с последующей их рассортиров­кой на 22 размерные группы в условиях цеха со следующими климатическими условиями: тем­пература воздуха 20 ± 3 °С; влажность не более 80 %и атмосферное давление 84...106,7 кПа (760 ± 25 мм рт. ст.).

На рис. 2 приведены координаты точек изме­рения диаметра и длины роликов. Из схемы вид­но, что измерение диаметра производится без его вращения в точке 1, расположенной на расстоя­нии 26 мм от его торца. Длина ролика измеряется в продольном сечении в трех точках по диаметру, развернутых относительно друг друга на 120°. В процессе измерения определяется максималь­ный и минимальный размеры длины, разность между ними и средняя длина.

Технические характеристики автомата КСАР-22

Метод измерения Пневмоэлектрон-

ный бесконтактный

Контролируемые размеры ролика, мм:

диаметр 32,000-0,°14

длина 52,ООО10;°3

непостоянство длины 0,005

Пределы измерения контролируемых

размеров, мм:

диаметра 31,996/32,016

длины 51,950/51,970

непостоянства длины 0/0,005

Диапазон измерения при контроле,

мкм:

диаметра 20

длины 20

Предел основной погрешности изме-
рения, мкм, не более 0,5

Диапазон измерения при рассортиров­ке, мкм:

по диаметру 8, перенастраивае-
мый в пределах по-
ля допуска

по длине 20, в пределах поля

допуска

Контрольно-сортировочный автомат включа­ет в себя раму, измерительную станцию, сортиру­ющее устройство, блок подготовки воздуха и шкаф управления.

Измерительная станция является основным узлом автомата. Она состоит из приемного лотка, измерительного блока, механизма подачи роли­ков в сортирующее устройство и пневмоэлектрон-ного показывающего устройства, состоящего из длиномеров "Аэротест-2ДЦ".

На рис. 3 представлен общий вид измеритель­ного блока. Он представляет собой наклонный лоток 6 с размещенной на нем пневматической измерительной оснасткой: скобой 7, оснащенной тремя парами сопел 2 и 8 и скобой 4 с соплами 3 и 5. Скоба 7 предназначена для измерения длины ролика; каждая ее пара сопел присоединены к од­ному каналу длиномера "Аэротест-2ДЦ". Скоба 4 служит для контроля диаметра ролика, ее сопла присоединены к другому каналу длиномера.

В процессе измерения контролируемые роли­ки скатываются по лотку 6 и устанавливаются против сопел измерительных скоб. Измерение каждого ролика происходит в двух позициях, ре­зультат измерения отображается на цифровых и вертикальных световых шкалах, соответствующих каналу длиномеров. Далее полученные результаты измерения передаются компьютеру блока управ­ления, который анализирует результаты измере­ния, полученные на двух позициях измерения, ус­

танавливает их принадлежность каждому ролику, запоминает их и дает сигнал сортирующему уст­ройству с указанием номера приемника, в кото­рый необходимо направить измеренный ролик.

Настройка измерительного блока производит­ся перед началом работы автомата с помощью ус­тановочных валиков, имеющих аттестованные размеры.

Пневмоизмерительное устройство работает следующим образом. После включения крана воз­дух поступает в блок подготовки воздуха, где про­ходит первичная очистка от влаги, масла и пыли. Величина давления контролируется с помощью ма­нометра. Для устойчивой работы стабилизаторов давления оно должно быть в пределах 0,4...0,6 МПа

(4,0...6,0 кгс/см2).

Через фильтр-влагоотделитель и регулятор давления воздух попадает в фильтр тонкой очис­тки. Затем он расходится к стабилизаторам дав­ления, которые с точностью до 0,0015 МПа

(0,015 кгс/см2) поддерживают рабочее давление

0,2 МПа (2,0 кгс/см2).

Далее воздух через входные сопла проходит в камеры противодавления, в которых в зависимос­ти от проходного сечения вентилей противодав­ления, сбрасывающих воздух в атмосферу, уста­навливается определенная постоянная величина давления Мп, К2п, Н3п, Н4п. В результате этого диафрагмы пневмоэлектронных преобразовате­лей давления прогибаются в сторону измеритель­ной камеры и занимают исходное положение (выбирается рабочая точка на характеристике датчика).

Другая часть воздуха после стабилизаторов че­рез входные сопла поступает в измерительные камеры преобразователей и выходит в зазоры S измерительной станции. В зависимости от соот­ношения проходного сечения входных сопел и проходного сечения зазоров Sв измерительных камерах устанавливается измерительное давление Ми, К2и, Н3и,Ми. В результате диафрагмы пнев-моэлектронных преобразователей давления за­нимают положение, соответствующее разности давлений (Мп — Ми)...(//4п — /*4и), и в блок об­работки информации подается напряжение, соот­ветствующее измеряемым размерам.

В блоке обработки информации сигнал, пос­тупающий с преобразователей, обрабатывается по заданной программе. Результат выдается в число­вом виде на цифровые и вертикальные шкалы со световыми указателями. Из блока обработки ин­формации сигналы поступают в систему управле­ния. Результат выдается на монитор системы уп­равления в числовом виде.

Точно так же происходит преобразование пневматического сигнала на всех остальных кана­лах пневмоэлектронных длиномеров.

Основным исполнительным механизмом ав­томата является сортирующее устройство. Оно предназначено для транспортировки и рассорти­ровки измеренных роликов в накопители соот­ветствующей размерной группы. Для пояснения принципа действия сортирующего устройства на рис. 4 приведена упрощенная принципиальная схема автомата.

Процесс рассортировки роликов происходит следующим образом. После измерения размеров ролика с помощью измерительного блока 1 и по­казывающего устройства 3, связанного с блоком управления 4, по сигналу последнего толкатель 2 выталкивает измеренный ролик в спутник (втул­ку) 8 цепного конвейера 7 сортирующего устрой­

ства. При обратном ходе толкателя 2в измери­тельную позицию измерительного блока 1ска­тывается следующий ролик. Цепной конвейер 7с помощью сервопривода 6перемещается на один шаг вдоль ряда накопителей.

Блок управления 4запоминает результат изме­рения (номер группы накопителя) и по достиже­нии спутником 8накопителя, соответствующего результатам измерения, подает сигнал толкателю 5 данного накопителя и тот сбрасывает в него про­контролированный ролик из спутника 8.По мере заполнения накопителей роликами загорается со­ответствующая сигнальная лампа наполнения.

Блок подготовки воздуха служит для питания пневматической измерительной оснастки автома­та очищенным и стабилизированным по давле­нию воздухом. Имеется система блокировок и диагностирования причин остановок автомата в процессе работы.

Как уже говорилось, успешное применение контрольно-сортировочных автоматов породило стремление к повышению эффективности их применения и дальнейшее совершенствование, которое идет по двум направлениям: повышение точности измерения благодаря созданию новых метрологических схем и увеличение числа групп рассортировки. Одним из примеров таких автома­тов является комплекс КСАР-22, уже работаю­щий на Саратовском подшипниковом заводе. По своей сути это сдвоенный КСАР-22 с принципи­ально новой измерительной станцией и более со­вершенным сортирующим устройством.

В отличие от автомата КСАР-22 в новом ком­плексе измерение диаметра ролика производится с помощью шестисоплового пневматического из­мерительного кольца. Это позволило отказаться от необходимости вращения ролика, сохранить производительность контроля и максимально уменьшить влияние овальности ролика на резуль­тат определения его максимального диаметра.

Применение нового сортирующего устройс­тва, позволяющего рассортировать контролируе­мые ролики в 44 приемника, дало возможность

полностью перекрыть весь диапазон измерений как по длине, так и по диаметру и, в отличие от автомата КСАР-22, полностью отказаться от не­обходимости переналадок автомата и значительно повысило производительность контроля.

Главной отличительной особенностью комп­лекса КСАР-22 от его предшественника является конструкция измерительной позиции для измере­ния диаметра.

Если в измерительном блоке автомата КСАР-22 измерение диаметра ролика производит­ся в одном случайном сечении с помощью двух-сопловой скобы, то в измерительном блоке комп­лекса КСАР-22 измерение диаметра производится в трех радиальных сечениях, развернутых относи­тельно друг друга на 60°.

Контролируемый ролик после измерения его длины в первой позиции измерения скатывается до упора, откуда с помощью толкателя подается в измерительное кольцо. С помощью трех пар сопел и двух длиномеров "Аэротест-2ДЦ" производится измерение в трех сечениях.

Принцип действия сортирующего комплекса КСАР-22 полностью аналогичен принципу дейс­твия сортирующего автомата КСАР-22. Разница состоит только в том, что комплекс имеет два сор­тирующих устройства.

В целом оба устройства сортируют ролики на 4 группы (через 5 мкм) и на 10 групп (через 2 мкм) по диаметру и в каждой группе по длине.

Успешная эксплуатация автоматического ком­плекса КСАР-22 на Саратовском подшипнико­вом заводе подтвердила правильность выбранно­го направления совершенствования пневмоэлек-тронных контрольно-сортировочных автоматов КСАР-22. В настоящее время на ООО "Про-гресс-Станкоинструмент" по заданию Степногор-ского подшипникового завода ведется разработка второго комплекса КСАР-22.

Владислав Михайлович Мурашов — главный конструктор ОАО "Радио-Сервис".

E-mail: aeromik@

Уважаемые читатели!

Если Вы не успели подписаться на журнал "Датчики и системы", напоминаем Вам, что через Редакцию можно оформить льготную подписку в любое время и с любого номера (дешевле, чем через каталоги агентств) или приобрести номера журнала за прошедшие годы.

Можно также заказать электронные версии как необходимого Вам номера журнала, так и отдельных статей.

Позвоните в Редакцию по тел. (495) 330-42-66 или пришлите заказ по электронной почте (E-mail: datchik@)— и подписка будет оформлена за один день. Расходы по пересылке журнала Редакция берет на себя. Не забудьте указать свой полный почтовый адрес!

Наш адрес: 117997, В-342, ГСП-7, Профсоюзная ул., д. 65, ИПУ РАН, оф. 104.

ДатчикииСистемы10.2009

ПРОБЛЕМЫ МАШИНОСТРОЕНИЯ И АВТОМАТИЗАЦИИ ISSN 0234-6206

Международный периодический научно-технический журнал

(электронная версия)


Издатели:

  1. Институт машиноведения им. А. А. Благонравова РАН;

  2. Российский научно-исследовательский институт ин­формационных технологий и систем автоматизированного проектирования;

  3. Национальная технологическая палата;

  4. ЗАО "Кон-Лига Пресс".

Журнал издаётся с 1982 г., периодичность — 4 номера в год. Дополнительно — один раз в 2 года выпускается специальный номер журнала на английском языке.

Свидетельство о регистрации ПИ № 77-16852 от 20.11.2003 г.

Главный редактор — академик Р.Ф. Ганиев (Россия);

Заместители главного редактора: академик М. Вукобратович (Сербия); член-корреспондент РАН В. А. Барвинок (Россия); профессор А. В. Березин (Россия).

В редколлегии журнала представлены известные ученые и специалисты Беларуси, Болгарии, Великобритании, Венг­рии, Германии, Гонконга, Испании, Китая, Польши, России, Румынии, Сербии, США и Украины.

Язык статей для публикации — русский или английский (по усмотрению авторов); аннотаций, ключевых слов и сведе­ний об авторах — русский и английский. В журнале публикуются актуальные материалы (обзоры, статьи, сообщения) по результатам научных исследований и практических разработок в России и за рубежом в области машиноведения и машиностро­ения, а также о передовом опыте, новых материалах и прогрессивных технологиях машиностроения, вклю­чая проблемы экономики, управления и автоматизации.

Журнал "Проблемы машиностроения и автоматизации" включен в Перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертации на соискание ученой степени доктора и кандидата наук.

Журнал реферируется и включен в базы данных ВИНИТИ, сведения о журнале публикуются в международной спра­вочной системе по периодическим и продолжающимся изданиям "Ulrich's Periodicals Directory".

Распространение журнала «Проблемы машиностроения и автоматизации» осуществляется без ог­раничений по подписке через организации: Агентство "Книга-Сервис" — каталог "Пресса России", т. 1 (индекс 86302), Агентство "Роспечать" — каталог "Издания органов НТИ" (индекс59696), ООО "Ин-формнаука" и ЗАО "МК — Периодика" (индекс 70729).

Возможно также оформить подписку на печатную и электронную версию журнала через Нацио­нальную технологическую палату (Редакцию журнала).

Адрес редакции журнала: Национальная технологическая палата (Редакция журнала "Проблемы машиностроения и автоматизации"), Россия, 105679, Москва, Измайловское шоссе, д. 44, стр. 2, оф. 424

e-mail: mvtk@

Ответственный секретарь редакции: Костин Анатолий Михайлович: тел.: (495) 365-58-06,

+7 (905) 714-26-61; e-mail: anatk@

Измерения Контроль

Автоматизация: состояние, проблемы, перспективы

Главный редактор — д-pтехн. наук, проф. В. Ю. Кнеллер

Новости

CARDEQСОЗДАЕТ НАНОВЕСЫ

Европейские исследователи разработали уст­ройство, использующее углеродные нанотрубки для измерения массы мельчайших атомов и способ­ное в будущем взвешивать протоны и нейтроны. Проект CARDEQ, в рамках которого сотруднича­ют семь европейских университетов, использует объединенные физические и полупроводниковые свойства нанотрубок с учетом того, что более тя­желые нанотрубки, аналогично гитарным струнам, колеблются медленнее, чем более легкие. В конеч­ном счете, это свойство сможет помочь ученым изучать ход химической реакции.

Ученые встроили полупроводниковую на-нотрубку в транзистор так, что ее колебания мо­дулируют проходящий по ней ток; таким образом, одна нанотрубка стала одновременно и колеблю­щимся, и считывающим элементом. Для того что­бы поместить на нанотрубку отдельный атом, ме­талл испаряют, в результате чего один атом может случайно удариться о струну. Координатор про­екта проф. П. Хаконен из Хельсинского техни­ческого университета объяснил, что это событие может быть обнаружено двумя способами: непо­средственно — путем построения частотной ха­рактеристики и определения сдвига частоты, или путем возбуждения колебаний струны с опреде­ленной частотой и наблюдений за изменением от­клика. По его словам, исследования в рамках про­екта CARDEQ дают более точные результаты, чем альтернативные попытки использования подоб­ных методов, поскольку метод CARDEQ обнару­живает изменения во всей кривой отклика и поз­воляет фактически видеть такое изменение, а не только отклонение от заданной частоты.

Сегодня устройство способно обнаруживать массу отдельных атомов хрома, прицепившихся к нанотрубке. Возможно воспринимать атомы и меньшего размера, такие как аргон, но устройство еще недостаточно стабильно, чтобы обеспечивать необходимую повторяемость таких измерений. В планах исследователей — научить устройство взвешивать все более легкие атомы, а также по­пытаться использовать его для обнаружения хи­мических реакций с участием крупных молекул. Это, например, позволит ученым, исследующим молекулярную биологию, достигать более глубо­кого понимания процессов, происходящих в жи­вых организмах. В перспективе устройство смо­жет обнаруживать даже протоны и нейтроны.

Сегодня проект в большей степени ориенти­рован на создание более совершенных инстру­ментов для исследований, а не на удовлетворение требований любого специфического промышлен­ного применения. Но проф. Хаконен предвидит, что те же принципы могут быть использованы при мелкосерийном изготовлении научных приборов, предназначенных для самых разных областей.

Наиболее сложная проблема, с которой при­шлось столкнуться ученым — разброс параметров нанотрубок, выращенных для этой цели: каждый образец уникален, каждая нанотрубка индивиду­альна; поэтому до сих пор приходится изготавли­вать их во множестве, а потом отбирать лучшие.

Проект CARDEQ был начат в марте 2006 г. и заканчивается в августе 2009. К этому моменту его участники поставили целью достичь такого разре­шения, при котором отдельные атомы хрома бу­дут стабильно определяться; они также надеются, что смогут определять атомы все меньшего и меньшего размера. Делаются также попытки из­мерять колебания при очень низких температу­рах. Одна из сегодняшних целей научного кол­лектива — увидеть квантовые колебания; поэтому если удастся подавить тепловые колебания, то это позволит обнаружить механические вибрации на квантовом уровне.

Источник: The Engineer. June 2009.

ТОЧНОЕ ИЗМЕРЕНИЕ СОДЕРЖАНИЯ КИСЛОРОДА В ДЫМОВЫХ ГАЗАХ ПЕЧЕЙ

Техническая инспекция Южной Германии (TÜV Süd) подтвердила, что система динамическо­го измерения содержания кислорода MF010-O-LC фирмы J. Dittrich Elektronic <www.dittrich-systeme.de> обеспечивает безотказные измерения содержания остаточного кислорода в дымовых га­зах печей. Воздух горения, из соображений безо­пасности подаваемый с избытком, можно миними­зировать с помощью резервированного контролле­ра, тем самым оптимизируя горение и повышая к.п.д. печи. Это позволяет компенсировать изме­нения качества топлива в дровяных печах.

В отличие от лямбда-зондов, измеряющих от­носительное содержание кислорода, эта сверхус­тойчивая измерительная система определяет его абсолютное содержание, т. е. парциальное давле­ние кислорода в отходящем газе. При этом, флук­туации атмосферного давления, влажности и тем­пературы не оказывают влияния на точность из­мерений. Калибровка системы осуществляется электрически без образцового газа и дополни­тельного персонала — по атмосферному воздуху в конце периода вентиляции печи, что существенно снижает объем техобслуживания. Этого удалось добиться благодаря применению динамического циркониевого датчика двуокиси углерода, а также интеллектуального оборудования. Измерительная система контролирует собственную работу и со­общает о сбоях аппаратного или программного обеспечения по цифровому каналу. Имеется также аналоговый выход (4...20 мА или 0...10 В). Измери­тельный диапазон составляет 0,1...25 % об. кисло­рода при температуре отходящих газов до 250 °С.

НОВЫЙ МАССОВЫЙ РАСХОДОМЕР

ДЛЯ БОЛЬШИХ ТРУБОПРОВОДОВ, КАНАЛОВ И ДЫМОВЫХ ТРУБ

Американская фирма Sierra Instruments, Inc. объявила о выпуске нового многоточечного масс-расходомера Multi-Trak Model 670S. Это новей­ший измерительный прибор, способный измерять расход в очень крупных трубопроводах, протоках, дымовых трубах с неоднородными эпюрами ско­ростей при жестких требованиях к изгибам, гряз­ных газовых потоках, в широком диапазоне тем­ператур и при быстрых изменениях скорости и температуры. Модель 670S динамически компен­сирует изменения профиля потока, используя до четырех независимых точек замера массового рас­хода для определения мгновенного среднего мас­сового расхода газа. Multi-Trak обычно используют в нефтехимии, тепловой энергетике, сталепла­вильном производстве и во многих других отрас­лях промышленности, где требуются точные и повторяемые измерения массового расхода газа в очень больших трубах или каналах.

Контроль всех функций измерительного при­бора осуществляется с помощью инновационно­го гибкого и дружественного пользовательского микропроцессорного интерфейса. Он использует­ся для сбора, визуализации и хранения измери­тельной информации, а также для настройки от­дельных точек измерения, что позволяет легко сконфигурировать всю систему на объекте. Ин­терфейс объединяет все функции измерения рас­хода, задания измерительного диапазона, поверки в полевых условиях и диагностики, отображает значения мгновенного расхода и суммарного мас­сового расхода, а также другие параметры. Все на­стройки можно легко запрограммировать с помо­щью простого в обращении сенсорного экрана.

В отличие от датчиков с одним зондом, где все точки измерения находятся на одном и том же зонде, каждая измерительная точка Model 670S полностью независима от других, благодаря чему обеспечивается простота замены или чистки отде­льных трансмиттеров в полевых условиях.

Погрешность измерений составляет ±1 % из­меренного значения плюс 0,5 % шкалы; быстро­действие — порядка секунды. Использована патен­тованная технология Dry-Sense™, устраняющая дрейф показаний. Полевой контроль электрон­ных схем и сопротивления датчика обеспечивает требуемые характеристики расходомера. Датчики сертифицированы по FM, CSA и ATEX, а также одобрены CE.

Более подробную информацию можно по­лучить на сайте </products/670s.html>.

ЕМКОСТНЫЕ ДАТЧИКИ НА ОСНОВЕ НОВОЙ ТЕХНОЛОГИИ ОБЕСПЕЧИВАЮТ

НЕПРЕРЫВНОЕ БЕСКОНТАКТНОЕ ИЗМЕРЕНИЕ УРОВНЯ

В приборах серии CLC фирмы Sensortechnics <> для непрерывного из­мерения уровня жидкостей, а также гранулиро­ванных или пылевидных материалов используется новая бесконтактная технология восприятия. Со­ответствующий миниатюрный датчик легко мон­тируется снаружи контейнера или сосуда и про­водит измерения через стенку из практически любого неметаллического материала. Диапазон восприятия уровня у стандартного устройства со­ставляет до 10 см и может быть увеличен в специ­альных многосенсорных конфигурациях.

Отсутствие непосредственного контакта дат­чика с жидкостью устраняет все проблемы сов­местимости сред и стерильности. Устройство весьма гибкое, и пользователь может легко калиб­ровать и настраивать датчик для измерения жела-

емых уровней и сред. Датчик серии CLC обеспе­чивает очень высокую точность и надежность из­мерений благодаря дополнительному электроду сравнения, компенсирующему все изменения внешних условий, в частности температуры и влажности. В качестве дополнительной меры бе­зопасности датчик можно снабдить очень чувс­твительной прокладкой, позволяющей обнаружи­вать наличие или отсутствие контейнера. Датчик имеет аналоговый выход по напряжению, а также цифровой интерфейс. Фирма-изготовитель может также обеспечить модификации датчика в соот­ветствии со специфическими требованиями за­казчиков.

Благодаря своей миниатюрности и возмож­ности проводить непрерывные бесконтактные из­мерения емкостной датчик серии CLC может быть применен во многих случаях при монито­ринге уровня в медицинской технике, в химичес­кой, фармацевтической и пищевой промышлен­ности.

ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ ОЗОНА НА ОСНОВЕ НАНОСТРУКТУР

Фирма Synkera Technologies <> успешно завершила работы по этапу 1 гранта SBIR, выданного Национальным институтом здо­ровья США. Цель работ заключалась в создании улучшенных озоновых датчиков, способных про­водить полевые измерения содержания озона для больных астмой или другими респираторными за­болеваниями. Конечная цель проекта — разработ­ка и валидация нового персонального монитора, способного определять низкий уровень содержа­ния озона (менее 12 ppb) в реальном времени с требуемым пространственным разрешением в це­лях оказания помощи в исследовании респира­торных заболеваний. Создание такого прибора способствовало бы лучшему пониманию механиз­мов воздействия различных природных факторов на человеческий организм.

Датчики нового поколения созданные на ос­нове последних достижений в технике электрохи­мического восприятия, обладают более высокими быстродействием и чувствительностью, более компактны, стабильны и дешевы в сравнении с любыми существующими сегодня аналогами. Эта инновационная разработка характеризуется тремя основными особенностями: включением в датчик твердотельного полимерного электрода, обеспе­чивающего герметичность и стабильность работы; использованием сверхмалых электродов (наното-чек), формирующих шкалы нанометровой длины для повышения чувствительности; использовани­ем уникальной подложки (наноразмерной анод­ной окиси алюминия); методами изготовления, обеспечивающими низкую себестоимость и воз­можность крупносерийного выпуска. Сочетание этих новшеств позволило создать маленький, эко­номичный, чувствительный и избирательный дат­чик для использования в точных и надежных сис­темах персонального мониторинга.

На основе платформы Synkera из анодной окиси алюминия путем применения стандартных электрохимических методов были созданы "нано-электродные ансамбли"; из них были изготовле­ны прочные датчики. Эти датчики продемонстри­ровали великолепную чувствительность к озону (~10 ppb) при отношении сигнал/шум, равном трем. Они также обладают хорошей селективнос­тью по отношению к двуокиси азота и формаль­дегиду. Предполагаемая стоимость одного детек­тора с дисплеем и архиватором данных — не более

100 долл. США.

На втором этапе проекта твердотельные элек­трохимические датчики будут оптимизированы; появятся новые электронные схемы, облегчаю­щие работу с ними. Схемотехникой датчиков бу­дут управлять микроконтроллеры, что обеспечит малые габариты и требуемую функциональность персональных мониторов. Датчики и электроника будут встроены в пилотные устройства для тести­рования на пациентах.

Источник: Sensors. July 2009.

ДАТЧИКИ ДАВЛЕНИЯ С МАТЕМАТИЧЕСКОЙ

КОМПЕНСАЦИЕЙ

Выпуском датчиков (трансмиттеров) давления серий 33X и 35X швейцарская фирма Keller AG <www.keller-druck.ch> установила новую планку в технике высокоточных измерений давления. Пла­вающий измерительный модуль с полностью цифровой обработкой сигналов, компенсацией с математической точностью и высоко динамичный микропроцессор — все вместе это обеспечивает высокоточные образцовые измерения с приведен­ной погрешностью до 0,05 %. Плавающий пьезо-резистивный чувствительный элемент не подвер­жен внешним механическим и тепловым воздейс­твиям через прижимной соединитель. АЦП в сигнальном процессоре обеспечивает 16-разряд­ное разрешение (приведенная погрешность — 0,002 %) и использует сигналы от датчика давле­ния и встроенного датчика температуры для рас­чета точного компенсированного значения в те­чении нескольких миллисекунд.

Аналоговый выход трансмиттера обновляется не менее 400 раз в секунду и характеризуется сум­марной приведенной погрешностью 0,05 % (вклю­чая влияние температуры в диапазоне 10...40 °C). В качестве опции предлагается вариант с приве­денной погрешностью 0,01 % в том же температур­ном диапазоне с привязкой к опорным значениям первичных эталонов (погрешность — 0,025 %).

В типичном температурном диапазоне — 10...+80 °C датчики давления 33X и 35X выдают показания с суммарной приведенной погрешнос­тью 0,1 %. Цифровой выход обеспечивает такие функции как прямое отображение показаний на ноутбук или стационарный компьютер и последо­вательное соединение в сеть до 128 трансмитте­ров. В зависимости от типа разъема и имеющегося числа контактов, трансмиттеры обеспечивают цифровой выход RS485, а также аналоговый вы­ход по току или напряжению, например, 0...10 В (трехпроводной) или 4...20 мА (двухпроводной).

В диапазонах от 0,8 до 100 атм. обеспечивают­ся измерения абсолютного, манометрического и дифференциального давлений, Возможно измере­ние высокого избыточного давления (в зависимос­ти от конструкции датчика). Контакт с измеряемой средой может осуществляться через резьбовое со­единение (в модели 33X) или через переднюю фронтальную мембрану (в модели 35X). Благодаря цифровому интерфейсу RS485 пределы и ноль аналогового сигнала могут быть заданы по всему основному измерительному диапазону в соответс­твии со спецификой приложений.

К высокоточным датчикам серии 30X бес­платно прилагаются компьютерные программы: PRO30 — для локальной параметризации прибо­ров, сохранения индивидуальных измерений и т. д.; READ30 — сбор всех настроек для записи изме­ренных значений, в том числе графическое отоб­ражение сигнала от нескольких (до 16) трансмит­теров.

Датчики серии 33X обычно имеют вход по давлению с наружной резьбой 0,25 или 0,5 дюй­ма, а датчики серии 35X — входную диафрагму для подсоединения шланга. Существует версия 36XW для глубинных измерений и для измерения уровня воды.

Пользователи могут выбирать из трех электри­ческих штекерных соединителей. Их можно легко менять при работе датчика в различных условиях. Если требуется класс защиты IP68 (стандарт для глубинного датчика 36XW), можно использовать существующий вариант с кабельныым соедине­нием. □

Библиография+*

Белозубов Е. М., Белозубова Н. Е., Васильев В. А.

Тонкопленочные микроэлектромеханические системы и датчики на их основе // Нано- и микросистемная техника. — 2009. — № 2. — С. 33—39.

Тонкопленочные тензорезисторные и емкос­тные МЭМС, их классификация, обобщенные системные модели тонкопленочных емкостных МЭМС-структур и датчиков на их основе.

Дозорцев В. М., Крейдлин Е. Ю. Современные автоматизированные системы моделирования ТП // Автоматизация в промышленности. — Июнь 2009. — С. 11—16.

Задачи управления и инжиниринга, решаемые с помощью автоматизированных систем модели­рования технологических процессов, практичес­кие примеры решений. Система UniSim Design, обеспечивающая моделирование всех этапов про­изводственного цикла предприятия.

Карабегов М. А. Пути повышения точности аналитических приборов // Измерительная техника. — 2009. — № 4. — С. 54—59.

"Рассмотрены методы и примеры повышения точности аналитических приборов на основе па­раметрической, структурной и циклической кор­рекции".

Кононогов С.А., Лысенко В.Г., Гоголев Д.В., Золотаревский С.Ю. Эталонная база прецизионного машиностроения // Метрология. — 2009. — № 3 (март). — С. 3—47.

"Рассмотрены вопросы передачи размера еди­ницы длины при сохранении точности определе­ния основных физических констант, а также точ­ности первичных эталонов и входящих в их состав интерферометров Майкельсона, Тваймана — Гри­на, Фабри — Перо, Физо, Линника и др., в облас­ти прецизионного машиностроения".

Пешехонов В. Г., Несенюк Л.П., Грязин Д. Г.

Микромеханические инерциальные преобразователи. Современное состояние и применение в военной технике // Мехатроника, автоматизация, управление. — 2009. — № 3. — С. 28—32.

"...Вопросы применения в военной технике микромеханических инерциальных датчиков — гироскопов и акселерометров, а также модулей на их основе... Обзор состояния разработок в мире и в России, ...анализ областей применения указан­ных датчиков".

Это одна из публикуемой подборки статей под рубрикой "Перспективные системы и задачи уп­равления".

Ahammad A., Lee J.-J., Rahman M. Electrochemical sensors based on carbon nanotubes // Sensors (MDPI). — 2009. — Vol. 9. — Issue 4 (April). — P. 2289—2319.

</1424-8220/9/4/2289>

Обзор последних достижений в разработке электрохимических сенсоров и биосенсоров с ис­пользованием угольных нанотрубок (в первую очередь), а также других наноматериалов и про­водящих полимеров.

Angrisani L., Narduzzi C. Testing communication and computer networks: an overview // Instrumentation & Measurement Magazine, IEEE. — 2008. — Vol. 11. — Issue 5 (October). — P. 12—24.

Обзор измерительных приборов и процедур, используемых в настоящее время для тестирова­ния сетей связи и компьютерных сетей, а также достижений в этой области, предназначенный для специалистов в области измерений и средств из­мерений.

Bertoncello P., Forster R. J. Nanostructured materials for electrochemiluminescence (ECL)-based detection methods: Recent advances and future perspectives // Biosensors and Bioelectronics. — 2009. — Vol. 24. — Issue 11 (15 July). —

P. 3191—3200.

Представлены недавние (2003—2008 гг.) до­стижения и разработки, относящиеся к нано­структурным материалам (угольные нанотрубки, металлические наночастицы, квантовые точки, тонкие металло-полимерные пленки и др.) для использования в биодатчиках на основе электро­химической люминесценции. Рассмотрены про­блемы и перспективы использования таких мате­риалов для биомедицинской диагностики.

Bogue R. Sensing with electromagnetic radiation: a review. Part 2: long wavelengths // Sensor Review. — 2009. — Vol. 29. — Issue 3. —

P. 203—210.

Обзор промышленных применений методов и средств восприятия с использованием электро­магнитных излучений от инфракрасного до ра­диочастотного диапазона.

Первая часть статьи, посвященная применени­ям с использованием излучений с длинами волн, меньшими, чем у видимого света (гамма, рентге­новских и ультрафиолетовых), опубликована в "Sensor Review", 2008, Vol.28, Issue 3. — P. 189—193.

Bondavalli P., Legagneux P., Pribat D. Carbon nanotubes based transistors as gas sensors: State of the art and critical review // Sensors and Actuators B: Chemical. — 2009. — Vol. 140. — Issue 1 (18 June). — P. 304—318.

Рассмотрены и критически оценены исследо­вания последнего времени, относящиеся к газо­вым сенсорам на основе полевых транзисторов с углеродными нанотрубками.

Constien S.D.Next-generation wireless asset

management // Sensors. — 2009. — Issue 4 (April).

</sensors/Asset+

Tracking/Next-Generation-Wireless-Asset-Mana-

gement/ArticleStandard/Article/detail/593309>

"Новое поколение беспроводных систем уп­равления ресурсами используют малопотребляю­щую электронику, ячеистые технологии, глобаль­ную систему местоопределения, что обеспечивает им большую робастность, гибкость, масштабиру­емость и приводит к уменьшению эксплуатацион­ных расходов и улучшению коммерческой про­дуктивности".

Fortuna L., Graziani S., Xibilia M. G. Comparison of soft-sensor design methods for industrial plants using small data sets // Instrumentation and Measurement, IEEE Transactions on. — 2009. — Vol. 58. — Issue 8 (August). — P. 2444—2451.

Сравнительный анализ ряда стратегий (среди них и предлагаемая авторами) улучшения обобща­ющих способностей "мягких" датчиков, основан­ных на нейронных сетях, при малых наборах экс­периментальных данных — ситуации, которая час­то имеет место при промышленных применениях.

Heo J., Hua S. Z. An overview of recent strategies in pathogen sensing // Sensors (MDPI). — 2009. — Vol. 9. — Issue 6 (June). — P. 4483—4502. </1424-8220/9/6/4483>

Обзор последних стратегий восприятия пато­генов, основанных на микро- и нанотехнологиях, с особым вниманием к микро- и наноразмерным биодатчикам, новым средствам восприятия, ис­пользующим микрожидкостные лаборатории-на-кристалле и матрицы датчиков.

В этом выпуске журнала опубликованы и другие статьи по датчикам патогенов.

ByrneВ., Stack E., Gilmartin N., O'Kennedy R.

Antibody-based sensors: principles, problems and potential for detection of pathogens and associated toxins sensors. — P. 4407—4445. </1424-8220/9/6/4407>

Датчики, основанные на антителах: проблемы и потенциальные возможности для обнаружения па­тогенов.

Mairhofer J., Roppert K., Ertl P. Microfluidic systems for pathogen sensing: A review. — P. 4804—4823. </1424-8220/9/6/4804> Обзор микрожидкостных систем для восприятия

патогенов.

Hodnik V., Anderluh G. Toxin detection by surface plasmon resonance // Sensors (MDPI). — 2009. — Vol. 9. — Issue 3 (March). — P. 1139—1354. </1424-8220/9/3/1339>

Рассматриваются различные методы обнару­жения малых количеств токсинов с особым вни­манием методу поверхностного плазмонного ре­зонанса, который обеспечивает быстрое обнару­жение токсина на месте его нахождения и уже используется в портативных датчиках.

Sadik O. A., Aluoch A. O., Zhou A. Status

of biomolecular recognition using electrochemical techniques // Biosensors and Bioelectronics. —

2009. — Vol. 24. — Issue 9 (15 May). — P. 2749—2765.

Путем анализа тенденций, ограничений, име­ющихся проблем и серийных устройств в области электрохимических биодатчиков выявляется со­стояние биомолекулярного распознавания. Дан обзор последних достижений в области таких дат­чиков (в том числе датчиков глюкозы), рассмот­рен ряд новых применений в области онкологи­ческого мониторинга и обнаружения пищевых па­тогенов.

Schott W., Dontsov D., Pöschel W. Developments in homodyne interferometry // tm — Technisches Messen. — 2009. — Vol. 76. — Issue 5 (May). —

P. 239—244.

"Лазерно-интерферометрическая метрология предоставляет уникальные возможности сочета­ния измерений в широких диапазонах с экстраор­динарно высокой разрешающей способностью и прослеживаемостью результата измерения от международных эталонов длины. Лазерно-интер­ферометрическая система может быть использо­вана для измерений перемещений в диапазоне от субнанометров до нескольких метров без необхо­димости реконфигурации оптической или элект­ронной систем или входящих в них устройств".

Singh R. P., Choi J.-W. Biosensors development based on potential target of conducting polymers // Sensors & Transducers. — 2009. — Vol. 104. — Issue 5 (April). — P. 1—18. </HTML/DIGEST/may_09/P_425.pdf>

Предпринята попытка обрисовать выдающие­ся возможности и широкое применение биосен­соров на основе проводящих полимеров (ПП) — материалов, сочетающих электрические свойства полупроводников или металлов с полезными ме­ханическими или другими физическими свой­ствами полимеров и удобствами обработки пос­ледних. Анализ практических применений ПП в электронных и оптоэлектронных устройствах поз­воляет судить об их огромных потенциальных воз­можностях, хотя для их широкого всемирного признания необходимо еще решить ряд проблем, связанных со стабильностью и обработкой.

Stroble J. K., Stone R. B., Watkins S. E. An overview of biomimetic sensor technology. // Sensor Review. —2009. — Vol. 29. — Issue 2. —

P. 112—119.

Общий обзор техники построения биомиме­тических датчиков, т. е. датчиков, основанных на решениях, заимствованных у природы, для тех, кто ищет инновационные идеи для построения датчиков или информацию об исследованиях в этой области.

В этом же выпуске журнала помещена еще одна статья по этой тематике.

Bogue R. Inspired by nature: developments in biomimetic sensors. P. 107—111.

Недавние исследования и разработки в области датчиков с использованием различных биомимети­ческих концепций, включая изготовление искусст­венных органов восприятия, эмуляцию восприятия человеком, новые использования биологических структур и систем с биологически-инспирирован­ным поведением.

Teles F. R. R., Fonseca L. P. Applications of polymers for biomolecule immobilization in electrochemical biosensors // Materials Science and Engineering:

C. — 2008. — Vol. 28. — Issue 8. (1 December). — P. 1530—1543.

Обзор современного состояния и основных новаций, связанных с использованием проводя­щих полимеров для иммобилизации биомолекул в электрохимических биодатчиках.

Watson B., Friend J., Yeo L. Piezoelectric ultrasonic micro/milli-scale actuators // Sensors and Actuators A: Physical. — 2009. — Vol. 152. — Issue 2 (18 June). — P. 219—233.

Анализ физических принципов, используемых для построения исполнительных элементов (ИЭ), выявил перспективность построения необходи­мых для многих применений ИЭ с объемом менее

1 мм3 на основе пьезоэлектрических ультразвуко­вых ИО, а также позволил построить их новую классификацию, которая облегчает оценку свойств отдельных видов таких ИЭ, областей их перспек­тивного применения и определение направлений дальнейших исследований.

Ziegler S., Woodward R.C., Iu H. H.-C., Borle L. J.

Current sensing techniques: A review // Sensor Journal, IEEE. — 2009. — Vol. 9. — Issue 4 (April). —

P. 354—376.

Всесторонний обзор состояния современных методов восприятия, в котором современные сен­соры каталогизированы в соответствие с лежащи­ми в их основе физическими принципами с целью выявления их сильных и слабых сторон.

КОНФЕРЕНЦИИ, СИМПОЗИУМЫ, СЕМИНАРЫ (январь—июнь 2010 г.)

Название

Дата

Место

Дополнительная информация

IEEE Sensors Applications Symposium (SAS' 2010)

23—25 February

Limerick, IRELAND

/

SMART SYSTEMS INTEGRATION 2010. European Conference & Exhibition on Integration Issues of Miniaturized Systems - MEMS, MOEMS, ICs and Electronic Components

23—24 March

Como, ITALY

http://www.mesago.de/en/ SSI/main.htm

Measurement Science Conference

22—26 March

Pasadena, CA, USA

/ msc/index.html

MELECON 2010. The 15th IEEE Mediterranean Electrotechnical Conference

April

Valletta, MALTA

/

The 2010 IEEE International Conference on Robot­ics and Automation (ICRA 2010)

3—7 May

Anchorage, Alaska,

USA

2010 IEEE Instrumentation & Measurement Tech­nology Conference (IMTC 2010)

3—6 May

Austin, TX, USA

XVII Санкт-Петербургская международная кон­ференция по интегрированным навигационным

системам (ICINS 2010)

31 мая—2 июня

Санкт-Петербург, РОССИЯ

/cnf/icins2010/

rindex.html

Joint International Symposium on Temperature, Hu­midity, Moisture and Thermal Measurements in In­dustry and Science" (TEMPMEKO & ISHM 2010)

31 May—4 June

Portorose,

SLOVENIA

/background.html

4th Symposium on Measurement, Analysis and Mod­eling of Human Functions (ISHF 2010)

14—16 June

Prague, CZECH REPUBLIC

stanislava.papezova@fs.cvut.cz

Санкт-Петербургский государственный политехнический университет (кафедра "Измерительные информационные технологии") Российская метрологическая академия проводят

Вторую международную научно-практическую конференцию "ИЗМЕРЕНИЯ В СОВРЕМЕННОМ МИРЕ — 2009"

8—10 декабря 2009 г.

Научные направления конференции:

  1. Измерения и испытания в промышленности

  2. Измерения на транспорте

  3. Измерения в биологии и медицине

  4. Измерения в экологии и в агрофизических исследованиях

  5. Аналитические измерения

  6. "Нефизические" измерения (социология, психология, педагогика)

  7. Измерения в информатике и вычислительной технике

  8. Измерения в задачах сертификации продукции

  9. Измерения и комплексная защита объектов информатизации

  10. Новое в теории и технологии измерений

  11. Преподавание "измерительной науки" в средней специальной и высшей школе

Место проведения конференции: Санкт-Петербург, Дом ученых в Лесном по адресу: ул. Политехническая, 29.

Контакты: Тел.: (812) 534-33-02 Отдел научно-технической информации: (812) 297-60-01 — Прус Людмила Андреевна

Факс: (812) 552-85-88 E-mail: prus@, sharakhina@

Научно-техническая публицистика

УДК 681. 518. 3:378. 6

ПЕРВОМУ ВЫПУСКУ ОТЕЧЕСТВЕННЫХ ИНЖЕНЕРОВ-ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЕЙ — 80 ЛЕТ

В. Г. Кнорринг

В 1929 г. Ленинградский политехнический институт выпустил первых советских инженеров, специализировав­шихся по электроизмерительной технике. С того времени коллектив кафедры электроизмерительной техники (ныне — кафедра измерительных информационных технологий) этого института воспитал много выдающихся инженеров.

Зимой 1929—1930 гг. Электромеханический факультет Ленинградского политехнического ин­ститута выпустил первых в стране инженеров по специализации "Технология электроизмеритель­ных приборов и электрические измерения". Эта дата считается началом деятельности того коллектива, наследницей которого является нынешняя кафед­ра Измерительных информационных технологий факультета Технической кибернетики Санкт-Пе­тербургского политехнического университета.

Публикаций по истории этой известной в стране кафедры довольно много, вплоть до кан­дидатской диссертации ее выпускницы А. А. Ми-тичук. Например, шестидесятилетнему юбилею первого выпуска была посвящена статья [1]. Что­бы отметить новый юбилей, не повторяя того, что было уже многократно опубликовано, просто на­зовем основателей коллектива кафедры и пере­числим некоторых замечательных выпускников.

Родоначальником электроизмерительного об­разования в Санкт-Петербургском, а затем Ле­нинградском политехническом институте явился выдающийся электротехник, член-корреспондент АН СССР, Герой социалистического труда Миха­ил Андреевич Шателен. Он же стал одним из ини­циаторов создания кафедры, однако сам не вошел в формирующийся коллектив. Ядро коллектива составили ученики Михаила Андреевича: выпус­кник 1918 г. Николай Николаевич Пономарев и вы­пускники 1921 г. Евгений Георгиевич Шрамков и Самуил Маркович Шрейбер. В 1930 г. к ним присо­единился выпускник 1927 г. Афроим Моисеевич Ту-ричин, впоследствии крупнейший специалист по электрическим измерениям неэлектрических ве­личин — тем самым датчикам, которым посвящен наш журнал. По-видимому, некоторую роль в формирующемся коллективе сыграл выпускник 1913 г. Марк Львович Цуккерман.

К сожалению, С. М. Шрейбер, специализиро­вавшийся в области измерений мощности и энер­гии, уже в 1932 г. покинул Политехнический ин­ститут и перевелся в Москву, а впоследствии был расстрелян. М. Л. Цуккерман, первый директор и научный руководитель знаменитой Отраслевой лаборатории измерений (ОЛИЗ), в том же 1932 г. перешел в ЛЭТИ и уже не вернулся в Политехни­ческий институт (с 1945 г. он заведовал кафедрой в ЛИТМО). А. М. Туричин только в 1939 г. полу­чил должность доцента и не претендовал на руко­водящую роль. Поэтому главными действующими лицами, вокруг которых сформировался коллек­тив кафедры, следует считать высококвалифици­рованного электротехника и приборостроителя Н. Н. Пономарева и Е. Г. Шрамкова, занимавше­гося измерениями характеристик ферромагнит­ных материалов. Для дальнейшей судьбы кафедры важным стало то, что в 1931 г. приглашенный С. М. Шрейбером крупный специалист по элект­рическим измерениям неэлектрических величин Георгий Павлович Кульбуш начал читать соответс­твующий курс, а затем организовал лабораторию.

В первом выпуске инженеров-электроизмери­телей (1929 г.) выделялся Лавр Николаевич Штей-нгауз. Ему принадлежит ряд изобретений, в част­ности, в новой тогда области телеметрии.

Это было время реформ высшей школы. Как раз в 1929 г. было отменено дипломное проекти­рование, и студенты могли оканчивать институт в течение всего года, по мере готовности; поэтому нумеровать последующие выпуски сложно. Более того, в 1930 г. ряд крупных институтов нашей страны был расформирован. Это коснулось и Ле­нинградского политехнического института, но не прервало работу по формированию коллектива кафедры.

В 1930 г., когда Электромеханический факуль­тет Ленинградского политехнического института временно стал самостоятельным Ленинградским электромеханическим институтом (ЛЭМИ), из его стен вышли, в числе других инженеров, Павел Николаевич Горюнов, Лазарь Львович Крапивен­ский, Константин Борисович Карандеев, Алек­сандра Владимировна Миткевич и Яков Шулимо-вич Авербух.

Павел Николаевич Горюнов, сын рабочего-ко­нопатчика, еще будучи студентом занялся науч­ной работой в области измерений мощности и энергии. Этой тематике были посвящены его кан­дидатская (1937) и докторская (1956) дисертации.

Он в течение ряда лет, с перерывом на годы Великой Отечественной войны, преподавал на ка­федре, затем участвовал в создании Рязанского Радиотехнического института (РРТИ), налажи­вал работу в Харбинском политехническом инс­титуте и, наконец, возглавил лабораторию этало­нов постоянного напряжения и тока во ВНИИМ им. Д. И. Менделеева.

Павел Николаевич награжден орденами "Знак Почета", Трудового Красного Знамени, медалями.

Столь же талантливый Лазарь Львович Крапи­венский тоже преподавал на кафедре. В капиталь­ном коллективном труде "Электрические и магнит­ные измерения. Общий курс", вышедшем в 1937 г., он занял первое место по числу написанных па­раграфов, опередив даже Е. Г. Шрамкова, воз­главлявшего коллектив авторов.

Лазарь Львович с 1941 по 1946 гг. служил в действующей армии; был награжден орденом Красной Звезды. Вернувшись на кафедру, он за­щитил кандидатскую диссертацию. Однако в 1951 г. его перевели в Томский политехнический институт им. С. М. Кирова, и больше на кафедре он не работал.

Константин Борисович Карандеев уже в первые годы работы в ЛЭМИ заявил о себе рядом публи­каций, преимущественно в области телеметрии. Однако вскоре он ушел из коллектива. Во время Великой Отечественной войны К. Б. Карандеев занимал руководящие должности в метрологичес­ких инстиутах Ленинграда и Москвы. Затем он (как и Л. Н. Штейнгауз) был направлен в освобож­денный от немцев Львов. В 1951 г. К. Б. Карандеев стал доктором технических наук; в 1957 г. — чле­ном-корреспондентом АН УССР.

Активно участвуя в создании Сибирского от­деления Академии Наук СССР, К. Б. Карандеев организовал и возглавил научно-исследователь­ский Институт автоматики и электрометрии, а также кафедру Измерительных информационных систем в Новосибирском электротехническом ин­ституте и кафедру Автоматизации физико-техни­ческих измерений в Новосибирском государс­твенном университете; создал журнал "Автомет­рия"; стал членом-корреспондентом АН СССР и был награжден орденом Ленина.

Александра Владимировна Миткевич, дочь ака­демика Владимира Федоровича Миткевича, дол­гое время преподавала на Электромеханическом факультете. В послевоенные годы она выполнила длительное и кропотливое исследование стабиль­ности постоянных магнитов, стала доктором тех­нических наук.

Яков Шулимович Авербух (в некоторых источ­никах даются инициалы Я. С.) работал на заводе "Электроприбор" и в созданной на его базе ОЛИЗ. Накануне Великой Отечественной войны он был послан в Краснодар для ускорения пуска строившегося завода измерительных приборов ЗИП, а в ноябре 1941 г. вместе с заводом был эва­куирован в Омск.

Выпускник ЛИТМО Е. П. Разгуляев, бывший начальник СКБ Омского ЗАО ПО "Электро-точприбор" (наследника эвакуированного ЗИП), обнаружил архивный документ, согласно которо­му Я. Ш. Авербух в составе группы специалистов весной 1943 г. участвовал в подготовке по заданию правительства предложений по послевоенному раз­витию электроприборостроения. Впоследствии они были в основном реализованы.

Позже Я. Ш. Авербух занимал должность глав­ного конструктора на Киевском заводе "Точэлек-троприбор", затем был ведущим сотрудником ле­нинградского завода "Вибратор". Он стал лауреа­том Государственной премии СССР.

В 1931 г. среди выпущенных ЛЭМИ инжене­ров были Константин Павлович Широков и Дмитрий Иванович Зорин.

Константин Павлович Широков, еще будучи студентом, начал научную работу в Электрофизи­ческом институте, где разработал ряд электроиз­мерительных приборов. В 1938 году ему присуж­дена ученая степень кандидата технических наук; в 1964 г. — ученая степень доктора технических наук без защиты диссертации. В послевоенные го­ды он стал одним из ведущих метрологов-теоре­тиков страны, активно участвовал в работе меж­дународных метрологических организаций: ИСО, МЭК, МОЗМ, руководил Национальным техни­ческим комитетом ТК-25 МЭК по "Величинам, единицам и буквенным обозначениям".

Дмитрий Иванович Зорин после окончания ин­ститута работал во Всесоюзном институте метро­логии и стандартизации — ВИМС (с 1934 г. — ВНИИМ), в ряде других организаций.

С 23 июня 1941 г. по ноябрь 1945 г. Д. И. Зо­рин служил в действующей армии, был награжден орденом Красной Звезды и медалями. Затем его деятельность была связана главным образом с ВНИИМ им. Д. И. Менделеева, где он в 1951 г. за­щитил кандидатскую диссертацию.

В 1945—1950 гг. Д. И. Зорин преподавал в ЛИТМО, а в 1954 г. вернулся на выпустившую его кафедру, где стал одним из ведущих и любимей­ших преподавателей. Он не был доктором техни­ческих наук и не оставил фундаментальных книг, зато выполнил ряд разработок, внедренных на заводах "Эталон" и "Точэлектроприбор": это ма­газины сопротивлений, наборы образцовых кон­денсаторов, электронно-лучевые указатели рав­новесия, мостовые измерительные установки, термоэлектрические приборы. Он занимался так­же измерениями длины путем счета интерферен­ционных полос.

В 1932 г. ЛЭМИ окончили Валентин Осипович Арутюнов, Абрам Маркович Дамский, Алексей Ананьевич Андреев и Андрей Владимирович Фремке.

Валентин Осипович Арутюнов начал инженер­ную деятельность в ОЛИЗ как приборостроитель, конструктор, изобретатель, и одновременно пре­подавал в ЛЭМИ, где организовал лабораторию телеметрии.

В 1940 г. В. О. Арутюнов защитил кандидатс­кую диссертацию в той же области телеметрии по актуальной тогда теме: "Суммирование показаний измерительных приборов". Но в начале июня 1941 г. он, как и Я. Ш. Авербух, был направлен приказом Наркома в Краснодар, а в ноябре 1941 г. эвакуи­рован в Омск. Уже в январе 1944 г. его вернули в Ленинград на должность начальника производства и заместителя главного инженера завода № 531 (с 1956 г. завод "Вибратор"), а в марте он возоб­новил педагогическую работу.

В 1948 г. В. О. Арутюнов в составе коллектива разработчиков переносного восьмивибраторного осциллографа МПО-2 был удостоен Сталинской премии, и в этом же году защитил докторскую диссертацию — "Основные вопросы общей теории и новый принцип осуществления логометров".

В 1956 г. В. О. Арутюнов возглавил ведущее метрологическое учреждение страны — ВНИИМ им. Д. И. Менделеева, организовал в нем работу по ряду новых научных направлений. Он пред­ставлял отечественную метрологию и в междуна­родных организациях, участвовал в создании Международной конфедерации по измерительной технике и приборостроению (ИМЕКО). Вместе с тем он продолжал преподавать в Ленинградском политехническом институте. Им написаны и из­даны десять основательных монографий и учеб­ников. Валентин Осипович награжден орденами Ленина, Октябрьской революции и медалями.

Абрам Маркович Дамский окончил ЛЭМИ в один день с В. О. Арутюновым и тоже работал в ОЛИЗ, а затем во Всесоюзном институте электро­измерительных приборов — ВИЭП, в который была преобразована ОЛИЗ в январе 1941 г. В де­кабре 1942 г., когда на базе оставшейся в Ленин­граде части ВИЭП был создан завод № 531, он был назначен директором завода и работал в этой должности до декабря 1975 г.

В блокадном Ленинграде А. М. Дамский нашел набор подготовленной к печати фундаментальной коллективной книги, написанной перед войной под редакцией его учителя, погибшего от голода Н. Н. Пономарева, — "Теория, расчет и констру­ирование электроизмерительных приборов", — и в 1943 г. она была издана Лениздатом.

В 1948 г. А. М. Дамский, вместе с В. О. Ару­тюновым и другими разработчиками осциллогра­фа МПО-2, был удостоен Сталинской премии.

Всего под руководством А. М. Дамского было разработано и запущено в серийное производство более 400 типов новых электроизмерительных приборов. Одновременно А. М. Дамский препо­давал на выпустившей его кафедре, передавая сту­дентам богатый заводской опыт.

Абрам Маркович был награжден орденами Отечественной войны II степени, Красной Звез­ды, орденом "Знак Почета", орденами Трудового Красного Знамени, Октябрьской революции, ря­дом медалей.

Алексей Ананьевич Андреев выделяется среди вы­пускников кафедры тем, что он стал трижды лау­реатом Сталинской премии (1949, 1951, 1953 гг.). Его творческая деятельность неразрывно связана с заводом "Пирометр" — заводом 218 Министер­ства авиационной промышленности, ставшим после ряда преобразований Государственным Спе­циальным конструкторским бюро систем контро­ля и автоматизации ГСКБ СКА. Сейчас преемни­ком этих организаций является Ленинградское научно-производственное объединение "Буре­вестник".

Под руководством А. А. Андреева разработан целый ряд серий малогабаритных автоматических приборов для измерения, регистрации и регули­рования различных физических величин. Он вы­полнял работы для первой в мире атомной элек­тростанции, первого в мире атомного ледокола

"Ленин".

А. А. Андреев награжден двумя орденами Тру­дового Красного Знамени и несколькими медаля­ми, им опубликованы две монографии по автома­тическим приборам.

Андрей Владимирович Фремке еще студентом начал работать в ОЛИЗ, с 1933 г. одновременно преподавал в ЛЭТИ, а с 1938 г. стал работать там постоянно. В 1940 г. он защитил кандидатскую диссертацию, а в 1947 г. — докторскую. После смерти первого заведующего электроизмеритель­ной кафедрой ЛЭТИ — Евгения Антоновича Свир-ского — Андрей Владимирович Фремке возглавил эту кафедру и руководил ею с 1949 по 1978 гг.

Им написан ряд получивших широкую изве­стность учебных пособий по телеизмерениям, а также организован авторский коллектив неод­нократно переиздававшегося учебника по элект­рическим измерениям.

1932—1933 гг. стали временем определенного упорядочения после решительных реформ преды­дущих лет. В частности, в приказе № 20 от 29 фев­раля 1932 г. по ЛЭМИ были впервые объявлены "штаты и личный состав" профессорско-препода­вательских кадров по всем кафедрам института, в том числе по кафедре "Электрические измере­ния". Ее заведующим стал Е. Г. Шрамков, кото­рый прежде был руководителем специализации. Это было первое официальное упоминание ка­федры, фактически уже сложившейся.

В 1932 г. было заново введено дипломное про­ектирование, и выпускники следующих лет уже защищали допломные проекты.

В 1933 г. окончила ЛЭМИ Ирина Ивановна Иванова. Она, единственная из преподавателей и научных сотрудников кафедры, оставалась в Ле­нинграде во все время блокады, выполняла ответс­твенные оборонные задания, первой приступила к восстановлению лабораторной базы. В конце 1952 г. она защитила кандидатскую диссертацию " Исследование магнитоупругого датчика как пре­образователя механической величины в электричес­кую", стала одним из ведущих доцентов кафедры. Ирина Ивановна оставила ценные воспомина­ния о жизни кафедры в предвоенные и военные годы [2].

В том же 1933 г. окончил институт по специ­альности "Технология электроизмерительных при­боров и электрические измерения" Георгий Алек­сандрович Титов, который стал заместителем пред­седателя Госплана СССР по технике.

В 1934 г. среди выпускников кафедры была Вера Владимировна Ковалевская, внучатная пле­мянница знаменитой Софьи Ковалевской. После окончания института она работала в НИИ теле­механики (который был организован политехни­ком выпуска 1907 г. А. А. Чернышевым), участво­вала в разработке ряда телеметрических систем, а в послевоенное время руководила приборостро­ительной лабораторией в Институте электроме­ханики, занималась преподавательской деятель­ностью.

1934 г. явился заметным рубежом в истории института: в этом году из остатков Политехничес­кого института был образован единый Ленинград­ский индустриальный институт — ЛИИ (в ноябре 1940 г. ему было возвращено прежнее название: Ленинградский политехнический институт имени М. И. Калинина). ЛЭМИ снова стал Электроме­ханическим факультетом.

В 1936 г. среди выпускников кафедры был Бо­рис Абелевич Селибер. Вся его трудовая деятельность связана с ОЛИЗ — ВИЭП — заводом № 531 — за­водом "Вибратор". В июле 1941 г. вместе с частью сотрудников ВИЭП он был эвакуирован в Са­ранск, но в конце 1943 г. был переведен в Ленин­град на должность главного конструктора завода № 531 (там квалифицированные кадры были нуж­нее). О подвиге ленинградских приборостроите­лей в годы Великой Отечественной войны он сам рассказал в статье [3]. В числе разработчиков ос­циллографа МПО-2 в 1948 г. он получил Сталин­скую премию, а в 1977 г. — Государственную пре­мию за разработку комплекса аналоговых сигна­лизирующих контактных приборов АСК.

В 1939 г. институт с отличием окончила Ксения Прокопьевна Маракулина (впоследствии, по мужу — Дьяченко), дочь крестьянина-середняка. Прора­ботав по распределению всего полгода, она пос­тупила в аспирантуру кафедры, а в 1940 г. уже чи­тала лекции по телеметрии. В марте 1942 г. Ксе­ния Прокопьевна вместе с институтом была эвакуирована в Пятигорск, а за день до появления там немцев вышла из города в составе пешей группы сотрудников и добралась до Ташкента, ку­да в конечном итоге перебазировались эвакуиро­ванные политехники.

В августе 1944 г. немногие эвакуированные со­трудники кафедры вернулись в Ленинград, а уже в декабре Ксения Прокопьевна защитила канди­датскую диссертацию "Универсальный ламповый прибор для электрических измерений без разрыва це­пи тока". В следующем году ей был поручен курс "Электронные и ионные приборы" — так нача­лось развитие научной школы измерительной электроники на кафедре.

Ксению Прокопьевну знали все кафедры стра­ны, выпускавшие инженеров по электрическим измерениям: она была бессменным ученым сек­ретарем Научно-методического совета Минвуза по этой специальности.

В 1941 г. в числе других инженеров кафедра выпустила Льва Александровича Островского и Вячеслава Васильевича Орешникова.

Л. А. Островский стал одним из первых пос­левоенных аспирантов кафедры — в аспирантуру он поступил в ноябре 1946 г.

В пятидесятые годы коллектив кафедры, по­мимо прикладных работ, занимался интенсив­ными поисками научных основ специальности. Одним из результатов этих поисков стала книга Л. А. Островского "Основы общей теории элект­роизмерительных устройств" — фактически пер­вая в стране работа такой направленности, — вы­шедшая двумя изданиями (1965 и 1971 гг.) в СССР и напечатанная также в переводе на немецкий в Германской демократической республике.

Вячеслав Васильевич Орешников стал органи­затором и первым директором Всесоюзного науч­но-исследовательского института электроизмери­тельных приборов — ВНИИЭП (сейчас — АООТ НИИ "Электромера"), работы которого обеспе­чивали научную базу для электроприборострои­тельной промышленности Советского Союза.

В 1950 г. окончили институт и были оставлены в аспирантуре Павел Дмитриевич Пресняков и Петр Васильевич Новицкий. Оба они поступили в институт в предвоенные годы, прошли Великую Отечественную войну и продолжили учебу в 1945 г.

Павел Дмитриевич Пресняков уже в конце 1941 г. был тяжело ранен и потерял ногу. Инсти­тут он окончил с отличием и в 1954 г. защитил кандидатскую диссертацию в области телеиз­мерений. Он успешно работал на международ­ном уровне (был членом рабочей группы подко­митета 13 МЭК), но научной школы на кафедре не создал.

Петр Васильевич Новицкий, напротив, стал фактическим научным лидером коллектива ка­федры [4]. Кандидатскую диссертацию (по индук­тивным датчикам) он защитил в 1953 г., в это же время начал читать мощный четырехсеместровый курс измерительной электроники, а в 1959 г. со­здал научную группу для разработки частотных датчиков и частотно-цифровой измерительной аппаратуры, предполагая написать по этой теме докторскую диссертацию. Частотно-цифровая те­матика стала основной для кафедры на многие го­ды, сам же Петр Васильевич уже в 1961 г. увлекся кибернетикой и теорией информации, и в 1965 г. защитил докторскую диссертацию " Некоторые вопросы информационной теории измерительных ус­тройств".

С этого времени, не прекращая руководить прикладными разработками, он в основном стал заниматься теоретическими вопросами: вероят­ностно-статистической теорией распределений погрешностей; квалиметрией средств измерений и характеристиками их нестабильности; "логи­кой" (в нынешней терминологии — интеллектуа­лизацией) измерений при автоматизированном эксперименте; планированием эксперимента и обработкой данных.

В каждой из этих областей он сумел сказать новое слово и воспитал учеников, причем не толь­ко на кафедре и даже не только в разных городах Советского Союза, но и за рубежом.

Петр Васильевич был награжден орденом Красной Звезды и медалями; он стал заслужен­ным деятелем науки и техники Российской Феде­рации (1993), действительным членом Метроло­гической академии (1992).

В 1952 г. окончил институт еще один фрон­товик — Михаил Михайлович Фетисов, ставший преемником А. М. Туричина в области датчико-вой техники. Он развивал идею компенсационных датчиков для различных измеряемых величин, в частности, с уравновешивающими сигналами специальной формы; воспитал ряд учеников. В 1962—1964 гг. М. М. Фетисов в качестве экс­перта ЮНЕСКО работал в Бомбейском техноло­гическом институте. К сожалению, преждевре­менная смерть в 1970 г. не позволила ему реали­зовать многочисленные и оригинальные научные замыслы.

Михаил Михайлович был награжден орденом Красной Звезды и медалями.

В 1954 г. среди выпускников была Елена Сера­фимовна Левшина, ученица и сотрудница М. М. Фе­тисова и П. В. Новицкого. Кандидатскую диссер­тацию (по компенсационным датчикам) она за­щитила в 1962 г., а в дальнейшем участвовала в написании ряда крупных коллективных учебных пособий, выходивших под редакцией П. В. Но­вицкого, в частности, двух посмертных изданий книги А. М. Туричина "Электрические измерения неэлектрических величин" (1966 и 1975 гг.). Она явилась и основным автором учебного пособия по датчикам (Левшина Е. С., Новицкий П. В. Элект­рические измерения физических величин: Измери­тельные преобразователи. — Л.: Энергоатомиздат, Лен. отд., 1983. — 320 с.).

В 1956 г. институт окончили Эдуард Михайло­вич Шмаков, Галина Анатольевна Михайлова (впоследствии, по мужу — Кондрашкова), Вадим Глебович Кнорринг, Ирина Аркадьевна Зограф и Георгий Григорьевич Степаненков.

Эдуард Михайлович Шмаков был принят ассис­тентом на кафедру в 1957 г. Кандидатскую дис­сертацию он защитил в 1970 г., по датчикам для измерения параметров взрывной волны в водона-сыщенных грунтах. Эта работа определила его дальнейший творческий путь. С 1975 г. он начал целеустремленно работать над докторской дис­сертацией по автоматизации проектирования дат­чиков.

В 1987 г. Э. М. Шмаков стал заведующим ка­федрой, истории которой посвящена эта статья; в 1988 г. — одним из проректоров института. В 1992 г. он был избран действительным членом Метрологической академии и членом-коррес­пондентом Петровской академии наук и ис­кусств. Им был создан при кафедре Специализи­рованный центр защиты информации в сетях и системах, впоследствии выросший в самостоя­тельную кафедру.

Докторскую диссертацию "Компьютерные тех­нологии проектирования датчиков механических ве­личин" Э. М. Шмаков защитил в 1995 г. В ней была предложена оригинальная концепция сочетания инженерной и творческой составляющих проек­тирования. Вероятно, Эдуард Михайлович видел и дальнейшие пути развития этого направления, но в январе 1997 г. скоропостижно скончался.

Галина Анатольевна Кондрашкова в 1963 г. за­щитила кандидатскую диссертацию по частотно-цифровой тематике П. В. Новицкого и некоторое время работала на кафедре под его руководством над новыми теоретическими проблемами. С 1983 г. она начала заведовать кафедрой Автоматизации производственных процессов Ленинградского тех­нологического института целлюлозно-бумажной промышленности (сейчас — Санкт-Петербург­ский государственный технологический универ­ситет растительных полимеров); в 1986 г. стала до­ктором технических наук. Галина Анатольевна — действительный член Метрологической академии и Международной академии информационных процессов и технологий, член ряда других научных организаций. В 1999 г. она была удостоена звания "Заслуженный работник высшей школы РФ".

Вадим Глебович Кнорринг в 1966 г. тоже защи­тил кандидатскую диссертацию по частотно-циф­ровой тематике П. В. Новицкого, и далее само­стоятельно развивал эту тематику. Следуя тради­циям кафедры, продолжавшей поиск научных основ специальности, докторскую диссертацию в 1990 г. он защитил на тему: " Совершенствование основных понятий теории измерений на базе разра­боток в области цифровой измерительной техники иразвития теории шкал". В 1993 г. В. Г. Кнорринг стал действительным членом Метрологической академии.

Ирина Аркадьевна Зограф, дочь профессо­ра-гидротехника Аркадия Аркадьевича Сабанее­ва, защитила кандидатскую диссертацию по ядер­ному магнитному резонансу в 1970 г., много лет проработала на кафедре доцентом, а из ряда дру­гих таких же выпускников выделяется как наибо­лее верный сотрудник и соавтор П. В. Новицкого. Особо следует отметить, что она участвовала в на­писании трех последних крупных работ Петра Ва­сильевича: двух изданий книги " Оценка погреш­ностейрезультатов измерений" (1985 и 1990 гг.) и, главное, уникальной по содержанию монографии: Новицкий П. В., Зограф И. А., Лабунец В. С. Дина­мика погрешностей средств измерений. (Л.: Энерго-атомиздат, Лен. отд., 1990. — 192 с.), до сих пор недостаточно оцененной измерительным сооб­ществом.

Георгий Григорьевич Степаненков связал свою инженерную и научную деятельность с заводом (впоследствии Ленинградским производствен­ным объединением, а сейчас — ОАО) "Вибратор". Он работал там в различных должностях, в частнос­ти, был главным инженером, генеральным дирек­тором, главным конструктором; с 1988 г. — испол­нительный директор. Г. Г. Степаненков в 1971 г. защитил кандидатскую диссертацию по электро­статическим киловольтметрам до 300 кВ. В 1977 г. ему присуждена Государственная премия как од­ному из руководителей работы по созданию, ос­воению промышленного производства и широко­му внедрению комплекса аналоговых сигнализи­рующих контактных приборов АСК.

Георгий Григорьевич награжден орденом "Знак Почета" и медалями.

В 1959 г. в составе группы выпускников были Валерий Дмитриевич Мазин, Евгений Петрович Осадчий и Анатолий Иванович Тихонов.

Валерий Дмитриевич Мазин, оставленный на кафедре инженером, начинал научную деятель­ность как ученик М. М. Фетисова. Темой его кан­дидатской диссертации (1969) были компенсаци­онные вибродатчики. Датчиковой аппаратурой Валерий Дмитриевич занимался и в дальнейшем. Однако работать над докторской диссертацией он начал в области теории погрешностей с привле­чением понятий проективной геометрии, пришел к оригинальной интерпретации физической вели­чины как вектора риманова пространства и раз­работал соответствующий метод анализа погреш­ностей. В итоге его докторская диссертация (1994) получила обобщенное название "Геометрические аспекты измерений".

В 1999 г. В. Д. Мазин стал действительным членом Метрологической академии.

Евгений Петрович Осадчий и Анатолий Ивано­вич Тихонов после окончания института работали вместе под Москвой в НИИ измерительной техни­ки, потом в Пензенском филиале этого института (впоследствии — НИИ физических измерений), и, наконец — в Пензенском политехническом инсти­туте (сейчас — Пензенский государственный уни­верситет), где Е. П. Осадчий стал заведующим ка­федрой Автоматики и телемеханики, а А. И. Ти­хонов — профессором той же кафедры.

Е. П. Осадчий уже в ноябре 1962 г. (через три года после окончания института!) был назначен заместителем директора Пензенского филиала НИИ измерительной техники по научной работе, и, работая в этой должности, в дополнение к по­лученным в институте глубоким знаниям транзис­торной электроники и датчиковой техники, раз­вил широкий научный кругозор.

В 1966 г. Евгений Петрович защитил канди­датскую, а в 1970 г. — докторскую диссертацию. В 1974 г. он перешел в Политехнический институт, где организовал подготовку специалистов по дат­чикам и создал отраслевую лабораторию "Сред­ства восприятия информации".

Е. П. Осадчий возглавил авторский коллектив единственной в своем роде книги (Проектирова­ние датчиков для измерения механических величин / Под ред. Е. П. Осадчего. — М.: Машиностроение, 1979. — 480 с).При создании в 1992 г. Метроло­гической академии он стал одним из ее вице-пре­зидентов.

В 1960 г. окончил институт по нашей специ­альности и был оставлен на кафедре Геннадий Николаевич Солопченко. В 1964 г. он перешел в Ленинградский институт авиационного прибо­ростроения, а в 1969 г. — во ВНИИ электроизме­рительных приборов (ВНИИЭП), где прошел путь от заведующего лабораторией до главного метролога. В 1971 г. Г. Н. Солопченко защитил кандидатскую, а в 1990 г. — докторскую диссер­тацию " Метрологический анализ измерительно-вы­числительных комплексов", в которой развил мето­ды повышения точности результатов измерений математическими средствами. Он стал одним из вице-президентов Метрологической академии. С 1992 г. Геннадий Николаевич снова работает на кафедре.

В 1962 г. окончил институт и поступил в аспи­рантуру Валентин Сергеевич Гутников. Он был учеником и последователем П. В. Новицкого в об­ласти электроники, частотных датчиков и теоре­тических основ измерительной техники.

В 1965 г. В. С. Гутников защитил кандидатс­кую диссертацию по частотно-цифровой тематике и организовал на кафедре научную группу, зани­мавшуюся разработкой измерительных устройств сначала на транзисторной, а затем на микроэлек­тронной элементной базе. Прибор Ф206, выпуск которого на омском заводе "Электроточприбор" был начат в 1975 г., явился одним из первых в Со­ветском Союзе серийных цифровых приборов, предназначенных для измерения неэлектрических величин.

Написанные В. С. Гутниковым книги по при­менению интегральных микросхем в измеритель­ной технике стали классическими по четкости из­ложения и тщательному отбору материала. Особо следует упомянуть изданную совместно с соавто­рами из Германии книгу по "Электронике сен­соров" (Gutnikov V. S., Lenk A., Mende U. Sensor­elektronik. Primerelektronik von Messwertaufnehmern. Berlin: VEB Verlag Technik, 1984. — 260s.).

В 1984 г. В. С. Гутников защитил докторскую диссертацию. Он стал действительным членом Метрологической академии, а в 1999 г. ему было присвоено звание "Заслуженный деятель науки Российской Федерации".

С 1997 г., после скоропостижной смерти Эду­арда Михайловича Шмакова, Валентин Сергеевич стал заведующим кафедрой и оставался им до собс­твенной трагической смерти 12 декабря 2005 г.

Список опубликованных научных работ В. С. Гутникова содержит более 250 наименова­ний, в том числе более 100 авторских свидетельств на изобретения.

В 1973 г. окончила институт Галина Федоровна Рыбакова (впоследствии, по мужу — Малыхина). Некоторое время она работала в Особом конс­трукторском бюро (ОКБ) технической кибернети­ки, потом вернулась на кафедру и прошла все сту­пени должностной лестницы от инженера до ве­дущего научного сотрудника.

С 1984 г. Галина Федоровна — кандидат тех­нических наук. В 1996 г. она защитила докторскую диссертацию "Разработка методов и средств ин­теллектуализации измерений в задачах определения свойств технических объектов", и далее продолжи­ла работу в самых передовых направлениях алго­ритмического обеспечения измерительных про­цессов. В начале 2006 г., после смерти В. С. Гутни-кова, она стала заведующей кафедрой.

В 1981 г. среди выпускников кафедры была Людмила Васильевна Черненькая. В 1986 г. она за­щитила кандидатскую диссертацию по виброчас­тотным емкостным датчикам с газовой пружи­ной, но затем увлеклась актуальными проблема­ми менеджмента качества, и в 1998 г. защитила докторскую диссертацию "Автоматизированное управление качеством производства". Она актив­но участвовала в организации нового для Поли­технического университета Факультета иннова-тики, а в настоящее время является директором Корпоративного центра качества.

Конечно, выше были перечислены далеко не все выдающиеся питомцы кафедры — даже не все вышедшие из ее стен доктора наук, в частности, выпускники последних десятилетий (будем наде­яться, что большие достижения у них еще впере­ди). Наверное, следовало упомянуть иногородних аспирантов, например, таких как Эдуард Констан­тинович Шахов и Юрий Алексеевич Пасынков, со­здавших научные школы соответственно в Пензе и Новосибирске, а также иностранных аспирантов, таких как почетный доктор СПбГПУ Хассан Бадри Аль-Рише, который стал министром образования Сирии, а потом послом этой страны в России.

Но представляется, что сказанное уже дает представление о том замечательном отряде специ­алистов и ученых, который был воспитан кафед­рой за истекшие 80 лет.

ЛИТЕРАТУРА

  1. Новицкий П. В., Кнорринг В. Г., Шмаков Э. М. Научная школа Ленинградского политехнического института им. М. И. Калинина // Приборы и системы управления. — 1989. — № 9. — С. 4—6.

  2. Иванова И. И. Предвоенные и военные годы кафедры ИИТ. Воспоминания // Научно-технические ведомости СПбГТУ. — 2005. — № 3. — С. 86—92.

  3. Селибер Б. А. Электроприборостроители — фронту в Ве­ликую Отечественную войну // Приборы и системы уп­равления. — 1985. — № 4. — С. 1—3.

  4. Гутников В. С., Кнорринг В. Г. Научные школы Петра Ва­сильевича Новицкого // Научно-технические ведомости

СПбГТУ. — 2005. — № 3. — С. 79—85.

Вадим Глебович Кнорринг — д-р техн. наук, профессор кафедры Измерительных информационных технологий Санкт-Петербург­ского государственного политехнического университета.

тел.: (812) 247-60-01

Хроника

УДК 681.5.08.06.053

ДОКЛАДЫ НА НАУЧНЫХ КОНФЕРЕНЦИЯХ ПО ИЗМЕРЕНИЯМ (Нижний Новгород, декабрь 2008 г. — июнь 2009 г.)

С. А. Лабутин

Представлен обзор докладов по измерениям в очных и заочных всероссийских научно-технических конферен­циях, организуемых Нижегородским научным и информационно-методическим центром "Диалог" и институтом радиоэлектроники и информационных технологий Нижегородского государственного технического университета им. Р. Е. Алексеева.

Рассматриваемые в этом обзоре доклады заоч­ных конференций по измерениям опубликованы в сборниках материалов конференций "Инфор­мационные технологии в науке, проектировании и производстве", "Методы и средства измерений физических величин", "Современные проблемы математики и естествознания", "Современные промышленные технологии". Институтом ра­диоэлектроники и информационных технологий Нижегородского государственного технического университета в апреле 2009 г. была проведена оч­ная XV Международная научно-техническая кон­ференция "Информационные системы и техноло­гии" (ИСТ-2009).

Рязанский государственный радиотехнический университет. Трудности при определении удель­ной бета-активности атмосферного воздуха [1] возникают из-за короткого времени жизни про­дуктов распада радона и наличия нескольких ра­диоактивных элементов с различными периодами полураспада. Для перехода от абсолютной актив­ности фильтра, задерживающего радиоактивные аэрозоли атмосферного воздуха со стопроцентной эффективностью, к удельной активности атмос­ферного воздуха нужно активность фильтра от­нести к единице объема прокачанного воздуха и учесть, что во время прокачивания воздуха до мо­мента измерения происходит распад радиоактив­ных ядер, оседающих на фильтр.

Окончательное выражение для определения удельной бета-активности атмосферного воздуха можно записать в виде

Q= At+ A teX

V( 1 -e-lt)

где At+ At — абсолютная бета-активность фильтра через t+ At минут после начала прокачивания воз­духа через фильтр; X — постоянная распада бе­та-активных изотопов, осажденных на фильтре;

At— время, прошедшее с момента окончания прокачивания воздуха через фильтр до середины интервала времени измерения активности филь­тра; t— время от начала прокачивания воздуха че­рез фильтр до окончания прокачивания; V— ско­рость прокачивания воздуха в литрах в минуту.

Средние значения Q, полученные на откры­том воздухе и внутри помещения оказались раз­личными, что можно объяснить дополнительным вкладом внутри помещений излучения от естест­венных радионуклидов, которые содержатся в строительных материалах стен, полов и т. д.

Нижегородский государственный технический университет. В работе [2] предлагается для изме­рения уровня жидкости использовать импуль­сный рефлектометр пикосекундного диапазона. Авторы рассмотрели возможность применения для этих целей отечественного импульсного реф­лектора пикосекундного диапазона — измерителя неоднородностей волнового сопротивления высо­кочастотных линий и трактов СВЧ-линий Р5-15. В линию передачи поступает импульс с временем нарастания 0,09 нс, амплитудой 0,2 В, частотой следования 100 кГц. Исходный и отраженный им­пульсы поступают на встроенный стробоскопи­ческий осциллограф и блок цифрового отсчета, которые позволяют измерить время движения им­пульса до неоднородности и обратно. Таким об­разом, измерение расстояния до неоднородности производится с точностью до одного сантиметра. Сделан вывод о возможности разработки на осно­ве Р5-15 или его упрощенного импортнозамеща-ющего варианта уровнемера.

Для решения задачи суммирования погреш­ностей или определения погрешности косвенных измерений при наличии известных корреляцион­ных связей между отдельными погрешностями требуется моделирование этих погрешностей с учетом известных корреляционных связей и гис­тограмм распределений этих погрешностей [3].

Метод получения систем коррелированных слу­чайных величин описывается в книге [4], но при­веденные там формулы содержат ошибку, так как допускают отрицательные значения подкоренных выражений. В докладе [5] предлагается модифи­кация этих формул без отрицательных значений подкоренных выражений.

В работе [6] описана программа генерации не­скольких взаимно коррелированных выборок случайных чисел с использованием программного пакета MATLAB (возможно применение этого же кода в свободном программном пакете SCILAB), позволяющая решать задачу суммирование пог­решностей или определять погрешность косвен­ных измерений при наличии известных корреля­ционных связей между отдельными погрешностя­ми [3]. Коэффициенты взаимной корреляции представлены корреляционной матрицей. Полу­чена гистограмма и определены математическое ожидание и среднеквадратическое отклонение для случайной величины f= xyzот трех входных параметров x, yи z, имеющих нормальное распре­деление, единичную дисперсию и разные матема­тические ожидания.

Цель работы [7] — исследование геометричес­ких параметров качества материалов сложной структуры (на примере блочного пенополиурета­на), разработка методики их определения по ви­деоизображению. Созданная в Учебно-научном центре машиностроения при НГТУ эксперимен­тальная установка (система технического зрения) осуществляет захват и обработку изображений блочного пенополиуретана. Основными парамет­рами оценки качества материала являются: размер ячейки, однородность структуры, плотность, вес.

В ходе работы с серией опытных образцов ма­териала с различным размером ячейки исследова­ния зависимостей геометрических характеристик материала от структуры его изображения прово­дились статистическими, частотными и нейросе-тевыми методами [8]. Оценка точности определе­ния исследуемых параметров производилась в сравнении с результатами их ручного измерения.

Бийский технологический институт АлтГТУ. Эффективным методом анализа зашумленных сигналов при эхолокации твердотопливных энер­гетических установок на полимерных композици­онных материалах является вейвлет-анализ, кото­рый в ряде случаев обладает наилучшими филь­трационными свойствами. В работе [9] проведено имитационное сравнение точности определения временного положения эхоимпульса с использова­нием в качестве базисной функции самого сигнала и его приближенных представлений. Применение вейвлет-анализа с использованием адаптирован­ного базиса, построенного по предложенной схе­ме, позволяет значительно улучшить как обнару­жение, так и определение времени прихода эхо-импульса, а значит и точность измерения.

Казанский государственный энергетический уни­верситет. В работе [10] описана система монито­ринга параметров микроклимата среды для измере­ния, хранения и передачи в компьютер обработки метеорологических данных, построенная на осно­ве микроконтроллера [11]. Для измерения метро­логических данных используются цифровые дат­чики температуры воздуха, атмосферного давле­ния и влажности, для передачи — интерфейс USB.

Новизна заключается в разработке виртуаль­ного прибора для мониторинга основных пара­метров микроклимата на основе измерительной технологии LabVIEW. Разработанная система мо­жет быть использована для мониторинга в музеях, инкубаторах, библиотеках, хранилищах различ­ных материалов и т. д.

Нижегородский научно-исследовательский при­боростроительный институт "Кварц", Нижего­родский научно-исследовательский институт изме­рительных систем им. Ю. Е. Седакова. В работе [12] рассмотрены методы и пути создания лазер­ных доплеровских виброметров, измеряющих па­раметры колебаний объектов с диффузионно-отра-жающей поверхностью. Показано, что эти методы основаны на принципах лазерной спекл-интерфе-рометрии для объектов с оптически грубой повер­хностью.

На основании расчетно-теоретических дан­ных создана модель виброметра, позволившая провести экспериментальную проверку расчетов и показать возможность получения доплеровского сигнала более чем на 10 м.

ОАО "ЦНИТИ Техномаш" (г. Москва). Обеспе­чение электромагнитной совместимости (ЭМС) различной радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) и электрорадиоизделий (ЭРИ), входящих в ее со­став, требует создания и промышленного выпуска нетрадиционной измерительной техники, особого испытательного оборудования и программного обеспечения для моделирования электромагнит­ных полей (ЭМП). В настоящее время существует широкий спектр программных комплексов, реша­ющих те или иные задачи проектирования РЭА ВЧ- и СВЧ-диапазонов, расчета параметров ЭМП, создаваемых различными источниками, а также обеспечения ЭМС [13].

Московский государственный технический уни­верситет им. Н. Э. Баумана. Теплопрочностные испытания должны обеспечивать воспроизведе­ние распределенных по конструкции объекта ис­пытаний полей и нагрузок с высокой точностью и синхронностью. В сообщении [14] описана мно­гоканальная система автоматического управления теплопрочностными испытаниями (ОАО ВПК "НПО машиностроения") с адаптивным регуля­тором и самонастройкой регулятора на основе оп­тимальной фильтрации Калмана. Регулятор поз­воляет отслеживать значительные изменения ха­рактеристик объекта управления и обеспечивает заданное качество управления практически на всех этапах испытания.

Для первоначальной настройки регулятора ис­пользуется математическая модель теплообмена между нагревателем, рефлектором и объектом ис­пытаний. Начальная настройка параметров регу­лятора на модели позволила значительно повы­сить точность регулирования на начальном этапе теплопрочностных испытаний. В дальнейшем, после накопления значительной базы данных по испытаниям, планируется обработка этих данных самообучающимся алгоритмом на основе нейрон­ных сетей.

Система, построенная на нескольких контрол­лерах фирмы National Instruments (программная часть реализована на языке LabVIEW) позволила значительно улучшить качество теплопрочностных испытаний современной ракетной техники.

Институт прикладной физики РАН (Нижний Новгород). В сообщении [15] описан новый способ анализа многокомпонентных жидкостей на осно­ве сенсорного устройства с получением "элект­ронных подписей" жидкостей для их идентифика­ции и паспортизации. Основу метода составляет регистрация динамики сложных процессов само­организации высыхающих капель, критичных к составу структуре жидкости, в виде акустомехани-ческого импеданса (АМИ), что позволяет полу­чать количественные различия между сравнивае­мыми жидкостями для контроля их качества пу­тем сравнения с эталоном.

Специальное программное обеспечение позво­ляет в автоматическом режиме производить пара­метризацию формы кривых и представлять массив данных на плоскости признаков с информацией об их статистическом различии друг с другом и этало­ном. Приводятся примеры возможности использо­вания технологии в оценке качества соков, вин, мо­лочных продуктов и лекарственных средств.

В докладе [16] описан измерительный комп­лекс для исследования динамики веса и темпера­туры высыхающих капель многокомпонентных жидкостей. Для измерения веса капли в процессе высыхания использовалось измерение смещения упругого подвеса в виде тонкой упругой проволоки длиной около 10 см с одним жестко закрепленным концом, на котором размещалась стеклянная под­ложка с сохнущей каплей. Смещение другого кон­ца проволоки-подвеса измерялось с помощью бес­контактного ультразвукового измерителя-локатора [17], имеющего линейную характеристику "выход­ной сигнал-смещение". Сигнал смещения, про­порциональный весу капли, регистрировался в ви­де кривой с помощью программного обеспечения комплекса. Весь тракт измерителя веса капли был предварительно откалиброван по эталонам веса.

Проведено сопоставление данных динамики веса, температуры и АМИ для разных этапов вы­сыхания капель.

В докладе [18] описан цифровой фазовраща­тель для задач нелинейной акустической диагнос­тики материалов и конструкций, схема которого позволяет легко устанавливать и изменять шаг сдвига, осуществлять реверсивное управление (ручное или автоматическое) и изменение фазы с заданной скоростью.

Принцип работы основан на синхронном с фронтами сигнала частоты fj/Ni изменении логи­ческого уровня на выходе элемента "исключаю­щее ИЛИ" в зависимости от логического уровня на его втором "управляющем" входе. Устройство используется при решении задач обнаружения трещин в объекте и исследовании нелинейных свойств материалов.

В сообщении [19] приведены результаты экспе­риментального исследования метода нелинейного фазового контраста для получения визуализиро­ванного изображения микрообъектов и структур с использованием тепловой нелинейности жидкос­тных сред, расположенных в Фурье-плоскости объектива. Требуемый сдвиг фаз достигается пу­тем выбора соответствующей интенсивности све­та, поступающей в нелинейную среду. В качестве источника излучения применялся одномодовый He-Ne-лазер. Нагрев среды ячейки не превышал долей градуса. В работе использовались как мо­дельные прозрачные объекты (запыленные суб­микронные слои на кварцевые подложки), так и естественные (воздушные потоки). Во всех случа­ях получены визуализированные изображения микрообъектов и структур хорошего качества.

ОАО ЦНИТИ "Техномаш", Владимирский фи­лиал. Авторами доклада [20] разработана методика прогнозирования работоспособности приборов и радиоэлектронных устройств с учетом тепловых воздействий на основе программной системы АСОНИКА-Т. Разработанные методики теплового расчета подтверждаются практическими исследо­ваниями и внедрены в подсистему АСОНИКА-М.

В сообщении [21] отмечается, что усталость яв­ляется причиной 80 % отказов электронных эле­ментов. В технических заданиях на разработку бор­товых электрорадиоизделий (ЭРИ) звуковое давле­ние, создаваемое акустическим шумом (до 175 дБ в диапазоне частот от 10 до 10000 Гц) может привести к существенным поломкам в аппаратуре, в том чис­ле усталостным, из-за резонансных колебаний.

В настоящее время при проектировании при­боров в большинстве случаев не учитываются ус­талостные разрушения выводов ЭРИ при механи­ческих воздействиях.

Анализ работоспособности ЭРИ с учетом уста­лостной прочности выводов реализован в составе специализированной автоматизированной подсис­темы АСОНИКА-ТМ, позволяющей в интерактив­ном режиме проектировать и осуществлять анализ сложных печатных узлов, содержащих большое ко­личество радиоэлементов различного вида.

ООО "Интермодуль" (Нижний Новгород). При создании систем комплексной автоматизации электроэнергетических объектов главным требо­ванием является обеспечение надежности и живу­чести всех локальных систем, входящих в АСУТП. Объединение контроллеров, устройств сопряже­ния с автоматизированными электроприводами и интеллектуальными датчиками в информацион­но-управляющие сети производится на основе "физического" интерфейса RS-485 с протоколами Modbus, Profibus или CAN.

В докладе [22] рассмотрено несколько харак­терных примеров успешной реализации фирмой "Интермодуль" проектов и технических решений АСУТП электроэнергетики с использованием се­тей Ethernet, а именно, в АСУ водооборотными системами с вентиляторными градириями, систе­мах диспетчеризации и управления трансформа­торными подстанциями и распределительными пунктами, сети передачи данных для Нижегород­ского метрополитена, АСУ работой станций водо-подачи и канализационных насосных станций, в АСУ технологическими линиями по подготовке и сжиганию древесных отходов Балахнинского бум-комбината в котле-утилизаторе.

ЛИТЕРАТУРА

  1. Соколов А. П., Бобров Б. С. Определение удельной бета-активности атмосферного воздуха // Тез. докл. XXI Все­росс. науч.-техн. конф. "Методы и средства измерений физических величин". Матер. ВНТК (Computer-Based Conferences). — Нижний Новгород: ННИМЦ "Диалог",

2009. — С. 18.

  1. Важдаев В. А., Мешков А. Н., Шишко В. И. Импульсный рефлектор пикосекундного диапазона в качестве уровне­мера жидкостей // Тез. докл. XXI Всеросс. науч.-техн. конф. "Методы и средства измерений физических вели­чин". Матер. ВНТК (Computer-Based Conferences). —

Нижний Новгород: ННИМЦ "Диалог", 2009. — С. 20.

  1. Лабутин С. А., Пугин М. В. Суммирование случайных пог­решностей измерений и анализ погрешностей косвенных измерений методом Монте-Карло // Измерительная тех­ника. — 2000. — № 11. — С. 6—9.

  2. Ермаков С. М., Михайлов Г. А. Статистическое моделиро­вание. — М.: Наука, 1982. — 296 с.

  3. Лабутин С. А. Уточненные формулы для получения сис­тем коррелированных величин // Тез. докл. XXIII Все­росс. науч.-техн. конф. "Современные проблемы матема­тики и естествознания". Матер. ВНТК (Computer-Based Conferences). — Нижний Новгород: ННИМЦ "Диалог",

2009. — С. 23.

  1. Львов А. В. Программа генерации нескольких взаимно­коррелированных выборок случайных чисел // Тез. докл. XXVI Всеросс. науч.-техн. конф. "Информационные тех­нологии в науке, проектировании и производстве". Ма­тер. ВНТК (Computer-Based Conferences). — Нижний

Новгород: ННИМЦ "Диалог", 2009. — С. 8.

  1. Егорушкин Е. О. Оптический метод контроля качества ма­териалов ячеистой структуры // Тез. докл. XXV Всеросс. науч.-техн. конф. "Информационные технологии в науке, проектировании и производстве". Матер. ВНТК (Computer-Based Conferences). — Нижний Новгород:

ННИМЦ "Диалог", 2008. — С. 25.

  1. Прэтт У. Цифровая обработка изображений. В 2-х книгах.

Пер. с англ. — М.: Мир, 1982. Кн. 1. — 312 с. Кн. 2. — 480 с.

  1. Александрович В. М., Ефимов В. Г., Попов В. И. Метод пос­троения базиса вейвлет-преобразования для задач ультра­звуковой толщинометрии // Тез. докл. XXV Всеросс. на­уч.-техн. конф. "Информационные технологии в науке, проектировании и производстве". Матер. ВНТК (Computer-Based Conferences). — Нижний Новгород:

ННИМЦ "Диалог", 2008. — С. 22.

  1. Шаров В. А., Абраров Т. А. Измерительная система монито­ринга основных параметров микроклимата на основе ин­формационных технологий // Тез. докл. XX Всеросс. науч. -техн. конф. "Методы и средства измерений физических ве­личин". Матер. ВНТК (Computer-Based Conferences). —

Нижний Новгород: ННИМЦ "Диалог", 2008. — С. 22.

  1. Евстифеев А. В. Микроконтроллеры AVR семейства Tiny и Mega фирмы ATMEL. — М.: Додэка-XXI, 2007. — 560 с.

  2. Краснощеков И. П., Пихтелев А. И., Самойлов А. Н., Пих­телев Н. А. Принципы построения оптических систем ла­зерных доплеровских измерителей вибрации // Тез. докл. XV Междунар. науч.-техн. конф. "Информационные сис­темы и технологии" (ИСТ-2009). — Нижний Новгород:

НГТУ, 2009. — С. 34.

  1. Шалумов А. С., Куликов О. Е. Обзор современных програм­мных комплексов для расчета параметров электромагнит­ных полей // Тез. докл. XV Междунар. науч.-техн. конф. "Информационные системы и технологии" (ИСТ-2009). —

Нижний Новгород: НГТУ, 2009. — С. 56—57.

  1. Задорожная Н. М., Лунев А. А. Разработка адаптивной системы управления теплопрочностными испытаниями // Тез. докл. XV Междунар. науч.-техн. конф. "Информаци­онные системы и технологии" (ИСТ-2009). — Нижний

Новгород: НГТУ, 2009. — С. 152—153.

  1. Яхно Т. А., Санин А. Г., Санина О. А., Яхно В. Г. Новая техно­логия оценки качества многокомпонентных жидкостей // Тез. докл. XV Междунар. науч.-техн. конф. "Информаци­онные системы и технологии" (ИСТ-2009). — Нижний

Новгород: НГТУ, 2009. — С. 155—156.

  1. Санина О. А., Казаков В. В., Санин А. Г., Яхно Т. А., Ях­но В. Г. Комплекс для исследования динамики веса и температуры высыхающих капель многокомпонентных жидкостей // Тез. докл. XV Междунар. науч.-техн. конф. "Информационные системы и технологии" (ИСТ-2009). —

Нижний Новгород: НГТУ, 2009. — С. 157.

  1. Казаков В. В. Ультразвуковые фазовые и модуляционные средства измерения для неразрушающего контроля мате­риалов и конструкций: Автореф. дисс. ... д-ра техн. наук. —

Нижний Новгород: НГТУ, 2009. — 31 с.

  1. Казаков В. В. Цифровой фазовращатель для задач нели­нейной акустической диагностики материалов и конс­трукций // Тез. докл. XV Междунар. науч. - техн. конф. "Информационные системы и технологии" (ИСТ-2009). —

Нижний Новгород: НГТУ, 2009. — С. 158.

  1. Бубис Е. Л. Наблюдение потоков методом Цернике с фо­тотермической ячейкой // Тез. докл. XIV Всеросс. науч.-техн. конф. "Современные промышленные технологии". Матер. ВНТК (Computer-Based Conferences). — Нижний

Новгород: ННИМЦ "Диалог", 2009. — С. 26.

  1. Соколов А. Д., Шалумов А. С. Разработка методики прогно­зирования работоспособности приборов с учетом тепловых воздействий // Тез. докл. XV Междунар. науч.-техн. конф. "Информационные системы и технологии" (ИСТ-2009). —

Нижний Новгород: НГТУ, 2009. — С. 191—192.

  1. Першин Е. О., Шалумов А. С. Разработка методики про­гнозирования работоспособности приборов с учетом уста­лостной прочности выводов электрорадиоизделий // Тез. докл. XV Междунар. науч. - техн. конф. "Информацион­ные системы и технологии" (ИСТ-2009). — Нижний Нов­город: НГТУ, 2009. — С. 192—193.

  2. Киянов Н. В., Крюков О. В., Прибытков Д. Н. Особенности коммуникационных сетей для управления электроэнерге­тическими объектами // Тез. докл. XV Междунар. науч.-техн. конф. "Информационные системы и технологии"

(ИСТ-2009). — Нижний Новгород: НГТУ, 2009. — С. 118—120.

Сергей Александрович Лабутин — д-р техн. наук, профессор Ни­жегородского государственного технического университета.

E-mail: labutin-sergei@

Испытания и сертификация датчиков, отраслевые стандарты

ВНЕСЕНЫ В ГОСУДАРСТВЕННЫЙ РЕЕСТР СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ (по состоянию на 01.01.2008)

Всероссийский научно-исследовательский институт метрологической службы (ВНИИМС)

Москва, ул. Озеpная, д. 46, тел. 437-28-65, e-mail: gosreestr@

ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ДВИЖЕНИЯ

№ Гос­реестра

Наиме­нование СИ

Тип СИ.

ТУ на выпуск

Применение. МПИ

Изготовитель

№ серти­фиката

Поверка

36115-07

Комплексы автоматизи­рованные измери­тельные

"Автономная метеорологи­ческая стан­ция АМК-03" АМЯ

2.702.089 ТУ

Для измерения метеорологиче­ских параметров воздушной сре­ды: температуры, скорости и на­правления ветра, относительной влажности, атмосферного давле­ния; используется при проведе­нии гидрометеорологических ра­бот, для автоматизированного контроля параметров воздушной среды в свободной атмосфере, в удаленных или труднодоступных производственных помещениях, в технологических объемах воздуха. Диапазон измерения температуры воздуха 50...50 °С. МПИ — 1 год

ООО "Сибана-литприбор"

634055, г. Томск,

пр. Академиче­ский, 10/3. Тел. (3822)

49-18-85; факс 49-19-88

29530 (до 01.11.2012)

АМЯ 2.702.089 Д1

ИМКЭС СО

РАН, г. Томск, 634055, пр. Ака­демический,

10/3

тел. (3822) 492-265, факс: 491-950

29530/1 (до 01.11.2012)

27263-07

Комплексы измерения скорости и регистра­ции виде-оизображе-ния транс­портных средств

Искра-видео ТУ 4573-007­31002820-03

Для измерения скорости, визуаль­ного наблюдения объекта на экране монитора и фиксации информации с целью контроля режима дорожно­го движения сотрудниками Госу­дарственной инспекции безопаснос­ти дорожного движения. Диапазон измерения скорости, км/ч: 20...250;

10...300. МПИ — 2 года

ООО "Сими-

кон" 194044, СПб, ул. Мен­делеевская, 8. Тел.:

(812) 245-00-09;

факс: 324-61-51

26836 (до 01.03.2012)

ГДЯК 468162.005 МП

31901-06

Комплексы сейсмомет­рические наблюде­ний изме­рительные

КСНИ-

ВНИИГ

ТУ 4314-04­00129716-05

Для измерения и регистрации сейсмических сигналов на про­мышленных и гражданских объек­тах. Диапазон амплитуд измеряе­мых сигналов 1...10000 мВ - с.

МПИ — 2 года

ОАО "ВНИИГ

им. Б. Е. Ведене­ева" 195220,

СПб, Гжатская ул., д. 21

24197 (до 01.07.2011)

КСНИ.04.0 0 МП

33062-06

Комплексы тахометри-ческие

ИЦФР.402141.

001

ИЦФР.402141. 001 ТУ

Для измерения частоты вращения валов агрегатов, содержащих зубча­тые колеса из ферромагнитных ма­териалов, с индикацией частоты вращения на четырехразрядные цифровые табло и преобразованием частоты вращения в унифициро­ванные сигналы постоянного тока 4...20 или 0... 5 мА. Диапазон изме­рения частот вращения, об/мин: для числа зубьев от 12 до 60 — 10...10000; для числа зубьев 120 — 10...5000. Погрешность ±1 об/мин. МПИ — 1,5 года

НПК ФГУП "РФЯЦ-ВНИИ ЭФ" 607190,

г. Саров, Нижегородская обл., ул. Же­лезнодорожная,

4/1

25696 (до 01.12.2011)

ИЦФР.4021 41.001 РЭ

(раздел 4)

№ Гос­реестра

Наиме­нование СИ

Тип СИ.

ТУ на выпуск

Применение. МПИ

Изготовитель

№ серти­фиката

Поверка

21703-01

Преобразо­ватели виб­роизмери­тельные пьезо­электриче­ские

АК317,

мод. АК317-2/ 10/25/50 ТУ 4277-001­051214664-01;

20.22.00.000 ТУ

Для измерения низкочастотных вибрационных ускорений; для измерения параметров вибрации (виброускорение, виброскорость, виброперемещение) насосно-комп-рессорного оборудования нефте­перерабатывающих заводов, энер­гетического оборудования элект­ростанций и других аналогичных агрегатов в различных отраслях промышленности. Действительное значение коэффициента преобра­зования по заряду (номинальное значение), пКл-м -с2: 2; 10; 25; 50. Отклонение от действительного значения коэффициента преобра­зования по заряду от номинального значения, %: ±6; ±3. МПИ — 1 год

НКТБ "Пьезо-прибор" Ростов­ского государст­венного универ­ситета 344090, г. Ростов-на-Дону, ул. Миль-чакова, 10.

Тел.: (8632) 22-34-01; факс: 43-48-44

10666 (до 01.11.2011)

20.22.00.000. ПМ

31163-06

Преобразо­ватели виб­ропере-мещений

D-325/T-325

Для преобразования вибрации раз­личных машин и агрегатов, в частности, агрегатов роторного ти­па (газовые, паровые и гидротурби­ны, компрессоры, насосы, электро­двигатели и т. д.) в электрический сигнал. Могут быть использованы в нефтяной, газовой, энергетической и других отраслях промышленнос­ти. Диапазон измерений вибропе­ремещений (размах) 500 мкм; диа­пазон частот 0,5...1000 Гц. Номи­нальный коэффициент преобразо­вания: 8,0 мВ/мкм (выход по на­пряжению), 3,2 мА/мкм (выход по току). Отклонение коэффициента преобразования ±0,5 мВ/мкм (вы­ход по напряжению), ±0,15 мА/мкм (выход по току). МПИ — 1 год

ООО "Альконт"

109240, г. Моск­ва, ул. Верхн. Ра­дищевская, д. 4, стр. 3-4-5. (141703, г. Дол­гопрудный, МО, ул. Якова Гуни-на, д. 1)

23219 (до 01.03.2011)

Раздел РЭ

ООО "Вибро­спектр" 119048,

г. Москва,
ул. Усиевича,

д. 35, стр. 1

23219/1 (до 01.03.2011)

16075-02

Приборы вибродиаг-ности-ческие

ВИК-АНТЕС

ТУ 4277-025­00205435-02

Для измерения, запоминания и спектрального анализа с помощью ЭВМ параметров вибрации различ­ного оборудования, в том числе уз­лов газоперекачивающих агрегатов, установленных на компрессорных станциях магистральных газопро­водов; могут применяться в отрас­лях промышленности, связанных с использованием машин и агрегатов роторного типа (газовые, паровые и гидротурбины, компрессоры, насо­сы, электродвигатели и т. д.), а так­же в любых других отраслях про­мышленности, где необходимо из­мерять параметры вибрации. Диа­пазон измерений: виброускорения (ампл.), 0,5...100 м/с2; виброско­рости (СКЗ) 0,5...100 мм/с; вибро­перемещения (размах) 5...500 мкм.

МПИ — 1 год

ООО "НПП

"ВиКонт"

115563, г. Моск­ва, Борисовкий пр-д, д. 17, корп. 1, стр. 2. (115191, г. Моск­ва, Холодиль­ный пер., д. 3,

корп. 1), 115191,

Москва, а/я 65. Тел.:

(495) 955-2527; факс 955-2786

13225 (до 01.01.2012)

Раздел 4

4277-0325­00205435-02

30289-05

Приборы для измере­ния виброс­корости

Вибро-метр-К1

ТУ 4277-030­12025123-05

Для измерения среднего квадрати-ческого значения (СКЗ) виб­роскорости и могут применяться в отраслях промышленности, свя­занных с использованием машин и агрегатов роторного типа (газовые, паровые и гидротурбины, комп­рессоры, насосы, электродвигате­ли и т. д.). Диапазон измерений виброскорости (СКЗ) 1...100 мм/с.

МПИ — 1 год

ООО Производ­ственно-внедрен­ческая фирма "Вибро-Центр", г. Пермь, 614600, ул. Ки­рова, 70, офис

410 (614600,

ул. Ленина, 66.

Тел. (3422) 39-56-21)

22161 (до 01.11.2010)

4277-030­12025123-05 МП

Продолжение информации о внесенных в Госреестр средствах измерений - в последующих номерах журнала.
Датчики и Системы • № 10.2009 87

CONTENTS AND ABSTRACTS

Sidel'nikov S. I. A complex solution
to environment pollution management
problem at chemical plants
4

Design concepts of hierarchical distribut­ed systems for disposal and emission control at industrial plants are discussed. At the bottom level of the hierarchy, local process control tasks are executed based on environmen­tal-economical objective function. A situation­al decision-making support system for environ­mental security management operates at the second level, while the enterprise effluent con­trol task is solved at the top level.

Key words: decision-making support system, environmental security, fuzzy model, fuzzy con­trol, regression analysis.

Volkov V. Yu. Intelligent system for evaluating
industrial plants impact on pollutants
content in atmospheric air
10

The components and structure of an intel­ligent system for evaluating the impact of indus­trial plants on pollutants concentration in at­mospheric air are offered. The process of impact evaluation for carbon oxide is demonstrated.

Key words: measurement, degree of effect, atmospheric air, ecology, pollutants concentra­tion, intelligent system, expert system.

Belyaev Yu. I., Gerber Yu. V. A monitoring system for the distribution of gaseous substances in megapolis atmosphere . . . . 13

The paper offers a short-term prediction algorithm for evaluating the forecasts oа airflows movement. This allows to observe the distribu­tion of a gas cloud which may appear at any point of investigated area, and to simulate air­flows movement over a city district.

Key words: forecasting, algorithm, airflows movement, megapolis, atmosphere, gas cloud, environmental monitoring, reference points, or­thographic movement diagrams, experimental surveys.

Volkov V. Yu., Samorodova I. I. Optimization of a monitoring system for pollutants concentration in industrial cluster air . . . 16

A computerized system for monitoring the concentrations of five pollutants in the air of Novomoskovsk city is considered. The paper proposes to optimize the system structure for improving the reliability and accuracy of meas­urements.

Key words: measurement, air, pollutants concentration, automated system, industrial cluster.

Bogatikov V. N., Soboleva Yu. V., ProrokovА. Е.
Diagnostics of the basic equipment and control
systems conditions of industrial processes
on the basis of a safety index
18

A concept of safety index is introduced, and its application for condition diagnostics of process equipment and controls are discussed with a case study of evaporation process in caustic production.

Key words: safety index, diagnostics, mem­bership function, linguistic variable, fuzzy rela­tion, control system.

Sobolev A. V., Vent D. P. Energy-saving
controllers: tasks and structure
23

An approach to the synthesis of ener­gy-saving regulatory control systems and their structure are discussed, optimal system opera­tion criterion is formulated which ensures both energy conservation and the desirable control performance. The primary design tasks for such systems are outlined.

Key words: energy saving, optimization, chemical-engineering system, regulatory control system, tuning, non-stationary behavior, opti­mality criterion.

Ivankov V. I., Ivankova L. V., Vent D. P.
Practical issues of neutral object
parameters calculation
29

The existing lag calculation procedure for neutral objects is discussed with the introduced "ramp time" concept. A methodology for eval­uating the lag of neutral objects per valid input data according to standard calculation proce­dure is offered.

Key words: neutral object, ramp time, reset

time.

Belyaev Yu. I., Grinyuk A. V., Vnukov A. V.
Computer-based thermal conductivity meter
for 20...700 °C temperature range
32

The existing measuring techniques and devices for thermal conductivity are over­viewed. A computer-based thermal conductiv­ity meter for solids operating in 20...700 °С temperature range is considered.

Key words: thermal conductivity, thermal conductivity meters, heat-transfer monitoring, fire-resistant materials.

Belyaev Yu. I., Vent D. P., Veprentseva O. N.
Thermal control of solid samples of various
geometry..................................................... 36

The paper overviews the techniques and the market of devices for thermal control of solid materials. The key issues of thermal con­ductivity measurement for the samples with any geometryare formulated, the measurement technique is presented.

Key words: thermal conductivity measure­ment, thermal capacity measurement, nondestruc­tive thermal control, evaluation of thermal prop­erties of disk-, plate-, or ball-shaped samples.

Аzіmа Yu. I. Solving of non-stationary heat

conductivity problems with a case study

of a measuring system of a heat flow. . . . . . 39

An approach to solving interior and boundary inverse heat conductivity problems based on the integrated form of non-stationary heat conduction equation is offered. The pos­sibility of calculating the double integral w. r. t. co-ordinate per temperature measurements in specific points is shown.

Key words: differential equation, integrated form, temperature pattern, error, heat flow, heat meter, measuring system, model.

Аzіmа Yu. I. Non-stationary measuring
of a thermal conductivity of highly
heat-conducting thin samples . . . . . . . . . . . . 44

A non-stationary method for measuring thermal conductivity of highly heat-conduct­ing thin samples based on the integrated form of Fourier equation is described. Design equa­tions for rectangular plate- and disk-shape samples are derived. The influence of various factors on thermal conductivity measurement error is investigated.

Key words: differential equation, integrated form, temperature pattern, error, heat flow, heat meter, measuring system, model.

Glagolev A. E. Ultrasonic induction
parametric piezotransducers
50

Operation principle and design of new type ultrasonic induction piezotransducers with the parametric signal multiplication are described. The possibility of applying such transducers in ultrasonic monitoring of the media with high signal attenuation is demonstrated.

Key words: ultrasonic induction transducer, defectoscope sensitivity improvement.

Danilova N. L., Pankov V. V., Sukhanov V. S.
Microelectronic absolute pressure
transducer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

The designs of microelectronic absolute pressure sensors based on membrane-type sil­icon piezoresistive pressure transducer are dis­cussed. The design ensuring microelectronic transducer protection against environmental exposures is presented.

Key words: absolute pressure transducer, connecting glass, small-size piezomodule, pres­sure sensor.

Besedina K. N., Bulygina E. V., Sidorova S. A.
The technology of thin-film gas sensor
manufacture based on artificial opal
arrays. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

The investigation results of the topology of thin films formed on artificial opal substrates are presented. The possibility of using these structures for gas sensors manufacturing is shown. Gas sensor manufacture technology based on opal arrays is shown.

Key words: artificial opal array, gas sensing element, thin-film coating.

Khvalin A. L., Ovchinnikov S. V., Sotov L. S.,
Samoldanov V.
N.The primary converter
on a basis YIG-generator for measurement
of strong magnetic fields . . . . . . . . . . . . . . .57

In paper are considered questions of cre­ation of primary converters of a magnetic field on a basis магнитоуправляемых YIG-gener­ators in the environment of EDA. The results of theoretical calculations confirming possibil­ity of working out on this basis of gauges of strong magnetic fields are presented.

Key words: generators, tuning of magnetic field; a ferromagnetic resonance; the magnetic field gauge; the field transistor with a shutter of Shottki; system of the automated designing (CAD).

Lara V., Petrov I., Tuzov A. Recommendations on Endevco accelerometers selection.

Pt. 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

Application-oriented recommendations on Endevco accelerometers selection are made.

Key words: vibration accelerometer, vibra­tion parameters measurement.

Murashov V. M. KSAR-22 new generation
pneumoelectronic sorting machine . . . . .. . 62

Operation principle and design of KSAR-22 pneumoelectronic sorting machine are described. The machine is intended for au­tomatic measurement of the length and diam­eter of frictionless bearing's rollers and their further sorting.

Key words: linear dimensions measurement, pneumatic method, automatic control, KSAR-22 sorting system.

Knorring V. G. The first graduation of Russian electric measurement engineers is 80 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

In 1929, the first Soviet electric measure­ment engineers graduated from the Leningrad Technical University. From then on, the team of the Chair of Electric Measurements (now the Chair of Measuring Information Technol­ogies) has educated many renowned engineers.

Labutin S. A. An overview of contributions to measurement conferences (Nizhni Novgorod; December 2008

June 2009) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

The paper overviews the papers on meas­urements contributed to live and web conferenc­es organized by "Dialogue" Scientific and Infor­mation Center and the Institute of R. E. Alexeev Radio Electronics and Information Technolo­gies of Nizhni Novgorod State Technical Uni­versity.

1

Смотреть полностью


Скачать документ

Похожие документы:

  1. Система управления ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ И АВТОМАТИКОЙ ПАССАЖИРСКОГО ЛИФТА С ЧИСЛОМ ОСТАНОВОК ДО 32

    Руководство по эксплуатации
    ... , или недостаточная величина захода шунтов в датчик. Система возвращается в рабочее состояние после устранения ... , или недостаточная величина захода шунтов в датчик. Система возвращается в рабочее состояние после устранения ...
  2. Датчики давления курант руководство по эксплуатации мпкб 406233 002рэ 2009 г

    Руководство по эксплуатации
    ... требований п. 2.2.10. Не допускается эксплуатация датчиков в системах, в которых рабочее давление может превышать ... персоналом с регулярностью, определяемой состоянием и работой датчика и системы, в которой он применяется. В оперативном порядке ...
  3. Система забезпечення точності геометричних параметрів у будівництві геодезичні роботи у будівництві дбн в 1 3-2 2010

    Документ
    ... сигнал тривоги. 8.17 Датчики, інші прилади та устаткування системи автоматизованого моніторингу ... ). 8.19 Заміна вимірювальних датчиків системи автоматизованого моніторингу при виход ...
  4. Система управления оптическими модулями проектируемого байкальского глубоководного нейтринного телескопа НТ1000

    Выпускная квалификационная работа
    ... планируются существенные изменения в регистрирующей системе, в конфигурации установки и системе управления оптическими модулями, о ... ФЭУ, напряжения низковольтного питания ОМ, датчик температуры, система управления и мониторинга высоковольтного блока ...
  5. Міністерство освіти і науки україни одеський національний університет імені створення мікроелектронних датчиків нового покоління для інтелектуальних систем реферат

    Автореферат диссертации
    ... .1. Структурна схема інтеграції мікроелектронних датчиків в інтелектуальні системи В наступних розділах розглянемо принципи ... єво підвищити ефективність проектування датчиків. 7. Мікрохвильові датчики і системи Вперше запропоновано і розвинено теоретичн ...

Другие похожие документы..