автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Электродиффузионный преобразователь потока с магнитогидродинамическим уравновешиванием

Введение

Глава! Область и предмет исследования.

§1.1. Виды преобразователей малых колебаний.

§ 12. Основные принципы работы электродиффузионных преобразователей потока.

§ 13. Основные теоретические соотношения.

§ 14. Выводы и постановка задачи.

Глава II Решение задачи нахождения катодного тока и передаточной характеристики электродиффузионного преобразователя переменного потока на основе двумерной модели.

§ 2.1. Двумерная геометрическая модель.

§ 22. Нахождение поля скоростей потока электролита.

§ 2.3. Нахождение поля концентраций электроактивного иона.

§ 2.4. Определение переменного диффузионного тока и передаточной характеристики электродиффузионного преобразователя потока.

§2.5. Выводы.

Глава Ш Электроднффузионный преобразователь потока с электронной цепью обратной связи.

§ 3.1. Структурная схема.

§ 3.2. Анализ структурной схемы электродиффузионного преобразователя с обратной связью.

3.2.1. Устойчивость и частотные характеристики.

3.2.2. Температурная стабильность.

3.2.3. Передаточная характеристика по скорости.

§3.3. Выводы.

Глава 1У Экспериментальная проверка частотных и температурных характеристик электродиффузионного преобразователя потока.

§ 4.1. Автоматизированная измерительная установка для исследования характеристик электродиффузионного преобразователя потока.

4.1.1. Аналоговый блок.

4.1.2. Программа получения и обработки данных.

4.1.3. Оценка точности автоматизированной экспериментальной установки.

§ 4.2. Частотные характеристики электродиффузионного преобразователя потока.

4.2.1. Частотные характеристики без обратной связи.

4.2.2. Частотные характеристики с обратной связью.

4.2.3. Частотные характеристики в режиме измерения скорости.

4.2.4. Температурная стабильность.

§ 4.3. Оценка возможности влияния емкости двойного слоя на передаточную характеристику электродиффузионного преобразователя потока.

§4.4. Выводы. ПО

Выводы

Электродиффузиошвые преобразователи потока (ЭДИП) основаны на использовании электрохимических реакций и процессов конвективной диффузии у поверхности электрода. Поскольку величина протекающего при этом диффузионного тока сильно зависит от скорости движения электролита в узком рабочем канале таких преобразователей, они используются в качестве чувствительных элементов электродиффузионных датчиков (ЭДД), предназначенных для измерения параметров, приема или регистрации слабых линейных или угловых колебаний различной природы - механических, в частности сейсмических, гидро- или газодинамических, акустических и т.п. - в области низких и инфранизких частот.

Такие датчики обладают рядом важных достоинств, которые особенно существенно проявляются на инфранизких частотах. Это высокая чувствительность при небольших габаритах и весе, простота конструкции, малое потребление энергии, отсутствие подвижных деталей и ущ)угих подвесов, что обеспечивает высокую надежность, ударную и вибрационную прочность. Порог чувствительности, например, электродиффузионных угловых и линейных акселерометров, может достигать величин порядка 10' рад/с или м/с соответственно при динамическом диапазоне до 80 дБ.

Электродиффузионные датчики могут с успехом использоваться в качестве высокочувствительных измерителей малых инфра-низкочастотных колебшшй ускорения или скорости, давления или его градиента в системах управления и ориентации различных объектов (надводных, подводных, аэрокосмических, платформ солнечных батарей и т.п.).

В последнее время повышенный интерес к датчикам малых колебаний инфранизких частот проявляется в связи с хфоблемой предупреждения техногенных аварий и экологических катастроф. Известно, что опасным природным явлениям (землетрясениям, извержениям вулканов, цунами, ураганам), а также разрушениям крупногабаритного оборудования и сооружений (турбин, котлов, нефте- и газопроводов, АЭС, плотин, мостов, шахт и т.п.) предшествуют микроколебания в диапазоне частот от 1 до 0,01 и менее герц. Автоматизированный мониторинг этих колебаний, контроль их уровня во многих случаях могут с успехом использоваться для прогноза и принятия мер по предотврап];ению либо самих аварийных ситуаций, либо их разрушительных последствий.

Отличительной особенностью инфранизкочастотных колебаний природного или искусственного происхождения является их сравнительно малое пространственное затухание, благодаря чему они могут приниматься на больших расстояниях от места возникновения и использоваться в качестве носителя определенной информации.

Во всех этих случаях могут успешно применяться электродиффузионные датчики.

В то же время широкое использование и производство электродиффузионных датчиков лимитируется весьма ограниченным частотным диапазоном, а также значительной зависимостью параметров от температуры. Необходимое рассмотрение путей улучшения этих характеристик электродиффузионного датчика осложняется, в частности, и недостаточным совершенством теории таких датчиков, которая в некоторых отношениях оказывается не вполне адекватной реальным характеристикам. Так, согласно одномерной модели Ларкама теоретическая передаточная характеристика электродиффузионного преобразователя потока (определяющего основные свойства ЭДД) спадает по модулю в области верхних частот пропорционально f и имеет максимальный фазовый сдвиг -7с/4. Между тем реальный спад характеристик электродиффузионного преобразователя потока с ростом частоты происходит существенно быстрее, а фазовый угол может значительно превышать -пИ.

Таким образом, исследования, направленные на развитие теории и улучшение характеристик электродиффузионного преобразователя потока, имеют очевидную актуальность.

В связи с этим целью работы было расширение частотного диапазона и повышение температурной стабильности электродиффузионного преобразователя потока.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующих выносимых на защиту результатах.

1. На основе решения краевых задач найдено распределение переменных скоростей и концентраций электроактивного вещества в межэлектродном пространстве двумерной модели электродиффузионного преобразователя потока с плоскопараллельными сеточными катодами.

2. Определены теоретические частотные зависимости катодных токов и передаточные характеристики электродиффузионного преобразователя потока с учетом найденного распределения скоростей и концентраций.

3. Предложена и исследована схема ЭДПП с магнигогидродинамиче-ским уравновешиванием, позволяющая распшршъ частотный диапазон и температурную стабильность электродиффузионного датчика. Показано, что при этом один и тот же магнитогидродинами-ческий преобразователь может одновременно использоваться в цепи уравновешивания и для имитации внешнего воздействия на датчик.

4. С помощью созданной автоматизированной измерительной установки, включающей виртуальные измерительные средства Lab View, показано соответствие экспериментальных частотных и температурных характеристик ЭДПП теоретическим результатам.

Практическая значимость работы определяется тем, что полученные теоретические результаты позволяют достаточно адекватно выражать основные характеристики электродиффузионных датчиков, количественно оценивать пути их дальнейшего совершенствования, а предложенная схема ЭДПП с магнитогидродинамическим уравновешиванием дает возможность улучшить метрологические характеристики таких датчиков, расширить их область применения.

Результаты исследований используются в работе "Разработка научных основ создания высокочувствительных электродиффузионных датчиков инфранизкочастотных механических колебаний (сейс-модатчиков) для прогнозирования экологических катастроф и техногенных аварий", выполняемой по гранту "Программы развития при-орвггетных направлений науки в Республике Татарстан на 2001-2005 ГГ.", а также в учебном процессе КГТУ им. А.Н.Туполева по специализации "Электронная информационно-измерительная техника".

Основные положения диссертационной работы были представлены в докладах на 7-ом Международном Фрумкинском симпозиуме (Москва, 2000 г.), на 4-ой Международной конференции "MHD at dawn of 3"'** Millennium" (Франция, Гренобль 2000г.), на XIII научно-технической конференции с участьем зарубежных специалистов "Дат-ЧИК-200Г (Украина, Судак, 2001г.), на 2-ой научно-технической конференции студентов и аспирантов РТФ КГТУ (Казань, 2001г.).

По результатам выполненных исследований опубликовано 8 печатных работ.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения.

выводы

1. Показана актуальность развития теории электродиффузионных преобразователей потока и улучшения их частотных и температурных характеристик.

2. Для получения более адекватных теоретических передаточных характеристик ЭДПП с дифференциальным выходом предложено использовать двумерную геометрическую модель с двумя парами плоскопараллельных сеточных электродов (катод-анод). При этом катод представлен виде параллельных цилиндров. Показана возможность исследования свойств такой модели на основе анализа ее характерной ячейки с одним полуцилиндром, ограниченной по ширине половиной пространственного периода, а по длине - промежутком от анода до центральной плоскости.

3. В результате численного решения с помощью прикладной программы АМ8¥8 гидродинамической задачи и "сшивания" его с известными аналитическими соотношениями найдено поле переменных скоростей потока в приэлектродном пространстве с учетом нестационарности поля в области верхних частот.

4. Методом конечных разностей с использованием найденного распределения скоростей решена двумерная задача конвективной диффузии, позволившая определить поля распределения постоянной и переменной концентраций электроактивного вещества и по ним - численные комплексные значения катодных токов в широкой области частот. Полученные амплитудо- и фазочастотные зависимости этих токов существенно отличаются от результатов, соответствующих одномерной модели: в области высоких частот спад АЧХ обратно пропорционален первой степени частоты, а фазовый угол стремится к -к.

5. В результате анализа полученных численных значений было показано, что с ростом частоты на диффузионный ток начинают оказывать влияние все новые факторы: вначале - в основном лишь диффузионный процесс, затем эффект уменьшения колебательной скорости вблизи катода и наконец - нестационарность поля скоростей. С учетом этих факторов была получена аппроксимирующая аналитическая частотная зависимость плотности катодного тока и передаточная характеристика ЭДПП,

6. Предложена схема ЭДПП с магнитогидродинамическим уравновешиванием. Проведено ее теоретическое исследование. Получены условия устойчивости, частотные характеристики ЭДПП с обратной связью и их зависимость от температуры. Показано, что схема позволяет многократно расширить частотный диапазон, уменьшить температурную зависимость и увеличить динамический диапазон преобразователя.

7. Предложено использование дифференциатора в цепи обратной связи, позволяющего существенно повысить равномерность передаточной характеристики электродиффузионного датчика колебаний по скорости. Показано, что один и тот же магнитогидродинамиче-ский преобразователь может использоваться и в цепи уравновешивания, и для имитации внешнего воздействия на датчик.

8. Создана автоматизированная экспериментальная установка с применением виртуальных измерительных средств ЬаЬУ1е\¥, позволяющая получать передаточные характеристики электродиффузионного преобразователя потока и способная проводить измерения при различных температурах.

9. С помощью созданной автоматизированной измерительной установки получены экспериментальные частотные характеристики электродиффузионного преобразователя потока при отсутствии и наличии магнитогидродинамического уравновешивания при различных температурах. Показано их соответствие полученным теоретическим результатам.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Содержание диссертации изложено в следующих работах:

1. Вяселев М.Р., Ермолин В.И., Мифтахов А.Г., Урманчеев Л.М., Нургалиев М.И. Датчик параметров механических колебаний. Патент РФ №2152044, Москва, 2000.

2. Вяселев М.Р., Мифтахов А.Г., Султанов Э.И. Развитие теории электродиффузионных датчиков малых механических колебаний // Проблемы энергетики. Известия вузов, 2001, № 5-6., с. 126-136.

3. M.R. Vyaselev, A.G. Miftahov, E.I. Sultanov, L.M. Urmancheev. Development of the theory of electrodiffusion flow transducers with MHD device. // Proceedings of the 4* International Pamir Conference " MHD at down of З"' Millennium" (Giens, France, 2000), vol. 2, pp. 885-890.

4. A.G. Miftahov, E.I. Sultanov, M.R. Vyaselev The theory of electrochemical flow transducer on the basis of two-dimensional model with gauze cathodes. // Abstracts of the 7* International Frumkin Symposium, Moscow, 2000, p 204.

5. Мифтахов А.Г., Вяселев М.Р. , Нургалиев М.И. Электродиффузионный сейсмодатчик компенсационного типа. // Тезисы докладов Научно-технической конференции с участием зарубежных специалистов "Датчик -2001", Судак, 2001, с. 11-12.

6. Мифтахов А.Г., Вяселев М.Р. Исследование электродиффузионного преобразователя малых колебаний. // Тезисы докладов Второй научно-технической конференции студентов и аспирантов РТФ КГТУ им. А.Н. Туполева, Казань, 2001, с 14.

7. Мифтахов А.Г., Вяселев М.Р. Электродиффузионный датчик малых колебаний с электронной обратной связью. // Тезисы докладов Всероссийской студ. научи, конференции, Самара, 1995, с 95.

8. Мифтахов А.Г., Нургалиев М.И. Способ термокоррекции чувствительности датчика угловых колебаний// Тезисы докладов Научной конференции студентов вузов РТ, Казань, 1995, с 49.

Материалы диссертации обсуждались на 7-ом Международном Фрумкинском симпозиуме (Москва, 2000), на Научно-технической конференции с участием зарубежных специалистов "Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управленя" (Судак, 2001), на 2-ой Научно-технической конференции студентов и аспирантов РТФ КГТУ им. А.Н.Туполева (Казань, 2001).

Работа основывается на многолетних исследованиях коллектива кафедры теоретической радиотехники и электроники, начало которым было положено профессором Р.Ш. Нигматуллиным, в частности на работах М.Р. Вяселева, Э.И. Султанова, М.И. Нургалиева, Л.М. Урманчеева.

Автор глубоко признателен профессору Б.М. Графову и профессору Ю.К. Евдокимову за внимание к работе и ценные советы. Особенно мне хочется поблагодарить профессора М.Р. Вяселева за руководство и поддержку в работе, повседневное внимание и дискуссии, которые способствовали улучшению содержания диссертации. Считаю своим долгом поблагодарить доцента В.И. Ермолина за оказанные консультации в проведении экспериментов.

1. Электрохимические измерения неэлектрических величин. Под ред. П.В. Новицкого, Энергия, 1975, с259.

2. Трухачев Б.С., Удалов И. П.: Полупроводниковые тензопреобразователи. М. Энергия, 1968, 207 с.

3. Новицкий П.В., Кноррин В.Г., Гутников B.C.: Цифровые приборы с частотными датчиками. Л. Энергия, 1970, 423с.

4. Ченцов А.Н., Манасиков В.А.: Датчик угловых ускорений. Вибрационная техника, 1969, Ж, с. 66-68.

5. Конюхов Н.Е., Медников Ф.М., Нечаевский М. Л.: Электромагнитные датчики механических величин, М., Машиностроение, 1987, 51с.

6. Приборы и системы для измерения вибрации шума и удара, под ред. В.В. Клюева, том I, М., Изд. Машиностроение, 1978г.

7. Экспресс информации. Контрольно измерительная техника. №1-48, 1972-1983Г.Г.

8. В.В. Малов: Пьезорезонансные датчики. Электроатомиздат, Киев, 1989.

9. Федоров Б.Ф., Шереметьев А.Г., Умников В.Н.: Оптический квантовый гироскоп. М. Машиностроение, 1987, 251с.

10. Ю.Браславский Д. А., Логунов С.С., Пильибр Д.С.: Расчет и конструкция авиационных приборов. 1954, М., Оборонгиз, с583.

11. Датчики систем автоматического контроля и регулирования, под ред. B.C. Сотскова, 1959, М., Оборонгиз, с.583.

12. А.Г. Шереметьев: Волоконный оптический гироскоп. М. Радио и Связь. 1987.13. бычков СИ., Лукьянов Д.П., Бакаляр А.И.: Лазерный гироскоп. М. Сов. Радио, 1975г., 421.

13. Нургалиев М.И.: Разработка и исследование электрохимического датчика угловых колебаний, (диссертация на соискание ученной степени кандидата наук) К. 1992г.

14. Введение в молекулярную электронику. Под ред. Н.С. Лидоренко. М., Энергоиздат, 1984.

15. Измерение угловых ускорений. Труды метрологических институтов под. ред. Иванова В.А. М-д, Изд. Стандартов, 1973, с. 169.

16. Фиш М.Л., Лаптев Ю.В.: Диффузионные преобразователи неэлектрических величин. Киев, Техника, 1979, с 118.

17. Накоряков В.Е., Бурдуков А.П., Кашинский О.Н., Гешев П.И. Электродиффузионный метод исследования локальной структуры турбулентных течений. Новосибирск: Изд. Института теплофизики. 1986. С.247.

18. Султанов Э.И., Урманчеев Л.М., Муртазин Ш.Р. Целочисленные вычисления как инструмент аналитических решений не линейных задач. Тезисы докладов VII Всесоюзной конференции "Математические методы химии (ММХ-7), Казань, 1991.

19. Графов Б.М. //Электрохимия. 1968. Т.4. С.542.

20. Larcam C.W.: Theoretical Analysis of the Solion Palarizet Catode Aconstic Linear Transducer. J. Aconst Coc. Am. Vol. 37 №4 1965, pp 664-678.

21. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Механика сплошных сред. М.: Гос. изд. технико-теоретической литературы. 1954. С.795.

22. Вяселев М.Р., Ермолин В.И., Мифтахов А.Г., Урманчеев Л.М., Нургалиев М.И. Датчик параметров механических колебаний. Патент на изобретение №2152044 (Россия). 27.06.2000.

23. П. Хорвиц, У. Хилл.: Искусство схемотехники. Пер. с англ. под ред. ктнМ.В. Гальперина. М.: Мир, 1983 г.-Т1 598с.

24. Ф.П. Жарков, В.В. Каратаев, В.Ф. Никифоров, B.C. Панов. Использование виртуальных инструментов Lab VIEW. М.: Солон-Р, Радио и Связь, Горячая линия Телеком, 1999 - 268 с.

25. Бороков B.C., Графов Б.М., Добрынин Е.М. Электрохимические преобразователи первичной информации. М. Машиностроение, 1969.

26. Боровков B.C., Графов Б.М., Новиков А.А., Новицкий М.А., Соколов Л.А. Электрохимические преобразователи информации. М.: Наука, 1996.

27. LabView User Manual for Windows. National Instruments Corp., 1993, 507p.

28. Л.Г. Лойцянский. Механика жидкости и газа. М.-Наука, 1978, 736с.

29. M.R. Vyaselev, L.M. Urmancheev, M.I. Nurgaliev. Application of MEND phenomena in electrodiffiisional sensors of motion parameters. First Hydromag Conf "Transfer phenomena in magnetohydrodynamic and electroconducting flows" sept. 22-26,1997, Aussois

30. Б.М.Яворский, A.A. Детлаф. Справочник по физике. М.- Наука, 1964.

31. A.M. Епанепшиков, В .А. Епанешников: Программирование в среде Turbo Pascal 7.0. М., Диалог-Мифи,1995,282с.

32. Справочное руководство: Управление персональным компьютером IBM PC. М. Изд. МАИ 1992.

33. Справочник разработчика и конструктора РЭА. Элементная база. М. 1992.

34. Справочник: Аналоговые интегральные микросхемы. М. Радио и Связь.

35. H.H. Калиткин. Численные методы. М.: Наука, 1978, 512 с.

36. Дьяконов В.П., Абраменкова И.В. Mathcad 7 в математике, физике и в Internet. М.: Издательство Нолидж, 1998, 352 с.

37. СЛ. Соболев. Уравнения математической физики. М. ОГИЗ Гос. тех.-теор. лит., 1947, 440 с.

38. И.Г. Арамонович и В.И. Левин. Уравнения математической физики. М. Наука, 1969, 287 с.

39. А.А. Самарский, Е.С. Николаев. Методы решения сеточных уравнений, 1978, 592 с.

40. Н.С. Пискунов. Дифференциальное исчисление. М. Наука, 1972, 576 с.

41. Н.И. Данилина, Н.С. Дубровская, О.П. Кваша, Г.Л. Смирнов, Г.И. Феклисов. Численные методы. М. Высшая школа, 1976, 368 с.

42. А.Н. Лебедев. Моделхфование в научно-технических исследованиях. М. Радио и связь, 1989, 223 с.

43. Нигматуллин Р.Ш. Теоретическое исследование электрохимической ячейки и вопросы электроники жидкого тела. Докторская диссертация. Казань, КГУ, 1965.

44. Султанов Э.И., Елизаров А.Б. Расчет статических параметров планарного электрохимического тетрода. В сб. Микроэлектроника, 1969, Казань, КАИ, 145 с.

45. Нигматуллин Р.Ш., Султанов Э.И., Урманчеев Л.М. Эквивалентные схемы и характеристики электрохимическогоконцентрационного тетрода. Приборы и системы управления, 1975, №5, с. 27-29.

46. Справочник химика. т.З, изд. Химия, М.Л., 1964, с. 923.

47. Нургалиев М.И., Урманчеев Л.М. Вибростенд угловых колебаний. A.C. полож. реш. №4815333/10,1991.

48. Вяселев М.Р. Теория аппаратурных методов вольтамметрии. Казань: Изд-во Казан, гос. техн. ун-та, 2000. 132 с.

49. Антонцев С.П., Кажихов A.B.,Монахов В.Н. Краевые задачи механики неоднородных жидкостей. Новосибирск: Наука, 1983, 320 с.

50. Г. Шлихтинг. Теория пограничного слоя. М., Наука, 1974.

51. Ж. Джонс, К. Харроу. Решение задач в системе Турбо Паскаль. М., Финансы и статистика, 1991, 720 с.

52. Теория автоматического управления. Под ред. A.C. Шаталова. Учеб.пособие для вузов. М., Высш. школа, 1977,448 с.

53. Гитис Э.И., Данилович Г.А., Самойленко В.И. Техническая кибернетика. Учебник для радиотехнических вузов. Советское радио, 1968, 488 с.

54. Справочник. Разработчика и конструктора РЭА. Элементарная база. Книга I. М., 296 с.

55. Справочник. Разработчика и конструктора РЭА. Элементарная база. Книга П. М., 300 с.

56. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике. М.: Наука, 1974.