автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.12, диссертация на тему:Разработка алгоритмов САПР приборов шахтной акустической анемометрии

Введение

1. Состояние вопроса.

1.1 Состояние современной шахтной анемометрии.

1.1.1 Требования к контро^по вентиляции шахт.

1.1.2 Требования к анемометрическим приборам.

1.1.3 Обзор современных приборов шахтного анемометрического контроля.

1.2 Акустический способ шахтной анемометрии.

1.3 Практическое применение акустического метода измерения скорости или расхода потока.

1.4 Общие требования к САПР акустического анемометра.

1.4.1 Основы и техническое обеспечение САПР.

1.4.2 Математического обеспечения анализа в САПР.

1.4.3 Математического обеспечения синтеза в САПР.

1.4.4 Обзор методов оптимизации.

1.4.5 Системные среды и программно-методо'Геские комплексы САПР

1.5 Выводы.

2. Теоретическое описание электромеханических преобразователей акустического анемометра.

2.1 Особенности проектирования электроакустического преобразователя для датчика анемометра.

2.2 Расчет электроакустического излучателя.

2.3 Расчет электроакустического приемника.

2.3.1 Характеристики приемника, как излучателя энергии сигнала

2.3.2 Помехоустойчивость приемников.

2.4 Оценка эффективности спроектированного ЭМП преобразователя

2.4.1 Критерии эффективности пьезокерамического кольцевого преобразователя.

2.4.2 Эффективность рассчитанного ЭМП-излучателя.

2.4.3 Эффективность рассчитанного ЭМП-приемника.

2.5 Математическая модель пьезокерамического преобразователя для автоматизированного проектирования канала акустического анемометра.

2.6. Выводы.

3. Экспериментальное исследование характеристик пьезоэлектрических кольцевых преобразователей акустического анемометра.

3.1 Исследование влияния параметров окружающей среды на работу акустического анемометра.

3.1.1 Влияние состава газа. Зависимость погрешности от скорости звука

3.1.2 Исследования частотных характеристик пьезокерамических колец.

3.1.3 Работа акустического анемометра при изменении параметров окружающей среды.

3.1.4 Экспериментальные исследования пьезокерамических колец при различных значениях температуры и влажности.

3.2 Выбор пьезокерамических колец для шахтного акустического анемометра.

3.2.1 Выбор материала пьезокерамики преобразовательных колец

3.2.2 Эффект «ухода нуля» при изменении параметров окружающей среды.

3.3 Проверка теоретически рассчитанных схем замещения пьезокерамического кольцевого преобразователя.

3.4 Выводы

4. Анализ математических моделей распространения акустических волн в канале акустического анемометра.

4.1 Описание основных математических моделей и методов расчета волновода-воздуховода акустического шахтного анемометра.

4.2 Математическая модель анемометрического канала со стенками конечной длины.

4.3 Расчет давление на приемном преобразователе.

4.4 Выбор математической модели волновода-воздуховода для автоматизированного проектирования датчика акустического анемометра.

4.5 Выводы.

ГЛАВА 5. Разработка алгоритмов САПР датчика акустического анемометра.

5.1 Обобщенная математическая модели акустического канала шахтного анемометра с учетом свойств пьезокерамических преобразователей

5.2 Разработка алгоритмического обеспечения САПР датчика акустического шахтного анемометра.

5.3 Выводы.

Актуальность работы.

Сегодня вновь возрастает интерес к добыче угля в связи с изменением отношения к стратегии использования энергоносителей в нашей стране. Подземная добыча угля становится все более интенсивной, увеличивается глубина разработки шахтопластов, что негативно влияет на безопасность горных работ. Одним из самых опасных факторов, сопутствующих добыче угля, является выделение метана. В связи с чем ч задача контроля вентиляции приобретает еще большую актуальность. Однако эффективно решать такую задачу невозможно без современных точных и надежных приборов контроля.

Разработка и использование акустических приборов для измерения скоростей и расходов газовоздушных потоков получает все большее развитие во всем мире. Аэроакустические эффекты, лежащие в основе акустического принципа действия прибора, весьма сложны для анализа и описания. В то же время невозможно совершенствовать анемометрические приборы без адекватных моделей их функционирования.

Специалистами кафедры Электротехники Московского государственного горного университета разработан ряд акустических анемометров с использованием пьезокерамических электроакустических преобразователей. Созданы математические модели процессов, протекающих в волноводе-воздуховоде анемометра, однако эти модели не учитывают внутренних свойств пьезокерамических преобразователей, что, в свою очередь, не позволяет разработать САПР как акустического канала, так и анемометра в целом. А без автоматизации процесса расчета и оптимизации параметров датчика практически невозможно получить удовлетворительные по точности, надежности, энергопотреблению и др. характеристики прибора.

Таким образом, задача разработки эффективных алгоритмов построения САПР акустического анемометра является актуальной, как задача совершенствования приборов шахтной акустической анемометрии.

Цель и задачи диссертационной работы заключается в создании алгоритмов системы автоматизированного проектирования шахтных акустических анемометров с улучшенными характеристиками и конструкцией, учитывающих электромеханические свойства пьезокерамических преобразователей, алгоритмов, позволяющих сформулировать техническое задание на изготовление как кольцевых пьезокерамических преобразователей, так и акустического анемометрического канала в целом.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие основные задачи:

• выбрать наиболее адекватную схему замещения приемника-передатчика акустических возмущений акустического анемометра, которая учитывает специфику работы прибора;

• создать математическую модель акустического канала анемометра с учетом внутренних свойств пьезокерамических преобразователей, геометрических параметров датчика, требуемых эксплуатационных режимов;

• провести анализ математических моделей акустического волновода-воздуховода по критериям адекватности, точности, экономичности и выбрать оптимальную модель для использования ее в САПР акустического анемометра;

• разработать алгоритмы САПР датчика акустического шахтного анемометра, основой которых является предложенная расширенная математическая модель акустического канала;

Основная идея состоит в том, чтобы в разработанные математические модели аэроакустического взаимодействия в анемометрическом канале включить модель пьезокерамических приемников-передатчиков и на этой основе получить модель анемометрического канала шахтного акустического анемометра с электрическими сигналами на входе и выходе.

Методы исследования.

Поставленные в работе задачи решаются методами дискретной математики, в том числе теории матриц, методами параметрической оптимизации, теории графов; методами теории электромеханических преобразователей, в том числе методами расчета пьезокерамических преобразователей в обобщенных координатах, энергетическим методом расчета преобразователей, методом электромеханических аналогий; методами объектно-ориентированного программирования.

Основные научные положения, разработанные лично соискателем и новизна

1. Разработана математическая модель акустического анемометра, впервые учитывающая электромеханические свойства пьезокерамических преобразователей, которая детерминированно связывает между собой электрическое напряжение на приемном преобразователе, входной электрический сигнал на передатчике, геометрические размеры датчика, свойства пьезокерамики, а также характеристики внешней среды.

2. Схемы замещения пьезокерамических преобразователей в области рабочих частот анемометрических устройств представляют собой RLC-четырехполюсники, в которых численные номиналы замещающих элементов рассчитываются по предложенным зависимостям.

3. Созданы алгоритмы выбора состава пьезокерамики для преобразователей проектируемого акустического анемометра, которые учитывают как специфические условия эксплуатации шахтного прибора, так и особенности конструкции самого акустического анемометра и позволяют выбрать преобразователь с оптимальными характеристиками.

4. Получены зависимости, описывающие влияние параметров внешней среды (температуры, влажности, давления) на работу электроакустических преобразователей датчика акустического анемометра, представляющие собой однопараметрические семейства кривых в диапазоне рабочих частот преобразователя с явно выраженными резонансными свойствами.

5. Разработаны алгоритмы САПР анемометрического сенсора, которые позволяют по требуемым эксплуатационным характеристикам прибора получить конструктивные параметры датчика.

6. Предложена методика компенсации влияния параметров окружающей среды на показания акустического анемометра (на приемник и передатчик акустических сигналов), основанная на получерных описаниях амплитудно-частотных и фазочастотных характеристик пьезокерамических преобразователей.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются

1. Совпадением экспериментально полученных и теоретически рассчитанных характеристик пьезокерамических преобразователей;

2. Согласованностью расчетных сквозных частотных характеристик датчика анемометра, а также АЧХ и ФЧХ приемника-передатчика с экспериментальными для различных типоразмеров и рецептурных составов пьезокерамики;

3. Положительными результатами промышленных испытаний акустического шахтного анемометра АПА-1/3, который проектировался с учетом рекомендаций представляемой работы.

Научное значение диссертации заключается в совершенствовании аналитических моделей акустического волновода, лежащих в основе методов проектирования анемометров для горных предприятий на основе учета свойств пьезокерамических преобразователей в общей модели анемометрического канала.

Практическая ценность работы заключается практическое значение работы состоит в разработке алгоритмов и ПО САПР, которые позволяют улучшить характеристики шахтных приборов анемометрического контроля по точности, надежности и энергопотреблению за счет совершенствования методики расчета параметров анемометра и автоматизации их проектирования.

Реализация выводов и рекомендаций работы.

Разработанные алгоритмы и математические модели акустического канала использовались при проектировании и оптимизации конструкции акустических шахтных анемометров серии АПА (нескольких модификаций) серийно выпускающихся Московским заводом измерительной аппаратуры.

Апробация работы.

Основные положения диссертации докладывались на научном семинаре «Приборы и системы безопасности» («Неделя горняка» МГГУ, 1999г.,2000г.,2001г.), на Международной научно-практической конференции «Интеллектульные электромеханические устройства и комплексы» (Новочеркасск, 2000г.); неоднократно обсуждались на научных семинарах кафедры Электротехники МГГУ.

Публикации.

Результаты выполненных исследований опубликованы в пяти печатных работах.

Диссертационная работа выполнена на кафедре Электротехники Московского государственного горного университета. Автор выражает благодарность своему руководителю проф. д.т.н. С.З.Шкундину за внимание, советы и поддержку.

1. Состояние вопроса

5.3. Выводы

1. Обобщенная математическая модель датчика акустического анемометра представляет собой зависимости, которые связывают между собой электрическое напряжение на приемном преобразователе, входной электрический сигнал на передатчике, геометрические размеры датчика, свойства пьезокерамики, а также характеристики внешней среды.

2. При разработке алгоритмов проектирования датчика акустического анемометра удобно рассматривать отдельно проектирование пьезокерамических преобразователей и акустического волновода-воздуховода.

3. При анализе и параметрическом синтезе наиболее оптимального состава пьезокерамики для преобразователей датчика акустического анемометра используется метод весовых коэффициентов и метод максиминного критерия.

4. В алгоритме расчета волновода-воздуховода акустического анемометра используется многократная параметрическая оптимизация с закреплением заданных параметров. Основным методом оптимизации волновода является поисковый метод.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является квалификационной работой, в которой представлено теоретическое описание и практическое решение актуальной для угольной отрасли задачи создания математического обеспечения и разработке, на базе этих моделей, алгоритмов и ПО САПР новых средств измерения параметров вентиляционных систем.

Основные научные выводы и практические результаты заключаются в следующем:

1. Разработаны теоретические зависимости, связывающие между собой электрическое напряжение на приемном преобразователе, входной электрический сигнал на передатчике, геометрические размеры датчика, свойства пьезокерамики, а также характеристики внешней среды.

2. Созданы и отлажены алгоритмы и программное обеспечение, позволяющее выбрать состав пьезокерамики для преобразователей акустического анемометра, с учетом эксплуатационных шахтных режимов, а также конструктивных параметров прибора.

3. Разработаны алгоритмы и математическое обеспечение САПР датчика акустического анемометра, которые позволяют, зная требуемые эксплуатационные характеристики прибора, получить конструктивные параметры датчика.

4. Сконструировано устройство и разработана методика для исследования сквозных частотных характеристик анемометрического канала, а также АЧХ и ФЧХ отдельных пьезокерамических преобразователей акустического анемометра.

5. Предложен метод и разработано аппаратно-программное обеспечение для выбора наиболее оптимальной пары пьезокерамических преобразователей для акустического анемометра, позволяющие улучшить характеристики прибора по точности, надежности и энергопотреблению.

6. Использование предлагаемых алгоритмов САПР, разработанных с использованием новой, усовершенствованной модели электроакустического взаимодействия в датчике акустического анемометра, позволяет улучшить характеристики прибора, существенно сократить время проектирования новых устройств, основанных на акустическом принципе измерения, а также рассчитать конструктивные параметры, которые наиболее адекватно соответствуют требуемому эксплуатационному режиму.

7. Разработан ряд лабораторных работ для студентов Московского государственного горного университета по дисциплинам «Метрология и измерения» и «Прикладное программирование», которые используют методики и алгоритмы, полученные в настоящей работе.

1. Пучков J1.A., Шкундин С.З. Техническое обеспечение АСУ горнотехнологическими процессами. Уч. пособие, МГИ, 1987.

2. Ушаков К.З., Бурчаков А.С., Пучков JI.A., Медведев И.И. Аэрология горных предприятия. -М.: Недра, 1987, с.33, 340.

3. Местер И.М., Засухин И.Н. Автоматизация контроля и регулирования рудничного проветривания. -М.: Недра, 1974, с.236.

4. Смирнов О.В. Повышение безопасности горных работ на основе эффективной вентиляции и предварительной дегазации выемочных участков, автореф. канд. дис., 1997

5. Карпов Е.Ф., Биренберг И.Е., Басовский В.И., Автоматическая газовая защита и контроль рудничной атмосферы. -М: Недра, 1984

6. Пучков JI.A., Шкундин С.З. Оптимизация вентиляционных сечений выработок по затратам на их проветривание. Известия вузов. Горный журная, №3, 1987.

7. Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества. -JL: Машиностроение, 1989.

8. Исакович М.А. Общая акустика. -М.: 1973.

9. Абрамов Ф.А., Бойко В.А. Автоматизация проветривания шахт. Киев, Наукова Думка, 1978, с.310.

10. Милетич А.Ф., Яровой И.М., Бойко В.А. Рудничная и промышленная аэрология. М., Недра, 1972. с.246.

11. П.Кремлева О. А. Совершенствование акустического способа измерения скоростных параметров газовоздушных потоков в горных выработках. Дис.канд.тех.наук М, 1997

12. Шкундин С.З. Физико-техническое обоснование акустического контроля скоростей газовоздушных потоков в системах обеспечения безопасности шахт. Дис.докт.тех.наук: 05.15.11,05.26.01/МГИ.-М.,1990.313с.

13. Лихачев А.В. Разработка акустического метода и средств контроля расхода воздуха в горноспасательной дыхательной аппаратуре. Дис.докт.тех.наук., М, 1989.

14. Шкундин С.З., Кремлева О.А., Румянцева В.А. Теория акустической анемометрии. М.: Издательство Академии горных наук, 2001. - 239 с.

15. Bazerghi Н., Serdula K.J. Evaluation of the perfomance of an ultrasonic cross-correlation flowmeter. Atomic energy of Canada limited, Ontario, 1977,24р.

16. Короткое ПЛ., Беляев Д.В., Азимов Р.К. Тепловые расходомеры. JL, Машиностроение, 1969.

17. Шумиловский Н.Н., Мельцер А.В. Интерполяционная методика расчета расходомеров, работающих по принципу меченых молекул. Приборостроение., 1956, №3,8-10; №11, 4-8.

18. Walker R.E., Westurberg A.A. Absolute low speed anemometer. "Rev.Sci.Intr.", 1956, №10, 844-848.

19. Kritr J. Ultrasonic flowmeter. «Instr.Autom», 1955.

20. Канэко Йосико. Ultrasonic flowmeter. «Денки Кэйсан», 1986, №14.

21. Современные ультразвуковые расходомеры. ЦНИИТЭИ приборостроения. М„ 1984, с.19.22. PAT 4663977, USA, 1987.

22. Walloe J. Doppler flowmeters-proper practices. "Instrum. Aerosp. Ind." Vol.30, 1984.

23. Каталоги фирмы Tech/Sonic. 1987.

24. Румянцева В.А. Совершенствование средств измерения аэродинамических параметров вентиляционных систем дис.канд.тех.наук. -М: 2001.

25. И.П. Норенков. «Основы автоматизированного проектирования». -М.: 2000 Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана

26. Острейковский В.А. «Теория систем». -М.: Высшая школа, 1997.

27. И.П. Норенков. «Системы автоматизированного проектирования». Учебное пособие для втузов. -М.: Высшая школа, 1986.

28. Липаев В.В., Филинов Е.Н. «Мобильность программ и данных в открытых в открытых информационных системах». -М.: Научная книга, 1997.

29. Норенков И.П., Трудоношин В.А. «Телекоммуникационные технологии и сети». -М.: Издательство МГТУ им. Н.Э.Баумана, 1998.

30. Черненький В.М. «Имитационное моделирование». -М.: Высшая школа, 1990.

31. Стрыжак Т.Г. Асимптотические методы нормализации. К., Выща шк. 1984.

32. Фоли Дж., вэн Дэм. А. «Основы интерактивной машинной графики». Перевод с англ. В 2-х книгах. -М.: Мир, 1985.

33. Аронов Б.С. Электромеханические преобразователи из пьезоэлетрической керамики. Д., Энергоиздат, 1990.

34. Кикучи Е. Ультразвуковые преобразователи. -М., Мир, 1972.

35. Камп Л. Подводная акустика. -М.: Мир 1972.

36. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. М., Мир, 1998.

37. Свердлин Г.М. Прикладная гидроакустика. Д., Судостроение, 1976, с.158-168.

38. Пиз. Р.А. практическая электроника аналоговых устройств. М., 2001.

39. Аронов Б.С. Об энергетическом методе расчета пьезокерамических преобразователей. Вопросы судостроения. 1978. Вып.31, с.48-59.

40. Зернов Н.В., Карпов В.Г. Теория радиотехнических цепей. Л. Энергия, 1965.

41. Аронов Б.С. Об эффективных коэффициентах электромеханической связи пьезокерамических тел. Прикладная механика №10. 1980, с.65-72.

42. Касаткин А.С., Немцов М.В. Электротехника. Высшая школа, 2000.

43. Гутин Л.Я. Теория пьезоэлектрических вибраторов, применяемых в гироакустике. Л., Судостроение, 1977, с272.

44. Домаркас В.И., Кажис Р.И. Контрольно-измерительные пьезоэлектрические преобразователи. Вильнюс, 1974, с220.

45. Иориш Ю.И. Виброметрия. М., Машгиз, 1963, с544-556.

46. Ермолов И.Н. Ультразвуковые пьезопреобразователи для неразрушаещуго контроля. М., Машиностроение, 1986, с202-226.

47. Берлинкур Д., Керран Д., Жаффе Г. Пьезоэлектрические и пьезомагнитные материалы и их применение в преобразвателях. Физическая акустика. М., Мир, 1966, с.265-310.

48. Морс Ф., Фешбах Г. Методы теоретической физики. М., Издательство иностранной литературы, 1958, с 876-886.

49. Тимошенко С.П. Сопротивление материалов. М., Наука, 1965, с305-309

50. Клещев Л.А., Клюкин И.И. Основы гидроакустики. Л., Судостроение, 1976, с.158-168.

51. Скучик Е. Простые и сложные колебательные системы. М., Мир, 1971.

52. Справочник по гидроакустике. Д., Судостроение, 1988, с.206.

53. Тютюнник П.М., Коробойников Н.С. Ультразвуковая и звуковая техника. 4.1. М., МГИ, 1984, с.104,127.

54. Свердлин Г.М. прикладная гидроакустика. Л., Судостроение, 1976, с.158-168.

55. Орлов Л.В., Шабров А.А. Гидроакустическая аппаратура рыбопромыслового флота. Л., Судостроение, 1987, с.167.

56. Физические величины. Справочник. Под. Ред. Григорьева И.С., М.,Энергоиздат, 1991.

57. Богородский В.В. Подводные электроакустические преобразователи. Л., Судостроение, 1983.

58. Сыркин Л.Н. Пьезомагнитная керамика. Л., Энергия, 1980.

59. Блохинцев Д.И. Акустика неоднородной движущейся среды.-М. :1981.208с. С.35.

60. Ландау Д.Д., Лифшиц Е.М. Гидродинамика. М:1988, с.733.

61. Лапин А.Д. Об излучении и распространении звука в цилиндрической трубе при наличии потока// Акустико-аэродинамические исследования. Под ред. Римского-Корсакова. -М.: 1975.С.57-60.

62. Шкундин С.З., Бондарев A.M., Лихачев А.А. Аналитическое описание распространения акустических волн в анемометрическом канале // Горный журнал. Изв.ВУЗов, № 9, 1987.

63. К. Ogimoto "Sound radiation from a finite length unflanged circular duct with uniform flow". UTIAS Report, N 231, 1978.

64. Миттра P., Ли C.B. Аналитические методы теории волноводов. Пер.с англ. А.И.Плиса; Под ред. Г.В.Вознесенского. М.,1974. 327с.

65. Нобл. Б. Применение метода Винера Хопфа для решения дифференциальных уравнений в частных производных. М.И.Л. 1962

66. Шкундин С.З., Румянцева В.А. Повышение точности измерения скорости воздушного потока акустическим анемометром.// Измерительная техника, №1, 2001, с. 54-57.

67. Вайнштейн Л.А. Теория дифракции и метод факторизации. М. :"Сов.радио". 1966. 431с. С.92-101.

68. Кремлева О.А. Расчет акустического давления внутри канала анемометра для контроля проветривания горных выработок. Горный информационно-аналитический бюллетень. М.:МГГУ. Вып.4, 1997.

69. Шендеров E.JI. Волновые задачи гидроакустики. JI. Судостороение., 1972.

70. Туз Ю.М., Забарный А.И., Белоусов Б.Н. Автоматизация проектирования устройств измерительной техники. Киев. 1988.

71. Калиткин Н.Н. Численные методы. М., Наука, 1978.

72. Толстых Б.Л., Талов И.Л. Унифицированные интерактивные средства проектирования изделий электронной техники. М., Радио и связь, 1984.

73. Демидович Б.П., Марон И.А. Основы вычислительной математики. М., Наука, 1970.