автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.17, диссертация на тему:Средства электромагнитного управления циркуляцией биологических жидкостей

На правах рукописи

005057559

КОРНИЛОВА Наталья Валерьевна

СРЕДСТВА ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО УПРАВЛЕНИЯ ЦИРКУЛЯЦИЕЙ БИОЛОГИЧЕСКИХ ЖИДКОСТЕЙ

Специальность 05.11.17 - Приборы, системы и изделия медицинского назначения

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 я ДПР 2013

ПЕНЗА 2013

005057559

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет».

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Щербаков Михаил Александрович

Официальные оппоненты: Геращенко Сергей Иванович,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет», заведующий кафедрой «Медицинские информационные системы и технологии»;

Солодимова Галина Анатольевна,

кандидат технических наук, начальник научно-технического центра испытаний и метрологического обеспечения, главный метролог ОАО НИИЭМП, г. Пенза

Ведущая организация - ФГУП ФНЦП «ПО "Старт"

им. М. В. Проценко», г. Заречный Пензенской обл.

Защита состоится 18 апреля 2013 г., в 14 часов, на заседании диссертационного совета Д 212.186.02 в ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет» по адресу: 440026, г. Пенза, ул. Красная, 40.

С диссертацией и авторефератом можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет».

Автореферат разослан 14 марта 2013 г. Ученый секретарь

диссертационного совета , - Светлов Анатолий Вильевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В современной медицине одной из актуальных задач является создание перфузионных систем, в частности, для экстракорпорального кровообращения и для проведения перфузий и инфузий биологических жидкостей, различных лекарственных препаратов и растворов с возможностью обеспечения точности дозировки и

контроля процесса.

Перфузионные насосы нашли применение в лечебных учреждениях, лабораториях и научно-исследовательских центрах, фармацевтических предприятиях. Аппараты циркуляции используются для проведения экстракорпоральных методов лечения, таких как гемосорбция, плазмаферез, плазмосорбция, ликворосорбция, ликворофильтрация, ультрафильтрация, реинфузия крови и т.д. В разные годы такими учеными, как В. И. Шумаков, В. Е. Толпекин, И. А. Гуськов, Г. П. Иткин, А. Е. Куваев, А. А. Писаревский, В. И. Севастьянов, Е. Ш. Штенгольд, А. Я. Кормер, С. П. Драгачев, В. Н. Еремин, В. П. Демихов и другими проводились исследования разнообразных медицинских приборов и устройств, использующих в своем составе различные виды биологических жидкостей.

В медицине для перекачки и циркуляции крови наибольшее применение получили шланговые насосы перистальтического действия. В таких насосах перекачивание жидкости осуществляется за счет вращающихся роликов, прижимающих кровеносные шланги к внутренней цилиндрической поверхности. При деформировании упругоэластич-ных шлангов со стороны роликов прилагается весьма значительное усилие, распределение которого по сечению шланга неравномерно вследствие механических неточностей и неодинаковых условий взаимодействия, что приводит к травме форменных элементов крови, особенно при длительном функционировании насоса.

В связи с этим перспективным направлением является использование упругих магнитожидкостных элементов для создания низконапорных клапанов и электрогидравлического насоса. Подтверждением актуальности тематики является то, что изучение физических и химических свойств магнитных жидкостей, а также их реакции на воздействие электромагнитного поля в настоящее время является одним из приоритетных направлений научных исследований. При использовании магнитной жидкости в упругой оболочке в качестве рабочего органа клапанов и насоса возникает задача разработки способов и средств электромагнитного управления. При этом бегущее электро-

/

С

магнитное поле создается последовательным включением секций катушки индуктивности, управляемых микроконтроллерной системой. Система обладает спецификой, которая заключается в улучшении качественных показателей крови (снижение травматики формообразующих элементов) за счет замены трения скольжения в перекачивающем устройстве на трение качения.

При перекачивании существует возможность получения реологического эффекта, т.е. увеличения текучести крови или другой биологической жидкости под воздействием магнитного поля. Биологические жидкости обладают магнитной восприимчивостью и под воздействием электромагнитного поля могут приобретать новые свойства и изменять такие параметры, как: плотность, вязкость, прозрачность, теплопроводность, электрическую проводимость, адсорбцию, скорость химических реакций, текстурирование, текучесть, растворяющую способность, активность кислорода и других газов, скорость прохождения звука, рН, биологическую активность, энергоемкость, бактерицидность, поверхностное натяжение. Большой перечень восстановленных после омагни-чивания свойств такой биологической жидкости, как кровь, может в значительной степени нормализовать всю систему кровообращения.

Решение задачи управления циркуляцией биологической жидкости является актуальной не только в области медицины, но и в промышленности, где возникают особые требования к транспортировке жидкости без гидравлических ударов (например, в случае работы с агрессивными или взрывоопасными жидкостями).

Целью работы является разработка модели и средств электромагнитного управления магнитожидкостными элементами для осуществления циркуляции биологических жидкостей, обеспечивающих уменьшение их травматичности в системах медицинского назначения.

Задачи исследования. Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:

1) анализ существующих генераторов распределенных электромагнитных полей, выявление их недостатков и обоснование конструкции генератора электромагнитного поля для циркуляции биологических жидкостей посредством воздействия на магнитожидкостные элементы;

2) разработка способа электромагнитного управления магнитожидкостными элементами для осуществления циркуляции биологических жидкостей в системах медицинского назначения;

3) построение математической модели электромагнитного управления магнитожидкостными элементами для перекачки биологических жидкостей;

4) обоснование структуры системы управления электромагнитным приводом, обеспечивающим заданные режимы функционирования электрогидравлического пульсатора и клапанов аппаратов циркуляции биологических жидкостей;

5) экспериментальное подтверждение целесообразности использования электромагнитного управления электрогидравлическим насосом и клапанами с магнитожидкостными элементами;

6) формулировка рекомендаций к внедрению разработанного принципа циркуляции биологических жидкостей в отделениях реанимации, пунктах переливания крови медицинских учреждений, в различных системах дозирования (фармацевтические предприятия, лаборатории, промышленные отрасли), а также в учебном процессе.

Методы исследования. Теоретические исследования выполнены на базе физических основ синтеза пространственно-распределенных электромагнитных полей, теории дифференциальных уравнений в частных производных для описания магнитных полей. Экспериментальные исследования электромагнитной управляющей оболочки проведены с использованием средств микропроцессорного управления, электротехнических измерений и видеосъемки.

Научная новизна:

1 Разработан способ управления принципиально новыми магнитожидкостными элементами аппарата циркуляции биологических жидкостей с целью снижения гемолиза путем уменьшения травматических факторов при перекачивании их в системах медицинского назначения.

2 Обоснована модель с максимальной крутизной характеристики управления магнитожидкостными рабочими органами, базирующаяся на анализе взаимодействия перекрестных управляющего электромагнитного и гидродинамического полей с упругим элементом, заполненным магнитной жидкостью.

3 Предложена математическая модель процесса электромагнитного управления аппаратами циркуляции биологической жидкости в системах медицинского назначения.

4 Разработана микроконтроллерная система управления, регулирующая производительность электрогидравлического насоса, осуще-

ствляющего перекачивание биологической жидкости без гидравлических ударов.

Практическая значимость и реализация результатов

Научные и практические результаты использованы в плановых госбюджетных научно-исследовательских работах 2008-2012 гг., выполняемых на кафедре «Управление и информатика в технических системах» Балаковского института техники, технологии и управления (филиал) ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет им. Ю. А. Гагарина» по направлению «Векторно-энер-гетический анализ и синтез электромагнитной генерирующей оболочки».

Разработанная система управления электромагнитной генерирующей оболочкой рекомендована к внедрению на предприятиях: филиал ОАО «Концерн Росэнергоатом» «Балаковская атомная станция», ОАО «Волжский дизель им. Маминых», ОАО «Балаково-атом-энергоремонт».

Экспонат «Электромагнитная управляющая оболочка для магни-тожидкостных регулирующих элементов» был представлен на шестой специализированной выставке «Образование, карьера, занятость—2012» (г. Саратов, Выставочный центр «Софит-Экспо») и прошел маркетинговую рыночную экспертизу с положительными экспертными оценками, что подтверждено соответствующим сертификатом.

Разработанный экспериментальный стенд, демонстрирующий принцип действия аппарата искусственного кровообращения на основе электромагнитного управления перекачиванием биологических жидкостей, используется в учебном процессе.

На защиту выносятся:

1 Теоретическое и конструктивное обоснование системы электромагнитного управления циркуляцией биологических жидкостей в системах медицинского назначения, способствующей снижению травматики формообразующих элементов за счет замены трения скольжения в перекачивающем устройстве на трение качения.

2 Математическая модель процесса управления магнитожидкост-ным элементом электрогидравлического насоса с учетом воздействия электромагнитного поля на его поверхность.

3 Методика расчета электромагнитного поля для управления циркуляцией биологической жидкости, позволяющая увеличить крутизну характеристики управления магнитожидкостным элементом.

Достоверность полученных результатов обусловлена непротиворечивостью и полнотой исходных предпосылок, корректным использованием аналитических и расчетных методов, сопоставимостью результатов теоретического исследования и моделирования с экспериментальными данными.

Апробация результатов исследования. Научные и практические результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международной научной конференции «Современные проблемы электрофизики и электродинамики жидкостей» (Санкт-Петербург, 2009, 2012); XXIV Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» ММТТ-24 ШМУ-16 и программы У.М.Н.И.К. (Саратов, 2011); межвузовской российской научной конференции «Векторная энергетика в технических, биологических и социальных системах» (Балаково, 2009-2011).

Публикации. Основные теоретические и практические результаты диссертационной работы опубликованы в 20 статьях и тезисах докладов, среди которых 3 публикации в ведущих рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и 4 приложений. Общий объем составляет 201 страницу, работа содержит 81 рисунок, 21 таблицу, список литературы, включающий 104 наименования.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель и задачи исследования, показаны научная новизна и практическая ценность, приводятся основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе рассмотрены общие требования к аппаратам циркуляции биологических жидкостей, в частности крови, согласно которым камера должна иметь совместимую контактирующую поверхность, не должна содержать зон застоя, рециркуляции потоков жидкости, турбулентности, что снижает риск развития травмы такой биологической жидкости, как кровь, и процессов тромбообразования. Кровь также травмируется вследствие больших градиентов давления, значительных напряжений сдвига, ударов форменных элементов крови о твердую поверхность, механического повреждения их в месте соприкосновения подвижного элемента с корпусом и других причин.

Проведен анализ моделей насосных блоков для перекачки биологических жидкостей с внешним приводом. В результате выявлено, что

при использовании стационарных систем, как правило, применяется пневматический привод.

Управление электрогидравлическим насосом и низконапорным клапаном с магнитожидкостными элементами осуществляется с помощью электромагнитного поля. Сформулированы основные требования, соблюдение которых необходимо при управлении магнитожидкостными элементами насоса и клапанов. Для обоснования конструкции индуктора электромагнитного поля проведен обзор генераторов распределенных электромагнитных полей, на основании которого составлена классификация исполнительных устройств по следующим признакам: по характеру работы, виду воздействия на исполнительный элемент, способу создания возвратной силы, числу обмоток, назначению, скорости действия, конструктивному исполнению, роду тока, способу включения обмоток, форме зависимости от воздействия, характеру движения якоря, исполнению катушки, наличия стопа и расположения якоря. Определены области применения электромагнитов, в том числе в медицине, где они используются в составе различных физиотерапевтических аппаратов, в современных аппаратах для внут-риаортальной контрпульсации в качестве исполнительного элемента, а также при создании аппаратов искусственного кровообращения. За основу при проектировании генератора электромагнитных полей выбрана многослойная цилиндрическая катушка, предназначенная для создания управляющего поля внутри секций.

По результатам проведенного патентного поиска выполнена классификация устройств синтеза электромагнитных полей. Показано, что синтез управляемых электромагнитных полей с заданной пространственной геометрией является сложной технической задачей, требующей использования микропроцессорной системы управления.

Вторая глава посвящена теоретическим исследованиям в области управления магнитожидкостным элементом для транспортировки биологических жидкостей. Проведен анализ методов синтеза пространственно-распределенных электромагнитных полей, в результате которого за основу при создании генератора электромагнитного поля выбран интегральный метод. Он позволяет учитывать форму, размеры и геометрию рабочей области синтезируемого поля, вследствие чего именно этот метод наиболее полно решает задачу нахождения оптимального распределения токов по секциям генератора и создания электромагнитного поля, управляющего магнитожидкостными элементами для перекачки биологических жидкостей в системах медицинского назначения.

Задача разработки управления циркуляцией основана на использовании магнитных жидкостей (МЖ) в специальных упругих элементах. Выполнен анализ существующих МЖ, представляющих собой коллоидный раствор жидкой основы с твердой фазой ферро- или фер-римагнетика, окруженной поверхностно-активными веществами, предотвращающими их слипание, в результате чего предложена классификация, представлены области применения, а также основные характеристики и свойства МЖ. Особое внимание уделено применению МЖ в медицине. Магнетит, используемый в качестве дисперсной фазы в МЖ, в отличие от многих других металлов и их соединений для человеческого организма практически безвреден. В настоящее время разработаны так называемые медицинские МЖ на гидрофобной основе.

Описан механизм воздействия электромагнитного поля на МЖ, заключающийся в перемещении ее в область более сильного воздействия.

Проведен анализ магнитожидкостных элементов, представляющих собой упругую оболочку, полностью заполненную МЖ, обладающей текучестью и способностью ощутимо взаимодействовать с внешним магнитным полем. Компонента Рт вектора объемной силы ¥м, которая действует на бесконечно малый элемент МЖ, находится из выражения

+ + О)

дх1 ох1

где Рт- модуль вектора объемной магнитной силы, Н/м3;

р — давление, Па;

координата оси х, м;

Н - напряженность магнитного поля, А/м;

В - магнитная индукция, Тл;

|д0 - магнитная проницаемость вакуума, Гн/м;

М- максимальная намагниченность МЖ, А/м;

—— градиент давления в направлении оси х, Па/м.

дх1

В формуле (1) второй член описывает электромагнитную силу, известную в магнитной гидродинамике, которой в непроводящей жидкости можно пренебречь. Тогда магнитная объемная сила определяется по формуле

¥М=\10ШН, (2)

где Рм- объемная магнитная сила, Н/м3;

УН - градиент напряженности магнитного поля, А/м2;

и определяет степень воздействия стационарного неоднородного электромагнитного поля на магнитную жидкость, которое заключается в перемещении объема жидкости в область более сильного поля. Таким образом, для перемещения МЖ необходимо создать поле соответствующей конфигурации.

Выполнен векторно-энергетический анализ ламинарного течения жидкости по цилиндрической трубе внутри генератора электромагнитного поля. Расчеты основаны на использовании уравнения вектора (Умова) напорного движения жидкости по входному и выходному каналам, общего уравнения в напряжениях, распределения скоростей, максимальной скорости по сечению и скорости силового потока энергоносителя. В результате получены распределения скоростей рабочей жидкости при различной длине, диаметре и перепаде давления внутри исполнительного устройства. На основании проведенного анализа построен трехмерный график скорости потока жидкости в проточной части пятисекционного исполнительного устройства волнового типа. Это позволяет учитывать распределения скоростей жидкости, что в свою очередь дает возможность синтезировать устройство с энергетически минимальными затратами.

Проведен анализ полей Умова-Пойнтинга с ортогональным взаимодействием управляющего и силового потоков, который является основополагающим, поскольку способствует формированию минимально избыточных энергетических управляющих воздействий.

В третьей главе проведен расчет и моделирование электромагнитных полей, воздействующих на магнитожидкостный элемент, являющийся поршнем для перекачивания биологических жидкостей в системах медицинского назначения. В зависимости от рода и точности практическое решение задач магнитостатики основывается на аналитических, численных и графических методах расчета. Составлена классификация методов расчета, отмечены их достоинства и недостатки и в качестве базовых методов для оценки поля электромагнитного генератора выбраны расчет по уравнению Максвелла и проекционно-сеточный метод, к которому относится метод конечных элементов.

При управлении аппаратами циркуляции биологических жидкостей необходимо учитывать информацию о состоянии насоса: расход электрогидравлического насоса; давление жидкости на входе/выходе; частоту выброса жидкости; ударный объем и т.д. Для регулирования данных параметров требуется исследование степени воздействия электромагнитного поля на магнитожидкостный элемент.

Проведен анализ функциональной схемы элементов управления потоком биологической жидкости при помощи магнитожидкостного поршня. Генератор электромагнитного поля представлен как элемент с распределенными параметрами (рисунок 1), а его динамика описана операторами системы с распределенными параметрами.

г

_______ ---

I ^

— 1

1Ш ц ц { | > 1

1 1 ^ ¿В г

Л

1 - патрубок; 2 - генератор электромагнитного поля; 3 - МЖ поршень Рисунок 1 - Структура секции генератора с магнитожидкостным поршнем в состоянии покоя и при воздействии электромагнитного поля

Проведена оценка осевой компоненты В2 в проточной части, т.е. в пределах ширины управляющей обмотки. Для к слоев обмотки управления магнитная индукция на оси г определяется выражением

N1

2 ,=о

1

1

(3)

где I- ток в витке секции генератора, А; с/п- диаметр провода, м; N1 - число витков катушки; к - количество слоев обмотки.

Проведен анализ электромагнитного поля на оси обмотки, в результате которого получено распределение индуктивности магнитного поля, что является основой для анализа объемных сил, возникающих в магнитной жидкости, которые, изменяя форму магнитожидкостного элемента, управляют потоком биологической жидкости.

Методика определения электромагнитного поля, создаваемого генератором, основана на нахождении поля одного кругового контура с током. Вычислен векторный потенциал, а также выведены формулы проекций вектора магнитной индукции в исследуемой точке. Затем осуществлен переход от одного витка к катушке в целом путем интегрирования полученных выражений для одного витка по всем областям секции катушки. В результате составляющие вектора магнитной индукции секции генератора электромагнитных полей для аппарата циркуляции биологических жидкостей определяются выражениями

Вг=^Тп"'ГМТ°8<Р^ (4)

2ЛЛВ06, Г

1 11---Г^-; (5)

яв о ь, г

В5= 0, (6)

где - абсолютная магнитная проницаемость среды, Гн/м; Л— плотность тока, А/м2; р - радиус кругового контура с током, м;

гд - расстояние от точки в пространстве, в которой определяется поле до оси Ог, м;

г - расстояние от точки, в которой определяется поле до точки источника поля, м;

Кв, Ян - радиальные координаты, м; Ьх,Ьг — осевые координаты, м;

гм - расстояние от точки источника поля М до некоторой точки в пространстве, м;

гм - расстояние от центра катушки до точки источника поля М, м; ср - угол поперечного сечения, рад.

Таким образом, проведены расчеты градиентных магнитных полей для заданных конструктивных параметров генератора электромагнитного поля, а также получены числовые значения составляющей векторного потенциала, магнитной индукции и напряженности магнитного поля на поверхности (таблица 1) и внутри магнитожидкостно-го элемента. Это позволяет составить полную картину электромагнитного поля внутри генератора и подтверждает правильность расположения магнитожидкостного элемента (в центре внутри секции), выбора геометрических и электрических параметров секции.

Таблица 1 - Расчетные данные поля на поверхности магнитожидкостного элемента при наличии воздействия электромагнитного поля_

Координаты точки (2, гв; гв, м

0,018 0,0035

0,016 0,0025

0,014 0,002

0,015 0,0005

0,011 -0,0015

0,01; -0,003

0,0095; -0,0035

0,0085; -0,0045

Составляющая векторного потенциала, /*„,•! 0~4, Вс/м

-2,75

-2,72

-2,21

-2,67

-3,37

-3,66

-3,51

-4,15

Составляющая вектора магнитной индукции, Вг, Тл

-0,42

-0,44

-0,45

0,16

0,68

1,30

2,08

2,61

Составляющая вектора магнитной индукции, В„ Тл

0,31

0,21

0,12

0,05

0,10

0,43

0,52

0,64

Вектор магнитной индукции, £,Тл

0,52

0,48

0,46

0,16

0,68

1,37

2,14

2,73

Напряженность магнитного поля, Я, А/м

5810

5400

5320

1780

7710

15600

24300

31100

Проведено моделирование пяти секций электромагнитного генератора, управляющего магнитожидкостным элементом, в программной среде Рет1аЬ. В результате моделирования получены распределения магнитной индукции и напряженности магнитного поля (рисунок 2).

Рисунок 2 - Распределение напряженности поля при относительной магнитной проницаемости МЖ ц = 2,5

Максимальные значения магнитной индукции и напряженности магнитного поля при различных значениях магнитной проницаемости представлены в таблице 2.

Таблица 2 — Магнитная индукция и напряженность магнитного поля

Относительная магнитная проницаемость ц Магнитная индукция Втт Тл Напряженность Нт1Х, А/м

0,5 1,378 2192,586

1 1,35 1074,334

1,5 1,341 711,35

2 1,336 531,686

2,5 1,334 424,472

3 1,332 353,24

3,5 1,33 302,479

4 1,329 264,473

4,5 1,329 234,952

5 1,328 211,359

Проведенное моделирование показало, что наличие внутри катушки магнитного вещества способствует втягиванию линий магнитной индукции и приводит к спаду продольной компоненты поля вокруг катушки. При изменении магнитной индукции на 7 % падения градиента напряженности составляет более 80 %. Увеличение напряженности приводит к незначительному возрастанию индукции, что объясняется магнитным насыщением.

В результате моделирования были подобраны оптимальные значения напряженности поля для эффективного управления магнито-жидкостным поршнем аппарата циркуляции биологических жидкостей. Данные, полученные в результате моделирования, согласуются с расчетными.

В четвертой главе обоснован выбор конструкции генератора электромагнитного поля и функциональной схемы системы управления. В качестве генератора распределенных электромагнитных полей выбрана многослойная семисекционная цилиндрическая катушка, конструкция которой представлена на рисунке 3.

Две крайние секции предназначены для обеспечения функционирования входного и выходного клапанов, а секции со второй по шестую обеспечивают управление электрогидравлическим насосом.

Полный цикл работы электромагнитного генератора состоит из трех этапов: 1) входной клапан открыт, выходной закрыт, на обмотках исполнительного элемента напряжение отсутствует, рабочая полость

заполнена жидкостью; 2) положение клапанов не меняется, но на обмотки исполнительного элемента поочередно подается напряжение питания, и образованная «волна», как поршень, передвигается к выходному клапану; 3) производится выпуск жидкости за счет одновременного открытия выходного клапана и закрытия входного. После этого происходит возвращение поршня в начальное положение и цикл повторяется.

1 - исполнительный элемент волнового типа; 2 - исполнительные элементы клапанного типа; 3 - датчики давления

Рисунок 3 - Базовая схема системы контроля параметров МЖ исполнительных элементов

Разработана функциональная схема системы управления семисек-ционным электромагнитным приводом, которая включает в себя микроконтроллер, электронный блок управления, датчики давления и перемещения и исполнительный элемент (рисунок 4).

В связи с тем, что при перемещении «волны» магнитожидкостно-го элемента происходит изменение индуктивности соответствующей секции катушки, в системе используются индуктивные датчики положения. Исполнительные элементы клапанного типа контролируются аналогичным образом, но индуктивность в катушке определяется изменением размера магнитожидкостного элемента в пределах секции. В системе управления электромагнитным приводом аппарата циркуляции биологических жидкостей используются датчики давления, расположенные перед входным и после выходного клапана. В них упругий чувствительный элемент выполнен в виде магнитожидкостного элемента, помещенного внутри двух катушек, аналогичных используемым в исполнительных элементах клапанного и волнового типов.

ДИ 1^ДИ7 - датчики индуктивности; ДД - датчик давления; ОУ1-ЮУ7 - операционные усилители; ПД - преобразователь давления; ОТК1-ЮТК7 - оптотиристорные ключи; ЭБУ - электронный блок управления; АК - аналоговый компаратор; ИОН - источник опорного напряжения Рисунок 4 - Функциональная схема системы управления электромагнитным приводом

Представлено описание электрической принципиальной схемы электронного блока управления, преобразующего сигнал, поступающий с микроконтроллера и коммутирующий выходное напряжение на секции индуктора электромагнитных полей согласно управляющей программе, обеспечивающей заданные режимы функционирования. Блок-схемы интерфейсной и управляющей частей программы представлены на рисунке 5.

Разработан и изготовлен экспериментальный стенд и проведены исследования циркуляции жидкости, подтверждающие принципиальную возможность электромагнитного управления электрогидравлическим насосом и клапанами с магнитожидкостными элементами.

Выполнена статистическая обработка результатов эксперимента. Согласно полученным данным исследованы статика и динамика макетного образца и проведена корректировка конструкции индуктора электромагнитного поля для улучшения его быстродействия.

В приложениях представлены:

- приложение А - результаты измерений сопротивлений секций электромагнитного индуктора и их статистическая обработка;

- приложение Б - зависимость пускового тока генератора электромагнитных полей от массы поршня для перекачки биологических жидкостей;

- приложение В - листинги программных блоков;

- приложение Г - документы о внедрении результатов работы и экспертные оценки.

Рисунок 5 - Блок-схемы интерфейсной и управляющей частей программы

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1 Доказана целесообразность использования в системах медицинского назначения упругих магнитожидкостных элементов для построения клапанов и электрогидравлического насоса системы управления циркуляцией биологических жидкостей, позволяющей существенно снизить разрушение форменных элементов (в частности крови) в результате прямых механических воздействий.

2 Проведен анализ физических процессов, происходящих в магнитной жидкости при воздействии неоднородного электромагнитного поля, и предложены конструкция системы и способ управления магни-тожидкостным рабочим органом электрогидравлического насоса, уменьшающие степень травматичности при циркуляции биологических жидкостей в системах медицинского назначения.

3 Разработана математическая модель электромагнитного управления циркуляцией биологических жидкостей, позволяющая провести анализ влияния неоднородного магнитного поля с учетом воздействия на магнитожидкостный элемент и учитывать геометрические параметры генератора и свойства материала магнитожидкостного элемента.

4 На основании теоретических исследований предложена конструкция и разработан действующий образец системы электромагнитного управления аппаратами циркуляции биологических жидкостей в системах медицинского назначения.

5 Проведены экспериментальные исследования, в результате которых получены статические и динамические характеристики перемещения магнитожидкостного элемента, подтверждающие проведенные теоретические исследования.

6 Сформулированы рекомендации к внедрению разработанного принципа циркуляции биологических жидкостей в отделениях реанимации, пунктах переливания крови медицинских учреждений, в различных системах дозирования (фармацевтические предприятия, лаборатории, промышленные отрасли), а также в учебном процессе.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1 Корнилова, Н. В. Оценка осевой компоненты электромагнитного поля при управлении магнитожидкостными сенсорами / А. В. Власов,

Н. В. Корнилова // Вестник Саратовского государственного технического университета. - 2011. - № 3 (57). - С. 96-103.

2 Корнилова, Н. В. Статические и динамические характеристики электромагнитной управляющей оболочки аппарата «Искусственное сердце» / М. А. Щербаков, Н. В. Корнилова // Вестник Саратовского государственного технического университета. - 2011. - № 3 (58).-С.196-200.

3 Корнилова, Н. В. Анализ электромагнитного поля системы управления генерирующей оболочки / М. А. Щербаков, А. В. Власов, Н. В. Корнилова // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2012. - № 1 (21). - С. 116-123.

Публикации в других изданиях

4 Корнилова, Н. В. Постановка задачи разработки пространственно распределенного генератора электромагнитных полей для аппарата «Искусственное сердце» / Н. В. Корнилова, А. В. Власов // Современные технологии в машиностроении : сб. тр. XII Междунар. науч.-практ. конф. - Пенза : ПДЗ, 2008. - С. 245-247.

5 Корнилова, Н. В. Электромагнитная управляющая оболочка для магнитно-жидкостных элементов аппарата «Искусственное сердце»/ Н. В. Корнилова, А. В. Власов // Современные проблемы электрофизики и электродинамики жидкостей : сб. докл. IX Междунар. науч. конф. - СПб. : СОЛО, 2009. - С. 330-332.

6 Корнилова, Н. В. Требования к источникам питания магнитно-жидкостных сенсоров аппарата «Искусственное сердце» / Н. В. Корнилова, А. В. Власов // Современные технологии в машиностроении : сб. тр. XIII Междунар. науч.-практ. конф. - Пенза : ПДЗ, 2009. -С.200-202.

7 Корнилова, Н. В. Обоснование параметров управляющей электромагнитной оболочки для МЖ сенсоров аппарата «Искусственное сердце» / Н. В. Корнилова, А. В. Власов // Векторная энергетика в технических, биологических и социальных системах : сб. ст. XI межвуз. науч. конф. - Балаково : СООО «АН ВЭ», 2009. - С. 44-48.

8 Корнилова, Н. В. Анализ формирователей пространственно распределенных электромагнитных полей / А. В. Власов, Л. Е. Поторочи-на, Н. В. Корнилова // Векторная энергетика в технических, биологических и социальных системах : сб. ст. XI межвуз. науч. конф. - Балаково : СООО «АН ВЭ», 2009. - С. 48-55.

9 Корнилова, Н. В. Экспериментальный стенд для аппарата «Искусственное сердце» / А. В. Власов, А. В Анацкий, Н. В. Корнилова // Векторная энергетика в технических, биологических и социальных системах : сб. ст. XI межвуз. науч. конф. - Балаково : СООО «АН ВЭ», 2009. - С. 56-62.

10 Корнилова, Н.В. Обзор методов анализа и синтеза магнитных полей» / Н. В. Корнилова // Векторная энергетика в технических, биологических и социальных системах : сб. ст. XI межвуз. науч. конф. -Балаково : СООО «АН ВЭ», 2009. - С. 62-68.

11 Корнилова, Н. В. Создание модели секции электромагнитного исполнительного элемента / Н. В. Корнилова, М. А. Щербаков // Разработка и внедрение ресурсо- и энергосберегающих технологий и устройств : сб. ст. междунар. науч.-практ. конф. - Пенза : ПДЗ, 2010.-С.106-110.

12 Корнилова, Н. В. Схема управления электромагнитной генерирующей оболочкой аппарата «Искусственное сердце» / Н. В. Корнилова // Современные технологии в машиностроении : сб. ст. XIV Междунар. науч.-практ. конф. - Пенза : ПДЗ, 2010. - С. 361-363.

13 Корнилова, Н. В. Анализ динамики осевой компоненты электромагнитного поля при управлении магнитожидкостными сенсорами / Н. В. Корнилова, А. В. Власов // Векторная энергетика в технических, биологических и социальных системах : сб. ст. XI межвуз. науч. конф. - Балаково : СООО «АН ВЭ», 2010. - С. 59-66.

14 Корнилова, Н. В. Экспериментальные исследования электромагнитной генерирующей оболочки / Н. В. Корнилова, А. В. Власов // Векторная энергетика в технических, биологических и социальных системах : сб. ст. XI межвуз. науч. конф. - Балаково : СООО «АН ВЭ»,

2010.-С. 132-137.

15 Корнилова, Н. В. Магнитожидкостные сенсоры в системе управления аппарата «Искусственное сердце» / Н. В. Корнилова // Информационные и управленческие технологии в медицине и экологии : сб. ст. V Всерос. науч.-техн. конф. - Пенза : ПДЗ, 2011. - С. 48-50.

16 Корнилова, Н. В. Конструкция и экспериментальные исследования электромагнитной генерирующей оболочки / Н. В. Корнилова // Информационные технологии, автоматизация, системы автоматизированного проектирования промышленных систем строительных объектов : сб. науч. тр. III Всерос. науч.-техн. конф. - Саратов : СГТУ,

2011.-С. 188-191.

17 Корнилова, Н. В. Математические методы при синтезе электромагнитной оболочки на основе двух катушек управления / Н В Корнилова // Математические методы в технике и технологиях : сб. докл. XXIV Междунар. науч. конф. ММТТ-24 ШМУ-16 и программы У.М.Н.И.К. - Саратов : СГТУ, 2011. - С. 50-52.

18 Корнилова, Н. В. Семисекционная управляющая электромагнитная оболочка для гидравлического привода / Н. В. Корнилова, А. В. Власов // Векторная энергетика в технических, биологических и социальных системах: сб. ст. XII межвуз. науч. конф. - Балаково : СО-ОО «АН ВЭ», 2011.-С. 118-125.

19 Корнилова, Н. В. Электромагнитная генерирующая оболочка как элемент аппарата «Искусственное сердце» / Н. В. Корнилова // Экологические проблемы современности : сб. ст. VIII Междунар. на-уч.-практ. конф. - Пенза : ПДЗ, 2012. - С. 50-53.

20 Корнилова, Н. В. Электромагнитная управляющая оболочка для магнитожидкостных сенсоров аппарата «Искусственное сердце» / Н. В. Корнилова И Современные проблемы электрофизики и электродинамики жидкостей : сб. докл. X Междунар. конф. - СПб. : СОЛО, 2012.-С. 225-227.

Научное издание

КОРНИЛОВА Наталья Валерьевна

СРЕДСТВА ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО УПРАВЛЕНИЯ ЦИРКУЛЯЦИЕЙ БИОЛОГИЧЕСКИХ ЖИДКОСТЕЙ

Специальность 05.11.17- Приборы, системы и изделия медицинского назначения

Редактор В. В. Чувашова Технический редактор М. Б. Жункова Компьютерная верстка М. Б. Жучковой

Распоряжение № 7/2013 от 12.03.2013 г.

Подписано в печать 13.03.13. Формат 60x84'/i6. Усл. печ. л. 1,16. Тираж 100. Заказ № 158 .

Издательство ПГУ. 440026, Пенза, Красная, 40. Тел./факс: (8412) 56-47-33; e-mail:iic@pnzgu.ru

Пензенский государственный технический университет

На правах рукописи

Корнилова Наталья Валерьевна

СРЕДСТВА ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО УПРАВЛЕНИЯ ЦИРКУЛЯЦИЕЙ БИОЛОГИЧЕСКИХ ЖИДКОСТЕЙ

Специальность 05.11.17- Приборы, системы и изделия медицинского назначения

СМ Диссертация на соискание ученой степени

О кандидата технических наук

О

8§

« а

О ° СМ 00

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор М.А.Щербаков

Пенза-2013

СОДЕРЖАНИЕ

Список основных сокращений и обозначений 4

Введение 7

Глава 1. Анализ генераторов распределенных электромагнитных

полей 13

1.1 Обзор генераторов электромагнитных полей для систем медицинского назначения 13

1.2 Классификация устройств синтеза электромагнитного поля 26

1.3 Постановка задачи исследования 31

Основные результаты и выводы 37

Глава 2. Обоснование способа управления магнитожидкостными элементами

аппарата циркуляции биологических жидкостей 38

2.1 Классификация методов синтеза пространственно-распределенных электромагнитных полей 38

2.2 Анализ влияния электромагнитных полей на магнитные жидкости 42

2.3 Физические особенности формирования управляющих электромагнитных полей для магнитожидкостных элементов 49

2.4 Векторно-энергетический анализ электромагнитного генератора

для управления магнитожидкостными элементами 56

Основные результаты и выводы 78

Глава 3. Построение математической модели генератора электромагнитных полей для управления магнитожидкостным элементом аппарата циркуляции биологических жидкостей 80

3.1 Анализ методов расчета электромагнитных полей 80

3.2 Оценка осевой компоненты электромагнитного поля генератора управления магнитожидкостными элементами аппарата циркуляции биологических жидкостей 85

3.3 Методика расчета векторного магнитного потенциала генератора электромагнитных полей 91

3.4 Методика расчета электромагнитного поля одного витка генератора электромагнитных полей аппарата циркуляции биологических жидкостей 95

3.5 Расчет градиентного электромагнитного поля секции генератора

для аппарата циркуляции биологических жидкостей 98

3.6 Расчет электромагнитного поля, воздействующего на поверхность магнитожидкостного элемента 102

3.7 Расчет поля внутри магнитожидкостного элемента 104

3.8 Моделирование электромагнитных полей, создаваемых генератором для управления МЖЭ 108

Основные результаты и выводы 115

Глава 4. Экспериментальные исследования генератора

электромагнитных полей аппарата циркуляции биологических жидкостей 117

4.1 Выбор и обоснование базового варианта генератора электромагнитных полей 117

4.2 Разработка и изготовление экспериментального стенда 122

4.3 Проведение экспериментальных исследований и статистическая обработка результатов 126

4.4 Разработка системы контроля параметров генератора электромагнитных полей 13 7

Основные результаты и выводы 143

Заключение 144

Список используемых источников 146

Приложение А 157

Приложение Б 162

Приложение В 167

Приложение Г 197

СПИСОК ОСНОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ И СОКРАЩЕНИЙ

А - векторный потенциал магнитного поля, В-с/м; а - радиус трубы, м; В — магнитная индукция, Тл;

Ва, Вр, В,— составляющие вектора магнитной индукции, Тл; Б - вектор индукции электростатического поля в выходном канале, Кл/м ; с1 - диаметр частицы, м;

Е - вектор напряженности электростатического поля в выходном канале, В/м;

*з

Рм - объемная магнитная сила, Н/м ;

2

g - ускорение свободного падения, м/с ; Н - напряженность магнитного поля, А/м; к! - шаг между соседними слоями катушки, м; к2 — шаг намотки. / - сила тока, А;

2

3 - плотность тока, А/м ;

к= 1,3807-10" - постоянная Больцмана, Дж/К;

к щ - приведенная к единице массы кинетическая энергия пульсационного

движения, Дж/кг;

к — количество слоев катушки;

Ь{ С,) - функция Ланжевена.

Ь — длина проводника, м;

Ьсл — индуктивность одного слоя катушки, Гн;

I -максимальная длина МЖЭ, м;

тах " ' '

М- намагниченность насыщения магнитной жидкости, А/м;

Мъ - намагниченность насыщения исходного диспергированного вещества,

А/м;

- намагниченность насыщения коллоида, А/м;

т — магнитный момент твердой частицы, А-м2;

п - числовая концентрация частиц, м"3;

Я- сопротивление обмоток катушки, Ом;

Лиэ - радиус исполнительного элемента, м;

У?рт - радиус рабочего тела, м;

Гтах ~ максимальный радиус МЖЭ, м;

5 - площадь поперечного сечения, м2;

ТЕ - Максвелловский тензор натяжений электрического поля, Па;

Т7/ - Максвелловский тензор натяжений магнитного поля, Па;

и — скалярный потенциал магнитного поля, В; V — объем магнитной жидкости, м ;

Уех— континуальная скорость жидкости во входном канале, м/с; Уэ - скорость распространения электромагнитного поля, м/с;

У? - фиктивная скорость вязкостной энергетической реакции, м/с; Киэ - объем исполнительного элемента, м ;

1Уе — объемная плотность электрической энергии электромагнитного поля, Дж/м3;

Жн - объемная плотность магнитной энергии электромагнитного поля, Дж/м3;

Увх— вектор Умова напорного движения жидкости по входному каналу, Вт/м2;

У У — тензорная компонента реактивного вектора Умова, Вт/м ;

а - угол между векторами напряженности магнитного поля и скорости частицы, рад;

Ланжевеновский аргумент; Г|0 - вязкость жидкой основы, Па-с; |1 - относительная магнитная проницаемость среды \1 - динамический коэффициент вязкости жидкости, Н-с/м~;

ца - абсолютная магнитная проницаемость, Гн/м;

(х0 =4л • 10"7 - магнитная постоянная, Гн/м;

ц, - динамический коэффициент турбулентной вязкости Н-с/м ;

V- кинематический коэффициент вязкости, см /с;

о

р - плотность жидкости, кг/м ;

ро, рМ; рплв ~ плотность жидкой основы, магнитного материала и ПАВ ответственно, кг/м ;

ф - объемная концентрация магнитного материала;

АИК - аппарат «Искусственного кровообращения»;

ГЭПП - гидроэлектрический преобразователь плотности жидкости;

ГЭПР - гидроэлектрический преобразователь расхода жидкости;

МЖ - магнитная жидкость;

МЖС - магнитожидкостный сенсор;

МЖЭ - магнитожидкостный элемент;

ПАВ - поверхностно-активное вещество;

СПЭ - силовой поток энергоносителя;

ССП - система с распределенными параметрами;

СРП - система с распределенными параметрами;

УВПЭ - управляющий вектор потока энергоносителя;

ЭМП - электромагнитное поле.

mi'f

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. В современной медицине одной из актуальных задач является создание перфузионных систем, в частности для экстракорпорального кровообращения и для проведения перфузий и инфузий биологических жидкостей, различных лекарственных препаратов и растворов с возможностью обеспечения точности дозировки и контроля процесса [68].

Перфузионные насосы нашли применение в лечебных учреждениях, лабораториях и научно-исследовательских центрах, фармацевтических предприятиях. Аппараты циркуляции используются для проведения экстракорпоральных методов лечения, таких как гемосорбция, плазмаферез, плазмосорбция, ликворосорб-ция, ликворофильтрация, ультрафильтрация, реинфузия крови и т.д. В разные годы такими учеными как Шумаков В.И., Толпекин В.Е., Гуськов И.А., Иткин Г.П., Куваев А.Е., Писаревский A.A., Севастьянов В.И., Штенгольд Е.Ш., Кормер А.Я., Драгачев С.П., Еремин В.Н., Демихов В.П. и другими проводились исследования разнообразных медицинских приборов и устройств, использующих в своем составе различные виды биологических жидкостей [99].

В медицине для перекачки и циркуляции крови наибольшее применение получили шланговые насосы перистальтического действия. В таких насосах перекачивание жидкости осуществляется за счет вращающихся роликов, прижимающих кровеносные шланги к внутренней цилиндрической поверхности. При деформировании упруго-эластичных шлангов со стороны роликов прилагается весьма значительное усилие, распределение которого по сечению шланга неравномерно вследствие механических неточностей и неодинаковых условий взаимодействия, что приводит к травме форменных элементов крови, особенно при длительном функционировании насоса [29].

В связи с этим перспективным направлением является использование упругих магнитожидкостных элементов (МЖЭ) для создания низконапорных клапанов и электрогидравлического насоса [45]. Подтверждением актуальности тематики является то, что исследования физических и химических свойств магнитных жид-

костей (МЖ), а также их реакции на воздействие электромагнитного поля в настоящее время является одним из приоритетных направлений научных исследований. При использовании магнитной жидкости в упругой оболочке в качестве рабочего органа клапанов и насоса возникает задача разработки способов и средств электромагнитного управления. При этом бегущее электромагнитное поле создается последовательным включением секций катушки индуктивности, согласно микроконтроллерной системе управления. Система обладает спецификой, которая заключается в улучшении качественных показателей крови (снижение травматики формообразующих элементов) за счет замены трения скольжения в перекачивающем устройстве на трение качения.

При перекачивании существует возможность получения реологического эффекта, то есть увеличения текучести крови или другой биологической жидкости под воздействием магнитного поля. Биологические жидкости обладают магнитной восприимчивостью и под воздействием электромагнитного поля могут приобретать новые свойства и изменять такие параметры как: плотность, вязкость, прозрачность, теплопроводность, электрическую проводимость, адсорбцию, скорость химических реакций, текстурирование, текучесть, растворяющую способность, активность кислорода и других газов, скорость прохождения звука, рН, биологическую активность, энергоемкость, бактерицидность, поверхностное натяжение. Большой перечень восстановленных после омагничивания свойств такой биологической жидкости, как кровь, может существенно нормализовать всю систему кровообращения.

Решение задачи управления циркуляцией биологической жидкости является актуальной не только в области медицины, но и в промышленности, где возникают особые требования к транспортировке жидкости без гидравлических ударов (например, в случае работы с агрессивными или взрывоопасными жидкостями).

Целью работы является разработка модели и средств электромагнитного управления магнитожидкостными элементами для осуществления циркуляции биологических жидкостей, обеспечивающих уменьшение их травматичности в системах медицинского назначения.

Задачи исследования. Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:

1. Анализ существующих генераторов распределенных электромагнитных полей, выявление их недостатков и обоснование конструкции генератора электромагнитного поля для циркуляции биологических жидкостей посредством воздействия на магнитожидкостные элементы.

2. Разработка способа электромагнитного управления магнитожидкостными элементами для осуществления циркуляции биологических жидкостей в системах медицинского назначения.

3. Построение математической модели электромагнитного управления магнитожидкостными элементами для перекачки биологических жидкостей.

4. Обоснование структуры системы управления электромагнитным приводом, обеспечивающим заданные режимы функционирования электрогидравлического пульсатора и клапанов аппаратов циркуляции биологических жидкостей.

5. Экспериментальное подтверждение целесообразности использования электромагнитного управления электрогидравлическим насосом и клапанами с магнитожидкостными элементами.

6. Формулировка рекомендаций к внедрению разработанного принципа циркуляции биологических жидкостей в отделениях реанимации, пунктах переливания крови медицинских учреждений, в различных системах дозирования (фармацевтические предприятия, лаборатории, промышленные отрасли), а также в учебном процессе.

Методы исследования. Теоретические исследования выполнены на базе физических основ синтеза пространственно-распределенных электромагнитных полей, теории дифференциальных уравнений в частных производных для описания магнитных полей. Экспериментальные исследования электромагнитной управляющей оболочки проведены с использованием средств микропроцессорного управления, электротехнических измерений и видеосъемки.

Научная новизна исследования состоит в следующем:

1. Разработан способ управления принципиально новыми магнитожидкост-ными элементами аппарата циркуляции биологических жидкостей с целью снижения гемолиза путем уменьшения травматических факторов при перекачивании их в системах медицинского назначения.

2. Обоснована модель с максимальной крутизной характеристики управления магнитожидкостными рабочими органами, базирующаяся на анализе взаимодействия перекрестных управляющего электромагнитного и гидродинамического поля с упругим элементом, заполненным магнитной жидкостью.

3. Предложена математическая модель процесса электромагнитного управления аппаратами циркуляции биологической жидкости в системах медицинского назначения.

4. Разработана микроконтроллерная система управления, регулирующая производительность электрогидравлического насоса, осуществляющего перекачивание биологической жидкости без гидравлических ударов.

Практическая значимость и реализация результатов:

Научные и практические результаты использованы в плановых госбюджетных научно-исследовательских работах 2008-2012 гг., выполняемых на кафедре «Управление и информатика в технических системах» Балаковского института техники, технологии и управления (филиал) ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.» по направлению «Век-торно-энергетический анализ и синтез электромагнитной генерирующей оболочки».

Разработанная система управления электромагнитной генерирующей оболочкой рекомендована к внедрению на предприятиях: Филиал ОАО «Концерн Росэнергоатом» «Балаковская атомная станция», ОАО «Волжский дизель имени Маминых», ОАО «Балаковоатомэнергоремонт».

Экспонат «Электромагнитная управляющая оболочка для магнитожидкост-ных регулирующих элементов» был представлен на шестой специализированной выставке «Образование, карьера, занятость-2012» (г.Саратов, Выставочный центр

«Софит-Экспо») и прошел маркетинговую рыночную экспертизу с положительными экспертными оценками, что подтверждено соответствующим сертификатом.

Разработанный экспериментальный стенд, демонстрирующий принцип действия аппарата искусственного кровообращения на основе электромагнитного управления перекачиванием биологических жидкостей, используется в учебном процессе.

На защиту выносятся:

1. Теоретическое и конструктивное обоснование системы электромагнитного управления циркуляцией биологических жидкостей в системах медицинского назначения, способствующей снижению травматики формообразующих элементов за счет замены трения скольжения в перекачивающем устройстве на трение качения.

2. Математическая модель процесса управления магнитожидкостным элементом электрогидравлического насоса с учетом воздействия электромагнитного поля на его поверхность.

3. Методика расчета электромагнитного поля для управления циркуляцией биологической жидкости, позволяющая увеличить крутизну характеристики управления магнитожидкостным элементом.

Достоверность полученных результатов обусловлена непротиворечивостью и полнотой исходных предпосылок, корректным использованием аналитических и расчетных методов, сопоставимостью результатов теоретического исследования и моделирования с экспериментальными данными.

Апробация результатов исследования. Научные и практические результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международной научной конференции «Современные проблемы электрофизики и электродинамики жидкостей», Санкт-Петербург, 2009, 2012гг.; XXIV международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» ММТТ-24 ШМУ-16 и программы У.М.Н.И.К., Саратов, 2011г.; межвузовской российской

научной конференции «Векторная энергетика в технических, биологических и социальных системах». Балаково, 2009-2011гг.

Публикации. Основные теоретические и практические результаты диссертационной работы опубликованы в 20 статьях и тезисах докладов, среди которых 3 публикации в ведущих рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и 4 приложений. Общий объем составляет 201 страницу, работа содержит 81 рисунок, 21 таблицу, список литературы, включающий 104 наименования.

Автор выражает благодарность научному руководителю доктору технических наук, профессору М.А. Щербакову и доктору технических наук, профессору В.В. Власову за помощь, оказанную в ходе подготовки данной диссертационной работы.

ГЛАВА 1

АНАЛИ