Селективный ультразвуковой контроль газового состава воздушной среды в животноводческих помещениях
На правах рукописи
Недилько Илья Владимирович СЕЛЕКТИВНЫЙ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ КОНТРОЛЬ ГАЗОВОГО СОСТАВА ВОЗДУШНОЙ СРЕДЫ В ЖИВОТНОВОДЧЕСКИХ ПОМЕЩЕНИЯХ Специальность 05.20.02 – Электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Барнаул – 2011
Работа выполнена в ГОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова»
Научный консультант: доктор технических наук, Воробьев Николай Павлович
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Иванов Геннадий Яковлевич кандидат технических наук, доцент Меновщиков Юрий Александрович
Ведущая организация: ФГОУ ВПО «Алтайский государственный аграрный университет»
Защита диссертации состоится «24» июня 2011 года в 10-00 час. на заседании диссертационного совета Д 212.004.02 при ГОУ ВПО «Алтайский государст венный технический университет им. И.И. Ползунова» по адресу: 656038, г.
Барнаул, пр. Ленина, 46, факс (8-3852) 36 71 29, http://www.altstu.ru;
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Алтайского государственно го технического университета им. И.И. Ползунова.
Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью Вашего учре ждения, просим направлять по указанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета.
Автореферат разослан «19»_мая2011 г.
Ученый секретарь диссертационного совета, д.т.н., профессор КУЛИКОВА Л.В.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы В воздушной среде животноводческих помещений, предназначенных для выращивания и содержания крупного рогатого скота (КРС) и свиней, обычно присутствуют загрязнители (аммиак, углекислый газ, сероводород, окись угле рода, окись азота и др.), которые оказывают вредное патологическое воздейст вие, что приводит к болезням и снижению продуктивности животных.
Аммиак в производственных помещениях для людей и животных является наиболее токсичным газом. Повышенное его содержание вызывает одышку, воспаление легких, поражение глаз, судороги, обморочное состояние, паралич дыхательного центра и даже смерть. Предельно допустимые концентрации (ПДК) аммиака в воздухе для свиней и молодняка крупного рогатого скота до пускаются от 10 до 15 мг/м3 в зависимости от возраста животных. В помещени ях с плохо работающей вентиляцией и канализацией содержание аммиака пре вышает ПДК в десятки раз. Поэтому контроль аммиака и других загрязнителей в животноводческих помещениях является одной из основных задач по поддер жанию оптимального микроклимата для крупного рогатого скота и свиней, а также по созданию комфортных и безопасных условий для обслуживающего персонала.
Применяемые в настоящее время средства контроля вредных газов (флуо ресцентные кулонометрические, кондуктометрические, термохимические, оп тические, электрохимические, фотоионизационные) обладают нелинейной функцией преобразования, что ограничивает точность измерений, низкой вре менной стабильностью, снижающей воспроизводимость результатов, подвер жены значительному влиянию внешних дестабилизирующих факторов (темпе ратуры, влажности, давления и др.), как правило, требуют отбора проб, облада ют инерционностью при получении результатов измерений, сложны в эксплуа тации. Помимо этого агрессивность среды способствует преждевременному выходу из строя чувствительных элементов используемых газоанализаторов.
Ультразвуковые приборы, в основном, лишены перечисленных недостатков.
Они обладают высокими эксплуатационными характеристиками, возможностью дистанционного выноса датчиков и т.д. Однако их ограниченная селективность не позволяет одновременно контролировать наличие вредных газовых примесей на уровне ПДК, тем самым осуществлять автоматический мониторинг парамет ров воздушной среды для управления микроклиматом животноводческих по мещений. Представляется также важным обеспечение излучения и приема аку стических импульсов без изменения их формы в условиях наличия защитных мембран, независимости измерений от возмущающих воздействий, высокой точности и помехоустойчивости измерений.
Возникшее противоречие между недостаточными санитарно гигиеническими условиями содержания животных и современными требова ниями к обеспечению экологической безопасности среды в помещениях устра няется с помощью создания системы ультразвукового селективного автоматиче ского мониторинга.
Работа выполнена в соответствии с «Концепцией энергетического обеспе чения сельскохозяйственного производства в условиях многоукладной экономи ки (РАСХН)» и «Концепцией автоматизации технологических процессов сель скохозяйственного производства на период до 2010 года».
Целью работы является улучшение условий содержания животных в про изводственных помещениях и условий труда персонала путем разработки и ис пользования системы ультразвукового контроля газового состава воздушной среды, обеспечивающей снижение содержания вредных газов до уровня, не превышающего ПДК.
Идея работы состоит в совмещении функций селективного мониторинга вредных газовых примесей и автоматического снижения их концентраций, обеспечивающего экологическую безопасность.
Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих за дач:
1. Провести анализ современных средств контроля газовых загрязнений в животноводческих помещениях.
2. Обосновать требования к устройству ультразвукового селективного кон троля газового состава среды в помещениях.
3. Провести анализ и синтез структуры ультразвукового прибора.
4. Разработать метод имитационного моделирования и проектирования сис темы автоматического мониторинга газовых примесей и их параметров в жи вотноводческих помещениях.
5. Провести экспериментальное исследование опытного образца разрабо танного ультразвукового устройства и дать технико-экономическую оценку эф фективности.
Объект исследования. Системы контроля газового состава воздушной сре ды в животноводческих помещениях.
Предмет исследования. Электроакустические процессы контроля газового состава воздушной среды и физические явления распространения в ней ультра звуковых колебаний.
Методы исследования. Методы линейной и нелинейной акустики, теория вероятностей и математическая статистика, анализ и синтез передаточных функций пьезоэлектрических преобразователей, имитационное моделирование, методы группового выбора и экспертных оценок теории систем, теории инвари антности и автоматического управления.
Научную новизну представляют:
- метод имитационного моделирования и проектирования пьезоэлектриче ских преобразователей и индикатора наличия вредных веществ в воздушной среде;
- аналитические зависимости концентрации вредных газов от молекулярной массы смеси воздуха.
Практическую ценность работы представляют:
- методика расчета ультразвукового устройства контроля газового состава.
- ультразвуковая аппаратура, позволяющая обеспечить автоматический се лективный мониторинг вредных газовых примесей и улучшить состояние воз душной среды в животноводческих помещениях путем регулирования парамет ров микроклимата.
Реализация результатов работы:
Разработанный ультразвуковой прибор прошел производственные испыта ния и внедрен в ЗАО «Лебяжье» Егорьевского района Алтайского края на жи вотноводческой ферме крупного рогатого скота. Методические рекомендации «Система ультразвукового контроля газового состава воздушной среды живот новодческих помещений» одобрены Главным управлением сельского хозяйства Алтайского края и приняты для практического использования.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы доложены на 5-й и 6-й всероссийской научно-технической конференции студентов, аспи рантов и молодых ученых "Наука и молодежь" (НиМ – 2009), (НиМ - 2009);
V международной научно-практической конференции «Снижение рисков и смяг чение последствий чрезвычайных ситуаций природного и техногенного харак тера – приоритетные направления обеспечения социальной безопасности насе ления юга Западной Сибири. Комплексная безопасность и антитеррористиче ская защищенность региона на примере Алтайского края» г. Барнаул, 7 декабря 2007;
III международной научно-практической конференции (25-27 июня г.). – Улан-Удэ;
VI международной научно-практической Интернет-конференции " Энерго- и ресурсосбережение - XXI век ", г. Орел, 01 февраля по 30 апреля 2008 г. и международной научно-практической конференции «Электроэнергети ка в сельском хозяйстве» 26-30 июня 2009 г. – Новосибирск, 2009.
На защиту выносятся следующие положения:
1. Метод автоматического ультразвукового селективного контроля вредных веществ в воздухе животноводческих помещений.
2. Результаты имитационного моделирования электроакустических процес сов контроля газового состава и физических явлений распространения ультра звуковых колебаний в воздушной среде.
3. Требования к устройству ультразвукового контроля газового состава воз душной среды на объектах.
4. Метод расчета и проектирования системы селективного автоматического мониторинга газового состава воздушной среды.
Публикации. По материалам диссертационных исследований опубликовано 15 печатных работ, в том числе 3 статьи в изданиях по перечню ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четы рех разделов, заключения, списка использованных источников и приложений.
Работа изложена на 122 страницах машинописного текста, содержит 48 рисун ков, 18 таблиц, 4 приложения. Список литературы включает 129 наименований.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы работы, сформулированы цель и задачи исследования, приведены сведения об апробации основных результа тов работы, изложены основные положения диссертации, выносимые на защи ту.
В первом разделе приведен анализ методов и средств контроля газового состава воздушной среды в животноводческих помещениях, дана их классифи кация и показаны перспективы применения ультразвуковых приборов.
Известен экспресс-метод определения концентрации аммиака с использова нием индикаторных порошков и специального оборудования. Из числа автома тических газоанализаторов применяются флуоресцентные кулонометрические и кондуктометрические. Однако эти приборы обладают существенной зависимо стью выходного сигнала преобразователя от влажности анализируемого газа, ограниченной селективностью, необходимостью в частой замене электролита, нелинейности функции преобразования и т.д.
Современным технологическим требованиям контроля газового состава в целом соответствует ультразвуковая аппаратура, обладающая высокой надеж ностью и простотой обслуживания. Вместе с тем, используемые в настоящее время в сельском хозяйстве ультразвуковые приборы не позволяют регулиро вать газовый состав воздушной среды в животноводческих помещениях. Это обусловлено тем, что информации о скорости ультразвука в среде недостаточно для контроля нескольких вредных газов, появление которых обусловлено техно логическими и биологическими процессами, происходящими в животноводче ских помещениях. Кроме того, скорость распространения колебаний в газовых средах, регистрируемая ими, зависит от температуры и влажности. Применяе мые в сельском хозяйстве газоанализаторы обладают низкой точностью при измерении скорости и коэффициента затухания акустических колебаний в га зах.
При выборе метода контроля вредных газовых примесей необходимо оце нить технические характеристики (чувствительность, разрешающую способ ность, достоверность результатов контроля и надежность измерительной аппа ратуры).
Выполненные в диссертации исследования позволили определить основные направления совершенствования ультразвуковой диагностики газового состава загрязнителей в животноводческих помещениях. Наиболее перспективным из числа известных методов ультразвукового контроля является метод, основан ный на измерении скорости акустической волны, распространяемой в газовой среде. Суть этого метода заключается в формировании пьезоизлучателем ко роткого импульса, скорость распространения которого связана с содержанием отдельных загрязнителей в воздушной среде помещений.
В работе дано обоснование метода автоматизированного сбора данных о га зовом составе среды, селекции отдельных ее компонентов, контроля содержа ния вредных компонентов и сравнения их с ПДК с целью регулирования пара метров микроклимата животноводческих объектов.
Второй раздел посвящен обоснованию требований к устройству ультразву кового контроля (УУЗК) газового состава воздушной среды.
Рассмотренное в диссертации УУЗК сочетает в себе функции индикации наличия вредных веществ, содержащихся в животноводческих помещениях на уровне ПДК, и выработки сигнала управления для автоматического включения приточно-вытяжной вентиляции с целью улучшения экологической обстановки в производственном помещении.
В диссертации изложена методика контроля газовых примесей и определена топологическая схема измерения параметров микроклимата в животноводче ских помещениях.
Скорость ультразвука в газовой среде зависит от отдельных ее компонентов (вредных примесей) и от их концентраций. Исходя из этого при обосновании метрологических требований к УУЗК получена зависимость минимально обна руживаемой концентрации загрязнителя в воздухе mi (г/м3) от относительной погрешности измерения скорости ультразвука (при температуре Т оК) mi (2 M0 (0,013T 2 12T 3600)), (1) (2 Mi 2 M0 Mi M0 ) где M 0 и M i - молекулярные массы сухого атмосферного воздуха и загрязни теля.
С учетом формулы (1) в работе сформулированы требования к точности из мерения скорости ультразвука в зависимости от параметров определяемого газа (ПДК – предельно (максимально) допустимой концентрации и Мi). Полученная зависимость (рисунок 1) позволяет обосновать аппаратурное значение для любого из перечисленных компонентов газовой среды и минимально обнаружи ваемые концентрации загрязнителя.
Будем рассматривать атмосферный воздух при отсутствии загрязнителей как устойчивую систему, содержащую один газовый компонент, а при наличии примесей – некоторую псевдобинарную газовую смесь. Тогда возможные за грязнители (аммиак, углекислый газ и т.д.) представим как множество Z, каж дый элемент которого ставится в соответствие с некоторым физически реали зуемым критерием К, характерным для всех газообразных веществ. Тогда вы ражение X K Z (2) обозначает принадлежность загрязнителей или их группы Х, обладающих кри терием К, всему множеству Z. В соответствии с методом экспертных оценок теории систем произведено упорядочивание распределения загрязнителей. С этой целью предельно допустимые концентрации рабочей зоны (ПДКрз) за грязнителей использованы в качестве критерия идентификации наряду с К.
Минимально обнаруживаемая концентрация, г/м3 0. аммиака 0.03 углекислого газа сероводорода 0.02 окиси углерода окиси азота 0. -0. -0. -0. -0. 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 - Относительная погрешность измерения скорости ультразвука x Рис. 1. Зависимость минимально обнаруживаемой концентрации вредных ве ществ в воздухе mi, (г/м3) от относительной погрешности измерения скорости звука (при температуре 283 оК) Это позволило поставить компоненты загрязнителей в соответствие множеству Z, упорядоченному по критериям К и ПДКрз, то есть множеству Z’ X K, ПДК Z Z, (3) где П ДК - ПДКрз.
Выражение (3) эквивалентно интегральной идентификации компонентов га зообразных сред, осуществляемой на основе физического (К) и нефизического (ПДКрз) критериев и упорядоченного по этим критериям множества Z’.
В качестве критерия К принята молекулярная масса МСМ псевдобинарной смеси воздуха и вредных газов. Примем, что молекулярная масса сухого атмо сферного воздуха равна М0, а максимальное отклонение от номинального зна чения (вследствие естественных флуктуаций концентраций компонентов сухого атмосферного воздуха) равно M 0. Тогда можно получить оценку M 0 / M на уровне 1х10-7 с вероятностью 97 %. Поэтому следует ожидать, что с такой же относительной погрешностью может быть определена концентрация загряз нителя воздушной среды по измерению М см.
Для обеспечения селективности ультразвукового анализа газообразных сред по скорости ультразвука в диссертации предложен следующий алгоритм.
Предварительно все множество возможных загрязнителей располагают в одномерный ряд по возрастанию степени влияния каждого на изменение моле кулярной массы анализируемой смеси при условии достижения ими некоторого характерного для каждого из них порогового значения концентрации (например, ПДКрз).
Одновременно устанавливают однозначное соответствие между элементами ряда и изменением молекулярной массы газовой смеси (воздуха).
По измеренной величине молекулярной массы и по элементам ряда опреде ляются группы загрязнителей и их концентрации.
Для составления соответствия между значениями молекулярной массы сме си воздуха, ПДКрз вредных газов и наименованиями групп вредных веществ, для которых возможно превышение ПДKрз или некоторого порогового уровня концентрации, получено соотношение M см M 0 224 107 П дк M i M 0 M i1, (4) где М0=28,996 (молекулярная масса сухого атмосферного воздуха), Mi - мо лекулярная масса загрязнителя, П дк - ПДКрз.
На рисунке 2 приведена зависимость, реализующая формулу (4), с помощью которой можно определить значения Mсм по известным Mi и ПДКрз для любого газового загрязнителя.
X: 3.04e+ 30 Y: 43. Z: 29. Мсм 1 2 3 4 4 x Mi ПДКрз Рис. 2. Зависимость молекулярной массы Mсм воздушной смеси от ПДКрз (мг/м3) и от молекулярной массы Mi загрязнителя Анализ таблицы 1 позволяет установить предельные возможности контро ля группы загрязнителей в воздухе по скорости ультразвука при принятых зна чениях.
Установлено, что наиболее высокие требования к относительной погрешно сти измерения скорости ультразвука возникают при контроле сероводорода (минимально обнаруживаемая концентрация этого газа 0,007 г / м ( Р 0,3 ) при ПДКрз, равной 0,02 г / м ). При этом контроль окисей углерода и азота становит ся проблематичным, т.к. минимально обнаруживаемые концентрации этих газов (0,038 г / м и 0,034 г / м ) больше соответствующих ПДКрз (0,02 г / м и 0,03 г / м ). 3 Таблица Расчетные значения минимально обнаруживаемых концентраций вредных газов Вредный газ Mi, М см, П дк * mi при mi при mi при 1x10 о.м.м о.м.м г/м 5 1x10 1х г / м3 г / м3 г / м Аммиак 17,032 0,02 28,99568 0,06 0,006 0, P 0,7 P 0, P Углекислый 44,00995 4,94 29,03375 0,05 0,005 0, P 0,99 P 0,99 P 0, газ Сероводород 34,082 0,01 28,99603 0,14 0,014 0, P 0, P0 P Окись углеро- 28,01 0,02 28,99598 0,76 0,076 0, да P0 P0 P Окись азота 30,008 0,03 28,99602 0,7 0,07 0, P0 P0 P Примечание: m - минимально обнаруживаемая концентрация загрязнителя i при заданных значениях и Р ;
Mi - молекулярная масса загрязнителя;
Mсм молекулярная масса воздушной смеси;
- относительная погрешность изме рения скорости ультразвука;
Р - вероятность обнаружения загрязнителя;
Пдк - ПДКрз – предельно допустимая концентрация в рабочей зоне;
* - или максимальное содержание Вероятность Р обнаружения загрязнителя на фоне сухого атмосферного воздуха в принятых границах ПДКрз или максимального содержания загрязни теля в воздухе определена исходя из того, что P 1 m i П дк1 (5) при том, что при выполнении условия mi Пдк соответствующие значения P 0.
При этом 5 10 7 характеризует максимальную погрешность при изме рении аммиака, углекислого газа и сероводорода в воздухе по скорости ультра звука при вероятности, соответственно, 0,85, 0,99, 0,3.
Анализ требований к преобразователям акустической информации в части повышения точности и чувствительности показал, что при частотно импульсных измерениях скорости ультразвука в газовых средах наиболее целе сообразно использовать известный (Земельман И.А.) метод автоматической коррекции погрешностей измерительного устройства (ИУ) по способу вспомо гательных измерений с системой автоматического введения поправок. При этом предполагается, что погрешность от случайных собственных изменений пара метров статической функции преобразования ИУ может быть уменьшена с по мощью соответствующей модернизации частотно-импульсного метода измере ния скорости ультразвука.
В диссертации дана оценка погрешности метода вспомогательных измере ний с учетом температурного фактора, как наиболее возмущающего. В качестве входной величины примем отклонение средней молекулярной массы воздуха M, а выходной величины - частоту автоциркуляции синхроимпульсов с уче том возможности ее линеаризации.
Примем, что частота автоциркуляции кратна величине средней молекуляр ной массы воздуха и номинальный коэффициент преобразования линеен. Вме сте с тем влияние температуры вносит значительную погрешность при измере нии. Поэтому отклонение температуры от номинального значения на 10° С можно интерпретировать как изменение статической функции преобразования на 1,65 %. В этом случае относительное квадратичное отклонение функции бу дет равно 0,005 %.
Примем погрешность измерения температуры, равной 10, а температур ный диапазон - 10 0 C 30 0 C. Тогда максимальное отклонение температуры max 600 C.
В результате вычислений (по методике Земельмана И.А.) полу чим максимальную статическую погрешность преобразования вида к.ст. 0,3 107 0,3 105% M. (6) При отсутствии коррекции приведенная к входу погрешность преобразова ния определится в виде 0,015 1,5% M. (7) В диссертации дана оценка динамической погрешности метода вспомога тельных измерений при коррекции температурных возмущений. Продолжи тельность вычисления поправки в счетном устройстве газоанализатора принята равной 100 с. При этом динамическая погрешность коррекции к.д. (t) 0,4 107 0,4 105% M. (8) Полная погрешность коррекции от температуры к. к.ст. (t) к.д. (t) 0,7 107 0,7 105% M. (9) Таким образом, УУЗК, построенное по принципу вспомогательных измере ний, обладает инвариантностью по отношению к температурным возмущениям, достаточной для обнаружения вредных веществ в воздухе животноводческих помещений.
В таблице 2 приведены требования к УУЗК воздушной среды в животно водческих помещениях.
Таблица Требования к УУЗК воздушной среды в животноводческих помещениях Функциональные Автоматический режим работы Селективность определения загрязнителей в рабочей зоне Загрязнители: аммиак, углекислый газ, сероводород Способ отбора пробы - принудительный Возможность контроля вредных газов в 9 точках Метрологические Диапазон изменения значений контролируемого парамет ра - относительной молекулярной массы воздушной среды (о.м.м.): от значения, соответствующего 2ПДКрз аммиака, до ПДКрз углекислого газа (для производственных поме щений) Погрешность измерения параметра (о.м.м.) до значения, эквивалентного присутствию ±0,4ПДКрз сероводорода Минимальная вероятность обнаружения наименее значи мого (по влиянию на о.м.м) загрязнителя (сероводорода):
Р 0, Номинальное время установления показаний: 100 с Конструкционные Индикатор наличия вредных веществ Блок формирования сигнала для автоматического включе ния приточно-вытяжной вентиляции Тип газоанализатора: стационарный Выносной датчик на кабеле длиной: 100 м Масса прибора не более: 3 кг Габаритные размеры прибора: не более: 360х360х155 мм Электротехнические Потребляемая прибором мощность не более: 15 Вт Напряжение питания: 220±22 В, 50±1 Гц Нагрузочная способность реле, управляющего включени ем (отключением) приточно-вытяжной вентиляции: 7А при 220В Эксплуатационные Температура воздуха: от - 20 до + 40 оС Относительная влажность (без конденсации влаги) от до 95 % Атмосферное давление: от 84 до 106 кПа Режим работы: круглосуточный Реализация изложенного метода по измеренным значениям Mсм в комплексе газовых загрязнителей производственной среды дает возможность автоматиче ски управлять приточно-вытяжной вентиляцией. Это позволяет значительно минимизировать капитальные и эксплуатационные расходы на проведение мо ниторинга воздушной среды в животноводческих помещениях, снизить содер жание вредных газов ниже ПДКрз, тем самым обеспечить нормальные санитар но-гигиенические условия содержания животных.
В третьем разделе представлены результаты имитационного моделирова ния и разработки УУЗК.
Цель моделирования – построение амплитудно- и фазочастотных характе ристик пьезоэлектрических преобразователей, формирование структуры УУЗК, оценка линейности и диапазона его показаний при изменении концентрации га зов, оценка уровня инвариантности работы устройства от воздействия возму щающих факторов.
Основным блоком ультразвукового прибора является пьезопреобразователь.
Известные аналитические методы расчета преобразователей базируются на не линейных электромеханических аналогиях, для которых отсутствует математи ческая постановка и решение задачи, например, при отыскании обратного пре образования Лапласа.
Это осложняет использование акустических методов контроля газовых примесей и создание эффективной системы мониторинга и управления микро климатом. При моделировании системы ультразвукового контроля в диссерта ции использованы работы В.И. Домаркаса и Р.-И.С. Кажиса по анализу и синте зу передаточных функций пьезоэлектрических преобразователей.
Рассмотрим общий случай расчета механически демпфированного излуча теля с произвольным числом переходных слоев и электрической цепью вклю чения генератора. В этом случае передаточная функция излучателя системы «преобразователь - электрическая цепь» Г- типа может быть представлена в ви де j x К И x К И 0 ФИ х е, И (10) где К И 0 - максимальный коэффициент передачи механически демпфиро ванного пьезоизлучателя без переходного слоя, питаемого от генератора на пряжения;
И x - амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) пьезоизлучателя, нормированная относительно максимального значения коэффициента передачи пьезоэлектрической пластинки;
И x - фазочастотная характеристика (ФЧХ) пьезопреобразователя;
х - относительная частота.
В свою очередь, И x K И x K 1И 0, (11) где К И 0 - максимальный коэффициент передачи механически недемпфи рованного пьезоизлучателя без переходного слоя, питаемого от генератора на пряжения.
И x Функцию можно интерпретировать как кратность коэффициента К И 0 на каждой относи передачи исследуемого преобразователя к величине тельной частоте х.
Поскольку коэффициент K И 0 является действительной величиной, а за висимость частоты х (в интервале 0 - 2) во времени линейная, то проведенное нормирование не меняет функцию И x, являющуюся фазочастотной ха рактеристикой (ФЧХ) преобразователя. На рисунках 3 и 4 приведены разрабо танные модели для получения амплитудно-частотной и фазочастотной характе ристик пьезоизлучателя, нормированных относительно х.
MATLAB double double Time Signal Function Scope MATLAB Fcn Signal Builder Time Scope Блоку MATLAB Fcn соответствует m-файл. Блоки Time Scope1 и Time Scope2 – осциллографы Рис. 3. Модель для получения амплитудно-частотной характеристики пьезоиз лучателя MATLAB double double Signal 2 Time Function double Scope MATLAB Fcn double Signal Builder Unwrap Product double double double 0. -C Time Product Constant1 Scope Constant Блоку MATLAB Fcn соответствует m-файл Рис. 4. Модель для получения фазочастотной характеристики пьезоизлучателя Имитационная модель УУЗК. На стадии разработки УЗИК проведено моде лирование блока получения информации о молекулярной массе воздушной среды (рисунок 5), а в таблице 3 – расчетные значения параметров модели, что позволяет оценить отклоне ние показаний прибора при одновременном изменении временной задержки в эта лонном и измерительном канале, то есть определить уровень инвариантности ра боты устройства.
Рис. 5. Модель устройства для косвенного измерения скорости ультразвука (по рисунку 6) Таблица Зависимость показаний прибора (y) от одновременного изменения временной задержки в эталонном и измерительном канале ( в процентах от начального значения), % 100 120 140 y 2056 2063 2068 На основании проведенного моделирования разработано УУЗК, структур но-функциональная схема которого приведена на рисунке 6.
Рис. 6. Блок-схема устройства, реализующего способ регулирования газового состава воздушной среды:
Контролируемый канал автоциркуляции электроакустических импульсов: син хронизируемый генератор - 1, формирователь контрольного интервала – 2, из лучатель - 3, контролируемая среда - 4, приемник - 5, усилительно формирующий блок – 6;
эталонный канал: излучатель -7, эталонная среда - 8, приемник - 9, усилительно-формирующий блок - 10 формирователь эталонного интервала – 11;
генератор стабильных колебаний - 12, каскад совпадений - 13, делитель частоты - 14, второй каскад совпадений - 15, счетчик импульсов - 16, дешифратор - 17, триггер - 18, двухвходовая схема «И» - 19, дополнительная двухвходовая схема «И» - 20, дополнительный триггер - 21, n- входовая схема «ИЛИ» - Устройство, состоящее из блока получения информации о молекулярной массе воздушной среды и индикатора наличия вредных веществ, работает сле дующим образом. Генератор 1 вырабатывает электрические импульсы, которые после преобразования их в акустические проходят контролируемый канал и да лее, преобразовываясь в электрические, поступают на вход генератора 1, вызы вая повторный цикл автоциркуляции электроакустических импульсов. Эти же импульсы поступают на входы формирователя 2 и далее на каскады 13, управ ляя прохождением высокочастотных импульсов с периодом Т0 с выхода генера тора 12 на вход делителя 14, имеющего коэффициент деления Кд. Результат из мерений представляется в виде N X KдСкСэ, где Ск и Сэ - скорость ультра звука соответственно в контролируемом и эталонном каналах, обеспечивая тем самым инвариантность показаний устройства с учетом температурного воздей ствия.
В устройстве предусмотрена компенсация влияния влажности на надеж ность его функционирования. Установлено, что минимальная постоянная вре мени изменения влажности атмосферного воздуха равна в= 4000 с. Постоян ная времени э воздухообмена эталонного канала выбрана равной 800 с, из ус ловия качественной пятикратной продувки датчика. Контролируемый и эталон ный каналы сообщаются с внешней средой и заполняются газом с определен ным значением относительной влажности воздуха. Изменение частоты авто циркуляции в каналах при разных значениях описываются кривыми, близки ми по характеру к мультипликативным воздействиям, которые компенсируются и не оказывают влияния на результат измерений.
При возникновении флуктуационных явлений наблюдается неоднознач ность показаний приборов контроля (погрешность дискретности). С целью ее преодоления в диссертации рассмотрен метод, суть которого состоит в том, что в момент времени, когда общее число импульсов, заполняющих контрольные интервалы, достигает фиксированного значения, прекращается заполнение им пульсами эталонных интервалов. При этом исключаются n-младшие разряды индикатора, определяемые соотношением:
0, n lg m 1 2 l 1t и C, (12) где n - порядок числа;
m - мантисса числа;
tи - время счета;
С - скорость зву ка в среде;
l - расстояние между пьезопреобразователями в контролируемом ка нале.
Отмеченное позволяет повысить точность измерений скорости ультразвука (соответственно – молекулярной массы).
В течение интервала счета электрические импульсы, появляющиеся на раз рядах счетчика 16, поступают на входы дешифратора 17, который предвари тельно настроен на селекцию числа, соответствующего максимальному изме нению предельно допустимой концентрации вредного газа. Таким образом, по явление импульсов на выходе дешифратора возможно только в случае дости жения или превышения заданного значения концентрации (ПДКрз) аммиака. На выходе триггера 21 формируется сигнал С1 о превышении одним из контроли руемых компонентов газовой среды (например, аммиаком) ПДКрз, на выходе блока 22 формируется сигнал D для регулирования параметров микроклимата в животноводческом помещении.
Сигнализация о предельно допустимых концентрациях загрязнителей осу ществляется с помощью разработанного электронного коммутатора измери тельных каналов, входящего в состав УУЗК. Принцип его действия основан на использовании аналоговых устройств с цифровым управлением для коммута ции измерительных каналов пьезоэлектрических преобразователей.
В четвертом разделе приведены результаты экспериментальных исследо ваний и комплексная оценка эффективности мониторинга газового состава в животноводческих помещениях.
Программой исследования предусматривалось:
- проверка принятых теоретических предпосылок;
- определение диапазона и погрешности измерения молекулярной массы воздуха, а также уровня инвариантности при возмущающих воздействиях, влияющих на эффективность работы прибора;
- производственная проверка системы ультразвукового селективного авто матического мониторинга газовой среды.
При испытаниях разработанного индикатора наличия вредных газов в жи вотноводческих помещениях определялись:
- Xmin и Xmax - нижнее и верхнее значения относительной молекулярной мас сы воздушной среды, о.м.м.;
- погрешность измерения относительной молекулярной массы воздушной среды при наличии концентрации аммиака, углекислого газа и сероводорода на уровне ПДКрз, о.м.м., - P - доверительная вероятность измерения относительной молекулярной массы воздушной среды;
- зависимость индекса молекулярной массы воздуха от времени при дейст вии системы коррекции.
Принятые допущения: полученные данные при измерении молекулярной массы газов не подвергались дополнительной проверке по эталонным кривым, поскольку скорость ультразвука достаточно точно определяется расчетным пу тем.
При экспериментах использовалась следующая аппаратура: ДГСУ – дина мическая газосмесительная установка, ротаметр РКС-1-0.25 (расход смеси 100±25 мл/мин), ПГС №1 - поверочные газовые, смеси из баллонов под давле нием, редуктор, вентиль точной регулировки, приспособления для поверки, термометр лабораторный 0-50 оС, комбинированный прибор Ц4317, психро метр ПВ1Б, секундомер СМ-60, побудитель расхода П3.
С учетом технологических требований к скорости изменения контролируе мого параметра и диапазону его изменения с учетом быстродействия самого прибора и инерционности газосмесительной установки определялся оптималь ный объем выборки.
Анализ результатов измерений:
- производился в пакетах Matlab с линеаризацией (с нормированием откло нения от линейной аппроксимации);
- для проверки на непротиворечие распределения генеральной совокупно сти значений нормальному закону с неопределенными параметрами применял ся тест Лиллиефорса средствами Statistics Toolbox 5.0 среды Matlab;
- построение значений линейной модели и ее 87% доверительных интерва лов осуществлялось функцией plot.
В результате испытаний индикатора наличия вредных веществ получена за висимость индекса молекулярной массы (при наличии аммиака на уровне ПДКрз) от времени (рисунок 7).
28, Индекс молекулярной массы, М data 28,99571 y = - 1.4142e-008*x + 28.996 linear data 28, data 28,99569 data data 28, 28, 28, 28, 50 100 150 200 250 300 Время, мин - residuals x Linear: norm of residuals = 4.9581e- - - - 50 100 150 200 250 300 Рис. 7. Построение значений линейной модели и их 87% доверительных интер валов для индекса молекулярной массы воздуха (по аммиаку на уровне ПДКрз) от времени в диапазоне температур от -20 до +40 градусов Цельсия при дейст вии системы коррекции в воздухе (ниже приведено нормированное отклонение графика от линейной аппроксимации) Аналогичные зависимости получены и для индекса молекулярной массы при наличии углекислого газа и сероводорода на уровне ПДКрз.
В результате испытаний УУЗК установлено:
1. Диапазон измерения значений относительной молекулярной массы воз душной среды - Xmin = 28,9954 о.м.м. и Xmax =29,22525 о.м.м.
2. Погрешность измерения относительной молекулярной массы воздушной среды составила ±2,5*10-7 о.м.м. при доверительной вероятности P, равной % (по аммиаку), ±1,5*10-6 о.м.м. при доверительной вероятности P, равной % (по углекислому газу), ±1,7*10-7 о.м.м. при доверительной вероятности P, равной 87 % (по сероводороду).
Полученные результаты исследований позволяют сделать следующие выво ды:
1. Разработанное УУЗК соответствует предъявленным техническим требо ваниям и способно осуществлять селективный контроль и индикацию наличия вредных газовых примесей (аммиака, углекислого газа, сероводорода).
2. Автоматический мониторинг вредных газовых примесей и система при точно-вытяжной вентиляции дают возможность понизить концентрацию этих примесей до значений, соответствующих санитарно-гигиеническим условиям содержания животных в помещениях.
В диссертации проведен расчет ожидаемого экономического эффекта от ис пользования одного УУЗК применительно к животноводческому помещению на 100 голов КРС, который составил 72000 рублей в год.
Разработаны методические рекомендации «Система ультразвукового кон троля газового состава воздушной среды животноводческих помещений», одоб ренные Главным управлением сельского хозяйства Алтайского края и принятые для практического использования.
Основные выводы и результаты 1. Состояние воздушной среды в животноводческих помещениях не соот ветствует санитарно-гигиеническим нормам, что не обеспечивает безопасные условия содержания животных и труда персонала. Общим недостатком извест ных технических решений в области мониторинга воздушной среды в сельско хозяйственных помещениях является сложность контроля многокомпонентного состава газовых примесей и, соответственно, невозможность эффективного управления микроклиматом.
2. Полученные математические модели позволили установить количествен ную зависимость между молекулярной массой воздушной среды и наличием отдельных ее загрязнителей. Установлена также связь между минимально об наруживаемой концентрацией любого газа в воздухе и относительной погреш ностью измерения скорости ультразвука.
3. На основе предложенной математической модели процесса распростра нения акустических колебаний в многокомпонентной газовой среде, имитаци онных моделей пьезопреобразователей и блока ультразвукового контроля обоснованы требования к системе автоматического регулирования концентра ции вредных газовых примесей. Разработанное УУЗК позволяет по сравнению с аналогами-газоанализаторами повысить точность и помехозащищенность, на дежность, быстродействие, обеспечить расширение диапазона измерений, ком пенсацию мультипликативных (температурных, влажностных, скоростных, флуктуационных) возмущающих воздействий при контроле концентрации ам миака, углекислого газа и сероводорода в помещениях.
4. Установлены метрологические характеристики индикатора наличия вредных веществ (аммиака, углекислого газа, сероводорода):
- диапазоны измерения значений относительной молекулярной массы воз душной среды составляют: Xmin=28,9954 и Xmax=29,2252;
- погрешность измерения относительной молекулярной массы воздушной среды при доверительной вероятности P, равной 87 %, составила: по аммиаку ±2,5х10-7, по углекислому газу - ±1,5 х10-7, по сероводороду – ±1,7х10-7.
5. Технические характеристики УУЗК позволяют использовать его для ин дикации наличия вредных веществ, управлять приточно-вытяжной вентиляцией и понизить концентрацию загрязнителей на уровне, не превышающем ПДК ра бочей зоны.
6. Годовой экономический эффект от внедрения ультразвукового устройст ва контроля газового состава в ЗАО «Лебяжье» Егорьевского района Алтайского края на животноводческой ферме крупного рогатого скота на 100 голов соста вил 72000 рублей.
7. Результаты исследований были использованы при разработке научно методических и практических рекомендаций «Система ультразвукового кон троля газового состава воздушной среды животноводческих помещений», одобренных Главным управлением сельского хозяйства Алтайского края и принятых для практического использования.
Список основных публикаций по теме диссертационной работы в изданиях по перечню ВАК 1. Недилько И. В. Обоснование требований к ультразвуковому контролю га зового состава воздушной среды в животноводческих помещениях / Н. П. Во робьев, И. В. Недилько, О. К. Никольский // Вестник Красноярского государст венного аграрного университета. – Красноярск, 2008. – Вып. 3. - С. 220 - 225.
2. Недилько И. В. Автоматизированная система контроля концентрации аммиака в воздухе животноводческих помещений / Н. П. Воробьев, И. В. Не дилько // Механизация и электрификация сельского хозяйства. – 2009. – 5. – С.
36.
3. Недилько И. В. Ультразвуковой сигнализатор концентрации аммиака в воздухе животноводческих помещений и электронный коммутатор каналов / Н.
П. Воробьев, И. В. Недилько // Ползуновский вестник. – Барнаул, 2009. - № 1-2.
– С. 320 - 327.
В других издания 4. Недилько И.В. Ультразвуковой метод контроля вредных веществ в возду хе рабочей зоны предприятий АПК / И.В. Недилько, Н.П. Воробьев // Серия Со циальная безопасность населения юга Западной Сибири. Выпуск 12: Материа лы V международной научно-практической конференции «Снижение рисков и смягчение последствий чрезвычайных ситуаций природного и техногенного ха рактера – приоритетные направления обеспечения социальной безопасности населения юга Западной Сибири. Комплексная безопасность и антитеррористи ческая защищенность региона на примере Алтайского края» г. Барнаул, 7 декаб ря 2007 / Под общей редакцией Я.Н. Ишутина, М.Б. Редина. Барнаул: Азбука, 2007. – С. 237-238.
5. Недилько И.В. Проблемы и технические средства обеспечения безопас ности при эксплуатации аммиачных холодильных установок / И.В. Недилько, Н.П. Воробьев // Серия Социальная безопасность населения юга Западной Си бири. Выпуск 12: Материалы V международной научно-практической конфе ренции «Снижение рисков и смягчение последствий чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера – приоритетные направления обеспечения социальной безопасности населения юга Западной Сибири. Комплексная безо пасность и антитеррористическая защищенность региона на примере Алтайско го края» г. Барнаул, 7 декабря 2007 / Под общей редакцией Я.Н. Ишутина, М.Б.
Редина. Барнаул: Азбука, 2007. – С. 236-237.
6. Недилько И.В. Индикатор наличия вредных веществ в воздухе животно водческих помещений / Н.П. Воробьев, И.В. Недилько // Возобновляемые ис точники энергии для устойчивого развития Байкальского региона: Материалы III международной научно-практической конференции (25-27 июня 2008 г.). – Улан-Удэ: Изд-во БГСХА им. В.Р. Филиппова, 2008. - С. 23-28.
7. Недилько И.В. Канал получения информации ультразвукового индикатора наличия вредных веществ в воздухе животноводческих помещений / Н.П. Во робьев, И.В. Недилько, Д.П. Величко // VI международная научно-практическая Интернет-конференция " Энерго- и ресурсосбережение - XXI век ", г. Орел, февраля по 30 апреля 2008 г./ Секция 8. Энерго - и ресурсосбережение в агро промышленном комплексе. 4 с. [Электронный ресурс]. – Электрон. дан. – М., [2008]. – Режим доступа: http://www.ostu.ru/science/confs/2008/ers/papers.html. Загл. с экрана.
8. Недилько И.В. Ультразвуковой контроль концентрации аммиака в живот новодческих помещениях / О.К. Никольский, Н.П. Воробьев, И.В. Недилько // VI международная научно-практическая интернет-конференция " Энерго- и ре сурсосбережение - XXI век ", г. Орел, 01 февраля по 30 апреля 2008 г./ Секция 8. Энерго - и ресурсосбережение в агропромышленном комплексе. 4 с. [Элек тронный ресурс]. – Электрон. дан. – М., [2008]. – Режим доступа:
http://www.ostu.ru/science/confs/2008/ers/papers.html. - Загл. с экрана.
9. Недилько И.В. Канал получения информации ультразвукового индикатора наличия вредных веществ в воздухе животноводческих помещений / И.В. Не дилько, Н.П. Воробьев // 5-я всероссийская научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых "Наука и молодежь - 2008" (НиМ 2008). Секция «Энергетика». Подсекция «Электрификация и теоретические ос новы электротехники». – 3 с. [Электронный ресурс]. – Электрон. дан. – М., [2008] – Режим доступа: http://edu.secna.ru/main/review. - Загл. с экрана.
10. Недилько И.В. Экспериментальные исследования индикатора наличия вредных веществ в воздухе животноводческих помещений / И.В. Недилько, Н.П. Воробьев // 5-я всероссийская научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых "Наука и молодежь - 2008" (НиМ - 2008). Секция «Энергетика». Подсекция «Электрификация и теоретические основы электро техники». – 3 с. [Электронный ресурс]. – Электрон. дан. – М., [2008] – Режим доступа: http://edu.secna.ru/main/review. - Загл. с экрана.
11. Недилько И.В. Индикатор наличия вредных веществ в воздухе животно водческих помещений / И.В. Недилько, Н.П. Воробьев // 5-я всероссийская на учно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых "Нау ка и молодежь - 2008" (НиМ - 2008). Секция «Энергетика». Подсекция «Элек трификация и теоретические основы электротехники». – 3 с. [Электронный ре сурс]. – Электрон. дан. – М., [2008] – Режим доступа:
http://edu.secna.ru/main/review. - Загл. с экрана.
12. Недилько И.В. Ультразвуковой контроль концентрации аммиака в жи вотноводческих помещениях / И.В. Недилько, Н.П. Воробьев, О.К. Никольский // 5-я всероссийская научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых "Наука и молодежь - 2008" (НиМ - 2008). Секция «Энергети ка». Подсекция «Электрификация и теоретические основы электротехники». – с. [Электронный ресурс]. – Электрон. дан. – М., [2008] – Режим доступа:
http://edu.secna.ru/main/review. - Загл. с экрана.
13. Недилько И.В. Автоматизированная система контроля концентрации аммиака в воздухе животноводческих помещений / А.В. Шуклин, И.В. Недиль ко, Н.П. Воробьев // 5-я всероссийская научно-техническая конференция сту дентов, аспирантов и молодых ученых "Наука и молодежь - 2008" (НиМ - 2008).
Секция «Энергетика». Подсекция «Электрификация и теоретические основы электротехники». – 3 с. [Электронный ресурс]. – Электрон. дан. – М., [2008] – Режим доступа: http://edu.secna.ru/main/review. - Загл. с экрана.
14. Недилько И.В. Пути повышения точности измерительных устройств при контроле газового состава воздушной среды в теплицах, животноводческих и птицеводческих помещениях / Н.П. Воробьев, Р.Н. Воробьев, И.В. Недилько // Материалы международной научно-практической конференции «Электроэнер гетика в сельском хозяйстве» 26-30 июня 2009 г. – Новосибирск, 2009. – 8 с.
15. Недилько И.В. Оценка метода вспомогательных измерений при контроле газового состава воздушной среды в теплицах, животноводческих и птицевод ческих помещениях / Р.Н. Воробьев, И.В. Недилько, Н.П. Воробьев // 6-я все российская научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых "Наука и молодежь - 2009" (НиМ - 2009). Секция «Энергетика». Под секция «Электрификация и теоретические основы электротехники». – 3 с.
[Электронный ресурс]. – Электрон. дан. – М., [2009] – Режим доступа:
http://edu.secna.ru/main/review. - Загл. с экрана.
Подписано к печати 12.05.11. Формат 60х84 1/16.
Усл. печ. л. 1,44. Тираж 100 экз. Заказ 11-385. Рег. № 73.
Отпечатано в РИО Рубцовского индустриального института 658207, Рубцовск, ул. Тракторная, 2/6.