CC BY
52
СЕМИНАР 19
Д НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРН
ОСКВА, : МГГУ, 31 : января - 4 февраля : 20
О С.З. Шкундин, В.В. Стучилин, 20
УДК 622.414:621
С.З. Шкундин, В.В.Стучилин
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ В ШАХТНОЙ
АНЕМОМЕТРИИ
. азработка и использование акустических приборов для
жидкостных потоков получает все большее развитие во всем мире.
В Московском государственном горном университете разрабатывается ряд акустических анемометров для горнодобывающих отраслей, основанный на принципе измерения сдвига фаз излученных колебаний относительно принятых. В нашей лаборатории были разработаны математические модели процессов протекающих в анемо-метрическом канале, однако, в созданных моделях не учитывают внутренние свойства пьезокерамических преобразователей, которые задают важнейшие функциональные возможности и метрологические характеристики системы. В связи с этим нельзя построить эффективную САПР анемометров.
Данная работа призвана устранить это упущение и проиллюстрировать некоторые особенности применения пьезоэлектрических преобразователей в шахтной анемометрии на примере акустического анемометра.
Для реализации различных вариантов исследуемого способа анемо- метрического контроля использовались цилиндрические каналы с пьезо- керамическими кольцами различных типоразмеров. Материал колец ЦТС-19, ЦТС-23, ЦТБС (ЦТС - цирконат-титанат свинца; ЦТБС - цирконат-титанат бария и свинца), также был проанализирован широкий спектр импортной пьезокерамики таких компаний как: PI Ceramic (PIC131...163), Sensor Technology (BM400 type I, BM300.940), TRS Ceramics (TRS100.. .600) и др.
Пьезокерамическое кольцо представляет собой цилиндр, на поверхности которого (внешнюю и внутреннюю) нане-еталлизация, являющаяся электродами. ектроды переменного напряжения обрат-
Таблица
ПЬЕЗОКЕРАМИЧЕСКИЕ КОЛЬЦА РАЗЛИЧНЫХ ТИПОРАЗМЕРОВ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В АНЕМОМЕТРИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯХ
Геометрические характеристики, мм 1 2 3 4 5
Внешний диаметр 27,5 30 17,3 17,3 112
Внутренний диаметр 22 27 15,8 15,8 100
Высота 8 4 5 3 26
Толщина стенки 2 1,8 0,75 0,75 6
Основным элементом конструкции акустического анемометра является анемометрический канал, представляющий собой тонкую цилиндрическую трубу с жесткими стенками длины L радиуса Ь с открытыми концами, которая помещается в воздушный поток с постоянной скоростью и<<с, со-направленный с осью трубы, где с - скорость звука в спокойной среде. В центре трубы находится пьезокерамическое кольцо ширины 2к, колеблющееся в радиальном направлении с постоянной звуковой частотой м>, на одинаковом расстоянии от него расположены кольца-приемники.
ный пьезоэффект вызывает попеременно, синфазно с приложенным напряжением, сжатие и растяжение пьезокерамического цилиндра, по направлению к воображаемой его оси и от нее. Эти колебания происходят относительно неподвижной воображаемой средней поверхности, проходящей через средние на торцах цилиндра длины окружностей. Этим колебаниям сопутствуют и колебания по длине цилиндра, нами не используемые. Под влиянием описанных радиальных колебаний, называемых осцилляциями, в цилиндрическом объеме возникают акустические колебания, распространяющиеся по каналу. Эти волны приходят на приемное кольцо, в котором пьезоэффект приводит к поляризации зарядов, на обкладках кольца возникает разность потенциалов. Основные характеристики электроакустических пьезокерамических преобразователей это: акустическая мощность; электроакустический КПД; электрический импеданс;
• резонансная частота.
Электроакустический преобразователь может быть представлен эквивалентной схемой, которая включает две части - электрическую и механическую. Электрическая часть включает в себя элементы, отражающие генераторные свойства в режиме излучения, сопротивление - в виде сопротивления диэлектрических потерь и емкость, соединенные параллельно. Механическая часть эквивалентной схемы включает сопротивление механических потерь, реактивное сопротивление преобразователя и нагрузки. С ростом частоты сопротивление преобразователя уменьшается (из-за наличия в эквивалентной схеме емкости) и на резонансной частоте
достигает минимального значения. Далее, с ростом частоты, сопротивление возрастает вновь и достигает максимума на так называемой частоте антирезонанса.
Из-за того, что источник обладает резонансными свойствами, при определенном радиусе, возможно работать только в довольно узком диапазоне частот вблизи резонанса. Резонансная частота сильно зависит от радиуса кольца, чем меньше радиус, тем больше резонансная частота.
Выгодно выбирать частоту излучения на пологом участке роста амплитуды какой-либо нормальной моды, так как при удалении от этой области в сторону увеличения частоты снижается амплитуда полезного сигнала, а при приближении к критической частоте малые возмущения или изменения температуры и состава атмосферы могут вызвать сбой в работе прибора. На практике частота излучения и диаметр канала полностью определяются резонансными свойствами пьезокерамических колец, используемых в качестве источников и приемников звука. АЧХ анемометрического канала является суперпозицией АЧХ колец и АЧХ соответствующего волновода при постоянной амплитуде излучения.
Был проведен ряд экспериментов по изучению АЧХ преобразователей на основании которых можно заключить, что резонансные частоты колец одного типа существенно различны (в пределах 10 %). Из вышесказанного можно заключить, что для достижения наиболее энергетически оптимальной конструкции анемометрического канала необходимо использовать взаимосогласованные пары колец, с максимально сходными характеристиками. В тоже время амплитудно-частотные исследования позволили констатировать стабильность АЧХ при напряжениях на излучателе не превышающих 10 В, а также повторяемость характеристик при неоднократных включениях-выключениях, Схемы включения приборов для снятия АЧХ отдельного преобразователя и всего канала представлены на рисунке.
Как показали экспериментальные данные и теоретические расчеты, давление на приемных кольцах зависит от частоты излучения, радиуса канала, высоты излучающего кольца, длины прозвучиваемой базы, а также от скорости звука в среде. Для нас интересна зависимость акустического давления от высоты излучающего кольца.
Корни функции Бесселя, соответствующие резонансным частотам
тио = 0 тиі = 3.832951 ти2 = 7.015947 тиз = 10.17
Угловая частота: ю = 2 -ж- f
Волновое число: k(c) =Ю с
Относительное волновое число: k(c) = k(c) - Ь
і = 0...2 ЦіЛ) = д/k2 - (ти,)2
Амплитуда первичных нормальных мод: і = 0...2 Є0 = 2 01 = 1 Є2 = 1
h"
р - с - sin
ком)-
ь
k
A(i,c,k,h) =--------
1 7 Ц,*) -в, Ц,Л)
где Ь - радиус канала; к - высота излучающего кольца; с -скорость звука; I - длина прозвучиваемой базы.
Конструкция первичного преобразователя как уже говорилось, принципиально вырисовалась уже после первоначальных исследований, однако принципиальное значение имел вопрос о степени жесткости крепления пьезокерамических колец к каналу и выбор длины этого канала. Что каса-
ется диаметра, то он определен номенклатурой выпускающихся промышленностью колец, которое нужно было оценить на предмет применимость в анемометрическом канале.
Способ крепления пьезокерамических колец к корпусу должен удовлетворять двум противоречащим друг другу требованиям: хорошее крепление кольца к корпусу, обеспечивающее механическую прочность; слабый, по возможности, акустический контакт кольца с корпусом канала. Компромисс достигается либо применением клеевого соединения кольца с торцом канала, либо применением прокладок из резины в случае, когда кольца крепятся не к торцу, а устанавливаются в канавчатые круговые пазы на внутренних поверхностях корпуса. Наконец,
возможен вариант изготовления всего корпуса из резиноподобных материалов.
Одной из специфических особенностей шахтной анемометрии является варьирование температуры в широких пределах, и хотя точка Кюри (температура при которой пьезоэлектрик теряет свои свойства) у керамики много выше, изменение температуры сильно сказывается на характеристиках пьезоэлектрических преобразователей, а значит и на всей системе в целом. В связи с вышеизложенным, было необходимо оценить зависимость наиболее важных характеристик пьезокерамики от температуры часть из которых приводиться ниже. Хотя анализировалась керамика фирмы Sensor Technology, продукция других производителей ведет себя так же с небольшими отличиями.
Из приведенного графика мы видим, что даже при незначительном изменении температуры бу- дет изменяться и резонансная частота, что неизбежно приведет к потере акустической мощности. Решением этой проблемы может стать использование в системе дополнительного датчика температуры, на основании показаний которого можно корректировать резонансную частоту.
Коэффициент электромеханической связи также зависит от температуры, а от него непосредственно зависит акустический кпд (один из важнейших показателей рассматриваемых систем).
Таким образом, можно заключить что специфические условия эксплуатации шахтных анемометров сильно влияют как на характеристики первичных преобразователей, так и на выбор той или иной марки керамики.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Также на выбор конкретного типа пьезокерамики оказывают влияние такие ее параметры как диэлектрическая проницаемость, тангенс угла диэлектрических потерь, пьезоэлектрический модуль, одним из важных параметров является также добротность, и как было уже отмечено коэффициент электромеханической связи.
В заключении необходимо сказать несколько слов о перспективных методах проектирования пьезоэлектрических преобразователей. Благодаря быстрому развитию компьютерной техники и резкому увеличению производительности ЭВМ стало возможным моделировать электромеханические системы на физическом уровне с помощью, например, метода конечных элементов, что позволяет существенно сократить затраты при росте производительности.
1. Шкундин С.З. Физико-техническое обоснование акустического контроля скоростей газовоздушных потоков в системах обеспечения безопасности шахт: Док. дисс. -М: 1990.
2. Лихачев А.В.
Разработка метода и средств контроля расходов пульсирующих потоков. Канд. дисс. -М: 1989.
3. Кремлева О.А. Разработка математической модели распространения акустиче-
ских волн в канале анемометра для контроля проветривания горных выработок. Канд. дисс. -М: 1997.
Шкундин Семен Захарович - профессор, докюр юхничсских нау к, зав. кафедрой элекчро-техники, Московский государственный горный университет.
Стучилин Владимир Валерьевич - аспирант, кафедра электротехники, Московский государственный горный университет
