• 03.04.2010
  • Преобразователи расхода "СПИРОСЕНС" зарегистрированы в Государственном реестре средств измерения
  • ПОДРОБНЕЕ >>>

Акустическая анемоспирометрия

1. Научно-исторический обзор.

Потребности развивающейся индустрии диктуют настоятельную необходимость совершенствования методов и средств измерения скоростей и расходов потоков жидкостей и газов. В расходомерах или скоростемерах нуждаются многие отрасли промышленности и сферы деятельности человека. Это, прежде всего, топливно-энергетический комплекс, включающий нефтегазовую промышленность , энергетику и горное дело, а также металлургия, химическая промышленность, целлюлозно-бумажная и медико-биологическая, медицинская и электронная промышленности, наконец, охрана окружающей среды.

Расходомеры необходимы для управления летательными аппаратами, включая космические. Наконец, без них нельзя обойтись при проведении научных исследований.

Актуальность разработки нового поколения измерителей скоростных параметров газовоздушных потоков первоначально была обусловлена потребностями обеспечения безопасности угольных шахт России, и уже затем подтверждена их успешным применением в медицинской аппаратуре и приборах жизнеобеспечения космонавтов и подводников.

Развитие акустической анемометрии, как научного направления, стало возможным в связи с появлением в середине прошлого века индустрии пьезокерамики и открывшимися в связи с этим возможностями создания технических систем, основанных на новых физических эффектах. Названное научное направление развивается на стыке акустики и аэродинамики и включает задачи, связанные с математическим описанием весьма сложных процессов взаимодействия акустических и аэродинамических полей.

Это, прежде всего, задачи распространения акустических колебаний в среде, движущейся в воздуховоде-выработке или более правильном, имеющем цилиндрическое сечение. В акустике до появления работ данной научной школы не были решены даже в первом приближении задачи распространения акустических волн в цилиндрических воздуховодах конечной длины, как и задачи распространения акустических волн в нерегулярных воздуховодах типа горных выработок.

Наша научная деятельность развиается в четырех направлениях:

1.Разработка анемометров нового технического уровня, с лучшими в мире техническими характеристиками.

2.Разработка метрологического обеспечения анемометров и спирометров.

3. Разработка медицинских спироанализаторов для диагностики состояния органов дыхания горношахтного персонала.

4. Разработка информационно-измерительных систем для аппаратов искусственной вентиляции и наркоза.

Теоретические изыскания имели и имеют своей целью разработку математической модели распространения акустических волн в анемометрическом канале, наиболее адекватной реально происходящим в анемометрах и спирометрах процессам. Первичным преобразователем акустического анемометра (как и спирометра) является цилиндрический волновод-воздуховод с вмонтированными в его стенки пьезоэлектрическими кольцевыми преобразователями.
Волновод помещается в поток, и скорость потока определяется по разности фаз или времен распространения акустических сигналов, движущихся по и против потока. Информативным параметром для измерения является давление на приемном преобразователе.

В 1987 году было получено первое приближение описания распространения акустических волн в бесконечном цилиндрическом волноводе с потоком (для ламинарного течения) в виде решения дифференциального уравнения в частных производных с граничными условиями. См. Аналитическое описание распространения акустических волн в анемометрическом канале . Горный журнал “Известия вузов”, №8, 1987 г. Шкундин С.З, Бондарев А.М. ,Лихачев А. В.

Впоследствии модель анемометра , допускающая бесконечность его границ (отсутствие отражений - первое приближение) была усовершенствована до модели , учитывающей конечность его длины. Эти результаты были опубликованы в следующих работах:

• Шкундин С.З., Кремлева О.А. Метод приближенного расчета акустического поля внутри анемометрического канала с потоком с учетом дифракции на открытых концах//Акустика на пороге XXI века: Сборник трудов VI сессии Российского акустического общества. - М.: Издательство Московского государственного горного университета. 1997.504с. С.321-324.

• Кремлева О. А. Разработка математической модели распространения акустических волн в канале анемометра для контроля проветривания горных выработок. Канд. дис. М, 1997 .

• Шкундин С.З., Кремлева О.А. Метод расчета акустического поля внутри конечного цилиндрического канала с потоком. Акустический журнал, 1998, № 1.

Шкундин С.З., Кремлева О.А., Румянцева В.А. Теория акустической анемометрии. М.: изд-во «Академии горных наук», 2001.

• Шкундин С.З., Буянов С.И., Румянцева В.А. Оценка влияния состава контролируемого потока на погрешность акустического анемометра.// Горный информативно-аналитический бюллетень. -М: МГГУ, №10, 2000, с. 181-182.

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

• Шкундин С.З., Буянов С.И., Румянцева В.А. “Исследование распространения акустического импульса в цилиндрическом волноводе с движущимся воздушным потоком. ” –М: “Наукоёмкие технологии”, №1, 2002 г

• Шкундин С.З., Стучилин В.В., Румянцева В.А. «Автоматизация проектирования акустического анемометра для угольных шахт» Сборник докладов конференции «Горняк-2000».

• Шкундин С.З., Стучилин В.В., Румянцева В.А. Автоматизация проектирования акустического анемометра. Сборник статей международной научно-практической конференции «Интеллектуальные электромеханические устройства». Часть 2. –Новочеркасск, ЮРГТУ(НПИ), 2000, с6-11.

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

• Ультразвуковой газоанализатор для обнаружения водорода в воздухе. Труды НИИХМ 1999 г. Буянов С.И., Шкундин С.З., Хегай И.

• 1.Стучилин В.В. Разработка алгоритмов САПР приборов шахтной акустической анемометрии. Кандидатская диссертация. М., 2002.

• 2.Шкундин С.З., Стучилин В.В. Использование пьезокерамических преобразователей в шахтной анемометрии. Горный информационно-аналитический бюллетень №9.М.,МГГУ, 2000, с.167-169.

• 3.Стучилин В.В., Воронцов А.В. Исследование частотных характеристик датчика акустического анемометра. Вторая международная научно-практическая конференция «Компьютерные технологии в науке, производстве, социальных и экономических процессах». Часть 1.Новочеркасск, ЮРГТУ (НПИ), 2001, с. 1-13.

• 4.Шкундин С.З., Стучилин В.В. Ультразвуковой фазовый метод измерения и контроля скорости газовоздушного потока. Тезисы доклада международной научно-практической конференции «Теория, методы и средства измерений, контроля и диагностики». Часть 2. Новочеркасск, ЮРГТУ (НПИ), 2000, с. 49-52.

• 5.Стучилин В.В. Система автоматизированного проектирования акустического анемометра для угольных шахт. М., МГГУ, 2001. 6.Шкундин С.З., Стучилин В.В., Румянцева В.А.

• Стучилин В.В Автоматизация проектирования акустического анемометра. Тезисы доклада на международной научно-практической конференции «Интеллектуальные электромеханические устройства». Часть 2. Новочеркасск, ЮРГТУ(НПИ), 2000, с. 6-11.

Основные достижения научной школы за период ее существования.

1.Предложен новый акустический метод измерения скоростей и расходов газовоздушных потоков, который в разновидностях применяется в различных отраслях науки и техники, прежде всего, в горном деле.

2. Разработаны математические модели распространения акустических волн от кольцевого источника в цилиндрическом волноводе-воздуховоде с движущейся идеальной средой .

3. Решены уравнения, описывающие распространение акустических волн в анемометрическом канале, что позволило получить акустическое давление в нем (волноводе-воздуховоде) как функцию времени, координат источника и приемника, параметров волновода, среды и потока.

Решения получены при следующих условиях :

А) Бесконечный волновод. Использовался метод Фурье. Решение получено в виде суммы нормальных мод, распространяющихся внутри волновода.

Б) Волновод конечной длины с бесконечно тонкими стенками. С помощью обобщенного метода Винера –Хопфа получено решение для канала закритического диаметра , в котором распространяться только нулевая мода

В) Волновод бесконечной длинны Решение получено методом обобщенной матрицы рассеяния и методом сшивания для произвольного количества распространяющихся мод.

По первому из названных в предыдущем разделе направлений внедрены в производство и работают более, чем на двадцати горных предприятиях акустические анемометры с непревзойденными характеристиками.

По второму из названных направлений–создано метрологическое обеспечение шахтной анемометрии- Аэрометрическая установка, удостоенная премии им. акад. А.А.Скочинского.

По третьему направлению созданы экспериментальные образцы спирометрических приборов для применения в новых поколениях аппаратов искусственной вентиляции легких, комплексах функциональной дыхательной диагностики. Они проходят испытания в Институте медико-биологических проблем, в институте медицинского приборостроения. Полученные результаты официально признаны ведущими организациями страны в области акустики.

Создана новая акустическая технология измерения скоростных и расходных параметров газовоздушных потоков. Получены подтверждения из различных областей промышленности : Горнодобывающей (анемометры и интегральные расходомеры) , медицинской (спироанализаторы), космической и военной (системы жизнеобеспечения) превосходности характеристиках созданных приборов.

Перспективы развития

Дальнейшее развитие акустической анемометрии происходит в нескольких направлениях:

Более глубокое проникновение в процессы , происходящие на стыке акустики и аэродинамики волноводов – воздуховодов, т.е. волноводов конечной длинны, с движущимся по ним газовоздушным потоком , в частности снятие допущения о прямом характере движения фронта аэродинамического потока внутри анемометрического канала.

Исследование переходных режимов: ламинарность –турбулентность с целью повышения качества спирометрических измерений.

Совершенствование портативных акустических анемометров, которое становится возможным при создании более полного и точного теоретического описания физических процессов, лежащих в основе принципа действия приборов (процессов аэроакустического взаимодействия в волноводе-воздуховоде, приема и излучения звуковых волн пьезопреобразователями и др.);

Совершенствование способа измерения – основы метрологического обеспечения анемометрии в горноруднойпромышленности ,т.е аэрометрических установок с акустическим датчиком в качестве образцового средства измерений путем использования компьютерных алгоритмов компенсации погрешностей;

Теоретические исследования структуры неоднородных потоков и экспериментальное исследование их структуры спектральными методами с применением акустических анемометров.

Теоретические и экспериментальные исследования структуры неоднородных потоков в анемометрических каналах с использованием спектральных методов.

Продвижение теории распространения акустических волн в волноводах с движущейся средой , в частности, разработка модели распространения акустических волн в волноводах- воздуховодах конечных размеров без каких-либо допущений! (В классической акустике решена задача только для волноводов-воздуховодов бесконечной или полубесконечной длины). Научные труды принципиального характера ведущих ученых школы.

1. Шкундин С.З., Кремлева О.А., Румянцева В.А. Теория акустической анемометрии. М.: изд-во «Академии горных наук», 2001.

2. Шкундин.С.З Об акустическом способе измерения расхода воздуха (статья). Труды ИГД им. Скочинского А.А., №171, 1978 г.

3. Шкундин С.З. Кремлева О.А. Метод расчета акустического поля внутри конечного цилиндрического канала с потоком. Акустический ж-л 1998 том 44 .

4. S. Shkundin . Acoustic Spirometers in Miners Breathing protection problems. В книге ICAMC -95 .Международная конференция по автоматизации в горном деле. Польша , Катовице 1995.

S. Shkundin and A .Ivannickov. Simulation modeling of the mine anemometers checking installation error. Первыйеждународный горный симпозиум через интернет. Греция , Афины, декабрь 1996г.

6. С.З Шкундин О.А Кремлева. Метод приближенного расчета акустического поля внутри анемометрического канала с потоком с учетом дифракции на открытых концах. Акустика на пороге 21 века МГУ, Москва 2001 Сборник 6 сессии Российского акустического общества.

7. S.Shkundin. Metrology support of anemometry in mining industry.Международная конференция по охране окружающей среды в горнодобывающей промышленности. Италия , Кальяри 1996

8. L . Puchkov , S . Shkundin . Integrating Acoustic Anemometers in the Problems of Environmental Monitoring .Труды международной конференции по охране окружающей среды в горнодобывающей промышленности. Австралия . Перт 1994.

9. S.Shkundin, O. Kremliova, Calculating of the Acoustic Field in finite Cylindrical Channel with aflow flow. Acoustical Physics, vol.44, 1998.

10. Шкундин С.З., Буянов С.И., Румянцева В.А. “Исследование распространения акустического импульса в цилиндрическом волноводе с движущимся воздушным потоком. ” –М: “Наукоёмкие технологии”, №1, 2002 г.

11. Шкундин С.З., Стучилин В.В. Ультразвуковой фазовый метод измерения и контроля скорости газовоздушного потока. Тезисы доклада международной научно-практической конференции «Теория, методы и средства измерений, контроля и диагностики». Часть 2. Новочеркасск, ЮРГТУ (НПИ), 2000, с. 49-52.

 
 
Тел: (499)237-9467, (499)230-2531
Copyright © 2011 SirSensor