Действующие системы единиц измерений параметров  качества воздуха.

1.1.       Общее определение РРМ.

              Для определения  параметров качества  воздуха  основными  единицами измерения     являются  объемная или массовая доля основных компонентов воздуха, объемная доля газообразных загрязнителей, молярная доля газообразных загрязнителей, выражаемая соответственно в процентах, миллионных долях (ppm), миллиардных долях (ppb), а также массовая концентрация газообразных загрязнителей, выражаемая в мг/м³ или мкг/м³. [1] Согласно стандартам [1,2],  допускается применение относительных единиц (ppm и ppb)  и абсолютных  единиц  (мг/м³ и мкг/м³⁾  при представлении результатов измерений в области контроля  качества воздуха.  Приведем некоторые определения:

            PPM, а также  процент, промилле – безразмерное отношение физической величины к одноименной величине, принимаемой за исходную  (например, массовая доля компонента, молярная доля компонента, объемная доля компонента) [1,2].

PPM  – величина, определяемая отношением   измеряемой сущности (вещества) к одной миллионной доле того общего, куда входит измеряемое вещество.

            PPM не имеет размерности, поскольку является величиной относительной, и удобна для оценивания малых долей, поскольку она меньше процента (%) в 10000 раз.

    Приведем  некоторые ссылки на различные  определения единицы измерения  PPM:

«PPMv (parts per million by volume) – это единица концентрации в миллионных долях по объему, т.е отношение объемной доли ко всему (включая эту долю). PPMw (parts per million by weight) – это единица концентрации в миллионных долях по массе (иногда говорят “по весу”). Т.е. отношение массовой доли ко всему (включая эту долю).   Заметим, что в большинстве случаев, неопределенная единица “PPM” – для газовых смесей это PPMv, а для растворов и сухих смесей это PPMw.   Будьте аккуратны, поскольку при ошибке определения, вы можете не попасть даже в порядок достоверной величины».  Эта ссылка на ИНЖЕНЕРНЫЙ Справочник.   . http://www.dpva.info/Guide/

1.2.    РРМ  в газовом анализе.

Вернемся еще раз к общему   определению   РРМ как  отношению числа каких-то единиц измерения части (доли) к одной миллионной части общего числа тех же единиц в целом. В газовом     анализе  такой  единицей часто выступает число молей  вещества

n = m / M,

где  m   -  масса загрязняющего химического вещества  (ЗХВ) в воздухе при измерении концентрации,  а    M  -  молярная  масса этого вещества.   Число молей есть величина безразмерная, она является важным параметром закона Менделеева для идеальных газов.  При таком определении моль  является универсальной единицей количества вещества, более удобной, чем  килограмм.

1.3.   Как  связаны единицы концентрации  в    ppm   и   мг/ м^3.

Приведем   ссылку на отчет по программе «ЕC-РОССИЯ» [5] в части выявления связи относительных и абсолютных единиц измерения  концентраций  С[ppm]   и   С[мг/ м³].

Цитируем по тексту:

«Отметим, что единицы концентрации, обозначаемые как ppm (parts per million), достаточно широко распространены; в отношении концентрации какого-либо вещества в воздухе; ppm следует понимать как количество киломолей этого вещества, которое приходится на 1 миллион киломолей воздуха.» (Здесь допущена ошибка при переводе: следует читать 1 миллионная часть киломоля).   Далее:

«Для пересчета ppm в мг/м³ следует учесть молярную массу загрязняющего вещества M _зв (кг), молярную массу воздуха М _{воздуха}(при нормальных условиях29 кг) и его плотность

ρ _{воздуха} (при нормальных условиях 1,2 кг/м³).   Тогда

С[мг/м³] = C[ppm] * M _зхв /  ( М _{воздуха} /ρ _{воздуха}  ) =  C[ppm]*M _зхв /24.2»          (1)

Поясним приведенную формулу пересчета концентраций.

Здесь С[мг/м³] –   концентрация ЗХВ в  точке измерения с метеопараметрами:  температурой   Т и давлением   Р,     а  М _{воздуха} /ρ _{воздуха}  =  24.2  – нормативный параметр.

Возникает вопрос:  при вычислении нормативного параметра  ( М _{воздуха} /ρ _{воздуха}  ) = 24.2 и  плотности  ρ _{воздуха} (  1,2 кг/м³)  какие были использованы значения  параметров  T₀  и  P₀ , принятые за  «нормальных условия»?    Поскольку для  истинных нормальных условий

Т= 0⁰  С, и   1 атм.   ρ _{0воздуха}  = 1.293  и    М _{воздуха} =28.98,   ( М _{воздуха} /ρ_{0 воздуха}  )   =   28.98  :  1.293 = 22.41 =  V₀  (мольный объем  идеального газа), вычислим значение «нормальной температуры»  в  (1)  по формуле приведения  параметра плотности [ 3  ]:

        ρ _воздух  = ρ _{0воздуха}  *  f,    = ρ _{0воздуха}  *   f  = Р₁ Т₀ / Р₀ Т₁ ,                    (2)

 где       f     стандартный пересчетный коэффициент приведения к нормальным условиям [2].    ρ _воздух  =  М _{воздуха}  :   24.2  = 1.2,

f  =  ρ _воздух   :  ρ _{0воздуха}  =  1.2  :  1.293   =  0.928,  что соответствует условиям  измерения

t =    20 ⁰ C,      P⁰   =760  мм  рт. ст.    Следовательно, в отчете    [3]   и формуле пересчета  (1)  нормальными условиями  принято считать   Т⁰=    20 ⁰ C,      P⁰   =760  мм  рт. ст.

1.4.   Какое определение  концентрации  в единицах  ppm  используют в отчете  [5]  по программе  «ЕС-Россия».

Вопрос, требующий выяснения, состоит в следующем: какое определение ppm  принято за основу  в  [5]:  отношение по объему, по массе или по молям?  Покажем далее, что имеет место третий вариант.  Это важно понять, поскольку речь идет об отчете

[5] по международной программе «ЕС-Россия. Гармонизация экологических стандартов» и  в преамбуле к отчету говорится о необходимости обсуждения представленных материалов.

Формулу (1) перепишем для обратного пересчета:

C[ppm]  =   (С[мг/м³]* М _{воздуха})/(ρ _{воздуха}* M  _зхв) =

(С[мг/м³]/ M _зхв  )/ (ρ _{воздуха} / М _{воздуха})  =  k * С[мг/м³] */ M  _зхв ,

где     k  =    М _{воздуха}   / ρ _{воздуха}     = 29. / 1.2 = 24.2                                        (2’)

В формуле (2’) относительная концентрация C[ppm] является отношением  числа молей примеси (ЗХВ) и воздуха при нормальных условиях. Поясним это утверждение,  исходя из определения величины РРМw:

C[ppm]w =  n[kM] / (n₀[kM] / 10⁶) =10⁶ n[kM] / n₀[kM]                             (3)

n[kM]  -  число киломолей ЗХВ в некотором объеме в условиях измерения,

n₀[kM] -  число киломолей  воздуха в нормальных условиях   в том–же объеме.

Поскольку   n[kM]= m[kг] / M^*_зхв  и  n₀[kM] = m₀[kг] / M^*₀ ,где  M^*_зхв и M^*₀

молярные массы загрязнителя  и воздуха, получим выражение для C[ppm]w:

C[ppm]w =10⁶(m[kг]/M^*_зхв)  /  (m₀[kг]/M^*₀)  =

=10⁶((m[kг]/V₀) / M^*_зхв)/((m₀[kг] / V₀)/M^*₀)=10⁶(C_зхв/M^*_зхв ) / ( C₀ /M^*₀ ),                  (4),

где V₀  - мольный объем воздуха.

Выражение (4) совпадает с формулой приведения (2),

поскольку (m[kг] / V₀) = C_зхв  = 10⁶ С[мг/м³] и  (m₀[kг] / V₀)  = C₀ = ρ _{воздуха}  

 (при нормальных условиях 1,2 кг/м³), V₀ =22,4 [л] и М₀ = М _{воздуха} =29 [кг],              что доказывает наше утверждение об определении C[ppm]w.

1.5 Рассмотрим еще одно определение  РРМ  для анализа ЗХВ в воздухе в соответствии с общим определением, а  именно:   ррм^изм  =  C[ppm]w^изм :

C[ppm]w^изм = 10⁶ n^зхв[kM] / n_возд[kM], где                                                (5)

n^изм[kM]  -  число киломолей ЗХВ в некотором объеме в условиях измерения,

n_возд[kM]= -  число киломолей  воздуха в  условиях измерения   в том же объеме.

Формула (4) для измерения ррм в этом случае приобретает вид:

C[ppm]w^изм   =  10⁶ (C_зхв/ M^*_зхв )/(С_возд/ M^*₀ )                                               (5’)

Концентрация воздуха в точке измерения С_возд = m^возд / V₀  связана с его плотностью (концентрацией)  выражением (2):         С_возд = С₀ * f   ,   С_возд =       ρ _воздух    .       (2’)                           

Подставляя (2’) в   (5’), получим, (поскольку (С_зхв / f) = С₀^зхв ) :

C[ppm]w^изм   =  10⁶ (C_зхв/ M^*_зхв )/( С₀ * f / M^*₀  ) = 10⁶ ((C_зхв/ f ) / M^*_зхв )/ (С₀  / M^*₀) =           C⁰[ppm]w,

что является нормативным значением ррм, приведенным к нормальным условиям.

Следовательно, введенное по определению 1.5  C[ppm]w^изм    совпадает с C⁰[ppm]w  и оно не требует никакой коррекции для приведения к нормальным условиям, поскольку тождественно  ему равно.   Вывод довольно очевидный, поскольку использовано отношение измеренного ЗХВ и воздуха в одних и тех же условиях измерения.

Важно отметить, что в стандарте[6], касающимся поверочной схемы для средств измерений компонентов в газовых средах показано, что от рабочих эталонов различной разрядности передается единица молярной доли или массовой концентрации компонентов средствам измерений всех типов, предназначенных для оценки качества атмосферного воздуха и воздуха рабочей зоны.

3.  Нормальные (стандартные) условия  измерения параметров воздуха.

3.1.   При выполнении измерений атмосферного воздуха, воздуха рабочей зоны а также промышленных выбросов и углеводородов в газовых магистралях существует проблема приведения объемов измеряемого воздуха к нормальным (стандартным) условиям. Часто на практике при проведении измерений качества воздуха не используется пересчет измеренных концентраций к нормальным условиям, в результате чего получаются недостоверные результаты.

Приведем выдержку из Стандарта [3]:

«Измерения приводят к стандартным условиям, используя следующую формулу:

С₀  = C_{1 *}  Р₀ Т₁ / Р₁ Т₀

где:      С₀   – результат, выраженный в единицах массы на единицу объема    воздуха,  кг /куб.  м,  или  количества  вещества на единицу объема воздуха, моль/куб. м, при  стандартных  температуре и давлении;

С₁   – результат, выраженный в единицах массы на единицу объема     воздуха,  кг /куб.  м,  или  количества  вещества на единицу объема

воздуха,  моль/куб.  м, при температуре Т₁ , К, и давлении Р₁ , кПа.»

Формула приведения к нормальным условиям  в упрощенном  виде имеет вид  (2)

С₁ = С_{0 *}   f     _,   где      f  = Р₁ Т₀ / Р₀ Т₁

стандартный пересчетный коэффициент приведения к нормальным условиям [2]. Параметры  воздуха и примесей измеряют при разных значениях температуры, давления и влажности. Результаты приводят к стандартным условиям для  сравнения измеренных параметров качества воздуха в различных местах  и  различных климатических условиях.

Для методов измерения качества воздуха рекомендуется считать стандартными следующие условия:   – давление – 101,3 кПа;    – температура – 273 К (0 °С).

3.2.Отраслевые нормальные условия

Нормальные условия это стандартные физические условия, с которыми обычно соотносят свойства веществ ( Standard temperature and pressure, STP). Нормальные условия определены IUPAC (Международным союзом практической и прикладной химии) следующим образом: Атмосферное давление 101325 Па  = 760 мм рт.ст.. Температура воздуха 273,15 K = 0° C.

Стандартные условия ( Standard Ambient Temperature and Pressure, SATP) это нормальные окружающие температура и давление:  давление 1 Бар = 10⁵ Па = 750,06 мм Т. ст.;   температура 298,15 К = 25 °С.

Другие области.

Измерения качества воздуха.

Результаты измерений концентраций вредных веществ в воздухе рабочей зоны приводят к условиям: температуре 293 К (20°С) и давлению 101,3 кПа (760 мм рт. ст.)[10].

Аэродинамические параметры выбросов загрязняющих веществ должны измеряться в соответствии с действующими государственными стандартами. Объемы отходящих газов, полученные по результатам инструментальных измерений, должны быть приведены к нормальным условиям (н.у.): 0°С, 101,3 кПа.[14].

Авиация.

Международная организация гражданской авиации (ICAO) определяет международную стандартную атмосферу ( International Standard Atmosphere,ISA) на уровне моря с температурой 15 °C, атмосферным давлением 101325 Па и относительной влажностью 0 %.   Эти параметры используется при расчётах движения летательных аппаратов.

Газовое хозяйство.

Газовая отрасль Российской Федерации при расчётах с потребителями использует атмосферные условия по ГОСТ 2939—63:температура 20°С (293,15К);   давление 760 мм  рт. ст. (101325 Н/м²);  влажность равна 0.  Таким образом, масса кубометра газа по ГОСТ 2939—63 несколько меньше, чем при «химических» нормальных условиях.

Испытания

Для проведения испытаний машин, приборов и других технических изделий за нормальные значения климатических факторов при испытаниях изделий (нормальные климатические условия испытаний) принимают следующие:

Температура – плюс 25°±10°С;  Относительная влажность – 45-80%

Атмосферное давление 84-106 кПа (630-800 мм. рт. ст.)[8]

Поверка измерительных приборов

Номинальные значения наиболее распространенных нормальных влияющих величин выбираются следующие: Температура – 293 К (20°С), атмосферное давление – 101,3 кПа (760 мм рт. ст.)[8].

Нормирование

В методических указаниях[5,7], касающихся установления норм качества воздуха, указывается, что ПДК в атмосферном воздухе устанавливаются при нормальных условиях в помещении, т.е. 20 С и 760 мм. рт. ст.

7. Международные нормы и правила в области охраны атмосферного воздуха. Международная стандартизация  качества воздуха для обеспечения единства измерений.

На сегодняшний день не существует единых международных норм и правил в области охраны атмосферного воздуха.   Нормируется качество воздуха в зависимости от специфики страны.  Многие страны для разработки своих норм используют данные нормативов качества воздуха  Всемирной организацией здравоохранения (ВОЗ), которые разработаны и опубликованы в 1999 году и  рекомендованы  к применению при оценке рисков заболеваний [11].   Многие страны за основу своих норм берут национальные стандарты качества атмосферного воздуха США[12] (прежде всего страны Северной и Южной Америки, Австралии и Новой Зеландии), а также стандарты стран ЕС (Европы и Северной Африки). Из сказанного следует, что необходима     международная стандартизация требований к качеству воздуха, а также стандартизация методов контроля   как в межгосударственных, так и в общественных организациях.  Ведущей международной организацией является ИСО – международная организация по стандартизации, главной задачей которой является разработка и публикация международных стандартов, в том числе в области охраны окружающей среды. В целях разработки стандартов в области качества воздуха   был создан Технический комитет ИСО ТК 146 «Качество воздуха».

  Следует объединить усилия для создания единых норм для оценки качества воздуха, т.к. нормы ВОЗ имеют рекомендательный характер.

ВЫВОДЫ:

1.  Приведены формулы пересчета концентраций,  которые связывают относительные   концентрации загрязняющих химических веществ C[ppm]w  и  абсолютные массовые концентрации   C_зхв   с метеопараметрами  Т и Р  в точке проведения измерений.
2. Поскольку  измеренные  значения  концентраций  газа для   метеопараметров в точке измерения связаны с их значениями  в нормальных условиях Т₀,Р₀ простой формулой пересчета, необходимо  проводить корректировку измеренных значений концентраций ЗХВ   к нормальным условиям. Для этого были предусмотрены процедуры регистрации метеопараметров в протоколах  измерений параметров качества воздуха.  Это усложняло и удорожало процессы обработки данных и накопления статистического материала.
3.  Полученное выражение концентрации 1.4 с формулой приведения (4) можно назвать ppm^Tp , подчеркивая тем самым факт выполненной корректировки по температуре Т и давлению Р в момент  измерения с целью приведения измеренных значений концентрации ЗХВ к нормальным  (стандартным условиям) в едином измерительном модуле, не прибегая  к отдельной процедуре  пересчета.
4. Последнее  определение 1.5  ррм^изм  =  C[ppm]w^изм  по формуле (5) представляется   наиболее предпочтительным,  поскольку измеренная прибором концентрация  в условиях наблюдения  не требует   приведения к нормальным условиям, поскольку совпадает с ней, однако ее использование повлечет за собой корректировку  ГОСТ.
5. Параметры нормальных условий измерения имеют ярко выраженный отраслевой и специализированный   характер, и этот факт обязывает    нормировать измеренные параметры загрязнений воздуха в соответствии с  требованиями отраслевых стандартов.
6. Для обеспечения единства измерений и контроля качества окружающей среды необходима разработка международными организациями ISO, ВОЗ, IUPAC и др. единых нормативов в атмосферном воздухе, аналогичных стандартам отдельных государств, например в РФ ГОСТ 8.417-2002 (Единицы физических величин).
7.  Следует объединить усилия для создания единых норм для оценки качества воздуха, т.к. нормы ВОЗ имеют рекомендательный характер.

Предлагаемая измерительная система (далее – ИС) предназначена для контроля и оптимизации технологических параметров сушки пищевых материалов, а также для обработки и представления собранной информации оператору и начальнику смены цеха. Предлагаемая ИС реализована в учебной лаборатории «Процессов и аппаратов пищевых производств» кафедры «Механики и технологического оборудования» Северо-кавказского федерального университета, филиала в г. Пятигорске с возможностью удалённого доступа на примере уникального научно-исследовательского стенда для изучения процесса сушки материалов в псевдоожиженном слое, созданного на базе программного обеспечения LabView компании «National Instrument».

Лицевая панель лабораторной установки представлена на рисунке 1, на котором показана мнемосхема установки с работающими виртуальными приборами, действующими как стрелочные и цифровые индикаторы.

Рисунок 1 – Лицевая панель лабораторной установки

На рисунке 2 представлена блок-схема измерительной системы.

Рисунок 2 – Блок-схема измерительной системы

Лабораторная установка (рисунок 1) включает камеру сушки с газораспределительной решеткой, калорифер, вентилятор, питатель с приводом для подачи исходного материала в загрузочный бункер сушилки, линию подачи пара в калорифер, устройство для отвода сушеного материала из камеры, вентили, задвижки, регулирующие клапаны, приборы, сигнализацию, датчики уровня материала в загрузочном бункере, расхода исходного теплоносителя, датчики температуры теплоносителя на входе в сушильную камеру, температуры в сушилке, и температуры отработанного теплоносителя, датчики влажности поступающего в сушилку и высушенного материала, датчики давления под газораспределительной решеткой и над нею, датчик скорости сушильного агента на входе в сушильную камеру, исполнительные механизмы, многоканальную компьютерную систему сбора, обработки и представления данных (МКС), выполненную на основе персонального компьютера Pentium 4 с объемом оперативной памяти 2000 Mb с выходом на локальную сеть и сеть Internet и с конфигурацией аналого-цифрового преобразователя (АЦП) и согласующих устройств SXCI 1000 по рекомендации компании «National Instrument».

ИС, состоит из информационно-управляющих подсистем, предназначенных для работы с элементами контроля и управления соответствующих подсистем объекта (задвижками паровой магистрали и калорифера, привода вентилятора, привода питателя и других) (рисунок 2).

Аппаратный комплекс ИС состоит из сервера, модулей ввода/вывода и интерфейсных модулей, задачей которых является обеспечение связи между сервером и модулями ввода/вывода. ИС обеспечивает представление информации о параметрах рабочего режима сушилки; управление подсистемами; выдачу аварийных сообщений; ведение архивов.

Способ контроля и управления процессом сушки осуществляется следующим образом.

По измеренным датчиками значениям расхода и влажности поступающего в сушилку материала, МКС устанавливает заданный расход, скорость и температуру теплоносителя с помощью исполнительных механизмов. По ходу процесса сушки с помощью датчика непрерывно измеряется текущее значение конечной влажности сушеного материала, по которому осуществляется коррекция режима управления в строго определенной последовательности по трем уровням.

На первом уровне управления при отклонении текущего значения конечной влажности сушеного материала, измеряемого датчиком, от заданного максимально возможного значения 12 %, в сторону увеличения МКС с помощью исполнительного механизма увеличивает расход и скорость сушильного агента до достижения аэродинамического сопротивления слоя материала предельно максимального значения, например, 650 Па, что фиксируется с помощью датчиков давления в камере сушки. При увеличении аэродинамического сопротивления слоя материала выше предельно максимального значения 650 Па будет происходить унос частиц материала из камеры сушки вместе с отработанным теплоносителем, что нежелательно.

При отклонении текущего значения конечной влажности высушенного материала от заданного минимально возможного значения 9 % в сторону уменьшения МКС с помощью исполнительного механизма уменьшает расход сушильного агента до достижения аэродинамического сопротивления слоя материала предельно минимального значения, например, 140 Па.

Дальнейшее снижение аэродинамического сопротивления слоя материала ниже предельно минимального значения 140 Па нецелесообразно, так как обрабатываемый слой материала из псевдоожиженного состояния переходит в плотный, что существенно ухудшает эффективность протекания процесса сушки. Информация о текущем значении аэродинамического сопротивления слоя материала на газораспределительной решетке, получаемая с помощью датчиков, используется как ограничение на расход сушильного агента и его скорость. Если изменение расхода и скорости сушильного агента не обеспечило достижения текущего значения конечной влажности высушенного материала заданного значения, то режим управления осуществляют по второму уровню.

Второй уровень управления предусматривает достижение текущего значения конечной влажности высушенного продукта заданного значения путем воздействия на температуру сушильного агента на входе в сушильную камеру. Информация о текущем значении конечной влажности высушенного материала, измеряемая датчиком, подается в МКС, которая формирует сигнал рассогласования текущего значения конечной влажности с заданным значением (9… 12 %) и с помощью исполнительного механизма воздействует на мощность калорифера. Изменение температуры сушильного агента осуществляют в интервале значений 383…413 К, что обусловлено как энергетической целесообразностью процесса, так и качеством высушенного материала.

Если изменение температуры сушильного агента в заданных пределах (383…413 К) не обеспечило достижение текущего значения конечной влажности высушенного материала заданного значения (9…12 %), то режим управления процессом сушки осуществляют по третьему уровню.

Третий уровень управления предусматривает достижение текущего значения конечной влажности высушенного материала заданного значения воздействием на расход поступающего в сушилку материала посредством исполнительного механизма, воздействующего на частоту вращения шнека питателя в диапазоне 4,37…26,3 об/мин.

При отклонении текущего значения конечной влажности высушенного материала от заданного в сторону увеличения МКС уменьшает расход поступающего в сушилку материала, а в случае отклонения текущего значения конечной влажности высушенного материала от заданного в сторону уменьшения – увеличивает расход поступающего в сушилку материала.

При достижении текущего значения конечной влажности высушенного материала заданного значения на одном из уровней управления коррекция режима процесса сушки материала на последующих уровнях не выполняется.

Таким образом, предлагаемая ИС, имеет следующие преимущества:

• стабилизация тепловлажностного режима в камере сушки за счет регулируемого подвода теплоносителя;
  
• более высокая точность поддержания технологических параметров и большая надежность системы автоматического управления процессом сушки сыпучих материалов;
  
• возможность последовательной подачи управляющих воздействий с учетом ограничений на управляемые переменные, обусловленных энергетической целесообразностью процесса и качеством высушенного материала;
  
• оптимальность коррекции режима сушки материала путем организации функционирования уровней управления таким образом, что переход с предыдущего на последующий уровень управления происходит только после того, как первый исчерпает свой собственный ресурс, т.е. выйдет на верхнюю или нижнюю границу заданных ограничений.
  

  Предлагаемая ИС позволяет повысить энергетическую эффективность процесса сушки на 10 %; увеличить производительность сушилки на 15…20 %; значительно сократить продолжительность сушки. Также ИС позволяет получить готовый продукт высокого качества за счет оптимизации параметров процесса сушки.
  

  Программное обеспечение измерительной системы разработано в среде LabVIEW, разработанной компанией «National Instrument» и представляет собой набор программных модулей, функционирующих параллельно в асинхронном режиме. Каждый модуль выполняет собственную задачу и связывается с остальными при помощи стандартных интерфейсов, что позволяет легко наращивать систему однотипным оборудованием без изменения всех программных модулей [2, с. 30].

  Задачами программного обеспечения ИС являются: обеспечение оператора информацией о текущих значениях параметров рабочего процесса сушки для принятия управляющих решений по поддержанию оптимальных режимов; обеспечение начальника смены цеха текущей и архивной информацией.

  Функции ядра системы состоят в анализе данных, поступающих от модуля ввода-вывода, принятии управляющих решений и выдаче информации, необходимой для отображения параметров процесса сушки. Возможны два режима работы ядра, задаваемых пользователем: активный – управляющие решения принимает ядро; пассивный – управляющие решения принимает пользователь.

  Модули ввода-вывода обеспечивают обмен данными между аппаратными средствами системы и остальными модулями программного обеспечения.

  Модули архивов (архиваторы) обеспечивают ведение архивов данных и аварий, причем запись на диск осуществляют только суточные архиваторы. Часовой архиватор необходим лишь для представления пользователю текущих данных с большим разрешением, чем это обеспечивают суточные.

  Модуль интерфейса обеспечивает взаимодействие пользователя с системой. Представление информации о состоянии оборудования осуществляется посредством опроса объекта и отображения на экране монитора мнемосхемы с изображениями элементов контроля и управления (далее, виртуальными элементами контроля и управления).

  При несоответствии состояния реальных элементов управления виртуальным выполняются следующие действия:

• выдается предупреждающее сообщение с звуковым сигналом;
• изменяется на красный – цвет соответствующего виртуального оборудования;
• производится запись в архив аварий.

  В зависимости от модификации алгоритма программы, возможно проектирование систем автоматики сушилки позволяющих оператору выбирать между ручным, полуавтоматическим или автоматическим управлением (см. рисунок 1). Работая в автоматическом режиме, система автоматического управления безошибочно выполнит за оператора всю рутинную работу, проводя процесс с самыми минимальными затратами времени.

  Среда LabVIEW обеспечивает следующие возможности системы управления [3, с. 44]:

• совместимость с различными операционными системами;
• интеграцию с оборудованием ввода/вывода; визуализацию результатов измерений;
• возможность обработки поступающей информации в режиме реального времени, что позволяет повысить точность и надежность управления в наиболее оптимальных диапазонах изменения параметров сушки;
• проведение преобразований и нормирование величин;
• архивирование результатов измерений в базе данных для последующего использования, что позволяет в автоматическом режиме прогнозировать выход системы за пределы оптимальных параметров и принимать управленческие решения на более ранней стадии;
• удобство разработки самостоятельно исполняемых сетевых приложений [4, с. 144].

  Также предлагаемая измерительная система позволяет при подключении к сети Internet осуществлять управление сушилкой в режиме удаленного доступа.

Ведущими зарубежными производителями пьезоприводов для нано- и микроперемещений являются PhysicInstrumente (PI, Германия), NewScaleTechnologies (NST, США), CedratTechnologies (Франция), MorganTechnicalCeramics (MTCElectroCeramics, UnitedKindom), NoliacGroup (Дания),  PiezoKinetics, Inc. (США), PiezoSystemsInc. (США), PiezomechanikGmbH (Германия), Piezosystemjena (Германия),OmegaPiezoTechnologiesInc.  (США), TRS Technologies, Inc. (США), CeramTec  (Германия), Johnson Matthey Catalysts (Германия),  Kinetic Ceramics, Inc. (США), AEI (США), Ferroperm Piezoceramics A/S (Дания),  APC International, Ltd (США),  NEC TOKIN Corporation (Япония),   EPCOS · A Member of TDK-EPC Corporation (Япония),  вРоссии – ОАО «НИИ «Элпа» (Россия) [1].

Анализ существующих и перспективных разработок производителей показывает, что перспективными направлениями создания двигателей для нано- и микроперемещений являются – основанные на использовании пьезоэлектрического и пьезомагнитного эффектов [7, 8]. Первый эффект заключается в изменении линейных размеров отдельных материалов в электрическом, а второй – во внешнем магнитном поле. Оба пьезоэффекта обратимы. В датчиках механических величин используют прямой пьезоэффект [9–12]. В пьезодвигателях используют обратный пьезоэффект, когда при приложении электрического или магнитного поля изменяются линейные размеры материала. Двигатели, основанные на пьезоэлектрическом эффекте более предпочтительны, поскольку не чувствительны к действию магнитных полей и имеют более широкую сферу применения.

Пьезоэффект наблюдается в кристаллах, не имеющих центра симметрии [13]. Типичным пьезоэлектриком является кварц − a-SiO₂ (a-кварц), пьезоэлектрические свойства проявляются более чем у 1500 веществ. Пьезоэлектрическими свойствами обладает керамика: BaTiO₃,   PbTiO₃,    Pb[Zr_xTi_1−x]O₃ 0≤x≤1 (PZT или ЦТС), KNbO₃,LiNbO₃,LiTaO₃,Na₂WO₃,  ZnO,   Ba₂NaNb₅O₅,  Pb₂KNb₅O₁₅. В зависимости  от  используемого  пьезоэлектрического материала  пьезодвигатели (актюаторы) могут быть пьезокристаллическими (на базе монокристаллов) и пьезокерамическими (на базе поликристаллов пьезокерамики). На практике пьезокерамические актюаторы нашли более широкое применение [14 – 16].

Выбор пьезоматериалов для пьезодвигателей осуществляют в основном по следующим параметрам: пьезомодуль в направлении рабочих деформаций, модуль Юнга, коэффициент электромеханической связи и механическая добротность. Они определяют диапазон перемещений, упругие и резонансные свойства, эффективность преобразования электрической энергии в механическую, степень затухания колебательных процессов.

Пьезодвигатель конструктивно состоит из корпуса, одного или нескольких пьезоприводов (пьезоактюаторов) и различных элементов, поддерживающих их работу. Привод (актюатор) – общее название приборов, которые преобразуют входную энергию в механическую энергию. Пьезопривод (piezoactuator) – преобразует электрическую энергию в механическую (напряжение и заряд в силу и движение).

При конструировании пьезодвигателей учитывают недостатки пьезокерамики: нелинейность, крип (creep – ползучесть) – запаздывание реакции на изменение величины управляющего поля, гистерезис – неоднозначность зависимости удлинения от направления изменения электрического поля (до 5 – 25 % в зависимости от материала). Для уменьшения влияния гистерезиса на точность позиционирования пьезодвигателем выбирают пьезоматериалы с меньшим гистерезисом, а также применяют системы управления с датчиками положения и обратной связью [17]. В каждом случае необходимо учитывать особенности электромеханического преобразования энергии пьезодвигателями нано- и микроперемещений [18].

По принципу действия пьезоприводы можно разделить на следующие виды: ударного действия (вибропьезоприводы), деформационного действия (шаговые) и силового действия (силовые двигатели) [1]. В первом случае подвижная часть приводится под действием ударов передаваемых от пьезоэлемента с частотой собственных колебаний (резонансной частотой). Во втором – подвижная часть последовательно перемещается с определённым шагом вследствие изменения напряжённо-деформированного состояния его элементов под действием пьезоэлементов. В третьем – силовое воздействие непосредственно (или через передаточное звено) передаётся на объект от пьезоэлемента, при этом осуществляются угловые или линейные перемещения в ограниченном диапазоне. В зависимости от используемых направлений пьезоэффектов, конструкции, предназначения и т.п. широкое распространение получили следующие виды пьезоактюаторов: защемляемые  изгибные  пьезокерамические биморфы и мультиморфы (мода  d₃₁), моноблочные и  пакетные (осевые – мода d₃₃, поперечные – мода  d₃₁), дифференциальные,изгибно-натяжные, сдвиговые, ламинарные полосковые, с интегрированным рычажным усилителем перемещения,управляемые пьезофлексерные, трубчатые [4].

На рис. 1 показан пьезопривод из однослойной пластины (d₃₃) пьезоматериала. При приложении внешнего электрического поля той же поляризации и ориентации, что и направление поляризации пластины, происходит расширение пьезоматериала по толщине или вдоль оси поляризации. Пьезопривод из однослойной пластины (d₃₁) с поперечным сжатием представлен на рис. 2. Здесь сжатие происходит по направлениям, перпендикулярным направлению поляризации. При смене полярности направление движения меняется на противоположное.

Двухслойные пьезоприводы могут быть работающими на удлинение (рис. 3). Между пьезоэлектрическими пластинами устанавливается прокладка из ламината, которая добавляет механическую прочность и жёсткость, но уменьшает перемещение.  Двухслойные приводы называют по числу пьезопластин (слоёв). В действительности слоёв материалов больше, обычно девять: четыре электродных слоя, два пьезокерамических слоя, два слоя клея, прокладка из ламината. При конфигурации для параллельной работы прокладку делают двухслойной, что даёт возможность уменьшить напряжение возбуждения на половину. В двухслойных приводах обычно используется движение вдоль одной оси. Типичная величина перемещения таких приводов (рис. 3) от десятков нанометров до десятков микрон, а силы – от нескольких десятков до сотен Ньютонов.  Так же двухслойные приводы могут работать на изгиб (рис. 4, 5) или скручивание (рис. 6). Многослойный привод показан на рис. 7.

В дифференциальных конструкциях пьезоактюаторов одна часть пьезоэлементов работает на сжатие, а другая – на расширение, при этом пьезоэлементы механически соединены так, что их перемещения складываются по абсолютной величине (рис. 8). Такие конструкции могут быть выполнены как из отдельных пьезоэлементов, так и из пакетов пьезоэлементов, а также из биморфных пьезоэлементов. Дифференциальное соединение и включение пьезоэлементов позволяет минимизировать температурную погрешность, возникающую из-за теплового расширения элементов конструкции пьезодвигателя, а также увеличить в два раза диапазон перемещений без значительного увеличения габаритных размеров и дополнительных энергозатрат.

Изгибно-натяжные пьезоактюаторы сочетают  в  себе  лучшие характеристики  многослойных  актюаторов  и  двухслойных актюаторов. Такие  устройства  преобразуют  небольшой  толщинный сдвиг  многослойного  пьезокерамического  элемента  в  деформацию изгиба  двух  металлических  пластин,  охватывающих  элемент. Благодаря механическому усилению такого преобразования изгибно-натяжные  актюаторы  демонстрируют  многократное  увеличение сдвига  по  сравнению  с  многослойными  актюаторами,  а  также достигают  значительно  больших  показателей  силы  и  скорости реакции, по сравнению с эквивалентными двухслойными изгибными актюаторами. Обычно такие устройства имеют резонансную частоту от 300Гц до 3кГц. В зависимости от формы их конструкции (см. рис. 9, 10) изгибно-натяжные актюаторы получили название эллипсоидные и тарелочные.

Сдвиговые пьезоактюаторы способны генерировать большую блокирующую силу при значительном сдвиге (рис. 11). Находят применение в качестве  пьезоэлектрических  линейных  моторов,  а  также  как одноосевые и двухосевые позиционирующие элементы. Ламинарные  полосковые  пьезоактюаторы – это актюаторы сжатия.  Активный  материал  этих  актюаторов  представляет  собой полоски  пьезокерамики.  Сдвиг  в  таких  актюаторах  происходит в направлении,  перпендикулярном  направлению  поляризации  и приложенному электрическому полю (рис. 12).

Трубчатые  пьезоактюаторы работают на принципе  явления сужения  внутреннего  сечения  полого пьезокерамического  цилиндра. Стенки  цилиндра снаружи  и  изнутри  покрываются  электродами,  и  он  работает  на основе поперечного пьезоэффекта. Электрическое  напряжение,  приложенное  между  внешним  и внутренним  электродами,  вызывает  осевое  и  радиальное  сжатие пьезокерамики.

Управляемые пьезофлексерные актюаторы – представляют собой сложные позиционирующие устройства на базе пьезоактюатора с интегрированным в него флексером. Флексеры – это устройства, практически не  имеющие трения  и стрикции, принцип  работы  которых  основан  на  эластичной  деформации (флексинге) твердого материала, например, стали. Применяются в тех случаях, когда  требуется  получить  исключительно  прямое  перемещение  по одной и более осям (до шести осей) с нанометрическим отклонением от  идеальной  траектории.  Такие  устройства  часто  используют  с рычажным  усилителем  перемещения,  что  позволяет  увеличить максимальный ход пьезоактюатора почти в 20 раз, в результате чего он может составлять несколько сотен микрон.

Особый интерес представляют шаговые пьезодвигатели, которые используются для манипуляции объектами, с пошаговым их перемещением. Они находят широкое применение в атомно-силовой и туннельной микроскопии, поскольку позволяют с точностью до нанометров позиционировать исследуемый объект. Отличительной особенностью конструкций шаговых пьезодвигателей является наличие кроме рабочих пьезоэлементов фиксирующих устройств, в качестве которых могут быть тоже пьезоэлементы [19]. Такие пьезодвигатели могут содержать одиночные, биморфные и пакетные пьезоактюаторы. Фиксирующие устройства фиксируют подвижную часть двигателя в его рабочем цикле пошагового перемещения. Они позволяют создавать (совместно с рабочими пьезоактюаторами) и снимать напряжённо-деформированные состояния в деформируемых подвижных элементах конструкции пьезодвигателя. При снятии напряжённо-деформированного состояния фиксирующим устройством подвижный элемент пьезодвигателя удлиняется и перемещает объект на один шаг. Для двух и трёх координатного перемещения совмещают два и три пьезопривода (пьезоактюатора). Минимальный шаг перемещений пьезоприводов зависит от свойств и размеров пьезоэлементов, величины управляющего электрического напряжения. Плавность хода  пьезопривода возрастает с уменьшением шага и увеличением частоты следования управляющих импульсов.

В последнее время активно развиваются резонансные ультразвуковые пьезодвигатели, которые являются  современной  альтернативой  двигателям  постоянного  тока,  они  также известны как вибрационные двигатели. Преимуществами  подобных  двигателей  являются  высокое нанометрическое  разрешение,  скорость  и  мощность,  несоизмеримая  с  их размерами.

На рис. 13 показаны схема и конструкция резонансного пьезопривода Squiggle фирмы NST[20–23]. Основными элементами пьезопривода являются: четырёхгранная металлическая муфта (из немагнитного материала) c внутренней резьбой, ходовой винт (червяк) и четыре пластины пьезокерамики. Пластины  пьезокерамики прикреплены на гранях металлической муфты, червяк вкручен в металлическую муфту. При подаче двухфазных  напряжений на противоположные пары пластин пьезокерамики возникают механические колебания, которые передаются металлической муфте. Если есть сдвиг фаз между подаваемыми электрическими напряжениями, то на границе соприкасающихся поверхностей муфты и червяка возникают силы сдавливания с поворотом. В результате червяк вращается и линейно перемещается относительно муфты. Меняя сдвиг фаз можно изменять направление движения винта (червяка). Эти пьезоприводы работают в резонансном режиме на частотах 30 – 200 кГц в зависимости от их размеров. Минимальные габариты пьезопривода 1,55 x 1,55 x 6 мм, температурный диапазон работы от минус 30 до 70 градусов Цельсия, потребляемая мощность ~ 500 мВт, диапазон линейных перемещений до 5 – 30 мм, разрешение 0,5 мкм. Такие приводы применяются для объективов фото и видеокамер.

В России постепенно начинают развиваться перспективные производства МЭМС, НЭМС и наноструктурированных материалов. Однако этот процесс идёт достаточно сложно, в том числе по причине отсутствия отечественного тестового, технологического и сборочного оборудования с нанометровым разрешением.

На рис. 14. представлена конструкция отечественного дорезонансного пьезодвигателя, созданного в ФГУП ФНПЦ «ПО «Старт» им. М.В. Проценко» [3].  Данный двигатель имеет Н-образную группу пьезоэлементов (ПЭ) – два тормозных ПЭ с наконечниками из износостойкой керамики и один ходовой. Тормозные ПЭ управляются квазипрямоугольными сигналами, а ходовые – пилообразными. Благодаря этому имеется возможность реализовать принцип дробления шага и останавливать пьезодвигатель на любом такте напряжения, формирующего ходовую пилу.

Рабочий цикл такого пьезодвигателя состоит из нескольких этапов. Первый тормозящий актюатор приводится в действие и зажимает один конец движителя. На актюатор-движитель подается напряжение, и он приводится в действие – удлиняется. Второй тормозящий актюатор после максимального шага движителя зажимает его. С  первого  тормозящего  актюатора  снимается  напряжение,  и  он разблокирует движитель. Движитель,  с  которого  снимается  напряжение,  сжимается  в направлении передвижения и т.д.

При использовании описанной схемы пьезодвигателя благодаря применению ряда новых конструктивных решений удалось минимизировать габариты пьезодвигателя. На рисунке 15 представлен макетный образец пьезодвигателя.

Преимущества пьезодвигателей: высокий КПД (до 90% и более), большое усилие (не требуются редукторы), малые габариты и масса (по сравнению с электромагнитными двигателями), возможность работы при криогенных температурах и в условиях вакуума, возможность обеспечить малые угловые (единицы угловых секунд) и линейные перемещения (< 1 нм) и др. [1, 3, 24].

Области применения прецизионных пьезоприводов стремительно расширяются: нано- и микроманипуляторы, микророботы, нано- и микроскопия, нано- и микротехнологии (микролитография), биотехнологии, астрономия, космические исследования, метрология, тестовое оборудование для полупроводниковой промышленности, тестирование дисковых накопительных устройств,  приборы управления лазерным лучом (приводы лазерных резонаторов), топливно-распределительные системы бензиновых и дизельных двигателей, компенсаторы вибрации   и т.д. [1–6].

Проблемы ручного ввода показаний. На текущий момент в ООО «ЕРИЦ» используется схема приема показаний, базирующаяся на ручном вводе операторами данных с приборов учета в информационную систему, при непосредственной голосовой диктовке этих данных потребителем. Программно-аппаратными составляющими существующей схемы приема показаний учета являются средства телефонии Asterisk и автоматизированная система «Город».

Asterisk – свободное решение компьютерной телефонии (в том числе, VoIP) с открытым исходным кодом. Asterisk в комплексе с необходимым оборудованием обладает всеми возможностями классической АТС.

Автоматизированная система «Город» является собственной разработкой ООО «ЕРИЦ» и производит учёт и начисления в сфере ЖКХ.

Недостатками такого подхода к организации процесса приема показаний с приборов учета является необходимость в большом количестве операторов, принимающих звонки и осуществляющих ввод данные в систему «Город», а также ошибки ввода показаний. Существующий подход не позволяет выполнять ввод данных потребителям.

Внедрение приема показаний с приборов учета в автоматическом режиме позволит снизить нагрузку на операторов и принимать показания круглосуточно, использовав для приема один номер дозвона, и тем самым сократить количество операторов.

Автоматизация приема показаний приборов учета. Предлагаемый подход к построению автоматизированной системы приема показаний приборов учета ориентирован на использование средств IP-телефонии. Автоматизированную систему предлагается располагать на выделенном сервере, с установленным программным обеспечением Asterisk, на который будет поступать оцифрованный звонок с городской АТС от потребителя, которому будет предложено воспользоваться сервисом автоматического ввода показаний с приборов учета. Если это необходимо, пользователь может переключиться на свободного оператора, обеспечивающего ввод данных в систему «Город». Внедрение разрабатываемой системы возможно на существующем оборудовании ООО «ЕРИЦ» и не требует дополнительных затрат на аппаратное обеспечение.

Предлагаемая автоматизированная система для приема показаний приборов учета средствами IP-телефонии предназначена для:

1) обеспечения ввода показаний приборов учёта без участия операторов;

2) обеспечения автоматической передачи данных по показания приборов учета в систему «Город»;

3) привязки номера телефона к единому номеру для упрощения ввода показаний;

4) автоматического оповещения клиентов о задолженностях по оплате.

Для реализации автоматизированной системы использованы следующие программные средства:

1) операционная система: CentOS;

2) СУБД: MySQLStandardEdition 5.6;

3) языка программирования PHP.

Автоматизированная система предоставляет пользователю-оператору интерфейс для прослушивания записанных сообщений и просмотра отправленных абонентами данных. При разработке системы были проанализированы решения, предложенные в [3-4], но ни одно из них не обеспечивает реализацию полного перечня необходимых функций для приема показаний приборов учета средствами IP-телефонии для ООО «ЕРИЦ».

Предлагаемая автоматизированная система включает в себя шесть модулей (рис.1): модуль взаимодействия с абонентом; модуль обработки данных; модуль связи с системой «Город»; модуль отладки системы; модуль информирования абонента; модуль авторизации абонента.

 Рис.1. Структурная схема

Модуль взаимодействия с абонентом получает данные от абонента, указывает на неверные действия, предоставляет справочную информацию по работе системы и передает показатели приборов учета в модуль обработки данных. Основная задача модуля обработки данных заключается в обработке полученной от абонента информации и передачу в модуль взаимодействия с абонентом, перечня дальнейших действий абонента, а также в зависимости от вводимых данных, передача данных в модуль связи с системой «Город». Модуль связи с системой «Город» обеспечивает прием и передачу данных в систему, а также фиксирование служебных сообщений. Основная задача модуля администрирования - прием сообщений от всех модулей и фиксирование сообщений в базе данных. Модуль информирования абонента обеспечивает информирование пользователя о задолженностях по оплате путем совершения звонка на зарегистрированный номер телефона. Основной функцией модуля авторизации абонента является привязка единого номера к номеру телефона с целью упрощения ввода данных по приборам учета.

Автоматизированной система для приема показаний приборов учета средствами IP-телефонии имеет двухуровневую архитектуру (рис. 2). Верхний уровень представляет систему для приема показания приборов учета, получающую данные с системы телефонии Asterisk, с возможностью взаимодействия с web-службой системы «Город». Нижний уровень представлен сервером системы управления базой данных в которую сохраняются факты звонков и передаваемые показания.

Рис. 2. Схема архитектуры автоматизированной системы

Для реализации информационного обеспечения функций автоматизированной системы разработана база данных (рис. 3), состоящая из следующих таблиц:

- таблица «Звонки» содержит: факт звонка абонента (идентификатор звонка, номер звонящего, дата и время звонка);

- таблица «Номера квитанций» содержит данные по принятым единым номерам квитанций (идентификатор принятой квитанции, номер звонящего, единый номер, дата и время фиксирования);

- таблица «Лог» содержит данные по действиям пользователей системы (идентификатор действия, дата и время события, номер звонящего, описание действия);

- таблица «Показания» содержит данные о принятых показаниях приборов учёта (идентификатор показания, номер звонящего, номер прибора учёта в системе «Город», тип прибора учёта, номер прибора учёта (по паспорту), последние учтённые показания, последние переданные показания, новые принятые показания, дата и время фиксирования);

- таблица «Сохраненные номера» содержит данные авторизации пользователя (идентификатор, номер звонящего, единый номер, время привязки);

- таблица «Долги» содержит данные о задолженностях абонентов (идентификатор, сумма долга, дата формирования).

Рис. 3. Схема связи таблиц базы данных

Для обеспечения функционирования системы разработаны следующие алгоритмы: работы главного меню системы, приёма единого номера, приёма показаний приборов учёта, привязки единого номера к номеру телефона, работы информирования.

Разработанная автоматизированная система для приема показаний приборов учета средствами IP-телефонии для ООО «ЕРИЦ»:

1) уменьшить время ожидания в очереди при подаче результатов приборов учета через телефон;

2) увеличить точность передачи данных в систему «Город» исключив ошибки операторов;

3) обеспечить информирование пользователей о задолженности по оплате.

Показатели достигнутого эффекта от внедрения автоматизированной системы для приема показаний приборов учета средствами IP-телефонии для ООО «ЕРИЦ» приведены на рис. 4.

Рис. 4. Показатели эффективности предлагаемого решения

Заключение. Предлагаемая в работе система приема показаний приборов учета позволяет сократить время нахождения в очереди абонента, снизить нагрузку на операторов и обеспечить исключение ошибок ввода показаний по вине операторов, а также осуществлять приём показаний круглосуточно.

Общепринятые, и до сих пор применяемые, методы контроля сборки редукторов предусматривают технологически сложный процесс, который заключается в многократной разборке и регулирования зубчатых зацеплений, а также трудоемкой регулировке натяжения подшипников и их контроля [1], это вызывает необходимость привлечение квалифицированного персонала, что еще больше удорожает продукцию.

Снизить затраты на контроль готовой продукции возможно применением новых безразборных методов контроля, которые поддаются автоматизации, что позволит ускорить процесс контроля и привлекать менее квалифицированный персонал.

Для контроля состояния зубчатых редукторов прекрасно зарекомендовал себя метод вибрационной диагностики [2], который:

-                     позволяет находить скрытые дефекты,

-                     не требует сборки-разборки изделия,

-                     малое время диагностирования,

-                     возможность обнаружения неисправностей на этапе их зарождения,

-                     возможность автоматизации процесса диагностики,

-                     минимизация ожидаемого риска действия системы обслуживания.

Обычно для оценки полученного результата измерений используют следующие методы [2]:

-                     статистический

-                     эталонный

-                     эталонно-статистический

Данные методы обработки результатов измерений эффективны при массовом и  серийном типах производства, где возможно набрать статистические данные или экономически оправдано изготовление (отбор) эталона, но малоприменимы в  мелкосерийном и единичном производствах.

Автор предлагает перейти от использования статистических методов обработки к аналитическим, что позволит устранить влияние случайных погрешностей эталона на результат контроля и отказаться от набора статистических данных для оценки.

Чтобы создать аналитическую модель зубчатого редуктора необходимо знать источники вибраций. Источниками вибраций в зубчатых редукторах являются подшипники и зубчатые зацепления. Следовательно, аналитическая модель будет представлять собой сумму гармонических спектров зубчатых зацеплений и спектров шумов подшипников [3],[4],[5]:

где спектр  каждого зубчатого зацепления   и спектр шума каждого подшипника   определяется известным аналитическим способом

Спектр шума зубчатой передачи имеет дискретный характер с основной частотой, равной или кратной частоте вращения и числу зубьев и определяется следующим образом:

где  - частота периодических колебаний входного воздействия,  - частота пересопряжений зубьев, - номер гармоники зубцовой частоты.

Вибрацию подшипников качения вызывают внутренние силы, которые обусловлены отклонениями элементов подшипника и монтажных размеров.

Основными причинами возникновения вибрации могут служить:  овальности и разноразмерности тел качения, наличие радиального и осевого зазора между телами качения и кольцами, дефекты поверхности дорожки качения, а также зазоры в гнездах сепаратора. Однако даже идеально изготовленный подшипник качения является источником вибрации из-за упругих деформаций деталей.

Изготовленный с высокой точностью подшипник может быть источником вибрации и шума, если он был неправильно установлен.

Спектр шума исправного и правильно установленного подшипника можно определить следующим образом:

где   -количество тел качения в одном ряду подшипника,  - оборотная частота вращения ротора,  - диаметр тела качения,  - средний диаметр сепаратора,  - угол контакта тел качения с обоймой.

Автор предлагает сравнивать рассчитанный и измеренный спектры сигнала зубчатого редуктора и, по результатам сравнения, делать вывод про качество изготовления зубчатых зацеплений и подшипников в редукторе.

Для реализации предложенного метода был разработан специальный стенд, который позволяет провести измерение вибрации зубчатого редуктора и сравнить её с аналитической моделью.

Стенд (см. рис. 1) состоит из виброизолированной плиты (2) на которую устанавливают редуктор, основания (1), на котором расположен двигатель (5), от которого через муфту (6) задается движение на входной вал, выходной вал нагружен маховиком (4).

Датчик для измерения вибраций устанавливается на виброизолированую плиту.

Рис.1. Стенд для испытания

Электрическая схема стенда (см. рис. 2) состоит из датчика вибраций, модели ADXL345, микроконтроллера AT90S8535, клавиатуры и ЖК-дисплея. Электрическая схема работает следующим образом: записываем аналоговый сигнал вибраций редуктора, далее полученный сигнал переобразовываем в спектр, считываем спектр-еталон из файла, далее проводим сравнение спектра сигнала редуктора и спектра-еталона и по результатам сравнения делаем вывод о пригодности редуктора (см. рис. 3).

Предлагаемое приспособление позволяет безразборно контролировать качество сборки зубчатых редукторов путем анализа спектра вибрационного сигнала, исключая возможность влияния скрытых дефектов на результат. Также оно позволяет ускорить  технологическую подготовку контроля и сократит цикл производства, что повышает конкурентоспособность изделия.

Рассмотрим традиционные методы контроля знаний учащихся:

1. Устная проверка знаний. Может проходить в форме опроса учащегося преподавателем. При этом остальные ученики должны слушать докладывающего и дополнять его. Так преподаватель может выявить, насколько вся группа усвоила материал.
2. Работа с карточками. Удобность карточек состоит в том, что их содержимое может меняться в зависимости от уровня знаний студента и индивидуальных возможностей.
3. Письменная проверка знаний. Состоит из перечня вопросов, на которые учащиеся должны дать короткий и незамедлительный ответ. Как правило, время для письменной проверки ограниченно. Минусом такой проверки является её ограниченность. Знания проверяются только в определённой небольшой области. Хорошо сочетается с другими методами проверки.
4. Кратковременная самостоятельная работа. Метод похож на тестирование. Однако ответы предоставляются письменно. Кроме проверки теоретических знаний могут присутствовать задачи либо моделированная ситуация. Обычно в таких работах присутствуют один или несколько вопросов, так как ответ на  каждый из них требует большого количества времени.
5. Практическая или лабораторная работа. Этот вид проверки требует не только наличия знаний, но и умения применять эти знания на практике. Лабораторные работы активизируют познавательную деятельность учащихся.
6. Тесты. Обычно состоят из вопроса и нескольких вариантов ответа на него. Благодаря тому, что варианты ответа уже даны, учащимся не требуется время на формулировку и запись ответа. Рекомендуется использовать не менее 4 видов ответа, из которых правильными могут быть один или более ответов. Плюсами данного метода проверки являются быстрота проверки знаний и удобство тестирования на компьютерах или мобильных устройствах. Главным минусом – возможность решить тест наугад методом подбора.

Проверка знаний имеет огромный смысл в обучении. Проверка после небольших разделов называется промежуточной, а проверка после больших тем и курсов итоговой. Преподавателю нужно уметь определять какая форма контроля подходит для текущей проверки. Определяющими факторами являются время и количество проверяемого материала. Например, устная проверка, карточки и письменная проверка подходят для текущего контроля знаний, так как они кратковременны и не могут охватить весь курс знаний.

Анализируя данные методы проверки знаний, и учитывая, что проверка будет происходить на мобильном устройстве, можно стазу отбросить вариант с устной проверкой знаний. Данный вид проверки вполне возможен на мобильном устройстве посредством голосовой или видеосвязи. Однако подразумевается, что проверку будут проходить множество пользователей, поэтому данный метод будет не очень оптимален.

Вариант проверки с карточками имеет место. Для каждого учащегося неплохо подбирать индивидуальные вопросы. В мобильном приложении можно чаще давать вопросы и задания по темам, где знания слабее.

Письменная проверка знаний подойдет для проверки знаний в мобильном приложении. Она будет устроена в виде вопроса и единственного варианта ответа на него, который нужно будет ввести в диалоговое окно. Несомненным плюсом в добавлении этого метода является исключение выбора правильного варианта ответа наугад. Учащемуся придется более внимательно готовиться к тестированию. Следственно материал будет лучше усвоен.

Метод письменной проверки будет удобно совместить с тестовыми заданиями, так как они являются самым простым и оптимальным способов проверки знаний на компьютерных устройствах.

Однако выбора одних только методов будет недостаточно. Нужно предусмотреть методы обхода данного вида тестирования. Ведь в момент проверки знаний рядом не будет преподавателя, значит должны существовать контролирующие факторы. Во-первых, время на решение заданий должно быть строго ограниченно. Во-вторых, учащийся должен ответить на 100% заданий, чтобы получить доступ к следующему учебному материалу. Это будет являться мотивирующим фактором к более внимательному изучению материала. В-третьих, нужно ввести ограниченное  количество попыток или таймер, который не позволит заново проходить тест моментально после завершения. Таким образом, исключается метод подбора правильного ответа перебором и возрастает ценность усвоения материала.

Подводя итог, можно сказать, что лучше всего для мобильного устройства подходит комбинированный метод из письменной проверки и тестов, с такими контролирующими факторами как ограниченное время, правильное решение для доступа к следующему материалу, ограниченное количество попыток или таймер.