Автоматика.
    Автоматизация.
        Электротехнические
            комплексы и системы.

УДК 681.586.773

ПРИМЕНЕНИЕ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ

В СИСТЕМЕ КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ ВОЗДУХА

СУДОВЫХ СИСТЕМ МИКРОКЛИМАТА

Никольский В.В., Цюпко Ю.М.

Важное место в обеспечении нормальных условий работы экипажа судна занимают вопросы создания микроклимата и, в частности, кондиционирования воздуха. Так взаимодействие функциональных систем в организме осуществляется на основе принципов иерархического доминирования, мультипараметрического и последовательного взаимодействия, системогенеза и системного квантования процессов жизнедеятельности. Принцип последовательного взаимодействия функционально различных систем в организме человека отчетливо проявляется в континууме процессов кровообращения, пищеварения, дыхания, выделения и т. д. Для описания терморегуляции в организме человека, осуществляемой гомеостатическими механизмами, такими как потоотделение Q_и (t_об), тепловое сопротивление одежды R_од (t_c ,S), теплопередача сред и оболочки K_o (S) и теплопродукция M_Т (H_Т), были получены передаточные функции [1, 2].

Рис. 1 Условно принятая схема распределения энергии в организме человека для записи уравнений теплового баланса

Считая, что все динамические характеристики организма человека зависят только от времени, для рассматриваемого объекта и промежутка времени dt уравнения теплового баланса каждой точки запишем в виде:

где c_Я, с_k, c_o - теплоемкость ядра, кожи (оболочки) и одежды, Дж×кг^-1×К^-1; m_Я, m_k, m_о  - масса ядра, кожи и одежды, кг; t_Я, t_k t_од - температура ядра, кожи и одежды;  - теплопродукция внутренних источников ядра и кожи (оболочки), кВт;   - тепловой поток от оболочки тела к одежде, кВт;  - радиационный и конвективный тепловые потоки через одежду, кВт; - тепловой поток от ядра к коже, кВт;  - тепловые потоки к поверхности кожи от одежды и окружающей среды, кВт;  - тепловой поток в окружающую среду через органы дыхания, кВт; - радиационный поток с поверхности одежды, кВт; - суммарный тепловой поток (конвенция и испарения с поверхности одежды), кВт.

Из уравнения теплового баланса следует, что для выбора параметров микроклимата, необходимо производить измерения следующих параметров: влажности, давления, температуры, химического состава и скорости воздушного потока. В настоящее время к применяемым датчикам предъявляются следующие требования: высокая надежность в эксплуатации, низкая себестоимость, высокая чувствительность и унифицированность. Всем этим требованиям удовлетворяют пьезоэлектрические датчики. В [3] рассматривается ультразвуковой пьезотрансформаторный датчик влажности. В [4] - датчики давления и температуры, в [5, 6] – датчики для определения химического состава газа. Основным элементом этих датчиков является биморфная пластина, обладающая максимальной чувствительностью по сравнению с монопластинами. Кроме того, научным коллективом под руководством д.т.н. В.М. Шарапова проведен ряд работ по линеаризации АЧХ пьезодатчиков, позволивших расширить их диапазон работы на частотах выше резонансных. В [7] рассмотрены области применения пьезокерамики в АСУ ТП.

Следует отметить, что уникальные свойства пьезокерамики позволяют создавать датчики, которые в одном конструктивном исполнении могут определять 2-3 параметра. Так при построении характеристик датчиков давления производят анализ характеристик при изменении температуры. Датчики влажности позволяют определять плотность вещества при изменении скорости воздуха в замкнутом пространстве, каковым являются каюты членов экипажа, машинное отделение и трюма. Так на рис. 2 показан график изменения самочувствия от нескольких параметров, зависящий от трех параметров.

Рис. 2 Динамика изменения  t_Я, t_k t_од  —  температура ядра, кожи и одежды в состоянии отдыха человека при  изменении температуры приходящего воздуха

Аналогично можно построить графики зависимости частоты колебаний датчиков с частотным выходом от температуры, давления и такого параметра как интенсивность магнитного поля. Так на рис. 3 представлены зависимости частоты выходного напряжения пьезоэлектрического датчика от температуры и давления.

Рис. 3 Зависимость частоты датчика от давления p и температуры Dt

Таким образом, внедрение пьезоэлектрических датчиков позволит создать комплексную систему многопараметрического управления микроклиматом жилых и транспортных помещений судна. Кроме того, перераспределение воздушных потоков в замкнутых пространствах позволит повысить эффективность сжигания топлива и, тем самым, обеспечить энергосбережение.

1.                  Голиков В.А. Научные основы управления микроклиматом судна. – Одесса. ОГМА,1999. -321 с.

2.                  Голиков В.А., Бурденко А.Ф. Цюпко Ю.М. Математическое моделирование процессов теплообмена организма человека с окружающей средой // Судовые энергетические установки сб. 2003.-Вып. 8. Одесса, ОНМА

3.                  Джагупов Р.Г., Глазева О.В., Никольский В.В. Современные элементы и устройства пьезоактивной электромеханики // Приднiпровський науковий вiсник (Вип. Фізико – математичні науки N6 (73) стр.31-48) "Наука i освiта" Днепропетровск, 1998 г.

4.                  Джагупов Р.Г., Борисюк А.М., Никольский В.В. Ультразвуковой пьезотрансформаторный датчик влажности // Автоматизация судовых технических средств: науч. - техн. сб. –1999. – Вып. 4. – Одесса: ОГМА. – С.58 - 64

5.                  Джагупов Р.Г., Плавинский Е.Б., Никольский В.В., Веретеник А.М. Измерительные преобразователи: Учебное пособие. – Одесса: Астропринт, 2002. 216 с.

6.                  Плавинский Е.Б., Глазева О.В., Никольский В.В. Пьезоэлектронные преобразователи физико – химических величин // Міжнародна конференція з управління Автоматика - 2001 Одесса, ОНПУ, 2001. - т.1. с.170 – 171

7.                  Никольский В.В., Плавинский Е.Б., Ерофеев С.А. Области применения пьезокерамики в судовых автоматизированных системах управления // Матеріали 54 науково – методичної конференції проф. – виклад. складу та курсантів: Одесса, ОНМА 23-26 квітня 2002. с.44