Введение 13
Глава 1. Обзор литературы 17
1.1 Ультразвуковой анемометр 17
1.2 Метеостанции на основе ультразвуковых анемометров 18
1.3 Автоматический метеокомплекс АМК-03 20
Глава 2. Акустический метод измерения скорости ветра, температуры воздуха и параметров атмосферной турбулентности 25
2.1 Электроакустический преобразователь 29
2.1.1 Пьезоэффект и пьезокерамика 29
2.1.2 Пьезоэлектрические преобразователи 35
Глава 3. Электроакустические преобразователи для метеокомплекса ... 38
3.1 Выбор и расчёт активного элемента электроакустического
преобразователя 40
3.2 Выбор и расчёт протектора ЭАП 44
3.3 Выбор и расчёт демпфера ЭАП 48
3.4 - Конструкция электроакустического преобразователя для
термоанемометра 52
Глава 4. Экспериментальные исследования 55
4.1 Исследование зависимости чувствительности измерительного
канала от скорости воздушного потока 55
Глава 5. Социальная ответственность 60
5.1 Производственная безопасность 61
5.1.1 Анализ вредных и опасных факторов, которые может создать объект исследования 61
Повышенный уровень шума 66
5.2 Экологическая безопасность 68
11
5.3 Безопасность в чрезвычайных ситуациях 69
5.4 Организационные вопросы обеспечения безопасности 72
Глава 6. Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение 74
6.1 Предпроектный анализ 75
6.1.1 Потенциальные потребители результатов исследования . 75
6.1.2 Анализ конкурентных технических решений с позиции
ресурсоэффективности и ресурсосбережения 75
6.3 Оценка готовности проекта к коммерциализации 80
6.4 Инициация проекта 82
6.4.1 Цели и результат проекта 82
6.4.2 Организационная структура проекта 84
6.4.3 Ограничения и допущения проекта 84
6.5 Планирование управления научно-техническим проектом .... 85
6.5.1. Иерархическая структура работ проекта 85
6.5.3 План проекта 86
6.5.4 Бюджет научного исследования 88
6.5.5 Основная заработная плата 90
6.5.6 Дополнительная заработная плата научнопроизводственного персонала 93
6.5.7 Отчисления на социальные нужды 94
Заключение 100
Список использованных источников 102
Идея применения ультразвуковых методов для измерения метеорологических параметров атмосферы появилась еще в конце 40-х годов в связи с тем, что используемым стандартным метеорологическим приборам присущи существенные инерционные и радиационные ошибки. Первоначально этот метод применялся для измерения температуры воздуха, а затем и для измерения скорости ветра и оценки турбулентных характеристик атмосферы.
С 80-х годов 20-го века в связи с интенсивным развитием компьютерной техники стали широко развиваться акустические анемометры и термометры, которые иногда называют термоанемометрами, если в одном приборе реализуется измерение V и T. При этом используются акустические волны с частотой (40...200) кГц, т.е. ультразвуковые (УЗ) волны.
Одним из основных достоинств УЗ термоанемометров (УЗТ/А) является то, что они не имеют механических движущихся частей, достаточно устойчиво работают в неблагоприятных погодных условиях. Это в значительной степени упрощает условия их эксплуатации. Основной особенностью УЗ анемометров является то, что они измеряют мгновенные значения скорости и направления ветра. Кроме того, такой прибор позволяет измерять вертикальную составляющую скорости ветра w, которая характеризует градиентные характеристики приземного атмосферного слоя (ПАС), толщина которого составляет несколько десятков метров [3]. Вертикальная компонента скорости ветра w определяет потоки тепла, влаги и импульса (количества движения) в этом слое. Информация о трехмерных (3D) потоках и турбулентности атмосферы, получаемая в малых пространственных и временных масштабах, необходима для описания состояния ПАС. Эта информация должна представляться не только в виде усредненных значений метеорологических величин, но также описывать турбулентные флуктуации, которые вносят вклад в процессы формирования,переноса, рассеяния и диссипации полей метеорологических величин, действующих в ПАС.
Актуальность. В настоящее время УЗА/Т является инструментом, наиболее подходящим для измерения характеристик ПАС. Дальнейшее совершенствование таких систем требует улучшение характеристик, используемых УЗА/Т и уменьшение их габаритов.
Предмет диссертационных исследований - ультразвуковой метод измерения параметров атмосферы, реализованный в виде УЗА/Т.
Объект исследований - электроакустический преобразователь (ЭАП) для работы в воздушной среде с повышенной эффективностью преобразования.
Цель данной работы состоит в разработке ЭАП обладающего высокой эффективностью преобразования при достаточно малых габаритах, разработка конструкции и технологии его изготовления.
Для достижения цели должны быть решены следующие задачи:
• Поиск причин уменьшения чувствительности измерительного канала при увеличении скорости воздушного потока;
• Уменьшение габаритов ультразвуковой измерительной головки метеокомплекса;
• Разработать технологию изготовления электроакустического преобразователя (ЭАП), обеспечивающего минимальные потери в активный элемент (пьезокерамика) и в протектор;
• Подбор материала и геометрических размеров протектора;
• Подбор материала и геометрических размеров демпфера;
• Исследование частотных характеристик ЭАП;
• Исследование зависимости чувствительности измерительного канала от скорости воздушного потока;
• Разработать электрический режим работы ЭАП.
Методы исследования
При выполнении работы использованы следующие методы исследования:
• Теоретический расчёт основных элементов ЭАП;
• Экспериментальные исследования.
Научная новизна
• Получены основные зависимости, связывающие эффективность преобразования с характеристиками материалов протектора и демпфера и их геометрические характеристики;
• Создана технология изготовления ЭАП, обеспечивающая стабильность характеристик при серийном производстве.
Практическая значимость
Разработана конструкция измерительной головки метеокомплекса, имеющая меньшие габариты и обеспечивающая работоспособность при скоростях воздушного потока до 80 м/с.
Реализация результатов работы
В результате выполнения был изготовлен действующий макет модифицированного метеокомплекса с улучшенными параметрами.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы обсуждались на VI-й Всероссийской научно-технической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов «Неразрушающий контроль: электронное приборостроение, технологии, безопасность», которая проходила на базе Института неразрушающего контроля Национального исследовательского Томского политехнического университета.
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в VII международной студенческой электронной научной конференции «Студенческий научный форум 2015»
Основные положения, выносимые на защиту
- Теоретические зависимости, связывающие эффективность преобразования с характеристиками материалов протектора и демпфера и их геометрическими размерами;
Технология изготовления ЭАП, обеспечивающая стабильность характеристик при серийном производстве;
Конструкция измерительной головки метеокомплекса, меньшие габариты и обеспечивающая работоспособность при ветрового потока 80м/с.
В данной диссертации рассмотрен автоматический метеокомплекс, принцип его работы, структурная схема. Так же в настоящей работе описан акустический метод измерения скорости ветра, температуры воздуха и параметров атмосферной турбулентности.
Объектом исследований является электроакустический преобразователь для работы в воздушной среде с повышенной эффективностью преобразования. Цель данной работы состояла в разработке ЭАП обладающего высокой эффективностью преобразования при достаточно малых габаритах, разработка конструкции и технологии его изготовления. Для реализации указанной цели работы были решены следующие основные задачи:
• Найдены причины уменьшения чувствительности
измерительного канала при увеличении скорости воздушного потока;
• Уменьшены габариты ультразвуковой измерительной головки метеокомплекса;
• Подобран материал и геометрические размеры протектора;
• Подобран материал и геометрические размеры демпфера;
• Исследованы частотные характеристики ЭАП;
• Исследованы зависимости чувствительности измерительного канала от скорости воздушного потока;
В разделе 2 был рассмотрен акустический метод измерения скорости ветра, температуры воздуха и параметров атмосферной турбулентности. Также были рассмотрены теоретические основы возникновения пьезоэффекта.
В разделе 3 были подробно изложены требования к конструкции электроакустического преобразователя и приведены результаты расчетов и экспериментальные данные, на основании которых можно сконструировать ЭАП, оптимальный с точки зрения предъявленных к термоанемометру требований.
В разделе 4 исследования выявлены, основные причины невозможности работы термоанемометра при скорости ветрового потока выше 30 м/с.
По результатам выполненного задания для раздела «Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение» было достигнуто следующее:
- Были определены потенциальные потребители результатов исследования;
- Проведен SWOT-анализ, по результатам которого можно сделать вывод, что данная технология имеет преимущества по сравнению с имеющимися разработками. Данная разработка и имеет низкую стоимость, по сравнению с существующими технологиями. Для повышения спроса необходима активная рекламная компания;
- Составлен план проекта, в соответствии с которым определяются объем работ и время, затрачиваемое на ее выполнение. Из календарного плана следует, что руководитель (Капранов Б.И.) занят календарных 323 дня (264 рабочих дней), исполнитель ВКР (Мордус Р.В.) занят календарных 492 дня (393 рабочих дней);
- Рассчитан бюджет научного исследования. Рассчитано, что для реализации проекта требуется 1757192,50 рубля;
- Проведена оценка экономической выгоды исследования.
В разделе «Социальная ответственность» магистерской работы описали рабочее место, провели анализ выявленных вредных и опасных проявлений факторов производственной среды, затронули вопросы охраны окружающей среды, рассмотрели защиту при возникновении чрезвычайных ситуаций, правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности, а также организационные мероприятия при компоновке рабочей зоны.
На основании вышеизложенного можно заключить, что работа выполнена в полном объеме, цель достигнута. Результаты данной работы были использованы при производстве ЭАП в ООО «Сибаналитприбор».
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
