Разработка моделей физических процессов первичного преобразователя для САПР акустического анемометра

Приведен обзор состояния рудничной анемометрии и сравнительный анализ методов измерения скоростей воздушного потока, а также обзор математических моделей датчика акустического анемометра типа АПА 1 (Анемометр Портативный Акустический). Этот датчик представляет собой цилиндрический волновод-воздуховод с вмонтированными в его стенки пьезоэлектрическими кольцевыми преобразователями (источником и приемником акустического сигнала). Проведен сравнительный анализ моделей анемометрического канала и его составляющих для выбора приближения наиболее подходящего для построения САПР акустического анемометра. В качестве базовой модели аэроакустического взаимодействия выбрана модель распространения акустического радиоимпульса в бесконечном цилиндрическом волноводе с жесткими стенками при наличии однородного потока. Приводится решение волнового уравнения в движущейся среде, полученное в виде комплексного ряда Фурье. Свойства пьезоэлектрических преобразователей учитываются в модели при помощи приближения идеального полосового фильтра с заданными резонансной частотой и шириной полосы пропускания. Описан интерфейс программы, разработанной для вычисления результатов моделирования и обработки экспериментальных данных, полученных при помощи действующих опытных образцов. Программа позволяет получить модель сигнала на приемном пьезопреобразователе для произвольных размеров датчика и параметров окружающей среды, а также оценить диапазон данных величин в котором возможно функционирование прибора.

Буянов С. И., Румянцева В. А. Разработка моделей физических процессов первичного преобразователя для САПР акустического анемометра // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2021. – № 5. – С. 169–178. DOI: 10.25018/0236_ 1493_2021_5_0_169.

Буянов Сергей Игоревич — старший преподаватель, НИТУ «МИСиС»,
Румянцева Валентина Анатольевна — канд. техн. наук, доцент, МГТУ им. Н.Э. Баумана, e-mail: valar@bmstu.ru.

Румянцева В.А., e-mail: valar@bmstu.ru.

1. Шкундин С. З., Петров А. Г., Лупий М. Г., Вановский В. В., Танцов П. Н. Программный комплекс динамического расчета воздухораспределения для угольных шахт // Уголь. — 2017. — № 12 (1101). — С. 32—34.

2. Wikipedia contributors. (2019, August 1). Anemometer. In Wikipedia, The Free Encyclopedia. Retrieved 08:06, August 9, 2019, from https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Anem ometer&oldid=908819219

3. Dhruv T., Nimit K., Rohan M. Design and simulation of MEMS anemometer / Proceedings of the 2015 COMSOL Conference in Pune.

4. Zhongliang Luo, Zhe Li, Chengchen Gao, Yilong Hao, Yufeng Jin Anemometer with threedimensional directionality for detection of very low speed air flow and acoustic particle velocity detecting capability / 19th International Conference on Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems (TRANSDUCERS). 2017, pp. 1029—1032.

5. Jedermann R., Hartgenbusch N., Borysov M., Lang W. Design parameters for the housing of two-dimensional air flow sensors // IEEE Sensors Journal. 2018, vol. 18, no. 24, pp. 10154— 10162.

6. Bo Sun, Wei Zhou, En-Quan Fang, Min-Zheng Yuan, Ning Gan A Cylindrical vehiclemounted anemometer based on 12 pressure sensors—principle, prototype design, and validation // IEEE Sensors Journal. 2018, vol. 18, no. 17, pp. 6954—6961.

7. Dian Milchev Iliev Research and development of a strain gauge anemometer // IEEE XXVII International Scientific Conference Electronics (ET). 2018.

8. Vipin Prakash Yadav, Alakh Sinha, Arun Khosla Design and implementation of ultrasonic anemometer / 4th International Conference on Power, Control & Embedded Systems (ICPCES). 2017. DOI: 10.1109/ICPCES.2017.8117645.

9. Arens E., Ghahramani A., Przybyla R., Andersen M., Min S., Peffera T., Raftery P., Zhu M., Luu V., Zhang H. Measuring 3D indoor air velocity via an inexpensive low-power ultrasonic anemometer // Energy and Buildings. 2020, vol. 211, no. 15, article 109805.

10. Шкундин С. З., Бахаров Л. Е. Интегральная анемометрия — прорыв в управлении вентиляцией угольных шахт // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2017. — № S1. — С. 440—453.

11. Шкундин С. З., Лашин В. Б. Фазовый способ акустической анемометрии // Метрология. — 1990. — № 7. — С. 39—43.

12. Шкундин С. З., Буянов С. И., Румянцева В. А., Стучилин В. В. Измеритель дебита метана в подземных дегазационных скважинах // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2013. — № S1. — С. 504—511.

13. Лапин А. Д. Об излучении и распространении звука в цилиндрической трубе при наличии потока / Акустико-аэродинамические исследования: сборник. — М.: Наука, 1975. — С. 57—60.

14. Johnston G. W., Ogimoto K. Sound radiation from a finite length unflanged circular duct with uniform axial flow. I. Theoretical analysis // Journal of the Acoustical Society of America. 1980, vol. 68, no. 6, pp. 1858—1870.

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

16. Кремлева О. А. Шкундин С. З. Метод расчета акустического поля внутри конечного цилиндрического канала с потоком // Акустический журнал. — 1998. — т. 44. — № 1. — С. 84.

17. Шкундин С. З., Стучилин В. В., Румянцева В. А. Автоматизация проектирования акустического анемометра для угольных шахт // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2001. — № 10. — C. 175—180.

18. Шкундин С. З., Буянов С. И., Румянцева В. А. Исследование распространения акустического импульса в цилиндрическом волноводе с движущимся воздушным потоком // Наукоемкие технологии. — 2002. — № 1.

19. Воронцов А. В., Румянцева В. А. Моделирование калибровочной характеристики акустического анемометра // Горный информативно-аналитический бюллетень. — 2013. — № 10. — C. 331—336.

20. Румянцева В. А. Исследование распространения акустической волны в неоднородном воздушном потоке в канале шахтного акустического анемометра // Научный вестник МГГУ. — 2013. — № 10 (43). — C. 81—89.