Рисунок 22 – Направления сил (вариант 2)

Рисунок 22 построен при токе в управляющих катушках 25 мА, при этом максимальное значение индукции равно 635 мкТл, радиальная составляющая суммарной силы 2,2 Н, осевая составляющая (распределенная): -0,315 Н.

Сравнивая рисунки, можно видеть, что во втором случае радиальная составляющая почти вдвое больше, а осевая составляющая больше в 4,8 раза.

Учитывая, что большая сила дает большее перемещение, а более высокий уровень магнитной индукции увеличивает уровень помех от устройства и большее потребление энергии, то целесообразно выбрать первый вариант сенсора.

11 РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРАКТИЧЕСКОМУ ПРИМЕНЕНИЮ
РЕЗУЛЬТАТОВ РАСЧЕТА

При анализе устройства и принципа действия ГЭПП было установлено наличие источников магнитных полей. Расчет взаимодействия полей дал следующие результаты:

– распределение магнитного поля внутри ГЭПП и вокруг него;

– возможность раздельного последовательного расчета поля катушки,
поля сенсора и суммарного поля;

– характер влияния размеров сенсора на картину поля;

– возможность определения силовых параметров взаимодействия.

Распределение магнитного поля может использоваться для определения уровня излучения ГЭПП в любой точке пространства без непосредственного измерения поля. Раздельные формулы для поля сенсора и поля катушки позволяют оценить влияние магнитожидкостного сенсора на распределение поля, на распределение сил, а, следовательно, и точность при разработке новых моделей ГЭПП или приборов, схожих по принципу действия.

Характер влияния размеров сенсора на картину поля позволяет установить наиболее оптимальные характеристики сенсора, такие, как максимальный диаметр, максимальная длина и характеристики магнитной жидкости.

Рассчитанные силовые параметры позволяют использовать их в расчетах, где требуется рассчитать смещение сенсора (или другого ферромагнитного тела), а также оценить погрешности, возникающие из-за смещения.

Наиболее важным применением результатов расчета является универсальный алгоритм численного решения поставленной задачи, оформленный в виде программы для ЭВМ.

Эта программа позволяет рассчитать картину магнитного поля катушек, сенсора, суммарного поля, а также силы, действующие на магнитожидкостный сенсор.

Расчет можно проводить, задавая различные размеры сенсора, катушки, ток в катушках, марку магнитной жидкости. Учет явления гистерезиса позволяет более точно определять картину поля в динамике, а также действующие силы.

Для более удобного восприятия информации картина магнитного поля может быть отображена как в цветовой шкале, так и в серой. Существует возможность создать анимацию, в которой отражается динамика магнитного поля, а также сохранение и просмотр полученных результатов.

Применение ЭВМ и программы значительно сокращает время, необходимое для расчета при разработке новых устройств, увеличивает точность расчетов. При необходимости код программы можно скорректировать для получения результатов практически любых конфигураций катушек и ферромагнитных тел.

Другой важной областью применения расчета является дальнейшее изучение свойств магнитных жидкостей. Магнитные жидкости находят все большее применение в технике, но изучены еще недостаточно глубоко, поэтому различные НИИ и организации проводят исследования в этой области. При создании ГЭПП можно провести серии экспериментов по измерению магнитного поля в различных точках и сравнению результатов с расчетными. Таким образом, можно выявить отклонения в расчете, вызванные неточностью модели магнитной жидкости, и определить соответствующие поправки к существующим математическим моделям магнитных жидкостей.

С точки зрения электротехники и электроники ГЭПП является источником электромагнитного поля. При питании устройства от генератора 1000 Гц синусоидальной формы в отсутствии сенсора излучение от ГЭПП имеет также частоту 1000 Гц, следовательно, все устройства, находящиеся рядом, должны иметь соответствующие средства защиты от магнитного поля (фильтры, экраны). Учет гистерезиса магнитной жидкости показывает, что суммарное магнитное поле не является синусоидальным, а значит, кроме излучения основной частоты (1000 Гц) будет присутствовать излучение с множеством частот (гармоник), то есть при разработке устройств, работающих в сопряжении с ГЭПП (вторичные преобразователи, ЭВМ, САУ) следует обратить внимание на вопросы электромагнитной совместимости.

С точки зрения безопасности использования данный расчет может предоставить информацию об уровне излучений и отобразить границу безопасной зоны, и, если эта зона слишком обширная, следует разрабатывать магнитные экраны.

Данный расчет (программа) может использоваться и в процессе обучения в вузах. Результаты расчета в данном случае могут служить наглядным пособием при изучении таких дисциплин, как физика, электротехника, КТОП, и некоторых других. Цветовая (или серая) картина распределения магнитного поля наглядно показывает влияние различных параметров на поле и возникающие силы. Возможность создания анимации предоставляет удобный для восприятия материал по динамике магнитного поля, причем можно рассмотреть как динамику поля катушек, поля сенсора, или суммарного поля.

Полученный расчет имеет также экономический эффект – затраты на разработку будут только однократно, при составлении алгоритма, а дальнейшее использование предполагает только наличие ЭВМ и одного оператора, причем сам расчет при любых параметрах занимает не более 1 часа. Время расчета зависит от входных параметров и вычислительной мощности ЭВМ. Покупка аналогичных программ составит около 30 – 70 тысяч рублей. Но все аналогичные программы решают только определенный круг задач, то есть для получения конечного результата придется использовать несколько таких программ, что вызовет многократное повышение стоимости расчета. При использовании данного алгоритма отпадает необходимость использования каких-либо дополнительных программ, то есть стоимость расчета сильно сокращается.

Себестоимость этого расчета при внедрении в наукоемкие отрасли производства, а также экономический эффект от внедрения (или продажи) данного расчета будет рассчитана далее в соответствующем разделе.

12 БЕЗОПАСНОСТЬ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ

12.1 Охрана труда

Охрана труда представляет собой систему законодательных актов и соответствующих им социально-экономических, технических, гигиенических и организационных мероприятий, обеспечивающих безопасность, сохранение здоровья и работоспособности человека в процессе труда. С охраной труда связаны вопросы безопасности труда, предупреждения травматизма и профессиональных заболеваний и отравлений, пожаров и взрывов на производстве.

Гидроэлектрический преобразователь плотности (ГЭПП) содержит в своем составе источники магнитных и электрических полей. При работе ГЭПП на работника, обслуживающего его, могут воздействовать опасные факторы (поражение электрическим током, влияние электромагнитного излучения), таким образом, следует рассмотреть эти и другие опасные факторы и средства защиты для обеспечения безопасных условий труда.

ГЭПП эксплуатируется в различных производственных помещениях, для которых следует рассмотреть вопросы метеорологических условий и пожарной безопасности. Освещенность на рабочем места и шум являются наиболее важными факторами, влияющими на здоровье человека, кроме того, ГЭПП включает в себя источник питания, который может явиться причиной электротравм. Катушки индуктивности, расположенные непосредственно на контролируемом участке, являются источниками магнитного поля, значит, следует рассмотреть необходимость защиты от электромагнитного излучения.

12.1.1 Метеорологические условия Под метеорологическими условиями (микроклиматом) понимают несколько факторов, воздействующих на человека: температуру, влажность и скорость движения воздуха, а также барометрическое давление. Оптимальные и допустимые метеорологические условия для рабочих зон помещения (пространство высотой до 2 метров над уровнем пола, где находятся рабочие места) устанавливает ГОСТ 12.1.005 - 88, который учитывает: время года, тяжесть выполняемых работ и избыток явного тепла.

ГЭПП не содержит источников теплоты, которые могут реально повлиять на температуру воздуха в помещении, где он эксплуатируется. Поэтому особые меры по защите от теплового излучения, такие как экранирование, устранение источника тепловыделений, меры индивидуальной защиты, не требуются.

Соблюдаемый в производственном помещении тепловой режим
соответствует оптимальным нормам, задаваемым ГОСТ 12.1.005 - 88, как для холодного, так и для теплого времени года. Это осуществляется за счет имеющихся батарей водяного отопления и кондиционеров. Поддержание на заданном уровне температуры, влажности и подвижности воздуха - осуществляется постоянной вентиляцией помещения (лаборатории), в котором эксплуатируется ГЭПП.

Для лаборатории можно принять оптимальные нормы температуры, влажности и скорости движения воздуха, установленные ГОСТ 12.1.005 - 88, приведены в таблице 1.

Таблица 1 – Нормы факторов микроклимата

12.1.2 Освещенность Зрение является важнейшим источником информации, поступающей в мозг человека из внешней среды. Недостаточное освещение вызывает преждевременное утомление, притупляет внимание работающего, снижает производительность труда, ухудшает качественные показатели и может оказаться причиной несчастного случая.

Нормирование естественного и искусственного освещения осуществляется СНиП 23-05-95 в зависимости от характера зрительной работы. При работе с рассматриваемой установкой необходимым является различение объектов размером 0,5...1 мм (фиксация показаний измерительных приборов), что соответствует разряду зрительной работы 4г, рекомендуется общее и комбинированное освещение 500 лк.

12.1.3 Шум Беспорядочное сочетание различных по частоте и интенсивности звуков называют шумом. При систематическом воздействии шум оказывает на человека вредное физиологическое воздействие, которое заключается в притуплении слуха, нарушении ритма сердечной деятельности, замедлении психологических реакций, ослаблении памяти и внимания.

Нормирование шума осуществляется по ГОСТ 12.1.003-83 “Шум. Общие требования безопасности“. Допустимые уровни шума в помещениях типа лабораторий указаны в таблице 2.

Таблица 2 – Нормирование шума

В ГЭПП нет таких частей, которые могли бы являться источником шума.

12.1.4 Электробезопасность Электробезопасность – система организационных и технических мероприятий и средств, обеспечивающих защиту людей от вредного и опасного воздействия электрического тока, электрической дуги, электромагнитного поля и статического электричества (ГОСТ 12.1.009-76).

Опасное воздействие на работающих могут оказывать электромагнитные поля радиочастот (60 кГц-300 ГГц) и электрические поля промышленной частоты (50 Гц).

Источником электрических полей промышленной частоты являются токоведущие части действующих электроустановок (линии электропередач, индукторы, конденсаторы термических установок, фидерные линии, генераторы, трансформаторы, электромагниты, соленоиды, импульсные установки полупериодного или конденсаторного типа, литые и металлокерамические магниты). Длительное воздействие электрического поля на организм человека может вызвать нарушение функционального состояния нервной и сердечно-сосудистой систем. Это выражается в повышенной утомляемости, снижении качества выполнения рабочих операций, болях в области сердца, изменении кровяного давления и пульса.

Основными видами средств коллективной защиты от воздействия электрического поля токов промышленной частоты являются экранирующие устройства – составная часть электрической установки, предназначенная для защиты персонала в открытых распределительных устройствах и на воздушных линиях электропередач.

Для обеспечения безопасности работ с источниками электромагнитных волн производится систематический контроль фактических нормируемых параметров на рабочих местах и в местах возможного нахождения персонала. Контроль осуществляется измерением напряженности электрического и магнитного поля, а также измерением плотности потока энергии по утвержденным методикам Министерства здравоохранения.

Эффективным средством защиты от воздействия электромагнитных излучений является экранирование источников излучения и рабочего места с помощью экранов, поглощающих или отражающих электромагнитную энергию. Выбор конструкции экранов зависит от характера технологического процесса, мощности источника, диапазона волн.

Отражающие экраны используют в основном для защиты от паразитных излучений (утечки из цепей в линиях передачи СВЧ-волн, из катодных выводов магнетронов и других), а также в тех случаях, когда электромагнитная энергия не является помехой для работы генераторной установки или радиолокационной станции. В остальных случаях, как правило, применяются поглощающие экраны.

Для изготовления отражающих экранов используются материалы с высокой электропроводностью, например металлы (в виде сплошных стенок) или хлопчатобумажные ткани с металлической основой. Сплошные металлические экраны наиболее эффективны и уже при толщине 0,01 мм обеспечивают ослабление электромагнитного поля примерно на 50 дБ (в 100 000 раз).

Для изготовления поглощающих экранов применяются материалы с плохой электропроводностью. Поглощающие экраны изготавливаются в виде прессованных листов резины специального состава с коническими сплошными или полыми шипами, а также в виде пластин из пористой резины, наполненной карбонильным железом, с впрессованной металлической сеткой. Эти материалы приклеиваются на каркас или на поверхность излучающего оборудования.

Важное профилактическое мероприятие по защите от электромагнитного облучения - это выполнение требований для размещения оборудования и для создания помещений, в которых находятся источники электромагнитного излучения.

Допустимые уровни воздействия на работников и требования к проведению контроля на рабочих местах для электрических полей промышленной частоты изложены в ГОСТ 12.1.002-84, а для электромагнитных полей радиочастот – в ГОСТ 12.1.006-84.

Так как в ГЭПП применяется стандартный блок питания промышленного производства, то соответствие ГОСТ обеспечивает предприятие-изготовитель. Катушки индуктивности питаются переменным током частотой 1000 Гц и являются источниками электромагнитного излучения. Напряжение питания составляет 15 В, а напряженность электрического поля на расстоянии 0,5 м не превышает 20 В/м, что много меньше допустимого уровня 500 В/м. Катушки являются в основном источниками магнитного поля, предельно допустимый уровень которого установлен СанПиН 2.2.2/2.4.1340-03. Для магнитного поля с частотой от 5 Гц до 2 кГц предельно допустимый уровень 250 нТл.