Введение к работе
Актуальность работы.
Процесс добычи угля сопровождается интенсивным пылевыделением в выработках. Горнорабочие подвергаются постоянному воздействию различных опасных и вредных факторов, что в совокупности с неудовлетворительным уровнем контроля над состоянием условий труда приводит к тому, что угольная промышленность по-прежнему занимает первое место по числу ежегодно вновь выявляемых профессиональных заболеваний в России. Заболевания органов дыхания, обусловленные вредным воздействием пыли, занимают одно из первых мест по количеству выявленных патологий. В связи с этим применение средств мониторинга состояния органов дыхания горнорабочих является неотъемлемой частью комплекса мероприятий по предупреждению заболеваний пылевой этиологии.
Особое место в мероприятиях по оценке функции внешнего дыхания уделяется методам и средствам, позволяющим выявить заболевания на ранней стадии, когда еще велика вероятность ремиссии. На кафедре Электротехники и информационных систем Московского государственного горного университета под руководством профессора Шкундина С.З. был разработан акустический метод измерения скоростей и расходов газовоздушных потоков. Впервые метод был успешно реализован для контроля вентиляции в шахтах России и Украины.
В акустических расходомерах, которые используются в настоящее время, пьезокерамические электроакустические преобразователи расположены в канале датчика симметрично по отношению к краям воздуховода. В случае акустического спироанализатора, для соблюдения санитарно-эпидемиологического режима, симметрия нарушается необходимостью использования стерильного одноразового мундштука.
Разработка новых и совершенствование имеющихся приборов на основе акустического метода измерений невозможны без адекватных моделей их функционирования. Специалистами кафедры Электротехники и информационных систем Московского государственного горного университета созданы математи-
ческие модели процессов, протекающих в аэрометрическом канале, представляющем собой волновод-воздуховод, однако эти модели не учитывают асимметрию канала, которая вносится мундштуком, что в свою очередь не позволяет использовать имеющиеся модели распространения акустического сигнала при проектировании приборов с асимметричным каналом. Поэтому задача разработки математического обеспечения САПР акустического спирометра является актуальной, как задача совершенствования акустических приборов функциональной диагностики дыхания.
Цель работы заключается в разработке математического обеспечения системы автоматизированного проектирования акустических спирометров, учитывающего габаритные размеры используемого совместно с прибором одноразового стерильного мундштука.
Идея работы состоит в том, чтобы на основе созданной математической модели распространения акустического сигнала в асимметричном канале разработать алгоритмы САПР акустического спирометра.
Объект исследования - процесс аэроакустического взаимодействия в спирометре, включающем мундштук.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
получена зависимость, описывающая влияние изменения скорости звука в канале акустического спирометра на частоту распространения акустического сигнала, использование которой позволяет оценить вклад параметров внешней среды (температуры, влажности, давления, состав) в погрешность производимых прибором измерений;
разработано математическое обеспечение САПР акустического спирометра, включающее в себя математическую модель распространения акустического сигнала в асимметричном цилиндрическом волноводе конечной длины с потоком и алгоритм выбора длины мундштука, позволяющие проектировать приборы с асимметричным расположением пьезокерамических преобразователей относительно открытых концов канала на основе акустического метода из-
мерения расходов с заранее заданными характеристиками по точности производимых ими измерений;
установлена зависимость изменения разности фаз акустического сигнала, распространяющегося в волноводе по и против потока, от геометрических размеров мундштука, использование которой в качестве алгоритмов САПР акустического спирометра позволяет получить удовлетворительные по точности и надежности характеристики проектируемых приборов;
доказана возможность искробезопасного шахтного использования спирометрического модуля, совмещение которого с аппаратами защиты дыхания позволяет повысить эффективность применения последних.
Обоснованность и достоверность научных выводов, положений и рекомендаций подтверждаются:
непротиворечивостью аналитических выводов с применением методов обыкновенных дифференциальных уравнений, уравнений математической физики, линейной алгебры, теории функций комплексного переменного;
совпадением результатов моделирования зависимости разности фаз в спирометрическом канале от длины мундштука в диапазоне от 0 до 62 мм с экспериментальными данными (расхождения не превышают 16%);
положительными результатами технических испытаний акустического спирометра «СПИРИТ-1» в ФГУ «ВНИИИМТ» Росздравнадзора, который проектировался с учетом рекомендаций представленной работы.
Научная новизна полученных результатов исследования состоит:
в разработке математической модели распространения акустического сигнала в спирометрическом канале, впервые учитывающей асимметрию в расположении пьезокерамических преобразователей относительно концов волновода;
в установлении зависимости разности фаз акустического сигнала, распространяющегося по и против потока в спирометрическом канале, от длины мундштука;
в установлении аналитической зависимости изменения частоты колеба
ний акустического сигнала от изменения скорости звука в спирометрическом ка
нале.
Практическое значение работы состоит:
в программной реализации разработанных алгоритмов в САПР, позво
ляющей создавать акустические спирометры с заранее заданными характеристи
ками по точности;
в разработке прикладного программного обеспечения акустического
спирометра для проведения спирографических тестов.
Реализация работы.
Созданная система автоматизации проектирования использована при разработке акустического спироанализатора «СПИРИТ-1» в ЗАО ЦНИИ «Волна». Кроме того, система используется при разработке новых спирометрических устройств.
Результаты исследований использованы при разработке учебного курса по дисциплине «Информационно-измерительные системы» на кафедре ЭИС Московского государственного горного университета для подготовки студентов специальности 230201 «Информационные системы и технологии».
Апробация результатов работы.
Научные положения и основные результаты исследований докладывались и обсуждались на научном симпозиуме «Неделя горняка» (Москва, МГГУ, 2009, 2010 гг.), XIV Международной экологической конференции студентов и молодых ученых «Горное дело и окружающая среда. Инновации и высокие технологии XXI века» (Москва, МГТУ, 2010 г.), II Международной научно-практической конференции «Научно-техническое творчество молодежи - путь к обществу, основанному на знаниях» (Москва, ВВЦ, 2010 г.), семинарах кафедры ЭИС МГГУ (2009-2011 гг.).
Публикации. По результатам диссертационного исследования опубликовано семь научных статей, в том числе пять - в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, трех приложений и списка использованной литературы из 107 наименований.
