ZASTOSOWANIA ELEKTROMAGNETYZMU W …ptze.pl/wp-content/uploads/2017/07/PTZE-2014.pdf · REFERAT...

XXIV Sympozjum PTZE, Huciska 2014

1

Współorganizatorzy: POLITECHNIKA CZĘSTOCHOWSKA, WYDZIAŁ ELEKTRYCZNY

WOJSKOWY INSTYTUT MEDYCZNY

POLSKO-JAPOŃSKA WYŻSZA SZKOŁA TECHNIK KOMPUTEROWYCH

POLSKI KOMITET NARODOWY MIĘDZYNARODOWEJ UNII NAUK RADIOWYCH

XXIV SYMPOZJUM ŚRODOWISKOWE PTZE ZASTOSOWANIA ELEKTROMAGNETYZMU W NOWOCZESNYCH TECHNIKACH I MEDYCYNIE

HUCISKO, 7-10 września 2014 r.

POLSKIE TOWARZYSTWO ZASTOSOWAŃ ELEKTROMAGNETYZMU


2

Sympozjum zorganizowano przy finansowej pomocy Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego © Copyright by Polskie Towarzystwo Zastosowań Elektromagnetyzmu Warszawa 2014 ISBN 83-88131-99-0


3

XXIV SYMPOZJUM ŚRODOWISKOWE

ZASTOSOWANIA ELEKTROMAGNETYZMU W NOWOCZESNYCH TECHNIKACH I MEDYCYNIE

HUCISKO, 7-10 września 2014 r.

Komitet naukowy Przewodniczący Lech Borowik Członkowie Barbara Atamaniuk Karol Bednarek Liliana Byczkowska-Lipińska Katarzyna Ciosk Romuald Kotowski Andrzej Krawczyk Roman Kubacki Jerzy Paweł Nowacki Anna Pławiak-Mowna Wanda Stankiewicz-Szymczak Mitsuhiko Toho Andrzej Wac-Włodarczyk Joanna Wyszkowska

Komitet organizacyjny

Ewa Łada-Tondyra – przewodnicząca Agnieszka Byliniak Ewa Korzeniewska Beata Pala

POLSKIE TOWARZYSTWO ZASTOSOWAŃ ELEKTROMAGNETYZMU


4


5

PROGRAM XXIV SYMPOZJUM PTZE Hucisko 2014

PROGRAMME OF 24th SYMPOSIUM PSAE Hucisko 2014

NIEDZIELA / SUNDAY (7.09.2014) 16:00 – Rejestracja uczestników / Registration 19:00 – Kolacja / Dinner

PONIEDZIAŁEK / MONDAY (8.09.2014)

O T W A R C I E / O P E N I N G S E S S I O N 8:45 – 9:00 9:00 – 9:30 REFERAT PLENARNY / PLENARY PRESENTATION (Chair: Lech Borowik) Bibliograficzne bazy danych w komunikacji naukowej Bibliographic databases in a scientific communication – Witold Sygocki

S E S J A I 9:30 – 11:00 TECHNICZNO-PRAWNE ASPEKTY ELEKTROMAGNETYZMU / TECHNICAL-LAW ASPECTS OF ELECTROMAGNETISM (Chair: Antoni Cieśla, Bojan Stumberger) 1. Agnieszka Bieńkowska

„Wpływ dojrzałości TQM na rezultaty działalności akredytowanych laboratoriów badawczych i wzorcujących funkcjonujących w Polsce” TQM maturity influence on accredited reaserch laboratories and calibration laboratories operating in Poland

2. Paweł Bieńkowski, Paweł Cała „Ekspozycja na PEM radiotelefonów doręcznych – wybrane aspekty” PEM exposure of walkie-talkies – selected aspects


6

3. Paweł Bieńkowski, Paweł Cała, Bartłomiej Zubrzak „Techniczna eksploracja pasm mikrofalowych powyżej 40 GHz” Technical exploration of microwave band over 40 GHz

4. Andrzej Krawczyk, Barbara Grochowicz, Katarzyna Ciosk

„Ryzyko i zagrożenie w polu elektromagnetycznym – krytyczna analiza pojęć” Risk and hazard in electromagnetic field – critical terms analysis

5 Jaromir Sobiech, Jarosław Kieliszek, Robert Puta, Wanda Stankiewicz

„Wykorzystanie danych geoprzestrzennych w komputerowej analizie narażenia pracowników na pole elektromagnetyczne” The use of geospatial data in computer analysis of employees exposure to electromagnetic field

11:00 – 11:30 – Przerwa na kawę / Coffee break

S E S J A II 11:30 – 13:00 ELEKTROMAGNETYZM W ELEKTROTECHNICE I ENERGETYCE / ELECTROMAGNETISM IN ELECTRICAL AND POWER ENGINEERING (Chair: Ewa Korzeniewska, Roman Kubacki) 1. Magdalena Chlewicka, Paweł Witkowski, Andrzej Krawczyk, Marek Kurkowski

„Rozwój technologii LED w aplikacjach oświetlenia drogowego” Development of LED technology in road lighting applications

2. David Pánek, Ivo Doležel, Václav Kotlan

„Shape optimization of cylindrical inductor for induction pre-heating” Optymalizacja kształtu cylindrycznej cewki w nagrzewaniu indukcyjnym

3. Peter Virtič, George E. Georghiou, Maria Hadjipanayi, Grigoris Papagiannis,

Pablo de la Rosa, Jose Oliveira, Walter Martins, Anthi Charalambous, Harris Kordatos, Georgios C. Christoforidis, Noemie Poize, Patrick Biard, Peter Mrak

„Project PV-NET: Promotion of photovoltaic energy through net metering optimization” Projekt PV-NET. Wspieranie energii fotowoltaicznej poprzez optymalizację

opomiarowania 4. Franjo Pranjić, Peter Virtič

„Power production comparison of photovoltaic modules” Porównanie produkcji energii w modułach fotowoltaicznych

5. Bojan Stumberger, Sebastijan Seme, Miralem Hadziselimovic

“A survey of modern electric machines for electric vehicles propulsion” Przegląd nowoczesnych maszyn elektrycznych w zastosowaniu do pojazdów elektrycznych


7

13:00 – Obiad / Lunch

S E S J A III 14:00 – 15:30 ELEKTROMAGNETYZM W ŚRODOWISKU / ELECTROMAGNETISM IN ENVIRONMENT (Chair: Andrzej Wac-Włodarczyk, Ivo Dolezel) 1. Paweł Bieńkowski, Hubert Trzaska „Ekspozycja na PEM w biomedycynie i kompatybilności elektromagnetycznej” Exposure on EMF in biomedicine and electromagnetic compatibility 2. Antoni Cieśla, Mikołaj Skowron, Przemysław Syrek, Wojciech Kraszewski „Wpływ działania pola magnetycznego na kiełkowanie nasion” Magnetic field influence on seed germination 3. Zygmunt J. Grabarczyk

„Ekspozycja na pole elektryczne z pasma 0 – 100 Hz, analiza możliwości wnikania pola do wnętrza ciała człowieka” Electric field exposure to 0 – 100 Hz band - the analysis of potentiality of human body penetration

4. Jarosław Kieliszek, Jaromir Sobiech, Wanda Stankiewicz

„Ocena parametrów pola elektromagnetycznego w badaniach obiektów biologicznych” The assessment of electromagnetic field parameters in biological objects research

5. Paweł A. Mazurek, Krzysztof Kisiel, Piotr Tomczyk, Maciej Wiak

„Analiza emisji elektromagnetycznej w środowisku przemysłowym na przykładzie Zakładów Azotowych Puławy S.A.” The analysis of electromagnetic emmision in an industrial environment illustrated with an example of ZA Puławy S.A.

6. Agnieszka Piekarska, Andrzej Krawczyk, Ewa Korzeniewska

„Zastosowanie elektroporacji w medycynie i przemyśle” The use of electroporation in medicine and industry

15:45 – Wycieczka do zamków jurajskich / Sightseeing of jurrasic castles 19:30 – Kolacja grillowa / Barbecue dinner


8

WTOREK / TUESDAY (9.09.2014) S E S J A IV 9:00 – 11:00 ELEKTROMAGNETYZM W MEDYCYNIE I / ELECTROMAGNETISM IN MEDICINE I

II SESJA SPECJALNA POLSKIEGO KOMITETU SEP DS. ZASTOSOWAŃ POLA ELEKTROMAGNETYCZNEGO W MEDYCYNIE (Chair: Andrzej Krawczyk, Aleksander Sieroń) 1. Aleksander Sieroń

Medycyna i technika – współczesność i przyszłość Medicine and engineering – the present and the future

2. Bolesław Kalicki, Andrzej Krawczyk, Anna Jung, Agnieszka Lipińska-Opałka,

Agnieszka Iwaniszczuk, Piotr Murawski, Józef Mróz, Janusz Żuber „Efekty termiczne stosowania magnetostymulacji i magnetoterapii w obrazowaniu termograficznym - wyniki projektu TelMedNet II” The thermal effect of magnetic stimulation and magnetotherapy in thermographic imaging - TelMedNet II project results

3. Bolesław Kalicki, Józef Mróz, Andrzej Krawczyk, Anna Jung,

Agnieszka Lipińska-Opałka, Agnieszka Iwaniszczuk, Janusz Żuber, Piotr Murawski „Odległe efekty leczenia rehabilitacyjnego z zastosowaniem pola elektromagnetycznego wielomiejscowego zespołu odruchowego typu I w badaniu termowizyjnym - wyniki projektu TelMedNet II” Distant effects of rehabilitation treatment in selected disease with the use of electromagnetic field - TelMedNet II project results

4. Piotr Murawski, Andrzej Krawczyk, Bolesław Kalicki, Anna Jung, Janusz Żuber

„Wskaźnikowa analiza ilościowa termogramów medycznych – pierwsze wyniki projektu "TelMedNet II" Index quantitative analysis of medical thermogram – initial results of „TeleMedNet II” project

5. Joanna Wyszkowska, Maria Stankiewicz

„The influence of extremely low frequency electromagnetic field exposure on animal development” Wpływ ekspozycji na pole elektromagnetyczne o niskiej częstotliwości na rozwój zwierząt

11:00 – 11:30 – Przerwa na kawę / Coffee break Zebranie Plenarne Członków Polskiego Komitetu SEP ds. Zastosowań Pola Elektromagnetycznego w Medycynie (Chair: Bolesław Kalicki)


9

S E S J A V 11:30 – 13:30 ELEKTROMAGNETYZM W MEDYCYNIE II / ELECTROMAGNETISM IN MEDICINE II II SESJA SPECJALNA POLSKIEGO KOMITETU SEP DS. ZASTOSOWAŃ POLA ELEKTROMAGNETYCZNEGO W MEDYCYNIE (Chair: Anna Jung, Grzegorz Cieślar) 1. Grzegorz Cieślar, Janina Mrowiec, Jolanta Fiolka, Paweł Sowa, Aleksander Sieroń

„Wpływ stałego pola elektrycznego generowanego w otoczeniu linii przesyłowych wysokiego napięcia prądu stałego na metabolizm węglowodanów u szczurów” Influence of strong static electric field generated nearby High Voltage Direct Current transmission lines on carbohydrates metabolism in rats

2. Łukasz Januszkiewicz

„Uproszczony model ciała człowieka do analizy systemów bezprzewodowych działających w pobliżu osób w różnych pozycjach” Simplified human body model for the analysis of wireless systems operating nearby people in various positions

3. Maciej Łopucki, Agnieszka Grafka

„Badania dotyczące tzw. “efektu termicznego” w wyniku oddziaływania zmiennego pola magnetycznego wytwarzanego przez aparaturę medyczną stosowaną w trakcie zabiegów laparoskopowych na jajnikach operowanych kobiet” The study concerning so called „thermal effect” as a result of varying magnetic field produced by medical equipment used during laparoscopic ovarian surgery of women operated on

4. Karolina Sieroń-Stołtny, Grzegorz Cieślar, Paweł Sowa, Aleksander Sieroń

„Wpływ pola elektromagnetycznego wysokiej częstotliwości generowanego przez telefon komórkowy na równowagę prooksydacyjno-antyoksydacyjną w sercu szczurów” Influence of strong static electric field generated nearby High Voltage Direct Current transmission lines on carbohydrates metabolism in rats

5. Karolina Sieroń-Stołtny, Grzegorz Cieślar, Paweł Sowa, Aleksander Sieroń

„Wpływ pola elektromagnetycznego generowanego przez linie wysokiego napięcia prądu zmiennego na równowagę prooksydacyjno-antyoksydacyjną w sercu szczurów” Influence of high frequency electromagnetic field generated by High Voltage Alternating Current transmission lines on prooxidant/antioxidant balance in heart of rats


14:30 – 15:00 REFERAT PLENARNY / PLENARY PRESENTATION (Chair: Ewa Łada-Tondyra) Rozwiązania firmy ANSYS dla analizy pól sprzężonych Solutions of ANSYS software company for the analysis of coupled field – Mateusz Będkowski (firma SymKom)


10

S E S J A VI 15:00 – 17:00 POSTER SESSION (Chair: Peter Virtic, Joanna Wyszkowska) 1. Karol Bednarek, Paweł Byczyński

„Elektromagnetyczne oddziaływania w sieci zasilającej w budynku banku” Electromagnetic effect in power supply network at bank building

2. Lech Borowik, Artur Cywiński

„Modernizacja i rozbudowa sieci trakcyjnej jako przykład proekologicznej inwestycji tyskich linii trolejbusowych” Modernization and development/upgrading of contact line system as an example of Tychy Trolleybus green investment

3. Lech Borowik, Adam Jakubas

„Pomiary wybranych parametrów elektrycznych materiałów włókienniczych do zastosowań w odzieży inteligentnej” Measurement of selected electrical parameters of textiles dedicated to application to intelligent clothing

4. Lech Borowik, Adrian Barasiński

„Instalacje elektroenergetyczne w budownictwie energooszczędnym w aspekcie bezpieczeństwa pożarowego” Power networks in sustainable building industry from a fire security aspect

5. Liliana Byczkowska-Lipińska, Agnieszka Wosiak

„Techniki eksploracji danych w procesie oceny stanu transformatora energetycznego” Data exploration techniques in assessment process of power transformer

6. Antoni Cieśla, Wojciech Kraszewski, Mikołaj Skowron, Przemysław Syrek

„Analiza rozkładu pola magnetycznego generowanego przez urządzenia do fizykoterapii” The analysis of magnetic field distribution generated by physiotherapy equipment

7. Andriy Czaban, Marek Lis, Andrzej Popenda, Marek Patro, Marcjan Nowak

„Model matematyczny zespołu elektrycznego składającego się z transformatora mocy, silników indukcyjnych, odciążenia nieliniowego RL oraz baterii kompensacyjnej” Mathematical model of the electrical set consisted of power transformer, induction motors, nonlinear load RL and battery of capacitors

8. Paweł Czaja, Andrzej Jąderko

„Ryzyko rażenia prądem w maszynach elektrycznych znajdujących się w stanie wybiegu” Electric shock risk at electrical machines in coasting state

9. Paweł Drzymała, Henryk Welfle

„Szacowanie strat dodatkowych w uzwojeniach transformatorów z wykorzystaniem numerycznych metod polowych” The estimation of additional losses in the transformer windings using numerical methods of field calculation


11

10. Jerzy Filipiak, Grzegorz Steczko, Sebastian Kostrzewa, Łukasz Wcisło „Parametry czujników przyśpieszenia z AFP” Parameters of AFP acceleration sensors

11. Jerzy Filipiak, Grzegorz Steczko, Sebastian Kostrzewa, Łukasz Wcisło

„Podzespoły z akustyczną falą powierzchniową” Components with surface acoustic wave

12. Piotr Gas, Eugeniusz Kurgan

„Wpływ rozmiaru szczeliny powietrznej na efektywność grzania w czasie śródmiąższowej hipertermii mikrofalowej” Impact of the air gap size on the heating efficiency during Interstitial Microwave Hyperthermia

13. Aleksander Gąsiorski, Zdzisław Posyłek „Wpływ wilgotności biomasy na straty mocy w torze falowodowym na pasmo X z wyciętym przelotowo otworem” The biomass humidity influence on power loss in wave guide line for X band with a hole

14. Andrzej Jąderko, Michał K. Kowalewski

„Wyznaczanie parametrów wiatru w energetyce odnawialnej” Wind parameters determining in renewable power sector

15. Andrzej Jąderko, Maciej Swadowski, Krzysztof Zygoń

„Optymalizacja nowoczesnych zasilaczy impulsowych” Optimization of the modern Switch Mode Power Supplies

16. Beata Jakubiec

„Napęd bezszczotkowego silnika prądu stałego z rozmytym regulatorem prędkości” Brushless direct current motor drive with fuzzy speed controller

17. Leszek Kasprzyk, Karol Bednarek

„Elektromagnetyzm a zagadnienia gromadzenia energii” Electromagnetism and power accumulation issues

18. Grzegorz Komarzyniec

„Tłumienie prądu włączania transformatora nadprzewodnikowego” The limitation of inrush current in superconducting transformer

19. Ewa Korzeniewska, Agnieszka Duraj, Andrzej Krawczyk

„Elektrody cienkowarstwowe jako elementy układów systemów telemedycznych” Thin layer electrodes as telemedical systems elements

20. Ewa Korzeniewska, Adam Jakubas

„Pomiar rezystancji powierzchniowej warstw cienkich o dowolnych kształtach wytworzonych na podłożach elastycznych” Surface resistance measurement of any shape thin layers created on elastic substrate


12

21. Eugeniusz Kurgan, Piotr Gas „Dependence of power losses in human tissues in nanoparticle hyperthermia” Zależność straty energii w ludzkich tkankach w hipertermi nanocząsteczkowej

22. Marcin T. Leplawy „Wspomaganie lokalizacji wewnątrz budynków za pomocą sieci WiFi oraz innych standardów sieciowych” Indoors location backup with the use of WiFi and other network standards

23. Paweł Matuszczyk, Tomasz Popławski, Janusz Flasza

„Potencjał i możliwości energii promieniowania elektromagnetycznego Słońca” The potential and possibilities of the Sun's electromagnetic radiation power

24. Arkadiusz Miaskowski, Andrzej Krawczyk, Ewa Łada-Tondyra

„Pole elektromagnetyczne w procedurze przezczaszkowej stymulacji magnetycznej” Electromagnetic field in transcranial magnetic stimulation procedure

25. Jarosław Mirowski, Magdalena Chlewicka, Tomasz Popławski, Marek Kurkowski,

Paweł Czaja „Analiza parametrów rozruchu oświetlenia LED” The analysis of starting parameters for LED lighting

26. Paweł Niedbalski, Stefan F. Filipowicz

„Problem Burst Suppresion w monitorowaniu CFM i diagnostyce mózgu wcześniaków” Burst Suppresion problem in CFM monitoring and brain diagnostics of premature infants

27. Marcjan Nowak

„Analiza drgań giętnych wału w układzie napędowym z silnikiem PMSM” Analysis of shaft transverse vibrations of PMSM-based drive system

28. Krzysztof Olesiak

„An algorithm for tuning a fuzzy controller in a drive control system of a permanent magnet synchronous motor” Algorytm do regulacji rozmytego regulatora w systemie kontroli napędu silnika z trwałym magnesem

29. Danuta Pliś

„Pomiary wpływu klinów magnetycznych na składowe harmoniczne indukcji magnetycznej w szczelinie powietrznej na modelu silnika indykcyjnego” Measurement of the magnetic wedges influence on magnetic induction harmonics in air gap in induction motor

30. Anna Pławiak-Mowna, Wojciech Zając, Grzegorz Andrzejewski

„Elektromagnetyzm w polityce ochrony zdrowia osób starszych” Electromagnetism in health care policy for the elderly


13

31. Andrzej Popenda, Sławomir Chwalba „Koncepcja i realizacja prądnicy synchronicznej ze wzbudzeniem magnetostatycznym i elektromagnetycznym” The concept and implementation of sychronous generator with magnetostatic and electromagnetic excitation

32. Tomasz Prauzner

„Skuteczność działania czujek magnetycznych w układach alarmowych” The effectiveness of magnetic detectors in alarm systems

33. Tomasz Prauzner, Paweł Ptak

„Analiza parametrów pracy wybranych czujników pola magnetycznego” The analysis of operating parameters of selected magnetic field detectors

34. Paweł Ptak, Lech Borowik „Dokładność czujników indukcyjnych w defektoskopii warstw ochronnych urządzeń elektrycznych” The accuracy of inductive sensors in the defectoscopy of protection layers in electric devices 35. Andrzej Rusek, Andriy Czaban, Marek Lis, Marek Patro, Tomasz Śliwiński

„Model matematyczny walcarki z elementami sprężystymi w linii transmisji ruchu o rozłożonych parametrach mechanicznych” Mathematical model of a rolling mill including elastic elements in a power transmission line with the consideration of the distributed mechanical parameters

36. Antoni Cieśla, Mikołaj Skowron, Wojciech Kraszewski, Przemysław Syrek

„Oddziaływanie aplikatorów pola magnetycznego na otoczenie w zależności od kształtu sygnału zasilającego” The impact of the magnetic field of applicators on the environment depending on the signal’s parameters

37. Krzysztof Szewczyk

„Kształt powierzchni nabiegunnika wirnika hybrydowego silnika krokowego z magnesami stałymi jako element kształtujący moment obrotowy oraz hamujący” Shape of field pole hybrid rotor surface of step motor with permanent magnets as a torque and braking torque modelling element

38. Rafał Trocki

„Wykorzystanie generatorów wiatrowych w wyrobiskach podziemnych” The use of wind power generators in underground excavation

39. Rafał Trocki

„Wybrane aspekty projektowania generatora wiatrowego na potrzeby podziemnych zakładów górniczych” Selected aspects of wind power generator designing for underground mining companies

40. Mykhaylo Zagirnyak, А. Serdiuk, T. Korenkova

„Method of determination of the boundaries of non-cavitational operation of electrohydraulic complex” Metoda określania granic niekawitacyjnego działania zespołu elektrohydraulicznego


14

19:30 – Obiad konferencyjny / Conference dinner

ŚRODA / WEDNESDAY (10.09.2014)

S E S J A VII 9:00 – 11:00 ELEKTROMAGNETYZM W MATERIAŁACH / ELECTROMAGNETISM IN MATERIALS (Chairman: Mykhaylo Zagirnyak, Anna Pławiak-Mowna) 1. Antoni Cieśla

„Badanie wpływu czynników zakłócających (elektrycznych) na ruch strugi naelektryzowanych ziaren w polu elektrycznym separatora odchylającego” Investigation of influence of disturbing factors (electric) on the movement of the beam of electrified grains in electric field of the special separator

2. Aleksander Gąsiorski, Zdzisław Posyłek, Tomasz Dróżdż

„Prototypowe stanowisko laboratoryjne do badania topliwości popiołu metodą rurową” Prototype lab station for ash fusibleness research using tubular method

3. Romuald Kotowski, Vladimir I. Alshits, Piotr Tronczyk, Jerzy P. Nowacki

„Spinowy charakter zjawiska magnetoplastyczności” Magnetoplasticity phenomenon and its spin nature

4. Roman Kubacki, Salim Lamari

„Anteny mikropaskowe na bazie struktur metamateriałowych” Microstip antennas based on metamaterial structures

5. Łukasz Januszkiewicz, Sławomir Hausman

„Analiza wrażliwości jednorodnego modelu ciała człowieka na parametry płynu symulującego tkanki” The analysis of homogeneous human body model sensitivity to parameters of tissue stimulating liquid

6. Andrzej Wac-Włodarczyk, Andrzej Kaczor

„Wpływ zmiany parametrów reaktora plazmowego na wartości przewodzonych zaburzeń elektromagnetycznych w zakresie częstotliwości 150 kHz – 1 MHz” Influence of some changes of the parameters of plasma reactors on conducted disturbances in the range of frequency 150 kHz – 1 MHz

11:00 – 11:30 – Przerwa na kawę / Coffee break


15

S E S J A VIII 11:30 – 13:30 ELEKTROMAGNETYZM OBLICZENIOWY / COMPUTATIONAL ELECTROMAGNETISM (Chairman: Romuald Kotowski, Liliana Byczkowska-Lipińska) 1. Agnieszka Michalczuk, Damian Pęszor, Adam Świtoński, Henryk Josiński,

Romualda Mucha, Konrad Wojciechowski „Kwaternionowe wizualizacje ruchu wybranych stawów” Quaternion visualization of selected joints movement

2. Stanisław Pawłowski, Jolanta Plewako

„Obliczanie zmodyfikowanych parametrów dla impedancyjnych warunków brzegowych na powierzchniach ekranowanych” The calculation of modified parameters for impedance boundary conditions on shielded surface

3. Stanisław Pawłowski, Jolanta Plewako

„Zastosowanie IFSM do analizy pola rozproszenia trójwymiarowego modelu transformatora energetycznego z uwzględnieniem nieliniowości magnetycznej” IFSM use for leakage field analysis of three-dimensional power transformer considering magnetic non-linearity

4. Andrzej Wac-Włodarczyk, Piotr Ziń, Tomasz Giżewski

„Pętla histerezy różnicowej w mostku Maxwell’a dla różnych częstotliwości strumienia magnetycznego” Differential hysteresis loop in Maxwell bridge for various magnetic flux frequency

5. Mykhaylo Zagirnyak, V. Prus, A. Miroshnykova

„Development of high-performance diagnostic devices for the cores of induction motor stators” Rozwój wysokiej klasy urządzeń diagnostycznych do rdzeni stojanów silników indukcyjnych

6. Mykhaylo Zagirnyak, I. Shvedchikova, S. Tkach

„Multi-unit electromechanical structures automated synthesis using methods of genetic and geometric modeling” Zautomatyzowana synteza wielojednostkowych struktur elektromechanicznych przy użyciu metod modelowania genetycznego i geometrycznego

13:30 – Zakończenie konferencji / Closing Cremony



16


17

SPIS REFERATÓW

1. Karol Bednarek, Paweł Byczyński ............................................................................... 29 „Elektromagnetyczne oddziaływania w sieci zasilającej w budynku banku” Electromagnetic effect in power supply network at bank building 2. Mateusz Będkowski ...................................................................................................... 32 „Rozwiązania firmy ANSYS dla analizy pól sprzężonych” Solutions of ANSYS software company for the analysis of coupled field 3. Agnieszka Bieńkowska ................................................................................................. 34 „Wpływ dojrzałości TQM na rezultaty działalności akredytowanych laboratoriów

badawczych i wzorcujących funkcjonujących w Polsce” TQM maturity influence on accredited reaserch laboratories

and calibration laboratories operating in Poland 4. Paweł Bieńkowski, Paweł Cała ..................................................................................... 38 „Ekspozycja na PEM radiotelefonów doręcznych – wybrane aspekty” PEM exposure of walkie-talkies – selected aspects 5. Paweł Bieńkowski, Paweł Cała, Bartłomiej Zubrzak ................................................... 41 „Techniczna eksploracja pasm mikrofalowych powyżej 40 GHz” Technical exploration of microwave band over 40 GHz 6. Paweł Bieńkowski, Hubert Trzaska ............................................................................... 44 „Ekspozycja na PEM w biomedycynie i kompatybilności elektromagnetycznej” Exposure on EMF in biomedicine and electromagnetic compatibility 7. Lech Borowik, Adam Jakubas ....................................................................................... 48 „Pomiary wybranych parametrów elektrycznych materiałów włókienniczych

do zastosowań w odzieży inteligentnej” Measurement of selected electrical parameters of textiles dedicated

to application to intelligent clothing 8. Lech Borowik, Adrian Barasiński ................................................................................. 50 „Instalacje elektroenergetyczne w budownictwie energooszczędnym

w aspekcie bezpieczeństwa pożarowego” Power networks in sustainable building industry from a fire security aspect 9. Lech Borowik, Artur Cywiński .................................................................................... 53 „Modernizacja i rozbudowa sieci trakcyjnej jako przykład proekologicznej inwestycji

tyskich linii trolejbusowych” Modernization and development/upgrading of contact line system as an example

of Tychy Trolleybus green investment 10. Liliana Byczkowska-Lipińska, Agnieszka Wosiak ...................................................... 55 „Techniki eksploracji danych w procesie oceny stanu transformatora energetycznego” Data exploration techniques in assessment process of power transformer


18

11. Magdalena Chlewicka, Paweł Witkowski, Andrzej Krawczyk, Marek Kurkowski .......................................................................................................... 57

„Rozwój technologii LED w aplikacjach oświetlenia drogowego” Development of LED technology in road lighting applications 12. Antoni Cieśla ................................................................................................................. 59 „Badanie wpływu czynników zakłócających (elektrycznych)

na ruch strugi naelektryzowanych ziaren w polu elektrycznym separatora odchylającego”

Investigation of influence of disturbing factors (electric) on the movement of the beam of electrified grains in electric field of the special separator 13. Antoni Cieśla, Mikołaj Skowron, Przemysław Syrek, Wojciech Kraszewski .............. 61 „Wpływ działania pola magnetycznego na kiełkowanie nasion” Magnetic field influence on seed germination 14. Antoni Cieśla, Wojciech Kraszewski, Mikołaj Skowron, Przemysław Syrek .............. 63 „Analiza rozkładu pola magnetycznego generowanego przez urządzenia

do fizykoterapii” The analysis of magnetic field distribution generated by physiotherapy equipment 15. Antoni Cieśla, Mikołaj Skowron, Wojciech Kraszewski, Przemysław Syrek .............. 65 „Oddziaływanie aplikatorów pola magnetycznego na otoczenie w zależności

od kształtu sygnału zasilającego” The impact of the magnetic field of applicators on the environment depending

on the signal’s parameters 16. Grzegorz Cieślar, Janina Mrowiec, Jolanta Fiolka, Paweł Sowa,

Aleksander Sieroń .......................................................................................................... 67 „Wpływ stałego pola elektrycznego generowanego w otoczeniu linii przesyłowych

wysokiego napięcia prądu stałego na metabolizm węglowodanów u szczurów” Influence of strong static electric field generated nearby High Voltage Direct Current

transmission lines on carbohydrates metabolism in rats 17. Andriy Czaban, Marek Lis, Andrzej Popenda, Marek Patro,

Marcjan Nowak .............................................................................................................. 70 „Model matematyczny zespołu elektrycznego składającego się

z transformatora mocy, silników indukcyjnych, odciążenia nieliniowego RL oraz baterii kompensacyjnej”

Mathematical model of the electrical set consisted of power transformer, induction motors, nonlinear load RL and battery of capacitors

18. Paweł Czaja, Andrzej Jąderko ....................................................................................... 73 „Ryzyko rażenia prądem w maszynach elektrycznych znajdujących się

w stanie wybiegu” Electric shock risk at electrical machines in coasting state


19

19. Paweł Drzymała, Henryk Welfle .................................................................................. 76 „Szacowanie strat dodatkowych w uzwojeniach transformatorów

z wykorzystaniem numerycznych metod polowych” The estimation of additional losses in the transformer windings using numerical

methods of field calculation 20. Jerzy Filipiak, Grzegorz Steczko, Sebastian Kostrzewa, Łukasz Wcisło ..................... 79 „Parametry czujników przyśpieszenia z AFP” Parameters of AFP acceleration sensors 21. Jerzy Filipiak, Grzegorz Steczko, Sebastian Kostrzewa, Łukasz Wcisło .................... 81 „Podzespoły z akustyczną falą powierzchniową” Components with surface acoustic wave 22. Piotr Gas, Eugeniusz Kurgan ........................................................................................ 83 „Wpływ rozmiaru szczeliny powietrznej na efektywność grzania

w czasie śródmiąższowej hipertermii mikrofalowej” Impact of the air gap size on the heating efficiency during Interstitial Microwave

Hyperthermia 23. Aleksander Gąsiorski, Zdzisław Posyłek ...................................................................... 85 „Wpływ wilgotności biomasy na straty mocy w torze falowodowym na pasmo X

z wyciętym przelotowo otworem” The biomass humidity influence on power loss in wave guide line for X band

with a hole 24. Aleksander Gąsiorski, Zdzisław Posyłek, Tomasz Dróżdż .......................................... 88 „Prototypowe stanowisko laboratoryjne do badania topliwości popiołu metodą rurową” Prototype lab station for ash fusibleness research using tubular method 25. Zygmunt J. Grabarczyk ................................................................................................. 91 „Ekspozycja na pole elektryczne z pasma 0 – 100 Hz, analiza możliwości

wnikania pola do wnętrza ciała człowieka” Electric field exposure to 0 – 100 Hz band - the analysis

of potentiality of human body penetration 26. Andrzej Jąderko, Michał K. Kowalewski ..................................................................... 93 „Wyznaczanie parametrów wiatru w energetyce odnawialnej” Wind parameters determining in renewable power sector 27. Andrzej Jąderko, Maciej Swadowski, Krzysztof Zygoń .............................................. 97 „Optymalizacja nowoczesnych zasilaczy impulsowych” Optimization of the modern Switch Mode Power Supplies 28. Łukasz Januszkiewicz, Sławomir Hausman .............................................................. 100 „Analiza wrażliwości jednorodnego modelu ciała człowieka

na parametry płynu symulującego tkanki” The analysis of homogeneous human body model sensitivity to parameters

of tissue stimulating liquid


20

29. Beata Jakubiec ............................................................................................................ 102 „Napęd bezszczotkowego silnika prądu stałego z rozmytym regulatorem prędkości” Brushless direct current motor drive with fuzzy speed controller 30. Łukasz Januszkiewicz ................................................................................................. 104 „Uproszczony model ciała człowieka do analizy systemów bezprzewodowych

działających w pobliżu osób w różnych pozycjach” Simplified human body model for the analysis of wireless systems operating nearby

people in various positions 31. Bolesław Kalicki, Andrzej Krawczyk, Anna Jung,

Agnieszka Lipińska-Opałka, Agnieszka Iwaniszczuk, Piotr Murawski, Józef Mróz, Janusz Żuber ................................................................................................................ 106

„Efekty termiczne stosowania magnetostymulacji i magnetoterapii w obrazowaniu termograficznym - wyniki projektu TelMed Net II”

The thermal effect of magnetic stimulation and magnetotherapy in thermographic imaging - TelMed Net II project results

32. Bolesław Kalicki, Józef Mróz, Andrzej Krawczyk, Anna Jung,

Agnieszka Lipińska-Opałka, Agnieszka Iwaniszczuk, Janusz Żuber, Piotr Murawski ............................................................................................................ 109

„Odległe efekty leczenia rehabilitacyjnego z zastosowaniem pola elektromagnetycznego wielomiejscowego zespołu odruchowego typu I w badaniu termowizyjnym - wyniki projektu TeleMedNet II”

Distant effects of rehabilitation treatment in selected disease with the use of electromagnetic field - TelMed Net II project results

33. Leszek Kasprzyk, Karol Bednarek .............................................................................. 111 „Elektromagnetyzm a zagadnienia gromadzenia energii” Electromagnetism and power accumulation issues 34. Jarosław Kieliszek, Jaromir Sobiech, Wanda Stankiewicz ....................................... 115 „Ocena parametrów pola elektromagnetycznego w badaniach obiektów biologicznych” The assessment of electromagnetic field parameters in biological objects research 35. Grzegorz Komarzyniec ............................................................................................... 117 „Tłumienie prądu włączania transformatora nadprzewodnikowego” The limitation of inrush current in superconducting transformer 36. Ewa Korzeniewska, Agnieszka Duraj, Andrzej Krawczyk ........................................ 119 „Elektrody cienkowarstwowe jako elementy układów systemów telemedycznych” Thin layer electrodes as telemedical systems elements 37. Ewa Korzeniewska, Adam Jakubas ........................................................................... 122 „Pomiar rezystancji powierzchniowej warstw cienkich o dowolnych kształtach

wytworzonych na podłożach elastycznych” Surface resistance measurement of any shape thin layers created on elastic substrate


21

38. Romulad Kotowski, Vladimir I. Alshits, Piotr Tronczyk, Jerzy P. Nowacki ............. 125 „Spinowy charakter zjawiska magnetoplastyczności” Magnetoplasticity phenomenon and its spin nature 39. Andrzej Krawczyk, Barbara Grochowicz, Katarzyna Ciosk ...................................... 127 „Ryzyko i zagrożenie w polu elektromagnetycznym – krytyczna analiza pojęć” Risk and hazard in electromagnetic field – critical terms analysis 40. Roman Kubacki, Salim Lamari .................................................................................. 129 „Anteny mikropaskowe na bazie struktur meta materiałowych” Microstip antennas based on metamaterial structures 41. Eugeniusz Kurgan, Piotr Gas ...................................................................................... 131 „Dependence of power losses in human tissues in nanoparticle hyperthermia” Zależność straty energii w ludzkich tkankach w hipertermi nanocząsteczkowej 42. Marcin T. Leplawy ..................................................................................................... 133 „Wspomaganie lokalizacji wewnątrz budynków za pomocą sieci WiFi

oraz innych standardów sieciowych” Indoors location backup with the use of WiFi and other network standards 43. Maciej Łopucki, Agnieszka Grafka ............................................................................. 135 „Badania dotyczące tzw. “efektu termicznego” w wyniku oddziaływania

zmiennego pola magnetycznego wytwarzanego przez aparaturę medyczną stosowaną w trakcie zabiegów laparoskopowych na jajnikach operowanych kobiet”

The study concerning so called „thermal effect” as a result of varying magnetic field produced by medical equipment used during laparoscopic ovarian surgery of women operated on

44. Paweł Matuszczyk, Tomasz Popławski, Janusz Flasza ............................................... 138 „Potencjał i możliwości energii promieniowania elektromagnetycznego Słońca” The potential and possibilities of the Sun's electromagnetic radiation power 45. Paweł A. Mazurek, Krzysztof Kisiel, Piotr Tomczyk, Maciej Wiak ........................... 139 „Analiza emisji elektromagnetycznej w środowisku przemysłowym

na przykładzie Zakładów Azotowych Puławy S.A.” The analysis of electromagnetic emmision in an industrial environment illustrated

with an example of ZA Puławy S.A. 46. Arkadiusz Miaskowski, Andrzej Krawczyk, Ewa Łada-Tondyra .............................. 143 „Pole elektromagnetyczne w procedurze przezczaszkowej stymulacji magnetycznej” Electromagnetic field in transcranial magnetic stimulation procedure 47. Agnieszka Michalczuk, Damian Pęszor, Adam Świtoński, Henryk Josiński,

Romualda Mucha, Konrad Wojciechowski ................................................................. 145 „Kwaternionowe wizualizacje ruchu wybranych stawów” Quaternion visualization of selected joints movement


22

48. Jarosław Mirowski, Magdalena Chlewicka, Tomasz Popławski, Marek Kurkowski, Paweł Czaja .................................................................................................................. 147

„Analiza parametrów rozruchu oświetlenia LED” The analysis of starting parameters for LED lighting 49. Piotr Murawski, Andrzej Krawczyk, Bolesław Kalicki, Anna Jung, Janusz Żuber .... 149 „Wskaźnikowa analiza ilościowa termogramów medycznych

– pierwsze wyniki projektu "TeleMedNet II"” Index quantitative analysis of medical thermogram –

initial results of „TeleMedNet II” project 50. Paweł Niedbalski, Stefan F. Filipowicz ....................................................................... 151 „Problem Burst Suppresion w monitorowaniu CFM i diagnostyce mózgu wcześniaków” Burst Suppresion problem in CFM monitoring and brain diagnostics of premature

infants 51. Marcjan Nowak ........................................................................................................... 153 „Analiza drgań giętnych wału w układzie napędowym z silnikiem PMSM” Analysis of shaft transverse vibrations of PMSM-based drive system 52. Krzysztof Olesiak ....................................................................................................... 155 „An algorithm for tuning a fuzzy controller in a drive control system

of a permanent magnet synchronous motor” Algorytm do regulacji rozmytego regulatora w systemie kontroli napędu silnika

z trwałym magnesem 53. David Pánek, Ivo Doležel, Václav Kotlan ................................................................... 157 „Shape optimization of cylindrical inductor for induction pre-heating” Optymalizacja kształtu cylindrycznej cewki w nagrzewaniu indukcyjnym 54. Stanisław Pawłowski, Jolanta Plewako ....................................................................... 160 „Obliczanie zmodyfikowanych parametrów dla impedancyjnych warunków

brzegowych na powierzchniach ekranowanych” The calculation of modified parameters for impedance boundary conditions on shielded

surface 55. Stanisław Pawłowski, Jolanta Plewako ....................................................................... 163 „Zastosowanie IFSM do analizy pola rozproszenia trójwymiarowego modelu

transformatora energetycznego z uwzględnieniem nieliniowości magnetycznej” IFSM use for leakage field analysis of three-dimensional power transformer

considering magnetic non-linearity 56. Agnieszka Piekarska, Andrzej Krawczyk, Ewa Korzeniewska ................................... 165 „Zastosowanie elektroporacji w medycynie i przemyśle” The use of electroporation in medicine and industry


23

57. Danuta Pliś ................................................................................................................... 168 „Pomiary wpływu klinów magnetycznych na składowe harmoniczne indukcji

magnetycznej w szczelinie powietrznej na modelu silnika indykcyjnego” Measurement of the magnetic wedges influence on magnetic induction harmonics

in air gap in induction motor 58. Anna Pławiak-Mowna, Wojciech Zając, Grzegorz Andrzejewski .............................. 170 „Elektromagnetyzm w polityce ochrony zdrowia osób starszych” Electromagnetism in health care policy for the elderly 59. Andrzej Popenda, Sławomir Chwalba ......................................................................... 172 „Koncepcja i realizacja prądnicy synchronicznej ze wzbudzeniem magnetostatycznym

i elektromagnetycznym” The concept and implementation of sychronous generator with magnetostatic

and electromagnetic excitation 60. Tomasz Prauzner .......................................................................................................... 175 „Skuteczność działania czujek magnetycznych w układach alarmowych” The effectiveness of magnetic detectors in alarm systems 61. Tomasz Prauzner, Paweł Ptak ..................................................................................... 178 „Analiza parametrów pracy wybranych czujników pola magnetycznego” The analysis of operating parameters of selected magnetic field detectors 62. Paweł Ptak, Lech Borowik ........................................................................................... 181 „Dokładność czujników indukcyjnych w defektoskopii warstw ochronnych urządzeń

elektrycznych” The accuracy of inductive sensors in the defectoscopy of protection layers in electric

devices 63. Andrzej Rusek, Andriy Czaban, Marek Lis, Marek Patro, Tomasz Śliwiński ............ 184 „Model matematyczny walcarki z elementami sprężystymi w linii transmisji ruchu

o rozłożonych parametrach mechanicznych” Mathematical model of a rolling mill including elastic elements in a power transmission

line with the consideration of the distributed mechanical parameters 64. Aleksander Sieroń ........................................................................................................ 187 „Medycyna i technika – współczesność i przyszłość” Medicine and engineering – the present and the future 65. Karolina Sieroń-Stołtny, Grzegorz Cieślar, Paweł Sowa, Aleksander Sieroń ............. 189 „Wpływ pola elektromagnetycznego wysokiej częstotliwości generowanego

przez telefon komórkowy na równowagę prooksydacyjno-antyoksydacyjną w sercu szczurów

Influence of high frequency electromagnetic field generated by mobile phone on prooxidant/antioxidant balance in heart of rats


24

66. Karolina Sieroń-Stołtny, Grzegorz Cieślar, Paweł Sowa, Aleksander Sieroń ............. 192 „Wpływ pola elektromagnetycznego generowanego przez linie wysokiego napięcia prądu zmiennego na równowagę prooksydacyjno-antyoksydacyjną w sercu szczurów” Influence of high frequency electromagnetic field generated by High Voltage

Alternating Current transmission lines on prooxidant/antioxidant balance in heart of rats

67. Jaromir Sobiech, Jarosław Kieliszek, Robert Puta, Wanda Stankiewicz .................... 195 „Wykorzystanie danych geoprzestrzennych w komputerowej analizie narażenia

pracowników na pole elektromagnetyczne” The use of geospatial data in computer analysis of employees exposure

to electromagnetic field 68. Krzysztof Szewczyk .................................................................................................... 197 „Kształt powierzchni nabiegunnika wirnika hybrydowego silnika krokowego

z magnesami stałymi jako element kształtujący moment obrotowy oraz hamujący” Shape of field pole hybrid rotor surface of step motor with permanent magnets

as a torque and braking torque modelling element 69. Rafał Trocki ................................................................................................................. 201 „Wykorzystanie generatorów wiatrowych w wyrobiskach podziemnych” The use of wind power generators in underground excavation 70. Rafał Trocki ................................................................................................................. 204 „Wybrane aspekty projektowania generatora wiatrowego na potrzeby

podziemnych zakładów górniczych” Selected aspects of wind power generator designing for underground mining companies 71. Peter Virtič, George E. Georghiou, Maria Hadjipanayi, Grigoris Papagiannis,

Pablo de la Rosa, Jose Oliveira, Walter Martins, Anthi Charalambous, Harris Kordatos, Georgios C. Christoforidis, Noemie Poize, Patrick Biard, Peter Mrak .................................................................................................................... 207

„Project PV-NET: Promotion of photovoltaic energy through net metering optimization”

Projekt PV-NET. Wspieranie energii fotowoltaicznej poprzez optymalizację opomiarowania

72. Franjo Pranjić, Peter Virtič .......................................................................................... 210 „Power production comparison of photovoltaic modules” Porównanie produkcji energii w modułach fotowoltaicznych 73. Andrzej Wac-Włodarczyk, Andrzej Kaczor ................................................................ 214 „Wpływ zmiany parametrów reaktora plazmowego na wartości przewodzonych

zaburzeń elektromagnetycznych w zakresie częstotliwości 150 kHz – 1 MHz” Influence of some changes of the parameters of plasma reactors

on conducted disturbances in the range of frequency 150 kHz – 1 MHz


25

74. Andrzej Wac-Włodarczyk, Piotr Ziń, Tomasz Giżewski ............................................ 217 „Pętla histerezy różnicowej w mostku Maxwell’a

dla różnych częstotliwości strumienia magnetycznego” Differential hysteresis loop in Maxwell bridge for various magnetic flux frequency 75. Joanna Wyszkowska, Maria Stankiewicz ................................................................... 219 „The influence of extremely low frequency electromagnetic field exposure

on animal development” Wpływ ekspozycji na pole elektromagnetyczne o niskiej częstotliwości na rozwój

zwierząt 76. Mykhaylo Zagirnyak, А. Serdiuk, T. Korenkova ........................................................ 221 „Method of determination of the boundaries of non-cavitational operation

of electrohydraulic complex” Metoda określania granic niekawitacyjnego działania zespołu elektrohydraulicznego 77. Mykhaylo Zagirnyak, V. Prus, A. Miroshnykova ....................................................... 224 „Development of high-performance diagnostic devices for the cores

of induction motor stators” Rozwój wysokiej klasy urządzeń diagnostycznych do rdzeni stojanów silników

indukcyjnych 78. Mykhaylo Zagirnyak, I. Shvedchikova, S. Tkach ....................................................... 227 “Multi-unit electromechanical structures automated synthesis using methods

of genetic and geometric modeling” Zautomatyzowana synteza wielojednostkowych struktur elektromechanicznych przy

użyciu metod modelowania genetycznego i geometrycznego


26


27

WPROWADZENIE

Tegoroczne XXIV Sympozjum PTZE odbywa się w miejscowości Huciska, w gminie Włodowice. Jako że nazwy obu miejscowości nie są powszechnie znane, dlatego sprecyzujmy, że są one położone w Jurze Krakowsko Częstochowskiej, 50 km od Czestochowy, nieopodal zamków w Mirowie i Bobolicach. Tradycją spotkań konferencyjnych PTZE jest to, że odbywają się one w ciekawych miejscach Polski. Najczęściej odwiedzamy miejsca historyczne, takie jak Kraków, Rydzyna, Zamość, Książ, Lubliniec, Sandomierz, ale też co kilka lat organizujemy nasze spotkanie w miejscu ważnym dla jego walorów krajobrazowych – wspomnieć można Białowieże, Zakopane, Ciechocinek, Worliny czy Mikołajki. Tym razem wybrane zostało miejsce z urokliwym krajobrazem, ale tez z ciekawą historią. Na wapiennych wzgórzach pomiędzy Krakowem a Wieluniem zbudowane zostały imponujące zamki i warownie, a droga prowadząca przez owe budowle znana jest jako Szlak Orlich Gniazd. Orle Gniazda powstawały w XIV wieku za czasów panowania Kazimierza Wielkiego. Ich zadaniem była ochrona granic Polski, a w szczególności królewskiego miasta Krakowa. Nazwa „orle gniazda” pochodzi z połowy XIX wieku i wzięła się prawdopodobnie z usytuowania zamków – umieszczane one były na wysokich, trudno dostępnych, skałach. Szlak Orlich Gniazd to zamki królewskie w Będzinie, Bobolicach, Brzeźnicy, Krzepicach, Lelowie, Ojcowie, Olkuszu, Olsztynie, Ostrężniku, Rabsztynie, Wieluniu oraz w Żarnowcu. Są też zamki prywatne: w Białym Kościele, Bydlinie, Dankowie, Korzkwi, Koziegłowach, Mirowie, Morawicy, Morsku, Pieskowej Skale, Pilicy, Smoleniu, Ogrodzieńcu, Tęczynie, Udorzu i warownie: w Mirowie, Dubiu, Gieble, Kluczach, Kwaśniowie, Łutowcu, Przewodziszowicach, Ryczowie, Siedlcu, Suliszowicach, Wiesiółce, Złotym Potoku. Organizatorzy konferencji planują wycieczkę do zamków w Bobolicach i Mirowie, z krótkim spacerem między tymi obiektami. Konferencje Polskiego Towarzystwa Zastosowań Elektromagnetyzmu mają od pierwszej swojej edycji charakter interdyscyplinarny. Spotykają się na nich inżynierowie elektrycy, energetycy, elektronicy, ale też fizycy, biolodzy i lekarze. W różnych okresach różnie układały się realcje ilościowe między poszczególnymi dziedzinami. W ostatnich latach daje się zauważyć rosnącą liczbę referatów z obszaru zastowania pola elektromagnetycznego w medycynie. I to nie tylko ze strony lekarzy, którzy, nawiasem mówiąc, coraz liczniej uczestniczą w konferencji, ale też od strony inżynierów i fizyków. To rosnące zainteresowanie się aplikacjami elektromagnetyzmu w medycynie dało efekt w postaci powołania w 2012 roku podczas XXII Sympozjum PTZE grupy roboczej, funkcjonującej w strukturze Stowarzyszenia Elektryków Polskich jako Polski Komitet SEP ds. Zastosowań Pola Elektromagnetycznego w Medycynie. Podczas poprzedniego XXIII Sympozjum w Mikołajkach odbyła się I Sesja Specjana tego Komitetu, w ramach tegorocznego sympozjum planowana jest II Sesja Specjalna, połączona z zebraniem plenarnym członków Komitetu. Na koniec chcę podziękować wszystkim, którzy swoją pracą, dobrymi pomysłami, a czasem dobrym słowem, uczestniczyli w organizacji XXIV Sympozjum PTZE. Dziękuję też instytucjom, które wspomogły nas finansowo, a przede wszystkim Ministerstwu Nauki i Szkolnictwa Wyższego.


28

Życzę PT Uczestnikom sympozjum owocnych i twórczych debat, na sali konferencyjnej i poza, życzę znajdowania obszarów współpracy, zawierania interesujących znajomości, a w chwilach wolnych od debatowania i rozwiązywania Ważnych Problemów życzę, aby mieli Państwo dużo radości z przebywania w pięknej scenerii skał jurajskich i zadumy nad historią Polski, uprzedmiotowioną w zamkach jurajskich.

Andrzej Krawczyk, Prezes PTZE

XXIV Sympozjum PTZE, Hucisko 2014

29

ELEKTROMAGNETYCZNE ODDZIAŁYWANIA W SIECI ZASILAJĄCEJ W BUDYNKU BANKU

Karol Bednarek, Paweł Byczyński EVER Sp. z o.o.

Wprowadzenie We wszelkich obszarach działalności człowieka wykorzystywane są powszechnie elementy i urządzenia elektryczne. Z uwagi na niezwykle dynamiczny rozwój gospodarczy sektorów związa-nych z produkcją, przetwarzaniem informacji, działalnością menadżersko-administracyjną, naukowo-dydaktyczną oraz usługowo-handlową poziom zaawansowania technicznego wykorzystywanego w tych jednostkach osprzętu elektrycznego nieustannie wzrasta. Wraz z rozwojem osprzętu elektrycz-nego, elektronicznego i informatycznego wzrasta niebezpieczeństwo powstawania i oddziaływania zaburzeń, czyli zagrożeń prawidłowości pracy (niezawodności) występujących obok siebie urządzeń, a także mają miejsce tendencje wzrostowe obciążeń mocą bierną, co może generować dodatkowe znaczne koszty eksploatacyjne (wzrost opłat za zużycie energii elektrycznej) [1-5]. Istnieje zatem po-trzeba właściwej identyfikacji i zapobiegania oddziaływaniu zaburzeń oraz wprowadzenia racjonaliza-cji gospodarowania energią. W pracy zajęto się analizą jakości energii i efektywności energetycznej w obiekcie, jakim jest budy-nek banku, z charakterystyczną dla niego infrastrukturą odbiorników energii. Rozważania mają na celu określenie bilansu energetycznego oraz oddziałujących zaburzeń w sieci budynku banku pod kątem możliwości ograniczenia powstawania zakłóceń w pracy wykorzystywanego osprzętu elek-trycznego oraz optymalizacji opłat za energię elektryczną (racjonalizacji gospodarowania energią). Oddziaływania elektromagnetyczne z uwagi na specyfikę odbiorników W każdym miejscu, gdzie występuje napięcie i przepływają prądy powstają pola elektromagnetyczne. Z oddziaływaniem pól elektromagnetycznych na układy lub urządzenia elektryczne wiążą się zagad-nienia powstawania i oddziaływania zaburzeń, które mogą wywołać zakłócenie prawidłowego funk-cjonowania osprzętu elektrycznego bądź jego awarie. Typ oraz charakter powstających i oddziałujących zaburzeń zależy od specyfiki wykorzystywanych urządzeń. Układy, w których zachodzą częste stany łączeniowe elementów biernych (cewek i konden-satorów) mogą mieć tendencje do generowania przepięć (powstających w stanach przejściowych) szczególnie groźnych dla pracy podzespołów elektronicznych (półprzewodnikowych). Występujące w układach elementy o silnych nieliniowościach sprzyjają powstawaniu odkształceń sygnałów napię-ciowych i prądowych (generowaniu wyższych harmonicznych) [1-5]. Dynamiczne załączanie i wyłą-czanie dużych obciążeń może być przyczyną powstawania zapadów napięcia. Ponadto zarówno ele-menty nieliniowe, jak również podzespoły bierne mogą wywoływać powstawanie dodatkowych strat energetycznych bądź opłat za ponadnormatywny pobór energii biernej, wprowadzając dodatkowe koszty w realizowanych procesach. Do niedawna charakter odbiorników energii w sieci elektroenergetycznej był najczęściej rezystancyj-no-indukcyjny (związany głownie z funkcjonowaniem wszelkiego typu maszyn elektrycznych i prze-tworników elektromechanicznych). Obecnie często zdarzają się przypadki, że charakter odbiorników jest rezystancyjno-pojemnościowy. Ma to miejsce głownie w centrach komputerowych bądź w obiek-tach, w których pracują zasilacze impulsowe, elektroniczne układy prostownicze, stabilizujące, filtru-jące, elektroniczne układy sterowania oświetleniem wyładowczym itp. Duże obiekty związane z działalnością człowieka, jak hale produkcyjne, centra handlowe, budynki administracji, centra przetwarzania informacji itp., mają swoją określoną, im charakterystyczną specy-


30

fikę, związaną z gospodarowaniem energią oraz powstawaniem i oddziaływaniem zaburzeń. Jednym z takich obiektów (o charakterystycznym typie obciążeń) jest budynek banku. Głównymi elementami odbiorczymi są w nim rozbudowane systemy informatyczne, jak również układy oświetlenia, klimaty-zacji oraz drobny sprzęt biurowy. Z uwagi na funkcjonowanie dużej liczby elementów i układów nie-liniowych, pracujących impulsowo, zawierających układy prostownicze, stabilizacyjne oraz filtrujące, charakter występującego tam obciążenia jest rezystancyjno-pojemnościowy i powstają znaczne od-kształcenia przebiegu pobieranego prądu (generowane są wyższe harmoniczne). Ze względu na ocze-kiwaną niezawodność działania znacznej części osprzętu stosowane są tam systemy zasilania gwaran-towanego, również często obciążające sieć mocą bierną pojemnościową. Wyniki pomiarów w budynku banku Pomiary zrealizowano w budynku banku, gdzie jako odbiorniki energii funkcjonują głównie: 23 kom-putery, serwery, 2 urządzenia wielofunkcyjne (drukarko-kopiarki), drukarka laserowa, system zasila-nia gwarantowanego UPS, bankomat, 4 układy klimatyzacji, układy oświetlenia energooszczędnego oraz drobny sprzęt biurowy. Z rezultatów zrealizowanych pomiarów (rys. 1a) wynika jednoznacznie, że w badanym obiekcie ma miejsce duży pobór mocy biernej pojemnościowej (rzędu 3 kvar), co dotkliwie odczuwane jest przez użytkownika (zgodnie z udostępnionymi do wglądu rachunkami kwoty opłat za pobór energii biernej pojemnościowej są wyższe od opłat za pobór energii czynnej). Ewidentnie widać również (rys. 1b), że szczególnie w obwodzie zasilania gwarantowanego (serwery, komputery) występuje problem odkształceń prądu (wyższych harmonicznych). Współczynnik THDi przekracza wartość 60%. a) b)

Rys. 1. Wyniki pomiarów zrealizowanych w budynku banku: a) pomiary napięć, prądów, mocy oraz współczynników mocy w obiekcie , b) przebiegi prądów fazowych pobieranych przez odbiorniki zasilane z UPS Wnioski Z przeprowadzonych pomiarów wynika jednoznacznie, że zdecydowana większość odbiorników cha-rakterystycznych dla obiektu, jakim jest budynek banku, wprowadza silne odkształcenia pobieranego prądu (oddziaływanie harmonicznych), a jednocześnie obciąża układ zasilania (obok mocy czynnej) mocą bierną pojemnościową. Efektem tego mogą być nieprawidłowości funkcjonowania osprzętu wrażliwego na oddziaływania wyższych harmonicznych, a na bieżąco bardziej dotkliwym skutkiem jest zwiększenie opłat za użytkowanie energii elektrycznej, wynikające z powstawania dodatkowych strat energetycznych związanych z oddziaływaniami harmonicznych, a przede wszystkim z poboru z sieci zasilającej energii biernej pojemnościowej (która jest około trzykrotnie droższa od energii czyn-nej – użytecznej i na którą nie ma żadnego limitu nieodpłatnych poborów).


31

Poprawę funkcjonowania obiektów w obu obszarach uzyskuje się dzięki zastosowaniu UPS EVER POWERLINE GREEN 33. Z uwagi na separację energetyczną zabezpieczanych odbiorników od sieci zasilającej (topologia VFI) osiąga się eliminację oddziaływania na nie zaburzeń sieciowych, natomiast ze względu na wprowadzenie funkcji kompensacji mocy biernej (całkowitej eliminacji poboru z sieci mocy biernej pojemnościowej) uzyskuje się eliminację opłat za energię bierną pojemnościową. Dzięki temu osiąga się wzrost niezawodności funkcjonowania urządzeń, a jednocześnie realne oszczędności finansowe wynikające z racjonalnego gospodarowania energią. Właściwe określenie specyfiki odbiorników w różnych obiektach związanych z działalnością człowie-ka umożliwia prawidłowe dostosowanie technicznych środków zaradczych w celu ograniczenia od-działywania zaburzeń, a jednocześnie wprowadzenie racjonalnego zarządzania energią. Literatura

[1] Bednarek K., Kasprzyk L., Suppression of higher harmonic components introduction to the net-works and improvement of the conditions of electric supply of electrical equipment, Przegląd Elektrotechniczny, No 12b, 2012, p. 236-239.

[2] Bednarek K., Jakość, pewność i właściwa konstrukcja układu zasilania a bezpieczeństwo urządzeń elektrycznych, Elektro.info, nr 12, 2012, s. 26-31.

[3] Barlik R., Nowak M., Jakość energii elektrycznej – stan obecny i perspektywy, Przegląd Elektro-techniczny, nr 07/08, 2005, s. 1-12.

[4] Bielecki S., Jakość energii elektrycznej na rynku energii, Przegląd Elektrotechniczny, nr 07/08, 2007,s. 68-72.

[5] Pasko M., Lange A., Kompensacja mocy biernej i filtracja wyższych harmonicznych za pomocą filtrów biernych LC, Przegląd Elektrotechniczny, nr 4, 2010, s. 126-129.


32

ROZWIĄZANIA FIRMY ANSYS DLA ANALIZY PÓL SPRZĘŻONYCH

SOLUTIONS OF ANSYS SOFTWARE COMPANY FOR THE ANALYSIS OF COUPLED FIELD

Mateusz Będkowski firma SymKom

Postęp technologiczny wymaga od inżynierów projektowania niezawodnych produktów, które spełniają coraz wyższe oczekiwania odbiorców. W związku z tym konieczne jest stosowanie coraz bardziej zaawansowanych narzędzi projektowych. W przedstawionym artykule zaprezentowano rozwiązanie firmy ANSYS wspomagające analizę sprzężonych zjawisk cieplno-elektromagnetycznych. Platforma ANSYS Workbench pozwala na znaczne przyspieszenie prac inżynierskich poprzez wykorzystanie dostępnego oprogramowania numerycznego w ramach jednego środowiska obliczeniowego. Wymagania stawiane nowym generacjom produktów wymuszają na producentach tworzenie coraz bardziej kompaktowych rozwiązań przy zachowaniu niezawodności urządzeń oraz wymaganych parametrów projektowych. W dotychczasowej praktyce cykl rozwojowy produktów opiera się na opracowaniu prototypu, który następnie poddawany jest zaawansowanym badaniom eksperymentalnym w warunkach laboratoryjnych. Badania laboratoryjne stanowią nieodłączny element cyklu rozwojowego nowej generacji urządzeń i umożliwiają uniknięcie kosztownych ewentualnych błędów konstrukcyjnych przed przekazaniem produktu do klienta. Jednakże, modyfikacje prototypu na etapie badań laboratoryjnych powodują wydłużenie czasu przejścia z fazy projektowej do seryjnej produkcji, a w konsekwencji zwiększenie kosztów finalnego produktu. Obecnie, oprócz tradycyjnych metod projektowania, możliwe jest opracowanie modelu numerycznego całego urządzenia, który będzie pełnił rolę wirtualnego prototypu. Wykorzystanie pakietu ANSYS Workbench umożliwia analizę rzeczywistych warunków pracy urządzenia, a tym samym pozwala na uzyskanie bardziej wiarygodnych wyników symulacji. Oczywiście model symulacyjny nie jest w stanie w pełni zastąpić niezbędnych testów eksperymentalnych, ale bezpośrednio prowadzi do skrócenia całkowitego czasu prac projektowo-testowych, a tym samym osiągnięcia pożądanego efektu ekonomicznego. Ponadto, dzięki zastosowaniu modelowania numerycznego, możliwe jest zdobycie szerokiej wiedzy na temat rozkładu pola temperatury w urządzeniu, a nie tylko w wybranych punktach, jak to ma miejsce w przypadku typowych badań eksperymentalnych. W procesie generacji modelu numerycznego należy wyodrębnić kilka etapów. Pierwszym krokiem w generacji wirtualnego prototypu jest przygotowania modelu geometrycznego. W tym celu można wykorzystać geometrię opracowaną za pomocą zewnętrznego programu CAD lub opracować model bezpośrednio w oprogramowaniu ANSYS. Pakietem służącym zarówno do przygotowania nowej geometrii oraz uproszenia geometrii zaimportowanej z zewnętrznego oprogramowania CAD jest ANSYS DesignModeler. Kolejnym krokiem opracowania wirtualnego prototypu jest generacja siatki numerycznej. Dyskretyzacja modelu numerycznego jest procesem czasochłonnym, jednak zastosowana w oprogramowaniu ANSYS Meshing metoda CutCell pozwala na przyspieszenie tego procesu. Dzięki tej metodzie możliwe jest automatyczne wygenerowanie nieciągłej siatki numerycznej o wysokiej jakości, zawierającej w poszczególnych regionach wyłącznie elementy sześciościenne. Siatka


33

sześciościenna jest szczególnie istotna w przypadku analiz przepływowych, ponieważ pozwala na znaczną redukcję liczby elementów numerycznych oraz przyspieszenie procesu zbieżności rozwiązania. Po dyskretyzacji modelu numerycznego należy przystąpić do wprowadzenia ustawień solverów numerycznych. W zależności od charakteru prowadzonej analizy możliwa jest realizacja sprzężenia pomiędzy następującymi solverami (Rys. 1) elektromagnetycznymi (ANSYS Maxwell oraz HFSS), przepływowymi (ANSYS Fluent, CFX lub IcePak) oraz mechanicznymi (ANSYS Mechanical). Proces sprzęgnięcia poszczególnych solverów realizowany jest poprzez połączenie komórek w środowisku ANSYS Workbench (Rys. 2). Wewnętrzne algorytmy interpolujące umożliwiają automatyczną komunikację pomiędzy poszczególnymi solverami numerycznymi, dlatego ingerencja użytkownika sprowadza się jedynie do zadania kryterium zbieżności dla analizy sprzężonej.

Rys. 1. Dostępne analizy zagadnień sprzężonych w środowisku ANSYS Workbench

W ramach środowiska ANSYS Workbench istnieje również możliwość realizacji bardziej złożonych analizy numeryczny uwzględniających kilka solverów jednocześnie. Przekładami złożonych analiz są m. in. emisja hałasu przez silniki elektryczne oraz analizy wytrzymałościowe uwzględniające odziaływanie pola elektromagnetycznego oraz termicznego (Rys. 2). W ramach tych analiz możliwe jest uwzględnienie w pojedynczym projekcie Workbench zarówno solverów przepływowych, mechanicznych oraz elektromagnetycznych, które wzajemnie wymieniają informacje.

Rys. 2. Schemat realizacji sprzężonej analizy elektromagnetyczno-przepływowo-mechanicznej

Realizacja analiz sprzężonych pozwala na odwzorowanie rzeczywistych warunków pracy urządzenia, w efekcie wiarygodny model numeryczny może być wykorzystany do modyfikacji produktu przed przystąpieniem do badan laboratoryjnych. Dodatkowo parametryzacja modelu geometrycznego połączona z możliwościami programu ANSYS DesignXplorer, pozwala na optymalizację produktu zgodnie z zdefiniowaną funkcją celu. Tym samym oprogramowanie ANSYS pozwala na znaczne przyspieszenie procesu wdrożenia nowych produktów na rynek przy zachowaniu celów projektowych.


34

WPŁYW DOJRZAŁOŚCI TQM NA REZULTATY DZIAŁALNOŚCI AKREDYTOWANYCH LABORATORIÓW

BADAWCZYCH I WZORCUJĄCYCH FUNKCJONUJĄCYCH W POLSCE

Agnieszka Bieńkowska

Instytut Organizacji i Zarządzania, Politechnika Wrocławska

Wprowadzenie Podejmując w organizacji decyzję o implementacji każdej nowoczesnej metody zarządzania, menedżerowie – zwłaszcza wysokiego szczebla – analizują efektywność tego przedsięwzięcia i w rezultacie podejmują decyzję w oparciu o przewidywane koszty oraz możliwe do uzyskania, szeroko rozumiane, korzyści. Odnosząc tę kwestię do TQM, w ujęciu teoretycznym po lekturze literatury przedmiotu, w zasadzie nie ma wątpliwości, że wdrożenie zasad kompleksowego zarządzania przez jakość może przynieść organizacji wymierne pozytywne rezultaty. Parafrazując E. Skrzypek efekty implementacji TQM rozciągają się od jakości do efektywności dotyczącej organizacji jako całości [8]. W ujęciu empirycznym, w praktyce gospodarczej istotne są jednak kwestie szczegółów. Powstaje zatem pytanie jakie konkretnie rezultaty możliwe są do osiągnięcia dzięki implementacji TQM i jaki jest związek tych efektów z zakresem wdrożenia omawianej metody. W powyższym kontekście celem opracowania jest analiza, czy stopień dojrzałości TQM wpływa na rezultaty uzyskiwane przez organizację. Chcąc udzielić odpowiedzi na powyższe pytanie przeprowadzono badania na próbie 187 laboratoriów badawczych i wzorcujących funkcjonujących w Polsce. 1. Dojrzałość TQM Fundamentem TQM jest sześć podstawowych jej elementów, nazwanych również w literaturze zasadami kompleksowego zarządzania przez jakość. Należą do nich: 1) orientacja na klienta, 2) orientacja procesowa, 3) ciągłe doskonalenie i uczenie się, 4) delegowanie uprawnień i praca zespołowa, 5) zarządzanie na podstawie faktów, 6) przywództwo i planowanie strategiczne. W literaturze przedmiotu kanon ten uzupełnia się o podejście systemowe oraz relacje z dostawcami [5; za: 4, s. 126]. Spełnienie powyższych zasad w organizacji przesądza o doskonałości TQM, a także o poziomie jego dojrzałości. „Ocena dojrzałości TQM określa stopień pomyślnego wprowadzenia całościowego wymiaru jakości” [6, s. 12-13], a zatem stopień spełnienia poszczególnych jego zasad. Przyjmuje się, że im wyższy stopień spełnienia zasad TQM, tym wyższy poziom dojrzałości tej metody. W niniejszym opracowaniu badane były akredytowane laboratoria badawcze i wzorcujące funkcjonujące w Polsce. W badaniach przyjęto, iż implementacja systemu zarządzania zgodnego z normą PN-EN ISO/IEC 17025 oznacza de facto wdrożenie w mniejszym lub większym stopniu zasad TQM. Zakres spełnienia zasad TQM stanowił podstawę do określenia stopnia dojrzałości tej metody w badanym laboratorium.


35

2. Rezultaty działalności laboratoriów badawczych i wzorcujących a dojrzałość TQM – ujęcie teoretyczne Mówiąc o przejawach efektywności TQM trzeba mieć na względzie przede wszystkim korzyści dla organizacji wynikające z implementacji tej metody wspomagania zarządzania, a także koszty związane zarówno z jej wdrożeniem, jak i funkcjonowaniem. W niniejszym opracowaniu przedmiotem zainteresowania w sposób szczególny będą korzyści związane z wdrożeniem TQM rozważane w kontekście spełnienia wyszczególnionych wcześniej zasad tej metody. Zagadnienie związku spełnienia zasad TQM z wynikami osiąganymi przez organizację poruszał S. Rahman [7] dowodząc, że spełnienie większości zasad TQM ma istotny statystycznie wpływ na rezultaty uzyskiwane przez organizację. Sui Pheng, Wee Hou natomiast rozważając wpływ menedżerów średniego szczebla na efektywność systemów zarządzania jakością według ISO 9000 wyszczególniają korzyści przestrzegania zasad TQM w badanych organizacjach jako przejaw efektywności ISO 9000 [9]. W tym kontekście postawiono następującą hipotezę: H1: Istnieje związek między dojrzałością TQM, a rezultatami działalności laboratoriów badawczych i wzorcujących funkcjonujących w Polsce. 3. Metodyka badawcza Wyniki badań przedstawionych w niniejszym artykule stanowią drugą część rezultatów przedstawionych w pracy [1]. Ich celem w ujęciu ogólnym była identyfikacja stopnia wdrożenia zasad TQM w laboratoriach badawczych i wzorcujących posiadających akredytowane systemówy zarządzania. W niniejszej pracy bada się, czy stopień dojrzałości TQM wpływa na rezultaty uzyskiwane przez organizację. Badania stanowią kontynuację, a także rozszerzenie analiz przeprowadzonych przez A. Bieńkowską oraz P. Bieńkowskiego w 2009 r. [3], a także A. Bieńkowską w 2012 r. [2]. Badania przeprowadzono w okresie styczeń-marzec 2013 r. Narzędziem badawczym był kwestionariusz ankietowy. Jego szczegółowy opis przedstawiono w pracy [1, s. 200]. Kwestionariusz został skierowany do pracowników laboratoriów funkcjonujących w Polsce i posiadających akredytowany system zarządzania. Respondentów poproszono o ustosunkowanie się na pięciostopniowej skali Likerta (1-5, od „Nie” do „Tak”) do zawartych w kwestionariuszu stwierdzeń odniesionych bo badanego laboratorium. W wyniku podjętych działań uzyskano zwrot 187 ankiet, z czego do dalszej analizy przyjęto 184 uzupełnione w prawidłowy sposób kwestionariusze. Charakterystykę próby badawczej przedstawiono w tab.1. Tab. 1. Liczność laboratoriów w poszczególnych grupach. Źródło: [1, s. 200]

Grupy respondentów według charakterystyk: Liczba lab.

[%]

Forma organizacyjna laboratorium (n=177)

jest samodzielną jednostką 62 33,7 funkcjonuje w ramach szkoły wyższej 5 2,7 funkcjonuje w ramach jednostki b+r 54 29,3 inne rozwiązanie 56 30,4

Typ laboratorium (n=184)

badawcze 165 89,7 wzorcujące 19 10,3

Staż akredytacji laboratorium (n=181)

do 5 lat 53 28,8 6-10 lat 81 44,0 pow. 10 lat 47 25,5

Wielkość zatrudnienia w laboratorium (n=178)

do 5 osób 60 32,6 6-10 osób 44 23,9 11-20 osób 29 15,8 pow. 20 osób 45 24,5


36

4. Związek dojrzałości TQM z rezultatami działalności laboratoriów badawczych i wzorcujących funkcjonujących w Polsce – ujęcie empiryczne Do pomiaru stopnia dojrzałości TQM (zmienna: dojrzałość_TQM, wartość min.=1, wartość max.=5) przyjęto średnią arytmetyczną wszystkich wymiarów odnoszących się do zasad TQM. Do zweryfikowania struktury wymiarów efektywności wykorzystano analizę pozycji w oparciu o parametr α Cronbacha. Współczynnik α Cronbacha dla zmiennej dojrzałość TQM wynosi 0,842, co świadczy o wysokiej spójności wewnętrznej skali i rzetelności pomiaru. Wymiary składające się na stopień spełnienia poszczególnych zasad TQM wraz ze średnimi dla kryteriów cząstkowych przedstawiono w pracy [1, s. 200]. Z kolei do pomiaru zmiennej korzyści_dla_organizacji (wartość min.=1, wartość max.=5), przyjęto średnią arytmetyczną wymiarów przedstawionych w tab.2. Wysoka wartość współczynnika α Cronbacha świadczy o wysokiej spójności przyjętej skali. Warto zwrócić uwagę, ze współczynnikiem o najniższej średniej jest obniżanie kosztów działalności, natomiast wymiarem o najwyższej wartości średniej jest deklarowana wysoka jakość usług w badanych laboratoriach.

Tab. 2. Skala zmiennej korzyści_dla_organizacji wraz ze średnimi dla kryteriów cząstkowych Źródło: Opracowanie własne

KORZYŚCI_DLA_ORGANIZACJI ( Cronbacha = 0,775, n=184) średnia Jakość usług w naszym laboratorium jest wysoka. 4,7337 Jakość usług naszego laboratorium stale wzrasta. 4,5924 Jakość usług w naszym laboratorium jest powtarzalna. 4,7049 Posiadamy stałą grupę lojalnych klientów. 4,6630 Co roku udaje się nam pozyskać nowych klientów. 4,1739 Wszystkie procesy w naszym laboratorium przebiegają bez większych zakłóceń.

4,3279

Zaistniałe zakłócenia w przebiegu procesów są natychmiast identyfikowane.

4,5580

Zidentyfikowane zakłócenia w przebiegu procesów są niezwłocznie eliminowane.

4,5470

Co roku zwiększamy przychody z naszej działalności. 3,3667 Bardzo dobrze radzimy sobie z wykrywaniem wszelkich nieprawidłowości. 4,1967 Stale obniżamy koszty naszej działalności. 3,3242 Poziom naszej konkurencyjności stale rośnie. 3,7473 Zarządzanie organizacją jest sprawne. 4,3169 Czas realizacji zamówień nie wzrasta. 4,3750

Tab. 3. Związek między zmienną dojrzałość_TQM a korzyści_dla_organizacji. Źródło: Opracowanie własne

W celu zbadania związku między zmiennymi dojrzałość_TQM a korzyści_dla_organizacji zbadano korelację r-Pearsona (tab. 3.). Wysoka, dodatnia wartość współczynnika r-Pearsona świadczy o silnej korelacji między dojrzałością TQM, a rezultatami możliwymi do uzyskania przez organizację. Przy

dojrzałość_TQM korzyści_dla_org dojrzałość_TQM Korelacja

Pearsona 1 0,481**

Istotność (dwustronna)

0,000

N 184 184 korzyści_dla _organizacji

Korelacja Pearsona

0,481** 1

Istotność (dwustronna)

0,000

N 184 184


37

czym wysokim wartościom zmiennej dojrzałość_TQM, towarzyszą wysokie wartości zmiennej korzyści_dla_organizacji. A zatem hipoteza H1 została potwierdzona. Wykres rozrzutu badanych zmiennych przedstawiono na rys.1.

Rys. 1. Wykres rozrzutu dla zmiennych dojrzałość_TQM i korzyści_dla_organizacji. Źródło: opracowanie własne Podsumowanie Przeprowadzone za pomocą współczynników korelacji analizy pozwalają wyraźnie stwierdzić silny związek między rezultatami działalności laboratoriów badawczych i wzorcujących funkcjonujących w Polsce a dojrzałością TQM w tych organizacjach. Co prawda współczynnik korelacji nie mówi o związku przyczynowo skutkowym, jednak pokazuje, że wyższym stopniom dojrzałości TQM (co oznacza, że większy jest zakres implementacji poszczególnych zasad TQM) towarzyszy wzrost parametrów działalności organizacji. Lektura literatury przedmiotu właściwie pozwala zaś, w tym kontekście, określić kierunek wpływu: im bardziej zaawansowane wdrożenie zasad TQM, tym lepsze rezultaty osiąga organizacja. Bo przecież nie odwrotnie… Literatura [1] Bieńkowska A., Principles of Total Quality Management - results of empirical research for testing and

calibration laboratories functioning in Poland, Przegląd Elektrotechniczny, 2013 R. 89, nr 12, s. 199-202. [2] Bieńkowska A., Wdrażanie systemu zarządzania według normy ISO/IEC 17025 w laboratoriach

badawczych i wzorcujących - wyniki badań empirycznych, Przegląd Elektrotechniczny, 2012, R. 88, nr 12b, s. 251-254.

[3] Bieńkowska A., Bieńkowski P., System zarządzania zgodny z normą ISO/IEC 17025, Problemy Jakości, 2010, 6, s. 27-32.

[4] Erginel N., Are TQM principles implemented by large companies and SMEs similar in Turkey, Anadolu Journal of Science and Technology-A, Applied Sciences and Engineering, Vol. 11, No 2, 2010, s. 125-140.

[5] Evans J.R., Dean J.W. Jr, Total Quality Management, Organization and Strategy, Thomson, 2003. [6] Poradnik dla organizacji kandydujących do uzyskania poświadczenia jakości zastosowania CAF

jednostkach samorządu terytorialnego, 2014, https://administracja.mac.gov.pl, 9.07.2014. [7] Rahman S., Total Quality Management practices and business outcome: evidence from small and medium

enterprises in Western Australia, Total Quality Management, Vol. 12, No. 2., 2001, s. 201-210. [8] Skrzypek E., Jakość i efektywność, Wydawnictwo Uniwersytetu Marii Curie-Skłodowskiej, Lublin, 2000. [9] Sui Pheng L., Wee Kou C., Middle Management’s Influence on the Effectiveness of ISO 9000 Quality

Management Systems in Architectural Firms, Architectural Engineering and Design Management, 2008, vol. 4., s. 189-205.


38

EKSPOZYCJA NA PEM RADIOTELEFONÓW DORĘCZNYCH

– WYBRANE ASPEKTY

Paweł Bieńkowski, Paweł Cała

Pracownia Ochrony Środowiska Elektromagnetycznego ITTA, Politechnika Wrocławska

Wprowadzenie Radiotelefon doręczny jest specyficznym źródłem pola elektromagnetycznego w kontekście oddziaływania PEM na użytkownika. We wcześniejszych publikacjach [1,2] zwracano uwagę na konieczność szerszego spojrzenia na PEM radiotelefonów doręcznych niż tylko jako źródło PEM wielkiej częstotliwości emitowane przez antenę. Zwracano uwagę na konieczność uwzględnienia w ocenie ekspozycji prądów ręki operatora pełniącej funkcję przeciwwagi anteny, wykazano występowanie pola magnetycznego niskiej częstotliwości w otoczeniu obudowy radiotelefonu, a w najnowszych pracach zwrócono uwagę na emisje z PEM od układów elektronicznych radiotelefonu i możliwą synergię tych zjawisk w złożonym oddziaływaniu radiotelefonu na jego operatora [3]. W niniejszej pracy autorzy skupią się na skutkach bezpośredniego sprzężenia anteny radiotelefonu z użytkownikiem, a dokładniej jego okularami. Na zjawiska takie zwracał między innymi uwagę H. Trzaska. Przedstawione zostaną analizy zmian rozkładu natężenia PEM w otoczeniu głowy użytkownika oraz efektywności promieniowania anteny. Radiotelefony doręczne i ich anteny W dobie telefonii komórkowej mogłoby się wydawać, ze radiotelefony tracą na znaczeniu. Częściowo jest to prawdą w zastosowaniach amatorskich (tzw. Walkie-Talkie), ale w służbach profesjonalnych radiotelefony utrzymają swoją dominującą pozycję, a systemy łączności na nich oparte są wciąż rozwijane (np. Tetra). Typowy radiotelefon doręczny to zbliżona do prostopadłościanu obudowa z umieszczoną na jej górnej powierzchni anteną będącą zwykle unipolem o długości elektrycznej 1/4 do 5/8 ( – długość fali, [m]=f[MHz]/300). Ze względów ergonomicznych anteny radiotelefonów nie są zwykle dłuższe niż 15-25cm. Częstotliwości pracy radiotelefonów amatorskich i profesjonalnych mieszczą się w zakresie ok. 27-450MHz, więc typowa długość fizyczna anteny jest krótsza od 1/4 długości fali, a zatem anteny takie muszą być wydłużane elektrycznie. Dokonuje się tego dołączając do anteny cewkę bądź całą anteną zwijając w heliksę (tzw. anteny helikalne). Rozkład PEM w bezpośrednim otoczeniu takiej anteny jest inny niż w otoczeniu „naturalnego” unipola 1/4. Generalnie należy się spodziewać znacznie większego natężenia PEM bezpośrednio przy antenie z cewką przy jednoczesnym znacznie szybszym spadku tego natężenia z odległością w odniesieniu do anteny „naturalnej”.


39

Tabela 1. Parametry typowych radiotelefonów

System Pasmo pracy

[MHz] Moc

nadajnika Długość anteny

Typ anteny/Uwagi

CB 27 0,5-4W 30 -110cm Krótkie – helikalne lub z cewką wydłużającą, 110cm – antena teleskopowa wysuwana

Służby dyspozytorskie

40-50 1-10W 30- 100cm

Krótkie – helikalne lub z cewką wydłużającą, długie – spotykane coraz rzadziej anteny taśmowe w pasku na plecach

Służby dyspozytorskie/ ratownicze

VHF 150-175

UHF 380-450

0,5-15W

0,5-15W 10-30cm Helikalne lub z cewką przedłużającą

PMR (Private Mobile Radio)

446 0,5W 3-10cm Helikalne, nie wymagają licencji na użytkowanie

W tabeli 1 zestawiono parametry typowych radiotelefonów. Do analizy wybrano urządzenia pracujące w paśmie 70cm (ok. 400 do 450MHz), z mocą 0,5W i anteną helikalną (typowy PMR) Pole elektromagnetyczne w otoczeniu radiotelefonu W poprzednich pracach autorów [4] wykazano wzrost wartości współczynnika SAR w przypadku używania telefonu komórkowego przez użytkownika w okularach. Ze względu na prace radiotelefonów w pasmach niższych częstotliwości, a także inny sposób trzymania radiotelefonu w trakcie rozmowy można się spodziewać trochę innych efektów – w tym zjawisk rezonansowych. Dla weryfikacji tej tezy przeprowadzono szereg analiz rozkładu PEM. Analizowano zmiany rozkładu PEM w otoczeniu głowy użytkownika w zależności od sposobu trzymania radiotelefonu oraz kształtu i budowy oprawek okularów.

Rys. 1. Rozkład pola elektrycznego wokół ramek i głowy użytkownika

Przeprowadzono analizę rozkładu pola EM w okolicach głowy dla trzech typów ramek, a na rysunku 1 i 2 przedstawiono wyniki analiz dla jednej z ramek. Charakterystycznym zjawiskiem jest działanie oprawek jako ekranu ograniczającego natężenie pola na twarzy operatora (efekt uzyskano dla każdej ramki), ale jednocześnie niezależnie od ustawieniu radiotelefonu wyraźnie wzrasta natężenie pola w okolicy uszu, co w efekcie daje większą wartością współczynnika SAR dla użytkownika w okularach niż bez. Uzyskane wyniki potwierdzają role metalowych oprawek jako wtórnego źródła promieniowania. Najbardziej optymalnym z punktu widzenia rozkładu natężenia pola w otoczeniu głowy operatora w okularach ustawieniem radiotelefonu jest ustawienie środkowe z rys. 1 (radiotelefon trzymany prostopadle do oprawek), wtedy na twarzy natężenie PEM jest najmniejsze (mniejsze niż w przypadku braku okularów), niestety natężenie pole w tylnej części głowy jest nawet dwukrotnie większe niż bez okularów.


40

Rys. 2. Rozkład pola elektrycznego wokół ramek w przekroju poprzecznym na wysokości zauszników

Efektywność promieniowania anten radiotelefonów Na zasięg łączności radiotelefonicznej wpływa szereg zjawisk związanych z propagacją fal elektromagnetycznych oraz parametrami anten radiotelefonów. Najważniejsze parametry anteny to charakterystyka promieniowania i związany z tym zysk energetyczny (parametry polowe) oraz współczynnik fali stojącej (WFS – parametr obwodowy) odpowiadający za sprawność układu nadajnik-antena. Powyższe parametry mogą się zmieniać w przypadku, kiedy w otoczeniu anteny znajdą się obiekty o własnościach elektrycznych innych niż powietrze, a zwłaszcza obiekty przewodzące o wymiarach zbliżonych do długości fali emitowanej przez antenę. Skutkiem zmiany charakterystyki promieniowania anteny jest zmiana jej zysku kierunkowego, a tym samym możliwa zmiana poziomu sygnału w punkcie odbioru. Oczywiście możliwy jest przypadek, że charakterystyka promieniowania zmieni się korzystnie i poziom sygnału wzrośnie. W przypadku WFS zwykle niestety mamy do czynienia ze wzrostem wartości WFS, a tym samym zmniejszeniem mocy wypromieniowanej z anteny. Wstępne obliczenia wskazują, że straty mocy związane z pogorszeniem WFS wynikającym ze sprzężeniem anteny z oprawkami okularów mogą dochodzić nawet do 40%. Podsumowanie Analizy wpływu oprawek okularów użytkownika radiotelefonu wskazują na znaczny wpływ tychże na rozkład natężenia PEM w otoczeniu głowy operatora. Zjawisko to nie jest jednoznacznie niekorzystne ze względu na możliwe działanie okularów jako ekranu zmniejszającego natężenie PEM przy twarzy, ale rozstrojenie anteny może powodować zmniejszenie sprawności prowadzonych łączności. Dalsze i bardziej szczegółowe analizy pozwolą być może na zaproponowanie optymalnego ułożenia radiotelefonu dla minimalizacji narażenia użytkownika w trakcie nadawania. Literatura [1] Bieńkowski Paweł: Pole elektromagnetyczne radiotelefonów doręcznych / Paweł Bieńkowski.

Przegląd Elektrotechniczny. 2004, R. 80, nr 12, s. 1231-1233 [2] Bieńkowski Paweł, Trzaska Hubert: Forgotten currents? 6th International Workshop on

Biological Effects of Electromagnetic Fields, Bodrum, Turkey, October 2010 s. 1-5, [3] Bieńkowski Paweł, Trzaska Hubert: Zintegrowany system ekspozycyjny do badań

biomedycznych / Paweł Bieńkowski, Hubert Trzaska. Przegląd Elektrotechniczny. 2011, R. 87, nr 12b, s. 16-18

[4] Bieńkowski Paweł, Cała Paweł: Influence of metallic spectacle frame on SAR in the head of a mobile phone user, Przegląd Elektrotechniczny, 2013, R89, nr 12, s.353-355.

Praca zrealizowana w ramach prac badawczych finansowanych przez MNiSW (prace statutowe) zlecenie PWr S30011 i prac w ramach COST BM1309.


41

TECHNICZNA ESPLORACJA PASM MIKROFALOWYCH POWYŻEJ 40 GHz

Paweł Bieńkowski, Paweł Cała, Bartłomiej Zubrzak Pracownia Ochrony Środowiska Elektromagnetycznego KTiT, Politechnika Wrocławska

Wprowadzenie Rozwój techniki mikrofalowej pozwala na wykorzystywanie coraz szerszego spektrum częstotliwości i całkiem realne wydaje się wykorzystanie całego „przypisanego” elektromagnetycznemu promieniowaniu niejonizującemu pasma do 300 GHz. Ostatnie lata to przekroczenie w zastosowaniach cywilnych granicy częstotliwości 60 GHz. Zakres fal milimetrowych nie był zbyt chętnie wykorzystywany w radiokomunikacji ze względu na niezbyt sprzyjające warunki propagacyjne. W tym zakresie częstotliwości występuje bardzo duże tłumienie w atmosferze gwałtownie rosnące w przypadku mgły lub opadów atmosferycznych. Można tu zauważyć podobieństwo do łączy optycznych FSO (ang. Free Space Optics), które cechuje konieczność bezpośredniej widoczności (LOS) oraz wrażliwość na warunki pogodowe. Ponadto wielodrogowość i przesunięcie dopplerowskie wynikające z odbić oraz efekt zacieniania przez ludzkie ciało to kolejne ograniczenia w zastosowaniu. Zaleta tego pasma to przede wszystkim duże przepływności i małe anteny oraz wąskie wiązki promieniowania (co odgrywa istotną rolę w sieciach WPAN). Nie mniej istotne są również ograniczenia technologiczne. Układów elektronicznych pracujących w tym paśmie nie można już traktować jako układów o stałych skupionych i każdy element powinien być projektowany z zachowaniem restrykcyjnych zasad dopasowania, przy czym w pasmach powyżej 60 GHz nie używa się już typowych złącz koncentrycznych (np. N czy SMA, czy też ich mutacje dla wyższych częstotliwości – złącza, K, V czy 2,4 mm) a jedynie falowody. O niezbędnej precyzji niech świadczy fakt, że przekrój poprzeczny falowodu WR-10 na pasmo 75-112 GHz wynosi 2,54 x 1,27 mm. Niezależnie od powyższych trudności pasma te są wykorzystywane w praktyce między innymi w radiokomunikacji (linie radiowe punkt-punkt), transmisji danych ale także w broni elektromagnetycznej. Rozwój i coraz szersze wykorzystanie źródeł pola elektromagnetycznego z pasm milimetrowych powoduje również konieczność rozwoju metrologii PEM i układów wzorcowego pola elektromagnetycznego w tym zakresie. Wykorzystanie widma w zakresie fal milimetrowych Pasmo z zakresu fal milimetrowych znalazło zastosowanie w systemach łączności z wykorzystaniem

linii radiowych, zarówno w transmisji punkt-punkt jak i punkt-wielopunkt. Wykorzystywano je dotychczas na częstotliwościach 32, 38 i 42 GHz. Gwałtowna ekspansja usług telekomunikacyjnych oraz zapotrzebowanie na coraz lepszą jakość i większe przepływności spowodowała, że tradycyjne systemy przestały być dostatecznie wydajne i zaczęto eksplorację wyższych pasm częstotliwości – Pasma E. Mieści się ono w tzw. „atmosferycznym oknie mikrofalowym”

Rys. 1 Zależność tłumienia od częstotliwości z zaznaczonymi oknami atmosferycznymi


42

(Rys 1.) od ok. 70 do 100 GHz zajmując dwa podpasma 71-76 GHz i 81-86 GHz. Przy rozsądnym zasięgu (od kilkuset metrów do ok. 1,5 km) zapewniają przepływność rzędu gigabitów/s. Nie bez znaczenie jest również fakt, ze w wielu państwach pasmo to jest nielicencjonowane, a korzystanie z niego – bezpłatne. Pasmo 60 GHz znalazło także wykorzystanie w sieciach WPAN – do tej pory powstało kilka standardów, z których najważniejsze to WirelessHD, IEEE 802.15.3c i ECMA 387. Pozwalają one na strumieniowanie danych wideo w wysokiej rozdzielczości bezpośrednio między urządzeniem odtwarzającym a ekranem (bezprzewodowe monitory i rzutniki), stosowane są w tzw. kioskach danych (zakup gier, filmów czy danych z szybkim bezpośrednim transferem bezprzewodowym) czy prysznicach danych (ang. data showers), które umożliwiają bardzo szybki przesył danych do terminala, który porusza się w jakimś obiekcie lub korytarzu – np. elektroniczny przewodnik po muzeum lub po mieście, który w wybranych punktach błyskawicznie przesyła informacje turystyczne. Bezprzewodowe sieci lokalne nowej generacji także wykorzystują pasmo 60 GHz – urządzenia wspierające standardy IEEE 802.11ad oraz WiGig (wcześniej znane jako NGmS) od dawna są już dostępne na rynku (WiGig zostało niedawno skonsolidowane z WiFi). Tabela 1 przedstawia porównanie wymienionych standardów, które oferują między innymi takie usługi, jak: bezprzewodowy monitor, transmiter HDTV, szybki transfer rzędu 7 Gbps, bezprzewodowe dokowanie. Tabela 1. Porównanie możliwości systemów WLAN i WPAN pracujących w paśmie 60 GHz

Standard Przepływność Zastosowanie WirelessHD 4 Gbps Nieskompresowany obraz wideo w HD ECMA-387 6,35 Gbps Transfer danych i strumieniowanie wideo w HD

802.15.3c 5,7 Gbps Transfer punkt-punkt, transfer plików i strumieniowanie wideo dla urządzeń przenośnych

802.11ad >1 Gbps Szybki odczyt/zapis, bezprzewodowe monitory, transmisja sygnału HDTV

WiGig 7 Gbps Szybki transfer plików, bezprzewodowe monitory, bezprzewodowe dokowanie, strumieniowanie wideo w HD

Częstotliwości powyżej 60 GHz wykorzystywane są także w komunikacji wewnątrz pojazdowej – tzw. systemy in-cabin (system komunikacji wewnątrz samolotu pasażerskiego lub w autobusach dalekobieżnych), w literaturze wykazano także możliwość prowadzenia w tych pasmach łączności satelitarnej. Zastosowania militarne różnych technologii zazwyczaj znacznie wyprzedzają pojawienie się ich w wydaniu cywilnym i nie inaczej jest z falami milimetrowymi. Jedno z bardziej znanych zastosowań, to techniki radarowe oraz systemy obrony przeciwrakietowej CIWS (ang. Close-in weapon system) oraz techniki HPM (ang. High Power Microwaves) wykorzystujące promieniowanie mikrofalowe wielkiej mocy. Szczególnie ciekawa (chociaż cały czas budząca kontrowersje) jest technologia ADS (ang. Active Denial System). Urządzenie ADS to nieśmiercionośna broń mikrofalowa emitująca ukierunkowane fale o częstotliwości ok. 95 GHz. Ze względu na bardzo małą głębokość wnikania w tkankę ludzką fal milimetrowych, cała energia pochłaniana jest przez skórę i nawet chwilowe oddziaływanie wiązki o dużej gęstości mocy uczucie bólu podobnego pieczenia lub poparzenia. Zadaniem tej broni jest zmuszenie przeciwnika do ucieczki bez spowodowania żadnego uszczerbku na zdrowiu – co jednak poddane jest w wątpliwość, zwłaszcza jeżeli chodzi o ochronę oczu. Inny przykład zastosowania wysokich mikrofal, to obrazowanie falami milimetrowymi, które może mieć różnorodne zastosowanie, począwszy od wykrywania pęknięć w ścianach i stropach lub skanowania bagaży przez skanery osobiste na lotniskach, kamery na fale milimetrowe, aż po systemy wykrywania organizmów żywych przez ściany budynków. W literaturze znaleźć można również


43

doniesienia o terapeutycznym wykorzystaniu fal milimetrowych i ich skutecznym stosowaniu w leczeniu różnych schorzeń. Metrologia pola elektromagnetycznego powyżej 60 GHz Ze względu na stosunkowo jeszcze krótki okres wykorzystywania częstotliwości powyżej 60GHz, mierniki pola elektromagnetycznego pracujące w tym zakresie są praktycznie niedostępne. Podobnie jest ze stanowiskami pola wzorcowego niezbędnymi do wzorcowania mierników. W Laboratorium Wzorców i Metrologii Pola Elektromagnetycznego Politechniki Wrocławskiej (LWiMP) już od kilku lat prowadzone są pracę badawcze nad polami elektromagnetycznymi z pasm fal milimetrowych, czego efektem jest opracowanie i walidacja dwóch układów pola wzorcowego pozwalającego na

płynne pokrycie częstotliwości 60-90 GHz przy maksymalnych natężeniach pola od 13 do 25 V/m (Rys. 2). Na rys. 3 przedstawiono schemat blokowy stanowiska. Jako źródła mocy mikrofalowej stosowane są generatory i przestrajane oscylatory, pozostałe elementy to typowe układy falowodowe pracujące w zakresach 50-75 GHz oraz 75-112 GHz. Optymalizacja para-metrów stanowiska pozwoliła na uzyskanie całkowitej niepewności rozszerzonej (k=2) do 2,7 dB. Uzyskane poziomy niepewności są akceptowalne w tym zakresie częstotliwości i stanowiska mogą być wykorzystywane do wzorcowania czujników PEM w Paśmie E.

Źródło mocy mikrofalowej

Regulowany tłumik

Sprzęgacz Antena Czujnik

Detektor

Rys. 3. Schemat stanowiska pomiarowego do wytwarzania wzorcowego pola elektromagnetycznego

o częstotliwości z zakresu 60-90 GHz, skonstruowanego w LWiMP. Podsumowanie Widmo elektromagnetyczne jest coraz bardziej zatłoczone i coraz intensywniej wykorzystywane. Umożliwia to rozwój techniki mikrofalowej, dla którego napędem jest zapotrzebowanie na coraz szersze usługi radiokomunikacyjne, transmisję danych czy też zastosowania przemysłowe i militarne. Należy się spodziewać, że w najbliższych latach możliwe będzie płynne przejście od mikrofal (0,3 < f < 300 GHz) do techniki terahercowej (0,3 < f < 10 THz). Praca zrealizowana w ramach prac badawczych finansowanych przez MNiSW (prace statutowe) zlecenie PWr S30011

Rys. 2. Maksymalna wartość natężenia wzorcowego pola elektromagnetycznego w Paśmie E wytwarzanego w LWiMP


44

EKSPOZYCJA NA PEM W BIOMEDYCYNIE I KOMPATYBILNOŚCI ELEKTROMAGNETYCZNEJ

Paweł Bieńkowski, Hubert Trzaska Pracownia Ochrony Środowiska Elektromagnetycznego KTiT, Politechnika Wrocławska

1. Wstęp Ocenia oddziaływania pola elektromagnetycznego (PEM) na materię nie- i ożywioną oraz wytwory techniki jest procesem złożonym i wymaga szczegółowych analiz stosowanych procedur, zwłaszcza w aspekcie dokładności. Podstawowym zadaniem jest tu określenie i pomiar efektów oddziaływania PEM. W zakresie kompatybilności elektromagnetycznej (EMC) możemy określić oczekiwany stopień odporności urządzeń bądź akceptowalne dysfunkcje w działaniu pod wpływem ekspozycji na PEM, a robią to inżynierowie. Badanie obiektów biologicznych, to domena biologów i lekarzy, a technicy mogą tu jedynie służyć pomocą. Drugi, ale nie mniej istotny (o ile nawet nie istotniejszy) problem to opracowanie scenariuszy ekspozycji na PEM oraz układów ekspozycyjnych zapewniających osiągnięcie oczekiwanej dokładności. To jest już zawsze domena inżynierów i o ile w EMC uzgodnienia prowadzą inżynierowie między sobą, to dla badań biomedycznych niezbędny jest dialog i wzajemne zrozumienie problemów przez przedstawicieli świata medycyny i techniki. To właśnie, zdaniem autorów, jest wciąż istotny problem, chociaż na przestrzeni lat można zauważyć pewne postępy, chociażby dzięki działalności PTZE, które skutecznie promuje synergię techniki i biomedycyny. 2. Kilka uwag o dokładności

Każda procedura pomiarowa jest obarczona błędem, właściwym dla tej procedury. Teoria błędu lub popularniejszej ostatnio niepewności daje eksperymentatorom narzędzia do analizy, oceny i możliwości optymalizacji systemu pomiarowego pod kątem minimalizacji niepewności. Narzędzia te czasami są tak potężne, że nierzadko mamy problemy z ich prawidłowym wykorzystaniem. Niezależnie od wszystkiego wynik pomiaru, badania czy analizy zawsze obarczony jest błędem i aby był poprawnie przedstawiony, musi zawierać informację o szacunkowej wartości tego błędu. Dla przypomnienia – jeżeli np. chcemy podać średni czas dojścia do pracy wynoszący 30 minut, to nie zapominajmy o oszacowaniu błędu bądź niepewności wyznaczenia tego czasu. Prawidłowo zapisany wynik powinien być przedstawiony 30 ± 6 minut lub 30 min ± 20%. W elektronice chętnie wykorzystuje się również miarę logarytmiczną, której „reprezentantem” są decybele [dB]. W przypadku badań związanych z PEM niezwykle istotne są dodatkowe pojęcia związane z niepewnością pomiarów – powtarzalność i odtwarzalność warunków i wyników eksperymentu. Na podstawie naszych spostrzeżeń, to właśnie jest wciąż piętą achillesową badań biomedycznych. W rezultacie wyniki „identycznych” eksperymentów, prowadzonych w różnych ośrodkach, jak i wysnuwane na ich podstawie wnioski, mogą być skrajnie rozbieżne. W zakresie EMC, gdzie bada się miedzy innymi susceptybilność urządzeń, procedury i stanowiska pomiarowe są szczegółowo opisane w wielotomowych normach, ale jednocześnie dokładne przyjrzenie się tym normom prowokuje do wyciągnięcia ryzykownego wniosku, że bezwzględne wartości rozpatrywanych wielkości fizycznych mają mniejsze znaczenie, a liczy się głównie właśnie odtwarzalność i powtarzalność – zapewnia to spełnienie podstawowych oczekiwań – zapewnienia kompatybilności, czyli niezakłócanego współistnienia różnych elementów, urządzeń czy systemów, i często jest to analiza jakościowa:


45

„spełnia – nie spełnia” wymagania normy. Co więcej przy tak sformułowanych kryteriach oceny istnieje możliwość wyznaczenie dopuszczalnego marginesu błędu uwzględniającego niedoskonałość metod pomiarowych, stanowisk a nawet czynnika ludzkiego. Jednak w badaniach podstawowych czy biomedycznych istotne zaczynają być wartości bezwzględne – rzadko kiedy oczekiwanym wynikiem badań jest stwierdzenie „żyje – nie żyje”. Również przy wzorcowaniu narzędzi pomiarowych istotne są „prawdziwe” wartości bezwzględne. Biorąc pod uwagę udział w sympozjum szerokiego spektrum specjalistów pragniemy przedstawić kilka naszych uwag dotyczących czynników ograniczających dokładność prowadzonych badań i, przy okazji, zaprezentować niektóre nasze propozycje.

3. Linia TEM jako układ ekspozycyjny

Linia TEM (nazywana też komorą Crawforda) to bardzo popularny, wręcz „definicyjny” układ ekspozycyjny PEM. Najprostszy schemat zastępczy linii TEM pokazano na Rys. 1. Linia TEM o impedancji falowej Zc i o długości całkowitej lc i odległości między przewodami d jest zasilana ze źródła eg o impedancji Zg i jest obciążona obciążeniem bezodbiciowym o impedancji Zl. Napięcia na wejściu i wyjściu linii wynoszą odpowiednio V1 i V2.

0

5

10

15

20

25

30

35

40

0 200 400 600 800

f [MHz]

E [V/m

]

Rys. 1. Schemat zastępczy linii TEM Rys. 2. Ilustracja wrażliwości linii TEM

na obciążenie obiektem badanym

W warunkach pełnego dopasowania, to znaczy jeżeli Zg = Zc = Zl, napięcie między przewodami linii, w dowolnym jej przekroju, jest jednakowe, także V1 = V2 i (teoretycznie rzecz biorąc) nie zależy od długości linii. Jednocześnie natężenie pola wewnątrz linii też powinno być stałe i wyrażać się zależności E=V/d. Tymczasem w trakcie eksperymentu linię obciąża się badanym obiektem (BO), co powoduje powstawanie fal stojących i w rezultacie różną ekspozycję obiektu (-ów) w zależności od jego (ich) położenia w linii. Nawet niewielkie niedopasowanie linii może prowadzić do znacznych różnic napięć V1 i V2,oraz napięć w dowolnym przekroju poprzecznym linii, zwłaszcza przy długościach linii przekraczających około 0.05 λmin (gdzie λmin oznacza najkrótszą długość fali, na jakiej prowadzone są badania). Na rysunku 2 przedstawiono zmierzone natężenie PEM wewnątrz komory TEM obciążonej obiektem badanym w funkcji częstotliwości. Widać, efekty fal stojących w postaci znacznego wzrostu natężenia PEM, mimo utrzymywania stałych napięć V1 i V2 na zaciskach komory (z niepewnością nieprzekraczającą ± 20%). Drugim istotnym efektem jest sprzężenie obiektu z linią, a tym samym możliwość zmiany energii pochłanianej przez obiekt względem wartości wyznaczonej na podstawie zależności analitycznych. Co istotniejsze zmiany te zależeć mogą od położenia badanego obiektu w linii a także od ilości obiektów w linii i w takiej sytuacji każdy obiekt może być poddawany zupełnie innej ekspozycji. Jest to szczególnie istotne w zakresie częstotliwości, gdzie linia wykazuje dużą wrażliwość na obciążenie obiektem – porównanie dwóch pomiarów na rys 2, gdzie wewnątrz komory przesunięto obiekt badany ok. 2cm przy wymiarze linii d=15cm. W tym kontekście oczywistym jest również wniosek, że nawet eksperymentalne wyznaczenie parametrów PEM w obszarze ekspozycji pustego układu nie jest


46

miarodajne Zarówno występowanie niedopasowań (fal odbitych), jak i inne oddziaływania pozwalają na sformułowanie kilku wniosków:

‒ istnieje wprawdzie możliwość idealnego dopasowania linii, jednak żadną miarą nie zmienia to rozkładu napięć wzdłuż linii w rezultacie występowania w niej fal stojących,

‒ stosowanie linii o długości sięgającej lub przekraczającej 0.25 λmin może prowadzić do różnic V1 i V2 przekraczających 100%,

‒ stwierdzenie powyższe dotyczy nie tylko użytkowej długości linii (lc), ale i całkowitej długości toru zasilania od generatora po obciążenie bezodbiciowe, co wynika z istotnej roli nawet niewielkich odbić przy znacznej długości tego toru,

‒ absorbcja energii PEM w BO jest funkcją kwadratu natężenia pola elektrycznego (E) działającego na ten obiekt, zatem błąd wyznaczenia tej mocy jest dwukrotnie większy od błędu wyznaczenia E, czy napięcia w linii w przekroju umieszczenia obiektu,

‒ obiekt umieszczony w linii może absorbować moc w różnym stopniu w różnych jego częściach lub, w przypadku licznej grupy równocześnie badanych obiektów ich ekspozycja może znacznie się różnić i nie uwzględnienie tego zjawiska przy analizach statystycznych może całkowicie zafałszować wyniki badań.

Próbą minimalizacji wpływu ostatniego z wymienionych efektów na wyniki badań jest ograniczenie gabarytów obiektów badanych. Prowadzone oszacowania pokazują, że zmiana parametrów BO może być pomijalna jeżeli gabaryty obiektu nie przekraczają około 1/5 odległości między przewodami linii (w badaniach EMC stosuje się łagodniejsze kryterium – 1/3 do 1/2 d). Zatem: uzyskanie akceptowalnej dokładności pomiaru wymaga nie tylko stosowania elektrycznie krótkich linii, ale i ich znacznych wymiarów w stosunku do badanego obiektu. Prowadzi to do konieczności znacznego ograniczenia rozmiarów lub/i ilości badanych w linii obiektów. Niestety, jest to niezbędny koszt poprawy dokładności badań. Innym aspektem w badaniach oddziaływania PEM jest przybliżenie warunków badań do warunków ekspozycji rzeczywistej. W badaniach EMC taką namiastką warunków rzeczywistych jest wykorzystanie pola modulowanego w amplitudzie sygnałem sinusoidalnym. Podobne zabiegi stosuje np. w badaniach biomedycznych związanych z oddziaływaniem terminali telefonii komórkowej, które prowadzi się (chociaż nie zawsze) przy eksponowaniu BO na falę nośną zmodulowaną sygnałami wybranego systemu komunikacyjnego. Jednakże nawet najprostsze badanie widma promieniowanego przez dowolnie wybrany terminal radiokomunikacji osobistej wykaże obecność trzech charakterystycznych widm, a to:

‒ zmodulowanej fali nośnej, ‒ pola magnetycznego (H) o widmie identycznym do modulacji fali nośnej, ‒ PEM z zakresu częstotliwości od herców po kilkaset kHz, wytwarzanego przez system

kontroli i sterowania terminala. Znana z doniesień literaturowych, rozbieżność wyników badań epidemiologicznych i laboratoryjnych w dziedzinie oddziaływań telefonii komórkowej może być np. rezultatem niekompletnej ekspozycji obiektu na PEM, obecne w otoczeniu takich terminali w trakcie ich rzeczywistej pracy, a stosowanej w badaniach laboratoryjnych. Autorzy proponują tu kilka wersji rozwiązań, które zapewniają ekspozycję obiektu do zbliżoną do rzeczywistej, np. zintegrowany system ekspozycyjny [1]. Inne propozycje zostaną przedstawione poniżej.

4. Ekspozycja w warunkach laboratoryjnych a rzeczywistość

Potrzeba odzwierciedlenia warunków ekspozycji rzeczywistej w badaniach laboratoryjnych dotyczy także badań EMC oraz wzorcowania aparatury pomiarowej. Jaskrawym przykładem rozbieżności między typowymi warunkami wzorcowania a pomiarów rzeczywistych jest pole wytwarzane przez mikrofalowe urządzenia radiolokacyjne. Standardowo mierniki PEM wzorcuje się w polu fali ciągłej niemodulowanej (CW), okazjonalnie w polu modulowanym (w tym przypadku impulsowo), tymczasem rzeczywista ekspozycja, przy uwzględnieniu jedynie głównego listka charakterystyki


47

promieniowania obracającej się (ruchomej) anteny radiolokatora, odpowiada paczkom impulsów o obwiedni odpowiadającej charakterystyce promieniowania tej anteny. Analiza furierowska pokazuje na zupełnie inne widmo PEM w tym przypadku i w przypadku pola ciągłego modulowanego impulsowo. O ile przypadek pierwszy wymaga jedynie ustalenia częstotliwości fali nośnej i parametrów modulacji impulsowej (charakteryzujących urządzenie nadawcze radiolokatora), o tyle w przypadku drugim konieczne jest także ustalenie czasowych i amplitudowych charakterystyk paczek impulsów (zależne od rodzaju stosowanej anteny i szybkości jej obrotów), co dokładniej określa parametry ekspozycji, ale i zawęża badania nie tylko do określonego typu radiolokatora, ale i warunków jego pracy. Wychodząc naprzeciw takim potrzebom autorzy proponują kilka oryginalnych rozwiązań, które pozwalają na dostosowanie ekspozycji do wybranych, rzeczywistych źródeł [2,3]. Ostatnim (chociaż nie wyczerpującym tematu) zagadnieniem jest analiza skutków oddziaływania PEM w zależności od wzajemnego położenia obiektu i wektorów PEM. W badaniach EMC stosuje się obracanie obiektu badań w przestrzeni (stolik obrotowy przy badaniach na poligonie pomiarowym (OATS) lub zmiany położenia względem osi komory TEM i GTEM) lub zastosowanie komory reweberacyjnej, gdzie następuje mieszanie modów PEM i tym samym uzyskuje się statystycznie równomierny rozkład PEM spolaryzowanego w dowolnym kierunku przestrzeni. W przypadku obiektów biologicznych można przyjąć, że absorpbcja energii EM w obiekcie ruchomym zmienia się w zależności od jego położenia w przybliżeniu w granicach odpowiadających najmniejszemu i największemu rozmiarowi obiektu (bez uwzględnienia przypadków specjalnych, np. efektów rezonansowych czy hot-spotów). Uniezależnienie absorpbcji od położenia obiektu wymaga wygenerowania PEM o trzech składowych przestrzennych – polaryzacji wszechkierunkowej (sferycznej). Polaryzacja taka jest fizyczną fikcją, w zamian autorzy proponują polaryzację quasisferyczną, uzyskiwaną przez obracanie w przestrzeni płaszczyzny polaryzacji PEM o polaryzacji kołowej [4]

Literatura: [1] Patent RP 215534 „Sposób ekspozycji na pole elektromagnetyczne i urządzenie do ekspozycji

na pole elektromagnetyczne”, P. Bieńkowski, H. Trzaska, zgłoszenie z 2011.01.10 [2] Patent RP 211359 „Sposób i urządzenie do wytwarzania wzorcowego pola

elektromagnetycznego”. P. Bieńkowski, E. Grudziński, K. Rozwalka, H. Trzaska, zgłoszenie z 2008.04.01

[3] Zgłoszenie patentowe 394300 „Urządzenie do sprawdzania mierników natężenia pola elektromagnetycznego”, P. Bieńkowski, H. Trzaska, zgłoszenie z 2011.03.22

[4] Patent RP 214069 „Urządzenie do wytwarzania pola elektromagnetycznego o polaryzacji quasi sferycznej” P. Bieńkowski, H. Trzaska, zgłoszenie z 2009.04.20, (patenty związane 215178 z 2009.12.07 i 216148 z 2009.11.09)

Praca zrealizowana w ramach prac badawczych PWr (S-30011) oraz współpracy COST BM 1309


48

POMIARY WYBRANYCH PARAMETRÓW ELEKTRYCZNYCH MATERIAŁÓW WŁÓKIENNICZYCH

DO ZASTOSOWAŃ W ODZIEŻY INTELIGENTNEJ

Lech Borowik, Adam Jakubas Politechnika Częstochowska,

Instytut Telekomunikacji i Kompatybilności Elektromagnetycznej, Zakład Metrologii

Wstęp Ubieralna technologia, znana kiedyś tylko profesjonalistom, przez których była wykorzystywana do badań i treningów, powoli staje się ogólnodostępnym dobrem. Podobnie jak w klasycznej elektronice, konstrukcja układów elektronicznych opartych na włóknach tekstylnych wymaga użycia materiałów przewodzących i półprzewodzących takich jak włókna przewodzące [1]. Obecnie w handlu dostępnych jest wiele tkanin zdolnych do przewodzenia prądu elektrycznego, których komponentem są włókna metalowe. Jednakże, zarówno metale i klasyczne półprzewodniki są materiałami sztywnymi, nie zawsze są odpowiednie dla potrzeb odzieży inteligentnej, ponieważ poddawane są znacznemu rozciąganiu i zgniataniu w trakcie użytkowania [2]. Jedną z najważniejszych kwestii dotyczącą e-tekstyliów jest możliwość prania tak jak zwykłych ubrań bez uszkodzenia wkomponowanych elementów elektronicznych. Nowa klasa materiałów elektronicznych, które są bardziej odpowiednie do zastosowań w odzieży inteligentnej to elastyczne włókna elektroprzewodzące oraz przewodzące prąd elektryczny farby i tworzywa sztuczne [3]. Naniesione powłoki przewodzące mogą stanowić element systemu sensorycznego do monitorowania funkcji organizmu ludzkiego [4, 5]

Przedmiot badań Włókna przewodzące prąd elektryczny zazwyczaj składają się z nieprzewodzącej lub słabo przewodzącej bazy oraz elementów znacznie lepiej przewodzących prąd elektryczny. Bazę często stanowią bawełna, poliester lub nylon, które są powleczone materiałami przewodzącymi takimi jak węgiel, metale lub polimery elektroprzewodzące [6]. Badaniom poddano wybrane materiały włókiennicze zawierające elementy przewodzące prąd elektryczny. Tkaniny takie sprawdzono na możliwość zabezpieczenia przed elektrycznością statyczną oraz rozpraszania promieniowania elektromagnetycznego. Ocenie poddano również możliwość zastosowania takich tkanin i elastycznych włókien przewodzących w odzieży inteligentnej, które dotychczas stosowane były w przemyśle lub jako elementy specjalistycznej odzieży ochronnej [7, 8, 9].


49

Tabela 1. Przykładowe wartości rezystancji Rs i skład wybranych tkanin przewodzących Materiał Flametuff 200AS Flamestat Cotton

Skład 87% bawełna/

12% nylon /1% antystatyk

99% bawełna/ 1% antystatyk

Rezystancja powierzchniowa Rs

1,6x106 1,9x104

Odzież inteligentna ma za zadanie zastąpić klasyczną odzież osobistą i zapewnić dodatkową ochronę użytkownika przed niekorzystnymi warunkami otoczenia oraz ewentualnie, umożliwić monitorowanie stanu organizmu. Odzież inteligentom może być stosowana w trakcie konkretnych czynnościach związanych z np. z intensywnym wysiłkiem fizycznym, rehabilitacją, stymulacją mięśni. Ponadto sama odzież nie może stanowić zagrożenia, np. w atmosferze wybuchowej.

Rysunek 1. Powierzchnia materiału tekstylnego

pokryta powłoką z polimeru przewodzącego

Rysunek 2. Powierzchnia materiału

bawełnianego z widocznymi włóknami przewodzącymi

Literatura [1] Smart Sensing - The textile of the future a reality. http://www.cityzensciences.fr/en [2] Mattila H., Intelligent textiiillles and clothing, Woodhead Publishing, 2006 [3] Hamedi M., Herlogsson L., Crispin X., Marcilla R., Berggen M., Inganas O., ”Fiber-Embedded

Electrolyte-Gate Field-Effect Transistorrs for e-Textiles”. Advanced Materials, 5/2009, s. 573-577

[4] Korzeniewska E., Duraj A., Krawczyk A., Identyfication of sensors dysfunctions of organism by e-fiber monitoring. Przegląd. Elektrotechniczny 2013 R.89 nr 12 s.181-184,

[5] Pawlak R., Korzeniewska E., Frydrysiak M., Using Vacuum Deposition Technoogy for the Manufacturing of Electro-Conductive Layers on the Surface of Textiles, Fibres & Textiles in Eastern Europe, Vol. 20, No. 2(91), 2012, s. 68-71

[6] Boczkowska A., Leonowicz M., Intelligent Materials for Intelligent Textiles, Fibres & Textiles in Eastern Europe, Vol. 14, No. 5(59), 2006, s. 13-17

[7] Margol M., Baranowski W., Jakubas A.: Tworzywa polimerowe – ubierają i chronią – cz. II. Tworzywa Sztuczne w Przemyśle 2012, nr 4 (11)

[8] Margol M., Baranowski W., Jakubas A.: Materiały polimerowe stosowane w przemyśle odzieżowym. Część II. Tkaniny przeznaczone do produkcji odzieży ochronnej i specjalnego przeznaczenia. Przetwórstwo Tworzyw 2012, nr 5 (149)

[9] Borowik L., Jakubas A., Measurements and subjects antistatic protective clothing, Przegląd Elektrotechniczny, R. 89, nr 12, 2013, s. 196-198


50

INSTALACJE ELEKTROENERGETYCZNE W BUDOWNICTWIE ENERGOOSZCZĘDNYM

W ASPEKCIE BEZPIECZEŃSTWA POŻAROWEGO

Lech Borowik 1, Adrian Barasiński 2

¹ Politechnika Częstochowska, Wydział Elektryczny ² Centralna Szkoła Państwowej Straży Pożarnej w Częstochowie

Instalacje elektroenergetyczne stanowią nieodzowny element wyposażenia budynków. Postęp cywilizacyjny sprawił że ludzkość stała się uzależniona od prądu. Każdy dom, każde biuro czy też zakład pracy powiada od kilku do kilkudziesięciu odbiorników energii elektrycznej. Sprawia to, że powstające instalacje elektryczne zaczęły się rozrastać. Zwiększona został liczba punktów (gniazd), średnica przekroju przewodu oraz ich ilość. Zadaniem takiej instalacji nie polega jedynie na współpracy elementów elektrycznych o skoordynowanych parametrach technicznych, ale również na zapewnieniu bezpieczeństwa jej użytkowania. Rozwój cywilizacji przełożył się również na rozwój wielu gałęzi przemysłu, m.in. branży budowlanej. Efektem tego stało się dążenie do minimalizacji kosztów, co w budownictwie wiąże się z ograniczaniem strat ciepła. Wymogło to, na producentach wyrobów budowlanych wprowadzanie coraz to nowszych systemów ociepleń charakteryzujących się dużą zdolnością zatrzymywania wewnątrz ciepła. Kolejnym krokiem było pojawienie się nowej metody budownictwa opierającej się na gotowych elementach prefabrykowanych składanych w jedną całość. Warto zaznaczyć, że w nowoczesnym budownictwie powszechne zastosowanie znalazły wełny mineralne i pianki poliuretanowe, których współczynnik przewodzenia ciepła λ, wynosi 0,02-0,045 W/mK, co w porównaniu z wyrobami ceramicznymi typu cegła 0,15-1,31 W/mK odgrywa znaczącą różnicę [9]. Proces nagrzewania się przewodników Analizując przepływ prądu przez przewody elektryczne należy uwzględnić towarzyszący temu zjawisku procesy grzewcze. W tym celu można odnieść się do zależność dla bilansu energetycznego [6, 5]:

dtkSlslcdpdt o (1)

gdzie: p – moc chwilowa tracona w przewodniku, W; t – czas, s; s – przekrój przewodnika, cm2; l – długość przewodnika, cm; c – ciepło właściwe materiału przewodnika, J/cm3K; – temperatura przewodnika, oC; o – temperatura otoczenia, oC; k – współczynnik oddawania ciepła, W/cm2K; S – obwód powierzchni zewnętrznej przewodnika, cm.

Badania doświadczalne obciążalności długotrwałej Norma [1] określa ogólne wytyczne, które należy uwzględnić na etapie projektowania jak również wykonawstwa instalacji elektrycznych, aby uzyskać odpowiednią trwałość żył i izolacji przewodów, poddawanych działaniu cieplnemu płynącego długotrwale prądu w warunkach normalnej eksploatacji. Zawarte w normie zapisy wyróżniają pięć głównych sposobów ułożenia przewodów a raczej


51

środowiska ich umiejscowienia. Z goła zawarte informacje wydają się być poprawne i zrozumiałe jednak przy bliższej analizie tak nie jest. Szczególną uwagę zwraca sposób prowadzenia przewodu w rurze instalacyjnej w izolowanej cieplnie ścianie. Tego typu określenie nie do końca jest precyzyjne, ponieważ jako izolację można rozumieć m.in. styropian, wełnę mineralną o różnych grubościach. Norma [1] nie podaje żadnych szczegółowych danych w tym zakresie jak również nie uwzględnia nowoczesnych materiałów wykorzystywanych do wytwarzania warstw izolacji i powłok samych przewodów[9]. Na tej podstawie zaimplantowano model laboratoryjny, który miał za zadanie odwzorować warunki rzeczywiste domu pasywnego składającego się z prefabrykowanych elementów. Istotą całego procesu jest fakt, iż obecnie stosowane budownictwo pasywne wymaga zastosowania podwójnej izolacji (warstwa zewnętrzna oraz wewnętrzna) w każdej ścianie nośnej budynku oraz izolację wewnętrzną w ścianie działowej. Opierając się na budownictwie praktykowanym przez firmy na rodzimym rynku krajowym, można zaobserwować, iż najczęściej stosowaną wewnętrzną warstwą izolacyjną stanowi pianka poliuretanowa lub wełna mineralna, natomiast warstwę zewnętrzną izolacji wykonuje się ze styropianu lub wspomnianej wcześnie wełny mineralnej. Z pozyskanych informacji opracowano i wykonano procedurę badania laboratoryjne w specjalnie przygotowanej do tego komorze. Komora zgodnie z techniką stosowaną przez producentów odwzorowując warunki rzeczywiste, została wykonana ze styropianu płyty OSB oraz płyty gipsowo-kartonowej.

Rys. 1. Model ściany w budownictwie energooszczędnym

Wg normy [1] podczas układania przewodu elektrycznego w izolowanej cieplnie ścianie – typ A2 oraz dla średnicy przewodu 1,5 mm2, maksymalna wartość natężenia prądu elektrycznego przepływającego długotrwale wynosi 13A. Natomiast zapisy norma [2] dopuszczają granicę przeciążenia przewodu zgodnie z charakterystyką zabezpieczeń nadprądowych. Ww. granica obliczona na podstawie wzoru 1,45·Idol ustalona została na poziomie 19A. Jako koncepcje badania przyjęto wyznaczenie rezystancji izolacji badanych przewodów poddanych długotrwałemu obciążeniu prądu oraz wynikających z tego zmian. Procedura badawcza wykonywana była przy użyciu miernika wysokonapięciowe w którym zadanymi parametrami było napięcie próby wynoszące 1kV, czas pomiarowy trwający 2 min oraz częstotliwość próbkowania – po 15 s, 60, 120 s. Przewód elektryczny poddawano przepływowi prądu przez kilka dni, gdzie cykl pomiarowy trwał od 6 do 8 godzin. Po odłączeniu przepływu prądu pomiar rezystancji izolacji w momencie jego podwyższonej temperatury. Badaniom poddano przewody typu: H05RR-F 3x1,5mm2 300/500V, H05VV-F 3x1,5mm2 300/500V oraz YDYżo 3x1,5mm2 450/750V.


52

Analiza wyników pomiarowych Uzyskane wyniki pokazują że w aspekcie bezpieczeństwa pożarowego najważniejsze staje się odpowiednie przedefiniowanie zapisów normy [1] a tym samym wzajemne oddziaływanie cieplne instalacji i otoczenia. Konieczne staje się już na etapie projektowania dobrać takiego rozwiązania, które zapewnią odpowiednią ochronę. Bardzo ważną sprawą staje się właściwy dobór izolacji ze względy na napięcie. Niepoprawne dobranie izolacji będzie skutkować szybszym nagrzewanie się powstałym od przepływających prądów upływowych, co w konsekwencji może doprowadzić do niebezpieczeństwa [3]. Biorąc pod uwagę fakt, iż badany przewód znacznie przewyższał dopuszczalną długotrwałą temperaturę można założyć, że w dalszym etapie badania doprowadziłoby to do całkowitego uszkodzenia przewodu, co mogło by grozić powstaniem zwarcia miedzy żyłami, uszkodzeniem połączeń stykowych itp. [9] Literatura [1] Norma PN-IEC 60364-5-523:2001 Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych. Dobór

i montaż wyposażenia elektrycznego. Obciążalność prądowa długotrwała przewodów [2] PN-HD 60364-4-43:2012 Ochrona dla zapewnienia bezpieczeństwa – Ochrona przed prądem

przetężeniowym [3] Wiatr J.: Ochrona przeciwpożarowa kabli i przewodów (część 1) Elektro.info 2008 nr 4 str. 86 [4] PN-HD 60364-6:2008 Instalacje elektryczne niskiego napięcia Części 6: Sprawdzenie [5] Czaja P., Barasiński A.: Obciążalność cieplna przewodów i kabli elektroenergetycznych, SWE,

2013, nr 6, str. 4-7 [6] Wołkowiński K.: Instalacje elektroenergetyczne. Zagadnienia wybrane, WNT, Warszawa 1972 [7] Norma PN-EN 50268-2:2002 Wspólne metody badania palności przewodów i kabli. Pomiar

gęstości dymów wydzielanych przez spalanie przewodów lub kabli w określonych warunkach. [8] Norma PN-EN 61034-2:2010 Pomiar gęstości dymów wydzielanych przez palące się przewody

lub kable w określonych warunkach. Metoda badań i wymagania [9] Czaja P., Barasiński A.: Wpływ warunków otoczenia na temperaturę przewodów elektrycznych

obciążonych długotrwale SWE, 2014 [10] Perkowski Z. J.: Kable do instalacji SAP i DSO, Technokabel S.A. [11] Czaja P., Barasiński A.: Zachowanie się przewodów i kabli w pożarach, Prace naukowe

akademii im. Jana Długosza w Częstochowie Tom I, 2013 [12] Sosnowski I.: Metody badań palności kabli, Elektrosystemy IV, 2009, str. 62-65 [13] Informator techniczny, Technokabel 2007


53

MODERNIZACJA I ROZBUDOWA SIECI TRAKCYJNEJ JAKO PRZYKŁAD PROEKOLOGICZNEJ INWESTYCJI

TYSKICH LINII TROLEJBUSOWYCH

Lech Borowik 1, Artur Cywiński 2

1 Politechnika Częstochowska, Wydział Elektryczny 2 Pracownia Projektowa omega-projekt

Streszczenie. Przedstawiony poniżej tekst opisuje rozbudowę oraz modernizację sieci trakcyjnej tyskich linii trolejbusowych oraz doświadczenia eksploatacyjne związane z wykorzystaniem trolejbusów wyposażonych w baterie trakcyjne. Słowa kluczowe: trolejbus, transport zintegrowany, sieć trakcyjna. Wstęp Tychy obok Gdyni, Sopotu oraz Lublina są jednym z czterech miast w Polsce, które posiadają sieć trakcji trolejbusowej i w transporcie publicznym wykorzystują trolejbusy. Historia tyskich trolejbusów rozpoczęła się 11 lutego 1982, kiedy to wojewoda katowicki ze względu na złą sytuację na rynku paliwowym i konieczność obniżenia udziału autobusów w przewozach pasażerskich podjął decyzję o przygotowania do uruchomienia eksperymentalnej linii trolejbusowej. Tychy zostały wybrane ze względu na korzystny układ drogowy, brak skrzyżowań z tramwajami i koleją, a także ze względu na odpowiednie potoki pasażerskie wymagane przez trakcję trolejbusową. 1 października 1982 uruchomiono pierwszą linię nr 1 o długości 4km. Przez kolejne lata wybudowano i uruchomiono kolejne odcinki sieci trakcyjnej i na koniec roku 1985 łączna długość sieci trakcyjnej wynosiła 22 km. Pomimo ogromnych planów i wizji rozwoju od roku 1985 przez 17 lat nie wybudowany został już żaden nowy odcinek sieci trakcyjnej, a działalność inwestycyjna sprowadzała się jedynie do prowadzenia bieżącej eksploatacji. W roku 2002 uruchomiony został kolejny odcinek trakcji o długości 1,2 km. Nacisk Unii Europejskiej na promowane rozwoju ekologicznych środków transportu publicznego przekladajacy się na źródła finansowania w ramach projektów „Infrastruktura i Środowisko” Narodowej Strategii Spójności pozwolił na dalszy rozwój sieci trolejbusowej w Tychach. Modernizacja i rozbudowa trakcji Dzięki dofinansowaniu unijnemu w ramach projektu realizowanego przez Tramwaje Śląskie "Modernizacja infrastruktury tramwajowej i trolejbusowej w Aglomeracji Górnośląskiej wraz z infrastrukturą towarzyszącą", którego partnerem jest Miasto Tychy opracowano dokumentację modernizacji rozbudowy trakcji trolejbusowej na odcinku 3,5km. Zakupionych zostało również 15 nowoczesnych trolejbusów Solaris Trollino 12MB wyposażonych w baterie trakcyjne. Zadanie objęte dofinansowaniem unijnym obejmuje również część nie związaną z siecią trakcyjną i trolejbusami – budowę dwóch parkingów wielopoziomowych, które są jednym z ogniw zintegrowanego transportu publicznego – połączenia linii trolejbusowych z szybką koleją miejską oraz transportem samochodowym w ramach filozofii „parkuj i jedź”.


54

Projekt modernizacji obejmował wymianę drutu jezdnego wraz z całym osprzętem sieciowym w tym zwrotnic, zjazdówek oraz izolatorów sekcyjnych. Zastosowano nowatorskie rozwiązania przejazdu trolejbusów przez skrzyżowania oraz rondo. Rozwiązania te pozwoliły na znaczne ograniczenie strat sieciowych (między imnnymi przez zmiejszenie ilości hamowań i przyspieszeń), ograniczenie emisji hałasu, a także poprawę komfortu jazdy pasażerów. Założone efekty proekologiczne zostały zrealizowane co zostało potwierdzone wykonanymi pomiarami. Zakupione w ramach projektu unijnego trolejbusy Solaris Trollino 12MB wyposażone zostały w baterie trakcyjne umożliwiające poruszanie się pojazdu bez trakcji trolejbusowej. W początkowym okresie planowano jedynie wykorzystanie baterii w sytuacjach awaryjnych na przykład zjazdu ze skrzyżowania po zaniku napięcia lub w czasie serwisu. Doświadczenia eksploatacyjne, wykonane pomiary i analizy pozwoliły na wyznaczenie możliwej do przejechania przez trolejbus trasy bez trakcji przy założeniu optymalnych warunków pracy baterii (ładowania-rozładowania) co umożliwiło uruchomienie aleternatywnych tras i linii ulicami bez trakcji, a transport trolejbusowy stał się bardziej elastyczny. Układ napędowy nowych trolejbusów w czasie hamowania przechodzi z pracy silnikowej w generację oddając wytworzoną energię do sieci lub ładując własne baterie trakcyjne. Ze względu na ograniczone możliwości magazynowania energii ustalono rozkład jazdy trolejbusów, który umożliwia optymalne wykorzystanie wytwarzanej przez trolejbusy energii. Podsumowanie i wnioski końcowe Modernizacja i rozbudowa sieci trolejbusowej w Tychach jest dobrym przykładem inwestycji proekologicznej w obszarze transportu publicznego i doskonale nawiazuje do regionalnego projeku „Trolley” promującego trolejbusy jako rozwiązanie dla inteligentnej komunikacji w Europie. Zastosowanie nowatorskich rozwiązań z zakresu budowy trakcji oraz wykorzystanie nowoczesnych trolejbusów wyposażonych w baterie trakcyjne oraz układ generacji pozwoliło na osiągniecie zamierzonych efektów związanych z ochroną środowiska – oszczędność energii oraz ograniczenie emisji hałasu. Pozytywne doświadczenia dały zielone swiatło dla kolejnych inwestycji – w trakcie opracowania jest dokumentacja budowy nowej linii trolejbusowej o długości ponad 5 km. Trwają również prace koncepcyjne dotyczące rozproszonych punktów ładowania (również bezprzewodowych), które umożliwią wydłużenie tras po ulicach pozbawionych trakcji. Literatura [1] "Trolejbusy w Tychach 1982-2003" Jakub Jackiewicz – Materiały Tyskich Linii

Trolejbusowych Obciążalność prądowa długotrwała przewodów [2] „Projekt trolley jako przykład promowania ekologicznego transportu publicznego’ – Maria

Rulaff – Zeszyty Naukowe Politechniki Poznańskiej Nr 60 2016 [3] www.trolley-project.eu [4] Projekt modernizacji sieci trakcyjnej w Tychach – Artur Cywiński – opracowanie TLT spółka

z o.o.


55

TECHNIKI EKSPLORACJI DANYCH W PROCESIE OCENY STANU TRANSFORMATORA ENERGETYCZNEGO

Liliana Byczkowska-Lipińska 1 Agnieszka Wosiak 2

1 Wyższa Szkoła Informatyki i Umiejętności w Łodzi 2 Politechnika Łódzka, Instytut Informatyki

Streszczenie

Awaria transformatora energetycznego wywołuje sekwencję zdarzeń w obrębie urządzenia. Zdarzenia te są z kolei powiązane z szeregiem sygnałów zbieranych przez urządzenia pomiarowe. W efekcie uzyskuje się znaczne ilości danych pomiarowych, które wymagają analizy, w celu oceny typu, miejsca i stopnia nieprawidłowej pracy transformatora.

Większość analiz interpretacyjnych przeprowadzana jest na podstawie wiedzy ekspertów, których doświadczenie wskazuje, jak zmiany w parametrach pomiarowych wpływają na stan transformatora. Dodatkowo w wielu systemach ekspertowych stosuje się reguły logiki rozmytej [Sun]. Najistotniejszym i najtrudniejszym etapem w realizacji tego typu rozwiązań jest przekształcenie wiedzy ekspertów w odpowiednie reguły decyzyjne oraz zdefiniowanie funkcji przynależności. Diagnozy postawione w wyniku działania systemów ekspertowych wymagają kompletności i pełności reprezentacji wiedzy zgromadzonej w systemie. Uwzględnienie reguł logiki rozmytej pozwala na wyciągnięcie wniosków w przypadkach, gdy przesłanki są niepewne, dwuznaczne lub nieprecyzyjne [Flores].

Techniki eksploracji danych dają możliwość automatyzacji wybranych etapów analizy danych lub pozwalają na ich usprawnienie. Eksplorację danych można zdefiniować, jako proces selekcji, przeszukiwania i modelowania dużych zbiorów danych w celu dostarczenia użytecznych rezultatów w postaci końcowych analiz [Giudici]. W zależności od celu procesu eksploracji, należy wybrać odpowiednią jej metodę.

Klastrowanie jest jedną z bardziej popularnych technik eksploracji danych. Może być stosowane w celu klasyfikacji złożonych danych o wielu atrybutach. W przeciwieństwie do analizy dyskryminacyjnej, nie wymaga wprowadzenia zmiennych klasyfikacyjnych w celu przeprowadzenia podziału oryginalnych danych. Klastrowanie stanowi ponadto bardzo dobrą technikę analizy wstępnej, przed przeprowadzeniem analizy statystycznej i wnioskowania [Han]. Metoda ta znajduje szerokie zastosowanie w nauce i przemyśle, przede wszystkim w systemach prototypowych, jednak coraz częściej implementowana jest również w systemach produkcyjnych [Liao].

W ramach niniejszej pracy przeprowadzone zostało klastrowanie w celu odnalezienia wspólnych parametrów dla zbiorów stanów prawidłowych i nieprawidłowych transformatora energetycznego. Testy zostały przeprowadzone dla danych zgromadzonych systemie diagnostycznym stanu pracy transformatorów energetycznych na stacji Piotrków [Wosiak]. W dotychczasowym rozwiązaniu ocena stanu odbywała się na podstawie wiedzy eksperckiej, a w procesie analizy uwzględniane były wszystkie parametry pozyskane z czujników pomiarowych oraz analizy DGA.


56

Badania eksperymentalne miały na celu wyodrębnienie z całego zbioru pozyskanych parametrów takiego podzbioru tych atrybutów, który identyfikuje grupę urządzeń w określonym stanie. W ten sposób można wyselekcjonować cechy najbardziej charakterystyczne. Zastosowanie selekcji cech pozwala na poprawę wydajności poprzez proces analizy zmian wartości atrybutów oraz znaczną redukcję ich liczby, bez utraty informatywności danych. Klastrowanie zostało zrealizowane z użyciem dwóch podejść: deterministycznego i stochastycznego. Do rozwiązania deterministycznego użyto algorytmu k- means, który stanowi właściwą metodę klastrowania danych o atrybutach numerycznych [Jazebi]. W metodzie o modelu stochastycznym zastosowano algorytm EM (ang. expectation-maximization). Zastosowanie tej metody pozwala na automatyczne wskazanie właściwej liczby klastrów oraz weryfikację poprawności działania algorytmu EM.

Badania eksperymentalne przeprowadzone w ramach pracy wykazały skuteczność zaproponowanego rozwiązania. Przestrzeń cech poddawanych analizie została w sposób automatyczny zredukowana, co wpłynęło pozytywnie na czas analizy bez żadnych strat związanych z brakiem komunikatów o zmianach w stanie transformatora.

Dalsze prace będą związane z zastosowaniem innych technik eksploracji danych służących wydajniejszej analizie gromadzonych danych, przede wszystkim związanych z selekcją cech i klasyfikacją. Planowane jest również przeprowadzenie analizy korelacyjnej badanych parametrów w celu powiązania ich z różnymi typami uszkodzeń.

Literatura

1. Byczkowska-Lipińska L., Wosiak A.: System diagnostyczny do oceny stanu pracy transformatora energetycznego, Przegląd Elektrotechniczny 12/2006 pp. 137-140, 2006

2. Wilfredo C. Flores, Enrique E. Mombello, José. A. Jardini, Giuseppe Rattá, Antonio M. Corvo: Expert system for the assessment of power transformer insulation condition based on type-2 fuzzy logic systems, Expert Systems with Applications 38 (2011) pp. 8119–8127, 2011

3. P. Giudici: Applied Data Mining Statistical Methods for Business and Industry, Wiley & Sons, 2003

4. J. Han, M. Kamber and J. Pei, Data Mining: Concepts and Techniques, Elsevier 2011, USA, ISBN 978-0123814791

5. S. Jazebi, B. Vahidi, M. Jannati: A novel application of wavelet based SVM to transient phenomena identification of power transformers, Energy Conversion and Management 52 (2011) pp. 1354–1363, 2011

6. Liao S.H., Chu P.H., Hsiao P.Y.: Data mining techniques and applications – A decade review from 2000 to 2011, Expert Systems with Applications 39 (2012) pp. 11303–11311, 2012

7. Sun H.C., Huang Y.C., Huang C.M.: Fault Diagnosis of Power Transformers Using Computational Intelligence: A Review, Energy Procedia, 14(2012), pp. 1226-1231


57

ROZWOJ TECHNOLOGII LED W APLIKACJACH OŚWIETLENIA DROGOWEGO

Magdalena Chlewicka, Paweł Witkowski,

Andrzej Krawczyk, Marek Kurkowski Politechnika Częstochowska, Wydział Elektryczny

Energooszczędne źródła światła LED są w fazie niezwykle dynamicznego rozwoju. Zainteresowanie oprawami LED do oświetlenia ulic i terenów zurbanizowanych jest coraz większe. Niestety oferty firm zawierają nieprecyzyjne informacje m.in. o możliwości zastąpienia opraw z wysokoprężnymi lampami sodowymi o mocy 150 W, a nawet 250 W, oprawami LED o mocy około 90 – 100 W. A przecież do porównywania wydajności energetycznej źródeł światła powszechnie używane jest pojęcie skuteczności świetlnej określanej, jako stosunek strumienia świetlnego emitowanego przez źródło światła do pobieranej przez nie mocy elektrycznej. Należy jednak wziąć pod uwagę, że w zakresie widma widzialnego oczy reagują silniej na jedne długości fal niż na inne. Należy również pamiętać że źródła sodowe i źródła LED emitują fale o innej długości. W zależności od stanu adaptacji wzroku do niskiego bądź wysokiego natężenia oświetlenia (oświetlenie dzienne lub nocne) w procesie widzenia biorą udział inne receptory oka o różnej czułości widmowej. W warunkach dziennych, przy wysokich poziomach natężenia oświetlenia, mamy do czynienia z tzw. widzeniem fotopowym, przy którym istnieje możliwość widzenia dużej liczby szczegółów i barw. Maksymalna czułość widmowa oka w warunkach widzenia fotopowego (dziennego) ma miejsce dla promieniowania o długości fali 555 nm, czyli o barwie żółtej. Oświetlenie drogowe jest eksploatowane w warunkach nocnych, przy niskich poziomach natężenia oświetlenia. Widzenie nocne zapewnia małą rozdzielczość i słabe rozróżnianie barw. Przy widzeniu skotopowym maksymalna czułość oka przesuwa się w kierunku fal krótszych i występuje przy długości fali 507 nm, czyli dla barwy zielono-żółtej. Krzywe czułości widmowej oka w fotopowych i skotopowych warunkach widzenie przedstawia rysunek 1.

Rys. 1. Krzywe czułości widmowej oka (skuteczności świetlnej promieniowania) dla oka przystosowanego do jasności (widzenie fotopowe) i ciemności (widzenie skotopowe)


58

Oznacza to, że w warunkach nocnych źródło światła białego zawierające w promieniowanym widmie m.in. fale o niższej długości, przy tej samej mocy promieniowania wywoła silniejsze wrażenie wzrokowe niż lampa głównie o żółtej barwie promieniowania z wyższego zakresu widma. W praktyce może to oznaczać, że oprawa oświetleniowa ze źródłem LED przy widzeniu nocnym (skotopowym) może rzeczywiście zapewniać lepsze warunki widzenia niezbędne ze względu na poruszanie się na drodze. Dzieje się tak dlatego, że w warunkach nocnych wzrok jest czulszy na światło białe niż żółte. Dodatkowo białe światło zapewnia lepsze oddawanie barw i a układy z diodami LED mają możliwość sterowania wartością emitowanego strumienia świetlnego i długością fal. Najbardziej stabilną pracę ze względu na warunki temperaturowe i stałą wartość emitowanego strumienia świetlnego zapewniają źródła LED o niebieskiej barwie promieniowania. Aby uzyskać szerokie spektrum widma (światło białe) należy w module LED zastosować odpowiedni luminofor czyli diody o barwie niebieskiej pokrywa się żółtym luminoforem. Światło niebieskie jest częściowo przez luminofor przepuszczane, a częściowo pochłaniane. W ten sposób dochodzi do mieszania barwy niebieskiej z żółtą i w rezultacie uzyskuje się barwę białą. W zależności od użytego luminoforu można uzyskać zarówno zimne światło jak i ciepłe, a współczynnik Ra jest bliski 90. Idealnym rozwiązaniem w oświetleniu drogowym będą oprawy emitujące strumień w zakresie od około 480 do 570 nm. Rozwiązanie takie jest obecnie w fazie prototypu chipu LED oprawy drogowej. Zawiera kilkanaście modułów LED z diodami niebieskimi oraz różnymi rodzajami luminoforu. W zależności od pory dnia/nocy włączane będą odpowiednie moduły. Przewiduje się badania eksploatacyjne oprawy drogowej w warunkach rzeczywistych i pomiary spektrofotometryczne uzyskiwanych parametrów (natężenie oświetlenia, barwa). Literatura 1. Górczewska M.: Diody LED – poprawa efektywności i jakości oświetlenia zewnętrznego,

V Konferencja Oświetlenie drogowe. Sposoby zarządzania systemami oświetlenia na terenie kraju, Kołobrzeg, 2010.

2. Pieniążek S.: Postęp technologiczny opraw oświetlenia drogowego ze źródłami światła LED. Materiały firmy Elgo.

3. PN-EN 13201-2:2007 Oświetlenie dróg. Część 2: Wymagania oświetleniowe


59

BADANIE WPŁYWU CZYNNIKÓW ZAKŁÓCAJĄCYCH (ELEKTRYCZNYCH) NA RUCH STRUGI

NAELEKTRYZOWANYCH ZIAREN W POLU ELEKTRYCZNYM

SEPARATORA ODCHYLAJĄCEGO

Antoni Cieśla AGH – Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie, Katedra Elektrotechniki i Elektroenergetyki

1. Wprowadzenie

Ruch naelektryzowanych ziaren w polu elektrycznym separatora jest zdeterminowany działaniem sił elektrycznych i mechanicznych. Siła pola elektrycznego (siła elektroforezy) – decydująca o skuteczności procesu separacji – określona jest wzorem:

EqF

(1)

i zależy od wielkości ładunku q i natężenia pola elektrycznego E

. Równocześnie z ruchem wynikającym z działania pola elektrycznego, na ziarna działa wiele innych sił, takich jak: grawitacji, dynamicznego oporu ośrodka, odśrodkowa przy zawirowaniach i zmianach przepływu gazu, itp. Wyznaczenie warunków separacji w rzeczywistych warunkach jest trudne ze względu na wpływ szeregu czynników, które są zależnościami złożonymi. W pracy przedstawiono analizę czynników (natury elektrycznej) zakłócających ruch strugi naelektryzowanych ziaren w komorze separatora odchylającego. Celem prezentowanych badań była ocena wpływu czynników elektrycznych (ładunku przestrzennego i wzajemnego oddziaływania naelektryzowanych ziaren) na trajektorię ziaren w separatorze odchylającego.

2. Elektrostatyczny separator odchylający Zasadę działania elektrostatycznego separatora odchylającego pokazano na rys. 1, zaś badania eksperymentalne prowadzono na stanowisku badawczym pokazanym na rys. 2.

Rys. 1. Ogólna zasada działania elektrostatycznego separatora odchylającego

Rys. 2. Stanowisko do badań ruchu strugi ziaren w polu elektrycznym separatora odchylającego: 1 – elektryzator (cyklon), 2 – komora separatora (obszar pola elektrycznego), 3 – elektrody płasko – równoległe, 4 – odbieralnik, 5 – zbiornik ziaren, 6 – podajnik, 7 – przewód transportujący, 8 – wylot powietrza z cyklonu

elektryzacja ziaren

nadawa

+ separacja

produkty separacji

_

+-

x

y

5

6

7

8

1

2

3

4

+ _


60

3. Model matematyczny i rezultaty obliczeń Analizowano wpływ ładunku przestrzennego na ruch naelektryzowanych ziaren w komorze separatora odchylającego oraz wzajemnego oddziaływania naelektryzowanych ziaren na trajektorię ziaren dla przykładowych warunków procesu separacji (rys. 3). Stworzono stosowne modele matematyczne. Założenia budowanych modeli i rezultaty przeprowadzonych badań teoretycznych pokazano na rys. 4, 5 i 6.

Rys. 3. Naelektryzowane (dodatnio) ziarno w polu elektrycznym separatora odchylającego

Rys. 4. Ruch strugi w separatorze odchylającym

Rys. 5. Pionowy przekrój strugi ziaren w separatorze odchylającym

Rys. 6. Zmiana siły oddziaływania wzajemnego ziaren FpE w zależności od ich koncentracji n w komorze rozdziału separatora odchylającego

4. Wnioski

Ruch naelektryzowanych ziaren w komorze rozdziału separatora jest zdeterminowany wieloma czynnikami. Do ważnych należą czynniki natury mechanicznej, zwłaszcza w opisanej konstrukcji separatora, w którym użyto cyklonu jako urządzenia do elektryzowania ziaren (gwarantuje to bardzo dobrą skuteczność elektryzowania). Jednak w analizie trajektorii ziaren w separatorze równie istotne są czynniki natury elektrycznej, które wpływają na rozproszenie strugi ziaren w komorze separatora. Czynnikiem decydującym o odchyleniu strugi ziaren jest znak i wartość ładunku ziaren (tworzące ładunek przestrzenny), a także wartość natężenia pola elektrycznego. Potwierdzają to uzyskane w trakcie badań rezultaty przeprowadzonych badań.

+ _

przepływ gazu V0

siła grawitacji

siła pola elektrycznego

E

siła dynamiczne

go oporu

+

x

y el

ektr

oda

0

η

E

g

y y’

0 x

b

A

X

01

x

a

ln n

15

q = 152,0·10-14C

q = 28,0·10-14 C

2 - Fe 1 -FpE

16 17 18 19 20 21 22

FE FpE

[N] ×10-9

200

400

600

0


61

WPŁYW DZIAŁANIA POLA MAGNETYCZNEGO NA KIEŁKOWANIE NASION

Antoni Cieśla, Mikołaj Skowron, Przemysław Syrek, Wojciech Kraszewski AGH Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie,

Wydział Elektrotechniki, Automatyki, Informatyki i Inżynierii Biomedycznej, Katedra Elektrotechniki i Elektroenergetyki

Nowoczesna Inżynieria Rolnicza, szuka „bezpiecznych” metod podwyższania jakości plonów roślin uprawnych, wykorzystując interdyscyplinarne powiązanie nauk z zakresu biofizyki, biologii molekularnej i fizyki. Dobra jakość i odpowiednie przygotowanie materiału siewnego jest jednym z ważniejszych czynników plonotwórczych. Wykorzystanie niektórych czynników fizycznych stwarza nowe możliwości pobudzania materiału roślinnego do wzrostu. Metody przedsiewnej obróbki nasion stymulują przebieg zmian fizjologicznych i biochemicznych w nasionach, są zatem bezpieczne dla środowiska. Wśród tych metod można wymienić stymulowanie: promieniowaniem jonizującym, laserowym, podczerwonym, ultrafioletowym, ultradźwiękami, mikrofalami oraz polami elektrycznym, magnetycznym i elektromagnetycznym. Oddziaływanie polem magnetycznym na nasiona nie niesie zagrożenia dla środowiska a zwiększa efektywność procesów fizjologicznych, czego efektem jest większy wigor i wyższy poziom plonowania. W artykule przedstawiono wyniki badań wpływu przedsiewnej biostymulacji nasion polem magnetycznym na zdolność i szybkość ich kiełkowania. Na podstawie dostępnej literatury można stwierdzić, że działanie pola magnetycznego na umieszczone w nim obiekty biologiczne jest wielorakie:

oddziaływanie elektrodynamiczne z występującymi w organizmach prądami elektrycznymi (siła Lorentza i efekt Halla),

powstawanie efektów magnetomechanicznych wewnątrz organizmów polegających na orientacji struktur o anizotropii magnetycznej w polach jednorodnych oraz przesunięcia substancji ferromagnetycznych i paramagnetycznych w polach mających niezerowe gradienty,

oddziaływanie na nieskompensowane spiny magnetyczne pierwiastków paramagnetycznych i wolnych rodników,

efekt Dorfmana, polegający na przeorientowaniu się protein w polu magnetostatycznym wskutek anizotropii tych molekuł,

niektóre składniki organizmów żywych wykazują właściwości magnetostrykcyjne; istnieje zatem możliwość oddziaływania na takie składniki,

pole magnetyczne zmienia energię oddziaływań wewnątrz atomowych i międzyatomowych w organizmach żywych,

sinusoidalnie zmienne pole magnetyczne powoduje indukowanie się prądów wewnątrz żywych organizmów,

pole magnetyczne może wywierać wpływ na depolaryzację komórek. Zjawiska rezonansowe wskutek przenikania pola magnetycznego mogą zachodzić nie tylko w przestrzeni pozakomórkowej, lecz także w błonie komórkowej (czyli też w kanałach jonowych) oraz we wnętrzu komórki.


62

96,00

97,00

98,00

99,00

100,00

101,00

0 2 4 6 8 10Lp. (z tabeli)

Zdolność kiełkowania

W wielu ośrodkach w kraju i zagranicą podejmowane są próby wyjaśnienia podstawowych mechanizmów fizycznych związanych z biologicznymi efektami oddziaływania pola magnetycznego i oceną wartości natężenia pola przy której te efekty występują. W Polsce wiodącym zespołem badających wpływ pola magnetycznego na organizmy żywe w szczególności na rośliny jest zespół Prof. Pietruszewskiego z Katedry Fizyki Uniwersytetu Przyrodniczego w Lublinie. Opublikowane prace przedstawiają badania nad wpływem stałego oraz zmiennego pola magnetycznego o częstotliwości 50 Hz, na przedsiewną stymulacje ziarniaków różnych roślin. Do doświadczeń autorzy użyli nasion lnianki ozimej odmiany „Przybrodzka”. Dla nasion poddanych stymulacji zmiennym w czasie polem magnetycznym o częstotliwości 50 Hz o zróżnicowanej indukcji pola magnetycznego i czasie ekspozycji, oznaczono zdolność kiełkowania zgodnie z przepisami International SeedTestingAssociation ISTA (1999) oraz Normą PN – 79/R–65950. Nasiona lnianki odmiany „Przybrodzka” wysiewano w kiełkowniku Jacobsena (rys.1), umieszczonym w pomieszczeniu klimatyzowanym w temperaturze 20 °C i oświetleniu 12 h na dobę. Wysiewano analogicznie jak dla pszenicy po 100 nasion w 3 powtórzeniach dla każdej kombinacji. W doświadczeniu zastosowano również nasiona nie poddane działaniu pola magnetycznego czyli kontrolę. Zdolność kiełkowania oceniono po 10 dniach.

a) b)

Rys. 1. a) zdjęcie przedstawiające próbę nasion lnianki bezpośrednio po wysiewie, b) kiełkownik Jacobsona z wysianymi ziarniakami lnianki

Tabela 1. Dawki ekspozycyjne zastosowane do stymulacji nasion lnianki zmiennym polem magnetycznym

Lp. 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Dawka ekspozycyjna [Jm-3s]

Kontrola 1,15 ·106

2,29 ·106

3,51 ·106

4,58 ·106

7,02 ·106

7,16 ·106

1,40 ·107

1,43 ·107

2,86 ·107

Rys. 2. Wskaźniki kiełkowania nasion lnianki stymulowanych zmiennym polem magnetycznym

Rysunek 2 przedstawia wykres jednego z obserwowanych wskaźników, zdolności kiełkowania. Zaobserwować można rosnący trend tego wskaźnika co obrazuje pozytywny wpływ biostymulacji zmiennym polem magnetycznym na nasiona lnianki.


63

ANALIZA ROZKŁADU POLA MAGNETYCZNEGO GENEROWANEGO PRZEZ URZĄDZENIA

DO FIZYKOTERAPII

Antoni Cieśla, Wojciech Kraszewski, Mikołaj Skowron, Przemysław Syrek AGH Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie,

Wydział Elektrotechniki, Automatyki, Informatyki i Inżynierii Biomedycznej, Katedra Elektrotechniki i Elektroenergetyki

Wpływ pola elektromagnetycznego na organizmy żywe budził od dawna zainteresowanie wielu naukowców [1]. Przeprowadzone doświadczenia wykazują, że oddziaływanie wolnozmiennych pól elektromagnetycznych (w szczególności magnetycznych) może powodować różne skutki zdrowotne. Warto zwrócić uwagę na fakt, że stwierdzenie to poszerza i uzupełnia powszechnie stosowany paradygmat medyczny, nakazujący traktować organizm jako swoisty reaktor chemiczny, w którym zachodzą różne procesy dające się obserwować poprzez oznaczanie w tkankach zawartości określonych substancji chemicznych (przykładem są tu różne biochemiczne badania krwi i innych płynów ustrojowych) oraz dające się regulować poprzez dodawanie do tego reaktora chemicznego różnych substancji. Skutkiem obowiązywania tego paradygmatu jest praktyka leczenia chorób poprzez dostarczanie do organizmu określonych substancji chemicznych (farmakologicznych), których liczba i częstość stosowania ostatnio niepokojąco rośnie. W ostatnich latach prace badawcze wykazały jednak, że obok biochemicznego modelu funkcjonowania organizmu człowieka, którego przydatności nikt nie kwestionuje, możliwe i celowe jest korzystanie także z modelu biofizycznego. W tym drugim przypadku choroba jest traktowana jako zaburzenie dotykające także określonych procesów biofizycznych charakterystycznych dla stanu dobrego zdrowia. Przy przyjęciu tego paradygmatu prawidłowym sposobem leczenia może być zastosowanie (obok środków farmakologicznych) także czynnika fizycznego, suplementującego i regulującego naturalne procesy biofizyczne. Przy przyjęciu takiego punktu widzenia celowe jest użycie jako czynnika leczącego oddziaływana fizycznego, a narzędziem leczniczym staje się urządzenie techniczne wytwarzające i odpowiednio aplikujące to fizyczne oddziaływanie. W dużym uproszczeniu można powiedzieć, że maszyna zaczyna być czynnikiem leczącym organizm, gdy postrzegany jest on także jako swoista maszyna, podobnie jak pigułka czy zastrzyk są czynnikiem leczącym organizm, gdy postrzegany jest on jako reaktor chemiczny. Można wskazać różne czynniki fizyczne, które są wykorzystywane przy leczeniu. W tym artykule rozważać będziemy wyłącznie pole magnetyczne. Zaletą tego czynnika jest różnorodność osiągalnych przy jego pomocy oddziaływań, stwarzająca teoretycznie nieograniczone możliwości terapeutycznego wykorzystania wykrytego przez biofizyków oddziaływania pól elektromagnetycznych na materię żywą. Zastosowanie pól magnetycznych w medycynie należy obecnie do najbardziej rozwijanych interdyscyplinarnych kierunków współpracy pomiędzy lekarzami, inżynierami i fizykami, co zapewnia dynamiczny rozwój tej dziedzinie inżynierii biomedycznej oraz medycyny. Dla prawidłowego wykorzystania zalet aplikatorów celowym wydaje się opracowanie jego modelu matematycznego, a następnie wizualizacja pola magnetycznego, jakie aplikator ten wytwarza w rozważanym urządzeniu. Wykorzystanie technik komputerowych do zobrazowania tego pola wpłynie na dokładniejsze lokalizowanie i dopasowanie aplikatora do konkretnych potrzeb fizykoterapeutów. W przypadku magnetoterapii stosowanej w warunkach klinicznych gwarantem poprawnego terapeutycznego użycia pola magnetycznego jest doświadczenie personelu obsługującego


64

aparaturę i odpowiednio ustawiającego pacjenta oraz aplikatory. Modelowanie przestrzenne pola oraz graficzna (łatwa do interpretacji) wizualizacja wyniku modelowania odgrywają bardzo istotną rolę. Warto dodać, że taka wizualizacja pola magnetycznego ułatwi także konstruowanie aplikatorów o różnych kształtach i parametrach, które znajdą zastosowanie nie tylko w magnetoterapii. Analizę symulacji przeprowadzono dla dwóch typów aplikatorów. Pierwszy to najczęściej spotykany w gabinetach fizykoterapeutów w kształcie cylindra. Stosuje się go w szerokim zakresie chorób, w szczególności dla ułatwienia przyśpieszenia i przyśpieszenia leczenia urazów ortopedycznych. Aplikator przedstawiony jest jako cylinder na którym nawinięty jest drut.

Rys. 1. Aplikator cylindryczny wraz z krzywymi parametrycznymi opisującymi jego kształt

cossin (1)

Drugim rozważanym typem aplkatorów jest to mobilna dopasowująca się do kształtu kończyny cewka małogabarytowa. Rysunek 2 przedstawia przyjęty do analizy aplikator, który jest nałożony na kończynę. a)

b) c)

Rys. 2. Aplikator małogabarytowy: a) sposób ułożenia, b) I c) opis za pomocą krzywych parametrycznych

Wykorzystując funkcję signum równanie można zapisać jako: cos sgn sin ∙ cossin sgn sin ∙ cossin sgn sin ∙ (2)

Dla przedstawionych modeli matematycznych przeprowadzono szereg symulacji komputerowych i przeprowadzono analizę rozkładu pola magnetycznego od zadanych aplikatorów. [1] A. Krawczyk, E. Łada-Tondyra „Pierwsze próby stymulacji magnetycznej – historia odkryć dwóch uczonych.


65

ODDZIAŁYWANIE APLIKATORÓW POLA MAGNETYCZNEGO NA OTOCZENIE

W ZALEŻNOŚCI OD KSZTAŁTU SYGNAŁU ZASILAJĄCEGO

THE IMPACT OF THE MAGNETIC FIELD OF APPLICATORS ON THE ENVIRONMENT DEPENDING

ON THE SIGNAL’S PARAMETERS

Antoni Cieśla, Mikołaj Skowron, Wojciech Kraszewski, Przemysław Syrek AGH Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie

Negatywne oddziaływanie pola magnetycznego na ludzi może wystąpić zarówno, gdy osoba postronna lub pracownik eksponowani są długotrwale, jak również gdy znajdą się strefie o wartościach niedopuszczalnych przypadkowo. Ocenie wpływu pola elektromagnetycznego na rozrusznik serca poświęcono wiele badań, a ich wyniki przedstawiono w szeregu prac [1,2]. W pracach [3-4], zwrócono uwagę, że w polu magnetycznym o częstotliwości 50 Hz i indukcji powyżej 100 μT, może dojść do zakłóceń pracy rozrusznika serca. Według zaleceń [5], dla pola magnetycznego w zakresie częstotliwości od 1 Hz do 10 MHz, wyróżnia się 5 lub 6 pasm, dla których podane są dopuszczalne poziomy wartości skutecznych. Należy rozróżnić dwa rodzaje ekspozycji: dotyczącą ludności oraz zawodową.

Analizując widmo większości sygnałów okresowych, wartości skuteczne poszczególnych składowych maleją wraz ze wzrostem częstotliwości, jednak efekt oddziaływania zmiennego pola magnetycznego, czyli np. rozkład gęstości prądów wirowych, zależy nie tylko od wartości wymuszenia ale jest też proporcjonalny do zmian w czasie.

W artykule przedstawiono zasięg strefy, w której przekroczone są zalecane poziomy dopuszczalne dotyczące poziomu pola magnetycznego od urządzeń generujących pole magnetyczne, tj. aplikatorów stosowanych w magnetoterapii. Poziomy dopuszczalne w poszczególnych pasmach rozpatrywano zarówno na podstawie zaleceń dla miejsc ogólnodostępnych, jak i dla stanowisk pracy. Analizowany jest również wpływ wymuszeń zawierających wyższe harmoniczne. Zasięg stosownych stref od urządzenia generującego pole magnetyczne odniesiono do rozmiarów potencjalnego pacjenta na podstawie modelu numerycznego ciała z tzw. wirtualnej rodziny [6].

W badaniach symulacyjnych przyjęto, że wartości chwilowe rozkładu modułu indukcji pola magnetycznego w otoczeniu aplikatora, mają taki sam charakter jak wymuszenie (prąd). W przypadku ekspozycji w polach harmonicznych o różnych częstotliwościach, uwzględnia się każde z nich, a poziom bezpieczeństwa oraz możliwość dostępności przestrzeni dla ludności określa się na podstawie współczynnika:

gdzie: BJ – wartość skuteczna indukcji pola magnetycznego dla składowej o częstotliwości J, BR,J – poziom dopuszczalny indukcji pola magnetycznego dla J-harmonicznej.

10MHz

0Hz ,

J

J R J

B

B


66

Wyznaczając w przestrzeni otaczającej aplikator pole skalarne parametru α, możliwe jest przedstawienie powierzchni ekwiskalarnej (α=1�), oddzielającej podobszar, w którym niewskazane jest przebywanie osób postronnych. W artykule przedstawiono wyniki dla pięciu rodzajów sygnałów stosowanych w magnetoterapii.

Przedstawiono wyniki badań dla aplikatora solenoidalnego o średnicy 600 mm, długości 400 mm, przy założeniu, że zasilanie dane jest przebiegami jak w tabeli 3, o częstotliwości 50 Hz, a wartość maksymalna (chwilowa) indukcji pola magnetycznego w osi aplikatora wynosi 20 mT.

Rys. 1. Granica α=1 dla przebiegów okresowych o jednakowej amplitudzie, okresie. Poziomy dopuszczalne dla miejsc dostępnych dla ludności

Urządzenia do magnetoterapii wyposażone są w interfejs umożliwiający wybór kształtu przebiegu, przy zadanej wartości amplitudy. Zmiana sygnału prowadzi nie tylko do zmian widma, współczynnika THD, ale też wartości skutecznej sygnału, a to przekłada się na zasięg strefy, w której (przypadkowo) znajdujące się osoby mogą być narażone np. na zakłócenia pracy rozrusznika serca. Przebieg prostokątny jest według uzyskanych wyników tym, który powoduje największy zasięg rozważanej strefy – odpowiednio 1,6 metra w przypadku miejsc dostępnych dla ludności, oraz 0,9 metra w przypadku ekspozycji zawodowej. Odrębną kwestią pozostaje zbadanie wpływu kształtu impulsu na powstające w tkankach prądy wirowe; w tym przypadku, oprócz przewodności elektrycznej, to kształt impulsu ma decydujący wpływ na charakter rozkładu pola elektrycznego.

Literatura [1] Krawczyk A., Pławiak-Mowna A.: Kardiostymulatory w polu elektromagnetycznym emitowanym przez

telefony komórkowe, Przegląd Elektrotechniczny, 2002, nr.8, 230-235 [2] Krawczyk A., Pławiak-Mowna A.: Kompatybilność elektromagnetyczna w biologii i medycynie,

Instytut Naukowo-Badawczy ZTUREK, Warszawa, 2003 [3] Trigano A., Blandeau O., Souques M., Gernez J.P., Magne I.: Clinical study of interference with cardiac

pacemakers by a magnetic field at power frequencies, J Am Coll Cardiol., 2005, 15; 45(6), 896-900 [4] Karpowicz J., Gryz K., Zradziński P.: Pola magnetyczne przy urządzeniach do magnetoterapii – ocena

ryzyka zawodowego, Bezpieczeństwo Pracy, 9 (2008), 21-25 [5] International Commision on Non-Ionizing Radiation Protection: ICNIRP Guidelines for limiting

exposure to time-varying electric and magnetic fields (1 Hz – 100 kHz), published in: Health Physics, 99 (2010), n.6, 818-836

[6] Christ A., Kainz W., Hahn E.G., Honegger K., Zefferer M., Neufeld E., Rascher W., Janka R., Bautz W., Chen J., Kiefer B., Schmitt P., Hollenbach H.P., Shen J.X., Oberle M., Szczerba D., Kam A., Guag J.W., Kuster N.: The Virtual Family – Development of surface-based anatomical models of two adults and two children for dosimetric simulations, Physics in Medicine and Biology, 55 (2010), n.2, N23-N38


67

WPŁYW STAŁEGO POLA ELEKTRYCZNEGO GENEROWANEGO W OTOCZENIU LINII

PRZESYŁOWYCH WYSOKIEGO NAPIĘCIA PRĄDU STAŁEGO NA METABOLIZM WĘGLOWODANÓW U SZCZURÓW

INFLUENCE OF STRONG STATIC ELECTRIC FIELD GENERATED NEARBY HIGH VOLTAGE DIRECT CURRENT TRANSMISSION

LINES ON CARBOHYDRATES METABOLISM IN RATS

Grzegorz Cieślar1, Janina Mrowiec1, Jolanta Fiolka2, Paweł Sowa3, Aleksander Sieroń2

1 Katedra i Oddział Kliniczny Chorób Wewnętrznych, Angiologii i Medycyny Fizykalnej w Bytomiu Śląskiego Uniwersytetu Medycznego w Katowicach

2Katedra i Zakład Biochemii w Zabrzu Śląskiego Uniwersytetu Medycznego w Katowicach 3 Instytut Elektroenergetyki i Sterowania Układów Politechniki Śląskiej w Gliwicach

Wyniki licznych badań eksperymentalnych potwierdziły, że pola elektryczne o różnych parametrach fizycznych wpływają w istotny sposób na aktywność enzymów metabolizujących glukozę oraz na aktywność gruczołów endokrynnych wydzielających hormony regulujące poziom glukozy we krwi oraz zawartość glikogenu w wątrobie i mięśniach. Celem pracy była ocena wpływu długotrwałej ekspozycji szczurów w stałym polu elektrycznym o parametrach fizycznych generowanych przez linie wysokiego napięcia prądu stałego na metabolizm węglowodanów we krwi i w wątrobie zwierząt doświadczalnych. Materiał badawczy stanowiły 64 samce szczurów rasy Wistar w wieku 6 tygodni, o masie ok. 150 g, podzielone na 2 równoliczne grupy nie różniące się znamiennie pod względem wyjściowej masy ciała. W trakcie doświadczeń szczury przebywały w optymalnych warunkach w specjalnie zaadaptowanym pomieszczeniu o stałej temperaturze (22oC) i wilgotności powietrza. Oświetlenie zmieniało się w cyklu 12-godzinnym. Zwierzęta karmione były paszą granulowaną Labofed B i miały nieograniczony dostęp do wody pitnej. Szczury z grupy eksperymentalnej zostały poddane cyklowi codziennych ekspozycji na działanie stałego pola elektrycznego o natężeniu 35 kV/m, odpowiadającym najwyższym wartościom natężenia stwierdzanym w korytarzu aktualnie działających linii przesyłowych wysokiego napięcia prądu stałego w szczególnie niekorzystnych warunkach pogodowych, natomiast szczury z grupy kontrolnej poddawane były ekspozycji pozorowanej, w trakcie której pomiędzy elektrodami układu ekspozycyjnego nie było generowane pole elektryczne. Czas trwania pojedynczej ekspozycji wynosił 8 godzin. W obu grupach wydzielono 4 równoliczne podgrupy (po 8 szczurów każda), różniące się czasem ekspozycji w polu elektrycznym lub ekspozycji pozorowanej. Szczury z poszczególnych podgrup poddawane były cyklowi odpowiednio 14, 28 i 56 codziennych ekspozycji, a w ostatniej podgrupie zwierzęta po zakończeniu cyklu


68

56 codziennych ekspozycji przebywały dalej przez okres 28 dni w tych samych warunkach środowiskowych z wyłączeniem oddziaływania pola elektrycznego. Stałe pole elektryczne wykorzystywane w doświadczeniu generowane było za pomocą układu ekspozycyjnego składającego się z: autotransformatora, transformatora wysokiego napięcia 220 V/60 000 V, prostownika kaskadowego, opornika wodnego, 2 okrągłych elektrod, pomiędzy którymi umieszczano klatkę ze zwierzętami oraz kilowoltomierza magnetostatycznego typu C 196. Po zakończeniu cyklu badawczego składającego się z ustalonej liczby ekspozycji w polu elektrycznym lub odpowiednio ekspozycji pozorowanych, każdorazowo 8 szczurów z poszczególnych grup było głodzonych przez 24 h, a następnie sekcjonowanych w narkozie Morbitalowej w godzinach dopołudniowych. Następnie za pomocą rutynowych metod laboratoryjnych w uzyskanej surowicy oznaczano stężenie glukozy i insuliny, natomiast w homogenatach tkanki wątrobowej zawartość glikogenu oraz aktywność enzymów biorących udział w metabolizmie glukozy: dehydrogenazy mleczanowej (LDH), dehydrogenazy izocytrynianowej (ICD), dehydrogenazy jabłczanowej (MDH), dehydrogenazy glukozo-6-fosforanowej (G6PDH), dehydrogenazy sorbitolowej (SDH) aldolazy fruktozo-1,6-difosforanowej (FDPA) oraz dehydrogenazy glutaminianowej (GLDH). Uzyskane pomiędzy obu grupami różnice wartości badanych parametrów poddano analizie statystycznej. W 14 i 28 dniu cyklu ekspozycji stężenie glukozy w grupie eksponowanej w polu było znamiennie niższe w porównaniu z grupą kontrolną (odpowiednio o 19,2% i 15,1%). W 56 dniu cyklu i po jego zakończeniu stężenia glukozy w obu grupach nie różniły się znamiennie. W 14 dniu cyklu stężenie insuliny w grupie eksponowanej w polu nie różniło się znamiennie w porównaniu z grupą kontrolną. W 28 dniu cyklu stężenie insuliny w grupie eksponowanej w polu było znamiennie wyższe w porównaniu z grupą kontrolną (o 67,0%). W 56 dniu cyklu i po jego zakończeniu stężenia insuliny w obu grupach nie różniły się znamiennie. W 14 i 28 dniu cyklu zawartość glikogenu w homogenatach wątroby w grupie eksponowanej w polu była znamiennie niższa w porównaniu z grupą kontrolną (odpowiednio o 66,9% i 54,0%). W 56 dniu cyklu i po jego zakończeniu zawartość glikogenu w homogenatach wątroby w obu grupach nie różniła się znamiennie. W trakcie całego cyklu i po jego zakończeniu aktywność LDH w homogenatach wątroby w grupie eksponowanej w polu była znamiennie niższa w porównaniu z grupą kontrolną (odpowiednio o 81,7%, 94,0%, 67,1% i 47,4%). W 14 dniu cyklu aktywność ICD w homogenatach wątroby w grupie eksponowanej w polu była znamiennie niższa w porównaniu z grupą kontrolną (o 46,1%). W dalszej fazie cyklu i po jego zakończeniu aktywność ICD w obu grupach nie różniła się znamiennie. W trakcie całego cyklu i po jego zakończeniu aktywność MDH w homogenatach wątroby w obu grupach nie różniła się znamiennie. W 14 dniu cyklu aktywność G6PDH w homogenatach wątroby w obu grupach nie różniła się znamiennie. W 28 dniu cyklu aktywność G6PDH w grupie eksponowanej w polu była znamiennie wyższa w porównaniu z grupą kontrolną (o 78,8%), natomiast w 56 dniu cyklu aktywność tego enzymu była znamiennie niższa w porównaniu z grupą kontrolną (o 45,1%). Po zakończeniu cyklu aktywność G6PDH w obu grupach nie różniła się znamiennie. W 14 i 28 dniu cyklu aktywność SDH w homogenatach wątroby w grupie eksponowanej w polu była znamiennie niższa w porównaniu z grupą kontrolną (odpowiednio o 29,5% i 24,7%). W ostatnim dniu cyklu i po jego zakończeniu aktywność SDH w obu grupach nie różniła się znamiennie. W 14 dniu cyklu aktywność FDPA w homogenatach wątroby w obu grupach nie różniła się znamiennie. W 28 i 56 dniu cyklu aktywność tego enzymu w grupie eksponowanej w polu była znamiennie niższa w porównaniu z grupą kontrolną (odpowiednio o 9,7% i 10,6%). Po zakończeniu cyklu aktywność FDPA w grupie eksponowanej w polu była znamiennie wyższa w porównaniu z grupą kontrolną (o 21,9%). W 14 dniu cyklu aktywność GLDH w homogenatach wątroby w obu grupach nie różniła się znamiennie. W 28 dniu cyklu aktywność tego enzymu w grupie eksponowanej w polu była znamiennie niższa w porównaniu z grupą kontrolną (o 35,8%). W ostatnim dniu cyklu i po jego zakończeniu aktywność GLDH w obu grupach nie różniła się znamiennie.


69

Na podstawie wyników przeprowadzonych badań wykazano, że długotrwała ekspozycja na oddziaływanie stałego pola elektrycznego o parametrach fizycznych generowanych przez linie przesyłowe wysokiego napięcia prądu stałego powoduje przejściowy spadek stężenia glukozy w surowicy jako efekt pobudzenia wydzielania insuliny w przebiegu długotrwałej reakcji stresowej wywołanej działaniem pola elektrycznego, z następowymi adaptacyjnymi zmianami aktywności enzymów metabolizujących glukozę i przejściowym spadkiem zawartości glikogenu w tkance wątrobowej we wstępnej fazie cyklu ekspozycji, umożliwiającymi zachowanie hemostazy gospodarki węglowodanowej.


70

MODEL MATEMATYCZNY ZESPOŁU ELEKTRYCZNEGO SKŁADAJĄCEGO SIĘ Z TRANSFORMATORA MOCY,

SILNIKÓW INDUKCYJNYCH, ODCIĄŻENIA NIELINIOWEGO RL ORAZ BATERII KOMPENSACYJNEJ

MATHEMATICAL MODEL OF THE ELECTRICAL SET CONSISTED OF POWER TRANSFORMER, INDUCTION MOTORS,

NONLINEAR LOAD RL AND BATTERY OF CAPACITORS

Andriy Czaban, Marek Lis, Andrzej Popenda, Marek Patro, Marcjan Nowak Politechnika Częstochowska, Wydział Elektryczny

W pracy poddano analizie procesy elektromechaniczne w zespole elektrycznym, który składa się z transformatora mocy, silników indukcyjnych, nieliniowego odciążenia RL oraz baterii kompensacyjnej kondensatorów o zmiennej pojemności. Dla sformułowania różniczkowych równań stanu wykorzystano interdyscyplinarną metodę, która wykorzystuje modyfikację zasady Hamiltona. Transformatory są powszechnie stosowane w przemysłowych systemach energetycznych, w których występuje duża ilość odbiorów o charakterze najczęściej indukcyjnym. W takich systemach procesy elektromagnetyczne i elektryczne są skomplikowane, na przykład: stany asymetrii zasilania, obciążenia, stany zwarcia itp. [3]. Innym ważnym problemem, który pojawia się w zespołach elektrycznych jest stabilizacja napięcia węzła zasilania. W stanach ustalonych taki proces nazywa się kompensacją mocy biernej. Aby odtworzyć prawdziwy fizyczny obraz w układzie elektromaszynowym należy zastosować wysokoadekwatny model matematyczny, który w pracy sformułowano drogą przekształcenia rozszerzonego funkcjonału dziania wg Hamiltona. [1, 2]. Schemat połączeń analizowanego układu przedstawiono na rys. 1.

Rys. 1. Schemat połączeń zapolu elektrycznego z baterią kompensacyjną


71

Elementy zmodyfikowanego lagrangianu [1, 2] przedstawionego zależnością:

* * * * * * *

0

, ( )t

R tL T P D t d , (1)

gdzie: L* – zmodyfikowana funkcja Lagrange’a, *T – koenergia kinetyczna, *P – energia potencjalna, * – energia dyssypacji, *D – energia sił zewnętrznych.

dla układu z rys. 1 przyjmują następującą postać:

1 2 , ,3 3*

1 1 2 2 , , , ,1 1 10 0 0 0 0

j j rj Sj k Rj ki i i i iN

j j j j rj rj Sj k Sj k Rj k Rj kj k j

T di di di di di

22 2 3,1, 1, 2, 2, *

1

,2 2 2

C jk k k k

j j

QJ JP

C

,

3 3

* 2 2 2 2 21 1 2 2 , , , ,

1 1 10 0 0

1 1( )

2 2

t t tN

j j j j Sj k Sj k RLj k Rj k r rj k j

r i r i d r i r i d R i i d

3 3 3

*1 1 2 2 2 ,

1 1 1 10 0 0

( ) , , ,t t tN

Cjj j j j rj j Sj k Cj

jj k j j

QD u i u i i d u i d i d j A B C

C

. (2)

Wyznaczając wariację rozszerzonego funkcjonału działania i przyrównując ją do zera, otrzymano model matematyczny układu elektromechanicznego przedstawionego na rys. 1. Do głównego przewodu zespołu podłączono baterię kondensatorów statycznych o pojemności: 1 10C F (1), 2 300C F (2),

3 10C mF (3), 4 130C mF (4). Wyniki symulacji komputerowej przedstawiono w postaci graficznej.

Rys. 2. Przejściowe prędkości obracania wszystkich grup silników asynchronicznych dla pierwszego

doświadczenia ( 1 10C F )

Rys. 3. Przejściowe prędkości obracania wszystkich grup silników asynchronicznych dla

czwartego doświadczenia ( 4 130C mF )

Wnioski

Wykorzystanie interdyscyplinarnej metody pozwoliło sformułować modele matematyczne skomplikowanych układów elektromechanicznych wychodząc z koncepcji elektromechanicznego przetwarzania energii. Obecność baterii kompensacyjnej o zmiennej pojemności pozwala na osiągnięcie najbardziej efektywnej pracy zespołu elektrycznego.


72

Literatura [1] Chaban A.: Modelowanie matematyczne procesów oscylacyjnych systemów elektro-

mechanicznych, wydanie drugie, zmienione i uzupełnione – Lwów: W-wo T. Soroki 2008. [2] Lis M.: Modelowanie matematyczne procesów przejściowych w elektrycznych układach

napędowych o złożonej transmisji ruchu, Seria monografie, Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej, Częstochowa 2013.

[3] Rusek A.: Stany dynamiczne układów napędowych z silnikami indukcyjnymi specjalnego wykonania, Seria Monografie 228, Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej, Częstochowa 2012.


73

RYZYKO RAŻENIA PRĄDEM W MASZYNACH ELEKTRYCZNYCH

ZNAJDUJĄCYCH SIĘ W STANIE WYBIEGU

ELECTRIC SHOCK RISK AT ELECTRICAL MACHINES IN COASTING STATE

Paweł Czaja, Andrzej Jąderko Politechnika Częstochowska, Wydział Elektryczny

Streszczenie. W artykule opisano zagrożenia występujące w maszynach elektrycznych będących w ruchu po wyłączeniu napięcia zasilającego. Zbadano zjawisko indukowania napięcia w maszynach znajdujących się w stanie wybiegu, na skutek przetwarzania zgromadzonej w wirującej maszynie energii mechanicznej i magnetycznej w energię elektryczną. Pokazano przebiegi czasowe napięć w maszynach będących w stanie wybiegu. Przeprowadzono próby dla kilkunastu typowych maszyn elektrycznych o różnych momentach bezwładności. Maszyny przed wyłączeniem zasilane były ze źródeł napięcia przemiennego i stałego, a także za pomocą układów energoelektronicznych Abstract. Risk of the electric shock at electrical machines in coasting state are described in this paper. Phenomenon of the coasting voltage arise at the electrical machines as a results of the mechanical and magnetic energy conversion into electrical energy are investigated. Are shown waveforms of the coasting voltages at electrical machines. Tests for more than ten typical electrical machines of a different moments of inertia are performed. Electrical machines are supplied from AC and DC sources, as well as from AC and DC power converters Słowa kluczowe: maszyny elektryczne, rażenie prądem, stan wybiegu Keywords: electrical machines, electric shock, coasting state Wstęp – indukowanie napięć w maszynach znajdujących się w stanie wybiegu W zastosowaniach przemysłowych napęd elektryczny najczęściej składa się z maszyny elektrycznej prądu przemiennego lub stałego połączonej mechanicznie sztywnym wałem z urządzeniem napędzanym. Po wyłączeniu napięcia zasilającego maszyna elektryczna znajduje się w stanie wybiegu, którego czas zależy od momentu bezwładności układu mas wirujących wchodzących w skład całego układu napędowego. Pomimo braku napięcia zasilającego, na zaciskach silnika pojawia się napięcie indukowane na skutek przetwarzania zgromadzonej w wirującej maszynie energii mechanicznej i magnetycznej w energię elektryczną. W chwili początkowej wybiegu napięcie indukowane na zaciskach maszyny ma wartość odpowiadającą napięciu zasilania. Amplituda indukowanego napięcia zmniejsza się, zgodnie z funkcją wykładniczą, w czasie zależnym od parametrów silnika oraz momentu bezwładności mas wirujących wchodzących w skład układu napędowego. Zjawisko to występuję we wszystkich typowych maszynach elektrycznych zarówno prądu przemiennego, jak i stałego. W pracy [1] przedstawiono wyniki badań urządzeń napędowych w kopalniach węgla kamiennego pod kątem indukowania napięcia niebezpiecznego dla człowieka na zaciskach maszyn elektrycznych. Autor pracy przeprowadził eksperymenty na maszynach prądu przemiennego średniej i dużej mocy w napędach urządzeń kopalnianych, gdzie czasy wybiegu osiągają duże wartości (w szczególnych przypadkach nawet do kilkunastu minut). Autor wskazał na nieskuteczność zabezpieczeń przeciwporażeniowych w zastosowaniach do ochrony maszyn elektrycznych, ze względu na


74

występowanie na ich zaciskach napięcia wybiegu o wartości niebezpiecznej dla człowieka przez czas kilku sekund. W pracy [2] autorzy opisali problemy ze stosowaniem wyłączników RCD do ochrony przeciwporażeniowej układów elektromaszynowych zasilanych z przemienników częstotliwości z falownikami PWM. W niniejszym artykule przedstawiono wyniki badań eksperymentalnych wybiegu kilkunastu typowych maszyn elektrycznych prądu przemiennego i stałego z grupy III i IV elektrycznych urządzeń napędowych pracujących z różnego typu obciążeniami. Maszyny prądu przemiennego zasilane były z sieci trójfazowej 3x400V oraz z przemiennika częstotliwości z falownikiem napięcia PWM, natomiast maszyny prądu stałego zasilano z sieci 230V oraz z przekształtników energoelektronicznych, tj. z nawrotnego układu napędowego prądu stałego z prostownikami 6T i przerywacza tranzystorowego sterowanego metodą PWM. Oddziaływanie prądu elektrycznego na organizm ludzki Użytkownicy instalacji i urządzeń elektrycznych mogą być narażeni na wystąpienie porażenia prądem elektrycznym na skutek dotyku bezpośredniego części czynnych niebezpiecznych lub dotyku pośredniego części przewodzących dostępnych, które znalazły się pod napięciem. Najbardziej rozpowszechnionym standardem instalacji elektrycznych niskiego napięcia są układy 230/400V o częstotliwości 50/60 Hz. Z tego względu, większość wypadków porażenia występuje dla prądów przemiennych 50/60 Hz, przy czym najczęstsze są rażenia na drodze: ręka – stopa (stopy) lub ręka – ręka. Wystąpienie negatywnych skutków rażenia prądem elektrycznym ocenić można na podstawie raportu nr 479 Międzynarodowej Komisji Elektrotechnicznej [3]. Na rys. 1 przedstawiono charakterystykę skutków rażenia prądem przemiennym o częstotliwości 15÷100 Hz na drodze przepływu lewa ręka – stopy. Na rys. 1 oznaczono strefy występowania skutków patofizjologicznych w zależności od czasu i wartości prądu wrażeniowego. Krzywą b uznaje się za graniczną wartość prądu samouwolnienia, powyżej której nie jest możliwe samodzielne uwolnienie się rażonego spod napięcia. Zdarzenia zagrażające bezpośrednio życiu występują wówczas, gdy wartości prądu i czasu rażenia przekraczają wartości graniczne wynikające z krzywych c1 – c2 – c3, rozdzielających strefy AC-3 i AC-4. Krzywą c1 uznaje się za granicę tolerowanego ryzyka przy ochronie przeciwporażeniowej.

Rys. 1. Działanie na organizm ludzki prądu elektrycznego o częstotliwości 15÷100 Hz

przy przepływie prądu na drodze obie stopy – lewa ręka [1]


75

Wyniki badań eksperymentalnych Badania eksperymentalne przeprowadzono dla kilkunastu typowych maszyn elektrycznych prądu stałego i prądu przemiennego. Za pomocą oscyloskopu cyfrowego zarejestrowano przebiegi czasowe napięcia wybiegu maszyn zasilanych z sieci prądu przemiennego i stałego, a także z układów energoelektronicznych. Na rys. 2 pokazano przebieg napięcia wybiegu silnika prądu przemiennego SZje56i 4kW/380V/16A/955n zasilanego z przemiennika częstotliwości z falownikiem napięcia PWM obciążonego prądnicą prądu stałego. Na rys. 3 pokazano przebieg napięcia wybiegu silnika prądu stałego PBBa52a 5,1 kW/220V/27,3A/1000n zasilanego z nawrotnego napędu tyrystorowego prądu stałego.

Rys. 2. Przebieg napięcia wybiegu silnika SZje56i 4kW/380V zasilanego z przemiennika częstotliwości

Rys. 3. Przebieg napięcia wybiegu silnika PBBa54a 5,1kW/220V zasilanego z napędu tyrystorowego

Na podstawie wykonanych badań eksperymentalnych stwierdzono, że napięcie wybiegu maszyn elektrycznych utrzymuje się na poziomie niebezpiecznym dla człowieka przez czas od kilkuset milisekund do kilku sekund, co może stwarzać poważne zagrożenie dla osób obsługujących napędy elektryczne. Dotyczy to zarówno maszyn elektrycznych prądu stałego jak i przemiennego, także małych i średnich mocy. Szczególnie uwidacznia się to w układach z maszynami zasilanymi z przemienników częstotliwości z falownikiem PWM, gdzie amplituda początkowa napięcia wybiegu jest równa wartości napięcia w obwodzie pośredniczącym falownika (ponad 500V). Wyniki badań eksperymentalnych potwierdzają wątpliwą skuteczność wyłączników RCD do ochrony przeciwporażeniowej układów napędowych. Literatura [1] Gierlotka S.: Ryzyko porażenia prądem przez maszyny elektryczne wyłączane z ruchu, (2011), elektro.info

5/2011

[2] Czaja P., Jąderko A.: Wpływ prądów upływu w przewodach ochronnych przekształtników z falownikiem PWM na działanie zabezpieczeń przeciwporażeniowych RCD, (2013), Przegląd Elektrotechniczny 12/2013, ss. 203-206

[3] CEI/IEC/TS 60479-1:2005 Effects of current on human beings and livestock – Part 1: General aspects

[4] PN-E-05115:2002 Instalacje elektroenergetyczne prądu przemiennego o napięciu wyższym od 1 kV

[5] PN-EN 61140:2005/A1:2008 Ochrona przed porażeniem prądem elektrycznym – wspólne aspekty instalacji i urządzeń

[6] PN-HD 60364-4-41:2009 Instalacje elektryczne niskiego napięcia. Ochrona dla zapewnienia bezpieczeństwa. Ochrona przed porażeniem elektrycznym

[7] Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (Dz.U. nr 75, poz. 690, z późniejszymi zmianami)


76

SZACOWANIE STRAT DODATKOWYCH W UZWOJENIACH TRANSFORMATORÓW Z WYKORZYSTANIEM NUMERYCZNYCH

METOD POLOWYCH

THE ESTIMATION OF ADDITIONAL LOSSES IN THE TRANSFORMER WINDINGS USING NUMERICAL

METHODS OF FIELD CALCULATION

Paweł Drzymała, Henryk Welfle Politechnika Łódzka

Streszczenie. W pracy przedstawione zostały nowoczesne metody budowy trójwymiarowych modeli obliczeniowych uzwojeń transformatorów dla potrzeb szacowania strat dodatkowych od składowej osiowej i promieniowej pola rozproszenia. Podstawą analizy strat w uzwojeniu GN i DN było zastosowanie wektora Poyntinga, który określa moc i kierunek strumienia mocy elektromagnetycznej przechodzącej przez jednostkę powierzchni prostopadłej uzwojenia do kierunku przepływu energii. W artykule zaprezentowano metody budowy modeli numerycznych uzwojeń prądowych. Opracowany model matematyczny wykorzystuje złączenie różnych typów potencjałów magnetycznych. Zastosowanie opisu pola różnymi typami potencjałów pozwala na ograniczenie liczby elementów siatki oraz równań różniczkowych. 1. Wprowadzenie Nowoczesne metody modelowania stanowią obecnie istotną rolę w projektowaniu poprawnych i niezawodnych konstrukcji transformatorów. Wiele konstrukcji transformatorów, z racji koncentracji pola rozproszenia i ich nierównomiernych rozkładów modeluje się metodami stosunkowo dokładnymi lecz na obecną chwilę dosyć czasochłonnymi. Takie metody analizy wykorzystują numeryczne modele siatkowe, w których liczy się rozkład wektorowego potencjału magnetycznego. Do metod tych zaliczyć można metodę elementu skończonego (MES). W artykule zaprezentowana została trójwymiarowa analiza pola, na podstawie której policzone zostały straty dodatkowe dla transformatora o mocy znamionowej1250 kVA o przekładni napięciowej 6/1,05 kV. W transformatorze tym uzwojenia GN złożone były z trzech grup poszczególnych warstwy uzwojenia nawiniętego pojedynczym przewodem. Uzwojenia DN złożone były z trzech grup warstw nawiniętych taśmą Rysunek 1.


77

a) b)

Rys.1. Model transformatora: a) model uzwojeń z widocznymi warstwami, b) rozkłady modułu indukcji w rdzeniu dla wybranej chwili czasowej. 2. Szanowanie strat dodatkowych promieniowych i osiowych w uzwojeniu Podstawą analizy strat dodatkowych w uzwojeniu GN i DN jest twierdzenie Poyntinga. Wektor Poyntinga określa moc i kierunek strumienia mocy elektromagnetycznej przechodzącej przez jednostkę powierzchni prostopadłej do kierunku przepływu energii. Twierdzenie Poyntinga może być stosowane do obliczania mocy czynnej, biernej i pozornej dopływającej do badanego obszaru. Twierdzenie Poyntinga jak jest dowiedzione można wykorzystać dla dowolnego środowiska liniowego i nieliniowego, wykazującego histerezę jak również dla środowisk niejednorodnych i anizotropowych. W literaturze zostało wykazane, że ma ono ogromną przydatność praktyczną. Twierdzenie Poyntinga jest szczególnym przypadkiem ogólnego prawa zachowania energii i stanowi punkt wyjścia dla prawa przetwarzania energii elektromagnetycznej pola na energię cieplną w środowiskach przewodzących. Straty od składowej osiowej pola (wzdłuż kolumny, na której nałożone jest uzwojenie) oraz od składowej promieniowej (od składowej wzdłuż promienia r dla każdej z osobna warstw w osi kolumny, na której nałożone jest uzwojenie) szacować można numerycznie na podstawie twierdzenia Poyntinga. Często straty te podawane są jako współczynnik strat podstawowych dla rozpatrywanego uzwojenia. W obliczeniach tych strat istotny jest zatem rozkład pola a dokładniej natężenia pola magnetycznego (lub indukcji) wzdłuż poszczególnych części uzwojeń DN i GN. Ponieważ rozkład składowej osiowej natężenia pola jest nierównomierny i zmienia się zarówno w kierunku osiowym jak i promieniowym (tzn. wzdłuż osi uzwojenia po promieniu jak i po jego wysokości) to szacowanie tych strat możliwe jest jedynie na drodze numerycznej dla każdego zwoju z osobna w zależności od jego położenia w warstwie i w grupie. W tym celu wyliczone zostały straty osiowe dla każdego zwoju uzwojenia.

a)

0,00E+00

2,00E‐03

4,00E‐03

6,00E‐03

8,00E‐03

1,00E‐02

1,20E‐02

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

NipozaOkn4 NipozaOkn3 NipozaOkn2 NipozaOkn1

Współczynnik strat dodatkowych od składowej osiowej pola By (w oknie)

Nr cewki

Grupa

b)

0,00E+00

2,00E‐02

4,00E‐02

6,00E‐02

8,00E‐02

1,00E‐01

1,20E‐01

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

NipozaOkn4 NipozaOkn3 NipozaOkn2 NipozaOkn1

Współczynnik strat dodatkowych od składowej promieniowej pola Br (poza oknem)

Nr cewki

Grupa

Rys.2. Rozkłady współczynnika procentowego strat dla poszczególnych warstw wybranej grupy uzwojenia GN dla każdej z 4 warstw: a) od składowej osiowej pola By (połowa uzwojenia w oknie), b) od składowej promieniowej indukcji wybranej grupy Agn3 uzwojenia (połowa uzwojenia w oknie).


78

Obliczone straty dodatkowe są stosunkiem strat podstawowych wydzielanych dla danego uzwojenia. Straty dodatkowe osiowe i promieniowe dla grup uzwojenia GN: Agn1, Agn2, Agn3 (stosunek wartości procentowej strat podstawowych wydzielanych dla danego uzwojenia) wynoszą: Grupa Agn1 od strony uzwojenia DN - 19% strat podstawowych. Grupa środkowa Agn2 - 10% strat podstawowych. Grupa zewnętrzna skrajna Agn3 - 6,4% strat podstawowych. 4. Podsumowanie W artykule zaprezentowane zostały numeryczne metody modelowania uzwojeń transformatorów dla potrzeb szacowania strat dodatkowych od składowej osiowej i promieniowej pola rozproszenia. Szacowanie strat dodatkowych przeprowadzono z zastosowaniem wektora Poyntinga. Obliczone straty dodatkowe podano jako stosunek wartości procentowej strat podstawowych wydzielanych dla danego uzwojenia. 5. Literatura

[1] Drzymała P., Welfle H.: Numerical methods in modeling of large power transformer windings Electrical Review 2011, Vol.: 87 Issue: 2 Pages: 191-194

[2] Drzymała P., Welfle H., Wiak S.: Modeling of 3D electromagnetic filed distributions of a large power transformer, Przegląd Elektrotechniczny (Electrical Review), ISSN 0033-2097, R. 86 NR 8/2010 page 131-134.

[3] Turowski J.: Technical Electrodynamics, WNT Publishers (in Polish), 1993

[4] Drzymała P., Welfle H.: Three-dimensional field analysis and forces acting on the High Power Transformer Windings. Electrical Review. 2010 R.86 nr 12 s.263-266,

[5] Drzymała P., Welfle H.: Analysis of electromagnetic phenomena and losses in the power transformer clamping-rods: Electrical Review, ISSN 0033-2097, R. 88 NR 4a/2012, s.82-85.


79

PARAMETRY CZUJNIKÓW PRZYŚPIESZENIA Z AFP

Jerzy Filipiak1, Grzegorz Steczko, Sebastian Kostrzewa1, Łukasz Wcisło1

1 Institute of Electronic and Control Systems, Technical University of Czestochowa

Streszczenie Do pomiaru przyspieszenia są stosowane różne konstrukcje mierników przyspieszenia popularnie nazywane akcelerometrami. Ich wspólną cechą jest wykorzystanie oddziaływania siły bezwładności na organ pomiarowy. Aktualnie do pomiarów przyśpieszenia są wykorzystywane trzy rodzaje czujników: sejsmometry, akcelerometry piezoelektryczne i mikromechaniczne krzemowe czujniki przyśpieszenia (MEMS). Każdy czujnik przyśpieszenia posiada swoje parametry konstrukcyjne i eksploatacyjne. Podstawowe parametry konstrukcyjne są następujące: Charakterystyka częstotliwościowa, która umożliwia określenie zakresu częstotliwości pracy

czujnika i jego częstotliwość rezonansową oraz opóźnienie, Czułość Czułość skrośna Liniowość Do pomiaru przyśpieszenia można wykorzystać czujnik przyśpieszenia z akustyczną falą powierzchniową (CP-AFP). W pracy przedstawimy zasadę działania takiego czujnika, jego modelowanie i wykonanie oraz podstawowe parametry konstrukcyjne zarówno teoretyczne jak i eksperymentalne. Na rys. 1 jest przedstawiony wykonany czujnik przyśpieszenia z AFP. Ustrojem pomiarowym czujnika jest płytka z materiału piezoelektrycznego. Na jej powierzchni jest wykonana linia opóźniająca z AFP. Jeden koniec płytki jest sztywno zamocowany. Drugi swobodny jest obciążony masą sejsmiczną. Przemieszczenia obudowy czujnika są opisane funkcją Y(t). Siła bezwładności proporcjonalna do przyśpieszenia obudowy powoduje przemieszczenia płytki czujnika. Powstałe naprężenia i odkształcenia zmieniają opóźnienie linii opóźniającej z AFP. Wartość zmian opóźnienia linii jest proporcjonalna do przemieszczenia końca płytki opisanego funkcją y(t). Układ pomiarowy czujnika przyśpieszenia z AFP jest przedstawiony na rys.1b. Sygnał na jego wyjściu jest opisany funkcją y(t) i ma postać napięcia o wartości proporcjonalnej do wielkości przyśpieszenia obudowy czujnika.

(a) (b)

Rys.1. Czujnik drgań z AFP (a) oraz jego układ pomiarowy (b)

Do opisu parametrów ruchu anizotropowej, piezoelektrycznej płytki czujnika opracowano model o jednym stopniu swobody. Uzyskano zależności pozwalające obliczyć charakterystykę częstotliwościową czujnika oraz sygnał wyjściowy z czujnika w zależności od wielkości


80

przyśpieszenia jego obudowy. Wykonano obliczenia teoretycznych charakterystyk wykonanych czujników. Określono ich częstotliwości rezonansowe. Wykonano badania eksperymentalne parametrów konstrukcyjnych czujnika. Bezpośredni pomiar charakterystyk częstotliwościowych czujnika wymaga odpowiednich stanowisk. Informacje o ich przebiegu można uzyskać znając ich związek z odpowiedzią impulsową. Charakterystyka częstotliwościowa płytki czujnika jest związana z odpowiedzią impulsową przez transformatę Fouriera. Odpowiedzi impulsowe otrzymano przez impulsowe uderzenie obudowy czujnika. Pomiar częstotliwości rezonansowej czujnika był wykonany automatycznie podczas rejestracji odpowiedzi impulsowej na oscyloskopie. Transformata Fouriera odpowiedzi impulsowej pozwala na uzyskanie informacji o amplitudowej charakterystyce częstotliwościowej czujnika. Na rys. 2a przedstawiono odpowiedź impulsową czujnika drgań z AFP o częstotliwości rezonansowej 91Hz i jej widmo. Czułość statyczną czujnika wyznaczono rejestrując zmianę sygnału wyjściowego z czujnika przy zmianie przyśpieszenia działającego na czujnik o 2”g”. Przyśpieszenie zmieniono przez zmianę położenia czujnika względem kierunku przyśpieszenia ziemskiego. Przebieg wyjściowy z czujnika przy zmianie przyśpieszenia o „2g” przedstawiono na rys. 2b.

(a) (b)

Rys.2. Odpowiedź impulsowa czujnika (kolor żółty) i jej widmo (kolor różowy) – (a) oraz sposób wyznaczania czułości statycznej czujnika – (b).

Czułość czujnika zmienia się ze zmianą częstotliwości mierzonego przyśpieszenia. Charakter zmian zależy przede wszystkim od amplitudowej charakterystyki częstotliwościowej czujnika. Na rys. 2a amplitudowa charakterystyka częstotliwościowej przy częstotliwości rezonansowej 91Hz jest ponad 20 razy większa niż amplituda statyczna. Oznacza to, że dynamiczna czułość czujnika przy częstotliwości rezonansowej będzie 20 razy większa od czułości statycznej. Taka rozpiętość wielkości uzasadnia konieczność wprowadzenia pojęcia czułości dynamicznej czujnika przyśpieszenia z AFP, a więc czułości czujnika dla jego częstotliwości rezonansowej. Przedstawione na rys.2 wyniki pomiarów umożliwiły jej wyznaczenie. Wykonano pomiary liniowości czujnika. Wykonano statyczne badania zależności pomiędzy pomiarowym sygnałem wyjściowym z czujnika, a wielkością mierzonego przyśpieszenia. Do tego celu czujnik umieszczono na stoliku. Ruch stolika o regulowanej amplitudzie pozwolił na pomiar zmian amplitudy odpowiedzi impulsowej czujnika w funkcji zmian amplitudy przyśpieszenia stanowiącego sygnał wejściowy czujnika. Wykonano analizę zmierzonych parametrów konstrukcyjnych czujnika CP–AFP. Otrzymane wyniki porównano z wielkościami teoretycznymi oraz parametrami aktualnie stosowanych czujników przyśpieszenia.


81

PODZESPOŁY Z AKUSTYCZNĄ FALĄ POWIERZCHNIOWĄ

Jerzy Filipiak1, Grzegorz Steczko, Sebastian Kostrzewa1, Łukasz Wcisło1

1 Institute of Electronic and Control Systems, Technical University of Czestochowa

Streszczenie

W pracy zostaną przedstawione podzespoły z akustyczną falą powierzchniową (AFP). Omówiony będzie historyczny rozwój podzespołów z AFP: od wynalazku przetwornika międzypalczastego przez White”a i Voltmera w 1965 r. przez pierwsze zastosowania podzespołów z AFP do obróbki sygnałów złożonych w systemach

radiolokacyjnych w 1970 r., zastąpienie filtrów LC w sprzęcie telewizyjnym przez filtry AFP w 1985 r., oraz wprowadzenie filtrów AFP dla miniaturyzacji telefonii komórkowej w 1990 r. Przedstawione zostanie modelowanie i sposób projektowania: klasycznych filtrów pasmowych z AFP, zasady działania pasywnych bezprzewodowych systemów identyfikacyjnych i czujnikowych

z AFP, oraz czujniki APF różnych wielkości fizycznych. Przedstawione zostaną praktycznie wykonane podzespoły z AFP znane z literatury oraz z prac Autorów. Fala powierzchniowa rozprzestrzenia się w pobliżu powierzchni swobodnej ciała stałego i zanika w jego głębi. Głębokość wnikania fali zależy od rodzaju ośrodka i częstotliwości fali. Zwykle głębokość zanikania odpowiada długości fali powierzchniowej. Fale te rozprzestrzeniają się bez dyspersji, więc ich prędkość fazowa równa się prędkości grupowej. Fale powierzchniowe towarzyszą trzęsieniom ziemi, mogą propagować się w każdym ośrodku sprężystym. Przełomem w ich technicznym wykorzystaniu było opracowanie przetwornika międzypalczastego (rys.1a). Umożliwił on wzbudzanie tych fal w podłożach piezoelektrycznych i ich zamianę na sygnał elektryczny.

(a) (b) Rys. 1. Przetwornik międzypalczasty – (a), filtr z falą powierzchniową – (b) Materiały monokrystaliczne posiadają własności anizotropowe. Charakteryzuje je powtarzalność parametrów, niezawodność i niskie straty propagacji fali.


82

Dwa współpracujące przetworniki międzypalczaste tworzą elektryczny filtr bierny. Zakres ich pracy to częstotliwości od kilkudziesięciu MHz do kilku GHz. Model filtrów z AFP wykorzystuje narzędzia do projektowania filtrów cyfrowych z rozszerzeniem opisu szeregu zjawisk fizycznych towarzyszących pracy przetwornika międzypalczastego. Pozwala on projektować filtry o dość dowolnej częstotliwościowej charakterystyce amplitudowej oraz liniowej, bądź nieliniowej charakterystyce fazowej. Technologia wykonania tego typu filtrów, oparta na klasycznej fotolitografii spowodowała rozwój podzespołów z AFP. Początek rozwoju podzespołów z AFP stanowiły urządzenia do obróbki sygnałów złożonych w systemach radiolokacyjnych. Przykładem jest przedstawiona na rys.2a generacja sygnału z liniową modulacją częstotliwości i jego kompresja realizowana przez linie dyspersyjne. Opracowane i wykonane linie dyspersyjne stanowią dorobek Autorów. Przykładową amplitudową charakterystykę częstotliwościowa filtru pasmowego przedstawiono na rys.2b. Posiada ona bardzo niski poziom listów bocznych ( -56 dB).

(a) (b)

Rys. 2. Generacja sygnału z liniową modulacją częstotliwości i jego kompresja – (a) oraz amplitudowa charakterystyka częstotliwościowa filtru pasmowego – (b) Rezonatory są innym rodzajem szeroko stosowanych podzespołów z AFP. Przykładową strukturę rezonatora przedstawiono na rys. 3a. Jest ona złożona z dwóch przetworników międzypalczastych umieszczonych wewnątrz struktur odbijających falę powierzchniową. Rezonatory tego typu wykonuje się do zakresu częstotliwości kilku GHz. Czujniki stężenia gazów oraz różnych wielkości mechanicznych to kolejny obszar stosowanych podzespołów z AFP. Na rys. 3b przedstawiono strukturę czujnika stężenia gazów. Warstwa selektywnego absorbenta umieszczona pomiędzy przetwornikami absorbując gaz zmienia opóźnienie linii opóźniającej. Pomiar zmian opóźnienia pozwala na określenie stężenia gazu.

(a) (b)

Rys.3. Struktury: rezonatora z AFP – (a) oraz filtru do pomiaru stężenia gazu – (b)

Tego typu podzespoły z AFP zostaną przedstawione w prezentowanej pracy.


83

WPŁYW ROZMIARU SZCZELINY POWIETRZNEJ NA EFEKTYWNOŚĆ GRZANIA W CZASIE

ŚRÓDMIĄŻSZOWEJ HIPERTERMII MIKROFALOWEJ IMPACT OF THE AIR GAP SIZE

ON THE HEATING EFFICIENCY DURING INTERSTITIAL MICROWAVE HYPERTHERMIA

Piotr Gas, Eugeniusz Kurgan AGH Akademia Górniczo-Hutnicza

Katedra Elektrotechniki i Elektroenergetyki

Śródmiąższowa hipertermia mikrofalowa stanowi mało inwazyjną technikę powszechnie wykorzystywaną w leczeniu raka [1]. Dzięki prostej budowie i łatwej aplikacji mikrofalowej anteny radiacyjnej możliwe jest szybkie grzanie nawet głęboko zlokalizowanych guzów jednocześnie oszczędzając zdrowe tkanki. Przeprowadzone badania wykazały, że wysoka temperatura z zakresu 40 – 45°C może doprowadzić do martwicy komórek nowotworowych znajdujących w bezpośrednim sąsiedztwie anteny [2]. Wyższe temperatury wywołują nieodwracalną denaturację białek i uszkodzenie wszystkich komórek [3]. Obecność szczeliny powietrznej w współosiowej strukturze aplikatora umożliwia wytworzenie wyższych wartości natężenia pola elektrycznego w rejonie szczeliny, co ma bezpośredni związek z indukowaniem wyższych temperatur. Warto podkreślić, że leczenie ciepłem uzyskało pozytywne wyniki kliniczne w połączeniu z radioterapią i chemioterapią [4]. Metoda ta obecnie zyskuje zastosowanie w leczeniu różnych nowotworów, w tym szczególnie w leczeniu guzów wątroby, piersi, nerek, mózgu i płuc [5]. W modelu przedstawionym na Rys. 1 przyjęto, że antena współosiowa zbudowana jest z wewnętrznego przewodnika, dielektryka, zewnętrznego przewodnika i plastikowej osłony, pełniącej funkcję ochronną. W zewnętrznym przewodniku na wysokości z = 16 mm znajduje się cylindryczna szczelina powietrzna o rozmiarze d. Dla uproszczenia przyjęto model dwuwymiarowy osiowosymetryczny, w układzie współrzędnych cylindrycznych r, z, ϕ. Ponadto założono, że tkanka

ludzka i elementy anteny stanowią ośrodki jednorodne, liniowe i anizotropowe. W niniejszej pracy zbadano wpływ szerokości szczeliny powietrznej na efektywność grzania tkanki, a co za tym idzie na skuteczność leczenia śródmiąższową hipertermią mikrofalową.

Rys. 1. Dwuwymiarowy model anteny współosiowej ze szczeliną powietrzną.


84

W rozpatrywanym modelu równanie polowe dla fali TM przyjmuje następującą postać:

1

2r 0 0 r

0

j μ 0

H H (1)

Powyższe równanie jest sprzężone z równaniem przewodnictwa cieplnego w strukturach biologicznych, podanym przez Pennesa zgodnie z równaniem [6]:

b b b b ext met( ) k T C T T Q Q (2)

Wielkością łączącą oba równania jest natężenie pola elektrycznego ukryte w gęstości mocy wytworzonej przez antenę mikrofalową Qext = 0,5 σ|E|2. Równania (1) i (2) rozwiązano w oparciu o metodę elementów skończonych. Wymiary anteny oraz stałe materiałowe zaczerpnięto z literatury [1, 7]. Założono, że częstotliwość robocza anteny wynosi f = 2,45 GHz, a całkowita moc wejściowa anteny jest ustalona na poziomie Pin = 1 W. Taki dobór parametrów zapewnia, że temperatura w tkance nie przekracza 45oC. Przykładowe rozkłady temperatury dla różnej szerokości szczeliny powietrznej zestawiono na Rys. 2.

1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4 2.6 2.8 342.2

42.3

42.4

42.5

42.6

42.7

42.8

42.9

43

43.1

43.2

r [mm]

Tem

pera

tura

T [o C

]

T(r) dla różnej szerokości szczeliny

1

2

3

4

5

d1 = 0,50 mm

d2 = 1,00 mm

d3 = 1,50 mm

d4 = 2,00 mm

d5 = 2,50 mm

0.014 0.015 0.016 0.017 0.018 0.019 0.02 0.021 0.022 0.023 0.024

42.2

42.22

42.24

42.26

42.28

42.3

42.32

42.34

42.36

42.38

42.4

z [m]

Tem

pera

tura

T [o C

]

T(z) dla różnej szerokości szczeliny

43 5

1

2

d1 = 0,50 mm

d2 = 1,00 mm

d3 = 1,50 mm

d4 = 2,00 mm

d5 = 2,50 mm

Rys. 2. Powiększenie rozkładów temperatury wewnątrz tkanki człowieka wzdłuż osi radialnej na wysokości szczeliny powietrznej z = 16 mm (po lewej) oraz osi horyzontalnej w odległości r = 2,5 mm od anteny (po prawej) dla różnych szerokości szczeliny powietrznej d.

Literatura [1] Gas P., Tissue Temperature Distributions for Different Frequencies derived from Interstitial

Microwave Hyperthermia, Przegląd Elektrotechniczny, vol. 88, no. 12b, pp. 131-134, 2012. [2] Jiao T. et al., A coaxial-slot antenna for invasive microwave hyperthermia therapy, Journal of

Biomedical Science and Engineering, vol. 5, no. 4, 198-202, 2012. [3] Ryan T.P., Turner P.F., Hamilton B., Interstitial microwave transition from hyperthermia to ablation:

historical perspectives and current trends in thermal therapy, International Journal of Hyperthermia, vol. 26, no. 5, 415-433, 2010.

[4] McPhee S.J., Papadakis M.A., Rabow M.W., Current Medical Diagnosis and Treatment 2013, 52nd Ed., The McGraw-Hill, 2013.

[5] Ito K., Saito K., Development of Microwave Antennas for Thermal Therapy, Current Pharmaceutical Design, vol. 17, no. 22, 2360-2366, 2011.

[6] Pennes H.H., Analysis of Tissue and Arterial Blood Temperatures in the Resting Human Forearm, Journal of Applied Physiology, vol. 85, no. 1, 5-34, 1998.

[7] Gabriel S., Lau R.W., Gabriel C., The dielectric properties of biological tissues: III. Parametric models for the dielectric spectrum of tissues, Physics in Medicine and Biology, 41, 2271-2293, 1996.


85

WPŁYW WILGOTNOŚCI BIOMASY NA STRATY MOCY W TORZE FALOWODOWYM NA PASMO X

Z WYCIĘTYM PRZELOTOWO OTWOREM

Aleksander Gąsiorski, Zdzisław Posyłek Politechnika Częstochowska, Wydział Elektryczny

Streszczenie W pracy zaproponowano metodę mikrofalowej identyfikacji zawartości wody w biomasie. Zbudowano laboratoryjny, pomiarowy tor falowodowy, z przelotowo wyciętym (poprzecznym) otworem w elemencie falowodu na którym przeprowadzono badania. Otrzymane wyniki badań wskazują na możliwość wykorzystania tej metody identyfikacji do określania zawartości wilgoci nie tylko w biomasie ale również w innych materiałach sypkich nasiąkających wodą a nie przewodzących prądu elektrycznego. Dla określania wilgotności biomasy zaproponowany sposób jest alternatywny do obecnie stosowanych metod elektrycznych i wagowych. 1. Biomasa i woda Biomasa, szczególnie biomasa lignocelulozowa, zwana również „granulatem drzewnym”, uważana jest obecnie za ekologiczne paliwo spalane w piecach służących do ogrzewania pomieszczeń. Obecnie, ze względu na właściwości energetyczne oraz prostotę użytkowania zalicza się to paliwo do bardzo efektywnych źródeł energii cieplnej [1]. Po spaleniu tego surowca pozostaje niewielka ilość popiołu wynosząca do 4-5% wagi spalanego materiału, dodatkowo popiół może służyć jako nawóz. Paliwo produkowane jest z wysuszonej i rozdrobnionej a następnie podgrzanej, prasowanej, wyciskanej i granulowanej, biomasy lignocelulozowej. Zaraz po zakończeniu procesu produkcji granulat (np. pelet) charakteryzuje się niską zawartością wilgoci, wynoszącą 6–10%, małą ilością substancji szkodliwych dla środowiska (których procentowy udział uzależniony jest od użytego surowca), oraz doskonałymi właściwościami energetycznymi [1]. Produkt magazynowany akumuluje wodę a mokry nie nadaje się do spalania w piecach, gdyż przed spaleniem niepotrzebnie pobiera ciepło na samoosuszenie a powstająca para wodna dodatkowo aktywuje chlor i siarkę, które wraz z tlenkami są przyczyną tworzenia się szkodliwych osadów i korozji wysokotemperaturowej na wewnętrznych powierzchniach grzewczych pieca. Granulat przeznaczony do spalania, według producentów pieców, powinien posiadać wilgotność nieprzekraczającą h=12-15 % [3], a wilgotny bez przesuszenia nie nadaje się do efektywnego spalania w piecach. Dlatego konieczne są skuteczne i proste metody techniczne szybkiej oceny zawartości wody w biomasie [3]. 2. Tor falowodowy na pasmo X z wyciętym odcinkiem falowodu Ponieważ cząsteczki wody zawarte w biomasie pochłaniają znaczną część energii pola elektromagnetycznego a odbijają tylko jej niewielką część [2, 4], dlatego wykorzystując to zjawisko, zaproponowano opisaną niżej metodę identyfikacji wilgotności rozdrobnionej biomasy lignocelulozowej. Dla badań wybrano pasmo X z zakresu mikrofalowego, to jest częstotliwości od 8 GHz do 12,5 GHz. Złożono doświadczalny tor mikrofalowy na elementach falowodu prostokątnego (rys. 1a) o oznaczeniach R100 (według. I.E.C.) lub WR 90 (USA) [4]. Falowód ma wymiary przestrzeni wewnętrznej: 22,86 [mm] x 10,16 [mm], zalecaną częstotliwość pracy z zakresu 8,20 [GHz] - 12,40 [GHz] oraz częstotliwość odcięcia rodzaju TH10 równą fo = 6,557 [GHz].


86

Do przeprowadzenia badań zbudowano tor mikrofalowy (układ pomiarowy) składający się z generatora typu G4-86 (produkcji rosyjskiej) o zakresie pracy 7,5 [GHz] - 10,5 [GHz] zasilającego tor falowodowy w którego skład wchodziły: przejście z kabla koncentrycznego na falowód PK.060-660 (produkcji rosyjskiej), izolator Polfer typu IX-34 (produkcji polskiej) eliminujący wpływ fali odbitej, falowodowy dzielnik mocy, pomiarowa linia szczelinowa typ P14 (produkcji rosyjskiej), badany odcinek falowodu o długości 180 [mm], mikrofalowy miernik mocy Hewlett Packard typu 423 B z głowicą pomiarową na pasmo X.

Rys. 1. Widok kompletnego stanowiska badawczego (rys. 1a) oraz odcinka falowodu z wykonanym wycięciem (rys. 1b). W skalibrowanym układzie, jako rodzaj (mod) wiodący wykorzystano TH10 i przeprowadzono komplet typowych badań odcinka falowodu dla pobudzenia harmonicznego. Następnie obustronnie (przelotowo) wycięto otwór w falowodzie usuwając krótsze jego boki na długości 130 [mm], praktycznie otrzymując w tym fragmencie falowodu przejście z układu falowodowego na linię dwupaskową (rys. 1b). Przestrzeń pomiędzy płaskimi okładkami tej linii wykorzystano do dalszych badań. Po pobudzeniu tak zmodyfikowanego toru falowodowego tą samą częstotliwością co poprzednio, stwierdzono, że moc wyjściowa wynosi około 55 [%] mocy przy nie wyciętym odcinku falowodu. Ten poziom mocy przyjęty jako P1 stanowi punkt wyjściowy do dalszych rozważań. W celu określenia optymalnej długości użytkowej wycięcia, za pomocą linii pomiarowej wyznaczono długość fali w tak zmodyfikowanym torze falowodowym. Przy zasilaniu układu pomiarowego z generatora częstotliwością fg =10 [GHz] zmierzona częstotliwość fali w zmodyfikowanym falowodzie wynosiła ff =7,5 [GHz], co odpowiada długości fali f = 40 [mm], na którą składają się dwie takie same połówki fali stojącej. Przez wycięty przelotowy kanał w ściankach falowodu, poprzecznie do kierunku ruchu fali elektromagnetycznej, umieszczane były rozdrobnione próbki peletu, przy czym długość odcinka który wypełniano materiałem była zmienna ale zawsze stanowiła wielokrotność długości f/4 = 10 [mm]. Zmianie ulegała wilgotność próbek, przy czym przed umieszczeniem ich pomiędzy płytami linii pomiarowej sprawdzano ich wilgotność za pomocą wykalibrowanego elektromechanicznego miernika wilgotności rozdrobnionej biomasy lignocelulozowej typu BIO-1 firmy Tanel z Gliwic. Kryterium określania wilgotności wyrażone zostało przez pomiar poziomu mocy P2 na wyjściu wyciętego toru falowodowego zawierającego biomasę w stosunku do poziomu mocy P1 na wyjściu układu wyciętego toru falowodowego nie zawierającego biomasy. Czas identyfikacji był krótki a moc podawana na układ falowodowy wynosiła 1 [mW] i była na tyle mała, aby wyeliminować zjawisko suszenia badanych próbek materiału w czasie trwania pomiarów. Mała moc ograniczyła również zjawiska mogące zagrażać w jakikolwiek sposób zdrowiu badających.


87

Rys. 2. a) Przebieg sprawności (P2/P1) w funkcji wykorzystywanej długości wycięcia l dla różnych wilgotności h[%] rozdrobnionej biomasy lignocelulozowej oraz b) przebieg sprawności (P2/P1) w funkcji wilgotności h[%] rozdrobnionej biomasy lignocelulozowej dla różnych długości wypełnienia l. 3. Wnioski Wyniki identyfikacji laboratoryjnej przedstawione na rysunkach 2 pozwalają na określenie optymalnej długości użytkowego wycięcia l szczeliny oraz wykazują, że stosunkowo duże zmiany spadków mocy w funkcji wilgotności są dogodne do przybliżonego jej określania. Wskazuje to, że zaproponowana metoda doskonale nadaje się do szybkiej oceny stopnia wilgotności próbek wykonanych z biomasy lignocelulozowej. Ponieważ czas identyfikacji wilgotności jest bardzo krótki, dlatego też można zastosować tą metodę identyfikacji wilgotności nawet wówczas, gdy biomasa lignocelulozowa będzie się przemieszczała. Metoda pozwala również na to, aby wyniki identyfikacji wilgotności mogły być podawane w czasie rzeczywistym oraz mogły służyć do blokowania dostępu do pieca zbyt wilgotnej biomasie lignocelulozowej. Literatura 1. Jasiulewicz M.; Energetyczne wykorzystanie biomasy w działalności gospodarczej,

Wydawnictwo Politechniki Koszalińskiej, Koszalin 2009, s. 311. ISBN 9788373651821

2. Piątek Z., Jabłoński P.; Podstawy teorii pola elektromagnetycznego, WNT, Warszawa 2010, s. 466, ISBN: 978-83-2043-599-3

3. Przetwarzanie biomasy na cele energetyczne, redakcja J. Frączek, Polskie Towarzystwo Inżynierii Rolniczej (PTIR), Kraków 2010, s. 268, ISBN 978-83-917053-9-1.

4. Szóstka J.; Mikrofale. Układy i systemy, WKŁ, Warszawa 2006, s. 350, ISBN: 978 83-2061-607-1.


88

PROTOTYPOWE STANOWISKO LABORATORYJNE DO BADANIA TOPLIWOŚCI POPIOŁU

METODĄ RUROWĄ

Aleksander Gąsiorski1, Zdzisław Posyłek1, Tomasz Dróżdż2

1 Politechnika Częstochowska, Wydział Elektryczny 2 Uniwersytet Rolniczy im. Hugona Kołłątaja w Krakowie

Wydział Inżynierii Produkcji i Energetyki

Streszczenie W pracy wykazano powody dla których przeprowadza się badania temperatur topliwości popiołów. Omówiono prototypowe wysokoczęstotliwościowe urządzenie elektryczne pozwalające na oznaczenie tego parametru metoda rurową zgodnie z PN-ISO-540:2001 z użyciem kamery cyfrowej i zastosowaniem do obróbki uzyskanych informacji wizualnych specjalizowanego programu numerycznego. Pokazano, że parametry zbudowanego prototypowego urządzenia pozwalają na zastosowanie go, nie tylko do badania temperatury płynięcia popiołów dennych otrzymanych w procesie spalania biomasy lignocelulozowaej ale również mieszaniny biomasy z węglem brunatnym lub kamiennym, węgla brunatnego i węgla kamiennego oraz innych paliw i materiałów stałych. 1. Popiół denny jako odpad powstający w procesie spalania biomasy Popiół jest odpadem powstającym podczas spalania każdego paliwa stałego. Powstający w procesie spalania popiół można podzielić na część lotną (popiół lotny) unoszoną przez gazy i część nielotną (popiół denny) gromadzony i odprowadzany z dolnej części komory paleniskowej pieca. Duża zawartość metali alkalicznych oraz obecność chloru i siarki w biomasie może być przyczyną tworzenia się szkodliwych osadów i korozji wysokotemperaturowej na powierzchniach grzewczych kotła. Dla biomasa stosowanej do celów energetycznych opracowane zostały na świecie procedury techniczne pozwalające na określanie właściwości fizycznych takich jak zawartość: wilgoci, popiołu, części lotnych, oznaczenie ciepła spalania i wartości opałowej oraz oznaczenie charakterystycznych temperatur topliwości popiołu i właściwości chemicznych takich jak zawartości siarki (popiołowej i palnej), węgla, wodoru i azotu. Obecnie dużą wagę w krajach Unii Europejskiej oraz Stanach Zjednoczonych przykłada się do opracowania metod wszechstronnych badań stałego paliwa ekologicznego jakim jest, coraz powszechniej stosowana biomasa lignocelulozowa, zwykle sprzedawana pod postacią granulowanego peletu. Ponieważ, badania własności fizycznych i chemicznych materiału spalanego są wymagane przez normy i przepisy [N1,N2], pozwalające na wprowadzenie do sprzedaży peletu, dlatego stworzono normatywne procedury i opracowano urządzenia do określania tych własności. Ze względów technicznych, jednym z ważniejszych parametrów dla użytkowników pieców jest oznaczenie temperatury płynięcia popiołu, gdyż przekroczenie tej temperatury w piecu powoduje zalanie rusztu płynnym popiołem (szlaką) co eliminuje pieca z dalszej pracy, na czas niezbędny, do ostudzenia pieca i uciążliwego, mechanicznego oczyszczania rusztu. Temperatura ta, dla popiołów powstałych ze spalania peletów wykonanych z materiałów o odmiennych składach jest różna [2]. Dlatego normy nakładają na producenta umieszczenie na opakowaniu każdej partii peletu informacji o temperaturze płynięcia popiołu.


89

2. Oznaczanie charakterystycznych temperatur topliwości popiołu Idea metody podanej w normie [N3] polega na ogrzewaniu kształtki (próbki) w postaci walca lub sześcianu, o ostrych brzegach, wykonanej z prasowanego popiołu [N2], z szybkością 30 [OC/min] do temperatury 900 [oC] oraz 10 [oC /min] powyżej temperatury 900 [oC] w odpowiednim neutralnym środowisku gazowym (np. w mieszaninie tlenku i dwutlenku węgla w stosunku 3:2), oraz na ustaleniu charakterystycznych temperatur topliwości popiołu na podstawie wizualnej oceny zmian konturów badanej kształtki, obserwowanych na siatce pomiarowej. Przebieg procesu grzania jest zapisywany cyfrową kamerą elektroniczną umieszczona sztywno a w dalszym procesie komputerowej obróbki, na otrzymane obrazy nałożona jest prostokątna siatka pomiarowa zwykle zbudowana z 6 oczek w poziomie i 8 oczek pionie [N3]. Na podstawie zapisanych obrazów zmiany kształtów i wymiarów próbki w funkcji temperatury, we wnętrzu nagrzewającej rury grafitowej, prowadząc komputerową analizę zachowania się kształtki w czasie procesu podgrzewania oraz stopnia ubytku objętości badanej próbki, określa się temperatury: spiekania popiołu, mięknienia popiołu, topnienia popiołu, oraz płynięcia popiołu. Poprawność wyników badań termicznych zwykle potwierdza się wtórnie dla innych próbek wykonanych z tego samego popiołu. 3. Prototyp piecyka wysokoczęstotliwościowego do badania topliwości popiołu Prototyp piecyka wysokoczęstotliwościowy o mocy 2,3 [kW], zasilanego z sieci jednofazowej 230 [V], 50 [Hz] został wykonany w Politechnice Częstochowskiej przez mgr inż. Romana Czyża. W układzie elektrycznym piecyka wykorzystano tzw. mostek typu „H” wraz z transformatorem dopasowującym, po stronie wtórnej dostrojonym do częstotliwości rezonansu szeregowego wynoszącej 130 [kHz] [1]. W skład tego układu wchodzi między innymi wzbudnik wykonany z rurki miedzianej o średnicy 6 [mm] o z=2 zwojach oraz bateria kondensatorów złożona z kondensatorów typu HC-03 [4] o pojemności całkowitej C=10 [μF]. Wewnątrz wzbudnika znajduje się ceramiczna rura o dużej odporności termicznej do której wsunięta jest rura grafitowa stanowiąca obustronnie otwartą komorę pracy. Przez rurkę miedzianą wzbudnika przepływa w sposób wymuszonym woda chłodząca pracująca w obiegu zamkniętym z wymiennikiem ciepła. Przestrzeń grzewcza została zaprojektowana w ten sposób, aby możliwe było badanie próbek walcowych lub sześciennych i w postaci sześcianu o wymiarach o średnicy 25 [mm] i wysokości 25 [mm], mimo, że zwykle zgodnie z normą [N3], bada się próbki o wymiarach: sześcian o długości boku od 3 [mm] do 7 [mm], pionowy walec o wysokości równej średnicy wynoszącej od 3 [mm] do 9 [mm]. Pomiar temperatury odbywał się przy pomocy termoelementu platyna/platyna-rod z możliwością przyłączenia przewodów kompensacyjnych. Napięcie otrzymane z termoelementu jest napięciem odniesienia dla regulatora temperatury RE-3 firmy Lumel pracującego w układzie regulatora typu PID. Regulator ten posiada wbudowaną funkcję „ramping” umożliwiającą nastawianie stałej prędkości narastania temperatury w przestrzeni z nagrzewaną próbką w określonych zakresach temperatur. Piecyk może pracować do temperatury 1500 [oC ].

Rys. 1. a) Schemat elektryczny piecyka, b) wygląd skonstruowanego urządzenia, c) walcowa próbka sprasowanego popiołu o wymiarach 20 [mm] x 25 [mm] w rurze grafitowej podgrzana do temperatury 1000 [oC].

a) Zasilanie

Prostownik z regul. mocy

L1

K1

K3

U1 K4

K2

L2

Lwzb

C

Crs

Czujnik prądu I


90

W czasie badania próbka sprasowanego popiołu jest ona umieszczana na specjalnie ukształtowanej podstawce grafitowej znajdującej się wewnątrz wypoziomowanej rury grafitowej. Cały proces nagrzewania próbki w rurze, od chwili osiągnięcia temperatury startowej wynoszącej standardowo 750 [oC], rozpoczyna się proces rejestrowania obrazu (około 25-35 obrazów na minutę) w celu późniejszego określenia parametrów topliwości popiołów. Obraz poddawany jest opracowaniu numerycznemu [3]. 4. Wnioski Przedstawiony prototypowy piecyk może być konkurencyjny w stosunku do już używanych (produkowanych), ze względu na prostotę obsługi oraz niskie zużycie energii elektrycznej. Przeprowadzone badania próbne wykazują, że zaproponowane rozwiązanie może być stosowane do badania topliwości popiołu metodą rurową nie tylko do popiołów dennych otrzymanych w procesie spalania biomasy lignocelulozowej (bo takie popioły były badane) ale również mieszaniny biomasy z węglem brunatnym lub kamiennym, samego węgla brunatnego i węgla kamiennego, innych paliw stałych oraz niektórych materiałów ceramicznych. Zbudowane prototypowe stanowisko laboratoryjne spełnia wymagania norm [N1, N4]. Literatura 1. Gąsiorski A., Posyłek Z.; Nietypowe rozwiązanie indukcyjnego wysoko-częstotliwościowego

pieca tyglowego, Przegląd Elektrotechniczny (ISSN 0033-2097), 2013, R. 89, Nr 12, s. 230-233. 2. Kalembasa D.; Ilość i skład chemiczny popiołu z biomasy roślin energetycznych. Acta

Agrophysica (ISSN 1243-4125), 2006, Nr 7(4), s. 909-914. 3. Małkiński, W. Zając, J.; Wybrane problemy wizyjnej analizy właściwości termicznych

materiałów przy wykorzystaniu analizatora do wyznaczania punktów charakterystycznych przemian fazowych, Elektronika (ISSN 0033-2089) 2013, vol. 54, Nr 4, s. 51-55.

4. Mitra-Kutno, Filtry i Kondensatory, Katalog Mitra Sp. z o. o., Kutno, wydanie 2013 r. Normy N1. DIN 51730 Testing of solid fuels - Determination of fusibility of fuel ash (Badanie paliw stałych -

Określanie topliwości popiołów). N2. ISO 1171:2010 Solid mineral fuels - Determination of ash (stałe paliwa mineralne – Określenie

popiołu). N3. PN-ISO 540:2001 Paliwa stałe, Oznaczanie topliwości popiołu w wysokiej temperaturze metodą

rurową. N4. PN-82/G-04535 Paliwa stałe. Oznaczanie charakterystycznych temperatur topliwości popiołu.


91

EKSPOZYCJA NA POLE ELEKTRYCZNE Z PASMA 0 – 100 HZ, ANALIZA MOŻLIWOŚCI

WNIKANIA POLA DO WNĘTRZA CIAŁA CZŁOWIEKA

Zygmunt J. Grabarczyk Centralny Instytut Ochrony Pracy – Państwowy Instytut Badawczy

1. Wstęp Ocena potencjalnych skutków ekspozycji ciała człowieka na pole elektryczne wymaga analizy gęstości prądu i spadków napięć w tkankach eksponowanego ciała ludzkiego. W przypadku ekspozycji na pole elektrostatyczne lub pole elektryczne o ekstremalnie małej lub jeszcze mniejszej częstotliwości, przyjmuje się, że ciało człowieka jest wystarczająco dobrym przewodnikiem i pole nie wnika do wnętrza organizmu. Dlatego większość przepisów ochronnych, a zwłaszcza Dyrektywa 2013/35/UE, nie uwzględniają, pola elektrycznego o częstotliwości mniejszej niż 1 Hz. Celem artykułu analityczne oszacowanie, czy takie założenie jest słuszne. Odpowiedź na to pytanie wymaga analizy warunków brzegowych dla pola elektrycznego, na granicy powietrza i ciała ludzkiego. 2. Analiza warunków brzegowych Oszacowanie wykonano dla warunków pola statycznego lub quasi-statycznego. Rozpatrzony został model pokazany na rys. 1.

Rys. 1. Warunki graniczne dla pola elektrycznego quasi-statycznego, na granicy powietrza atmosferycznego i ciała człowieka. Oznaczenia: a – przenikalność elektryczna powietrza, b - przenikalność elektryczna ciała człowieka, σ0 – konduktywność elektryczna powietrza, σb – konduktywność elektryczna ciała, Ea – wektor natężenia pola elektrycznego w powietrzu, przy powierzchni ciała, Eb – wektor natężenia pola elektrycznego wewnątrz ciała, Enx i Etx odpowiednie składowe normalne i styczne do powierzchni granicznej tych wektorów. Wykorzystując zależność na gęstość prądu w materiale o niezerowej konduktywności: = + (1)

oraz warunki brzegowe i zasadę ciągłości prądu, wyznaczono wartość tłumienia składowej normalnej (do powierzchni ciała) we wnętrzu ciała, w stosunku pola zewnętrznego. Wykazano, że wartość


92

tłumienia zależy od stanu zjonizowania powietrza i od częstotliwości pola elektrycznego. Wyniki pokazano na rys. 2.

Rys. 2. Zależność współczynnika tłumienia składowej normalnej pola elektrostatycznego, przy wnikaniu do tkanki mięśniowej ciała, kn. Konduktywność tkanki – σb = 0,1 S/m, jej przenikalność elektryczna względna - r = 106. Wykazano, że w zakresie częstotliwości 0-100 Hz, Pole elektryczne jest praktycznie prostopadłe do powierzchni ciała, gdy składowa styczna pola jest o ok. 6 rzędów (dla 100, Hz) do co najmniej 13 rzędów wielkości (pole statyczne) mniejsza od składowej normalnej. 3. Dyskusja i wnioski Zakładając brak wyładowania, przy największym możliwym natężeniu zewnętrznego pola elektrycznego (3 MV/m) przy powierzchni ciała człowieka, maksymalne natężenie pola elektrostatycznego we wnętrzu ciała nie przekroczyłoby wartości 3 µV/m (obecnie brak jest jakichkolwiek doniesień, o obserwowalnych skutkach biologicznych tak słabej ekspozycji). Przy ekspozycji na pole 50 Hz potencjalna maksymalna wartość natężenia pola we wnętrzu ciała mogłaby osiągnąć wartość ok. 0,1 V/m, a przy ekspozycji na pole o natężeniu 10 kV/m, tylko 0,3 mV/m. Jest to wartość zbyt mała by wywołać obserwowalne skutki biologiczne. Powyższe rozważania dotyczą ciała człowieka umieszczonego w polu elektrostatycznym lub w polu zmiennym o paśmie częstotliwości 0 – 100 Hz. Również ruchy człowieka w polu elektrostatycznym są równorzędne ekspozycji na pole wolnozmienne. Reasumując, potencjalne efekty biologiczne lub behawioralne ekspozycji na pole elektryczne ekstremalnie wolnozmienne (tu od 0 do 100 Hz), poza przypadkiem przebicia elektrycznego powietrza lub poruszania włosów, są niezwykle mało prawdopodobne.

1,E+07

1,E+08

1,E+09

1,E+10

1,E+11

1,E+12

1,E+13

1,E+14

1,E+15

1,E+16

1,E+17

1,E-07 1,E-06 1,E-05 1,E-04 1,E-03 1,E-02 1,E-01 1,E+001,E+011,E+02

Tłum

ieni

e skła

dow

ej n

orm

alne

j pol

a el

ektry

czne

go

Częstotliwość natężenia pola, Hz

Wszystkie aerojony usuwane z powietrza przez pole elektrostatyczneStężenie par aerojonów lekkich 10/cm3Stężenie par aerojonów lekkich 100/cm3Stężenie par aerojonów lekkich 350/cm3Stężenie par aerojonów lekkich 1000/cm3


93

WYZNACZANIE PARAMETRÓW WIATRU W ENERGETYCE ODNAWIALNEJ

WIND PARAMETERS DETERMINING IN RENEWABLE POWER SECTOR

Andrzej Jąderko1, Michał K. Kowalewski2

1 Politechnika Częstochowska, Wydział Elektryczny Instytut Meteorologii i Gospodarki Wodnej – Państwowy Instytut Badawczy

2 Centrum Monitoringu Klimatu Polski

Streszczenie. W artykule opisano metody wyznaczania parametrów wiatru stosowane w energetyce odnawialnej. Podano podstawowe wiadomości dotyczące powstawania wiatru. Opisano czynniki wpływające na zasoby energetyczne wiatru. Pokazano podstawowe zależności opisujące energię wiatru. Otrzymano rozkłady kierunku i prędkości wiatru na podstawie danych historycznych ze stacji meteorologicznej. Obliczono gęstości mocy wiatru dla różnych kierunków. Obliczenia przeprowadzono za pomocą oprogramowania WAsP – Wind Resource Estimation Program. Na podstawie otrzymanych wyników wyznaczono prognozy produkcji energii elektrycznej z turbiny wiatrowej. Abstract. Methods of wind parameters determining applied at the renewable power sector are described in this paper. Fundamental knowledge of wind formation is presented. Factors witch have influence on wind energy resources are described. Fundamental dependences witch characterized wind energy are shown. Distributions of wind direction and wind velocity on the basis of historical data from meteorological station are obtained. Power density of wind for different destinations is calculated. Calculations are carried out using Wind Resource Estimation Program (WAsP). On the basis of received results forecasts of the electrical energy out of the wind turbine are calculated. Słowa kluczowe: parametry wiatru, metody wyznaczania, turbina wiatrowa, energia odnawialna Keywords: wind parameters, determining methods, wind turbine, renewable energy Wstęp Wiatr, jako zjawisko powszechne, wykorzystywany jest przez ludzkość od wieków. Pierwsze znane zastosowanie wiatru to wykorzystanie jego energii do napędu statków żaglowych, co spowodowało rozwinięcie się transportu morskiego, a przez to powstanie i rozwój wielu cywilizacji. Energię wiatru stosowano szeroko do napędu młynów, a także do pompowania wody. Jednak wzrastające uprzemysłowienie i wprowadzenie technologii wytwarzania energii cieplnej i elektrycznej ze źródeł kopalnych spowodowało spadek zainteresowania wykorzystaniem energii wiatru. W związku z prognozami wyczerpywania się zasobów paliw kopalnych służących do wytwarzania energii, a także z problemem wzrostu emisji do atmosfery dwutlenku węgla, pod koniec XX wieku rozpoczął się proces powrotu do wykorzystania tradycyjnych odnawialnych źródeł energii, w tym wiatru. Najważniejszymi walorami energii wiatru jest jej ogólna dostępność, niewyczerpalność zasobów, a także fakt, że przy jej zamianie w energię elektryczną nie powstają uboczne produkty w postaci zanieczyszczeń. Oblicza się, że zastąpienie energii elektrycznej produkowanej w elektrowniach węglowych, energią wytwarzaną przez elektrownie wiatrowe, eliminuje emisję do atmosfery dwutlenku siarki (5,5 g/kWh), tlenków azotu (4,2 g/kWh), dwutlenku węgla (700 g/kWh) oraz pyłów (49 g/kWh) [1]. Energetyka wiatrowa ma również swoje wady, z których podstawową jest


94

zmienność prędkości wiatru, co powoduje zmiany w ilości produkowanej energii, a nawet okresowe przerwy w pracy elektrowni. Problemem jest również zagrożenie dla ptaków oraz zmiany krajobrazu. „Wiatrem nazywamy poziomą składową ruchu powietrza względem powierzchni ziemi” [1]. Wiatr jest dalekim efektem oddziaływania promieniowania słonecznego na powierzchnię Ziemi oraz ruchu obrotowego kuli ziemskiej wokół własnej osi. Nierównomierny dopływ energii słonecznej do Ziemi spowodowany szerokością geograficzną oraz ruch obrotowy Ziemi, z którym wiąże się dobowy cykl dopływu energii, a także siła Coriolisa, powodują powstawanie ogólnej cyrkulacji atmosfery, tj. charakterystycznego dla Ziemi układu krążenia powietrza w troposferze. Na prędkość i kierunek wiatru ma wpływ nierównomierność nagrzewania mas powietrza w zetknięciu z powierzchnią Ziemi spowodowana różnicami w zdolności pochłaniania i oddawania ciepła w różnych skalach przestrzennych, od kontynentalnych, w których rozpatruje się różnicę między lądem, a oceanem, do lokalnych, gdzie bierze się pod uwagę różnice między południowym, a północnym stokiem, lasem, a polem, czy też miastem, a obszarem wiejskim. Dodatkowo występują bardzo lokalne układy wiatru, stabilne przestrzennie, związane z orografią, bądź dynamiczne związane z chmurami kłębiastymi. Wyznaczanie energii wiatru Pomimo, że w Polsce dobre warunki wiatrowe istnieją na niewielkim obszarze (głównie nadmorskim i na suwalszczyźnie), energetyka wiatrowa podlega szybkiemu rozwojowi. Wiatr o określonej prędkości, wiejący przez dużą część roku, jest podstawowym warunkiem ekonomicznym uzasadniającym budowę komercyjnych farm wiatrowych. Energia uzyskana z wiatru poprzez instalowanie małych elektrowni wiatrowych, nawet na terenach o słabych warunkach wiatrowych, zużywana na potrzeby własne, znacząco obniża koszty eksploatacyjne obiektów. Właściciele budynków mieszkalnych oraz gospodarstw rolnych inwestują w elektrownie wiatrowe, pomimo niekorzystnych do tej pory uwarunkowań prawnych i braku spójnego systemu dotacji państwa na wsparcie małej energetyki. Warunki wiatrowe silnie zależą do ukształtowania terenu i innych czynników wymienionych powyżej, w związku z czym, dane dotyczące prędkości wiatru podawane w skali regionalnej (mezoskali) często nie są wiarygodne w odniesieniu do konkretnej lokalizacji. Istnieje potrzeba pomiaru parametrów wiatru, tj. jego prędkości i kierunku w okresie co najmniej roku, bądź posłużenie się historycznymi danymi z najbliższej stacji meteorologicznej i przeniesienie ich za pomocą symulacji w miejsce posadowienia elektrowni wiatrowej. Na tej podstawie możliwe jest określenie zasobów energii kinetycznej i mocy wiatru występującego na danym obszarze [1], [2]. Wartość energii niesionej przez cząsteczki powietrza jest proporcjonalna do trzeciej potęgi jego prędkości i do gęstości. Gęstość powietrza jest uzależniona od aktualnych parametrów pogody, tj. temperatury, ciśnienia i wilgotności. Do obliczeń przybliżonych przyjmuję się często wartość gęstości powietrza przy temperaturze 150C i ciśnieniu 1000 hPa, równą 1,25 kg/m3. Równanie (1) przedstawia zależność na energię kinetyczną wiatru przepływającą przez powierzchnię prostopadłą do kierunku wiatru w określonym czasie [1].

StvEk 3

2

1 , (1)

gdzie: ρ – gęstość powietrza, v – prędkość wiatru, S – pole powierzchni, t – czas.


95

Przyjmując za pole powierzchni w równaniu (1) czynną powierzchnię przekroju wirnika turbiny wiatrowej oraz gęstość powietrza równą 1,25 kg/m3 otrzymuje się przybliżoną zależność wyrażającą moc wiatru wykorzystywaną przez tę turbinę w [kW] [1]:

3000625,0 vSPw . (2)

O zasobach energetycznych wiatru decydują głównie zmienność jego prędkości w czasie oraz pionowy profil wiatru zależny od wysokości nad poziomem terenu (w warstwie przyziemnej determinowany tzw. szorstkością podłoża) [2]. Najistotniejszym wskaźnikiem zasobów energetycznych jest energia wiatru brutto, tj. energia przepływająca z wiatrem w przez jednostkę powierzchni ciągu określonego okresu. Jej wartość związana jest z rozkładem częstości występowania prędkości wiatru w okresie godzinowym, dobowym, rocznym. Przy wykorzystaniu danych pochodzących ze stacji meteorologicznych, do określenia pionowego profilu wiatru w warstwie przyziemnej, stosuje się wzór Hellmana-Suttona [1]:

1010 zzvvz , (3)

gdzie: vz i v10 są prędkościami wiatru odpowiednio na wysokości z i wysokości 10m (jest to standardowa wysokość umieszczenia anemometrów na stacjach meteorologicznych). Wykładnik α jest funkcją szorstkości terenu, średniej prędkości wiatru w zakresie wysokości od 10 m do z oraz stanu równowagi pionowej powietrza, a także czasu uśredniania pomiarów prędkości wiatru [2]. Obliczenia energetyczne wiatru Obliczenia parametrów energetycznych wiatru zostały wykonane dla lokalizacji elektrowni wiatrowych o pionowej osi obrotu na budynku Wydziału Elektrycznego Politechniki Częstochowskiej [3] z wykorzystaniem oprogramowania WAsP (Wind Resource Estimation Program). Aplikacja WAsP jest oprogramowaniem narzędziowym służącym do analizy parametrów wiatru, tworzenia atlasów wiatru, oszacowań warunków wiatrowych, modelowania i lokalizacji turbin oraz farm wiatrowych. Wykorzystano historyczne dane pomiarowe wiatru ze Stacji Meteorologicznej Częstochowa z lat 1966 – 2013. W ramach wykonanych prac badawczych wyznaczono modelowane rozkłady kierunku i prędkości wiatru, a także wyliczono gęstości mocy wiatru dla różnych kierunków. Na rys. 1 pokazano przebieg średniorocznej prędkości wiatru na terenie Częstochowy (w roku 2005 została zmieniona wysokość umieszczenia anemometru z 12,7 m na 10,0 m n.p.t.).

0,00

0,50

1,00

1,50

2,00

2,50

3,00

3,50

4,00

1966 1971 1976 1981 1986 1991 1996 2001 2006 2011

lata

[m/s

]

Rys. 1. Przebieg średniorocznej prędkości wiatru w latach 1966 – 2013 w Częstochowie


96

Na rys. 2 pokazano modelowane rozkłady Weibulla prędkości wiatru dla różnych wysokości nad poziomem terenu, przy uwzględnieniu współczynnika α odniesionego do lokalizacji elektrowni 50049’14,15” N, 19007’01.64” E.

Rys. 2. Modelowane rozkłady prędkości wiatru ze wszystkich kierunków dla różnych wysokości n.p.t.

Literatura

[1] Kożuchowski K. (red.): Meteorologia i klimatologia, (2012), PWN, Warszawa

[2] Lorenc H.: Struktura i zasoby energetyczne wiatru w Polsce, (1996), Materiały Badawcze IMiGW, Seria: Meteorologia - 25, Warszawa

[3] Flasza J., Jąderko A., Popenda A., (2013): Kogeneracja (CHP) - szansa rozwoju elektrowni prosumenckich, Zeszyty Problemowe - Maszyny Elektryczne INiME KOMEL, Nr 2/2013 (99), ss. 293 - 297

[4] IEC 61400-12-1: Wind turbines – Part 12-1: Power performance measurements of electricity producing wind turbines, (2006)

[5] PN-EN 61400-2: Turbozespoły wiatrowe. Część 2: Wymagania projektowe dotyczące małych turbozespołów wiatrowych, (2008)

[6] Germanischer Lloyd Industrial Services GmbH, Guideline for the Certification of Wind Turbines, (2010), Hamburg - Germany


97

OPTYMALIZACJA NOWOCZESNYCH ZASILACZY IMPULSOWYCH

OPTIMIZATION OF THE MODERN SWITCH MODE POWER SUPPLIES

Andrzej Jąderko, Maciej Swadowski, Krzysztof Zygoń

Politechnika Częstochowska, Wydział Elektryczny

Streszczenie. W artykule opisano działania podejmowane w celu optymalizacji zasilaczy impulsowych pod względem sprawności i minimalizacji wymiarów. Prace obejmują badania układów przetwornic, układów prostownikowych, transformatorów wysokich częstotliwości, a także układów sterowania. Optymalizacja dotyczy doboru elementów i zagospodarowania przestrzeni w celu zwiększenia gęstości mocy oraz zmniejszenia strat w elementach aktywnych zasilacza impulsowego. Pokazano kilka rozwiązań przetwornic wysokoczęstotliwościowych wraz z przebiegami czasowymi charakterystycznych wielkości elektrycznych. Szczególną uwagę zwrócono na zagadnienie indukcyjności i pojemności pasożytniczych wynikających z połączeń pomiędzy elementami.

Abstract. Efficiency increasing and dimension minimization in order to optimization of Switch Mode Power Supplies are described in this paper. Work includes research on topologies of SMPS, rectifiers, transformers and controllers. Optimization relate to selection of elements and space utilization, to perform power density increase and power losses decrease in SMPS. Several projects of the switch mode converters and their waveforms are shown below. Particularly remark at the project stage turned to parasitic inductances and parasitic capacities in the connections between elements.. Słowa kluczowe: zasilacz impulsowy, optymalizacja, gęstość mocy Keywords: switch mode power supply, optimization, power density Wstęp Wymagania stawiane urządzeniom zasilającym urządzenia elektroniczne są coraz bardziej rygorystyczne. Przy projektowaniu nowoczesnych zasilaczy duże znaczenie ma ich sprawność. Jest to podyktowane trendem budowy urządzeń energooszczędnych i ekologicznych. Oprócz energo-oszczędności, ściśle związanej ze sprawnością, przykłada się dużą wagę do poziomu zakłóceń. Ogólna tendencja minimalizacji urządzeń istotnie wpływa na wymagane rozmiary ich członów zasilających. Małe rozmiary sprzętu wymagają stosowania coraz mniejszych zasilaczy. Widać to na przykładzie komputerów, których wymiary na przestrzeni ostatnich lat znacznie się zmniejszyły, jednak zapotrzebowanie na energię nie zmalało. Rozwijająca się tendencja wykorzystywania energii odnawialnej (elektrownie wiatrowe, panele słoneczne i inne) wymusiła zapotrzebowanie na nowe wysokosprawne przekształtniki energoelektroniczne. Przekształtniki mają na celu konwersję napięć wytwarzanych przez na przykład panele słoneczne, na napięcia, które mogą być wykorzystane przez przeciętnego użytkownika, tj. przede wszystkim 230V/50Hz. W opisanym przypadku niezwykle istotną staje się kwestia sprawności urządzeń przekształtnikowych. Celem jest uzyskanie jak największej ilości energii z systemu wykorzystującego źródło energii odnawialnej, co wiąże się z zapewnieniem minimalnych strat przetwarzania.


98

Autorzy pracują nad optymalizacją zasilaczy impulsowych pod względem maksymalizacji sprawności i minimalizacji wymiarów. Prace obejmują badania przetwornic, układów prostownikowych, transformatorów wysokiej częstotliwości, a także nowych rozwiązań układów sterowania. Optymalizacja dotyczy w szczególności doboru elementów, optymalnego zagospodarowania przestrzeni w celu zwiększenia gęstości mocy oraz zmniejszenia strat w elementach aktywnych zasilacza. Szczególnie istotnymi stają się zagadnienia indukcyjności i pojemności pasożytniczych pochodzących od połączeń pomiędzy elementami zasilacza. Najważniejszymi problemami do rozwiązania przy projektowaniu nowoczesnych zasilaczy są: - zwiększenie sprawności; - zwiększenie gęstości mocy; - zmniejszenie wymiarów; - redukcja zakłóceń (przewodzonych i promieniowanych). W przypadku zasilaczy impulsowych podstawowym parametrem jest częstotliwość przetwarzania. Dzięki wyższej częstotliwości można zwiększyć przenoszoną moc, przy zachowaniu wielkości transformatora, albo zachować moc przy zmniejszeniu wymiarów transformatora i filtrów. Z tego względu, częstotliwości przetwarzania w zasilaczach powinny być jak najwyższe, jednak przy wzroście częstotliwości następuje ogólny spadek sprawności zasilacza. Spadek sprawności jest wywołany większym udziałem strat łączeniowych w elementach aktywnych oraz start wydzielanych w innych elementach zasilacza. Autorzy wykonali prototypy zasilaczy zoptymalizowane pod względem sprawności oraz gęstości mocy. Pierwszym etapem pracy był wybór topologii falownika i prostownika oraz technologii wykonania transformatora. Drugi etap obejmował dobór elementów, tj.: tranzystorów falownika, kształtek rdzenia transformatora, elementów prostownika oraz elementów pasywnych i układów sterowania. Kolejnym etapem było wykonanie projektu związanego z optymalizacją połączeń elementów w celu minimalizacji pojemności i indukcyjności pasożytniczych – zastosowano technologię montażu powierzchniowego oraz dwuwarstwową płytkę obwodów drukowanych. Ostateczny projekt płytki obwodów drukowanych zasilacza został wykonany za pomocą komputerowych narzędzi projektowych. Efektem prac jest funkcjonalny prototyp zasilacza impulsowego o mocy 1kW z falownikiem półmostkowym, transformatorową separacją napięcia oraz prostownikiem mostkowym. Dzięki optymalizacji wymiarów i połączeń wewnętrznych można uzyskać dużą gęstość mocy oraz zwiększyć sprawność zasilacza w porównaniu do urządzeń wykonanych w montażu klasycznym THT. Autorzy w swej pracy korzystali z podstawowej literatury dotyczącej zagadnień energoelektroniki [1, 2, 3, 4, 5]. Budowa i badania eksperymentalne zasilaczy Na rys. 1 pokazano trzy prototypowe przetwornice o mocy 1 kW będące efektem prac w zakresie optymalizacji pod względem maksymalizacji gęstości mocy. Przetwornice różnią się koncepcją montażu. Pierwsza z lewej jest wykonana klasycznie, z prostownikiem diodowym. Częstotliwość przetwarzania wynosi 50 kHz przy sprawności 88% oraz gęstości mocy wynoszącej 0,79 W/cm3. Przetwornica pokazana w środku charakteryzuje się częstotliwością przetwarzania równą 100 kHz i sprawnością 91%. Wyposażona jest również w prostownik diodowy. Gęstość mocy wynosi 3,23 W/cm3. Przetwornica widoczna po prawej stronie (najmniejsza) charakteryzuje się częstotliwością przetwarzania równą 150 kHz i sprawnością 95% i wyposażona jest w prostownik synchroniczny. Gęstość mocy wynosi 12,65 W/cm3.


99

Na rys. 2 pokazano przebiegi czasowe napięć i prądów w charakterystycznych punktach układu przetwornicy o częstotliwości przetwarzania równej 150 kHz: 1 – przebieg bramkowy, 2 – przebieg prądu wyjściowego falownika, 3 – przebieg napięcia wyjściowego zasilacza, 4 – przebieg napięcia wyjściowego falownika.

Rys. 1. Kolejne wersje zasilaczy o mocy 1 kW jako efekt optymalizacji

Rys. 2. Przebiegi czasowe w charakterystycznych punktach układu przetwornicy o częstotliwości przetwarzania 150 kHz

Literatura [1] Barlik R., Nowak M. i inni: Układy energoelektroniczne, (1982), PWN, Warszawa

[2] Barlik R., Nowak M.: Technika tyrystorowa, (1997), WNT, Warszawa

[3] Tunia M., Barlik R.: Teoria przekształtników, (2003), Oficyna Wydawnicza PW, Warszawa

[4] Baranowski J., Czajkowski G.: Układy elektroniczne cz. II, Układy analogowe nieliniowe i impulsowe, (2004), WNT, Warszawa

[5] Januszewski S., Pytlak A., Rosnowska-Nowaczyk M.: Energoelektronika – podręcznik, (2012), WSiP, Warszawa


100

ANALIZA WRAŻLIWOŚCI JEDNORODNEGO MODELU CIAŁA CZŁOWIEKA

NA PARAMETRY PŁYNU SYMULUJĄCEGO TKANKI

Łukasz Januszkiewicz, Sławomir Hausman Politechnika Łódzka, Instytut Elektroniki

Streszczenie Projektowanie systemów radiokomunikacyjnych pracujących w pobliżu ciała człowieka, wymaga korzystania zarówno z symulacji komputerowych, jak i z pomiarów weryfikujących projekt. W obu przypadkach konieczne jest zastosowanie modeli ciała człowieka odwzorowujących oddziaływanie fal elektromagnetycznych z ciałem. W przypadku symulacji komputerowych stosowane są modele numeryczne, a w szczególności modele heterogeniczne, odwzorowujące budowę wewnętrzną ciała człowieka oraz parametry tkanek. Modele stosowane w pomiarach odwzorowują ciało człowieka za pomocą cienkościennego fantomu wykonanego z tworzywa sztucznego, który jest wypełniony płynem symulującym tkanki ciała. Jest to model jednorodny, który przybliża złożoną budowę wewnętrzną ciała płynem o parametrach elektrycznych odpowiadających uśrednionym wartościom dla całego ciała (wartość względnej przenikalności elektrycznej = 52, przewodności elektrycznej właściwej = 1,8 S/m). Przeprowadzenie pomiarów z wykorzystaniem takiego modelu wymaga użycia płynów o ściśle kontrolowanych parametrach, których zakup lub samodzielne przygotowanie jest kłopotliwe.

W artykule zbadano w jakim stopniu parametry płynów imitujących tkanki wpływają na wyniki eksperymentów wykorzystujących model jednorodny. Jako model referencyjny wykorzystano heterogeniczny model ciała NMR Hershey dostępny w programie XFDTD firmy Remcom. Wyniki uzyskane dla modelu heterogenicznego porównano następnie z wynikami otrzymanymi dla modelu jednorodnego. Model jednorodny miał taki sam kształt oraz rozmiar komórek elementarnych co model heterogeniczny. Porównano wyniki symulacji odstrojenia impedancyjnego oraz charakterystyk promieniowania dipola dopasowanego do pasma 2,4 GHz, który został umieszczony w pobliżu ciała (rysunek 1). Badania opisane w artykule przeprowadzono za pomocą programu XFDTD firmy Remcom, który umożliwia analizę zjawisk elektromagnetycznych metodą różnic skończonych w dziedzinie czasu.

Wyniki symulacji odstrojenia impedancyjnego przedstawione na rysunku 2 wskazują na istnienie obszaru w bezpośrednim sąsiedztwie ciała człowieka (od 2 mm do 12 mm – od 0,016 do 0,1 ), w którym model jest bardzo wrażliwy na właściwości płynu. Najbardziej zbliżone wyniki odstrojenia uzyskano dla płynu o parametrach zbliżonych do wartości uśrednionych dla tkanek. Przy większym oddaleniu anteny od ciała wyniki symulacji odstrojenia nie zależą w zauważalnym stopniu od parametrów płynu i są zbliżone do wartości referencyjnej nawet dla płynu o parametrach typowych dla wody.

Wyniki symulacji charakterystyki promieniowania anteny usytuowanej w pobliżu ciała (rysunek 3) wykazują niewielką wrażliwość na parametry płynu wypełniającego model jednorodny. W tym przypadku zastosowanie płynu o parametrach zbliżonych do parametrów czystej wody ( = 80, = 0.05 S/m) powoduje zmiany w zysku maksymalnym poniżej 1 dB.

Analiza wyników przeprowadzonych badań wskazuje na niewielką wrażliwość modelu jednorodnego na właściwości płynu symulującego tkanki w przypadku wykorzystania go do pomiarów charakterystyk promieniowania anten. Można się zatem spodziewać, że pomiary przeprowadzone za pomocą fantomów napełnionych czystą wodą nie wprowadzą znaczących różnic w stosunku do pomiarów wykonanych z wykorzystaniem kosztownych płynów symulujących tkanki. Wykorzystanie


101

modelu jednorodnego do badania efektu odstrojenia impedancyjnego anteny wymaga zastosowania płynu o właściwościach zbliżonych do parametrów uśrednionych tkanek ciała.

Rys.1. Ułożenie anteny na modelu ciała

a. b.

Rys. 2. Odstrojenie impedancyjne anteny: porównanie modelu heterogenicznego i modelu jednorodnego, a – stała przewodność właściwa modelu S = 1.8 S/m, różne stałe dielektryczne,

b – stała dielektryczna modelu = 80, różne przewodności właściwe

a. b.

Rys. 3. Znormalizowana charakterystyka promieniowania G(,90) anteny usytuowanej 20 mm przed ciałem: porównanie modelu heterogenicznego i modelu jednorodnego,

a – zakres zysku od 0 do -30 dB, b – zakres zysku od 0 do -5 dB


102

NAPĘD BEZSZCZOTKOWEGO SILNIKA PRĄDU STAŁEGO

Z ROZMYTYM REGULATOREM PRĘDKOŚCI

Beata Jakubiec Politechnika Częstochowska, Wydział Elektryczny

Wstęp Bezszczotkowe silniki prądu stałego BLDC (ang. Brushless DC Motor) dzięki swoim właściwościom mechanicznym i elektrycznym są coraz częściej stosowane. Bardzo chętnie są wykorzystywane w układach napędowych przenośnych urządzeń przemysłowych, jak i powszechnego użytku, zwłaszcza małej i średniej mocy. Rosnąca popularność tego typu silników znajduje swoje odzwierciedlenie w literaturze naukowej i branżowej. Prezentowane publikacje dotyczą m. in. możliwości zastosowań silników BLDC, projektowania nowych konstrukcji silników w celu poprawy parametrów elektromechanicznych, sposobów ich zasilania [1,3,5,8,10]. Ważną część badań stanowią poszukiwania rozmaitych strategii sterowania nimi oraz doboru algorytmów regulacji [4,7,9]. Jest to zagadnienie istotne z punktu widzenia procesów wymagających dokładnego sterowania prędkością czy też pozycją silnika, zwłaszcza w dynamicznych warunkach pracy. W artykule przedstawiono badania symulacyjne napędu z silnikiem bezszczotkowym prądu stałego, w którym układ sterowania wykorzystuje logikę rozmytą. Głównym celem było opracowanie regulatora prędkości w postaci regulatora rozmytego (ang. Fuzzy Logic Controller) [2,6]. Zaproponowane rozwiązanie ma zapewnić lepsze właściwości regulacyjne niż najczęściej stosowany klasyczny regulator typu PI, i jednocześnie charakteryzować się postacią pozwalającą na prostą implementację w układzie rzeczywistym. Model symulacyjny Dla potrzeb symulacji komputerowych opracowano model układu napędowego trójfazowego silnika BLDC małej mocy z rozmytym regulatorem prędkości (rys. 1).

Rys. 1. Schemat blokowy modelu symulacyjnego


103

Układ pracuje w podwójnej zamkniętej pętli sterowania, gdzie pętla wewnętrzna odpowiada za regulację prądu, natomiast pętla zewnętrzna realizuje sterowanie prędkością kątową. Komutatorem elektronicznym jest falownik napięcia z modulacją szerokości impulsów zasilany z baterii akumulatorów. Model zrealizowano w programie Matlab/Simulink, a do zaprojektowania regulatora rozmytego wykorzystano przybornik FuzzyLogic Toolbox. W ramach badań symulacyjnych testowano różne struktury i parametry regulatora rozmytego oraz obserwowano podstawowe wielkości elektromechaniczne silnika. Dokonano oceny skuteczności działania zaproponowanego regulatora. Podsumowanie Opracowany model symulacyjny oraz wykonane badania wskazują na poprawne działanie rozmytego regulatora prędkości w układzie napędowym z silnikiem bezszczotkowym prądu stałego. Poza uzyskanymi lepszymi parametrami jakości regulacji w stosunku do regulatora klasycznego, zaletą tego typu regulatora jest to, że do jego zaprojektowania nie jest konieczna znajomość dokładnego opisu matematycznego systemu. Można również zaobserwować jego większą odporność na zakłócenia. Literatura

[1] Bogusz P., Korkosz M., Prokop J.: A Study on Design Process of BLDC Motor for Aircraft Hybrid Drive, Proceedings of the 2011 IEEE International Symposium on Industrial Electronics, Gdańsk, Poland, pp. 508-513.

[2] Driankov D., Hellendoorn H., Reinfrank M.: Wprowadzenie do sterowania rozmytego, Warszawa, WNT 1996.

[3] Dukalski P.: Silnik BLDC z magnesami trwałymi jako napęd wózka inwalidzkiego, Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne Nr 86/2010, s. 267-272.

[4] Goryca Z.: Metody sterowania silnikow BLDC, Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych Politechniki Wrocławskiej Nr 66, Studia i Materiały Nr 32, 2012, s. 32-47.

[5] Kolano K.: Napęd drzwi kabinowych dźwigu osobowego z wysokowydajnym silnikiem BLDC, Przegląd Elektrotechniczny Nr 11b/2012, s. 348.

[6] Piegat A.: Modelowanie i sterowanie rozmyte, Warszawa, Akademicka Oficyna Wydawnicza EXIT 1999.

[7] Popenda A.: A control strategy of a BLDC motor, Przegląd Elektrotechniczny, 12/2013, s. 188-191.

[8] Xia C-L.: Permanent Magnet Brushless DC Motor Drives and Controls, John Wiley&Sons 2012.

[9] Yedamale P.: AN885 Brushless DC (BLDC) Motor Fundamentals, Microchip Technology Inc., 2003.

[10] Li Z., Ruan Y.: Autonomous Inspection Robot for Power Transmission Lines Maintenance While Operating on the Overhead Ground Wires, International Journal of Advanced Robotic Systems, Vol. 7, No. 4 (2010) 107, pp. 111-116.


104

UPROSZCZONY MODEL CIAŁA CZŁOWIEKA DO ANALIZY SYSTEMÓW BEZPRZEWODOWYCH

DZIAŁAJĄCYCH W POBLIŻU OSÓB W RÓŻNYCH POZYCJACH

Łukasz Januszkiewicz Politechnika Łódzka, Instytut Elektroniki

Streszczenie

Analiza oddziaływania promieniowania elektromagnetycznego i tkanek ludzkiego ciała jest zadaniem bardzo złożonym i wymaga zastosowania modelu ciała człowieka (fantomu). Dotychczasowe prace badawcze zaowocowały opracowaniem licznych fantomów imitujących ciało człowieka, które różnią się stopniem uproszczenia ciała i tym samym zakresem zastosowania. Fantomy opisują ludzkie ciało z różną dokładnością odwzorowania geometrii oraz modelują różną liczbę tkanek. Modele ciała można podzielić na takie, które są wykorzystywane do symulacji komputerowych (modele numeryczne) oraz fantomy wykorzystywane do badań empirycznych (pomiarów).

Zarówno modele numeryczne, jak i modele fizyczne przedstawiają typowo ciało człowieka w pozycji wyprostowanej. Modele numeryczne można modyfikować za pomocą specjalistycznego oprogramowania w taki sposób, aby przedstawiały ciało również w innych pozycjach. Przykładem takiego oprogramowania jest program Varipose firmy Remcom, wykorzystywany przez Autora, który pozwala zmieniać ułożenie kończyn modelu numerycznego w zakresie naturalnych zakresów ruchu człowieka. Tak zmodyfikowany model nie ma jednak odpowiednika fizycznego, co uniemożliwia przeprowadzenie pomiarów weryfikujących. Istniejące modele fizyczne, które umożliwiają zmianę pozycji ciała są bardzo kosztowne (cena przekracza 150 000 zł), co czyni je trudnymi do zastosowania, a wyniki symulacji uzyskane z ich wykorzystaniem nie są powszechnie dostępne.

W artykule przedstawiono wyniki badań możliwości wykorzystana uproszczonego modelu ciała człowieka do badania systemów radiowych funkcjonujących w pobliżu osób przyjmujących różne pozycje ciała. Model uproszczony ciała składa się z rur PCV wypełnionych płynem imitującym tkanki wewnętrzne. Dotychczasowe prace badawcze Autora wykazały dużą przydatność tego modelu do badania ciała w pozycji wyprostowanej. Ze względu na dużą prostotę konstrukcji, model ten można łatwo zmodyfikować w taki sposób, aby odwzorowywał ciało w innych pozycjach. Badania przeprowadzono z wykorzystaniem modelu heterogenicznego NMR Hershey dostępnego w programie XFDTD firmy Remcom. Model został zmodyfikowany za pomocą programu Varipose w taki sposób, aby odwzorowywał osobę siedzącą (rysunek 1). Uproszczony model cylindryczny opracowano w taki sposób, aby dobrze przybliżał proporcje modelu heterogenicznego.

Przeprowadzone badana miały na celu zbadanie przydatności modelu uproszczonego do symulacji bezprzewodowych sieci radiowych działających w pobliżu ciała dla najbardziej popularnego obecnie pasma 2,4 GHz. Obejmowały one symulacje tłumienności kanału radiowego oraz charakterystyk promieniowania anten umieszczonych w pobliżu ciała. Wyniki symulacji tłumienia fal radiowych pomiędzy dipolami usytuowanymi na nodze i na klatce piersiowej w paśmie 2,4 GHz uzyskane dla modelu heterogenicznego i modelu uproszczonego jednorodnego wykazują niewielkie różnice (około 5 dB) w środku pasma pracy anten, co pokazano na rysunku 2. Wyniki symulacji charakterystyk promieniowania anten usytuowanych na łydce wykazują bardzo dobrą zbieżność pomiędzy modelem uproszczonym i heterogenicznym, co pokazano na rysunku 3.


105

Na podstawie przeprowadzonych badań można stwierdzić, że fizyczne modele uproszczone umożliwiają łatwe realizowanie pomiarów sieci BAN działających w pobliżu ciała w różnych pozach, a wyniki uzyskane z ich pomocą nie odbiegają znacząco od wyników uzyskanych przy wykorzystaniu modeli dokładnych.

a. b.

Rys.1. Modele ciała w pozycji siedzącej: a – model NMR Hershey zmodyfikowany w programie Varipose, b – uproszczony model walcowy

Rys. 2. Tłumienność łącza radiowego pomiędzy dipolami na nodze i na klatce piersiowej w paśmie 2,4 GHz: porównanie modelu heterogenicznego i modelu jednorodnego

Rys. 3. Znormalizowana charakterystyka promieniowania G(,90) anteny usytuowanej na łydce osoby siedzącej: porównanie modelu heterogenicznego i modelu jednorodnego


106

EFEKTY TERMICZNE STOSOWANIA MAGNETOSTYMULACJI I MAGNETOTERAPII

W OBRAZOWANIU TERMOGRAFICZNYM – WYNIKI PROJEKTU TELMED NET II

Bolesław Kalicki1, Andrzej Krawczyk3, Anna Jung1,

Agnieszka Lipińska-Opałka1, Agnieszka Iwaniszczuk2, Piotr Murawski4, Józef Mróz2, Janusz Żuber1

1 Klinika Pediatrii, Nefrologii i Alergologii Dziecięcej WIM 2 Klinika Rehabilitacji WIM

3 Politechnika Częstochowska, WIHE, WIM 4 Oddział Teleinformatyki WIM

W fizjoterapii wykorzystywane są urządzenia wytwarzające pole elektromagnetyczne o niskiej częstotliwości. Stosowanie w leczeniu pola elektromagnetycznego niewielkim natężeniu (mikrotesle) określa się mianem magnetostymulacji. Oddziaływanie polem o natężeniu mierzonym w militeslach określa się mianem magnetoterapii. Sposób oddziaływania pola elektromagnetycznego na ludzki organizm jest nie do końca poznany. Efekty stosowanego leczenia mierzone są w oparciu o subiektywną ocenę lekarza i pacjenta, a tylko w niewielkim zakresie mogą być oceniane miarą sprawności organizmu (np. w ocenie zakresu ruchu kończyn). Sama ocena kliniczna wydaje się być niewystarczająca do jednoznacznej oceny efektu terapii, stąd powstał pomysł wykorzystania badania termowizyjnego do oceny efektów leczenia z zastosowaniem pola elektromagnetycznego. Jednocześnie przyjęto założenie, że efekt terapii poprawiając krążenie obwodowe podniesie temperaturę lub zniesie różnicę temperatur symetrycznych narządów. Celem badania była ocena temperatury obszarów ciała ludzkiego z wykorzystaniem badania termowizyjnego, po działaniu pola magnetycznego wytwarzanego przez urządzenia przeznaczone do magnetoterapii i magnetostymulacji. Materiał i metody. Grupy badane liczyły łącznie 30 ochotników (20 poddano działaniu magnetostymulacji i 10 magnetoterapii). Do badania zostały użyte urządzenia o określonych parametrach, w przypadku magnetostymulacji natężenie pola elektromagnetycznego mierzone wzdłuż osi cewek wynosiło około 6-7 μT (Ryc. 1a), podczas gdy urządzenie do magnetoterapii wytwarzało pole elektromagnetyczne o natężeniu zbliżonym do 200 uT. W obu przypadkach wykorzystywano pole elektromagnetyczne o częstotliwości 50Hz. Do badania zastosowano kamerę termowizyjną firmy FLIR 640. Badanie przeprowadzono w następujący sposób: jedną dłoń umieszczano w nieaktywnym aplikatorze, a drugą – poza aplikatorem w zbliżonym ułożeniu anatomicznym i identycznych warunkach termicznych; badanie termowizyjne obu dłoni było wykonane po 10 minutowej adaptacji (czynnościowa i termiczna), kolejne badanie termowizyjne wykonano po 10 minutach działania aktywnego aplikatora. Uzyskane obrazy termowizyjne zostały poddane analizie. Oceniono wartości temperatury minimalnej, maksymalnej i średniej dla porównywanych regionów dłoni.


107

Ryc. 1. Urządzenia do magnetostymulacji i magnetoterapii w trakcie wykonywanych badań. Wyniki. U 16 z 20 badanych, u których zastosowano magnetostymulację zaobserwowano wzrost temperatury dłoni w zakresie temperatur średnich od 0,1 do 1,7°C. Przyjmując temperaturę dłoni niepoddanej działaniu pola magnetycznego za temperaturę referencyjną, wzrost temperatury dłoni pozostającej w polu magnetycznym wystąpił tylko u 8 z 20 badanych i wynosił od 0,1 do 0,7°C. U 5 badanych temperatura nie uległa zmianie a u 7 badanych temperatura dłoni pozostającej w polu elektromagnetycznym obniżyła się od 0,1 do 0,7°C.

Ryc. 1. Obrazy termograficzne przed i po magnetostymulacji z histogramem analizy temperatur średnich z wyznaczonego pola Badania termowizyjne u 10 osób poddanych działaniu pola elektromagnetycznego o wartościach uznanych za magnetoterapeutyczne (20mT) wykazały w zakresie temperatur minimalnych, maksymalnych i średnich różnice nieistotne statystycznie. Wartości różnic temperatur były zbliżone do wartości uzyskanych u osób poddanych działaniu magnetostymulacji. Dyskusja. Badania termowizyjne wykonane u osób poddanych działaniu magnetostymulacji jak i magnetoterapii nie wykazały istotnych statystycznie różnic w zakresie wartości temperatur średnich. Obserwowano zarówno wzrost jak i obniżenie wartości temperatury średniej po działaniu pola elektromagnetycznego. Być może dostarczona energia pola elektromagnetycznego w ciągu jednego cyklu terapeutycznego była za mała, by została uwidoczniona w badaniu termowizyjnym. Należy wziąć również pod uwagę zjawisko homeostazy, które doprowadza do szybkiego rozprowadzenia dostarczonego lub powstałego w badanym obszarze ciepła, co uniemożliwia wykazanie jednoznacznej zmiany temperatury w badaniu termowizyjnym.


108

Wnioski 1. Badania termowizyjne wykonane po pojedynczym cyklu leczniczym pola elektromagnetycznego

nie wykazują istotnej zmiany temperatury badanego obszaru. 2. Badanie termowizyjne może być przydatne w ocenie różnicy temperatur po całym cyklu leczenia

fizykoterapeutycznego. 3. Porównywanie termogramów w oparciu o wartości temperatur minimalnej, maksymalnej

i średniej wydaje się być nie do końca wystarczające do porównywania termogramów szczególnie przy niewielkiej różnicy temperatur.

Piśmiennictwo:

1. Krawczyk A., Miaskowski A., Ishihara Y. (2010): Healing of orthopedic diseases by means of electromagnetic field, Przeglad Elektrotechniczny, vol. XCI, No.12, pp. 72-75.

2. Marcinkowska-Gapińska A., Kowal P. (2009): The influence of alternating magnetic field stimulation on the results of thermographic examination, Neuroskop, Vol. 11, No.11, pp. 36-40.

3. Woldańska-Okońska M., Czernicki J. (2003): Ocena skuteczności magnetostymulacji w fizjo-terapii. Wiad. Lek., LVII, 1-2, 44-50.

4. Żuber J., Jung A.: Metody termograficzne w diagnostyce medycznej. Warszawa, 1997


109

ODLEGŁE EFEKTY LECZENIA REHABILITACYJNEGO Z ZASTOSOWANIEM

POLA ELEKTROMAGNETYCZNEGO WIELOMIEJSCOWEGO ZESPOŁU ODRUCHOWEGO

TYPU I W BADANIU TERMOWIZYJNYM – WYNIKI PROJEKTU TELEMEDNET II

Bolesław Kalicki1, Józef Mróz2, Andrzej Krawczyk3, Anna Jung1, Agnieszka Lipińska-Opałka1, Agnieszka Iwaniszczuk2, Janusz Żuber1, Piotr Murawski4

1 Klinika Pediatrii, Nefrologii i Alergologii Dziecięcej WIM 2 Klinika Rehabilitacji WIM

3 Politechnika Częstochowska, WIHE, WIM 4 Oddział Teleinformatyki WIM

Wielomiejscowy zespół odruchowy typu I jest jednostką chorobową o nie w pełni poznanym patomechanizmie i przebiegu. Charakteryzuje się silnym bólem dystalnej części kończyny, obrzękiem, dysfunkcją naczynioruchową i upośledzoną sprawnością. Objawy te występują po urazach, operacjach na klatce piersiowej, po zawale serca, po udarze, uszkodzeniu nerwów obwodowych, rzadziej w przebiegu zakrzepicy żylnej lub tętniczej. Mechanizm powstania choroby jest niejasny. Na pierwszy plan wysuwają się zaburzenia funkcji autonomicznego układu nerwowego. Bólowi i obrzękowi kończyny w przypadkach o typowym przebiegu towarzyszą: zaburzenia naczynioruchowe, ograniczona bólem ruchomość, wzmożona wrażliwość na ucisk oraz zmiany temperatury otoczenia. W przebiegu zespołu wyróżnia się trzy okresy: okres I ostry, II dystroficzny, III atroficzny. Poza postacią odruchową zespołu wyróżnia się postać porażenną (po udarze) oraz toksyczną (polekową). U większości chorych zwraca uwagę labilność emocjonalna, hiperreaktywność oraz tendencja do stanów lękowych i depresji. Przydatne w rozpoznaniu są badania obrazowe.

Skuteczność leczenia zależy od okresu, w którym postawiono rozpoznanie i podjęto leczenie. W leczeniu farmakologicznym stosuje się leki przeciwbólowe i hamujące układ współczulny. Dobre efekty przeciwobrzękowe, przeciwzapalne oraz stymulację uwapnienia kości uzyskuje się po zastosowaniu: pola elektromagnetycznego niskiej częstotliwości (czas trwania zabiegu 15 min, liczba zabiegów 15), lasera niskoenergetycznego (o długości 795 nm, liczba zabiegów 15, moc wyjściowa 1 W, dawka energii 5 J/cm2), masażu wirowego kończyn, ćwiczeń indywidualnych kończyny objętej procesem chorobowym.

W pracy przedstawiono przypadek 42 letniego mężczyzny z wielomiejscowym zespołem odruchowym typu I, u którego rozpoznanie postawiono dopiero w zaawansowanym drugim okresie choroby. W badaniu radiologicznym i MRI kończyn dolnych wykazano cechy odwapnienia w obrębie kości chorej kończyny (ryc. 1, 2). Badanie termograficzne wykonane w okresie diagnostycznym wykazało znaczne obniżenie temperatury chorej kończyny (różnica temperatur w zakresie wartości średnich z obu stóp wynosiła - 5,7°C. Ryc.3a). Stosowane leczenie fizykalne obejmowało: jonoforezę ksylokainowo-wapniowa, pole elektromagnetyczne niskiej częstotliwości 30 Hz o indukcji 10 mT, 15 zabiegów o czasie trwania 15 min, laser niskoenergetyczny o długości fali 795 nm, o energii 5 J/cm², masaż wirowy kończyn dolnych, ćwiczenia indywidualne stawu kolanowego, skokowego i stopy lewej. Wykonane badanie termograficzne po 20 dniach leczenia i nieznacznej poprawie klinicznej, wykazało zmniejszenie różnicy między temperaturą obu kończyn w zakresie wartości


110

średnich rzędu 2,0°C (ryc. 3b). Po kolejnym okresie leczenia, trwającym 6 tygodni i uzyskaniu poprawy klinicznej obejmującej dalszą redukcję bólu, w badaniu termograficznym różnica temperatur zmalała do 1,2°C (ryc. 3c). Pacjent pozostawał w dalszej obserwacji klinicznej, nie stosowano żadnych zabiegów fizykoterapeutycznych przez okres 2 miesięcy, a kolejne badanie termograficzne wykazało zwiększenie różnicy temperatur do 3,2°C (ryc. 3d).

Ryc. 1. Radiogram kończyn dolnych Ryc. 2. MRI lewej kończyny dolnej

Ryc. 3 a. b. c. d.

Obrazy termograficzne kończyn dolnych badanego pacjenta: a. przed rozpoczęciem leczenia, b. po 20 dniach terapii, c. po 6 tygodniach terapii, d. po 2 miesiącach przerwy w leczeniu fizykoterapeutycznym. Wnioski: 1. Badanie termograficzne jest ważnym elementem procesu diagnostycznego, pozwala na szybsze

postawienie rozpoznania i wdrożenie odpowiedniego leczenie. 2. Badanie termowizyjne jest wysoce przydatne w długotrwałym monitorowaniu efektów leczenia

fizykoterapeutycznego zespołu algodystroficznego. Piśmiennictwo: 1. Livingstone J. A., Atkins R. M. Intravenous regional guanethidine blockade in the treatment of

post-traumatic complex regional pain syndrome type I (algodystrophy) of the hand. J Bone Joint Surg. 2002; B84: 380-386

2. Czerwiński E.: Kompleksowy zespół bólu regionalnego („Zespół Sudecka”), w: Badurski J.: Choroby metaboliczne kości, Wydanie I, BORGIS 2004; 288-296.

3. Jung A., Żuber J., Kalicki B. Termografia w aplikacjach medycznych. W Biocybernetyka i Inżynieria Biomedyczna 2000 Tom VIII, Obrazowanie biomedyczne. Wyd Warszawa 2003 502-517

4. Kalicki B., Jung A., Żuber J., i wsp. Zastosowanie metody termograficznej w monitorowaniu leczenia wybranych chorób naczyniowych. Przegląd Elektrotechniczny 2013; 12: 364-366


111

ELEKTROMAGNETYZM A ZAGADNIENIA GROMADZENIA ENERGII

Leszek Kasprzyk, Karol Bednarek Politechnika Poznańska, Instytut Elektrotechniki i Elektroniki Przemysłowej

Wprowadzenie Do funkcjonowania urządzeń technicznych niezbędna jest zawsze energia. Najwygodniejszą w użytkowaniu formą energii (z uwagi na łatwość przetwarzania i przesyłu) jest energia elektryczna. W wielu przypadkach bardzo korzystnym sposobem dostarczenia energii (szczególnie w systemach mobilnych) okazuje się zastosowanie zasobników energii [1-5]. Oprócz magazynów elektrochemicznych (akumulatorów oraz ogniw paliwowych) we wszystkich pozostałych rozpatrywanych w praktyce zasobnikach energii wykorzystuje się elektromagnetyzm. Następuje w nich gromadzenie energii w polu elektrycznym, w polu magnetycznym bądź zamiana energii mechanicznej na energię elektryczną przy wykorzystaniu zjawiska indukcji elektromagnetycznej. W pracy zajęto się praktycznym wykorzystaniem magazynów energii w zastosowaniach do samochodów elektrycznych, jak również systemów zasilania gwarantowanego UPS. Przeprowadzono analizy doboru magazynów energii głównie z uwagi na ich gęstości mocy oraz gęstości energii dla uzyskania określonych celów użytkowych. Zasobniki energii W zasobnikach (magazynach) energii elektrycznej może mieć miejsce magazynowanie bezpośrednie, czyli gromadzenie energii w polu elektrycznym (superkondensatory) bądź magnetycznym (układy cewek nadprzewodzących), lub pośrednie – przy wykorzystaniu konwersji z jednego rodzaju energii na inny (kinetyczne zasobniki energii, pneumatyczne zasobniki energii, elektrownie wodne szczytowo-pompowe, ogniwa paliwowe oraz akumulatory). Wynika stąd, że w większości z tych rozwiązań (poza zasobnikami elektrochemicznymi) wykorzystywany jest do gromadzenia energii elektromagnetyzm. W zasobnikach elektrochemicznych zachodzą reakcje chemiczne, zatem skazane są one raczej na stosunkowo niskie gęstości mocy. Korzystniej sprawa kształtuje się w magazynach działających na zasadzie konwersji między energiami elektryczną i mechaniczną. Inny charakter pracy pod tym względem można zauważyć w magazynach bezpośrednich, wykorzystujących elektromagnetyzm. Ich funkcjonowanie związane jest ze zmianą rozmieszczenia ładunków elektrycznych w określonej strukturze (gromadzenie energii w polu elektrycznym – superkondensatory) bądź z ruchem ładunków (gromadzenie energii w polu magnetycznym – układy cewek nadprzewodzących). Osiągają one znacznie większe gęstości mocy, a więc mają możliwość szybszej wymiany ładunku, czyli stosowania większych prądów ładowania i rozładowania, natomiast charakteryzują się mniejszymi gęstościami energii, a zatem mniejszą zasobnością zgromadzonych ładunków. Zasobniki energii mogą być wykorzystywane w celach: zasilania urządzeń mobilnych (samochody, sprzęt przenośny itp.), dostarczania energii w przypadkach nieprawidłowych parametrów bądź zaniku napięcia w sieci elektroenergetycznej (systemy zasilania gwarantowanego), stabilizacji pracy systemu energetycznego (wyrównanie dobowych poziomów obciążeń – przejmowanie nadwyżek energii


112

w okresach niskich obciążeń oraz oddawanie energii do systemu w czasie obciążeń przekraczających możliwości wytwórcze źródeł energii), współpracy z odnawialnymi źródłami energii (m. in. ogniwami i kolektorami słonecznymi, elektrowniami wiatrowymi i wodnymi oraz wykorzystującymi biomasę), dostarczenia energii do odbiorników o specyficznych warunkach zasilania (np. obciążenia o dużych gęstościach mocy) [1-5]. W zależności od specyfiki warunków wykorzystania zasobników energii w różnym stopniu istotne są ich parametry – gęstość mocy a gęstość energii. Prawidłowy dobór magazynów energii pod tym kątem często nie jest łatwy i niejednokrotnie powstaje zapotrzebowanie na stworzenie tandemu dwóch zasobników o różnym charakterze, aby sprostać wymaganiom jednoczesnego oczekiwania dużych zasobności magazynów oraz możliwości szybkiej wymiany ładunku (stosowania dużych prądów ładowania i rozładowania). Przykłady zastosowania zasobników energii elektrycznej Jako przykład zastosowania omówionych zasobników energii elektrycznej przedstawić można samochody elektryczne. W pojazdach takich stosuje się różnego rodzaju źródła energii elektrycznej. Podstawowymi aspektami decydującymi o doborze zasobnika jest zdolność do gromadzenia energii oraz możliwość przekazania niezbędnej mocy. W przypadku zagadnień dotyczących funkcjonowania pojazdów, czynnikami ściśle związanymi z tymi wielkościami są dystans i charakterystyka jazdy, a także wielkość (gabaryty i masa) samochodu. Większość pojazdów posiadających tylko napęd elektryczny, ze względu na ograniczenia związane z zapasem energii, przeznaczona jest głownie do jazdy miejskiej lub mieszanej – na odległości nie przekraczające kilkudziesięciu kilometrów bez doładowania. Także masa i gabaryty takich pojazdów są ograniczone do minimum. Dla przedstawienia przykładowej analizy związanej z doborem zasobnika do pojazdu wybrano samochód o parametrach: masa 800 kg, powierzchnia czołowa 2,5 m2. Jako dystans jazdy przyjęto 100 km. W celu określenia zapotrzebowania na moc dokonano rejestracji prędkości jazdy samochodu osobowego jadącego w okresie dużego natężenia ruchu. Wyniki analizy przedstawiono na rysunkach 1 oraz 2.

Rys. 1. Zarejestrowany przebieg prędkości jazdy pojazdu w funkcji czasu


113

Średnia prędkość jazdy w przedstawionym przypadku wynosi około 32 km/h (dystans 24 km w czasie 45 minut). Uwzględniając opory ruchu (toczenia i aerodynamiczne) wyznaczono siły działające na pojazd oraz moc potrzebną do jej uzyskania (rysunek 2), a na jej podstawie energię niezbędną do pokonania zadanego odcinka drogi (1,6 kWh).

Rys. 2. Zależność zapotrzebowanej mocy w analizowanym przejeździe samochodu w funkcji czasu Zakładając, że pojazd miałby pokonać dystans 100 km można oszacować, że zużyłby 6,67 kWh. Z analizy wynika, że średnie zapotrzebowanie na moc wynosi 2,1 kW, lecz w kilku momentach dochodzi do 15 kW. Uwzględniając, że napięcie źródła zasilania – ze względów bezpieczeństwa – nie powinno przekraczać 100 V, prąd chwilowy wynosiłby wówczas 150 A (a biorąc pod uwagę spadek napięcia na rezystancji wewnętrznej akumulatora i połączeń elektrycznych, prąd może znacznie przekraczać 200 A). W takich momentach efektywnym zasobnikiem, który można byłoby zastosować, jest superkondensator charakteryzujący się wysoką trwałością (żywotnością), znakomitą zdolnością od szybkiego oddawania energii (co jest niezwykle istotnym parametrem w przypadku pojazdów, gdzie mają miejsce gwałtowne przyspieszania i hamowanie odzyskowe), a także dużą odpornością na wahania temperatury. Jednak ze względu na małą gęstość energii charakteryzującą te zasobniki nie nadają się one jako jedyne źródło energii w pojazdach. Niedobór energii może natomiast zaspokoić akumulator, który odznacza się wielokrotnie większą zdolnością do gromadzenia energii. Wykorzystanie do tego celu tradycyjnych akumulatorów kwasowo-ołowiowych np. 7 modułów po 12 V wymagałoby zastosowania akumulatorów o pojemności 240 Ah (uwzględniając współczynnik Peukerta, związany ze zmianą pojemności akumulatorów w zależności od prądu użytkowania). Należy również wziąć pod uwagę, że pobór prądu o zbyt dużym natężeniu spowoduje znaczące obniżenie trwałości takich akumulatorów. Dlatego najlepszym rozwiązaniem do spełnienia założonych celów jest połączenie obu wymienionych zasobników, które uzupełniałyby się wzajemnie. Odmiennym przykładem zastosowania zasobników energii są układy zasilania gwarantowanego. Specyfika funkcjonowania tych urządzeń wymaga innej współpracy z zasobnikiem energii. W systemach tych magazyny energii wykorzystywane są okazjonalnie, dorywczo (tylko w przypadkach zaników lub nieprawidłowych parametrów napięcia sieciowego). Jednak niezbędne są wówczas: duża zasobność magazynu oraz krótki czas osiągania gotowości do ponownej pracy po rozładowaniu (odzyskania stanu naładowania). Bardziej jednoznaczna jest zatem zasada współpracy zasobnika z odbiornikami i systemem ładowania, natomiast oczekiwane są jednocześnie duża gęstość energii oraz duża gęstość mocy. Rozwiązaniem tego problemu jest również wykorzystanie tandemu


114

zasobników energii – akumulatorów (zapewniających wyższą zasobność gromadzonej energii) z superkondensatorami (umożliwiającymi szybkie oddawanie, jak i gromadzenie energii). Uwagi i wnioski Dobór odpowiedniego zasobnika energii elektrycznej jest istotnym elementem mającym wpływ na efektywność i trwałość całego układu. Wybierając zasobnik konieczne jest zwrócenie uwagi nie tylko na jego pojemność elektryczną, ale również na ograniczenia związane z dostępnymi mocami chwilowymi. Dlatego coraz częściej stosowane są hybrydowe magazyny energii, które stanowią rozwiązanie problemu zarówno związanego z magazynowaniem energii, jak i zdolnością do jej szybkiego poboru lub oddawania. Systemy takie nie są jednak jeszcze bardzo popularne, ponieważ wymagają one złożonych układów, służących do sterowania przepływem energii miedzy zasobnikami oraz odbiornikiem. Literatura [1] Sikora R., Zeńczak M., Magazynowanie energii elektrycznej w systemie elektroenergetycznym,

Napędy i sterowanie, nr 2, 2011. [2] Bednarek K., Akumulatory czy superkondensatory – zasobniki energii w UPS-ach, Elektro.info,

nr 1-2 (101), 2012, s. 54-57. [3] Bednarek K., Kasprzyk L., Functional analyses and application and discussion regarding energy

storages in electric systems, in: Computer Applications in Electrical Engineering, edited by R. Nawrowski, Publishing House of Poznan University of Technology, Poznan 2012, p. 228-243.

[4] Bednarek K., Moduły bateryjne w systemach zasilania gwarantowanego (UPS), Elektro.info, nr 4, 2013, s. 72-74.

[5] Tomczewski A., Wykorzystanie kinetycznych magazynów energii do poprawy warunków współpracy turbiny wiatrowej z systemem elektroenergetycznym, Przegląd Elektrotechniczny, nr 6, 2010.


115

OCENA PARAMETRÓW POLA ELEKTROMAGNETYCZNEGO

W BADANIACH OBIEKTÓW BIOLOGICZNYCH

Jarosław Kieliszek, Jaromir Sobiech, Wanda Stankiewicz Zakład Ochrony Mikrofalowej

Wojskowy Instytut Higieny i Epidemiologii, Warszawa

Pole elektromagnetyczne należy do czynników, oddziałujących na środowisko naturalne, charakteryzujących się znaczną ekspansją w okresie ostatnich kilkunastu lat. Jest to ściśle związane z upowszechnieniem systemów radiokomunikacyjnych, jak również ze wzrostem zapotrzebowania na energię elektryczną (systemy przesyłowe oraz urządzenia wykorzystujące do zasilania energię elektryczną). Ekspansja ta pociąga za sobą również pytania dotyczące oddziaływania pola elektromagnetycznego na obiekty biologiczne, a w szczególności na ludzi. Badania biologicznego oddziaływania PEM realizuje się na podstawie eksperymentów laboratoryjnych, gdzie badane obiekty biologiczne poddawane są kontrolowanej ekspozycji na pole elektromagnetyczne. Prowadzenie badań biofizycznych związanych z oddziaływaniem promieniowania elektromagnetycznego na obiekty biologiczne wiąże się z korelowaniem wyników badań z pomiarami współczynnika pochłaniania energii elektromagnetycznej, tzw. SAR lub na podstawie analiz rozkładów PEM w otoczeniu struktur promieniujących. W oby przypadkach analizy mogą mieć charakter obliczeń/symulacji komputerowych lub pomiarów rzeczywistych. W każdym z rodzajów badań niezbędne jest określenie parametrów pola elektromagnetycznego i o ile metodyka eksperymentów biomedycznych jest domeną biologów i lekarzy, o tyle techniczne aspekty tych prac pozostają w gestii inżynierów i techników. Podstawowym problemem technicznym jest określenie parametrów pola elektromagnetycznego, które powinny podlegać kontroli i ocenie. Pole elektromagnetyczne określa szereg parametrów, które mogą być przedmiotem pomiarów i analiz. Można je podzielić umownie na dwie podstawowe grupy:

‒ parametry widmowe (częstotliwość, szerokość pasma, rodzaj modulacji), ‒ parametry amplitudowe (natężenie pola elektromagnetycznego, w tym natężenie składowej

elektrycznej E i składowej magnetycznej H). Istotnym zadaniem do realizacji przed ekspozycją jest kalibracja układu pomiarowego. Bardzo często ekspozycja obiektów biologicznych na pole elekromagnetyczne odbywa się w układzie pomiarowym, w którym element promieniujący (antena) znajduje się bardzo blisko eksponowanego obiektu. Skutkiem tego, obiekt znajduje się w strefie bliskiej elementu promieniującego. Analiza rozkładu pola elektromagnetycznego w tym przypadku jest bardziej złożona od analizy pola elektromagnetycznego w strefie dalekiej. Prawidłowa analiza pola elektromagnetycznego w strefie bliskiej może mieć istotny wpływ na korelację wyników eksperymentów biomedycznych z parametrami pola wzorcowego. Przykładowe rozkłady składowych natężenia pola elektrycznego w analizowanym obszarze przedstawia rysunek 1. Z rysunku wynika, że w strefie bliskiej anteny istotne wartości dla oceny pola elektromagnetycznego posiada również składowa pola o wektorze równoległym do kierunku propagacji. W polu dalekim składowa ta praktycznie nie występuje.


116

Rys1. Rozkład składowych natężenia pola elektrycznego w funkcji odległości od anteny Przy kalibracji układu pomiarowego bardzo istotnym czynnikiem jest zapewnienie jednorodności pola elektromagnetycznego w obszarze ekspozycji próbki biologicznej. Jednorodność pola elektromagnetycznego jest związana między innymi z charakterystyką kierunkową anten. W małych odległościach od anteny nadawczej obszar jednorodności ma bardzo ograniczony wymiar. Przykładowe rozkłady jednorodności pola elektromagnetycznego w funkcji odległości od anteny przedstawia rysunek 2. Z rysunku wynika, zachowanie minimalnej odległości powyżej 10 cm pomiędzy badana próbką i antena zapewnia oczekiwaną jednorodność pola elektromagnetycznego w obszarze pomiarowym.

Rys2. Rozkład natężenia pola elektrycznego dla przypadku sprawdzania jednorodności rozkładu pola

w obszarze ekspozycji próbek biologicznych Powyższe przykłady analizy rozkładu pola elektromagnetycznego wskazują, że do uzyskania kompleksowej oceny pola w przypadku badań biomedycznych niezbędne jest prowadzenie szeroko zakrojonych pomiarów sprawdzających. Osobnym zagadnieniem jest oszacowanie niepewności takich analiz.


117

TŁUMIENIE PRĄDU WŁĄCZANIA TRANSFORMATORA NADPRZEWODNIKOWEGO

Grzegorz Komarzyniec Politechnika Lubelska,

Instytut Podstaw Elektrotechniki i Elektrotechnologii Duży prąd w uzwojeniach transformatorów może popłynąć nie tylko przy zwarciach lub przeciążeniach, lecz również przy włączaniu nieobciążonego transformatora do sieci. Zjawisko prądu włączania jest znane od roku 1890, kiedy to firma Ferranti zaobserwowała je podczas włączania linii 11 kV, łączącej Deptford z Londynem [1]. Po ponad 120 latach zjawisko to nadal powoduje problemy. Stosowanie nowoczesnych materiałów na rdzenie oraz projektowanie transformatorów do pracy z wysoką indukcją, prowadzi do występowania dużych prądów włączania. W pewnych okolicznościach osiągających wartość 20÷40 razy większą od wartości prądu znamionowego. Prąd włączania transformatora wprowadza do sieci energetycznej wyższe harmoniczne, generuje przepięcia i powoduje zjawiska rezonansowe [2]. Wielkość i czas zaniku prądu włączania zależą od warunków początkowych, w chwili włączenia transformatora do sieci (tj. wartość napięcia i namagnesowania rdzenia) oraz parametrów elektrycznych transformatora i sieci zasilającej [3]. Istotną rolę w tłumieniu prądu odgrywa rezystancja uzwojenia pierwotnego transformatora. Wartość maksymalną prądu włączania obliczyć można z zależności (1) [4].

m

nrm

22

mmax

2

)( B

BBB

XRR

UI

ts

(1)

gdzie: Um – wartość maksymalna napięcia, Rs – rezystancja sieci zasilającej, Rt – rezystancja uzwojenia pierwotnego transformatora, X – reaktancja obwodu, Br – indukcja magnetyzmu szczątkowego, Bm – indukcja maksymalna, Bn – indukcja nasycenia.

-25

0

25

50

75

100

125

150

175

200

0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 0,16 0,18 0,2t, s

I, A

I csk=80A

I n=40A

I c=115A

TrHTS1

Rys. 1. Przebieg czasowy prądu włączania transformatora nadprzewodnikowego Występująca we wzorze (1) rezystancja uzwojenia transformatora nadprzewodnikowego jest nieliniową funkcją trzech wielkości: temperatury, gęstości prądu, natężenia pola magnetycznego.


118

W stanie normalnym pracy transformatora, tj. gdy uzwojenia są w stanie nadprzewodzenia, rezystancja ta jest równa zeru. Gwałtownie wzrasta po przekroczeniu któregokolwiek z parametrów krytycznych nadprzewodnika: temperatury krytycznej, gęstości krytycznej prądu, krytycznego natężenia pola. Na rysunku 1 pokazano przebieg fali prądu włączania jednofazowego transformatora nadprzewodnikowego o mocy 10 kVA. Liniami poziomymi zaznaczono: In=40A – prąd znamionowy transformatora, Ic=115A – wartość krytyczna prądu uzwojenia nadprzewodnikowego. W analizowanym przypadku pierwszy impuls prądu przekracza wartość krytyczną prądu nadprzewodnika, z którego wykonano uzwojenie pierwotne. W czasie w jakim następuje to przekroczenie nadprzewodnik przechodzi do stanu rezystywnego i rezystancja uzwojenia transformatora gwałtownie rośnie. Za tłumienie pierwszego impulsu prądu włączania odpowiada rezystancja obwodu będąca sumą rezystancji sieci zasilającej i rezystancji uzwojeń transformatora. Przy czym wartość rezystancji uzwojeń transformatora zależy od temperatury do jakiej nagrzeje się nadprzewodnik w skutek przepływu prądu włączania. W tabeli 1 podano rezystancję uzwojenia pierwotnego transformatora, wykonanego z taśmy SuperPower SCS 4050, w zależności od jego temperatury. Wyliczoną wartość pierwszego impulsu prądu podano w tabeli 2. Tabela 1. Rezystancja uzwojenia pierwotnego transformatora nadprzewodnikowego Stan nadprzewodzenia, 77K Stan rezystywny, 77K Stan rezystywny, 293K

0,05510-18 0,594 6,36 Tabela 2. Wartość prądu włączania Stan nadprzewodzenia, 77K Stan rezystywny, 77K Stan rezystywny, 293K

176 A 130 A 36 A Drugi impuls prądu i kolejne po nim następujące (rys. 1) mają amplitudę niższą od prądu krytycznego nadprzewodnika. Uzwojenie transformatora powraca do stanu nadprzewodzenia, tj. ma rezystancję równą zeru. W efekcie za tłumienie prądu odpowiada wyłącznie rezystancja sieci zasilającej. Przekłada się to na długi czas zaniku prądu jednokierunkowego oraz na wyższe amplitudy prądu jednokierunkowego, niż w przypadku transformatorów konwencjonalnych z uzwojeniami miedzianymi tej samej mocy. Włączanie transformatora nadprzewodnikowego może powodować skutki uboczne o większym natężeniu, w porównaniu z transformatorem konwencjonalnym z uzwojeniami miedzianymi. Literatura [1] J. A. Fleming, Experimental researches on alternating current transformers, JIEE, Londyn, vol.

21, sec VIII, 1892, pp 677-685, [2] R. A. Turner, K. S. Smith, “Resonance Excited by Transformer Inrush Current in Inter-

connected Offshore Power Systems,”IEEE Industry Applications Society Annual Meeting, Edmonton, Canada, October 2008,

[3] J. H. Brunke, K. J. Frolich, “Elimination of Transformer Inrush Currents by Controlled Switching – Part I & II”, IEEE Transactions on Power Delivery, vol. 16. no. 2, April 2001,

[4] E. Jezierski, Transformatory, WNT, Warszawa 1983.


119

ELEKTRODY CIENKOWARSTWOWE JAKO ELEMENTY UKŁADÓW SYSTEMÓW

TELEMEDYCZNYCH

Ewa Korzeniewska1, Agnieszka Duraj2, Andrzej Krawczyk3,4 1 Politechnika Łódzka, Wydział Elektrotechniki, Elektroniki, Informatyki i Automatyki

2 Politechnika Łódzka, Instytut Informatyki 3 Wydział Elektryczny, Politechnika Częstochowska

4 Wojskowy Instytut Medyczny, Warszawa

Streszczenie Stale rosnąca liczba użytkowników telefonów komórkowych, postęp w zakresie technologii mobilnych oraz rozwój Internetu szerokopasmowego LTE skłania do refleksji na temat wykorzystania telefonu komórkowego jako narzędzia do wykorzystania w telemedycynie. W obecnej chwili telefon nie służy już tylko do rozmowy, ale do wymiany szeroko pojętej informacji, a także wstępnego jej przetwarzania. Połączenia wideo stwarzają możliwość określenia kondycji fizycznej rozmówcy. Dodatkowo istnieją już aplikacje pozwalające na ocenę parametrów życiowych osób korzystających z telefonów komórkowych. Do tego celu wykorzystuje się wbudowane sensory takie jak akcelerometr, kamera wideo oraz mikrofon. Z wykorzystaniem tych czujników można określić najbardziej podstawowe funkcje życiowe, które wskazują na stan fizyczny oraz samopoczucie. Do nich należą temperatura, tętno, ciśnienie krwi oraz częstość oddechów. Dla każdej monitorowanej osoby można określić stan uznany za normalny i w przypadku wykrycia nieprawidłowości istnieje możliwość połączenia z wcześniej wprowadzonym numerem telefonu. Nie można dokonywać oceny stanu fizycznego na podstawie tylko jednego parametru. Przykładowo wyższe tętno oprócz objawów chorobowych może być również spowodowane przez emocje takie jak lęk, gniew lub też obfity posiłek. Ocena tylko jednego z parametrów może być używana wyłącznie do diagnostyki podstawowej. Ze względu na wykorzystanie do monitorowania funkcji życiowych urządzenia używanego przez ludzi na co dzień nie ma potrzeby wyposażania osób w dodatkowe specjalistyczne urządzenia. Jednakże celem zapewnienia prawidłowej diagnostyki wstępnej należałoby zastosować układy dodatkowe jako elementy zewnętrzne połączone z telefonem komórkowym za pomocą łączności bezprzewodowej [1,2].


120

Rys.1. Schemat pomiaru ciśnienia tętniczego krwi przy wykorzystaniu telefonu komórkowego [2]

W warunkach wolnego rynku i wciąż rosnącej konkurencji na rynku usług internetowych celowym stało się wprowadzenie standardów w zakresie przesyłu i wymiany informacji miedzy instytucjami medycznymi oraz integracji systemów informatycznych. Znanym standardem w zakresie wymiany informacji jest HT7 (Health Level 7), a w zakresie przekazu obrazów medycznych DICOM (Digital Imaging and Communications in Medicine) [3,4]. Pozyskanie wiarygodnych danych z monitorowania wymaga ich szczegółowej analizy w obszarze wykrywania zdarzeń nietypowych, niekompatybilnych z wzorcami, a także ochrony danych w czasie ich wytwarzania, przesyłu i przetwarzania. W tym aspekcie istotnym jest identyfikacja wyjątków pojawiających się w przekazywanym sygnale [5,6]. Przy wdrażaniu i rozwoju rozwiązań telemedycznych celowym staje się opracowanie ubrań wyposażonych w elektrody. Dzięki integracji sensorów z odzieżą, posiadanie dodatkowych urządzeń nie będzie konieczne [7]. Poprzez stworzenie czujników wykonanych z wykorzystaniem cienkich warstw przewodzących wbudowanych w tekstylia można monitorować, nagrywać i przesyłać dane na temat stanu zdrowia pacjenta. Przykład e-tkaniny zastosowanego w rehabilitacji kończyny górnej pokazano na Rys. 2.

Rys. 2 E-włókno zastosowane w rehabilitacji kończyny górnej oraz obraz mikroskopowy elektrody. [5,7]

Z uwagi na fakt, że przetwarzane dane to wielkości elektryczne o niskich amplitudach duże znaczenie mają stałe wartości rezystancji wytworzonych matryc elektrod wykorzystywanych do zbierania informacji jakim jest potencjał elektryczny wytwarzany przez serce czy też zmiana temperatury ciała. Należy zwrócić uwagę na prawidłowy pomiar rezystancji sensorów, która zostanie uznana za wartość wzorcową w urządzeniach przetwarzających przesyłane dane [8].


121

Literatura: 1. Olufisayo Ositelu, J.S. Landy, Bassam Kadry, Alex Macario Smart Device Use Among

Resident Physicians at Stanford Hospital 2. Vikram Chandrasekaran, Ram Dantu∗, Srikanth Jonnada, Shanti Thiyagaraja, and Kalyan

Pathapati Subbu Cuffless Differential Blood Pressure Estimation Using Smart Phones, IEEE Transactions on biomedical engineering, vol. 60, no 4, April 2013, 1080-1089

3. J Cala, B Kwolek, A Laurentowski, P Rzepa, K Zielinski Architektury nowoczesnych systemów telemedycznych i telediagnostycznych Pionier 2002 conference Poznań, April 2002

4. Zieliński K., Duplaga M., Ingra D.: Information Technology Solutions for Healthcare, Springer-Verlag London 2006

5. Korzeniewska E., Duraj A., Krawczyk A. „Identyfikacja wyjątków sensorycznych funkcji organizmu przy zastosowaniu nowoczesnej metody monitoringu e-włókien”, Przegląd Elektrotechniczny (2013) vol. 89, No.12, pp. 123-127

6. A.Duraj, A.Krawczyk, Bezprzewodowe monitorowanie pacjenta – technologie, standardy i zagrożenia, Przegląd Elektroniczny, Nr 12, 2009, str. 51-54

7. P.Bonato, Weareable Sensors and systems From Enabling Technology to Clinical Applications, IEEE Engineering in Medicine and Biology, May/June 2010, pp. 25-36.

8. Borowik, L; Jakubas, Measurements and subjects antistatic protective clothing, Przegląd Elektrotechniczny, 89 (2013) nr 12, 196-198


122

POMIAR REZYSTANCJI POWIERZCHNIOWEJ WARSTW CIENKICH O DOWOLNYCH KSZTAŁTACH

WYTWORZONYCH NA PODŁOŻACH ELASTYCZNYCH

Ewa Korzeniewska1 Adam Jakubas2 1 Politechnika Łódzka Wydział Elektrotechniki, Elektroniki, Informatyki i Automatyki,

Instytut Systemów Inżynierii Elektrycznej 2 Politechnika Częstochowska Wydział Elektryczny,

Instytut Telekomunikacji i Kompatybilności Elektromagnetycznej

Streszczenie

Problem uzyskiwania przewodnictwa elektrycznego w cienkich warstwach uzyskanych w wyniku procesów nanoszenia na elastyczne struktury pojawia się coraz częściej w związku z wytwarzaniem specjalizowanych tekstyliów m.in. dla celów bezprzewodowej telediagnostyki i teleterapii [1,2], spełniających wymogi ochrony sygnału użytecznego przed wpływem pól elektrycznych i elektromagnetycznych. W ramach dynamicznie rozwijającej się dziedziny nauki jaką jest tekstronika [3], istotna jest aplikacja elementów elektrycznych i elektronicznych do wyrobów tekstylnych. W tym aspekcie ważne jest zainteresowanie nie tylko parametrami sygnałów elektrycznych odbieranych z tkanek biologicznych, ale również generowaniem, przetwarzaniem i przesyłaniem sygnału, jak i zagadnieniami typowo informatycznymi takimi choćby jak szyfrowanie danych, szybkość i bezpieczeństwo transmisji danych [4]. W tym świetle istotnym staje się uzyskanie odpowiedniej dynamiki sygnału, czyli zagwarantowanie wymaganego odstępu poziomu sygnału użytecznego od szumu transmisyjnego. Problematyka ta wymaga dokładnego określenia rezystancji wytworzonych elektrod o specjalnie zaprojektowanych i wytworzonych kształtach.

Rys. 1. Przykładowa elektroda wytworzona w procesie PVD. Wytworzenie cienkiej warstwy przewodzącej na strukturze tekstylnej trzeba traktować jako połączenie dwóch rodzajów materiałów o zdecydowanie odmiennych właściwościach elektrycznych i mechanicznych – warstwy nanoszonej o dobrej konduktywności elektrycznej oraz podłoża o właściwościach dielektrycznych. Warstwa wytwarzana na powierzchni struktury tekstylnej jest


123

nakładana na tekstylną strukturę trójwymiarową utworzoną przez przenikające się nitki wątku i osnowy, tworzących różnorodne sploty charakterystyczne dla konkretnych wyrobów tekstylnych [5]. Istotne i charakterystyczne jest to, iż jest to złożona, nierówna powierzchnia podlegająca nieustannym zniekształceniom w trakcie użytkowania. W związku ze złożoną pod względem materiałowym i geometryczno – przestrzennym, oraz zmienną skutkiem oddziaływań mechanicznych strukturą tekstylną - uzyskanie ciągłej warstwy metalicznej o dobrych właściwościach przewodzących na podłożach tekstylnych jest trudne [5]. Wbrew temu, co mogłoby się z pozoru wydawać, warstwa osadzana w procesach fizycznych nie jest ona warstwą osadzaną jedynie na powierzchni wyrobu tekstylnego, lecz wnika ona w mniejszym lub większym stopniu w głąb jego struktury. Z tego względu celowym staje się wykonanie elektrod o wysokiej wartości konduktywności wytworzonych na podłożach tekstylnych pokrytych dodatkową warstwą (na przykład poliuretanową). Poprzez wykorzystanie tego typu podłoży w trakcie nanoszenia warstw przewodzących zostaje zachowana elastyczność produktów tekstylnych, ale również zredukowane zostają niedogodności związane z porowatym układem przestrzennym nitek użytych do produkcji wyrobu tekstylnego.

Rys.2. Obraz mikroskopowy przedstawiający cienką warstwę Ag wykonaną metodą nanoszenia próżniowego

na tkaninie bez zachowania ciągłości warstwy przewodzącej (powiększenie 40x) W prezentowanej pracy autorzy przedstawiają wyniki badań rezystancji powierzchniowej [6,7] warstw elektroprzewodzących wykonanych w drodze osadzania próżniowego na podłoże elastyczne. Pomiary rezystancji możliwymi metodami dotyczą warstw o dowolnych kształtach. Poprawny pomiar rezystancji warunkuje wprowadzenie rzetelnych danych wejściowych i ustawienie ich jako wzorcowe parametry w urządzeniach zbierających i przetwarzających dane. Wytworzone w ten sposób warstwy oraz sposób pomiaru ich rezystancji na etapie aplikacyjnym mają pełnić rolę elektrod wykorzystywanych do elektrostymulacji lub monitoringu funkcji życiowych. Literatura

1. P.Bonato, Weareable Sensors and systems From Enabling Technology to Clinical Applications, IEEE Engineering in Medicine and Biology, May/June 2010, pp. 25-36.

2. P. F. Binkley, ‘The next era of examination and management of the patient with cardiovascular disease,’’ IEEE Eng. Med. Biol. Mag., vol. 22, pp. 23–24, May–June 2003.


124

3. Zięba J., Frydrysiak M., Błaszczyk J., (2012) „Textronic clothing with resistance textile sensor to monitoring frequency of human breathing” 2012 IEEE Symposium on Medical Measurements and Applications, Proceedings pp. 20 - 24

4. Korzeniewska E., Duraj A., Krawczyk A. „Identyfikacja wyjątków sensorycznych funkcji organizmu przy zastosowaniu nowoczesnej metody monitoringu e-włókien”, Przegląd Elektrotechniczny (2013) vol. 89, No.12, pp. 123-127

5. Pawlak R., Korzeniewska E., Frydrysiak M., et al. „Using vacuum deposition technology for the manufacturing of electro-conductive layers on the surface of textiles” Fibres and Textiles in Eastern Europe (2012) vol.91 no.2, pp. 68 – 72

6. Borowik L., Jakubas A. Measurements and subjects antistatic protective clothing, Przegląd Elektrotechniczny, 89 (2013) nr 12, 196-198

7. Borowik L., Jakubas A. Influence of edge effects on measuring of resistance of anti-static surface, Przegląd Elektrotechniczny, 88 (2012) nr 12b, 164-166


125

SPINOWY CHARAKTER ZJAWISKA MAGNETOPLASTYCZNOŚCI

Romuald Kotowski1,3, Vladimir I. Alshits1,2, Piotr Tronczyk1,3, Jerzy P. Nowacki1 1 Polsko-Japońska Wyższa Szkoła Technik Komputerowych, Wydział Informatyki,

Katedra Informatyki Stosowanej, Warszawa, Polska 2 Instytut Krystalografii RAS, Moskwa, Rosja

3 Państwowa Wyższa Szkoła Informatyki i Przedsiębiorczości w Łomży, Instytut Informatyki i Automatyki, Łomża, Polska

Streszczenie Podczas kilku ostatnich Sympozjów PTZE były prezentowane nasze prace dotyczące zjawiska magnetoplastyczności w ośrodkach niemagnetycznych. Zjawisko zostało odkryte w kryształach NaCl umieszczonych w stałym polu magnetycznym B ~ 0,5 T. Koncentrowano się głównie na demonstracji pierwszych wyników dotyczących symulacji komputerowych tego zjawiska. Doświadczenia dotyczące wpływu pola magnetycznego na ruchliwość defektów liniowych kryształów z natury rzeczy nie pozwalają na obserwację zachowania się dyslokacji w głębi ciała, a wnioski dotyczące ruchliwości dyslokacji krystalicznych wyciągano tylko z obserwacji śladów dyslokacji wychodzących na powierzchnie próbek. Symulacje komputerowe pozwalały na wniknięcie w głąb kryształu i na śledzenie szczegółów, w jaki sposób dyslokacja przechodzi przez kryształ.

Dyslokacja przemieszczając się przez kryształ, w wyniku działania naprężeń wewnętrznych, zatrzymuje się na przeszkodach, jakimi są dla niej, na przykład, defekty punktowe. Rola pola magnetycznego polega na spowodowaniu zmiany struktury tych defektów, co daje w rezultacie zmniejszenie siły, z jaką defekt punktowy zatrzymuje dyslokację. Założono, że za ten mechanizm odpowiada ewolucja spinów defektów punktowych, zdejmująca kwantowy zakaz określonego przejścia elektronów w układzie dyslokacja – defekt punktowy.

Obecnie tematyką magnetoplastyczności zajmują się już niezależne grupy badaczy, a wyniki ich prac potwierdzają słuszność hipotezy spinowej. Analogiczny efekt został już odkryty w innych związkach alkalicznych, np. w NaCl(Ca), NaCl(Pb), w takich metalach niemagnetycznych jak Al i Zn, w półprzewodniku InSb i w licznych innych materiałach. Przeprowadzano badania wykazujące makroskopowe występowanie efektu magnetoplastyczności przy zmiennym naprężeniu ( = const.), przy aktywnej deformacji ( = const.), w procesie pełzania ( = const.) i w tarciu wewnętrznym.

Oprócz zwykłego zjawiska magnetoplastyczności, w którym wstępne umieszczenie kryształu w polu magnetycznym nie wpływało w żadnym stopniu na wyniki eksperymentu, w niektórych kryształach zaobserwowano zjawisko pamięci magnetycznej. W tych kryształach, zazwyczaj domieszkowanych, pole magnetyczne modyfikuje centra domieszkowe jeszcze zanim zostaną wprowadzone świeże dyslokacje, co na pewien czas zmienia ich właściwości mechaniczne. Zjawisko pamięci magnetycznej zaobserwowano w związkach alkalicznych, w półprzewodniku ZnO i w fullerenach jako zmianę mikrotwardości kryształów.

Istotnie ważnym osiągnięciem jest odkrycie rezonansowego zjawiska magnetoplastyczności. Efekt ten zachodzi w badaniu EPR (elektronowego rezonansu paramagnetycznego) przy równoczesnym działaniu dwu skrzyżowanych pól magnetycznych: stałego i zmiennego. Rezonans zachodzi, kiedy częstotliwość pola zmiennego odpowiada rozszczepieniu Zeemana Δ = ℎ poziomów spinowych w stałym polu magnetycznym. Rezonanse takie zaobserwowano przy standardowej częstotliwości


126

zjawiska EPR ≈ 10GHz w związkach alkalicznych i w Si. Wyniki te stanowią bezpośrednie potwierdzenie spinowego charakteru magnetoplastyczności.

Ostatnio odkryto rezonansowe zjawisko magnetoplastyczności w zakresie częstotliwości radiowych przy wykorzystaniu magnetycznego pola Ziemi (~10-4 T) dla pojedynczych dyslokacji w NaCl. Wielkość modyfikacji plastycznych właściwości kryształów w wyniku działania bardzo niskich natężeń pola magnetycznego był podobny do takich, jakie osiągano dla kryształów umieszczonych w polach ~1 T.

Jak pokazano powyżej, na temat zjawiska magnetoplastyczności i jego efektów pobocznych zgromadzono już olbrzymią ilość informacji, tym nie mniej należy stwierdzić, że poziom naszej wiedzy na temat procesów przemieszczania się dyslokacji poprzez przypadkowe rozkłady defektów punktowych, jest w dalszym ciągu poza zakresem możliwości standardowych metod eksperymentalnych i ciągle jeszcze jest ograniczony i schematyczny. Na możliwość pokonania tych niedostatków pokładamy nadzieję w symulacjach komputerowych.


127

RYZYKO I ZAGROŻENIE W POLU ELEKTROMAGNETYCZNYM

– KRYTYCZNA ANALIZA POJĘĆ

Andrzej Krawczyk1, Barbara Grochowicz2, Katarzyna Ciosk3

1 Politechnika Częstochowska, WIHE, WIM

2 Politechnika Opolska 3 Politechnika Świętokrzyska

W przepisach, wyznaczających wartości pola elektromagnetycznego dopuszczalnego w środowisku publicznym, jak i środowisku pracy, a także w całej literaturze przedmiotu pojawiają się terminy ryzyko, zagrożenie i zdrowie. Te trzy terminy pojawiają się zamiennie w publicystyce pseudonaukowej, szczególnie wtedy, kiedy podawana jest lista chorób, generowanych wedle tej literatury przez pole elektromagnetyczne. Dla rzetelnej oceny doniesień medialnych dobrze jest poddać krytycznej analizie wspomniane wyżej terminy [1].

Ryzyko jest definiowane jako:

Prawdopodobieństwo wydarzenia się czegoś co może posiadać niepożądany wpływ na ludzi, infrastrukturę, finanse, środowisko, rośliny i zwierzęta.

Koncepcja ryzyka zakłada istnieje trzech elementów:

Prawdopodobieństwo, że coś może się wydarzyć Prawdopodobieństwo, że to co się wydarzy ma wpływ na coś Prawdopodobieństwo konsekwencji wynikłych z tego wpływu

Jeśli któryś element tej triady jest równy zeru, wówczas ryzyko jest równe zeru.

Zagrożenie – zjawisko wywołane działaniem sił natury bądź człowieka, które powodują, że poczucie bezpieczeństwa maleje bądź zupełnie zanika. Zagrożenia dzielimy na naturalne (np. klęski żywiołowe) i związane z działalnością człowieka te dzielimy na: cywilizacyjne, np. imprezy masowe, choroby; destrukcyjne, np. terroryzm, przestępczość, sabotaż; gospodarcze, np. zanieczyszczenia środowiska, wadliwe konstrukcje). Zagrożenie możemy jeszcze podzielić ze względu na terytorium, na którym ono zachodzi tzn. globalne, regionalne jak i lokalne.

Zagrożenie a ryzyko – choć oba te czynniki występują równolegle, nie należy ich ze sobą utożsamiać, gdyż podobnie jak przyczyna i skutek są to dwa odrębne zjawiska. Przykładowo zagrożenie mogą stanowić zwisające z dachu duże sople, podczas gdy ryzykiem jest przebywanie lub przechodzenie w miejscu, w którym jest możliwe uderzenie przez oderwany sopel.

Zdrowie, wg Światowej Organizacji Zdrowia (WHO), jest definiowane jako stan spełnionego, fizycznego, psychicznego i społecznego dobrego samopoczucia, a nie tylko braku choroby braku choroby bądź zniedołężnienia.

Uzbrojeni terminologicznie w owe trzy definicje możemy przystąpić do oceny ryzyka ekspozycji w polu elektromagnetycznym. Zgodnie z definicją ryzyka mamy:


128

Istnieje pole elektromagnetyczne Pole elektromagnetyczne wpływa w pewien sposób na organizm człowieka (element środowiska) Wpływ pola elektromagnetycznego ma charakter negatywny

Aby ryzyko nie było równe zeru trzeba udowodnić, że żaden z wymienionych trzech elementów ryzyka nie jest równy zeru, a zatem musi istnieć pole elektromagnetyczne i musi mieć wpływ na obiekty biologiczne, i wpływ ten musi być negatywny.

A zatem ocena ryzyka jest oceną prawdziwości powyższego zdania. Potwierdzenie bądź refutacja pierwszego elementu zdania nie budzi żadnych wątpliwości, pomijając subtelności metrologiczne co do dokładności oceny istniejącego pola EM. Drugi element jest już poważniejszy i udowodnienie tego, że pole elektromagnetyczne wpływa na człowieka jest znacznie trudniejsze, ale dające się przeprowadzić. Trzeci zaś element, wskazujący na szkodliwość pola elektromagnetycznego jest już bardzo trudny do udowodnienia. Można zatem mniemać, ze ryzyko może być bardzo małe bądź równe zeru, jeśli ten ostatni element jest bardzo mały bądź równy zeru.

Aby zmniejszyć ryzyko, wprowadza się jeszcze jeden element do tej dość prostej analizy, a mianowicie ustawowe ograniczenia poziomu emitowanego pola elektromagnetycznego w obszarze, w którym przebywają ludzie bądź urządzenia. Ograniczenia te mają na celu wyeliminowanie szkodliwości pola elektromagnetycznego (jeśli taka istnieje), a więc sprowadzenie ryzyka do zera. Jednakże trudność w potwierdzeniu tezy o szkodliwości pola elektromagnetycznego uniemożliwia też pełną falsyfikację tej tezy, a zatem żadne normy nie dają możliwości wyzerowania ryzyka. Nie jest to niczym dziwnym w świecie technicznym, a tym bardziej biologicznym – złożoność organizmu czy współczesnego urządzenia technicznego jest tak wielka, że są one w stanie około chaotycznym, a zatem uszkodzenie jakiegoś elementu może spowodować katastrofę. Jednak wszyscy godzimy się na takie ryzyko, biorąc pod uwagę niezmierzone korzyści i udogodnienia jakie płyną z zastosowania nowoczesnych technologii.

Badania prowadzone od lat na temat związku pomiędzy polem elektromagnetycznym a zdrowiem ludzkim nie wskazują na ich wzajemny związek, przynajmniej w obszarze, w którym przestrzegane są wielkości graniczne. Warto zrobić małą dygresję, że obszar ten nie jest kompletnie zdefiniowany, albowiem normy lub standardy ustalane przez różne instytucje adaptowane przez poszczególne kraje różnią się od siebie, w sposób czasem istotny.

Czym innym są nadania naukowe i ustalanie technicznych warunków emisji pola elektromagnetycznego a zupełnie czym innym społeczna percepcja tego pola. Jest on poruszany w wielu publikacjach ale jedna jest szczególnie godna polecenia – wydana przez WHO w roku 2003, a w języku polskim przez Polskie Towarzystwo Zastosowań Elektromagnetyzmu (PTZE), broszura wyjaśnia bardzo celnie społeczne elementy ryzyka, jak również podaje środki zaradcze w zmniejszaniu tego ryzyka [2].

Literatura: 1. The role of evidence in risk characterization, (Peter M, Wiedemann, Holger Schutz, edytorzy),

Wiley-VCH, 2008 2. Wpływ pola elektromagnetycznego na zdrowie człowieka – płaszczyzny dialogu, WHO, Polskie

Towarzystwo Zastosowań Elektromagnetyzmu, Warszawa, 2009


129

ANTENY MIKROPASKOWE NA BAZIE STRUKTUR METAMATERIAŁOWYCH

MICROSTIP ANTENNAS BASED ON METAMATERIAL STRUCTURES

Roman Kubacki, Salim Lamari

Wojskowa Akademia Techniczna, Warszawa

Anteny mikropaskowe znalazły bardzo szerokie zastosowanie we współczesnej telekomunikacji. Sukces ten spowodowany jest w dużej mierze możliwościami ich miniaturyzacji i wytwarzania w ściśle kontrolowanym procesie technologicznym oraz dużymi możliwościami kształtowania parametrów elektrycznych takich anten. Jednakże największą niedogodnością anten mikropaskowych jest ich wąskie pasmo pracy. Dla typowych anten mikropaskowych pasmo pracy wynosi ok 5 %. Wada ta jest szczególnie dotkliwa w przypadku emisji sygnałów szerokopasmowych lub ultra szerokopasmowych, gdzie częstotliwościowe pasmo pracy dochodzi do 500 MHz. W pracy do konstrukcji anten mikropaskowych zastosowano struktury mające właściwości metamateriałowe. W takim przypadku zastosowanie nowoczesnych materiałów nazywanych „metamateriałami” może dać pozytywne rezultaty w poszerzaniu pasma pracy anten mikropaskowych. Metamateriały są substancjami nie występującymi praktycznie w naturze, gdyż charakteryzują się ujemnymi wartościami przenikalności elektrycznej i magnetycznej. Własności metamateriałowe można uzyskać w specyficznie zbudowanych strukturach. W pracy przedstawiono możliwości zastosowania struktur metamateriałowych do konstrukcji anten mikropaskowych. Przedstawiono również obliczenia i pomiary dla konkretnej anteny mikropaskowej, w której promiennik oraz ekran mają geometrię okresowej struktury bazującej na geometrii fraktali – rys. 1 oraz 2.

Rys.1. Konfiguracja anteny mikropaskowej


130

Rys. 2. Widok promiennika oraz ekranu anteny mikropaskowej Obliczenia współczynnika odbicia (S11) oraz symulacje charakterystyk promieniowania dla anteny przedstawionej na rysunkach 1 oraz 2 przeprowadzono w programie CST Studio. W efekcie otrzymano antenę o paśmie pracy od 4.4 GHz do 15.7 GHz, co daje częstotliwościowe pasmo pracy wynoszące 11.3 GHz. Wyniki przeprowadzonych symulacji pokrywają się w wynikami przeprowadzonych pomiarów w bezodbiciowej komorze pomiarowej co przedstawiono na rys.3.

Rys. 3. Wartości współczynnika odbicia (S11) w funkcji częstotliwości – wartości obliczone (niebieska gruba linia) oraz wartości zmierzone (zielona cienka linia)

Przedstawione zostaną również takie parametry anteny jak rozkład prądów oraz zysk antenowy dla charakterystycznych częstotliwości pracy zaproponowanej anteny.


131

DEPENDENCE OF POWER LOSSES IN HUMAN TISSUES

IN NANOPARTICLE HYPERTHERMIA

Eugeniusz Kurgan, Piotr Gas AGH University of Science and Technology

Department of Electrical and Power Engineering Introduction

The ability of magnetic nanoparticles to performance as effective heating sources for magnetic hyperthermia has been showed many years ago [1]. However, the mechanisms and limits for supplying the generated energy to intracellular spaces are still questions to discuss [2]. The therapeutic application of magnetic hyperthermia consist in externally increasing the temperature of a tissue with a tumour through alternating magnetic fields acting on magnetic nanoparticles previously inserted in that tissue. The safety of magnetic hyperthermia in comparison with microwave or eddy current based hyperthermia is associated with the frequency region (f < 1MHz) of the electromagnetic radiation used by this type of hyperthermia, where the heating effects on living healthy tissues are negligible. The mechanism of the energy dissipation when a magnetic colloid is located in an AC magnetic field has been extensively studied for different particle radiuses, colloid viscosity, volume fraction of particles in suspension and magnetic field strengths.

Most of the experimental and theoretical studies consider single-domain particles, and thus the discussion of heat generation method is concerned to Brownian and Néel relaxation mechanisms. The prevailing picture today is that power absorption takes place mainly through Néel relaxation process of the magnetic moments, since energy losses from mechanical rotation of the particles, acting against viscous forces of the liquid medium (Brownian losses) cannot contribute at those frequency ranges used magnetic hyperthermia [4].

In this article influence of human tissue parameters on electromagnetic field, generated power losses and temperature distribution is considered. In order to calculate a full investigation of the temperature variation in human tissues, one needs to take into account tissue composition, blood perfusion rate, heat conduction effects of various tissues, and heat generation due to metabolic processes. Also influence of nanoparticle parameters on temperature distribution is examined. Magnetisation of particles

When a superparamagnetic particle is removed from a magnetic field its magnetization vector relaxes back to zero because of the external thermal energy of the fluid suspension. This relaxation is due either to the physical rotation of the particles themselves within the fluid, or rotation of magnetic moments within each particle. Rotation of the whole particles in colloidal suspension is known as Brownian rotation while rotation of the moment within each particle, while particle itself is motionless, is referred as Néel relaxation. Each of these processes is described by a relaxation time: τB for the Brownian motion, which depends on the hydrodynamic properties of the fluid; while τN for the Néel process, which is influenced by the magnetic anisotropy energy of the super-paramagnetic particles relative to the thermal energy. Both Brownian and Néel relaxation movements may appear in a ferrofluid, whereas only τN is significant where no physical rotation of the particle takes place. The relaxation times τB and τN depend in different way from particle size. Losses of energy caused by Brownian rotation have maximum value at a lower frequency than are those due to Néel relaxation for a given particle size [4]. Power losses dissipated in magnetic dissipation process are given by


132

(1)

2 2 20 0 0 22

1 2P H f

f

When the particle is placed in homogeneous magnetic external AC field Hexejωt, then

(2)

ex ex extot 2 2

m

=1 1 j 1

H H HH

N N N N

Relaxation losses Assuming that effective field strength Heff in particle is equal to the external field Hex then the approximate value of the power losses is given by [4]

(3) 2 2 2

a ex ex2 2 2ex

4 1coth

1 4

fP H H

f H

where

(4) 3

0 d

B

4

3

R M

k T

0 d

2

M

In this section dependence of power losses Pa from particle radius is examined. Following values of the particle and suspension are assumed: μ0=4*pi*1e-7H/m, τ0=1e-9sm, ψ = 0.01, kB = 1.38e-23J/K, T = 300oK, Md = 446000A/m, Ku = 32000J/m3, = 1e-3Pa·s, δ = 2e-9nm, f = 100kHz, Hex = 8kA/m, N = 0.004.

(a) (b) Fig1. Dependence of the induction heating power on magnetic core size for different particle radius

values (a) and dependence of the induction heating power from viscosity of the colloid. Dimension of the viscosity is given in Pa·s (b)

References [1] Jordan A. , Wust P. ,Fahl ing H. , John W., Hinz W., and Fel ix R.: Inductive heating of

ferrimagnetic particles and magnetic fluids—Physical evaluation of their potential for hyperthermia, Int. J. Hyperthermia, vol. 9, pp. 51–68, 1993.

[2] Hergt R. , and Andrä W.: Magnetic hyperthermia and thermoablation, in Magnetism in Medicine: A Handbook, W. Andrä and H. Nowak, Eds., 2nd ed. Berlin: Wiley-VCH, 2006, p. 550.

[3] Kurgan E., Obliczanie sił momentów w zjawiskach dielektroforezy i magnetoforezy, Warszawa, BellStudio, 2013

[4] Wang X., Tang J . , Shi L.: Induction Heating of Magnetic Fluids for Hyperthermia Treatment, IEEE Transactions on magnetics, vol. 46, no. 4, 2010

3 4 5 6 7 8Particle radius [nm]

0

20

40

60

10

30

50

70

Pow

erlo

sses

Pa[M

W/m

3 ]

f = 100kHzf = 300kHz

f = 500kHz

4 8 12 16 20Particle radius [nm]

0

4

8

12

16

2

6

10

14

18

Pow

erlo

sses

P a[M

W/m

3 ]

= 2e-3

= 1e-3

= 5e-3


133

WSPOMAGANIE LOKALIZACJI WEWNĄTRZ BUDYNKÓW ZA POMOCĄ SIECI WIFI

ORAZ INNYCH STANDARDÓW SIECIOWYCH

Marcin T. Leplawy Politechnika Łódzka, Instytut Informatyki

Streszczenie Lokalizacja wewnątrz budynków przy zastosowaniu systemów satelitarnych takich jak GPS czy Glonass daje bardzo małą dokładność przez brak możliwości bezpośredniej „widoczności” satelity umieszczonych na orbicie okołoziemskiej. Bardzo często można zauważyć ten problem w przypadku wjechania samochodem do tunelu, pomiędzy wysokie budynki, do wysokiego lasu czy w wejścia z urządzenie mobilnym wewnątrz budynku sygnał jest utracony lub bardzo znacznie zniekształcony. Ten dokument przedstawia alternatywne sposoby rozwiązania problemu niedostępności lokalizacji w dużych budynkach gdzie ogólnodostępne systemy nawigacji satelitarnej są niedostępne. Pierwszym najbardziej naturalnym sposobem radzenia sobie z brakiem dostępu do sygnału GPS jest zastosowanie wzmacniaczy sygnału montowanych wewnątrz budynków. Dzięki takiemu rozwiązaniu możliwe jest użycie istniejących odbiorników dla których zamontowane wzmacniacze są przezroczyste przez co nie potrzebna jest zmiana konfiguracji czy oprogramowania a przejście odbywa się płynnie pomiędzy wzmacniaczem a satelitą. Stosowane rozwiązania z uwagi na ich konstrukcję mogą być wykorzystywane tylko w bardzo wąskim zastosowaniu. Rozwiązanie komercyjne będące metodą lokalizacji wewnątrz budynków jest iBeacon firmy Apple. Jest to system oparty o standard Bluetooth (Bluetooth Low Energy). Założeniem tego jest stworzenie systemu urządzeń odbiorczych (Beacon) zamontowanych w znanych miejscach wewnątrz budynku. Drugą częścią systemu jest urządzenie mobile (np. iPhone 4) z zainstalowanym programem wykrywającym Beacon i wyświetlające dane o położenie na podstawie danych z danego Beacon’a. Użycie systemu iBeacon jest bardzo proste w budowie jak i użytej technologii jednak lokalizacja jest za pomocą tego systemu wymaga użycia dużej ilości urządzeń iBeacon. W związku z tym lokalizacja może być niedostępna we wszystkich budynkach. Alternatywą dla tych systemów jest stworzenie systemu lokalizacji opartego na dostępnych na szeroką skalę sieciach bezprzewodowych wifi. Idea takie systemu polega na stworzeniu systemu opartego o sieć akces pointów oraz urządzenia mobilnego z wbudowaną kartą sieciową odbierającą sygnał wifi. Idea tego systemu polega na podstawie znanej wartości mocy sygnału odebranego z kilku rozmieszczonych w budynku acces pointów. Zaletą takiego systemu jest możliwość adaptacji istniejących systemów wifi istniejących w większości dużych budynków oraz bardzo duża popularność telefonów komórkowych z wbudowaną kartą sieciową. Poprzez zastosowanie triangulacji radiowej sygnału nadawanego prze akcesowi możliwe będzie określenie dokładnego położenia danego użytkownika wewnątrz budynku przy zastosowaniu prostej i obecnej technologii sprzętowej poprzez stworzenie oprogramowania.


134

Istniejące systemy wykorzystujące triangulacji radiową do nawigacji wewnątrz budynków nie są na tyle dokładne ani jeszcze na tyle dokładne aby zapewnić bezbłędne poruszanie się wewnątrz budynku zarówno w płaszczyźnie pionowej jak i poziomej. W istniejących systemach musi zostać dopracowana bezwładność systemu oraz ich dokładność pomiaru.

Bibliografia Chin-Heng Lim, Yahong Wan,Ng, Boon-Poh. A Real-Time Indoor WiFi Localization System Utilizing Smart Antennas . NTU, Singapore.


135

CZĘŚĆ II. BADANIA DOTYCZĄCE TZW. “EFEKTU TERMICZNEGO”

W WYNIKU ODDZIAŁYWANIA ZMIENNEGO POLA MAGNETYCZNEGO WYTWARZANEGO

PRZEZ APARATURĘ MEDYCZNĄ STOSOWANĄ W TRAKCIE ZABIEGÓW LAPAROSKOPOWYCH

NA JAJNIKACH OPEROWANYCH KOBIET

Maciej Łopucki, Agnieszka Grafka I Katedra i Klinika Ginekologii Onkologicznej

i Ginekologii Uniwersytetu Medycznego w Lublinie Wstępne wyniki badań na ten temat przedstawiono w na Sympozjum PTZM w Mikołajkach w 2013 r. Celem przypomnienia, należy wyjaśnić, że laparoskopia jest jedną z technik operacyjnych stosowanych w min. chirurgii ginekologicznej i onkologicznej, w diagnostyce klinicznej oraz w leczeniu licznych patologii ginekologicznych min.: guzów jajnika i jajowodów, endometriozy, mięśniaków i wielu innych chorób. Od 70-tych ubiegłego wieku, i nadal stanowi powszechną mikroinwazyjną metodę operacyjną z tzw. „trzech mini nacięć” (1 cm). Technika ta polega na wprowadzeniu do jamy brzusznej przez jeden trokar kamery wizyjnej oraz przez dwa kolejne trokary operacyjne, którymi dokonuje się zabiegu przy użyciu elektronarzędzi mono i bipolarnych (wykorzystujących prąd sieciowy). Opiera się ona na połączeniu efektu termicznego z jednoczesnym mechanicznym (uciskowym) działaniem elektronarzędzi na naczynia i tkanki, co powoduje trwałe zespolenie naczyń i zapewnia hemostazę w trakcie operacji. Połączenie wysokiej temperatury (od 103oC do 106oC) i mechanicznego „ucisku” w operowanej tkance i naczyniach koaguluje i jednocześnie „obkurcza” min. białka kolagenu zawarte w tych strukturach. W piśmiennictwie brak jest jakichkolwiek informacji na temat płodności kobiet poddanych tego typu zabiegom z oddziaływaniem temperatury powyżej 103oC na jajnikach. Niepokój budzi fakt, że denaturacja białek następuje powyżej 43oC i prowadzone w/wym. operacji, szczególnie u kobiet nie posiadających potomstwa może powodować ich trwałą niepłodność. Na badania uzyskano zgodę Komisji Bioetycznej przy Uniwersytecie Medycznym w Lublinie nr. KE-0254/102/2008. Celem badań: była ciągła rejestracja pomiarów temperatury jajników w trakcie laparoskopii w warunkach in situ przy użyciu Professional Thermocouple Thermometers DT-8891E przez wprowadzony dodatkowy czwarty trokar i w nim elektroniczny termometr dotykowy firmy EMED w trakcie laparoskopii. Materiał badań i testy statystyczne wyników: łączna grupa badana obejmowała 119 pacjentek, jednak w analizie statystycznej uwzględniono jedynie 17, od których uzyskano tzw. „świadomą zgodę”, co stanowiło 14,3% przypadków poddanych analizie statystycznej. Badaniami objęto pacjentki, które nie rodziły lub/i były leczone z powodu niepłodności pierwotnej lub wtórnej w wieku od 23 do 38 lat. Pomiary prowadzono od 2009 do 2014 roku. Podstawową odmową w wykonaniu tego typu pomiarów była obawa przed dodatkową blizną po wprowadzeniu dodatkowego trokara nad


136

spojeniem łonowym. Nie przekono w/wym. pacjentek, które nie wyraziły zgody na tego typu pomiary, iż ciągły pomiar temperatury w warunkach in situ może być zabezpieczeniem przed nadmiernym oddziaływaniem temperatury na jajniki. Uzyskane wyniki badań poddano analizie statystycznej. Wartości analizowanych parametrów mierzonych w skali ilorazowej scharakteryzowano przy pomocy wartości średniej i odchylenia standardowego. Z uwagi na niejednorodność wariancji ocenioną na podstawie testu Levene’a do analiz istnienia różnic między badanymi grupami zastosowano testy nieparametryczne. Do porównania dwóch grup niezależnych użyto testu U Manna-Whitney’a. Natomiast do porównania dwóch grup zależnych testu kolejności par Wilcoxona. Z kolei do zbadania istnienia zależności użyto testu istotności współczynnika korelacji R Spearmana. Przyjęto 5% błąd wnioskowania i związany z nim poziom istotności p<0,05 wskazujący na istnienie istotnych statystycznie różnic bądź zależności. Analizy statystyczne przeprowadzono w oparciu o oprogramowanie komputerowe STATISTICA v. 10.0 (StatSoft, Polska). Wyniki badań: na podstawie analizy statystycznej stwierdzono, że we wszystkich przypadkach przekroczono temperaturę 43o C w trakcie laparoskopii. Średni czas laparoskopii wynosił 40,76 ± 9,75 min., a średnie stosowanie elektronarzędzi monopolarnych wynosiło 10,88 ± 5,06 min., a bipolarnych 9,0 ± 5,41 min. Obserwowano także, iż w wyniku podania do jamy brzusznej ok. 5 litrów CO2 (standardu w trakcie laparoskopii), nastąpiło obniżenie temp. w jamie brzusznej i pozostałych narządów. Można przypuszczać, że był to wynik gwałtownego rozprężenia gazu w jamie brzusznej. W piśmiennictwie jest brak danych na ten temat. Wyniki badań przedstawiono w tabelach I, II, III.:

Temp. w jamie brzusznej in vitro po wprowadzeniu

CO2 na początku laparoskopii (średnia±SD)

Temp. w jamie brzusznej po laparoskopii (średnia±SD)

p

otrzewna ścienna 35,64 ± 0,24 35,62 ± 0,22

0,75 Jajnik 35,64 ± 0,14 35,74 ± 0,21 0,13 Macica 35,62 ± 0,13 35,69 ± 0,22 0,38 Pęcherz 35,53 ± 0,59 35,62 ± 0,21 0,87 Jelita 35,62 ± 0,21 35,71 ± 0,23 0,12

Tab. I. Wyniki badań dotyczące pomiaru temperatury w jamie brzusznej w warunkach in situ po 5 min laparoskopii. (po wprowadzeniu do jamy brzusznej CO2).

Pomiar średniej temp. jajników w odległości:

Koagulacja monopolarna

Koagulacja bipolarna P

1cm. 49,82 ± 6,40 44,87 ± 2,60 0,004 2cm. 45,12 ± 4,87 40,83 ± 1,87 0,001

P 0,0003

0,0003

Tab. II. Wyniki badań dotyczące średnich pomiarów temperatury jajników w jamie brzusznej in situ w odległości 1 i 2 cm. po koagulacji monopolarrnej i bipolarnej.


137

Max. temperatury w trakcie koagulacji

Koagulacja monopolarna

Koagulacja bipolarna P

1cm. 63,91 ± 8,91 53,96 ± 6,81 0,005 2cm. 55,76 ± 5,93 48,26 ± 5,52 0,003

P 0,0003

0,0003

Tab. III. Wyniki badań dotyczące maksymalnej temperatury jajników w jamie brzusznej in situ w trakcie koagulacji monopolarnej i bipolarnej w odległości 1 i 2 cm. Ze względu na uzyskane wyniki badań planowane jest opracowanie ankiet epidemiologicznych w okresie 3 lat po laparoskopii dotyczących płodności kobiet, które nie rodziły lub/i były leczone z powodu niepłodności pierwotnej lub wtórnej w wieku od 23 do 38 lat. Wniosek: wstępne wyniki badań dają podstawy do stwierdzenia, że kontynuacja tego typu badań jest konieczna i pomiar temperatury jajników w trakcie laparoskopii warunkach in situ powinno być wprowadzone do praktyki operacyjnej jako standard.


138

POTENCJAŁ I MOŻLIWOŚCI ENERGII PROMIENIOWANIA ELEKTROMAGNETYCZNEGO

SŁOŃCA

Paweł Matuszczyk, Tomasz Popławski, Janusz Flasza Politechnika Częstochowska, Wydział Elektryczny

Streszczenie Problematyka artykułu dotyczy potencjału energii promieniowania elektromagnetycznego Słońca, wypływających z tego korzyści ekologicznych i ekonomicznych. Promieniowanie to jest paliwem wykorzystywanym we wszystkich procesach zachodzących na Ziemi w materii ożywionej (fotosynteza) i nieożywionej. Słońcu zawdzięczamy również energię jaką niesie w postaci wiatru i fal morskich. Energia słoneczna jest całkowicie czystym i najbardziej naturalnym źródłem energii odnawialnej. Energia promieniowania elektromagnetycznego Słońca jest przekształcana bezpośrednio w energię elektryczną, bez jakichkolwiek reakcji chemicznych (konwersja ta nie powoduje ogrzewania Ziemi). Dominującym składnikiem całkowitego bilansu energetycznego naszej Planety Ziemia jest właśnie promieniowanie słoneczne. Całkowita moc promieniowania elektromagnetycznego Słońca docierająca do biosfery przekracza 10000 razy obecne zapotrzebowanie całej ludzkości na energię. Obecnie na całym świecie dąży się do jak największego wykorzystywania energii pochodzącej ze Słońca w celu wytwarzania energi elektrycznej, cieplnej oraz do minimalizacji kosztów związanych z wytwarzaniem energii elektrycznej i ogrzewaniem. Omówione zostaną zależności zmiany promieniowania słonecznego w dowolym punkcie powierzchni Ziemi biorąc pod uwagę pory dnia i pory roku dla warunków nasłonecznienia panujących w Polsce. Polska jako kraj cechuje się dobrymi warunkami do efektywnego wykorzystania energii promieniowania słonecznego, trzeba tylko odpowiednio dobrać właściwości systemów solarnych i urządzeń wykorzystujacych tę energię do charakteru, struktury i rozkładu promieniowania słonecznego w czasie dla danego regionu Polski. Biorąc pod uwagę aspekty proekologiczne energii słonecznej i źródeł odnawialnych tworzone są różnego rodzaju dokumenty, jak np. Strategia Rozwoju Energetyki Odnawialnej, w którym to dokumencje stwierdza się przyszłościowy znaczący udział energetyki odnawialnej w całkowitym bilansie paliwowo-energetycznym kraju.


139

ANALIZA EMISJI ELEKTROMAGNETYCZNEJ W ŚRODOWISKU PRZEMYSŁOWYM NA PRZYKŁADZIE

ZAKŁADÓW AZOTOWYCH PUŁAWY S.A.

Paweł A. Mazurek 1 Krzysztof Kisiel, Piotr Tomczyk, Maciej Wiak 2

1 Politechnika Lubelska, Instytut Podstaw Elektrotechniki i Elektrotechnologii 2 Grupa Azoty Zakłady Azotowe Puławy S.A., Zakład Elektryczny

Niejonizujące promieniowanie elektromagnetyczne w postaci pól elektromagnetycznych zawsze występowało w środowisku naturalnym. Pochodzi ono od naturalnych źródeł, jakimi jest Słońce, Kosmos, Ziemia czy zjawiska atmosferyczne. Sztuczne pola elektromagnetyczne zaczęły pojawiać się w środowisku właściwie od kilkuset lat i są związane z techniczną działalnością człowieka. Rozwój cywilizacji, w tym technologii elektrotechnicznych potęguje wzrost emitowanych poziomów. Zwiększenie liczby nadajników radiowo telewizyjnych, stacji bazowych telefonii komórkowej, wi-fi oraz ciągły rozwój sieci energetycznych przesyłowych i rozdzielczych utrzymuje tendencje wzrostowe emisji, a to wywołuje duże zainteresowanie szczególnie w zakresie oddziaływania pól EM na człowieka [1]. Dodatkowo, istniejące pola mogą oddziaływać na inne urządzenia i instalacje elektryczne wywołując nieharmoniczne współistnienie (brak kompatybilności elektro-magnetycznej). W odniesieniu do środowiska mieszkalnego, biurowego lub lekko uprzemysłowionego zagrożenia są niewielkie, ale w przypadku środowiska przemysłowego – potencjalne zagrożenia mogą być duże, zatem wymagają każdorazowo indywidualnej analizy. Grupa Azoty Zakłady Azotowe "Puławy" S.A. to polska grupa chemiczna, specjalizująca się w wielkotonażowej produkcji nawozów azotowych, jeden z największych na świecie producentów melaminy i największe polskie przedsiębiorstwo w branży wielkiej syntezy chemicznej. Ofertę produktową można podzielić na trzy segmenty Agro (rolnictwo) i Chemia (produkty chemiczne, monomery) oraz Energetyka. Instalacje produkcyjne obejmują wytwarzanie m.in.: RSM (roztworu saletrzano-mocznikowego), Pulanu (saletry amonowej), Pulrea (mocznika), Pulsaru (siarczanu amonu), RSMS (roztworu saletrzano-mocznikowego z siarką), Pulaski (roztworu nawozu azotowego z siarką), melaminy, kaprolaktamu ciekłego i stałego, sprężonego wodoru, kwasu azotowego, ciekłego amoniaku, suchego lodu, ciekłego dwutlenku węgla, wody amoniakalnej, roztworów mocznika, nadtlenku wodoru, kwasu siarkowego, saletry potasowej. W segmencie Energetyka – podstawowym źródłem energii cieplnej dla PUŁAW jest Elektrociepłownia Zakładów Azotowych PUŁAWY S.A. Moc zainstalowana obecnie wynosi 96,8 MW. Moc cieplna zainstalowana 558 MWt. W znaczącym stopniu pokrywa ona zapotrzebowanie spółki na energię elektryczną i jest jednocześnie głównym dostawcą ciepła do miasta Puławy. Zakłady zasilane są w energię elektryczną bezpośrednio z sieci przesyłowej spółki PSE S.A. Roczna ilość energii kupowana z sieci zewnętrznej to 1 TWh. Połączenie z siecią PSE S.A. jest na linii 220 kV. Około 18% tej energii sprzedawana jest do odbiorców końcowych, zlokalizowanych na terenie należącym do Spółki. W procesie skojarzonego wytwarzania energii elektrycznej i cieplnej Elektrociepłownia PUŁAW produkuje: energię elektryczną, pary technologiczne, wodę grzewczą na potrzeby Spółki i miasta oraz wodę zdemineralizowaną i zdekarbonizowaną [2]. W pierwszych dniach lipca wykonane zostały na terenie Zakładów Azotowych Puławy S.A pomiary emisji elektromagnetycznej. Z racji przetwarzania przez Zakłady dużych ilości energii elektrycznej i jej ciągłego zapotrzebowania, szczególnego znaczenia nabierają obiekty, które bezpośrednio uczestniczą w procesach przesyłu, rozdziału i sterowania energią elektryczną na terenie zakładów


140

produkcyjnych. Jakość wykonania i prowadzenia systemów energetycznych, systemów sterownia, monitoringu czy oświetlenia maja duże znaczenie dla ciągłości produkcji i bezpieczeństwa ludzi, pracowników, mienia oraz środowiska. Miejsca, w których zostały wykonane pomiary są pod nadzorem Zakładu Elektrycznego i są to Rozdzielnia OPT- ML-III, Dyspozytornia, RGI 6kV, R30, Rozdzielnia 220kV, Sterownia Główna Kaprolaktamu, Rozdzielnia OPT-K1- Oddziałowa Podstacja Transformatorowa-Kaprolaktam 1. W pomiarach uczestniczyli pracownicy Zakładu Elektrycznego oraz pracownik Politechniki Lubelskiej. Z racji wykonywania pomiarów w szczególnych i niebezpiecznych miejscach pracy, podczas pomiarów zachowywano szczególne środki bezpieczeństwa oparte na odpowiednim dozorze i z zachowaniem środków ochrony osobistej. Przykładowo, jednym z wybranych miejsc pomiarów jest rozdzielnia ML-III. Jest to rozdzielnia dwusekcyjna, o zasilaniu realizowanym przy pomocy obudowanych miedzianych mostów szynowych o prądzie znamionowym 4500A łączących transformatory suche o mocy 2500kVA z polami zasilającymi. Drugą analizowaną rozdzielnią jest OPT-K1. To rozdzielnia zasilona z Głównej Rozdzielni Rejonowej 6kV GRR-K. Wyposażona w cztery transformatory olejowe 6/04 kV o mocy 1000kVA każdy. Z rozdzielni OPT zasilone są odbiorniki energii i rozdzielnie produkcyjne niskiego napięcia. Ważnymi obiektami są też dyspozytornia i sterownie. To swoiste interfejsy między procesem zarządzania energią, a ludzkim operatorem. Do niezawodnego i przyjaznego dla użytkownika sterowania procesami niezbędne są właściwie zaprojektowane pomieszczenia sterowania – bezpieczne zarówno dla personelu jak i czułej aparatury sterująco-monitorującej. Podstawowy schemat układu pracy rozdzielni, zdjęcia z realizacji pomiarów oraz przykładowe wyniki pomiarów prezentują zamieszczone w artykule rysunki i zdjęcia.

Rys. 1. Schemat operacyjny układu pracy rozdzielni R220/30 I RG1, zdjęcia z pomiarów w rozdzielni ML-III

Wykrywanie pól elektromagnetycznych i ich badanie wymagają stosowania specjalnych narzędzi pomiarowych. Pomiary realizowano dwoma zestawami. Badania w zakresie emisji częstotliwości energetycznej – przeprowadzono przy użyciu miernika Maschek ESM100, pomiary w zakresie analizy elektromagnetycznej 30MHz-3GHz przy wykorzystaniu odbiornika pomiarowego ESCI3 Rohde&Schwarz. Sposób prowadzenia badań poziomów pól elektromagnetycznych określają normy branżowe oraz odpowiednie akty prawne [3,4,5].


141

Rys. 2. Poziom emisji elektromagnetycznej na terenie rozdzielni ML-III, Zakłady Azotowe „Puławy” S.A.

Rys. 3. Wybrane wyniki pomiarów pola elektrycznego i magnetycznego w zakresie 50 Hz, zmierzone w pomieszczeniu dyspozytorni

Pierwsza, wstępna analiza wyników wykazuje, że ekspozycja nie wykazuje niebezpiecznych stref dla pracowników [5], nie zaobserwowano również braku kompatybilności urządzeń elektronicznych i instalacji elektrycznych. Pełna wersja artykułu będzie obejmowała pełne zestawienie wyników pomiarów przeprowadzonych w wymienionych miejscach na terenie Zakładów, zostanie także przedstawiona analiza oddziaływania uzyskanych wartości emisji zarówno pod względem oddziaływania na urządzenia elektroenergetyczne (kompatybilność instalacji) oraz w odniesieniu do ekspozycji zawodowej oraz środowiskowej.

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200E‐Field 3D [V/m] H‐Field 3D [A/m]


142

Literatura [1] Mazurek P. A., Wac-Włodarczyk A., Przytuła K., Wójtowicz P. A., Staszek J., Ścirka T.,

Masłowski G., Wybrane zagadnienia analizy pola elektromagnetycznego miasta Lublin i uzdrowiska Nałęczów, Inżynieria Ekologiczna ISSN 2081-139X, POLISH SOCIETY OF ECOLOGI, Nr 30/2012, str. 194-205

[2] Zintegrowany Raport Roczny Grupy Kapitałowej Zakłady Azotowe PUŁAWY S.A. 2012, Koncepcja wydawnictwa, opracowanie treści: Martis CONSULTING Sp. z o.o., Drukarnia ELKO, Końskowola

[3] Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 12 listopada 2007 r. w sprawie zakresu i sposobu prowadzenia okresowych badań poziomów pól elektromagnetycznych w środowisku, Dz. U. Nr 221, poz. 1645

[4] Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 30 października 2003 r. w sprawie dopuszczalnych poziomów pól elektromagnetycznych w środowisku oraz sposobów sprawdzania dotrzymania tych poziomów, Dz. U. Nr 192. poz. 1883

[5] Rozporządzenie Ministra Pracy i Polityki Społecznej z dnia 29 listopada 2002 r. w sprawie najwyższych dopuszczalnych stężeń i natężeń czynników szkodliwych dla zdrowia w środowisku pracy.


143

POLE ELEKTROMAGNETYCZNE W PROCEDURZE PRZEZCZASZKOWEJ STYMULACJI MAGNETYCZNEJ

Arkadiusz Miaskowski1, Andrzej Krawczyk2,3,4, Ewa Łada-Tondyra2

1 Uniwersytet Przyrodniczy w Lublinie 2 Politechnika Częstochowska

3 Wojskowy Instytut Higieny i Epidemiologii 4 Wojskowy Instytut Medyczny

Na początku lat dziewięćdziesiątych postawiono pytanie o wykorzystanie tej techniki w terapii psychiatrycznej i neurologicznej. Dr Tomasz Zyss postawił tezę, że stymulacja magnetyczna mózgu może być skuteczna w leczeniu zaburzeń depresji endogennej [1]. Podobne koncepcje powstawały też w innych klinikach i ośrodkach badawczych. Technikę TMS usiłuje się również zastosować również w terapii choroby Parkinsona, itp.

Początkowo wyższość techniki TMS upatrywano w niewywoływaniu napadu drgawkowego, a samo zastosowanie tej techniki w psychiatrii miało stanowić konkurencję bądź metodę alternatywną do zabiegów elektrowstrząsowych (ECT = electroconvulsive therapy). Jednak ze względu na mniejszą skuteczność TMS prowadzi się badania nad techniką magnetowstrząsową (MCT = magnetoconvulsive therapy), gdzie napad drgawkowy były wywoływany za pomocą stymulacji polem magnetycznym. Wyniki badań prowadzonych przez ostatnie kilka lat wskazują na brak jednoznacznej skuteczności techniki przezczaszkowej stymulacji magnetycznej w obszarze terapeutycznym, zawsze jednak pozostaje ona skuteczna w obszarze diagnostyki. W jednym i drugim obszarze dla oceny skuteczności potrzebna jest znajomość rozkładu pola magnetycznego, a rozkład ten determinowany jest, m.in. poprzez kształt cewki stymulujące. W referacie przedstawiamy analizę pola elektromagnetycznego w przypadku zastosowania cewki motylkowej (butterfly coil).

a) b)

Rys.1. Przezczaszkowa stymulacja magnetyczna a) schemat ideowy, b) rzeczywista stymulacja


144

Przeprowadzone zostały symulacje dla takiej właśnie cewki przy następujących parametrach: I_max = 1 A – prąd w cewce motylkowej, σ = 0.33 S/m (uśredniona wartość dla mózgu), f = 100 Hz. Na rys. 2 pokazano model głowy pacjenta z cewka motylkową a na rys. 3 rozkład prądów wirowych w głowie pacjenta przy zadanym wymuszeniu.

Rys. 2 Model głowy z cewką Rys. 3 Rozkład prądów wirowych w głowie Analiza wyników symulacji zostanie przeprowadzona podczas prezentacji konferencyjnej.

Literatura 1. Tomasz ZYSS, Andrzej KRAWCZYK, Robert T. HESE, Andrzej ZIĘBA, Dominika DUDEK, Piotr

GORCZYCA, Jarosław SOBIŚ, Stymulacja magnetyczna w neuropsychiatrii – rys historyczny, Przegląd Elektrotechniczny, 2011/12b


145

KWATERNIONOWE WIZUALIZACJE RUCHU WYBRANYCH STAWÓW

Agnieszka Michalczuk1, Damian Pęszor12, Adam Świtoński12,

Henryk Josiński12, Romualda Mucha3, Konrad Wojciechowski12 1 Wydział Zamiejscowy Informatyki,

Polsko-Japońska Wyższa Szkoła Technik Komputerowych, Bytom 2 Instytut Informatyki, Wydział Automatyki, Elektroniki i Informatyki,

Politechnika Śląska, Gliwice 3 Katedra i Klinika Chorób Wewnętrznych, Angiologii i Medycyny Fizykalnej,

Śląski Uniwersytet Medyczny, Bytom

Wprowadzenie

Chód jest aktywnością złożoną z następujących po sobie kroków realizowanych przez układ mięśniowy i kostno-stawowy [1]. Rejestracja cyfrowa owego ruchu pozwala na wielokrotną oraz dokładniejszą analizę chodu niż w przypadku oceny wzrokowej. Dokładność analizy jest zależna od zastosowanej techniki rejestracji. Do najbardziej dokładnych zaliczana jest technika motion capture pozwalająca na akwizycję ruchu za pomocą kamer rejestrujących promieniowanie odbite przez pasywne markery umieszczone na ciele aktora w miejscach istotnych dla analizy antropometrycznej. Dokładność systemu motion capture pozwala na badania wspomagające ocenę medyczną nieprawidłowości chodu u pacjentów ze zdiagnozowaną jednostką chorobową. W [2] zastosowano indeksy chodu do oceny skuteczności przeprowadzonej rehabilitacji dla pacjentów ze zwyrodnieniami stawu biodrowego i kręgosłupa oraz po udarze mózgu.

Położenie markerów jest punktem wyjścia do analizy łańcuchów kinematycznych. Orientacje segmentów łańcucha mogą być reprezentowane przez kąty Eulera, opisujące rotację obiektu za pomocą trzech kątów oznaczających obroty wokół osi układu lokalnego. Reprezentacja taka wymusza jednakową skrętność opisywanych układów oraz jest podatna na blokadę przegubów (ang. gimbal lock). Alternatywą jest reprezentacja kwaternionowa. Kwaterniony są strukturą algebraiczną będącą rozszerzeniem pojęcia ciała liczb zespolonych. Tworzą one czterowymiarową, unormowaną i nieprzemienną w sensie mnożenia algebrę nad ciałem liczb rzeczywistych. Pierwszy wymiar to część rzeczywista, a pozostałe trzy nazywane są częściami urojonymi. Zadanie wizualizacji kwaternionów jest trudne z uwagi na ich czterowymiarowość. Nie istnieją urządzenia obrazujące w przestrzeniach czterowymiarowych, dlatego wizualizacja kwaternionów jest ważna z punktu widzenia dalszych prac nad zagadnieniami analizy ruchu w reprezentacji kwaternionowej. Celem pracy jest przedstawienie projekcji ortogonalnej i stereograficznej, rzutujących ruch wybranych stawów w reprezentacji kwaternionowej do przestrzeni trójwymiarowej, bazując na narzędziu zaprezentowanym w pracy [3].

Charakterystyka badań

Z sekwencji przejścia aktora, w fazie wstępnego przetwarzania danych wyodrębniono pojedynczy cykl chodu. Cykl chodu zdefiniowany jest, jako ruch kończyny rozpoczynający się uderzeniem pięty o podłoże i kończący się kolejnym uderzeniem pięty tej samej kończyny o podłoże [4]. Poziom ruchomości stawów, wyznaczony w trzech głównych płaszczyznach ludzkiego ciała (czołowej, strzałkowej i poprzecznej), zależy od liczby stopni swobody każdego ze stawów. Spośród stawów obecnych w łańcuchu biokinematycznym kończyny dolnej, staw biodrowy posiada trzy stopnie


146

swobody, staw kolanowy – jeden, a skokowy – dwa stopnie swobody. Przekształcenie ruchu stawów do reprezentacji kwaternionowej pozwala na uzyskanie obrazu tego ruchu.

Kwaternion można przedstawić jako: , gdzie to jednostki urojone.

Poprzez przekształcenia wyznaczana jest postać trygonometryczna: ,

gdzie jest wektorem określającym kierunek obrotu, natomiast θ określa kąt obrotu. Zbiór

kwaternionów jednostkowych stanowiących punkty w przestrzeni , jest trójwymiarową hipersferą

.

Projekcja ortogonalna jest to przekształcenie , którego wartościami są wektory P zadane

wzorem: ; gdzie – część rzeczywista kwaternionu: ;

– znormalizowany wektor kwaternionu w postaci trygonometrycznej: .

Projekcja stereograficzna jest zdefiniowana jako przekształcenie: .

Rys. 1. Projekcja ortogonalna dla łańcucha biokinematycznego kończyny dolnej osoby zdrowej.

Wizualizacje przedstawione na rys. 1 przygotowano na podstawie nagrań dokonanych w Laboratorium Ruchu PJWSTK w Bytomiu (http://hml.pjwstk.edu.pl). Prezentują one projekcję ortogonalną dla łańcucha biokinematycznego kończyny dolnej osoby zdrowej, ograniczoną do pojedynczego cyklu chodu wyekstrahowanego z przejścia po linii prostej. Trzy analizowane stawy (kolanowy, skokowy i biodrowy) charakteryzują się różną liczbą stopni swobody. W idealnym przypadku każda z nich powinna tworzyć „pętle” zamkniętą z uwagi na cykliczność chodu.

Podsumowanie

Kwaterniony wraz ze zdefiniowanymi działaniami są wygodną formą reprezentacji obrotów. Przedstawione metody pozwalają na wizualizacje czterowymiarowe w przestrzeni trójwymiarowej. Kwaternionowa wizualizacja ruchomości stawów może okazać się przydatnym narzędziem w analizie ruchu, gdyż oddają one charakterystykę ruchu wybranych stawów oraz niosą ze sobą dodatkowe informacje w porównaniu do wizualizacji w postaci używającej kątów Eulera. Projekt został sfinansowany ze środków Narodowego Centrum Nauki przyznanych na podstawie decyzji numer DEC-2011/01/B/ST6/06988.

Bibliografia

[1] R. Barlett, Introduction to sports biomechanics, Analyzing Human Movement Patterns, Taylor & Francis Group, 2007.

[2] H. Josiński, A. Świtoński, M. Stawarz, R. Mucha, K. Wojciechowski, Wyznaczanie indeksów chodu z wykorzystaniem techniki motion capture dla pacjentów ze zwyrodnieniami stawu biodrowego i kręgosłupa oraz po udarze mózgu. Przegląd Elektrotechniczny, r. 66, nr 12/2013, pp. 279-283, 2013.

[3] D. Pęszor, D. Małachowski, A. Drabik, J. P. Nowacki, A. Polański, K. Wojciechowski, New Tools for visualization of human motion trajectory in quaternion representation, LNAI 8398, Springer, pp. 575-584, 2014.

[4] R. L. Huston, Principles of biomechanics, Taylor & Francis Group, 2009.


147

ANALIZA PARAMETRÓW ROZRUCHU OŚWIETLENIA LED

Jarosław Mirowski, Magdalena Chlewicka, Tomasz Popławski, Marek Kurkowski, Paweł Czaja

Politechnika Częstochowska, Wydział Elektryczny Diody w oprawach LED są zasilane prądem stałym. W prostych zastosowaniach wykorzystujących standardowe diody LED wartość prądu zasilania wynosi 20 mA. Jednak dla zastosowań bardziej zaawansowanych, wykorzystujących diody LED dużych mocy i mających wytrzymać długi okres pracy konieczne jest stosowanie bardziej zaawansowanych źródeł prądowych. Diody LED o wysokiej światłości są sterowane prądami od kilkuset miliamperów do 1,5 A. Produkowane są również matryce LED zasilane prądami przekraczającymi 15 A. Producenci diod dużych mocy zalecają nie przekraczanie nominalnych prądów. Nie stosowanie się do tych zaleceń prowadzi do dużo szybszej degradacji chipu diody, obniżania się strumienia świetlnego, a w konsekwencji znaczącego skrócenia czasu życia. Konieczne, więc staje się stosowanie stabilnych termicznie źródeł prądowych, zapewniających stały poziom prądu bez względu na zmiany wartości napięcia wejściowego. Takimi parametrami charakteryzują się LED drivers, czyli specjalne układy scalone przeznaczane do zasilania diod LED lub przekształtniki dedykowane do LED mocy o stałej wartości prądu na wyjściu. W zasilaczach impulsowych prąd wejściowy zwiększa się gdy napięcie wejściowe obniża się. Zachodzi tak dlatego, że urządzenie musi utrzymać stałą wartość prądu na wyjściu. Podczas załączenia zasilacza pojawia się impuls prądu o dużej wartości szczytowej i czasie trwania kliku ms.

Rys. 1. Oscylogram prądy wejściowego oprawy LED Prąd ten zwany prądem rozruchowym lub startowym pojawia się na skutek procesu ładowania wejściowych kondensatorów elektrolitycznych. Kondensatory elektrolityczne są widziane przez mostek prostowniczy (a zatem i przez sieć zasilającą) jako zwarcie w czasie ich ładowania. Efekt ten pojawia się z każdym załączeniem zasilacza lub po zaniku i powrocie napięcia sieciowego. Prąd rozruchowy zwiększa się wraz ze wzrostem napięcia sieciowego oraz wraz ze wzrostem pojemności kondensatorów elektrolitycznych. Dzieje się tak gdy obciążenie ma charakter powodujący


148

przeciążenie w momencie uruchamiania lub piki prądu w czasie pracy (np. obciążenie o dużej składowej pojemnościowej, żarówki, grzałki, rozładowane akumulatory).

Rys. 2. Przebieg prądu na wejściu i wykres wskazowy oprawy LED Jeśli zasilacz nie jest wyposażony w mechanizmy ograniczania prądu startowego, to dobór zabezpieczeń przed przeciążeniem i ograniczenie prądu na przewodach zasilających jest kłopotliwe. W takim przypadku jeśli poziom zabezpieczenia linii jest dobrany na maksymalny szczytowy prąd rozruchowy, prawdopodobnie będzie to wartość za duża by skutecznie chronić przewody. Z drugiej strony gdy poziom zabezpieczenia będzie za mały, przewody będą pewnie i skutecznie chronione, ale może to prowadzić do częstych wyłączeń przy starcie zasilacza lub przy niestabilnej sieci zasilającej.

Rys. 3. Piki prądowe przy załączeniu zasilacza oprawy LED

Impuls prądu pojawiający się w czasie załączenia zasilacza może spowodować zadziałanie zabezpieczeń zwarciowych/przeciążeniowych po stronie napięcia przemiennego. Przy zasilaczach o prądach wyjściowych rzędu 20 A, 30 A, 40 A prąd rozruchowy jest zawsze bardzo duży (ponad 80 A w impulsie, podczas gdy znamionowy prąd wejściowy to około 1-2 A), dlatego w obwodzie wejściowym zasilaczy niezbędny jest układ ograniczający ten właśnie prąd. Literatura 1. PN-EN 62384:2007. Elektroniczne urządzenia sterujące zasilane prądem stałym lub przemiennym do modułów

LED. Wymagania funkcjonalne. PKN, Warszawa 2007. 2. Górczewska M.: Diody LED – poprawa efektywności i jakości oświetlenia zewnętrznego, V Konferencja

Oświetlenie drogowe. Sposoby zarządzania systemami oświetlenia na terenie kraju, Kołobrzeg, 2010. 3. Bełdowski T., Czyżewski D., Fryc I., : LED-y, Moduły LED, LEDÓWKI, Polski Komitet Oświetleniowego

Związku Producentów Sprzętu Oświetleniowego „Pol-Lightning”, Maj 2011. 4. Pieniążek S.: Postęp technologiczny opraw oświetlenia drogowego ze źródłami światła LED. Materiały firmy Elgo.


149

WSKAŹNIKOWA ANALIZA ILOŚCIOWA TERMOGRAMÓW MEDYCZNYCH

– PIERWSZE WYNIKI PROJEKTU "TELEMEDNET II"

Piotr Murawski1, Andrzej Krawczyk1, Bolesław Kalicki2, Anna Jung2, Janusz Żuber2

1 Oddział Teleinformatyki, Wojskowy Instytut Medyczny, Warszawa, Polska 2 Pracownia Termografii Medycznej Kliniki Pediatrii, Nefrologii i Alergologii Dziecięcej,

Wojskowy Instytut Medyczny, Warszawa, Polska

W artykule zaprezentowano wstępne wyniki prac realizowanych w ramach projektu dofinansownego ze środków Unii Europejskiej w ramach Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka pn. “TeleMedNet II – rozbudowa platformy pozyskania i analizy naukowej danych medycznych” w zakresie wskaźnikowej analizy ilościowej medycznych obrazów termograficznych. Analiza termogramów medycznych, będąc pierwotnie analizą jakościową, w ostatnich latach, dzięki rozwojowi technik informatycznych stała się analizą ilościową, bazującą na porównawczej ocenie wartości wybranych wskaźników. Rodzaje tych wskaźników są zwykle konsekwencją dostępnego oprogramowania. W efekcie, analiza ta ograniczona jest do podstawowych parametrów statystycznych takich jak wartość minimalna, maksymalna, średnia czy odchylenie standardowe mierzonej temperatury. Rzadziej, standardowo dostępne oprogramowanie pozwala wyznaczyć wartości innych parametrów statystycznych i charakterystyk. Dodatkowo, należy zauważyć, że porównanie to dla termogramów medycznych powinno być wykonywane uwzględniając symetrię punktów w obszarach co w analizie niemedycznej nie jest standardem. Konsekwencją tej sytuacji jest fakt, iż analiza porównawcza termogramów medycznych dokonywana jest zwykle w oparciu o porównanie wartości minimum, maksimum i średniej temperatury bez uwzględnienia symetrii co nie uwzględniając struktury w regionie zainteresowania nie jest błędem. Praktyka kliniczna, która bazuje zwykle na analizie porównawczej obszaru uznanego za zmieniony chorobowo i obszaru uznanego za zdrowy pokazuje jednak, iż takie podejście nie jest prawidłowe. Jeśli bowiem przyjąć, że dobowa zmiana wartości temperatury na powierzchni ciała człowieka wynosi około ±0,5oC to różnice pomiędzy symetrycznymi punktami w regionach zainteresowania i w konsekwencji wartościami wskaźników dla tych obszarów mieszczące się w zakresie zmienności

dobowej należy uznać za nieistotne. Przykładem takich rozważań byłaby analiza obszarów przedstawionych na Rys. 1.

Rys. 1. Przykładowy termogram z obszarami zainteresowania


150

Dla zaznaczonych obszarów zainteresowania wartości wskaźników wynoszą odpowiednio (Tabela 1).

Tabela 1 Wartości wskaźników dla obszarów zainteresowania

Nr Min Średnia Mediana Maks Maks-Min Odch. stand. Wariancja Liczba pkt.

1 28,5 29,9 29,8 30,8 2,3 0,3 0,1 2106

2 28,4 30,3 30,3 31,3 2,9 0,6 0,4 2106

Różnica 0,1 - 0,4 - 0,5 - 0,5 --- --- --- 0

W efekcie, wartości wskaźników i ich różnica wskazywałaby na brak klinicznej różnicy w uciepleniu obszarów zainteresowania, podczas gdy taka różnica jest widoczna. Przeprowadzone dodatkowo porównanie obszarów przyjętymi do oceny obrazów wizyjnych miarami jakości również nie wykazało różnicy pomiędzy polami temperatury (Tabela 2) co w efekcie nie pozwala na proste ich zastosowanie.

Tabela 2 Wyniki analizy obszarów miarami jakości

Lp. Wskaźnik Wartość 1. Błąd średniokwadratowy 0,3483 2. Wierność obrazu 0,9996 3. Maksymalna różnica 1,9000 4. Jakość korelacji 29,8921 5. Znormalizowana korelacja skośna 0,9875 6. Zawartość strukturalna 1,0253 7. Średnia różnica -0,0003 8. Szczytowy stosunek sygnału do szumu 31,1676 9. Norma Minkowskiego 0,3718 10. Stosunek sygnału do szumu 97,0530 11. Znormalizowany błąd średniokwadratowy 0,0004 12. Znormalizowany błąd bezwzględny 0,0152 13. Szczytowy błąd średniokwadratowy 0,0004 14. Laplasjanowy błąd średniokwadratowy 0,0008

Wobec występowania w termogramie zauważalnej różnicy ucieplenia stwierdzanych w ocenie klinicznej i braku jej uwidocznienia w wartościach stosowanych dotychczas wskaźników, celowym stało się podjęcie prac mających na celu opracowanie i zaproponowanie wskaźnika(ów) ilościowej oceny termogramów medycznych. Wskaźniki takie powinny uwzględniać obraz kliniczny wynikający z wartości temperatur z obszarów zastosowania. Analizę termogramów wykonano oprogramowaniem autorskim Image ThermaBase. Praca wykonana w ramach realizacji zadań projektu nr POIG.02.03.00-14-005/13 „TeleMedNet II - rozbudowa platformy pozyskania i analizy naukowej danych medycznych” dofinansowanego w ramach Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka ze środków Unii Europejskiej.


151

PROBLEM BURST SUPPRESION W MONITOROWANIU CFM

I DIAGNOSTYCE MÓZGU WCZEŚNIAKÓW

Paweł Niedbalski 1, Stefan F. Filipowicz 2

1 Elmiko Medical Sp. z o.o. 2 Warsaw University of Technology, Institute of the Theory of Electrical Engineering,

Measurement and Information Systems

Wcześniaki, zwłaszcza urodzone przed 32 tygodniem ciąży, mają bardzo wysokie wskaźniki zachorowalności i umieralności a w dalszym okresie życia częste zaburzenia w rozwoju psychoruchowym. W okresie noworodkowym ta grupa dzieci wykazuje często objawy krwawienia do ośrodkowego układu nerwowego oraz zmiany leukomalacyjne. Zaburzenia przepływu pojawiające się w pierwszych dobach życia u noworodków przedwcześnie urodzonych wywołują pękanie naczyń i wynaczynienia krwi pod wyściółkę komór. Późnym następstwem krwawienia może być: mózgowe porażenie dziecięce, padaczka lub uszkodzenia słuchu i wzroku [5]. Leukomalacja okołokomorowa występuje głównie u noworodków przed 34 tygodniem ciąży. Cechuje się uszkodzeniem istoty białej mózgu. Kolejnym istotnym problemem klinicznym u przedwcześnie urodzonych jest przetrwały przewód tętniczy (PDA). Wywołuje on wzrost ryzyka występowania innych powikłań jak martwicze zapalenie jelit, upośledzenie funkcji nerek oraz krwawienie dokomorowe. Z tego względu PDA jest istotnym czynnikiem ryzyka zgonu i ciężkich powikłań neurologicznych u noworodków [4]. Wcześniak jest narażony w pierwszych dobach życia na trwałe uszkodzenia, niewydolność układu krążenia i zakażenia. Powyższe problemy prowadzą do uszkodzenia funkcji ośrodkowego układu nerwowego (OUN) i wymagają intensywnego nadzoru i terapii. Jedną z podstawowych metod monitorowania mózgu jest EEG, uznana również w neonatologii. Umożliwia ona okresowe monitorowanie funkcji ośrodkowego układu nerwowego, pozwalając na określenie jego dojrzałości lub stopnia uszkodzenia. Klasyczny zapis EEG jest niełatwy w interpretacji, ograniczona jest również możliwość długotrwałego monitorowania funkcji mózgu ze względu na trudności w utrzymaniu prawidłowego położenia i kontaktu dużej ilości elektrod przez kilka godzin lub dni. Poruszone utrudnienia i ograniczenia klasycznego EEG są w dużej mierze zmniejszone w metodzie CFM (Cerebral Function Monitor). CFM, inaczej zwana elektroencefalografią zintegrowaną amplitudowo (amplitude integrated EEG), jest obok spektroskopii w bliskiej podczerwieni jednym z najczęściej stosowanych sposobów bezpośredniego, nieinwazyjnego i ciągłego monitorowania ośrodkowego układu nerwowego noworodków. W przypadku długotrwałego monitorowania CFM standardowo używa się od dwóch do czterech elektrod aktywnych. Mała ilość elektrod pozwala na znacznie szybsze ich zakładanie i ułatwia utrzymanie poprawnej impedancji kontaktu skóra-elektroda, od której bezpośrednio zależy jakość rejestrowanego sygnału. CFM stanowi uproszczony i przetworzony zapis klasycznego EEG po odpowiedniej transformacji i analizie matematycznej, w postaci trendu sygnału. Pokazuje wielogodzinny zapis aktywności mózgu w sposób zbiorczy, co pozwala na długotrwałą ocenę stanu OUN. Głównym obszarem zainteresowań w trakcie monitoringu CFM pozostają rejony ukrwienia tętnicy mózgowej przedniej, środkowej i tylnej [1] gdyż w tych właśnie strefach występuje największe prawdopodobieństwo niedokrwienia [2]. Elektrody pomiarowe, zgodne z systemem 10-20 [6], umieszcza się głównie w punktach P3, P3 dla badań dwukanałowych oraz dodatkowo w punktach F3, F4 w przypadku badań 4 kanałowych.


152

Jednym z ważniejszych parametrów pozwalających na ocenę aktywności mózgu zarówno wcześniaka jak i dziecka donoszonego, jest tzw. Burst Suppresion (BS). W ocenie klinicznej przydatne są również parametry związane z BS takie jak: Burst Suppresion Ratio (BSR), Burst Frequency (BF), Burst-to-Burst Intervals (BBI) określający czas pomiędzy kolejnymi wzbudzeniami sygnału oraz korelacja pomiędzy BBI a Heart Rate (HR) [7]. Burst Supression jest wzorcem EEG charakteryzującym się naprzemiennym występowaniem okresów fal wolnych o wysokiej amplitudzie (Burst) na zmianę z okresami tzw. płaskiego EEG o niskiej amplitudzie (Suppresion) [8]. Fazie wysokiej amplitudy towarzyszy zjawisko wyczerpywania się wapnia w międzykomórkowych przestrzeniach kory mózgowej, co powoduje zahamowanie procesów neurotransmisyjnych, prowadzące do fazy niskoamplitudowej. W trakcie fazy supresji pompy neuronalne przywracają poziom wapnia do stanu normalnego, co powoduje kolejny wzrost amplitudy EEG i rozpoczęcie procesu od nowa. Burst-suppresion jest dla lekarza bardzo cennym wskaźnikiem w trakcie monitorowania stanu pacjenta. W przypadku dziecka donoszonego występowanie takiego wzorca w zapisie EEG i trendu CFM jasno wskazuje na następstwa związane z niedotlenieniem, zapaleniem opon mózgowo – rdzeniowych itp. pozwalając lekarzowi na wczesne wykrycie problemu i odpowiednią reakcję. W przypadku wcześniaka urodzonego pomiędzy 24 a 26 tygodniem ciąży występowanie BS jest przejawem prawidłowym. Na podstawie gęstości akceleracji (czyli współczynników BF i BBI) lekarz może oceniać stan pacjenta. Jeśli częstotliwość spada, oznacza pogorszenie stanu (np.: krwawienie dokomorowe, stan zapalny – posocznica, itp.), zagęszczenie akceleracji oznacza poprawę. W aktualnie dostępnych opracowaniach naukowych parametry BS liczone są post-factum. W pracy podjęto próbę opracowania analizy online, pozwalającej lekarzowi na jak najszybsze wykorzystanie jej wyników, kiedy reakcja jest najcenniejsza i może przynieść najlepsze rezultaty. Wynik monitorowania jest również wskazaniem do bardziej szczegółowych badań. W przypadku stwierdzonego niedotlenienia CFM pozwala na zakwalifikowanie dziecka do hipotermii. Bibliografia

[1] Hellström-Westas L., de Vries L., Rosén I.: Atlas of Amlitude-integrated EEGs in the Newborn, 2008 Informa UK

[2] Prior PF, Maynard DE.: Monitoring cerebral function. Long-term recordings of cerebral electrical activity and evoked potentials. Amsterdam : Elsevier , 1986

[3] Rosen I, The Physiological Basis for Continuous Electroencephalogram Monitoring in the Neonate. Clin Perinatol 33 (2006) 593–611

[4] Karpiński Ł.: Przydatność zintegrowanej elektroencefalografii (aEEG) i spektroskopii w bliskiej podczerwieni (NIRS) w ocenie czynności ośrodkowego układu nerwowego (OUN) u noworodków z bardzo małą urodzeniową masą ciała (VLBW). Rozprawa doktorska

[5] Szczapa J.: Podstawy neonatologii. Wydawnictwo Lekarskie PZWL, Warszawa, 2008

[6] Zyss T.: Zastosowanie układu 10-20 w rozmieszczaniu elektrod do EEG. Wyd. ELMIKO 2007.

[7] Pfurtscheller K1, Bauernfeind G, Müller-Putz GR, Urlesberger B, Müller W, Pfurtscheller G.: Correlation between EEG burst-to-burst intervals and HR acceleration in preterm infants. Neuroscience Letters 437 (2008) 103–106

[8] Amzica, F.: Basic physiology of burst-suppression. Epilepsia, 50 (2009) 38–39.


153

ANALIZA DRGAŃ GIĘTNYCH WAŁU W UKŁADZIE NAPĘDOWYM Z SILNIKIEM PMSM

ANALYSIS OF SHAFT TRANSVERSE VIBRATIONS OF PMSM-BASED DRIVE SYSTEM

Marcjan Nowak Politechnika Częstochowska, Instytut Elektrotechniki Przemysłowej,

Zakład Sterowania i Odnawialnych Źródeł Energii

Układy napędowe zawierające elementy sprężyste (sprzęgła, długie wały i łączniki) narażone są na działanie zjawisk drganiowych. Zjawiska te są częstą przyczyną powstawania nieprawidłowości w pracy układu elektromechanicznego. Drgania mogą powodować zaburzenia pracy wirnika układu napędowego, natomiast rezonansowe wzmocnienie amplitudy drgań może spowodować uszkodzenie całego układu elektromechanicznego. Rezonans w układach mechanicznych powstaje, gdy częstotliwość drgań swobodnych układu równa się lub znajduje się w pobliżu częstotliwości drgań wymuszonych przez układ napędowy wytwarzający moment wymuszający. Sprężystość oraz tłumienie drgań danego elementu są zależne od właściwości materiałowych i konstrukcji układu, w którym pracuje. Na podstawie modelu matematycznego opisującego drgania giętne elementu sprężystego oraz modeli matematycznych układu napędowego wraz z obciążeniem, sformułowano model symulacyjno-komputerowy. Model ten umożliwia symulację drgań giętnych w płaszczyznach prostopadłych do osi wału (z). Model matematyczny opisujący drgania wału powstał przy następujących założeniach: nie uwzględniono efektu żyroskopowego, pominięto wpływ siły ciężkości. Pomimo powyższych uproszczeń analiza badanego układu elektromechanicznego sprowadza się do rozwiązania kilku lub kilkunastu nieliniowych równań matematycznych. Drgania giętne oraz skrętne są wzajemnie sprzężone, a ich amplitudy oddziałują na siebie. W literaturze często podczas analizy układu elektromechanicznego przyjmuje się, iż wał jest nieskończenie sztywny na skręcanie. Powyższe założenie znacznie upraszcza model matematyczny, jednakże obarcza pewnym błędem wyniki analizy matematycznej. Budowa dynamicznego modelu symulacyjno-komputerowego pozwala odzwierciedlić zjawiska zachodzące w układzie elektromechanicznym podczas jego pracy.

Rys. 1. Schemat blokowy układu napędowego Symulacja komputerowa daje możliwość badania parametrów układu podczas rozruchu, nawrotu, hamowania, biegu jałowego oraz pracy ze zmiennym momentem obciążenia. Badanie układu w strefie rezonansowej pozwala oszacować parametry wytrzymałościowe wału. Model symulacyjno-komputerowy ułatwia również analizę układu elektromechanicznego w krytycznych warunkach pracy.


154

Rys. 2. Model symulacyjno-komputerowy do analizy drgań giętnych wału

Model silnika PMSM wykorzystany w symulacji został utworzony na podstawie modelu matematycznego zawierającego równania części elektrycznej oraz mechanicznej. W modelu silnika wykorzystano parametry elektryczne oraz mechaniczne, którymi charakteryzuje się rzeczywisty silnik wykorzystany w badaniach laboratoryjnych.

Symulację komputerową przeprowadzono z wykorzystaniem parametrów mechanicznych, którymi charakteryzują się rzeczywiste elementy wchodzące w skład układu napędowego. Symulację komputerową przeprowadzono dla elementów sprężystych o różnych średnicach.

a) b)

c)

Rys. 3. Amplituda drgań wału w układzie elektromechanicznym z silnikiem PMSM (a – średnica 10 mm, b - średnica 15 mm, c –średnica 20 mm)


155

AN ALGORITHM FOR TUNING A FUZZY CONTROLLER IN A DRIVE CONTROL SYSTEM OF A PERMANENT

MAGNET SYNCHRONOUS MOTOR

Krzysztof Olesiak Czestochowa University of Technology, Department of Electrical Engineering

1. Introduction Permanent magnet synchronous motors (PMSM) are becoming increasingly widely applied in various industry branches and in transport. This is due to their simple mechanical structure, high reliability, a favourable rate of torque to the rotor’s moment of inertia, high energy efficiency and capability of sustained operation with high loads and small rotational speed. A higher energy efficiency as compared to that of induction motors results mainly from a different construction of the rotor. Owing to the advantages of permanent magnet motors presented above, they are frequently applied in high-efficiency electric drives with analogue broad-range adjustment of angular speed. The most popular applications include drives of electric vehicles, lifts, conveyor belts, and drives of various devices used in aircraft and ships. PMSMs are powered from semiconductor converters, whose control algorithms include the angle between the rotor and the stator. The angle has therefore to be measured with maximal accuracy by means of an encoder. 2. A mathematical model of the PMSM A permanent magnet synchronous motor can be described in a rotating coordinate system (d,q) by means of the following set of differential equations:

qd

dsd dt

diRu

(1)

dq

qsq dt

diRu

(2)

where: ud, uq – components of the stator voltage vector, id, iq – components of the stator current vector, d, q – components of the motor flux, Rs – phase stator resistance, � – angular speed of the rotor. The components of the magnetic flux in the coordinate system (d,q) are defined as

mddd iL (3)

qqq iL (4)

where: λm – magnetic flux generated by the permanent magnets of the rotor, Ld, Lq – components of the inductance. The electromagnetic torque of the motor is

dqqde iiT 2

3 (5)


156

Taking all the above into consideration, the motion equation can be represented as

LdqqdLe TiiTTdt

dJ

2

3 (6)

where: J – moment of inertia, Te – electromagnetic torque, TL – external load torque. 3. The drive control system and simulation experiments In the model developed, the PMSM stator circuits are powered by a three-phase voltage inverter with a modulated pulse width. The drive control system consists of conventional stator current controllers for the particular phases and a fuzzy angular speed controller. A fuzzy controller of the type Sugeno applied in the angular speed control circuit has the following rule base:

),...,,()(...)(:

....................................

),...,,()(...)(:

21)()(

11)(

2111)1()1(

11)1(

nkkk

nnkk

nnn

xxxfuTHENLXisxANDANDLXisxIFR

xxxfuTHENLXisxANDANDLXisxIFR

(7)

where: x1,...,xn – input linguistic variables, LX1

(1),..., LXn(k) - linguistic values of input variables,

f1(x1,x2,...,xn),..., fk(x1,x2,...,xn) - functions of input linguistic variables; u1,...,uk - linguistic variables of individual rules, k - number of rules.

A characteristic property of a Sugeno type controller is that the normalisation procedure is executed only with respect to the predecessors of rules. The successors are not normalised because they are overt function dependences, defined for the real domain. The algorithm of the fuzzy controller tuning employs the sequential quadratic programming method. The simulation experiments carried out for the drive with a permanent magnet synchronous motor included start-up for prescribed angular speeds and for various load torques. With the results obtained as waveforms representing the variation of supply voltage, stator phase currents, angular speed, electromagnetic torque and quality indicators over time, it was possible to assess the drive control strategy adopted in the study.

4. Concluding remarks The most important advantage of a Sugeno type fuzzy controller is that it offers a possibility of decomposing the complex control system, which can be analysed as a number of subsystems of lesser complexity. These subsystems can be linear in some cases, which significantly simplifies the process of constructing the rule base and tuning the controller. After decomposition, it is possible to identify the dynamics of the component subsystems. The decomposition itself is typically fuzzy, too, since the knowledge of a given system is necessarily limited. References: [1] Brock S., Pajchrowski T.: Reducing Energy Losses for Fan Applications with V/f control of

PMSMs. Przegląd Elektrotechniczny (Electrical Review), No. 11, 2011, pp. 89–94. [2] Sivanandam S.N., Sumathi S., Deepa S. N.: Introduction to Fuzzy Logic using MATLAB.

Springer-Verlag, Berlin 2006. [3] Tlemcani, A.; Bouchhida, O.; Benmansour, K.; Boudana, D. & Boucherit, M.S. (2009). Direct

Torque Control Strategy (DTC) Based on Fuzzy Logic Controller for a Permanent Magnet Synchronous Machine Drive, Journal of Electrical Engineering & Technology,Vol.4, No.1, 2009, pp. 66-78.


157

SHAPE OPTIMIZATION OF CYLINDRICAL INDUCTOR FOR INDUCTION PRE-HEATING

David Pánek2, Ivo Doležel1, Václav Kotlan2

1Czech Technical University, Faculty of Electrical Engineering 2University of West Bohemia, Faculty of Electrical Engineering

Induction pre-heating of metals nowadays belongs to prospective technologies for their surfacing (laser welding or hardening), see [1]. Its purpose is to suppress the temperature gradients in the surface layers of heated material irradiated later by a laser beam and avoid arising there subsequent excessive mechanical strains and stresses of the thermal origin. The considered pre-heater consists of an inductor placed in a ferrite shell serving as a flux concentrator (Fig. 1). It moves at a prescribed velocity v above the surface. Thus, the material is first pre-heated by the inductor and only after it is heated by the laser beam. The variations of the temperature at the ex-posed spots are then not as fast as in the case of the single laser.

Fig. 1. Basic arrangement of inductor

The paper deals with the shape optimization of the pre-heater. From the mathematical viewpoint, it represents a non-linear inverse problem and particular steps of its solution are iterative computations of magnetic and temperature fields in the system and a multi-criteria optimization procedure for obtaining the functionals characterizing the selected goals. These functionals were defined by the maximum possible heat losses 1Q produced in the domain to be

pre-heated (see Fig. 1) and minimum possible losses 2Q in the remaining parts of the heated body.

The scheme of the solution follows:

1. Selection of the initial shape of the inductor (principally, its dimensions are subjected to technological constraints, but some dimensions can vary in the prescribed intervals).


158

2. Solution of the magnetic and temperature in the system. This task is solved in the hard-coupled formulation in order to respect the time dependences of all important material. While the magnetic field is described by the equation

ext1

curl curlt

AA J

(the velocity of the system is small and can be neglected), the temperature field obeys the equation

pdiv grad gradT

T c T wt

v .

The term w stands for the volumetric Joule and magnetization losses, but the latter ones can be neglected. Computation of 1Q and 2Q .

3. Creation of the first population consisting of vectors containing the dimensions that may vary. For each individual of the population we again determine the values of 1Q and 2Q ,

which starts generating the corresponding Pareto front. According to its shape, a new genera-tion is formed using a modified genetic algorithm where new individuals are generated from the previous individuals by mutation and crossover. Thus, an iterative process is started up that is stopped at the moment when the difference between the Pareto fronts determined in two neighboring iteration is smaller than the prescribed tolerance.

Figure 2, left part shows the original dimensions of the inductor, parameters a–g being variable in the prescribed intervals. The right part of the figure shows the distribution of the magnetic flux density in the initial inductor (up) and in the optimized inductor (bottom). Figure 3, left part, shows the final Pareto front, right part shows the distribution of temperatures along the longitudinal axis of the domain with required maximum heat losses.

Fig. 2. Initial dimensions of inductor (a = 10 mm, b = 38 mm, c = 5 mm, d = 19 mm, e = 45 mm, f = 4 mm, g = 1 mm (left)) and distribution of magnetic flux density in initial

and optimized inductors (right)


159

Fig. 3. Evolution of optimization process and final Pareto front after 55 generations marked by larger grey circles (left) and distribution of the surface temperatures along the longitudinal axis

of the domain with required maximum heat losses (right)

Acknowledgment This work was financially supported by the Grant project GACR P102/11/0498 and project TACR TA03010354.

References [1] A. P. Mackwood, R. C. Crafer, Thermal Modelling of Laser Welding and Related Processes:

A Literature Review. Optics & Laser Technology, Vol. 37, No. 2, pp. 99–115, 2005.


160

OBLICZANIE ZMODYFIKOWANYCH PARAMETRÓW DLA IMPEDANCYJNYCH WARUNKÓW BRZEGOWYCH

NA POWIERZCHNIACH EKRANOWANYCH

Stanisław Pawłowski1, Jolanta Plewako2 Politechnika Rzeszowska

1 Katedra Elektrodynamiki i Układów Elektromaszynowych 2 Katedra Energoelektroniki i Elektroenergetyki

1. Wstęp

Jednym z najczęściej spotykanych problemów elektrodynamiki technicznej jest wyznaczanie rozkładu quasi-stacjonarnego pola elektromagnetycznego w obecności ciał przewodzących. Znacznym uproszczeniem w ich rozwiązywaniu może być przyjęcie na ich powierzchniach impedancyjnych warunków brzegowych (IWB, ang.: SIBC) [1]. Pozwala to uniknąć rozwiązywania równań pola w obszarach przewodzących, jak też sprowadzić całe zagadnienie do poszukiwania skalarnej funkcji potencjału magnetycznego [2].

Przy wyprowadzaniu IWB zakłada się m.in., że wszystkie wymiary ciał przewodzących układu są znacząco większe od zastępczej głębokości wnikania do nich pola elektromagnetycznego. Z tego powodu przyjęcie IWB na powierzchniach ekranów przenikalnych jest zasadniczo niepoprawne, ponieważ ich grubości nie spełniają tego wymogu. Mimo to można przypuszczać, że jeśli spełnione będą pozostałe założenia warunkujące przyjęcie IWB, to odpowiednia modyfikacja występujących w nich pewnych parametrów charakterystycznych zależnych od parametrów materiałowych i częstotliwości pola umożliwi zastosowanie takich warunków również na powierzchniach ekranów przepuszczalnych. W prezentowanej pracy zaproponowano sposób określania tych parametrów na drodze analizy pewnego zagadnienia modelowego posiadającego rozwiązanie analityczne. Dzięki temu poszukiwane zależności udaje się ostatecznie wyrazić w formie dokładnych (choć dość złożonych) wyrażeń algebraicznych.

2 Impedancyjne warunki brzegowe (IWB) Impedancyjne warunki brzegowe wyrażają przybliżone (na ogół) związki między składowymi pola elektromagnetycznego lub potencjałów na powierzchniach rozgraniczających obszary przewodzące i dielektryczne. Najistotniejsze założenia jakie się przyjmuje przy wyprowadzaniu IWB to duży promień krzywizny powierzchni granicznej w porównaniu do głębokości wnikania pola do przewodnika, oraz znacząco większe od tej głębokości rozmiary obszaru przewodzącego. Dla pól harmonicznych niskiej częstotliwości IWB można zapisać w różnych postaciach (nie wszystkie z nich są ściśle równoważne pozostałym):

HnnEn cZ (1)

HnnE cn ZE (2)

HnJ (3)


161

n

~

(4)

nn H

n

H

(5)

gdzie: En, Hn – składowe normalne wektorów E, H, – zespolona amplituda potencjału magnetycznego ( gradH ),

~

- laplasjan powierzchniowy

j

cZ – impedancja falowa przewodnika, (6)

j – stała propagacji w obszarze przewodzącym, (7)

j

0 (8)

Wzory (6) – (8) opisują wspomniane we wstępie parametry charakterystyczne IWB. Parametry i oznaczone są różnymi symbolami, ponieważ warunki (4) i (5) nie są sobie ściśle równoważne i z tego powodu ich zmodyfikowane wartości na powierzchni ekranowanej nie będą już na ogół równe.

3 Sformułowanie zagadnienia modelowego Celem pracy jest znalezienie formuł pozwalających określić zmodyfikowaną wartość współczynników charakterystycznych Zc, , , występujących w (1) – (5) w taki sposób, aby warunki te można było zastosować również na powierzchniach ekranów o dowolnych stałych parametrach i dowolnej grubości. W tym celu rozważano zagadnienie modelowe zilustrowane na rysunku 1. Polem wzbudzającym w analizowanym układzie jest jednorodne, harmoniczne pole magnetyczne, któremu, zgodnie z prawem Faradaya, towarzyszy pewne kołowe pole elektryczne. Pola te oddziałują z ciałem przewodzącym lub dielektrycznym o kształcie kulistym pokrytym warstwą ekranującą. Rozważane są ekrany elektromagnetyczne (tzn. wykonane z dobrego przewodnika o niewielkiej przenikalności magnetycznej) oraz magnetyczne (wykonane z przewodzącego ferromagnetyka). Zakłada się, że wszystkie parametry materiałowe są stałe, składowe pola elektromagnetycznego są sinusoidalnymi funkcjami czasu, pomijane są prądy przesunięcia.

4 Określanie parametrów zmodyfikowanych IWB na powierzchni ekranowanej

Analityczne rozwiązanie sformułowanego zagadnienia można otrzymać stosując separację zmiennych. W obszarze zewnętrznym 1 rozwiązanie dokładne (tzn. otrzymane z wykorzystaniem klasycznych warunków brzegowych) oraz przybliżone (tzn. z wykorzystaniem warunków IWB (1) – (5), ale bez korzystania z zależności (6) – (8)) mają jednakową postać ogólną:

x

y

z

R2

R1

H0

Rys. 1. Rozważane zagadnienie modelowe 1 – otoczenie dielektryczne, 2 – ekran magnetyczny lub elektromagnetyczny, 3 – obszar ekranowany (dielektryczny lub przewodzący)


162

cos13

2I0

I

r

RFHH r , sin

21

3

1I

0I

r

RFHH ,

sin1

2

3

1I00I rr

RF

HjE

(9)

Stała FI (zespolona amplituda pola indukowanego) w przypadku rozwiązania dokładnego zależy od parametrów materiałowych obszaru ekranowanego 3 i ekranu 2, ich promieni oraz częstotliwości pola. Jest to zależność algebraiczna, jednak o dość złożonej postaci.

W przypadku rozwiązania przybliżonego FI jest stałą zależną od parametru charakterystycznego IWB użytego w rozwiązaniu. Jego liczbową wartość określono postulując, aby rozwiązanie to było identyczne z rozwiązaniem dokładnym (czyli aby stałe FI występujące w obu rozwiązaniach były sobie równe). W pracy zaprezentowano wykresy pozwalające określić tak zmodyfikowane parametry charakterystyczne IWB dla kilku typowych układów – ciał przewodzących i dielektrycznych z ekranami elektromagnetycznym i magnetycznym.

Literatura [1] Leontovich M. A., On the approximate boundary conditions for the electromagnetic field on the

surface of well conducting bodies, Investigations of Radio Waves, B.A. Vvedensky Ed., Moscow: Acad. of Sciences of USSR, pp. 5-12, 1948.

[2] Apanasewicz S., Pawłowski S.: An improvement of the boundary conditions of impedance type. COMPEL: The International Journal for Comput. and Mathematics in Electrical and Electronic Eng. vol. 19, No. 2, pp. 211-216, MCB University Press, 2000.


163

ZASTOSOWANIE IFSM DO ANALIZY POLA ROZPROSZENIA TRÓJWYMIAROWEGO MODELU

TRANSFORMATORA ENERGETYCZNEGO Z UWZGLĘDNIENIEM NIELINIOWOŚCI MAGNETYCZNEJ

Stanisław Pawłowski1, Jolanta Plewako2 Politechnika Rzeszowska

1 Katedra Elektrodynamiki i Układów Elektromaszynowych 2 Katedra Energoelektroniki i Elektroenergetyki

1. Wstęp Niniejsza praca jest kolejną z cyklu prac mających na celu zbadanie możliwości zaimplementowania iteracyjnej metody rozwiązań fundamentalnych (IMRF) do analizy złożonych zagadnień elektrodynamiki technicznej. Metoda IMRF cechuje się wieloma walorami, jednak jako metoda brzegowa wydawała się być predystynowaną tylko do analizy zagadnień liniowych. W pracach [1-3] autorzy przeprowadzili udane eksperymenty numeryczne wskazujące na możliwość uwzględnienia pewnych istotnych aspektów związanych z nieliniowością materiałową (krzywej magnesowania), z wykorzystaniem IMRF. Stwierdzona dobra zbieżność metody skłoniła do próby jej zastosowania do analizy pola elektromagnetycznego w trójwymiarowym modelu transformatora energetycznego, odzwierciedlającego najistotniejsze elementy jego konstrukcji, z uwzględnieniem ich nieliniowych właściwości magnetycznych.

2. Sformułowanie zagadnienia W ramach pracy został utworzony algorytm i program numeryczny do obliczania rozkładu elektromagnetycz-nego pola rozproszenia w 3D modelu typowego transformatora dużej mocy (Rys. 1). Model ten w ujęciu liniowym (tj. przy założeniu stałych, rzeczywistych parametrów materiałowych wszystkich obszarów układu) analizowany był w pracach [4-6]. W niniejszej pracy przyjmuje się nieliniową zależność indukcji magnetycznej od natężenia pola magnetycznego obszarów rdzenia i kadzi określoną zespolonym współczynnikiem przenikalności magnetycznej. Zakłada się, że zagadnienie jest quasi-stacjonarne, pola są sinusoidalnymi funkcjami czasu oraz promienie krzywizn powierzchni granicznych są znacznie większe od zastępczej głębokości wnikania pola. Przy takich założeniach postawione zagadnienie można sprowadzić do obliczania zespolonego, skalarnego potencjału magnetycznego (H = grad)

uzwojenia

x

z

i3

s1

s2

rdzeń

i2 i1

kadź

x

Rys. 1. Analizowany model transformatora


164

w obszarze dielektrycznym układu, spełniającego równanie i impedancyjne warunki brzegowe na powierzchniach granicznych:

n

~ (1)

gdzie: r

j

0 ,

22

1

211

2

121

1Δ~

sh

h

ssh

h

shh- laplasjan powierzchniowy,

hi – parametry Lamé

Na podstawie rozkładu potencjału wyznacza się natężenie pola magnetycznego w obszarze dielektrycznym, jak również (pośrednio), pełny rozkład pola w obszarach przewodzących [4-6].

3. Zarys metody rozwiązania Do rozwiązania tak postawionego zagadnienia zastosowano iteracyjną wersję metody rozwiązań fundamentalnych (IMRF) opisaną w [3]. Polega ona na iteracyjnym uzgadnianiu rozkładu pola magnetycznego z lokalnymi wartościami przenikalności magnetycznej wyznaczanej z charakterystyki = (H). W kolejnych krokach iteracyjnych rozwiązywane jest zagadnienie liniowe, które przyjmuje się w postaci superpozycji potencjału źródłowego 0 (pochodzącego od uzwojeń) i kombinacji liniowej

rozwiązań fundamentalnych równania Laplace’a Gk, których punkty osobliwe określane są w obszarach przewodzących (rdzenia i kadzi):

)()()(1

0 rrr

N

kkkN Gq ,

k

kGrr

r

1

)( (2)

Współczynniki qk sumy aproksymacyjnej w (2) wyznaczane są numerycznie z wykorzystaniem metody najlepszej aproksymacji, tak aby w każdym N-tym kroku iteracji błąd brzegowy rozwiązania przyjmował możliwie najmniejszą wartość (w sensie średniej normy kwadratowej). W rezultacie obliczenie każdego z nich sprowadza się do wyznaczenia ilorazu dwóch całek powierzchniowych [3], co sprawia, że zastosowana procedura jest szczególnie prosta i, jak wskazują testy numeryczne [2,3], szybko zbieżna.

4. Literatura

[1] Pawłowski S., Plewako J. (2012): „Fundamental solutions method applied to non-linear, three-dimensional problems in electromagnetism”, Przegląd Elektrotechniczny, Vol. 88, No.12b, pp. 93-97.

[2] Apanasewicz S., Pawłowski S., Plewako J. (2013): „Zastosowanie iteracyjnej metody rozwiązań fundamentalnych do analizy quasistacjonarnego pola elektromagnetycznego w obecności ciał o nieliniowych właściwościach magnetycznych”, Przegląd Elektrotechniczny, Vol. 89, No.11, pp. 304 – 308.

[3] Apanasewicz S., Pawłowski S., Plewako J. (2013): „Analysis for quasi-stationary electromagnetic field with ferromagnetic objects present within”, Przegląd Elektrotechniczny, Vol. 89, No.12, pp.169 – 173.

[4] Apanasewicz S. (1986): „Zastosowanie równań całkowych do obliczania rozkładu pola elektromagnetycznego w transformatorach dużych mocy”, Rozprawy Elektrotechniczne, Vol. 32, No.1, pp.151 – 171.

[5] Kaźmierski M., Pawłowski S. (1996): „Practical application of integral equations for calculation of transformer leakage field”, Archives of Electrical Engineering, Vol. 45, No. 3, pp. 251-261.

[6] Pawłowski S. (2005): „Analysis of Leakage Field in Power Transformers with Use of Boundary-Iterative Method”, WSEAS Transactions on Circuits and Systems, Vol. 4, No. 11, pp. 1620-1627.


165

ZASTOSOWANIE ELEKTROPORACJI W MEDYCYNIE I PRZEMYŚLE

Agnieszka Piekarska1, Andrzej Krawczyk1, Ewa Korzeniewska2

1 Politechnika Częstochowska 2 Politechnika Łódzka

Elektroporacja – EP (ang. electroporation) jest to proces fizyczny, który polega na poddaniu komórek działaniu pola elektrycznego o dużym natężeniu. Skutkiem działania impulsu tego pola impulsowego są chwilowe zmiany w błonie komórkowej, co skutkuje zwiększoną przepuszczalnością błony komórkowej [1, 3]. Powstałe w błonie komórkowej elektropory stanowią drogę wnikania leków, kwasów nukleinowych białek, węglowodanów oraz małych cząsteczek do wnętrza komórek. Średnicę elektroporów szacuje się w granicach 1 – 10 nm [1, 3, 7]. Zmiany, którym poddawana jest komórka podczas elektropracji opisują dwa parametry fizyczne: natężenie pola elektrycznego, E i czas wystawienia komórki na działanie pola elektrycznego. Natężenie pola elektrycznego regulowane jest poprzez zmianę napięcia lub zmianę odległości pomiędzy elektrodami. Z uwagi na to, że przewodnictwo elektryczne cytoplazmy komórkowej jest wyższe niż samej błony, to umieszczenie komórki w polu elektrycznym spowoduje wytworzenie się różnicy potencjałów na błonie komórkowej. Wraz ze wzrostem wartości natężenia pole elektrycznego, wzrasta różnica potencjałów na błonie komórkowej, co prowadzi do wytworzenia się w niej porów, przez które do wnętrza komórki mogą przedostać się z zewnętrznego środowiska drobne molekuły [1, 2]. W doniesieniach naukowych można wyczytać, że do efektywnego transportu leków napięcie powinno wynosić 1000V/cm, natomiast podczas transportu genów powinno oscylować się w granicach 50V/m. Czas, podczas którego komórka wystawiona jest na działanie pola elektrycznego jest drugim ważnym parametrem, na który należy zwrócić uwagę [1, 2]. W przypadku impulsów o rozkładzie wykładniczym czas jest kontrolowany za pomocą pojemności elektrycznej zastosowanego elektroporatora oraz oporność zewnętrznej obwodu, natomiast w impulsach o prostokątnym rozkładzie fali, długość impulsu jest bezpośrednio kontrolowana przez ustawienia czasu, w jakim komórki będą poddawane na działanie pola elektrycznego. Dzięki zastosowaniu odpowiednio dobranych parametrach pola elektrycznego, elektroporacja błon komórkowych jest procesem odwracalnym. Zbyt niskie napięcie nie spowoduje powstania elektroporów, natomiast zbyt wysokie napięcie może doprowadzić do nieodwracalnej dezintegracji błony i zniszczenia komórki [2]. Elektroporacja znalazła zastosowanie w medycynie przede wszystkim w terapii genowej oraz w onkologii podczas różnych formach leczenia nowotworów [4]. Zastosowanie elektroporacji w przypadku leczeniu nowotworów pozwala na obniżenie dawek chemioterapeutyków podawanych doustnie, co ma bardzo duże znaczenie z punktu widzenia chorego gdyż leki przeciwnowotworowe charakteryzują się bardzo duża toksycznością [5]. Terapia genowa, nazywana również elektrogenoterapią polega na wprowadzeniu oczyszczonego DNA, RNA lub przeciwciał do wnętrza komórek. [4]. W zależności od choroby, zastosowanie terapii genowej ma na celu naprawę poszczególnych genów (wyciszenie lub wzmocnienie aktywności), bądź tez zahamowanie aktywności genu, w przypadku, gdy jego wzmożona ekspansja jest przyczyną


166

choroby [8]. Zastosowanie elektroporacji do terapii genowej pozwala na skuteczniejsze wprowadzenie DNA do komórek [4]. Elektrochemioterapia łączy ze sobą działanie elektroporacji oraz leków przeciwnowotworowych podanych uprzednio pacjentowi. Impulsowe pole elektryczne o odpowiednim natężeniu, stosowane jest miejscowo w okolicach guza, co powoduje powstanie elektroporów w błonach komórkowych. Elektropory umożliwiają i ułatwiają wnikanie leków do wnętrza komórki rakowej. Leki przeciwnowotworowe podawane są miejscowo lub ogólnoustrojowo. Po zastosowaniu elektroporacji stężenie wewnątrzkomórkowe wzrasta kilkakrotnie. Zastosowanie elektroporacji w chemioterapii umożliwia przedłużony kontakt tkanki nowotworowej z lekiem poprzez zwężenie naczyń krwionośnych w okolicach guza. Elektrochemioterapia uzyskała certyfikat Unii Europejskiej dopuszczający ją do powszechnego leczenia klinicznego w 2005 roku. [4,7]. Jest to metoda leczenia nowotworów, która swoje działanie opiera na reakcji fototoksycznej. Do reakcji fototoksycznej dochodzi w wyniku odziaływania fotoutleniacza oraz światła o odpowiedniej długości fali. Terapia fotodynamiczna polega na zaaplikowaniu do organizmu substancji fotoutleniającej, która skutecznie akumuluje się w komórkach nowotworowych. Po podaniu fotoutleniaczy miejsce nowotworu naświetla się źródłem światła o odpowiedniej długości fali, odpowiedniej do pasma absorbcji fotoutleniacza. Pochłonięta w ten sposób energia powoduje liczne reakcje prowadzące do śmierci komórek nowotworowych. Połączenie elektroporacji z terapią fotodynamiczną zmniejsza ilość podawanego fotoutleniacza oraz otwiera nowa drogę do komórki nowotworowej i ułatwia transport fotosensybilizatorów [4]. Wykorzystanie elektroporacji, jako metody transportu fotoutleniaczy do komórek nowotworowych zwiększa skuteczność terapii fotodynamicznej.

Elektroporację w przemyśle stosuje się do przetwarzania tkanki roślinnej. Za pomocą elektrod doprowadza się do nich impulsy wysokiego napięcia, trwające zazwyczaj kilka mikrosekund.[7,8] Dzięki temu w błonach komórkowych tworzą się pory umożliwiające łatwe wyjęcie wartościowych substancji z komórek. Pole elektromagnetyczne potrzebne do wytworzenia się elektroporów różni się w zależności od wielkości komórek np. w przypadku buraków cukrowych o średnicy komórki około 50 µm potrzebne jest natężenie pola rzędu 3-5 kV/m, algi natomiast do wytworzenia się porów potrzebują natężenia pola ok 10 kV/m.

Elektroporacja owocowego puree pozwala na łagodną i wydajna ekstrakcję wartościowych substancji [6]. Obecnie przeprowadzane są badania nad zacierem z winogron. Zazwyczaj w trakcie produkcji czerwonego wina, do ekstrakcji pigmentów ze skórek winogron stosuje się trzytygodniowy proces fermentacji lub wykonywane jest ogrzewanie zacieru. Ogrzewanie zacieru wymaga krótkiego czasu przetwarzania, ale może mieć wpływ na smak wina. Elektroporacja umożliwia otwarcie się komórek bez ich termicznej degradacji. Podczas produkcji białego wina elektroporacja umożliwia pełniejsze wydobycie ważnych substancji, zwiększa aromat typowy w przypadku danej odmiany winogron oraz zmniejsza kwaskowość wina [6]. Do elektroporacji przemysłowej wymagana jest moc przynajmniej 100 kW. Przemysłowe urządzenie do elektroporacji zbudowane jest z kilku generatorów Marxa pracujących synchronicznie[6]. Aby umożliwić prawidłowe działanie generatory wyposażone są w urządzenie wyzwalające, które generuje impuls wyzwalający, który dodawany jest do napięcia ładowania na pierwszym etapie za pomocą transformatora impulsowego oraz zastępuje cewkę lądowania pomiędzy pierwszym i drugim etapem, tym samym powoduje przełączenie się iskiernika. Elektroporacja jest to proces, który pozwala na zwiększenie przepuszczalności błon komórkowych, pod wpływem impulsów elektrycznych. Podczas elektroporacji w błonie komórkowej umieszczonej w polu elektrycznym o dostatecznie dużym natężeniu tworzą się elektropory. Istotą elektroporacji jest


167

taki dobór parametrów impulsów, aby spowodowały one czasowe otwarcie porów, natomiast nie wywołały trwałego uszkodzenia błony. Zastosowanie elektroporacji w medycynie pozwala na otwarcie dodatkowej drogi i ułatwia transport substancji i leczniczych do wnętrza komórek nowotworowych. Elektroporacja stosowana w przemyśle pozwala na łagodną i wydajna ekstrakcję wartościowych substancji z roślin, a co za tym idzie poprawę, jakości produktów. Literatura

1. Frank S. Barnes, Ben Greenebaum Biological and Medical Aspects of Electromagnetic Fields, CRC Press, 3 wydanie, 2006

2. Gene Pulser Xcell system do elektroporacji - instrukcja obsługi.

3. Hofmann G.A., Sukhendu B.D., Rabussay D.P. i wsp: Medical Applications of electroporation. Senior member. IEEE, 2000.

4. Sułocka N, Saczko J, Kotulska M, Kublacka J, Chromska A. „Elektroporacja i jej zastosowanie” Pol Merk.Lek, 2010 XXVIII.

5. http://www.ihm.kit.edu/english/302.php

6. Neumann, E; Schaefer-Ridder, M; Wang, Y; Hofschneider, PH (1982). "Gene transfer into mouse lyoma cells by electroporation in high electric fields". The EMBO Journal 1 (7): 841–5

7. Weaver, James C.; Chizmadzhev, Yu.A. (1996). "Theory of electroporation: A review". Bioelectrochemistry and Bioenergetics 41 (2): 135–60

8. Sugar, I.P.; Neumann, E. (1984). "Stochastic model for electric field-induced membrane pores electroporation". Biophysical Chemistry 19 (3): 211–25


168

POMIARY WPŁYWU KLINÓW MAGNETYCZNYCH NA SKŁADOWE HARMONICZNE

INDUKCJI MAGNETYCZNEJ W SZCZELINIE POWIETRZNEJ

NA MODELU SILNIKA INDYKCYJNEGO

Danuta Pliś Politechnika Rzeszowska

Zastosowanie klinów magnetycznych w zamknięciach żłobków stojanów silników klatkowych, ma istotny wpływ na ten rozkład pola elektromagnetycznego w szczelinie powietrznej. Jest to zagadnienie dość skomplikowane pod względem analizy teoretycznej jak również w badaniach praktycznych. Niemniej jednak ma istotny wpływ na ogólny wynik wielu czynników pracy silnika. Głównym motywem pracy było dokonanie pomiaru indukcji magnetycznej w szczelinie powietrznej w badanym modelu z zastosowaniem klina tekstolitowego oraz magnetycznego, a następnie przy pomocy programu Labview rozkładu zmierzonej indukcji na poszczególne harmoniczne w celu porównania z obliczeniami. Badania laboratoryjne przeprowadzono na modelu odpowiadającym układowi jednego żłobka silnika indukcyjnego trójfazowego SZJC EX 6 kV 320 kW. Do analizy przyjęto obszar będący przekrojem w płaszczyźnie poprzecznej do osi silnika obejmujący żłobek stojana oraz żłobek wirnika z sąsiadującymi zębami. W celu uproszczenia geometrii modelu oraz ze względu na stacjonarność pola magnetycznego podczas analizy przyjęto następujące założenie upraszczające:

a) kontury wirnika i stojana aproksymowano liniami prostymi, b) analizowano żłobki prostokątne zarówno w stojanie, jak i wirniku, c) rozpatrywano wzajemny układ jednego żłobka stojana i jednego żłobka wirnika.

Rys. 1. Schemat układu do pomiaru indukcji w szczelinie powietrznej oraz wokół modelu.

Schemat układu pomiarowego przedstawiono na rys 1. Z zasilacza prądu stałego zasilane było uzwojenie, przez które płynął prąd stały o natężeniu 5 A, tak aby indukcja w szczelinie była około 1T. Do pomiarów indukcji wykorzystano hallotronowy miernik stałego i zmiennego pola magnetycznego HTM-12c przeznaczony do precyzyjnych pomiarów. Przyrząd jest wyposażony w sondę pomiarową z płaską końcówką o wymiarach (70x8x0,9 mm), umożliwiającą pomiar poprzecznego pola magnetycznego w trudno dostępnych miejscach, również w wąskich szczelinach. Duża rozdzielczość

Komputer

HTM-12c

Sonda pomiarowa

Statyw

A

Zasilacz napięcia R

Model obwodu

t


169

przyrządu, równa 1 T w polu stałym oraz 0,1 T w polu zmiennym, sprawia, że nadaje się on do pomiaru rozproszonych zarówno stałych, jak i zmiennych pól magnetycznych. Współpraca z komputerem PC poprzez łącze RS - 232 umożliwia rejestrację wyników pomiaru oraz zdalne przełączanie wszystkich trybów pracy przyrządu. Dokładność w trybie DC w zakresie 30 mT<B<1,5T wynosi 0,5% + (15 rozdzielczość). Sonda była umieszczona na statywie z naniesioną podziałką milimetrową, co umożliwiło precyzyjne jej przesuwanie zarówno w wysokości, jak też w długości. Podczas pomiarów indukcji w szczelinie powietrznej sondę przesuwano wzdłuż osi x, co 0,004 m, począwszy od brzegu modelu. Pomiarów dokonano dla klina tekstolitowego i magnetycznego przy różnym ułożeniu wzajemnym żłobka stojana i wirnika. Wyniki pomiarów i obliczeń przedstawiono na wykresach dla jednego z przypadków badanego modelu w celu zobrazowania i graficznej interpretacji poszczególnych harmonicznych.

Rys. 2 Wykres zmierzonych wartości indukcji magnetycznej w szczelinie powietrznej modelu dla klina magnetycznego i niemagnetycznego.

a) b)

Rys. 3 Porównanie wartości amplitudy i fazy indukcji magnetycznej w szczelinie powietrznej dla przypadku ułożenia żłobka stojana i wirnika wzajemnie nad sobą w funkcji harmonicznych dla klina magnetycznego i tekstolitowego a) amplituda; b) faza.

Z porównania harmonicznych wynika, że kliny magnetyczne wpływają korzystnie na zmniejszenie amplitudy niektórych harmonicznych. Odnosząc się do przypadku w którym występuje ułożenie jednego żłobka nad drugim należy stwierdzić, iż amplituda pierwszej harmonicznej indukcji magnetycznej w szczelinie powietrznej osiąga wartość większą o 0,01 T dla żłobka zamkniętego klinem magnetycznym niż gdy żłobek jest zamknięty klinem niemagnetycznym. Kolejne amplitudy składowych harmonicznych indukcji osiągają wartości mniejsze gdy żłobek zamyka klin magnetyczny w porównaniu z odpowiednimi amplitudami harmonicznych dla klina niemagnetycznego. Należy zatem wnioskować, iż zastosowanie klina ma wpływ na zmniejszenie np. hałasu magnetycznego.


170

ELEKTROMAGNETYZM W POLITYCE OCHRONY ZDROWIA

OSÓB STARSZYCH

Anna Pławiak-Mowna, Wojciech Zając, Grzegorz Andrzejewski

Wydział Elektrotechniki Informatyki i Telekomunikacji, Uniwersytet Zielonogórski

Streszczenie – starzenie się populacji wypływa bezpośrednio na realizację polityki ochrony zdrowia i polityki wobec ludzi starszych. Rozwój usług opiekuńczych w świetle postępującego wydłużania się trwania życia oraz rozwój postępu technologicznego skutkują aktywnym wykorzystaniem rozwiązań programowych i sprzętowych w profilaktyce upadków osób starszych. W pracy przedstawiono przegląd rozwiązań technologicznych związanych z zapobieganiem upadków osób starszych w kontekście monitorowania i akwizycji sygnałów w środowisku elektromagnetycznym. Słowa kluczowe: technologia bezprzewodowa, profilaktyka upadków, seniorzy. Wprowadzenie Starzenie się populacji i wydłużanie się trwania życia jest wspierane poprzez elementy systemu polityki społecznej – politykę ochrony zdrowia i politykę wobec ludzi starych. Szacuje się [1], że do 2030 roku populacja osób w wieku powyżej 65 roku życia – mieszkańców Europy, wzrośnie o 12% (w stosunku do roku 2013). Na dziesięciu obywateli, czterech z nich będzie w wieku 65+. Połowa populacji Europy (50,16%) osiągnie wiek senioralny w 2060 roku. Rozwój usług opiekuńczych w świetle postępującego wydłużania się trwania życia, obejmuje również tzw. wielkie problemy geriatryczne. Należy do nich m.in. problem upadków i zachowania równowagi u osób starszych. Rozwiązania wykorzystujące wszelkiego rodzaju alarmy, bądź uruchamiane przez osoby starsze, bądź automatycznie uruchamiające procedurę wezwania pomocy, elementy telerehabilitacji, monitorowanie aktywności osób starszych to elementy wykorzystania rozwiązań technologicznych w zapobieganiu upadkom i świadczeniu usług opiekuńczych dla osób starszych.

Wspieranie usług opiekuńczych Wykorzystuje się wiele rozwiązań do wykrywania upadków osób starszych [2]. Urządzenia te mogą najczęściej wyposażone są w bezprzewodowy nadajnik i „przycisk” alarmu, który włącza senior w celu wezwania pomocy, np. Philips Lifeline Medical Alert System [3]. Rozwiązanie prezentowane w [4] to przykład zastosowania, które nie wymaga interwencji osoby, która upadła. Wykorzystywane są również rozwiązania wykorzystujące przetwarzanie obrazów [5], czy też rozwiązania wykorzystujące detektory rozmieszczone na podłodze [6]. Jednakże wykrywanie upadków nie jest tożsame z profilaktyką i zapobieganiem upadkom osób starszych. Upadki te generują nie tylko szereg komplikacji zdrowotnych (np. złamanie szyjki kości udowej i długotrwała rekonwalescencja), ale również związane są z drastycznym ograniczeniem aktywności fizycznej (strach przed upadkiem) i pogorszeniem codziennego funkcjonowania,


171

brakiem chęci opuszczania mieszkania nawet w towarzystwie innych osób, co w określić można ograniczeniem ich samodzielności. Rozwiązania technologiczne związane z (tele)rehabilitacją, czy też akwizycją sygnałów (monitorowaniem) aktywności osób starszych (i ich upadków), są wykorzystywane nie tylko w warunkach kontrolowanych (dedykowane oddziały szpitalne, specjalizowane ośrodki), ale również w warunkach domowych. Wparcie opiekunów osób starszych i seniorów rozwiązaniami technologicznymi stanowi ważny element jakości życia i polityki wobec ludzi starych oraz ochrony zdrowia. Postęp technologiczny generuje wzrost poziomów pola elektromagnetycznego w środowisku, a omawiane rozwiązania technologiczne wspierania opieki nad seniorami funkcjonują w „realnym” środowisku nasyconym PEM. Pojawia się szereg problemów związanych m.in. z zabezpieczeniem ciągłego i prawidłowego funkcjonowania projektowanych systemów wspierania opieki w różnych „profilach” pola elektromagnetycznego (jak np. urządzenia telekomunikacyjne) czy też zasięgu tychże systemów w przypadku wykorzystania bezprzewodowej transmisji danych. W pracy analizie poddano wybrane rozwiązania technologiczne pod kątem ich funkcjonalności w zmiennych profilach pola elektromagnetycznego oraz wskazano przykład badań zalecanych do przeprowadzenia w celu pozyskania bardziej specyficznych danych dla konkretnych zastosowań. Jako jeden z analizowanych systemów przyjęto urządzenie wspomagające automatyczną detekcję upadku seniora, w zakresie akwizycji oraz transmisji wybranych danych kontrolnych w różnych „profilach” pola elektromagnetycznego. Podsumowanie

Obszar badań przedstawiony w artykule jest ważny ze względu na uporządkowanie istniejącego stanu wiedzy w zakresie możliwości wykorzystania systemów wspierania opieki nad osobami starszymi w środowisku nasyconym PEM oraz ewentualnego unikania zagrożeń z tego płynących. Literatura [1]. European Commission Eurostat, Statistics Explained, Population structure and ageing,

pozyskano z: http://epp.eurostat.ec.europa.eu/statistics_explained/, ostatni dostęp: June 2014 [2]. Gibson J., Andres R., Isaacs B., Radebaugh T., Worm-Petersen J.: The prevention of falls in

later life. A report of the Kellogg International Group on the Prevention of Falls by the Elderly, Danish Medical Bulletin, 34(Suppl4), 1987, (p.4) 1-24

[3]. Philips Lifeline Medical Alert Service, How the Lifeline Medical Alarm System Works, pozyskano z: http://www.lifelinesys.com/content/lifeline-products/how-lifeline-works, ostatni dostęp: June 2014

[4]. Tunstall portal, pozyskano z: http://www.tunstallamerica.com/3_2_2falldetector.htm, ostatni dostęp: June 2014

[5]. Sixsmith, A., Johnson N.: A smart sensor to detect falls of the elderly, IEEE Pervasive Computing, 3(2), 2004, 42-47

[6]. Zigel Y., Litvak D., Gannot I.: A method for automatic fall detection of elderly people using floor vibrations and sound – proof of concept on human mimicking doll falls, IEEE Transactions on Biomedical Engineering, 56(12), 2009, 2858-2867


172

KONCEPCJA I REALIZACJA PRĄDNICY SYNCHRONICZNEJ

ZE WZBUDZENIEM MAGNETOSTATYCZNYM I ELEKTROMAGNETYCZNYM

Andrzej Popenda, Sławomir Chwalba Politechnika Częstochowska

1. Wprowadzenie Dążenie do podnoszenia sprawności maszyn elektrycznych jest ogólnoświatową tendencją związaną z działaniami na rzecz ochrony środowiska naturalnego. W wyniku tych działań konwencjonalne maszyny, do których należy zaliczyć maszyny indukcyjne i synchroniczne wzbudzane elektromagnetycznie, coraz częściej są zastępowane maszynami wzbudzanymi magnesami trwałymi (magnetostatycznie). W ostatnim czasie zainteresowanie tymi maszynami znacznie wzrosło z powodu spadku ich cen. Zastosowanie maszyn wzbudzanych magnesami trwałymi (PMM – permanent magnet machines) w urządzeniach wymagających niskich prędkości obrotowych pozwala wyeliminować przekładnię, która sprzęga maszynę roboczą ze standardowym silnikiem indukcyjnym lub wolnoobrotową turbinę ze standardowym generatorem synchro-nicznym. Użycie przekładni jest kosztowne, zmniejsza sprawność urządzenia oraz wymaga konserwacji. Niska prędkość maszyn prądu przemiennego oznacza dużą ilość biegunów magnetycznych, a w konse-kwencji znaczą średnicę tych maszyn. Obecnie PMM najczęściej są wykorzystywane jako napędy okręto-we i generatory siłowni wiatrowych. Jednym z istotnych wymagań stawianych prądnicom synchronicznym pracującym indywidualnie jest utrzymanie stałej częstotliwości i stałego napięcia na zaciskach twornika przy zmianach obciążenia. W konwencjonalnych prądnicach wzbudzanych elektromagnetycznie takie warunki pracy realizuje się poprzez zastosowanie regulatorów prędkości i napięcia. Działanie regulatora napięcia określa charak-terystyka regulacji prądnicy, która informuje w jaki sposób należy nastawiać prąd wzbudzenia, aby przy zmianach prądu obciążenia, stałym współczynniku mocy i stałej prędkości obrotowej utrzymać stałe napięcie na zaciskach prądnicy. Prądnice synchroniczne wzbudzane magnetostatycznie nie mają możliwości regulacji wzbudzenia, a ich zmienność napięcia jest rzędu kilkudziesięciu procent. Przykładowo, zmienność napięcia prądnic produkcji krajowej (KOMEL) w pełnym zakresie obciąże-nia wynosi 20-30% [1].

2. Opis koncepcji i realizacji Jedną z metod ograniczenia zakresu zmian napięcia prądnicy synchronicznej wzbudzanej magnetosta-tycznie przy zmianach obciążenia jest zastosowanie stabilizacji samoistnej poprzez poprawę charaktery-styki zewnętrznej prądnicy. Warunki takie uzyskuje się na przykład poprzez zaprojektowanie odpowied-niej konstrukcji wirnika, w której rezygnuje się ze stosunkowo prostego w praktycznej realizacji monta-żu magnesów trwałych na powierzchni wirnika, zastępując to rozwiązanie magnesami umieszczonymi wewnątrz wirnika, co pozwala zmniejszyć zmienność napięcia do około 10%. Bardziej skuteczną stabilizację napięcia prądnicy zapewnia zastosowanie domagnesowania elek-tromagnetycznego. W rozwiązaniu tym główne wzbudzenie jest oparte na magnesach trwałych, co


173

pozwala zachować wysoką sprawność prądnicy. Zadaniem dodatkowego wzbudzenia o charakte-rze elektromagnetycznym jest nastawianie napięcia prądnicy w pewnym zakresie, umożliwiają-cym kompensację spadku napięcia na skutek wzrostu obciążenia, za cenę niewielkiego pogorsze-nia sprawności prądnicy. Istnieją różne sposoby realizacji prądnic synchronicznych z zastosowa-niem stabilizacji napięciowej. Jednym z tych rozwiązań jest zastosowanie wirnika hybrydowego [1], w którym wzbudzenie elektromagnetyczne jest umieszczone obok wzbudzenia magnetosta-tycznego wzdłuż osi wirnika, a wypadkowa siła magnetomotoryczna (MMF – magnetomotive force) wzbudzenia jest superpozycją MMF wzbudzeń składowych. Innym sposobem jest zastoso-wanie w obwodzie magnetycznym magnesów trwałych zgodnego magnesowania (domagnesowa-nia) opartego na wzbudzeniu elektromagnetycznym, którego celem jest kompensacja odmagneso-wującego wpływu oddziaływania twornika. Kompensacyjne działanie zastosowanego uzwojenia wzbudzenia może być realizowane samoistnie, poprzez szeregowe połączenie z uzwojeniem twor-nika (konieczne jest zastosowanie prostownika, ponieważ w uzwojeniu twornika płynie prąd przemienny) lub z wykorzystaniem regulatora wartości skutecznej napięcia twornika. W niniejszej pracy zaprezentowano fizyczny model prądnicy synchronicznej wzbudzanej magne-tostatycznie, opracowany i wykonany przez autorów zgodnie z koncepcją kompensacji oddziały-wania twornika poprzez zastosowanie domagnesowania elektromagnetycznego w obwodzie ma-gnetycznym magnesów trwałych. W proponowanym rozwiązaniu wypadkowa MMF w obwodzie magnetycznym prądnicy, a w konsekwencji napięcie indukowane w uzwojeniu twornika, wynika-ją z oddziaływania sumy pól, określonych odmagnesowującym oddziaływaniem twornika i doma-gnesowującym działaniem wzbudzenia elektromagnetycznego, na magnesy trwałe zgodnie z ich charakterystyką odmagnesowania. Prototyp prądnicy modelowej oparto na elementach konstrukcyjnych stojana silnika indukcyjnego typu OKC2 – 2/12DK z pralki Polar PDE385 (rys. 1a), z którego wykorzystano rdzeń, obudowę oraz ułożyskowanie wirnika, jak również na elementach konstrukcyjnych wirnika kłowego, zaadoptowane-go z alternatora typu A115-34b, stosowanego w samochodach FIAT 126. O wyborze takiego rozwią-zania zadecydowały: dostępność wymienionych elementów konstrukcyjnych na rynku oraz relatywnie niska cena tych elementów w porównaniu z elementami wykonanymi na specjalne zamówienie w celu zbudowania prototypowej prądnicy synchronicznej.

a) b)

Rys. 1. Widok stojana z uzwojeniem trójfazowym oraz widok wirnika prądnicy z magnesami trwałymi wykonanego na bazie wirnika kłowego

ze wzbudzeniem elektromagnetycznym (opracowanie własne)

Obwód wzbudzenia prądnicy składa się z trzech części (rys. 1b): - magnesów trwałych N-38H naklejonych na powierzchni wirnika - tulei stalowej oddzielającej dwa wzbudzenia prądnicy - wirnika kłowego wyposażone-go w fabryczne uzwojenie wzbudzenia.

Na zewnętrznej powierzchni wirnika kłowego umieszczono tuleję stalową z niewielkimi ścięciami, na których naklejono magnesy trwałe. Zastosowanie tulei stalowej, oddzielającej magnesy trwałe od wirnika kłowego ze wzbudzeniem elektromagnetycznym ma na celu zwiększenie permeancji na drodze strumienia magnetycznego pochodzącego od magnesów trwałych. Pominięcie tej tulei, czyli zamocowanie magnesów trwałych bezpośrednio na zewnętrznej powierzchni kłów wirnika, produ-kowanego jako odlew stalowy nasycający się już przy niewielkiej wartości indukcji magnetycznej, prowadziłoby do wzrostu całkowitej reluktancji obwodu magnetycznego, zależnej od składowych reluktancji wirnika, stojana i szczelin powietrznych. W konsekwencji zwiększyłoby się nachylenie


174

charakterystyki magnesowania obwodu magnetycznego, skutkiem czego mogłoby być częściowe lecz trwałe rozmagnesowanie magnesów trwałych pod wpływem zewnętrznego pola oddziaływania twornika.

3. Wyniki badań laboratoryjnych i analiza Wyniki badań laboratoryjnych oraz analiza zaprojektowanej i wykonanej prądnicy modelowej zostaną zaprezentowane w pełnej wersji referatu.

4. Wnioski Zaletą proponowanego rozwiązania w porównaniu z [1] jest brak konieczności zwiększenia długości boków uzwojenia stojana (w rozwiązaniu [1] długość boków wzrosła o 1/3), a w konsekwencji straty w tym uzwojeniu i wymiary prądnicy są mniejsze, natomiast wadą jest ograniczony zakres nastawiania napięcia indukowanego z uwagi na niebezpieczeństwo częściowego, lecz trwałego rozmagnesowania magnesów trwałych przy odmagnesowaniu lub możliwość wystąpienia nasycenia magnesów trwałych przy domagnesowaniu. Przeprowadzone badania laboratoryjne prądnicy modelowej wykazały koniecz-ność kontynuowania badań i analiz w celu ulepszenia jej konstrukcji.

Literatura [1] Gawron S., Możliwości regulacji napięcia wyjściowego prądnicy synchronicznej z magnesami

trwałymi, Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne Nr 77/2007, s. 227-232. [2] Glinka T., Maszyny elektryczne wzbudzane magnesami trwałymi, Wyd. Pol. Śląskiej, Gliwice

2002


175

SKUTECZNOŚĆ DZIAŁANIA CZUJEK MAGNETYCZNYCH

W UKŁADACH ALARMOWYCH

Tomasz Prauzner Akademia im. Jana Długosza w Częstochowie, Instytut Edukacji Technicznej i Bezpieczeństwa

Słowa kluczowe: czujka, symulacja, modelowanie, MES

W pracy wykorzystano modelowanie MES w obszarze dwuwymiarowym 2-D. Głównym celem badań było określenie wpływu wybranych własności użytkowych (rodzaj materiału konstrukcyjnego, wymiarów geometrycznych) magnesów stałych na charakterystykę pracy kontaktronu. Jako punkt wyjścia analizy zjawiska przeprowadzono pomiary wstępne na podstawie układu detekcji opartego na czujce K-1. Przeanalizowano współpracę czujki z układem nadzorującym system alarmowy Integra 128-WRL, określono czułość pracy czujki oraz zasięg detekcji układu dla stanu zamknięcia i otwarcia styków kontaktronu. Kolejnym etapem badań było określenie i zdrożenie innowacji w zakresie zastosowanego materiału magnesu napędowego oraz ze względu na zmianę jego wybranych parametrów geometrycznych. W tym celu w układzie czujki zastąpiono dotychczasowy magnes na inny z uwzględnieniem jego zmiennej długości względnej (L/D), zmian położenia względem kontaktronu oraz właściwości materiału magnetycznego. Wykazano, w jakim stopniu zmiana przyjętych zmiennych wpłynęła na czułość pracy kontaktronu.

Rys.1. Stanowisko badawcze w zakresie współpracy czujek K-1, S-1 oraz centrali alarmowej Integra 128-WRL Satel

Dane techniczne dla sensorów K-1, K-2, K-3 ujęte zostały w dokumentacji technicznej firmy Satel o oznaczeniu: s123_pl 04/07 dostępnej na stronie producenta. Działanie czujki zbadano doświadczalnie, a więc zbadano, przy jakiej szerokości szczeliny między magnesem a kontaktronem, czujka zadziała poprawnie. Przeprowadzono kilka prób, które wykazały, iż zamknięcie styków kontaktronu nastąpiło w odległości od 19 do 20 mm, natomiast rozwarcie w odległości


176

27-28 mm.[4,6] Następnie na podstawie danych katalogowych zamodelowano obiekt metodą MES w celu wizualizacji pola magnetycznego wokół magnesu.

Rys. 2. Obszar analizy pola

magnetycznego dla N38 względem symetrycznej y (bocznej) modelu, D=4

mm (średnica magnesu), L=20 mm (długość), L/D=5 oraz dla temperatury

26,5oC.

Tabela 1. Wybrane wartości magnetyczne materiałów poddanych badaniom. Rodzaj

magnesu AlNico Ferrytowy RCo NdFeB

Metoda produkcji

Spiekany (1)

Ferryt baru-spiekany (2)

SmCo5 – spiekany (3)

Prasowany spęczany na gorąco, anizotropowy (4)

Br [T] 1,050 0,400 0,925 1,28 HCB [kA/m] 62 170 710 907 HCJ [kA/m] 62 170 2000 995

(BH)max

kJ/m3] 31 30,0 170 302

μr 1,1 1,10 1,03 1,09

Wykres 1. Wartość indukcji pola magnetycznego B oraz natężenia pola magnetycznego H dla badanych modeli dla L/D=5.

-5 0 5 10 15 20 25 30 35 400,000,010,020,030,040,050,060,070,080,090,100,110,120,130,140,150,160,170,18

B [T

]

L (mm)

Alnico Ferrytowy Rco NdFeB

-5 0 5 10 15 20 25 30 35 400

20000

40000

60000

80000

100000

120000

140000

H [A

/m]

L (mm)

Alnico Ferrytowy Rco NdFeB

Wykres 2. Wartość indukcji pola magnetycznego B oraz natężenia pola magnetycznego H dla badanych modeli dla L/D=1,25.


177

-10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 40

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

B [T

]

L [mm]

Alnico Ferrytowy RCo NdFeB

-5 0 5 10 15 20 25 30 35 40

0

50000

100000

150000

200000

H [A

/m]

L [mm]

Alnico Ferrytowy RCo NdFeB

Kolejnym etapem badań było przeprowadzenie symulacji MES dla prostej y dla NdFeB przy założeniu wymiarów geometrycznych D = 8mm L = 10 mm (L/D=1,25). Porównano rozkład indukcji dla obydwu wartości L/D, wyznaczono czułość pracy czujki (zadziałania kontaktronu) dla pozostałych badanych materiałów ferromagnetycznych. Na tej podstawie określono parametry tzw. przemieszczenia rewersyjnego w układzie pracy czujki, wyciągnięto niezwykle obszerne wnioski. Literatura [1] Chwastek K., Szczygłowski J. , Wilczyński W., Modelling magnetic properties

of high si l icon steel , Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 2010, pp. 799–803.

[2] Miedziński B. , Shoffa V.N., Ś lusarek B., Kontaktrony i ich w łaściwości użytkowe, Oficyna Wydawnicza Poli techniki Wroc ławskiej , Wroc ław 2012, ISBN 978-83-7493-718-4

[3] Najgebauer M., Szczyg łowski J . , Nowoczesne tendencje rozwojowe w inżynierii materia łów magnetycznych, Przegląd Elektrotechniczny, 2008, p. 136-139.

[4] Prauzner T. , Zak łócenia elektromagnetyczne w elektronicznych systemach alarmowych. Przegląd Elektrotechniczny, 2012, s . 205-208, ISSN 0033-2097

[5] Ptak P., Prauzner T. , Badanie czujników detekcji zagrożeń w systemach alarmowych . Przegląd Elektrotechniczny, 2013 nr 10, s . 274-276, ISSN 0033-2097

[6] Ś lusarek B., Dudzikowski I . , Application of permanent magnets from Nd-Fe-B powder and from mixtures of powders in dc motors , Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 2002, pp. 597–599.


178

ANALIZA PARAMETRÓW PRACY WYBRANYCH CZUJNIKÓW POLA MAGNETYCZNEGO

Tomasz Prauzner1, Paweł Ptak2 1 Akademia im. Jana Długosza w Częstochowie, Instytut Edukacji Technicznej i Bezpieczeństwa

2 Politechnika Częstochowska, Instytut Telekomunikacji i Kompatybilności Elektromagnetycznej

Słowa kluczowe: czujnik pola magnetycznego, parametry pracy

Przetworniki pola magnetycznego wykorzystywane są prawie w każdej gałęzi przemysłu. Posiadają szereg zalet wśród których można wymienić niewielkie rozmiary fizyczne, stosunkowo duża czułość i odporność na zakłócenia czynników zewnętrznych oraz łatwość aplikacji w układach elektronicznych [1,2]. Zwykle nie wymagają skomplikowanych układów zasilających ani wzmacniających sygnał pomiarowy. Nie wszystkie sensory magnetyczne wykorzystywane są jako czujniki pola magnetycznego. Znajdują zastosowanie w szeregu pomiarów wielkości nieelektrycznych takich jak pomiary grubości warstw wierzchnich, pomiary defektoskopowe [3], pomiary odległości, przesunięcia czy prędkości obrotowej [4,5,6]. Jeżeli chodzi o pomiary parametrów pola magnetycznego najpopularniejszym przetwornikiem jest czujnik którego zasada działania oparta jest o zjawisko Halla. Przetworniki takie używane są od wielu lat i również obecnie w zmodyfikowanej i usprawnionej wersji używane są w dniu dzisiejszym [7,8]. Charakteryzują się dużą czułością i posiadają niewielkie rozmiary fizyczne co ułatwia ich aplikację w praktycznych zastosowaniach [9,10]. Praktyczną zaletą hallotronów jest łatwość ich integracji z różnymi elementami elektronicznymi w jednym obwodzie scalonym. Do pomiarów wybrano dwa łatwo dostępne i popularne przetworniki Hallotronowe produkcji firmy Infineon TLE 4905 L oraz firmy Allegro MicroSystems A1104LUA, które mają szerokie zastosowanie i nie wymagają znacznych nakładów finansowych przy stosunkowo dobrych parametrach użytkowych. Badania przeprowadzono także dla popularnego czujnika magneto rezystancyjnego KMZ10B firmy Philips. Dla wybranych czujników zbadano wartość napięcia wyjściowego dla wzrastającej odległości od źródła pola magnetycznego przy stałej częstotliwości zasilania cewki. Rezultaty pomiarów pokazano na rysunku 1.


179

a) b) c)

1 2 3 4 53,0

3,1

3,2

3,3

3,4

3,5

3,6

Data: Data1_900HzModel: Gauss Equation: y=y0 + (A/(w*sqrt(PI/2)))*exp(-2*((x-xc)/w)^2) Weighting:y No weighting Chi^2/DoF = 0.00015R^2 = 0.99616 y0 4.19003 ±2.51354xc 6.22476 ±3.03932w 12.17608 ±27.11459A -13.02863 ±68.22959

U [m

V]

d [mm]

300Hz 500Hz 700Hz 900Hz

1 2 3 4 510,4

10,6

10,8

11,0

11,2

11,4

11,6

11,8

12,0

12,2

12,4

Data: Data1_900HzModel: Gauss Equation: y=y0 + (A/(w*sqrt(PI/2)))*exp(-2*((x-xc)/w)^2) Weighting:y No weighting Chi^2/DoF = 0.00415R^2 = 0.99543 y0 13.2191 ±3.36862xc 10.58971 ±30.93384w 11.66583 ±38.98151A -46.85609 ±327.97357

U [m

V]

d [mm]

300Hz 500Hz 700Hz 900Hz

0 5 10 15 20

0

5

10

15

20

25

30

Data: Data1_100.HzModel: Gauss Equation: y=y0 + (A/(w*sqrt(PI/2)))*exp(-2*((x-xc)/w)^2) Weighting:y No weighting Chi^2/DoF = 2.7323R^2 = 0.98587 y0 74.81165 ±325.91026xc 21.4426 ±10.85536w 54.96122 ±183.37579A -4453.67757 ±37392.90997

U [m

V]

d [mm]

100.Hz 1.kHz 10.kHz 100.kHz 1.MHz

Rys. 1. Charakterystyki pracy czujników: a) TLE 4905 L firmy Infineon, b) A1104LUA firmy Allegro MicroSystems, c) KMZ10B firmy Philips

W celu sprawdzenia odpowiedzi przetwornika na zmianę częstotliwości sygnału zasilającego cewkę wykonano pomiary napięcia wyjściowego Hallotronu dla stałej amplitudy przy regulacji częstotliwości w zakresie od 100 Hz do 1000 Hz, a dla czujnika magnetorezystancyjnego w zakresie 100 Hz do 2000 Hz. Wyniki pomiarów zaprezentowano na rysunku 2.

a) b) c)

0 200 400 600 800 1000

3,0

3,1

3,2

3,3

3,4

3,5

3,6

3,7

Data: Data1_5mmModel: Gauss Equation: y=y0 + (A/(w*sqrt(PI/2)))*exp(-2*((x-xc)/w)^2) Weighting:y No weighting Chi^2/DoF = 0.00076R^2 = 0.96858 y0 2.43806 ±1.31494xc 943.06337 ±137.03006w 1720.63525 ±1756.74481A 1974.82322 ±4848.92998

U [m

V]

f [Hz]

odległość 1mm odległość 2mm odległość 3mm odległość 4mm odległość 5mm

0 200 400 600 800 100010,4

10,6

10,8

11,0

11,2

11,4

11,6

11,8

12,0

12,2

12,4

12,6

12,8

Data: Data1_5mmModel: Gauss Equation: y=y0 + (A/(w*sqrt(PI/2)))*exp(-2*((x-xc)/w)^2) Weighting:y No weighting Chi^2/DoF = 0.00792R^2 = 0.93987 y0 10.06771 ±2.8391xc 3310.69869 ±33645.29375w 2995.09751 ±24123.95602A 15666.27739 ±403936.42893

U [m

V]

f [Hz]

odległość 1mm odległość 2mm odległość 3mm odległość 4mm odległość 5mm

0 500 1000 1500 2000

3,7

3,8

3,9

4,0

4,1

4,2

4,3

4,4

4,5

4,6

4,7

4,8

Data: Data1_Ampl.VModel: Gauss Equation: y=y0 + (A/(w*sqrt(PI/2)))*exp(-2*((x-xc)/w)^2) Weighting:y No weighting Chi^2/DoF = --R^2 = 1 y0 4.13888 ±--xc 1.68894 ±--w 1.09442 ±--A 1.0336 ±--

U [

V]

f [Hz]

odległość 5 mm odległość 10 mm

Rys. 2. Charakterystyka zmian wartości sygnału wyjściowego przetworników przy zwiększaniu częstotliwości sygnału pomiarowego: a) TLE 4905 L firmy Infineon,

b) A1104LUA firmy Allegro MicroSystems, c) KMZ10B firmy Philips Podsumowanie Na podstawie otrzymanych wyników badań można wyprowadzić następujące sformułowania: Zwiększanie odległości przetwornika od źródła pola magnetycznego powoduje zmniejszanie się

wartości napięcia wyjściowego przetwornika. Charakter tych zmian różni się w zależności od częstotliwości sygnału zasilającego cewkę i ma bardziej liniowy przebieg dla częstotliwości powyżej 500 Hz.

Napięcie wyjściowe dla przetwornika KMZ10B firmy Philips zmienia się w szerszym zakresie niż dla przetworników A1104LUA firmy Allegro MicroSystems oraz TLE 4905 L firmy Infineon przy podobnych wartościach zmian odległości od źródła pola magnetycznego, zmian częstotliwości


180

zasilającej cewkę czy zmian wartości badanej indukcji magnetycznej. Dlatego pomiary przy zastosowaniu przetwornika A1104LUA umożliwiają dokładniejsze określenie wartości badanego pola magnetycznego.

Literatura [1] Tumański S. , Czujniki pola magnetycznego – stan obecny i kierunki rozwoju, Przegląd

Elektrotechniczny, 2004 nr 2, s. 74- 80

[2] Tumański S. , Czujniki pola magnetycznego, Przegląd Elektrotechniczny, 2013 nr 10, s. 1-11

[3] Ptak P., Borowik L., Diagnostyka zabezpieczeń antykorozyjnych na potrzeby elektroenergetyki, Przegląd Elektrotechniczny, 2012 nr 9a, s. 142-145

[4] Olesiak K., Selected Problems of the Asynchronous Drive Control with the Three-phase Soft-start System. Solid State Phenomena, Vol. 210 (2014) s. 245-251

[5] Ptak P., Prauzner T., Badanie czujników detekcji zagrożeń w systemach alarmowych, Przegląd Elektrotechniczny, Nr 10 2013, s. 274-276

[6] Prauzner T., Zakłócenia elektromagnetyczne w elektronicznych systemach alarmowych, Przegląd Elektrotechniczny, 2012 nr 12b, s. 205-208

[7] Ludwinek K., Pomiar wartości chwilowych prądu przy wykorzystaniu liniowych czujników Halla, Przegląd Elektrotechniczny, 2009 nr 10, s. 182-187

[8] Popovic R.S., Hall effect devices, IOP publ., 2004

[9] Olesiak K., Application of the Fuzzy Controller in the Speed Control System of an Induction Motor. Przegląd Elektrotechniczny, R.89 nr 12, 2013, s.336-339

[10] Jakubiec B., Model elektrycznego układu napędowego małego systemu mobilnego. Przegląd Elektrotechniczny, 12/2013, str. 173


181

DOKŁADNOŚĆ CZUJNIKÓW INDUKCYJNYCH W DEFEKTOSKOPII WARSTW OCHRONNYCH

URZĄDZEŃ ELEKTRYCZNYCH

Paweł Ptak, Lech Borowik Politechnika Częstochowska, Wydział Elektryczny

Powłoka to warstwa materiału, wytworzona naturalnie lub nałożona na powierzchnię przedmiotu, wykonanego z innego materiału, w celu uzyskania wymaganych własności technicznych lub dekoracyjnych. Powłoki nakładane w celach ochronnych czy ozdobnych powinny spełniać określone parametry dotyczące ich wyglądu, jakości, grubości, wytrzymałości itp. [1]. W trakcie eksploatacji powierzchnia zewnętrzna konstrukcji i elementów urządzeń elektroenergetycznych ulega zużyciu. Powodem tego jest najczęściej działanie czynników zewnętrznych – mechanicznych, cieplnych, chemicznych, elektrycznych czy elektrochemicznych. W warunkach rzeczywistych jest to wynikiem oddziaływania wielu czynników jednocześnie. Znalezienie dominującego oddziaływania pozwala zastosować odpowiednie zabezpieczenie [2]. Pomiary grubości warstw wierzchnich i powłok stosuje się w różnorodnych gałęziach przemysłu: w przemyśle samochodowym, spożywczym, elektrotechnicznym i elektronicznym, lotniczym, metalowym, komputerowym, telekomunikacyjnym i w przemyśle tworzyw sztucznych. Zastosowanie coraz doskonalszych zabezpieczeń antykorozyjnych znacząco nie zmniejsza ubytków spowodowanych korozją, które są najczęściej główną przyczyną uszkodzeń lub pogarszania parametrów eksploatacyjnych wielu konstrukcji, urządzeń i instalacji. Powłoka cynkowa jest jedną z najczęściej stosowanych w przemyśle powłok metalowych. Charakteryzuje się najlepszymi właściwościami w porównaniu do stalowych i żelaznych, zarówno jeśli chodzi o koszty jak i biorąc pod uwagę własności ochronne i grubość warstwy ochronnej. Jedną z najczęściej stosowanych metod jest metoda cynkowania ogniowego. W normie PN-EN ISO 1461:2000 określono wymagania, które powinna ona spełniać. Według normy ich grubość jest uzależniona od grubości i rodzaju materiału podłoża. Punktowa grubość warstwy tworzącej powłokę powinna wynosić nie mniej niż 35 m. Maksymalna zaś nie jest określona o ile nie wpływa to na zastosowanie przedmiotu pokrytego warstwą ochronną [3]. W tabeli 1 podano zgodnie z normą minimalne miejscowe i minimalne średnie grubości powłok uzależnionych od grubości zabezpieczanych elementów.


182

Tabela 1. Zależność grubości powłok cynkowych od grubości pokrywanych elementów według PN-EN ISO 1461:2000

Trwałość powłoki cynkowej uzależniona jest od warunków w jakich będzie eksploatowana oraz od jej grubości. Podstawowe badania przeprowadza się na podstawie oględzin oraz z zastosowaniem elektronicznego warstwomierza służącego do badania grubości powłok [4,5]. Do badania wykorzystano próbki, w których to na podłożu z blachy stalowej naniesiono warstwę cynku i następnie pokryto lakierem ochronnym. Pomiary wykonano za pomocą indukcyjnego czujnika transformatorowego a otrzymane wyniki porównano z danymi pomiarowymi otrzymanymi z dwóch grubościomierzy o znanej dokładności firmy Fisher [6]. Przetwornik taki zbudowany jest z dwóch uzwojeń nawiniętych na wspólnym rdzeniu ferromagnetycznym, stanowiąc transformator prądowy o otwartym obwodzie magnetycznym. Jest on wzbudzany zmiennym polem o częstotliwości od kilkuset do kilkunastu tysięcy Hz, wytwarzanym przez prąd płynący w uzwojeniu pierwotnym zasilanym z regulowanego i stabilizowanego generatora sinusoidalnego [7,8]. Obwód magnetyczny przetwornika stanowi badana powłoka i podłoże. Powłoka stanowi „szczelinę” w obwodzie magnetycznym. Na rysunku 1 przedstawiono wyniki pomiarów powłoki lakierniczej o zmiennej grubości naniesionej na podłoże stalowe pokryte warstwą cynku o stałej grubości.

6 8 10 12 14 16 18 20

6,2

6,4

6,6

6,8

7,0

7,2

U [V

]

f [kHz]

powłoka 100 m powłoka 150 m powłoka 200 m

Rys. 1. Wyniki pomiarów amplitudy sygnału pomiarowego o różnej częstotliwości dla zmiennej grubości warstw cynkowo-lakierniczych


183

Podsumowanie Na podstawie otrzymanych wyników badań można wyprowadzić następujące sformułowania:

badany przetwornik indukcyjny może być zastosowany do pomiarów warstw cynkowych o niewielkiej grubości w stosunku do grubości podłoża,

przedstawiona metoda może zostać wykorzystana do oceny zmian korozyjnych warstwy ochronnej za pomocą zmodyfikowanego czujnika indukcyjnego, metodą bezinwazyjną w powłokę.

Literatura [1] Lewińska-Romicka A., Pomiary grubości powłok. Biuro Gamma, Warszawa 2001 [2] G łowacka M., Inżynieria powierzchni. Powłoki i warstwy wierzchnie – wybrane zagadnienia.

Skrypt Politechniki Gdańskiej, Gdańsk 2007 [3] Ptak P., Borowik L., Diagnostyka zabezpieczeń antykorozyjnych na potrzeby

elektroenergetyki. Przegląd Elektrotechniczny, 2012 nr 9a, s. 142-145 [4] May P., Morton D., Zhou E., The design of a ferrite-cored probe. Sensors and Actuators,

A 136 s. 221-228. [5] Smetana M., Strapacova T., Detection capabilities evaluation of the advanced sensor types

in Eddy Current Testing. Przegląd Elektrotechniczny, 2013 nr 3a, s. 247-249 [6] Zloto, T., Ptak, P., Prauzner, T., Analysis of signals from inductive sensors by means of the

DasyLab software. Annales UMCS Informatica, 2012, s. 31-37 [7] Ptak P., Janiczek R., Przetworniki indukcyjnościowe w pomiarach grubości warstw

wierzchnich. Przegląd Elektrotechniczny, 2007 nr 1. 86- 90 [8] Ptak P., Prauzner T., Badanie czujników detekcji zagrożeń w systemach alarmowych. Przegląd

Elektrotechniczny, Nr 10 2013, s. 274-276


184

MODEL MATEMATYCZNY WALCARKI Z ELEMENTAMI SPRĘŻYSTYMI W LINII TRANSMISJI RUCHU O ROZŁOŻONYCH

PARAMETRACH MECHANICZNYCH

MATHEMATICAL MODEL OF A ROLLING MILL INCLUDING ELASTIC ELEMENTS IN A POWER TRANSMISSION LINE

WITH THE CONSIDERATION OF THE DISTRIBUTED MECHANICAL PARAMETERS

Andrzej Rusek, Andriy Czaban, Marek Lis, Marek Patro, Tomasz Śliwiński Politechnika Częstochowska, Wydział Elektryczny

W pracy poddano analizie procesy elektromechaniczne w walcarce w modelu z podatną transmisją ruchu o rozłożonych parametrach mechanicznych. Badany układ składa się z dwóch silników indukcyjnych dużej mocy, które napędzają przez długie linie wałów walce. Dla sformowania różniczkowych równań stanu wykorzystano interdyscyplinarną metodę, która wykorzystuje modyfikację zasady Hamiltona. Proces technologiczny walcowania stali jest bardzo skomplikowany. Ponieważ walcark jako główne elementy tego procesu mają ogromne wirujące masy oraz złożony układ transmisji ruchu w postaci długich wałów z wielkimi momentami bezwładności. Analiza dostępnej literatury wskazuje, że analiza długich elementów sprężystych jako równoważnych sprzęgieł elastycznych nie zawsze daje wyniki wystarczająco dokładne, zwłaszcza dla bardzo długich wałów. Takie podejście nie daje możliwości analizy ruchu fali sprężystej wzdłuż linii wałów, a przez to nie pozwala na dogłębną analizę elektromechanicznych stanów przejściowych w walcarce [3]. Dlatego w pracy zaproponowano model matematyczny walcarki, w którym podatne procesy oscylacyjne uwzględnia się jako długie elementy sprężyste o parametrach rozłożonych. Schematy kinetyczny oraz obliczeniowy układu elektromechanicznego przedstawiono na rys. 1, 2

Rys. 1 Schemat kinetyczny złożonej długiej linii układu napędowego w walcarce

Rys. 2. Schemat obliczeniowy złożonej długiej linii wałów napędu walcarki


185

Model matematyczny układu budujemy drogą formowania rozszerzonego funkcjonału dziania wg Hamiltona-Ostrogradskiego przez elementy niekonserwatywnego lagrangianu [1, 2]

(1) DPT~

L* , lllll DPTL

gdzie L* – zmodyfikowana funkcja Lagrange’a, L – gęstość liniowa zmodyfikowanej funkcji

Lagrange'a T~

– koenergia kinetyczna, P – energia potencjalna, – energia dyssypacji, D – energia sił zewnętrznych i z indeksem l – gęstości wspomnianych funkcji [1, 2]. Elementy lagrangianu niekonserwatywnego opisują zależności: [1, 2]

(2) 2222

2211

2211

2

1

3

1 0 0

NNiiii

n j

i i

nRjnRjnRjnSjnSjnSj

JJJJdiidiiT

~nSj nRj

, j=A,B,C

(3)

2222

2154

21243

2132

21221 NN,ii,ii,,

F

cccckP

(4)

2

1

3

0

22

2

1

n

t

nRjnRjnSjnSj diRiR1j

dk

tNN,ii,ii,,

F

0

2154

21243

2132

21221

2222

(5)

t

iFiFNEMEMn j

t

nSjnSj ddMdMdMdMdiuDiiN

0 0

1

00

2

0

11

2

1

3

1 0

11

(6) 222

222

tx

,x

GJP,

t

JT l

pl

pl ,

Następnie wyznaczono funkcjonał działania wg Hamiltona, obliczono jego wariację i przyrównano ja do zera. Obliczone ekstremale, a także równania powiązań stacjonarnych, przedstawiają ostatecznie model matematyczny układu elektromechanicznego [1, 2]

Wyniki symulacji komputerowej. Dla analizy stanów nieustalonych została się wykorzystana walcarka, której schemat kinematyczny przedstawiono na rys. 1. Silniki indukcyjne o mocy 6,3 MW napędzają walce robocze. Przypadki obliczeniowe różnią się obciążeniem walcarki: pierwszy (I) – 70% obciążenia, drugi (II) – 100% i trzeci (III) – 130% obciążenia.


186

Rys. 3. Czasowo-przestrzenny rozkład pola mechanicznego prędkości obrotowej w linii wałów na

drugim etapie symulacji (III) w zakresie czasowym 270150 ,;,t s

Rys. 4. Czasowo-przestrzenny rozkład pola mechanicznego momentu sprężystości w linii wałów

na drugim etapie symulacji (III) w zakresie czasowym 075974 ,;,t s

Wnioski Analiza porównawcza wyników symulacji komputerowych wskazuje, że brak uwzględnienia podatności złożonej transmisji ruchu walcarki prowadzi nie tylko do zmniejszenia dokładności badań, ale może doprowadzić do całkowicie nieprawidłowych wyników. Zwiększenie dokładności symulacji zostało osiągnięte drogą wykorzystania połączenia układów o parametrach skupionych i rozłożonych. Literatura [1] Chaban A.: Modelowanie matematyczne procesów oscylacyjnych systemów elektro-

mechanicznych, wydanie drugie, zmienione i uzupełnione – Lwów: W-wo T. Soroki 2008. [2] Lis M.: Modelowanie matematyczne procesów przejściowych w elektrycznych układach

napędowych o złożonej transmisji ruchu, Seria monografie, Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej, Częstochowa 2013.

[3] Rusek A.: Stany dynamiczne układów napędowych z silnikami indukcyjnymi specjalnego wykonania, Seria Monografie 228, Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej, Częstochowa 2012.


187

MEDYCYNA I TECHNIKA – WSPÓŁCZESNOŚĆ I PRZYSZŁOŚĆ

MEDICINE AND ENGINEERING – THE PRESENT AND THE FUTURE

Aleksander Sieroń

Katedra i Oddział Kliniczny Chorób Wewnętrznych, Angiologii i Medycyny Fizykalnej w Bytomiu

Śląskiego Uniwersytetu Medycznego w Katowicach

Obecnie dla inżynierów oraz dla lekarzy jest oczywiste, że nie ma rozwoju medycyny bez rozwoju techniki. Dotyczy to zarówno diagnostyki, jak i terapii schorzeń z zakresu różnych dyscyplin klinicznych. W diagnostyce przykładem zastosowania nowoczesnej techniki jest m.in. nagrodzona Nagrodą Nobla tomografia komputerowa (CT) we wszystkich możliwych odmianach, począwszy od klasycznej prezentacji obrazu tkanek ciała pacjenta, a skończywszy na obrazowaniu w przestrzeni 3D umożliwiającej wniknięcie do światła naczyń krwionośnych oraz struktur przewodu pokarmowego, takich jak jelito grube. Kolejnym przykładem postępu w obrazowaniu chorobowo zmienionych tkanek jest wprowadzenie do diagnostyki klinicznej magnetycznego rezonansu jądrowego (MRI) oraz tomografii emisji pozytronowej (PET). Współczesna technika umożliwia także rozwój metod diagnostycznych znanych już relatywnie długo, takich jak ultrasonografia (USG), m.in. poprzez wprowadzenie techniki tomografii usg oraz badań z wykorzystaniem kontrastu. Skupienie się współczesnej diagnostyki medycznej na wczesnym rozpoznawaniu zmian chorobowych pod postacią zmian przednowotworowych i wczesnych postaci raka zaowocowało rozwojem m.in. diagnostyki fluorescencyjnej i fotodynamicznej, charakteryzującej się bardzo dużą czułością i specyficznością w tych przypadkach. Systematyczny postęp w dziedzinie technologii umożliwia również rozwój metod terapeutycznych stosowanych we współczesnej medycynie. Dotyczy to m.in. zastosowania nanocząsteczek umożliwiających dedykowane podawanie leków, w tym także przeciwnowotworowych, do poszczególnych tkanek, wykorzystania nanoprowadników dla fotouczulaczy stosowanych w terapii fotodynamicznej, a także wprowadzenia robotyki do medycyny zabiegowej. Spektakularnym przykładem wykorzystania nowoczesnej technologii do celów terapeutycznych jest także gamma-knife, w którym realizowane jest skupienie promieniowania jonizującego na niewielkim obszarze tkankowym z bardzo dużą precyzją.


188

Truizmem zatem jest fakt, że współczesna medycyna i technika wykazują znaczący rozwój, jednak dla wielu osób nie jest rzeczą oczywistą zrozumienie, że do najbardziej obiecujących działań kwalifikujących się do finansowania należą krajowe i międzynarodowe granty badawcze mające na celu rozwijanie współcześnie wykorzystywanych przez medycynę metod diagnostycznych i terapeutycznych, a w przyszłości, zgodnie z najnowszymi trendami, także metod i technologii mających zastosowanie w prewencji i rehabilitacji. Celem prezentacji jest przedstawienie wybranych przykładów wykorzystania zdobyczy nowoczesnej techniki i technologii we współczesnej i przyszłej medycynie.


189

WPŁYW POLA ELEKTROMAGNETYCZNEGO WYSOKIEJ CZĘSTOTLIWOŚCI

GENEROWANEGO PRZEZ TELEFON KOMÓRKOWY NA RÓWNOWAGĘ PROOKSYDACYJNO-

-ANTYOKSYDACYJNĄ W SERCU SZCZURÓW

INFLUENCE OF HIGH FREQUENCY ELECTROMAGNETIC FIELD GENERATED BY MOBILE PHONE

ON PROOXIDANT/ANTIOXIDANT BALANCE IN HEART OF RATS

Karolina Sieroń-Stołtny 1 , Grzegorz Cieślar 2, Paweł Sowa 3, Aleksander Sieroń 2 1 Zakład Medycyny Fizykalnej Katedry Fizjoterapii Wydziału Nauk o Zdrowiu Śląskiego

Uniwersytetu Medycznego w Katowicach 2 Katedra i Oddział Kliniczny Chorób Wewnętrznych, Angiologii i Medycyny Fizykalnej

w Bytomiu Śląskiego Uniwersytetu Medycznego w Katowicach 3 Instytut Elektroenergetyki i Sterowania Układów Politechniki Śląskiej w Gliwicach

Jak wynika z dotychczasowych badań eksperymentalnych pola elektromagnetyczne w zależności od ich parametrów fizycznych mogą w różny sposób wpływać na przebieg procesów wolnorodnikowych w organizmach żywych. Celem badania jest ocena wpływu pola elektromagnetycznego generowanego przez systemy telefonii komórkowej działające w zakresie częstotliwości 900 MHz na równowagę prooksydacyjno-antyoksydacyjną w sercu samców szczurów, w oparciu o oznaczenie stężenia markerów procesu peroksydacji lipidów błonowych i stresu oksydacyjnego oraz aktywności wybranych enzymów antyoksydacyjnych w homogenatach tkankowych tego narządu. Materiał badawczy stanowiło 20 samców szczurów rasy Wistar, w wieku 10 tygodni o masie ciała około 180 g przed rozpoczęciem eksperymentu. W trakcie całego eksperymentu zwierzęta przebywały w optymalnych warunkach środowiskowych o stałej temperaturze 21ºC i stałej wilgotności powietrza (60%), z zachowaniem 24 godzinnego cyklu dobowego (12-godzinna faza dzienna w sztucznym oświetleniu i 12-godzinna faza ciemności). Szczury przebywały w typowych klatkach plastikowych, nie ograniczających możliwości swobodnego poruszania się, po 10 zwierząt w klatce, otrzymywały standardową karmę dla gryzoni Labofed-B oraz miały stały dostęp do wody pitnej. Zwierzęta zostały podzielone losowo na 2 równoliczne grupy. Grupę eksperymentalną stanowiło 10 szczurów poddawanych cyklowi codziennych ekspozycji na oddziaływanie pola elektromagnetycznego o parametrach fizycznych generowanych przez systemy telefonii komórkowej działające w zakresie częstotliwości 900 MHz. Czas ekspozycji wynosił 8 godzin dziennie, w dwóch cyklach 4-godzinnych (900 - 1300 i 1400 – 1800), z godzinną przerwą pomiędzy godziną 1300 i 1400. W trakcie ekspozycji co ½ godziny włączany był telefon komórkowy Nokia 5100 umieszczony bezpośrednio pod klatką, w której przebywały zwierzęta,


190

który przez 15 s emitował promieniowanie elektromagnetyczne o częstotliwości 900 Hz. Łączna liczba inicjowanych połączeń wynosiła 16/dobę, a łączny czas trwania tych połączeń wynosił 4 minuty/dobę. Średnia gęstość mocy pola elektromagnetycznego rejestrowana w czasie nawiązywania połączenia E1 wynosiła 85,3 µW/m2, natomiast średnia gęstość mocy pola elektromagnetycznego rejestrowana w czasie nawiązanego połączenia E2 wynosiła 17,0 µW/m2. Grupę kontrolną (K) stanowiło 10 szczurów poddawanych cyklowi codziennych ekspozycji pozorowanych, w trakcie których w układzie ekspozycyjnym nie było generowane pole elektromagnetyczne. Czas ekspozycji pozorowanej wynosił również 8 godzin dziennie, w dwóch cyklach 4-godzinnych (900 - 1300 i 1400 – 1800). Po zakończeniu cyklu 28 codziennych ekspozycji w polu elektromagnetycznym lub ekspozycji pozorowanych, zwierzęta były usypiane przy użyciu mieszaniny zawierającej ksylazynę (10mg/kg dootrzewnowo) z ketaminą (100mg/kg ip). Po wprowadzeniu do głębokiej narkozy szczurom otwierano klatkę piersiową przez nacięcie żeber, a następnie nakłuwano koniuszek lewej komory serca i pobierano krew, doprowadzając do całkowitego skrwawienia zwierząt. Następnie zwierzęta poddawano sekcji, w trakcie której pobierano fragmenty serca. Uzyskane w ten sposób próbki poddawano typowej homogenizacji. W homogenatach oznaczano za pomocą rutynowych metod spektrofotometrycznych i kinetycznych zawartość markera procesu peroksydacji lipidów błonowych: dialdehydu malonowego (MDA) i markera stresu oksydacyjnego: całkowitej zdolności oksydacyjnej (TOC), a także aktywności wybranych enzymów antyoksydacyjnych: dysmutazy ponadtlenkowej (SOD) (EC 1.15.1.1) i jej izoenzymów - manganozależnego (MnSOD) i miedzio-cynkowozależnego (Cu,ZnSOD), katalazy (CAT) (EC 1.11.1.6), peroksydazy glutationowej (POX) (EC 1.11.1.9.), reduktazy glutationowej (GR) (EC 1.6.4.2) i S-transferazy glutationowej (GST) (EC 3.1.2.7.). Uzyskane wyniki poddano analizie statystycznej przy użyciu testu ANOVA Kruskala-Wallisa oraz testu U Manna-Whitney’a. W homogenatach serca szczurów poddanych ekspozycji w polu elektromagnetycznym obserwowano znamienny spadek zawartości MDA oraz aktywności SOD, Cu,ZnSOD, MnSOD, CAT, GR i GST, w porównaniu do grupy kontrolnej poddanej ekspozycji pozorowanej. Nie stwierdzono natomiast znamiennych różnic zawartości TOC i aktywności POX pomiędzy obu grupami zwierząt (tabele 1 i 2). Tabela 1. Zawartość MDA i TOC w homogenatach serca w grupie szczurów eksponowanych w polu

elektromagnetycznych oraz w grupie kontrolnej, wraz z oceną statystyczną.

Parametr Grupa

eksponowana Grupa

kontrolna Znamienność statystyczna

Średnia ± SD Średnia ± SD MDA [μmol/g białka] 2,82 ± 0,53 4,58 ± 0,97 p<0,001

TOC [μmol/g białka] 1,37 ± 0,31 1,60 ± 0,36 p=0,110


191

Tabela 2. Aktywność enzymów antyoksydacyjnych: SOD, CuZn-SOD, Mn-SOD, CAT, POX, GR i GST w homogenatach serca w grupie szczurów eksponowanych w polu elektromagnetycznych oraz

w grupie kontrolnej, wraz z oceną statystyczną

Parametr Grupa

eksponowana Grupa


Średnia ± SD Średnia ± SD SOD [NU/mg białka] 43,36 ± 3,74 65,26 ± 7,56 p=0,002

CuZnSOD [NU/mg białka] 4,49 ± 1,04 9,15 ± 1,77 p<0,001

MnSOD [NU/mg białka] 38,87 ± 3,82 56,11 ± 7,13 p=0,004 CAT [kIU/g białka] 39,60 ± 6,17 62,46 ± 12,39 p<0,001

POX [IU/g białka] 1,27 ± 0,14 1,15 ± 0,20 p=0,077

GR [IU/g białka] 13,67 ± 0,53 19,82 ± 1,98 p=0,002

GST [IU/g białka] 0,14 ± 0,06 0,30 ± 0,91 p=0,002 Na podstawie uzyskanych wyników wykazano, że 4-tygodniowa ekspozycja szczurów na oddziaływanie pola elektromagnetycznego o parametrach fizycznych generowanych przez telefon komórkowy pracujący w zakresie częstotliwości 900 MHz, powoduje nieznaczne zahamowanie aktywności procesów oksydacyjnych w tkankach serca z towarzyszącym adaptacyjnym spadkiem aktywności większości badanych enzymów antyoksydacyjnych (prawdopodobnie w wyniku nadmiernego zużycia), co umożliwia zachowanie równowagi prooksydacyjno-antyoksydacyjnej.


192

WPŁYW POLA ELEKTROMAGNETYCZNEGO GENEROWANEGO PRZEZ LINIE WYSOKIEGO

NAPIĘCIA PRĄDU ZMIENNEGO NA RÓWNOWAGĘ PROOKSYDACYJNO-ANTYOKSYDACYJNĄ

W SERCU SZCZURÓW

INFLUENCE OF HIGH FREQUENCY ELECTROMAGNETIC FIELD GENERATED BY HIGH VOLTAGE ALTERNATING

CURRENT TRANSMISSION LINES ON PROOXIDANT/ANTIOXIDANT BALANCE

IN HEART OF RATS

Karolina Sieroń-Stołtny1 , Grzegorz Cieślar 2, Paweł Sowa 3, Aleksander Sieroń 2 1 Zakład Medycyny Fizykalnej Katedry Fizjoterapii Wydziału Nauk o Zdrowiu Śląskiego

Uniwersytetu Medycznego w Katowicach 2 Katedra i Oddział Kliniczny Chorób Wewnętrznych, Angiologii i Medycyny Fizykalnej

w Bytomiu Śląskiego Uniwersytetu Medycznego w Katowicach 3 Instytut Elektroenergetyki i Sterowania Układów Politechniki Śląskiej w Gliwicach

Z dotychczasowych badań eksperymentalnych wynika, że pola elektromagnetyczne w o różnych parametrach fizycznych mogą w odmienny sposób wpływać na powstawanie zaburzeń równowagi procesów oksydacyjnych i antyoksydacyjnych, która jest niezbędna dla prawidłowego funkcjonowania poszczególnych narządów i układów w organizmach żywych. Celem badania jest ocena wpływu pola elektromagnetycznego o częstotliwości sieciowej (50 Hz), generowanego przez linie przesyłowe wysokiego napięcia prądu zmiennego, na równowagę prooksydacyjno-antyoksydacyjną w sercu samców szczurów, w oparciu o oznaczenie stężenia markerów procesu peroksydacji lipidów błonowych i stresu oksydacyjnego oraz aktywności wybranych enzymów antyoksydacyjnych w homogenatach tkankowych tego narządu.. Materiał badawczy stanowiło 20 samców szczurów rasy Wistar, w wieku 10 tygodni o masie ciała około 180 g przed rozpoczęciem eksperymentu. W trakcie całego eksperymentu zwierzęta przebywały w optymalnych warunkach środowiskowych o stałej temperaturze 21ºC i stałej wilgotności powietrza (60%), z zachowaniem 24 godzinnego cyklu dobowego (12-godzinna faza dzienna w sztucznym oświetleniu i 12-godzinna faza ciemności). Szczury przebywały w typowych klatkach plastikowych, nie ograniczających możliwości swobodnego poruszania się, po 10 zwierząt w klatce, otrzymywały standardową karmę dla gryzoni Labofed-B oraz miały stały dostęp do wody pitnej. Zwierzęta zostały podzielone losowo na 2 równoliczne grupy. Grupę eksperymentalną stanowiło 10 szczurów poddawanych cyklowi codziennych ekspozycji na oddziaływanie pola elektromagnetycznego o parametrach fizycznych występujących w otoczeniu linii


193

przesyłowych wysokiego napięcia prądu zmiennego: częstotliwość 50 Hz i natężenie 10 kV/m. Czas ekspozycji wynosił 22 godziny dziennie (z dwugodzinną przerwą pomiędzy 800 a 1000). W trakcie ekspozycji w polu elektromagnetycznym szczury przebywały w metalowych klatkach umieszczonych pomiędzy 2 okrągłymi elektrodami ustawionymi w odległości 0,5 m od siebie. Do elektrody wysokonapięciowej (tzw. wysoki potencjał) przyłożone było napięcie przemienne o wartości 5 kV (źródłem napięcia był wysokonapięciowy transformator probierczy), a klatka ustawiona była na elektrodzie uziemionej (niski potencjał). Grupę kontrolną (K) stanowiło 10 szczurów poddawanych cyklowi codziennych pozorowanych ekspozycji w polu elektromagnetycznym, w trakcie których w układzie ekspozycyjnym nie było generowane pole elektromagnetyczne. Czas ekspozycji pozorowanej wynosił również 22 godziny dziennie (z dwugodzinną przerwą pomiędzy 800 a 1000). Po zakończeniu cyklu 28 codziennych ekspozycji w polu elektromagnetycznym lub ekspozycji pozorowanych, zwierzęta były usypiane przy użyciu mieszaniny zawierającej ksylazynę (10mg/kg dootrzewnowo) z ketaminą (100mg/kg ip). Po wprowadzeniu do głębokiej narkozy szczurom otwierano klatkę piersiową przez nacięcie żeber, a następnie nakłuwano koniuszek lewej komory serca i pobierano krew, doprowadzając do całkowitego skrwawienia zwierząt. Następnie zwierzęta poddawano sekcji, w trakcie której pobierano fragmenty serca. Uzyskane w ten sposób próbki poddawano typowej homogenizacji. W homogenatach oznaczano za pomocą rutynowych metod spektrofotometrycznych i kinetycznych zawartość markera procesu peroksydacji lipidów błonowych: dialdehydu malonowego (MDA) i markera stresu oksydacyjnego: całkowitej zdolności oksydacyjnej (TOC), a także aktywności wybranych enzymów antyoksydacyjnych: dysmutazy ponadtlenkowej (SOD) (EC 1.15.1.1) i jej izoenzymów - manganozależnego (MnSOD) i miedzio-cynkowozależnego (Cu,ZnSOD), katalazy (CAT) (EC 1.11.1.6), peroksydazy glutationowej (POX) (EC 1.11.1.9.), reduktazy glutationowej (GR) (EC 1.6.4.2) i S-transferazy glutationowej (GST) (EC 3.1.2.7.). Uzyskane wyniki poddano analizie statystycznej przy użyciu testu ANOVA Kruskala-Wallisa oraz testu U Manna-Whitney’a. W homogenatach serca szczurów poddanych ekspozycji w polu elektromagnetycznym obserwowano znamienny spadek zawartości TOC oraz aktywności Cu,ZnSOD i GST, a także znamienny wzrost aktywności POX w porównaniu do grupy kontrolnej poddanej ekspozycji pozorowanej. Nie stwierdzono natomiast znamiennych różnic zawartości MDA oraz aktywności SOD, MnSOD, CAT i GR pomiędzy obu grupami zwierząt (tabele 1 i 2). Tabela 1. Zawartość MDA i TOC w homogenatach serca w grupie szczurów eksponowanych w polu elektromagnetycznych oraz w grupie kontrolnej, wraz z oceną statystyczną

Parametr Grupa

eksponowana Grupa


Średnia ± SD Średnia ± SD MDA [μmol/g białka] 4,42 ± 0,49 4,58 ± 0,97 p=0,592

TOC [μmol/g białka] 0,74 ± 0,26 1,60 ± 0,36 p<0,001


194

Tabela 2. Aktywność enzymów antyoksydacyjnych: SOD, CuZn-SOD, Mn-SOD, CAT, POX, GR i GST w homogenatach serca w grupie szczurów eksponowanych w polu elektromagnetycznych oraz w grupie kontrolnej, wraz z oceną statystyczną

Parametr Grupa

eksponowana Grupa


Średnia ± SD Średnia ± SD SOD [NU/mg białka] 66,79 ± 3,66 65,26 ± 7,56 p=1,000

CuZnSOD [NU/mg białka] 5,55 ± 1,41 9,15 ± 1,77 p<0,001

MnSOD [NU/mg białka] 61,24 ± 3,87 56,11 ± 7,13 p=1,000

CAT [kIU/g białka] 57,10 ± 7,99 62,46 ± 12,39 p=0,176

POX [IU/g białka] 1,61 ± 0,10 1,15 ± 0,20 p<0,001

GR [IU/g białka] 17,33 ± 1,41 19,82 ± 1,98 p=0,876

GST [IU/g białka] 0,12 ± 0,09 0,30 ± 0,91 p<0,001 Na podstawie uzyskanych wyników wykazano, że 4-tygodniowa ekspozycja szczurów na oddziaływanie pola elektromagnetycznego o parametrach fizycznych generowanych przez linie przesyłowe wysokiego napięcia prądu zmiennego, powoduje nieznaczne zahamowanie aktywności procesów oksydacyjnych w tkankach serca z towarzyszącym adaptacyjnym spadkiem aktywności części badanych enzymów antyoksydacyjnych (prawdopodobnie w wyniku nadmiernego zużycia), co umożliwia zachowanie równowagi prooksydacyjno-antyoksydacyjnej.


195

WYKORZYSTANIE DANYCH GEOPRZESTRZENNYCH W KOMPUTEROWEJ ANALIZIE NARAŻENIA PRACOWNIKÓW

NA POLE ELEKTROMAGNETYCZNE

Jaromir Sobiech, Jarosław Kieliszek, Robert Puta, Wanda Stankiewicz Wojskowy Instytut Higieny i Epidemiologii, Warszawa

Szybki wzrost mocy obliczeniowej komputerów umożliwił wykorzystanie metod numerycznych do obliczania wartości natężenia pola elektrycznego i magnetycznego dla potrzeb oceny ekspozycji zawodowej. Odwzorowanie otoczenia pracownika w środowisku obliczeniowym odbywa się przez importowanie modeli CAD urządzeń, mebli oraz infrastruktury technicznej. W przypadku, gdy pracownik wykonuje swoje obowiązki w terenie otwartym, w modelu numerycznym stanowiska pracownika należy uwzględnić położenie źródeł pola elektromagnetycznego, ukształtowanie terenu, szatę roślinną oraz infrastrukturę budowlaną. Powyższe informacje zdobywa się w oparciu o pomiary terenowe, mapy i plany topograficzne oraz cyfrowe dane geoprzestrzenne. Do tego celu można np. wykorzystać oprogramowanie [1, 2] w którym wykorzystuje się bibliotekę GDAL (Geospatial Data Abstraction Library) lub dowolne oprogramowanie wspierające funkcje modelowania przestrzennego terenu. Przykład modelu terenu opracowany w takim środowisku ilustruje rysunek 1. Model ten przedstawia teren o wymiarach 500 x 500 m. Rysunek 1. Cyfrowy model terenu wykonany przy pomocy oprogramowania AcroporaTM [3] Tak przygotowany model terenu łatwo jest zaimportować do środowiska umożliwiającego obliczanie pola elektromagnetycznego wytwarzanego przez cyfrowe modele źródeł. Na potrzeby niniejszej pracy wykorzystano środowisko oparte na metodzie FDTD. Model terenu z rysunku 1 zaimportowany do środowiska FDTD ilustruje rysunek 2. W tym wypadku model terenu przeniesiono w postaci jednej bryły 3D. Wykorzystane środowisko umożliwia również zapisanie modelu w postaci zbioru wokseli (sześciennych elementów przestrzeni), dzięki czemu każdemu z nich można przypisać indywidualne parametry elektryczne i w ten sposób zróżnicować właściwości elektryczne terenu.


196

Rysunek 2. Cyfrowy model terenu przeniesiony do środowiska FDTD Przenikalność i przewodność elektryczna ziemi silnie zależy od jej składu oraz od wilgotności. Typowe wartości przenikalności względnej mieszczą się w przedziale 5 – 100, a przewodności od 10−4 − 1 S/m [4]. Na bieżącym etapie analizy testujemy możliwości wykorzystania w środowisku FDTD, z uwagi na posiadaną moc obliczeniową, danych geoprzestrzennych o różnym stopniu uszczegółowienia. Dla tego celu na środku terenu na wysokości 10 m nad ziemią umieszczono antenę dipolową 2x40m (polaryzacja H, 500 W, 8 MHz). Wyznaczono rozkład przestrzenny natężenia pola elektrycznego i magnetycznego nad powierzchnią ziemi. Przykładowe wyniki tych obliczeń ilustruje rysunek 3. Przedstawiono na nim rozkład płaski wartości skutecznej pola elektrycznego w przekroju równoległym do osi anteny odległym od niej o 200 m. Rysunek 3. Przykład obliczeń pola elektrycznego nad cyfrowym modelem terenu Zaprezentowana analiza pozwala na uzyskanie szczegółowych informacji o propagacji fal radiowych nad rzeczywistym terenem, a przez to wyznaczenie zasięgu stref ochronnych w środowisku pracy w otoczeniu urządzeń wytwarzających promieniowanie elektromagnetyczne. Oprócz tego może być ona wykorzystana do wyznaczenia zasięgu łączności radiowej lub do wyznaczenia miejsc w otoczeniu instalacji radiowych, w których należy wykonać pomiary pola elektromagnetycznego w rozumieniu przepisów ochrony środowiska. Literatura 1 Virtual Terrain Project, http://vterrain.org/ 2 Geographic Resources Analysis Support System, GRASS GIS, http://grass.osgeo.org/ 3 Voxelogic AcroporaTM, http://www.voxelogic.com/ 4 Balanis C. A. Antenna Theory Analysis and Design, John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New

Jersey, 2005


197

KSZTAŁT POWIERZCHNI NABIEGUNNIKA WIRNIKA HYBRYDOWEGO SILNIKA KROKOWEGO

Z MAGNESAMI STAŁYMI JAKO ELEMENT KSZTAŁTUJĄCY MOMENT OBROTOWY

ORAZ HAMUJĄCY

Krzysztof Szewczyk

Politechnika Częstochowska, Wydział Elektryczny

Wstęp Obliczenia z użyciem metody tensorów siły Maxwella pozwala na szybką ocenę nowych konstrukcji silników. Moc obliczeniowa komputerów pozwala na zwiększanie precyzji oraz szybkości obliczeń. To z kolei pozwala na tworzenie animacji ułatwiających obserwację zachowania nowo projektowanych urządzeń. Założenia do metody idealnie pasują do symulacji wszelkiego rodzaju konstrukcji elektromagnetycznych , w tym silników. W sposób naturalny spełniony jest warunek aby różnica przenikalności magnetycznej pomiędzy otoczeniem a samym urządzeniem w którym obserwowany jest strumień magnetyczny ( w przypadku silników jest to blacha elektrotechniczna czyli żelazo oraz powietrze czy próżnia, jako otoczenie ) była jak największa. Zwykle proporcja powinna być większa jak 1 do 1000. Szczególną uwagę należy zwrócić na granicach pomiędzy obszarami o skrajnie różnej przenikalności, w przypadku silników krytycznym obszarem jest zazwyczaj szczelina powietrzna. Autorzy próbują znaleźć konstrukcję silnika z magnesami stałymi który w naturalny sposób mógł by wykorzystać siły zaczepowe magnesów stałych do procesów blokowania ruchu bez konieczności wykorzystania energii elektrycznej. Zjawisko mogło by być przydatne przy blokowaniu obrotu silnika po jego całkowitym zatrzymaniu i wyłączeniu sterowania. Przy stałym strumieniu magnetycznym generowanym przez magnes stały dokonano próby zagęszczenia strumienia magnetycznego poprzez specjalnie ukształtowany obwód magnetyczny.

Rys.1. Zasada koncentracji strumienia magnetycznego pochodzącego z magnesu stałego M.

(Principle of magnetic concentrators operation.) Na rys. 1 przedstawiono ideę koncentratora. W obwodzie magnetycznym magnes stały M umieszczony jest w obwodzie magnetycznym. Można zaobserwować zagęszczenie strumienia po przejściu przez koncentrator K. Jeżeli materiał użyty do budowy koncentratora będzie posiadał większą przewodność magnetyczną może to dać zwiększenie sił oddziałujących w konstruowanym


198

silniku. We wcześniejszych publikacjach [ 6,7 ] pokazano wpływ koncentratora magnetycznego na generowany moment zaczepowy, a tym samym jego wpływ na siły hamowania obrotu wirnika.

Rys. 2 Silnik elektryczny brany pod uwagę do obliczeń momentu obrotowego w [6].

Głównym celem autorów jest dalsze zagęszczenie strumienia. Pozwoli to na zwiększenie sił i momentów w tak działającym silniku. Dotychczas zagęszczano strumień poprzez zwężenie powierzchni przekroju nabiegunnika przy jednoczesnym użyciu materiałów o większej przenikalności magnetycznej. W konstrukcji opisanej w niniejszym artykule wykorzystano definicję indukcji ;

sB

(1)

Jeżeli zmieni się powierzchnię nabiegunnika jak na rys.3 strumień popłynie poprzez zmniejszoną powierzchnię, poprzez ząbki nabiegunnika. Przy stałym strumieniu magnesu stałego zwiększy się indukcja w szczelinie silnika.

Rys. 3 Silnik elektryczny ze zmienioną powierzchnią nabiegunnika. Przy zwiększonej koncentracji strumienia będzie można oczekiwać lokalnego zwiększenia sił i momentów w silniku.


199

Dla możliwości porównania oddziaływania modelu z zagęszczonym poprzez ząbki autorzy dokonają symulacji działania silnika z gładką powierzchnią nabiegunników. Tego rodzaju model przedstawiono na rys. 4.

Rys. 4 Silnik elektryczny gładką powierzchnią nabiegunnika. Autorzy porównają działanie obu maszyn oraz opłacalność tego rodzaju postępowania zarówno ze względu na moment elektromagnetyczny jak i zaczepowy. Ze względu na zmieniający się przekrój szczeliny ( ząbkowany nabiegunnik ) w tego rodzaju silniku należy również zwrócić uwagę na dokładności wyliczeń w obszarze szczeliny. Nierównomierność szczeliny oraz zbyt mała dokładność wyliczeń może być przyczyną błędów przy ocenie przyczynków sił oraz momentów, a także do redukcji głośnej pracy silnika [8,7,10], oraz poszukiwania jego źródeł [9]. Do porównania użyto modelu hybrydowego silnika krokowego z wewnętrznym magnesem stałym.

Metoda obliczeń Na rys. 3 i 4 przedstawiono przykładowy obiekt symulacji która polega na wyliczeniu sił działających w szczelinie powietrznej, wyliczeniu sumarycznej siły zastępczej oraz mnożeniu przez długość promienia na którym siła występuje.

dLrFTL * ( 2 )

Symulację komputerową przeprowadzono w oparciu o Metodę Tensorów dla równania Maxwella [1,2,4,5]. Składowa normalna tej siły działając na promieniu r wytwarza moment elektromagnetyczny.

dCnBnBBFC

.2

1).(

1 2

00 ( 3)

Wielkości i wartości występujące we wzorach (2) i (3) oznaczają : B- chwilowe wartości obwodowego rozkładu indukcji w szczelinie B [ T ], n – jednostkowy wektor składowej normalnej prostopadłej do powierzchni wirnika, μ0 – przenikalność magnetyczna próżni μ0 = 4π . 107 [H/m].


200

Wielkość momentu wyliczana jest ze wzoru (2) przy uwzględnieniu promienia badanego wirnika oraz składowej siły działającej na powierzchnię wirnika prostopadłej do jego promienia gdzie siła F wyliczana jest na podstawie (3). Siły ( lub momenty ) składowe całkuje się w obszarze zamkniętym wokół wirnika. Ze względu na długi proces wyliczeń i ograniczoną moc komputerów wyniki zostaną przedstawione na konferencji. Literatura 1. Maxwell 15.0 application User’s Guide

2. Ansys 14.0 application User’s Guide

3. WorkBench 14 application User’s Guide

4. FEMM application User’s Guide

5. Flux 10 2D/3D applications, User’s Guide

6. Szewczyk K., Kościelniak A., Kot R. Magnetic circuits for a Hybrid Stepper Motor with Cogging Torque Reduction, Przegląd Elektrotechniczny R88 nr 5a 2012 s.44.46

7. Krzysztof Szewczyk1 , Rafał Golisz2 ,Tomasz Walasek3, Zygmunt Kucharczyk4 , The influence of an air gap around the permanent magnets with the flux concentrator in Permanent Magnet Synchronous Motor with Internal Magnetic Circuits. Przegląd elektrotechniczny

8. Wang Zai-zhou Zhang Cheng-ning Song Qiang Fan Jin-xin Zhang Chun-xiang; Research on noise source identification of traction motor system for electric buses based on sound intensity, Sch. of Mech. & Vehicular Eng., Beijing Inst. of Technol., Beijing , Vehicle Power and Propulsion Conference, 2008. VPPC '08. IEEE

9. Leleu, E.; Espanet, C.; Miraoui, A.; Siala, S.; Reduction of vibrations in an induction machine supplied by high power PWM inverter Power Electronics and Applications, 2005 European Conference , Publication Year: 2005 , Page(s): 8 pp. - P.8

10. Kasper, K.A.; Fiedler, J.O.; Schmitz, D.; De Doncker, R.W.; Noise Reduction Control Strategies for Switched Reluctance Drives ,Vehicle Power and Propulsion Conference, 2006. VPPC '06. IEEE , Publication Year: 2006 , Page(s): 1 - 6


201

WYKORZYSTANIE GENERATORÓW WIATROWYCH W WYROBISKACH PODZIEMNYCH

Rafał Trocki

[email protected]

Obserwacja sposobu funkcjonowania polskich zakładów górniczych oraz zjawisk zachodzących w ich podziemnej części doprowadziły do postawienia pytania, czy jest możliwe wykorzystanie odnawialnych źródeł, a zwłaszcza generatorów wiatrowych jako dodatkowych źródeł energii elektrycznej? Odpowiedź pozytywną próbuje się cały czas potwierdzać kolejnymi badaniami, modelami oraz projektami. Warto na początku (i od tego rozpoczęto proces odpowiedzi) dokładnie zcharakteryzować to, co dzieje się w podziemnych wyrobiskach górniczych, czy też ogólniej wyrobiskach podziemnych. Pomimo bowiem występowania podobnych warunków w innych typach tuneli drążonych i eksploatowanych przez człowieka, uwaga zostanie skupiona na wyrobiskach górniczych z racji dużej energochłonności towarzyszącej ich powstawaniu oraz funkcjonowania całego zakładu. W podziemiach dochodzi do nieustannego, wymuszonego i częściowo naturalnego, przepływu powietrza. Przepływu dotychczas niewykorzystywanego poza funkcjami wentylacyjnymi. Jest to przepływ cechujący się stałością przepływu. Dane dotyczące parametrów w przykładowych wyrobiskach przedstawiają poniższe tabele (Tab.1. dotyczy KWK „Budryk”, Tab.2. dotyczy KWK „Chwałowice”). Są one wynikiem przeprowadzonych badań i pomiarów wykonanych w tych zakładach. Miały one na celu ocenę własności przepływu powietrza w wyrobiskach podziemnych. Tab.1. Chodnik B-7 wentylacyjny + pochylnia wentylacyjna południowa A

Tab.2. Pochylnia transportowa nad zbiornik urobku

Data Pomiaru

25.10.2012

08.11.2012

22.11.2012

06.12.2012

20.12.2012

03.01.2013

17.01.2013

31.01.2013

14.02.2013

28.02.2013

14.03.2013

28.03.2013

11.04.2013

Prędkość [m/s]

2,82 2,76 2,7 2,78 2,8 2,78 2,8 2,65 2,75 2,76 2,8 2,75 2,6

Chodnik B-7 wentylacyjny + pochylnia wenylacyjna południowa A Ilość powietrza [m3/min] Prędkość powietrza [m/s]

2011 KWIECIEŃ 3400 4,12011 MAJ 3100 3,92011 CZERWIEC 3300 4,12011 LIPIEC 3200 3,92011 SIERPIEŃ 3200 3,92011 WRZESIEŃ 3100 3,92011 PAŹDZIERNIK 3100 3,92011 LISTOPAD 3100 3,92011 GRUDZIEŃ 3100 3,92012 STYCZEŃ 3100 3,9


202

Powyższe tabele potwierdzają empirycznie zaobserwowaną stałą prędkość powietrza oraz jego ilość dla danego korytarza podziemnego. Wartości te może jedynie zakłócić zmiana sposobu przewietrzania kopalni spowodowana likwidacją wyrobisk eksploatacyjnych oraz oddawaniem do użytku nowych przekopów technologicznych. Jest to jednak proces całkowicie kontrolowany i planowany, a co za tym idzie pozwala na planowanie i rekonfigurację ewentualnie zabudowanych generatorów wiatrowych. Duże ilości przepływającego powietrza niosą ze sobą adekwatną ilość energii. Pomimo, iż prędkości nie są zbyt duże, to poprzez zastosowanie generatora odpowiedniej konstrukcji oraz opcjonalnie współpracującemu konfuzorowi można uzyskać większe prędkości na łopatach generatora oraz wystarczającą ilość energii do zasilania, np. oświetlenia lub systemów łączności. W leju wlotowym (konfuzorze) do komory wlotowej wirnika promieniowego następuje najczęściej przyspieszanie gazu. Sprawność zmiany ciśnienia statycznego na energię kinetyczną w leju wlotowym określa się jako stosunek przyrostu energii kinetycznej do spadku ciśnienia statycznego. [3] Rozwój energetyki odnawialnej przynosi wiele korzyści zarówno społecznych, gospodarczych jak i ekologicznych. Źródła energii odnawialnej nie mają obecnie większego znaczenia dla bezpieczeństwa energetycznego i ludzkiego. Jednak zaletą tych źródeł jest wzmacnianie bezpieczeństwa w skali lokalnej i przyczynianie się do poprawy zaopatrzenia w energię, w szczególności terenów o słabej infrastrukturze energetycznej, a ponadto zaczyna ona odgrywać rolę w bezpieczeństwie pracy w zakładach przemysłowych, gdzie generują się silne strumienie powietrza, [2]. Wykorzystanie OZE inspiruje do tworzenia urządzeń lub systemów poprawiających bezpieczeństwo pracy w podziemnych zakładach górniczych, zwiększenia niezawodności stosowanych urządzeń oraz obniżenia kosztów działania kopalni. Ponadto koncepcja wykorzystania tego rodzaju źródła energii wynika również z ogólnej tendencji do rozwijania i coraz powszechniejszego stosowania OZE, które dotychczas nie znalazły zastosowania w tego typu zakładach w Polsce. Podstawowym założeniem wykorzystania energii przepływu powietrza w podziemiach kopalń jest maksymalne wykorzystanie energii utraconej na wtłoczenie świeżego powietrza z powierzchni pod ziemię bez naruszenia funkcjonalności wyrobisk oraz przy zachowaniu wszelkich obowiązujących w tym zakresie przepisów prawa. Niejednokrotnie instalacja jednego tylko źródła światła w miejscu wymaganego oświetlenia, według obowiązującej normy, wiąże się z rozbudową sieci o wydłużenie bądź stworzenie nowej linii 6kV, dodatkowego transformatora 6,3/0,241 kV lub transformatora 6,3/0,525 kV i zespołu oświetleniowego zawierającego transformator 0,525/0,127 kV oraz szereg zabezpieczeń, m. in. kontroli ciągłości uziemienia, kontroli doziemienia, kontroli zwarciowej pozwalających na awaryjne wyłączenie, [7] Wiąże się to z zaangażowaniem przy instalacji dużej liczby pracowników oraz poniesieniem znacznych kosztów przez zakład, liczonych co najmniej w setkach tysięcy złotych.

Ponadto biorąc pod uwagę charakterystyczne dla energetyki wiatrowej parametry: 1. Jakość energii elektrycznej 2. Stabilność 3. Zabezpieczenia i sterowanie [6] można wykluczyć z rozważań te, który dotyczą pracy w sieci – można pozwolić na pracę turbin w układach autonomicznych, oraz te, które wynikają z niestabilności przepływu wiatru – zakłada się (na podstawie badań i obserwacji) stałą i niezmienną powyżej 5% prędkość i siłę wiatru związaną z charakterystyką rozważanych obiektów. Bibliografia: [1] Anuszczyk J. Maszyny elektryczne w energetyce. Zagadnienia wybrane. Wydawnictwa

Naukowo Techniczne, Warszawa 2005;

[2] Czarnecki B. Program możliwości wykorzystania odnawialnych źródeł energii dla województwa mazowieckiego. Zarząd Województwa Mazowieckiego 2005, Instytut Energetyki, Jednostka Badawczo - Rozwojowa oddział Gdańsk.


203

[3] Fortuna S. Wentylatory. Techwent, Kraków 1999

[4] Fortuna S. Badania Wentylatorów i sprężarek, Wyd. AGH, Kraków 1997

[5] Grzbiela Cz, Machowski A. „Maszyny, urządzenia elektryczne i automatyka w przemyśle” wydawnictwo naukowe „Śląsk”, Katowice 2010;

[6] Lubośny Z. Elektrownie wiatrowe w systemie elektroenergetycznym. WNT, Warszawa 2006

[7] Norma PN-G 02600:1996. Ochrona pracy w górnictwie. Oświetlenie podziemnych wyrobisk zakładów górniczych.

[8] Polityka energetyczna Polski do 2030r., Ministerstwo Gospodarki, 10.11.2009r..

[9] Popenda A. Modelowanie i symulacja dynamicznych stanów pracy układów napędowych do reaktorów polimeryzacji z silnikami indukcyjnymi specjalnego wykonania. Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej, Częstochowa 2011

[10] „Przepływ płynów ściśliwych”, wykład Szkoły Głównej Służby Pożarniczej, Warszawa.


204

WYBRANE ASPEKTY PROJEKTOWANIA GENERATORA WIATROWEGO

NA POTRZEBY PODZIEMNYCH ZAKŁADÓW GÓRNICZYCH

Rafał Trocki

[email protected]

Nieodłącznym elementem współczesnych nowoczesnych procesów produkcyjnych w kopalniach jest niezawodność zasilania w energię elektryczną. [3] Takim rozwiązaniem jest niewątpliwie generator wiatrowy pracujący przy niezmiennych wartościach przepływu powietrza wymuszonego. Niezawodność układu powinna być oparta na dobrym modelu oraz potwierdzona symulacjami przed fazą prototypową. Standartowo modelowanie opiera się na ułożeniu kompletnego układu równań różniczkowych, który służy opisowi całego układu. Kolejnym krokiem jest przekształcenie go pod kątem modelowania, m.in. do postaci równań stanu. Znana jest także metoda modelowania blokowego lub strukturalnego. Polega ona na rozbiciu układu na podukłady modelowane każdy z osobna i późniejszym łączeniu ze sobą. W tym jednak przypadku kłopotliwe może okazać się odwzorowanie oddziaływań pomiędzy poszczególnymi blokami. [9] Ciągły rozwój technologii produkcyjnych oraz tendencje i naciski dążące do automatyzacji i wzrostu wydajności w każdym aspekcie funkcjonowania zakładów przemysłowych, w tym zakładów górniczych, wymuszają optymalizację oraz udoskonalanie poszczególnych układów i urządzeń. Dotyczy to głównie układów elektromechanicznych, do których zaliczyć można bez wątpienia wiatrowe generatory energii elektrycznej. [9] Wstępny model i symulację oparto na ogólnie dostępnych gotowych komponentach oraz jako odbiornik wytworzonej energii zastosowano źródło światła, jako element poprawy bezpieczeństwa. Jednak na końcu układu może pracować dowolnie wybrane inne urządzenie, w zależności od potrzeb. Stosując się do wymagań obowiązującej normy PN-G 02600:1996. „Ochrona pracy w górnictwie. Oświetlenie podziemnych wyrobisk zakładów górniczych” [7] dobrano odpowiednią lampę oświetlającą przejście dla pracowników. Zakres opracowania urządzenia wykorzystującego energię przepływającego powietrza jako źródło energii odnawialnej (OZE) w podziemnych wyrobiskach górniczych obejmuje dobór następujących elementów:

1. Źródła światła oświetlającego przejście dla pracowników nad przenośnikiem taśmowym na podstawie obowiązujących przepisów, tj. PN-G 02006:1996. Ochrona pracy w górnictwie. Oświetlenie podziemnych wyrobisk zakładów górniczych.[7]

2. Turbiny wiatrowej odpowiadającej parametrom wejściowym lampy,

3. Konfuzora przyspieszającego prędkość powietrza,

4. Kontrolera ładowania,

5. Baterii akumulatorów.


205

Urządzenie projektowano m. in. zgodnie z zasadą modelowania elementów elektrowni wiatrowych przedstawioną schematycznie na rys. 1.

Rys. 1. Ogólny schemat modelowania elektrowni wiatrowych. [6]

Zasada ta pozwala na dokładną i trafną analizę problemu, przy dokładnej znajomości zjawisk związanych z pracą maszyny, procesów bezpośrednio i pośrednio związanych z jej działaniem oraz charakterystyki obiektu, w którym urządzenie ma zostać użyte. Dzięki dokładnej charakterystyce poznanego problemu można stworzyć model urządzenia odpowiadający istniejącym warunkom fizycznym. Do rozwiązania pozostaje również kwestia efektywności energetycznej, traktowana w polityce energetycznej w sposób priorytetowy, a postęp w tej dziedzinie będzie kluczowy dla realizacji wszystkich jej celów. W związku z tym, powinny zostać podjęte wszystkie możliwe działania przyczyniające się do wzrostu efektywności energetycznej. Cele w zakresie poprawy efektywności energetycznej ukazane przez Ministerstwo Gospodarki, [8], to m.in.: wzrost efektywności końcowego wykorzystania energii, oznaczenie energochłonności urządzeń i produktów zużywających energię, wprowadzenie minimalnych standardów dla produktów zużywających energię. Przy doborze konfuzora bardzo istotny jest fakt zachowania wielkości kąta rozwarcia kanału w granicach 8o – 12o. Gdy kąt ten przekracza 12o, następuje zerwanie strugi, zaś kąty mniejsze od 6o powodują znaczny wzrost oporów tarcia podczas przepływu strumienia przez kanał. Przyjmuje się jako najlepiej dopasowany kąt nachylenia ścian 10 o – stąd obliczyć można długość.[10] W celu zmniejszenia ciśnienia za turbiną, poprawy własności aerodynamicznych oraz dodatkowe obniżenie poziomu hałasu generowanego przez układ, podczas projektowania łopat należy uwzględnić pierścień spinający je na zewnętrznej krawędzi oraz ich sierpowaty wygięty kształt. [4]

Aby obliczyć parametry określające wymiary konfuzora przyspieszającego prędkość powietrza do wartości wymaganej skorzystać można z wzoru na objętość przepływającego powietrza oraz zależności wynikającej z prawa Bernoulli'ego.


206

Rys. 2. Wyniki symulacji dla lampy 12W – cel 10lx Rys.3. Model wyrobiska symulacyjnego Bibliografia: [1] Anuszczyk J. Maszyny elektryczne w energetyce. Zagadnienia wybrane. Wydawnictwa

Naukowo Techniczne, Warszawa 2005. [2] Czarnecki B. Program możliwości wykorzystania odnawialnych źródeł energii dla

województwa mazowieckiego. Zarząd Województwa Mazowieckiego 2005, Instytut Energetyki, Jednostka Badawczo - Rozwojowa oddział Gdańsk.

[3] Fortuna S. Wentylatory. Techwent, Kraków 1999. [4] Fortuna S. Badania Wentylatorów i sprężarek, Wyd. AGH, Kraków 1997. [5] Grzbiela Cz, Machowski A. „Maszyny, urządzenia elektryczne i automatyka w przemyśle”

wydawnictwo naukowe „Śląsk”, Katowice 2010. [6] Lubośny Z. Elektrownie wiatrowe w systemie elektroenergetycznym. WNT, Warszawa 2006. [7] Norma PN-G 02600:1996. Ochrona pracy w górnictwie. Oświetlenie podziemnych wyrobisk

zakładów górniczych. [8] Polityka energetyczna Polski do 2030r., Ministerstwo Gospodarki, 10.11.2009 r. [9] Popenda A. Modelowanie i symulacja dynamicznych stanów pracy układów napędowych do

reaktorów polimeryzacji z silnikami indukcyjnymi specjalnego wykonania. Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej, Częstochowa 2011.

[10] „Przepływ płynów ściśliwych”, wykład Szkoły Głównej Służby Pożarniczej, Warszawa.


207

PROJECT PV-NET: PROMOTION OF PHOTOVOLTAIC ENERGY THROUGH NET METERING OPTIMIZATION

Peter Virtič1, George E. Georghiou2, Maria Hadjipanayi2, Grigoris Papagiannis3,

Pablo de la Rosa4, Jose Oliveira5, Walter Martins5, Anthi Charalambous6, Harris Kordatos6, Georgios C. Christoforidis7, Noemie Poize8,

Patrick Biard8, Peter Mrak1 1 University of Maribor, Faculty of Energy Technology

2 University of Cyprus 3 Aristotle University of Thessaloniki

4 Andalusian Institute of Technology 5 Regional Agency for Energy and Environment in Algarve

6 Cyprus Energy Agency 7 Technological Education Institution of Western Macedonia

8 Agency for Energy and Environment in Rhone-Alpes

Abstract. The project "Promotion of photovoltaic (PV) energy through net metering optimization" with the Acronym PV-NET is a new technology project which can contribute to the goals of the EU strategy on "Climate change and energy”. The data and experiences gained through the project are used to build typical end users consumption patterns for the development of a transnational optimal net metering mode, to improve understanding of the impact of local conditions on energy consumption/generation profiles and pinpoint cross border barriers to the adoption of PV and to transfer knowledge from more industrialized partners to less developed ones. Streszczenie. In this place the Editor inserts Polish version of the abstract. Please leave three lines for this abstract. Keywords: photovoltaics, energy production, energy consumption, net metering. Słowa kluczowe: in this line the Editor inserts Polish translation of keywords. Introduction The Feed-in-tariff (FIT) scheme for the installation of photovoltaics (PV) has been adopted by the majority of the EU countries as a cost effective measure to increase the number of installed PV systems, at a time when the technology was not competitive. Over time and given the high solar potential in the Mediterranean and the fact that the area has already reached grid parity, the PV technology is no longer in need of any form of subsidization. Smart net metering can be a very good energy policy for the promotion of renewable electricity and offers the possibility of measuring and managing the electrical energy consumed in buildings by subtracting the energy produced by the installed PV system. Seven partners from six different countries participate in the project: Cyprus, Spain (Andalusia), Greece (Thessaloniki), Slovenia (Maribor), Portugal (Algarve) and France (Rhône-Alpes). The project PV-NET aims at developing a better energy policy for the promotion of renewable energy sources


208

(RES) in the Mediterranean area, targeting the best and most cost-efficient use of PV technology through the utilization of smart net metering. Innovative aspects The major innovation of this project stems from the adoption of new technology for the cost-effective incorporation of RES in existing electric grids. Other innovative aspects are: 1. The development of a tool for the analysis and optimisation of net-metering schemes for

Mediterranean countries that will assist in the incorporation of RES, and in particular PV into the grid.

2. The use of smart net-metering with remote data access as a means to encourage the take-up of PV energy systems in the Mediterranean region.

3. The promotion of RES through pilot programmes to demonstrate the benefits to ordinary citizens.

4. The use of high-profile campaigns to create a groundswell of support for PV amongst the end-users of RES.

5. The development of a new, transnational alliance of utilities and stakeholders across the Mediterranean with the aim of removing barriers to widespread adoption of small-scale PV within electricity grids.

6. The development of a data collection system for use at the point of generation to provide key performance metrics to producers/consumers (prosumers) in order to effect behaviour change in consumption.

7. The development of a remote data access and storage system in order to collect and analyse data from a number of installations in different countries across the Mediterranean.

8. The installation of pilot demonstration sites in different countries across the Mediterranean, studying the differences in consumption and generation of electricity in residential, commercial, industrial, and public buildings

Environmental incidences Environmental influences of the project are broken down to the five points: 1. The move to a more sustainable and clean energy supply through encouraging RES adoption

which will eventually translate into more environmentally-friendly consumer energy behaviours.

2. The improved prospects for green sustainable growth and development by triggering a widespread adoption of RES within a competitive electricity market based on significant PV penetration in the energy mix. This results in creating a dynamic marketplace with associated increases in employment opportunities within the renewable energy sector as well as a boost in the PV and smart metering industry.

3. Reduction of emissions of greenhouse gasses and air pollutants through supporting a rapid move towards RES and the consequent reduction of electricity generated using fossil fuels.

4. Improvement of energy efficiency through adoption by consumers of more efficient energy consumption profiles, as well as increased self-consumption of electricity generated by PV.

5. The project will also have a more global impact on the environment and the regional fauna / flora which are particularly sensitive to climate changes and directly linked to extreme natural phenomena (drought, floods, and fires), urbanization, air pollution and water contamination. PV-NET will indirectly contribute towards minimizing the climate warming effect thus helping in natural habitat preservation and better protection of water quality in the Mediterranean rivers, lakes, and open sea, which are already plagued by high pollution levels.


209

Implementation Pilot PV net metering systems have been installed in Cyprus, Slovenia and Portugal on different types of buildings (residential, commercial, industrial, etc.). The aim is to study the energy policy of each region in order to develop the most optimum PV net metering model and to analyse the data generated by the pilot plants. The pilots will be used to demonstrate and prove the benefits for net metering by validating and optimizing the models generated. Results Expected results of the project are as follows: 1. An assessment of the effectiveness of current RES support measures in triggering PV uptake,

highlighting failures/bottlenecks of the measures and supporting legal frameworks. 2. A realization of PV smart net-metering pilot schemes in 3 countries to demonstrate viability of

net metering for cost-efficient grid integration of RES. 3. Implementation of remote data access systems to enable monitoring of energy consumption and

generation profiles by consumers and utilities. 4. Increased public awareness on the benefits of PV implementation for electricity generation and

consumption. This can lead to “smarter” energy-conscious consumers thus improving energy efficiency, and a boost in market demand required for the substantial raising of PV competitiveness in the region.

5. The development of optimized PV metering scenarios for both prosumers (producers-consumers) and utilities based on net metering. These will be adjusted based on the specific RES characteristics (potential, targets, etc.) of each partner country and optimized using the data from the PV pilot installations.

6. Reports for utilities and policy stakeholders in each country with recommendations on optimal net metering implementation. Publications to the broader energy and RES scientific communities will also be generated.

7. A transfer of know-how, methodologies and best practices developed within the project, helping to create/strengthen cooperation networks targeting optimum implementation of PV in the Mediterranean area.

References [1] PV-NET project application form, 2012 [2] Goswami D.Y., Kreith F., Kreider J.F., Principles of Solar Engineering, Taylor & Francis, 2000


210

POWER PRODUCTION COMPARISON OF PHOTOVOLTAIC MODULES

Franjo Pranjić, Peter Virtič University of Maribor, Faculty of Energy Technology

Abstract. This paper presents an analysis of characteristics of photovoltaic modules. The comparisons between the characteristics provided by the manufacturers and characteristics obtained by measurements, under the real time conditions are accomplished. The temperature dependence of power and the actual energy production are also presented. Measurements are obtained directly from the module without the inverter. Streszczenie. In this place the Editor inserts Polish version of the abstract. Please leave three lines for this abstract. Keywords: photovoltaics, energy production, specific energy yield. Słowa kluczowe: in this line the Editor inserts Polish translation of keywords. Introduction European Union‘s directive, upon increasing the production of electricity from the renewable energy sources till 2020, has contributed to the growth of photovoltaic (PV) systems connected to the electric grid. The main elements of the PV systems are solar modules, which convert the solar radiation directly into the electricity. In this paper, the analysis of characteristics of four photovoltaic (PV) modules is presented. The comparisons under real conditions are accomplished between characteristics provided by the manufacturers and characteristics obtained by measurements. The temperature dependence of electric power and actual energy production is also presented. Measurements are accomplished on the PV module without the inverter. All sample PV modules are measured at the same time, therefore identical conditions are ensured. Measuring system and method Measurements are performed by using an automatic measuring system for characteristics monitoring of PV modules (MSPV01) as shown in Fig.1.

Fig.1. Measuring system for characteristics monitoring of PV modules (MSPV01)


211

Measuring system is able to measure current-voltage characteristics, total solar radiation on horizontal basis and temperature. From these data the electric power is calculated. Measured results are stored into the personal computer database after each measurement. In order to process measured results the LabVIEW software produced by National Instruments is used. LabVIEW receives data from multiple outputs of the instrument MSPV01 and stores them into the database to enable subsequent analyses and comparisons. MOSFET transistors that withstand intermittent electric load are also part of the measuring system. Current pulses represent the load of the PV modules and on their basis the maximum power point (MPP) of PV modules is achieved [1]. PV modules are measured at three different slopes: 30°, 45° and 60°. The next measuring test is carried out with two partially shaded PV modules at the slope of 30°. The efficiency given by the manufacturer is additionally verified by using (1).

(1) 100%STCSTC

STC

P

AG

where: ηSTC – efficiency calculated at standard test conditions, PSTC – power calculated at standard test conditions, A – active surface of the module and GSTC – irradiance at standard test conditions. Equation (2) presents the efficiency calculated on the basis of measured electric power and measured irradiance.

(2) 100%mm

m

P

AG

where: ηm – efficiency calculated on the basis of measured power and measured irradiance, Pm – measured electric power, Gm – measured irradiance.

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

4:48:00 7:12:00 9:36:00 12:00:00 14:24:00 16:48:00 19:12:00 21:36:00

IRR

AD

IAN

CE

[W/m

2]

TIME [hh:mm:ss]

SOLAR IRRADIANCE - DAY1

HORIZONTAL IRRADIANCE

IRRADIANCE - PV MODULE

Fig.2. Solar irradiance for day 1 Figure 2 shows the solar irradiance for the first day. The same measurements have been accomplished for the other days as well. The thick line represents the horizontal solar irradiance and the dashed line represents the solar irradiance that falls onto the surface of the PV module.


212

Analytically calculated electric power is determined by using (3).

(3) (1 ( ))ma STC m STC

STC

GP P T T

G

where: Pa – analytically calculated power, PSTC – power calculated at standard test conditions, Gm – measured radiation, GSTC – irradiance at standard test conditions, γ – temperature coefficient of power, Tm – measured temperature of the module, TSTC – temperature of the module at standard test conditions. The comparison between calculated efficiency on the basis of measurements and the efficiency given by the manufacturer is accomplished. These results are also compared with those obtained by shaded PV modules. Two modules of the same manufacturer with the same nominal power are used as measuring objects. The back side the first PV module is thermally insulated with Styrofoam and the second PV module is without additional thermal insulation. Both electrical power and temperature of PV modules are compared as well. Results Figures 3, 4 and 5 show the difference between calculated electric power of PV module 2 by using (3) and the measured power of PV module 2.

0,00

50,00

100,00

150,00

200,00

250,00

300,00

350,00

4:48:00 7:12:00 9:36:00 12:00:00 14:24:00 16:48:00 19:12:00 21:36:00

PO

WE

R [W

]

TIME [hh:mm:ss]

COMPARISON OF MEASURED AND CALCULATED ELECTRIC POWER - PV MODULE 2

MEASURED POWER

CALCULATED POWER

Fig.3. Comparison of calculated electric power of PV module 2 by using (3) and the measured power of PV module 2 – day 1 The comparison has been conducted for three days. Figures 3, 4 and 5 are for day 1, 2 and 3. Thick lines in the figures represent the measured electrical power and dashed lines represent the calculated electrical power by using (3). Deviation between calculated electric power and measured power occurs due to the measuring instruments which causes the load in the form of pulses. Deviation between calculated electric power and measured power occurs due to the measuring instruments which causes the load in the form of pulses.


213

0

50

100

150

200

250

6:43:12 9:07:12 11:31:12 13:55:12 16:19:12 18:43:12 21:07:12

PO

WE

R [W

]

TIME [hh:mm:ss]


MEASURED POWER

CALCULATED POWER

Fig.4. Comparison of calculated electric power of PV module 2 by using (3) and the measured power of PV module 2 – day 2

0

50

100

150

200

250

6:43:12 9:07:12 11:31:12 13:55:12 16:19:12 18:43:12 21:07:12

PO

WE

R [W

]

TIME [hh:mm:ss]


MEASURED POWER

CALCULATED POWER

Fig.5. Comparison of calculated electric power of PV module 2 by using (3) and the measured power of PV module 2 – day 3 Conclusion The energy yield is directly calculated from meteorological and geographical data with knowing PV module performance and losses in the system. The exact value of the future annual energy yield cannot be determined because of two factors. Firstly, the equation that can predict weather in the future reliably doesn’t exist. It can only be calculated on a base of long-term averages, minimums and maximums. Secondly, some losses also cannot be exactly calculated and have to be chosen on the basis of experience and recommendations. For a more accurate calculation of the energy yield, the PV module characteristics of particular module have to be known. References [1] Goswami D.Y., Kreith F., Kreider J.F., Principles of Solar Engineering, Taylor & Francis, 2000 [2] Dobovičnik Z., Technical documentation of instrument MSPV01, Velenje, 2011


214

WPŁYW ZMIANY PARAMETRÓW REAKTORA PLAZMOWEGO

NA WARTOŚCI PRZEWODZONYCH ZABURZEŃ ELEKTROMAGNETYCZNYCH

W ZAKRESIE CZĘSTOTLIWOŚCI 150 KHZ – 1 MHZ

Andrzej Wac-Włodarczyk1, Andrzej Kaczor2

1 Politechnika Lubelska, Instytut Podstaw Elektrotechniki i Elektrotechnologii 2 Urząd Komunikacji Elektronicznej Delegatura w Lublinie

Wstęp Reaktor plazmowy typu GlidArc (ze ślizgającym się wyładowaniem łukowym) wraz z całym oprzyrządowaniem jest urządzeniem elektrycznym i podlega obowiązkowej ocenie zgodności z wymaganiami zasadniczymi w zakresie kompatybilności elektromagnetycznej [1]. Wstępne badania zaburzeń przewodzonych na liniach zasilania tego reaktora [2], wykonane na stanowisku, w którym jest on zainstalowany, w Instytucie Podstaw Elektrotechniki i Elektrotechnologii Politechniki Lubelskiej wykazały, że wartości tych zaburzeń znacznie przekraczają poziomy określone przez normy zharmonizowane, a ich wartości są zależne od jego parametrów pracy. Autorzy zaprezentują wyniki pomiarów wartości zaburzeń przewodzonych w zakresie częstotliwości 150 kHz-1 MHz reaktora plazmowego umieszczonego na znormalizowanym stanowisku pomiarowym.

Stanowisko do pomiaru zaburzeń przewodzonych reaktora Trójelektrodowy reaktor ze ślizgającym się wyładowaniem łukowym w czasie pomiarów umieszczono na znormalizowanym stanowisku pomiarowym w obszarze dwóch uziemionych płaszczyzn przewodzących. Elektrody robocze reaktora zasilane były poprzez trzy oddzielne transformatory podwyższające napięcie zasilania do ok. 1-2 kV. Elektrodę zapłonową zasilano przez transformator wysokiego napięcia. Wartości napięć zasilania zarówno na elektrodach roboczych jak i elektrodzie zapłonowej regulowano poprzez autotransformatory.

Rys. 1. Układ pomiarowy przewodzonych napięć zaburzeń na liniach zasilających reaktor plazmowy typu GlidArc


215

Do pomiaru wartości zaburzeń przewodzonych, oraz do odseparowania zaburzeń z sieci zasilającej zastosowano – zarówno w układzie zasilania elektrod roboczych, jak i zasilania elektrody zapłonowej – znormalizowane sieci sztuczne. Sieci sztuczne włączone były – zarówno w układzie elektrod roboczych jak i elektrody zapłonowej – pomiędzy autotransformatory, a transformatory zasilające elektrody. Reaktor plazmowy zasilano gazem roboczym typu powietrze wdmuchiwanym pomiędzy elektrody robocze. Gaz roboczy wytwarzany był przez sprężarkę, a wielkość jego przepływu regulowana była poprzez reduktor ciśnienia.

Wartości zmierzonych napięć zaburzeń przewodzonych Pomiary wykonano na linii zasilającej elektrodę zapłonową oraz na linii L1 zasilającej elektrody robocze. Użyto dwóch detektorów wartości szczytowej (PK) oraz wartości quasiszczytowej (QP). Czas obserwacji na pojedynczych częstotliwościach wynosił kilkaset milisekund z ustawionym filtrem 9 kHz i krokiem przestrajania 4 kHz. W układzie zasilania elektrod roboczych oraz elektrody zapłonowej nie zastosowano układów elektronicznych mogących wpłynąć na wartości zaburzeń elektromagnetycznych wytwarzanych przez wyładowania w reaktorze plazmowym.

Rys. 2. Wartości zaburzeń przewodzonych na zasilaniu elektrody zapłonowej a) przy braku wyładowań na elektrodach roboczych, b) z wyładowaniami na elektrodach roboczych

Rys. 3. Wartości zaburzeń przewodzonych na zasilaniu elektrod roboczych (linia L1) a) duży prąd elektrod roboczych, b) mały prąd elektrod roboczych, zmiana strumienia przepływu powietrza


216

Wnioski Wyładowania powstające podczas normalnej pracy reaktora plazmowego ze ślizgającym się wyładowaniem łukowym są źródłem powstawania dużych wartości zaburzeń elektromagnetycznych na liniach jego zasilania. Zaburzenia te występują zarówno na liniach zasilających elektrody robocze, jak i elektrody zapłonowe, a ich poziomy są uzależnione od parametrów pracy reaktora. Wartości zaburzeń przewodzonych, przed wprowadzeniem do eksploatacji takiego urządzenia powinny być ograniczone poprzez zastosowanie odpowiednich układów filtrów z uwzględnieniem zmian pracy reaktora, które mogą wpływać na zmianę napięć zaburzeń na liniach zasilających. Literatura [1] Dyrektywa 2004/108/WE Parlamentu Europejskiego I Rady z dnia 15 grudnia 2004 r. w sprawie

zbliżenia ustawodawstwa Państw Członkowskich odnoszących się do kompatybilności elektromagnetycznej oraz uchylającej dyrektywę 89/336/EWG (Dz.Urz. UE L 390 z 31.12.2004).

[2] Wac-Włodarczyk A., Kaczor A. “Conducted electromagnetic interference emitted by plasmotron discharges”, Przegląd Elektrotechniczny, Nr 3/2011, s. 212-215.


217

PĘTLA HISTEREZY RÓŻNICOWEJ W MOSTKU MAXWELL’A DLA RÓŻNYCH

CZĘSTOTLIWOŚCI STRUMIENIA MAGNETYCZNEGO

Andrzej Wac-Włodarczyk, Piotr Ziń, Tomasz Giżewski Politechnika Lubelska, Instytut Podstaw Elektrotechniki i Elektrotechnologii

W wielu zastosowaniach potrzebna jest znajomość parametrów ferromagnetyków takich jak jednorodność materiału oraz magnetyczne cechy materiałowe, które można opisać pętlą histerezy. Do oznaczania tej charakterystyki zazwyczaj wykorzystuje się cewkę będącą jednym z wzorcowych źródeł pola magnetycznego. Można zauważyć, że zmiany w budowie rdzenia ferromagnetycznego powodują zaburzenie w polu magnetycznym cewki. Celem opracowanie jest określenie metody wykrycia, oraz w dalszym etapie, zmierzenia zmian wtrąceniowych w ferromagnetyku.

Do pomiarów zastosowano model defektoskopu indukcyjnego, wykonanego w IPEiE Politechniki Lubelskiej [2][3]. Urządzenie to pracuje w układzie mostka zmiennoprądowego (rys. 1), w którym istnieją dwa magnetowody oraz cewka będąca dodatkowym źródłem strumienia magnetycznego.

Rys.1. Schemat układu mostka pomiarowego zmiennoprądowego [4]

W przeprowadzonych badaniach zastosowano klasyczny układ mostka Maxwell’a z indukcyjnościami nieliniowymi w ramionach 1 i 3. Użyte elementy indukcyjne stanowią jednakowe cewki z rdzeniami ferromagnetycznymi, wzorcowym oraz badanym. Defekt materiałowy badanego rdzenia, powoduje zmiany jego strumienia magnetycznego, co prowadzi do pojawienia się napięcia nierównowagi Uw [2]

U w=d (Ψ 1−Ψ 3)

d t (1). Oznacza to, że wartość napięcia nierównowagi mostka jest funkcją różnicy strumieni skojarzonych w cewkach ramion Z1 oraz Z3.

Rys.2. Pętla histerezy różnicowej dla dwu częstotliwości

Pętla histerezy różnicowej [1] powstaje przez podanie na zaciski odchylania poziomego, prądu magnesującego cewki oraz napięcia nierównowagi mostka Uw, na zaciski odchylania pionowego oscyloskopu. Dla sinusoidalnego pola magnetycznego różnicowa pętla typowych materiałów ferromagnetycznych ma kształt charakterystyki typy S. Ze wzrostem zaś częstotliwości zmienia kształt


218

na zbliżony (rys.2) do elipsy i staje się mniej stroma (rys. 3). Wada materiałowa otrzymana przez nacięcie w badanym ferromagnetyku powoduje zwiększenie zmian strumienia (1), co prowadzi do powiększania pola wewnętrznego pętli w stosunku do przypadku rdzenia bez wady materiałowej.

Rys.3. Amplituda międzyszczytowa scałkowanego napięcia nierównowagi mostka w funkcji częstotliwości

Napięcie nierównowagi mostka rośnie w badanym zakresie, z malejącą dynamiką wzrostów.

Zmiany materiałowe mierzone w badanym ferromagnetyku powodują zwiększenie napięcia nierównowagi, po przekroczeniu 200 Hz różnice względne się stabilizują.

Rys.4. Napięcie skuteczne nierównowagi mostka w funkcji częstotliwości

Ze wzrostem częstotliwości amplituda napięcia nierównowagi mostka rośnie. Sugeruje to, że

łatwiej jest wykryć zmiany w rdzeniu przy szybszych zmianach pola magnetycznego. Różnica międzyszczytowa scałkowanego napięcia nierównowagi mostka maleje w funkcji

częstotliwości, ale różnica względna rośnie w stosunku do analogicznych wskazań pomiarowych rdzenia ciągłego.

Z powyższych spostrzeżeń można wyciągnąć wniosek, że zmiany są łatwiejsze do zaobserwowania przy częstotliwościach powyżej 100 Hz.

Analizując pętlę histerezy różnicowej mostka, można zauważyć zanik wyższych harmonicznych ze wzrostem częstotliwości. Mogą one również nieść informację o zmianach w ferromagnetyku. Ten fakt wskazuje na to, że przy analizie innymi metodami, nie należy odrzucać pomiarów przy niższych częstotliwościach.

Literatura

[1] Wac-Włodarczyk A., Goleman R., Czerwiński D., Giżewski T.: Symulacja pracy mostkowego

układu porównawczego materiałów ferromagnetycznych, Przegląd Elektrotechniczny 12/2000, s.141-144.

[2] Wac-Włodarczyk A., Goleman R., Giżewski T., Eksperymentalna identyfikacja różnicowej powierzchni Preisacha w układzie mostka zmiennoprądowego, Przegląd Elektrotechniczny 12/2010, s.160-163.

[3] Wac-Włodarczyk A., Goleman R., Giżewski T., Zastosowanie algorytmu sztucznych sieci neuronowych w identyfikacji uszkodzeń materiałów ferromagnetycznych, Dozór Techniczny, nr 2/2008, s.41-45.

[4] Ziń P., Zastosowanie mostka sprzężonego indukcyjnie w badaniach nieniszczących ferromagnetyków, Warsztaty doktoranckie OWD Wisła 2013, s.258-261.


219

THE INFLUENCE OF EXTREMELY LOW FREQUENCY ELECTROMAGNETIC FIELD EXPOSURE

ON ANIMAL DEVELOPMENT

Joanna Wyszkowska, Maria Stankiewicz Faculty of Biology and Environment Protection, Nicolaus Copernicus University, Toruń, Poland

In the last decade considerable attention has focused on environmental electromagnetic fields due to concerns of possible harmful effects on living systems, primarily humans. Industrial and household appliances, medical devices, high voltage power grids and telecommunication technology all generate electromagnetic field that becomes a significant factor in the environment. A number of studies have described the effects of electromagnetic field exposure on different living systems, from single cells to animal behavior (Prolic and Nenadovic 1995; Juulitaen 2005; Todorovic et al. 2012). Here we analyse the effects of electromagnetic fields on basic life processes such as growth and development. Insects are popular experimental models since they are easy to culture and maintain, have short lifespans and have distinct and recognizable life cycle stages. Although a number of recent studies provide convincing evidence that insects perceive and orient to magnetic fields (Banks and Srygley 2003; Vacha and Soukopova 2004; Camlitepe et al. 2005; Srygley et al. 2006; Ugolini 2006, Vacha 2008), the biophysical interactions between these low-energy signals and biological tissues are still not well understood. Insect metamorphosis, is under metabolic and endocrine control, and may therefore be susceptible to change caused by stress induced by exposure to electromagnetic fields that could change the rate of metabolism, and hence change the rate of transformation and the length of the life cycle. This paper presents experimental results on the effects of extremely low frequency (50 Hz, 1 mT, 7 mT) electromagnetic fields on insect metamorphosis. The experiments were performed on larvae, pupae and adult Tenebrio molitor and Calliphora vomitoria. We analyzed the effects of electromagnetic fields on weight, the rate of transformation, the time when the first individual achieved the next stage in the life cycle, the time when 50% of individuals had transformed, and the mortality and life span. We found that exposure to electromagnetic field affects insects development. We observed decreased transformation rate, decreased body weight of larvae, pupae and adults (male and female) and increased insect mortality. Changes, however, were only significant in strong (7 mT) but not in weak (1 mT) electromagnetic fields. Further studies on the suggested subtle effects on developmental stability might increase our understanding of the sensitivity of biological organisms to low-frequency magnetic fields. References: Banks AN, Srygley RB (2003) Orientation by magnetic field in leaf-cutter ants, Atta colombica (Hymenoptera: Formicidae). Ethology 109:835–846 Camlitepe Y, Aksoy V, Uren N, Yilmaz A, Becenen I (2005) An experimental analysis on the magnetic field sensitivity of the black-meadow ant Formica pratensis Retzius (Hymenoptera: Formicidae). Acta Biologica Hungarica 56:215–224


220

Juutilainen J (2005) Developmental effects of electromagnetic fields. Bioelectromagnetics 26 (Suppl7):S107–S115. Prolic Z, Nenadovic V (1995) The influence of a permanent magnetic field on the process of adult emergence in Tenebrio molitor. J Insect Phys 41:1113–1118. Srygley RB, Dudley R, Oliveira EG, Riveros AJ (2006) Experimental evidence for a magnetic sense in neotropical migrating butterflies (Lepidoptera: Pieridae). J Anim Behav 71:183–191 Todorovic D, Mircic D, Ilijin L, Mrdakovic M, Vlahovic M, Prolic Z,Mataruga VP (2012) Effect of magnetic fields on antioxidative defense and fitness-related traits of Baculum extradentatum (Insecta: Phasmatodea). Bioelectromagnetics 33(3):265–273 Ugolini A (2006) Equatorial sandhoppers use body scans to detect the earth’s magnetic field. J Comp Physiol A 192:45–49 Vácha M, Soukopová H (2004) Magnetic orientation in the mealworm beetle Tenebrio and the effect of light. J Exp Biol 207:1241–1248 Vácha, M, Drstková, D, Puzová, T (2008) Tenebrio beetles use magnetic inclination compass. Naturwissenschaften 95, 761-765.


221

METHOD OF DETERMINATION OF THE BOUNDARIES OF NON-CAVITATIONAL OPERATION OF ELECTROHYDRAULIC COMPLEX

Mykhailo Zagirnyak, А. Serdiuk, T. Korenkova

Kremenchuk Mykhailo Ostrohradskyi National University

Introduction When pressure in discharge header drops and temperature condition of fluid motion in the hydrosystem changes, cavitational processes occur. They are accompanied by periodical formation and collapse of cavities filled with steam or gas (cavitation pockets). Presence of cavitational phenomena causes fluctuation of pressure and discharge in the hydraulic network with the amplitude of (6…20)% of the nominal value of these parameters, pipeline choking, growth of unproductive losses of power in electrohydraulic complexes (EHC), increased wear of hydraulic equipment [1, 2]. Practically used methods and technical means of decrease of cavitation are based in most cases on installation of pipeline protection and solve only local problems as they response to factual occurrence of malfunction. Paper [2] demonstrates that decrease of rotation frequency of a pump impeller results in a considerable reduction of losses, amplitude and frequency of EHC pressure fluctuation conditioned by presence of cavitational processes or in their total absence. Thus, use of facilities of variable-frequency electric drive (ED) enables not only regulation of pump units (PU) parameters but also control of occurrence of cavitational zones in hydraulic network. Taking the above said into account, the purpose of the research consists in working out a method for determination of boundaries of non-cavitational operation of EHC with a variable-frequency ED when cavitational processes develop in the pipeline. Method and results of research Taking the above said into consideration, determination of boundaries of non-cavitational operation of EHC is based on the analysis of joint operation of PU with a variable-frequency ED for pipeline network:

2

11

220

QRHH

;QRHHn

iinet

n

iist

b

(1)

where 0H – head developed by the pump at zero displacement, m; – relative rotational frequency

of the pump impeller, r.u.; bR – internal resistance of the pump, s2/m5;

Q – displacement of EHC, m3/s; istH – static head in EHC at the i-th section of the pipeline, m; inetR

– hydraulic resistance of the corresponding section of the network, s2/m5; n – number of the pipeline sections; i – number of the section of the hydraulic network.


222

Cavitational processes are known to develop when current cavitation number is equal to its critical

value kr or smaller that it [1, 2]. In this case the flow rate corresponding to the beginning of the

cavitational process at i-th section of the hydraulic network is, m/s:

ikriiparaiikr pp 2 where ip , iparap – pressure of the flow and liquid saturated vapors,

respectively, at the i-th section of the hydraulic network, Pa; i – fluid density at the corresponding

section of the pipeline, kg/m3 ; ikr – critical value of cavitation at the i-th section of the pipeline.

Taking into account relations gрН iii and iii SQ , EHC displacement corresponding to the

boundary of non-cavitational operation for any section of hydrodynamic network, m3/s, is:

ikriiparaiiiikr pgHSQ 2 where g – gravitational acceleration, m/s2; iS – cross-section

area of the i-th section of hydraulic network, m2. Solution to system (1) in relation to taking into account last expression, allowed determination of critical value of relative frequency of pump impeller rotation, which corresponds to beginning of development of cavitational processes at the i-th section of the pipeline:

011

HRHHRRH inetistikrb

n

inet

n

iistikr

(2)

where gRSpRSHH iinetiikriiparainetiistikriikr 22 22 – critical value of the head at the i-th

section of the pipeline, which corresponds to beginning of development of cavitational processes, m. Then to provide non-cavitational operation of EHC with a variable frequency ED of a PU the condition ikr is to be true.

To research dynamic characteristics a mathematical model of EHC was developed. This model takes into account periodic development of cavitation pockets at the i-th section of the pipeline. For EHC with parameters: head 18pH m, discharge

5pQ m3/s, consumed power 550pN W,

rotation speed 2896pn rev/min, pipeline

diameter 0420.d pl m, pipeline length

8pll m time-dependent curves of the head

are obtained (Fig. 1) where areas with the presence and the absence of cavitational processes in the hydraulic system are shown. So, decrease of relative rotation frequency of the pump ED (time moment 10 s) beyond the value determined by expression (2) results in the absence of cavitational processes in the pipeline.

The obtained theoretical results are confirmed by experimental research on the basis of a physical model of EHC.

head

, m

head

, m

Fig. 1. Time-dependent curves of head variation


223

Conclusions A method for determination of the boundaries of non-cavitational operation of an electric hydraulic complex with a variable-frequency electric drive has been offered. It is based on the analysis of joint operating conditions of a pump unit for a pipeline network and makes it possible to determine the range of admissible values of variation of rotational frequency of the pump electric drive when the displacement is regulated within the required boundaries. References

[1] Gregorc B., Hriberšek M. and Predin A. (2010), “Experimental and numerical analysis of the impact of particles on the development of cavitation flow around a hydrofoil”, Journal of energy technology, Vol. 4, pp. 47–64.

[2] Pylypenko V.V., Zadontsev V.A., Natanzon M.S. Cavitational self-oscillations and hydrosystems

dynamics. – М.: Mashinostroieniie, 1997. – 352 p. (in Russian).


224

DEVELOPMENT OF HIGH-PERFORMANCE DIAGNOSTIC DEVICES

FOR THE CORES OF INDUCTION MOTOR STATORS

Mykhaylo Zagirnyak, V. Prus, A. Miroshnykova Kremenchuk Mykhailo Ostrohradskyi National University

Introduction During long-term operation and repairs of induction motors (IM) the properties of inter-lamina insulation of stator laminated cores change [1]. It is the cause of occurrence of local shorted circuits distributed along the length and in the volume of the cores at random. In this case the properties of the teeth zone change more significantly and irregularly than the properties of the yoke, especially, it concerns the upper part of the teeth. It results in redistribution of the temperature of the stator winding and appearance of local zones of overheats. Also, due to occurrence of spatial magnetic asymmetry, IM vibration parameters deteriorate. To estimate these processes quantitatively it is necessary to have an exact pattern of distribution of electrical and magnetic properties of stator cores. The efficiency of the use of local methods of diagnostics is substantiated for the solution of the mentioned problem [1]. However, the basic method of such diagnostics is characterized by a number of drawbacks decreasing the efficiency of its use. The purpose of the paper consists in substantiation of the methods for improvement of the efficiency of the developed industrial systems of local diagnostics of IM stator cores. Theory The method of local diagnostics of IM stator cores is explained in Figs. 1-2.

Ф)(1 tu

)(1 ti

)(2 tu

Fig. 1. Two-teeth diagnostics of the core

)(1 tu

)(1 ti)(2 tu

Fig. 2. One-tooth diagnostics of the core

It allows determination of electrical and magnetic properties of the stator teeth steel for the magnetic induction value equal to its value at varying reversal magnetization of the teeth in a working machine. Steel properties are determined by means of U-type inductors with uniformly applied magnetizing

magW and measuring mesW windings. Inductor in Fig. 1, moving parallel across two teeth of the

core, induces the necessary value of magnetic flux in them and in the adjacent part of the yoke.


225

Inductor in Fig. 2 makes it possible to additionally determine the exact location and type of damage of the upper parts of the core teeth. During the research the main faults of the basic method of local diagnostics were singled out and methods for their compensation were proposed. The results of this research are shown in Table 1. Experimental results The obtained results enabled development of an experimental model of an automated system for stator core local diagnostics. The general view of the model is shown in Fig. 3. The external view of the actuator is shown in Fig. 4. A personal computer equipped with an input-output module E14-440 (manufactured by LCard), necessary sensors and power converters presents the main measure-control body of the diagnostics system. Table 1. Drawbacks of the basic method for local diagnostics and methods for their compensation

Drawback Compensation method

During two-teeth testing the rotational character of reversal magnetization of the yoke of the working IM stator is not taken into account.

To determine the real value of steel losses in IM stator, during local two-teeth testing, it is necessary to provide a stator core yoke magnetic flux equivalent to the flux from rotational reversal magnetization in a working machine at the required value of magnetic flux of the varying reversal magnetization of the teeth.

One-tooth local testing at a commercial frequency does not allow determination and size of short-circuited areas situated higher in the tooth.

To determine the real state of the tooth zone and location and size of short-circuited sections during one-tooth testing of the core it is necessary to use an independent source of sinusoidal voltage with varied amplitude and frequency. It will allow the change of the depth of magnetic flux penetration into the tooth zone of the core.

Reliability of one-tooth local diagnostics sharply reduces when harmonic composition of supply voltage changes.

During local diagnostics it is necessary to use an independent source of sinusoidal voltage with a possibility of stabilization of harmonic composition of supply voltage when the value and character of the load change.

A part of diagnostics parameters prove to be spurious as the error of their measurement exceeds the interval of variation with the basic types of cores defects.

To increase the number of diagnostic parameters it is necessary to adapt the existing mathematical software to the conditions of operation of the diagnostics system, using improved methods of determination of parameters applying methods of digital smoothing and filtration of the measured signals.

Local diagnostics in a manual or an automated mode is rather a labor-consuming procedure as the necessary pitch of inductors shift, at which it is most informative, is 2-3 mm.

To provide the highest efficiency of the use the system of local diagnostics is to be completely automated taking into consideration the real state of the diagnosed cores.


226

Fig. 3. General view of an experimental model of an automated system of local diagnostics of stator

cores

Fig. 4. External view of the actuator of the system of local diagnostics

Production test of the experimental model made it possible to substantiate optimum values of supply voltage of the inductors, its frequency and the distances from the inductor to the diagnosed surface of the core, at which the highest reliability of diagnostics is provided. Besides, the efficiency of the considered diagnostics method for obtaining spatial local distribution of electric and magnetic properties of the cores of IM stators was confirmed. Conclusions 1. Ways of improvement of reliability and efficiency of the method of local diagnostics of

laminated cores have been substantiated. These ways make it possible to compensate for basic drawbacks of the main method and present the grounds for the developed industrial systems of local diagnostics of IM stator cores.

2. Optimum values of inductors supply voltage and its frequency as well as distances from the inductor to the diagnosed surface of the core, which provide the highest reliability of local diagnostics, have been theoretically substantiated.

3. The efficiency of application of the developed method and system of diagnostics for obtaining spatial local distribution of electrical and magnetic properties of IM stator cores has been confirmed.

References [1] Prus V.V., Zagirnyak M.V., Nikitina A.V., Grounds for Efficiency and Prospect of the Use of

Instantaneous Power Components in Electric Systems Diagnostics, Przeglad Elektrotechniczny (Electrical Review), 2006, № 12, pp. 123-125.


227

MULTI-UNIT ELECTROMECHANICAL STRUCTURES AUTOMATED SYNTHESIS USING METHODS OF GENETIC AND GEOMETRIC MODELING

Mykhaylo Zagirnyak, I. Shvedchikova 1, S. Tkach1 Kremenchuk Mykhailo Ostrohradskyi National University

1 East-Ukrainian Volodymyr Dal National University

Introduction In modern conditions a tendency of progressive increase of structural and functional variety of magnetic separators can be observed [1]. This is caused by the necessity to create qualitatively new devices able to provide reliable functioning and required characteristics of the systems in conformity with new operating conditions. In its turn, it stimulates the development of principally new variants of unconventional embodiment magnetic separators. The problems of search and synthesis of principally new structural varieties of magnetic separators refer to a complex class of indeterminate problems of search design. Results of search problems solution are of a random character and do not guarantee obtaining optimal structural variants. Genetic modeling [2] is a new methodological approach to designing electromechanical devices and it provides the directivity and completeness of new structures synthesis. Genetic modeling method was developed within the framework of a new scientific trend – genetic electromechanics [2, 3]. The application of this method has already made it possible to obtain a number of engineering solutions to devices for magnetic separation of bulk materials. Genetic models represent processes of development and complication of electromechanical structures with the help of synthesis genetic operators. Replication fR genetic operator responsible for the quantitative compound of structural compositions K, formed from kR number (kR – replication coefficient) of homogeneous elements S0, is one of the sources of structural variety in genetic modeling fR(S0) kRS0 K

. (1) Multi-unit (multi-inductor) systems for magnetic separation, in particular, module-type systems, are electromechanical devices created with the use of replication principle [1-3]. The idea of genetic replication is used in them to create a magnetic field of the assigned configuration and intensity in the local area of the separator operation zone; to provide the necessary trajectory of the movement of the separated ferromagnetic particles; to expand the spheres of devices functioning. Genetically replicated multi-unit structure varieties having common genetic code and consisting of the same number of homogeneous elements S0, located in the space in specific manner present stereoisomers. Generation of variants of stereoisomers compositions can be performed by means of sequential application of geometric transformation instrument. The efficiency of geometric modeling is substantially determined by the possibilities of its automation. The present paper deals with the discussion of the results of the research of genetic and geometric modeling methods application to automated synthesis of multi-unit (multi-inductor) structures of magnetic separators.


228

Multi-unit structures synthesis and its automation The statement and solution of the synthesis problem will be carried out by the example of cylindrical multi-unit structures (genetic codes – CL 0.2y, CL 2.2y) of the family of open-operation-zone magnetic separators whose structure-forming genetic model is shown in Fig. 1. The following notations are used in Fig.1: PFS – primary field source, forming spatial surface of the assigned shape and the law of magnetic field distribution; S0(1), S0(2) – primary solid state (magnetic field inductor) and secondary discrete (extracted ferromagnetic bodies) structures, respectively; S0 – electromechanical pair or the first generation chromosome set; S21I – synthesized electromechnical structure or the second generation chromosome set presented by replicated (by inductor) generating structures S212I (kR =2), S213I (kR =3), S214I (kR =4); fС – crossing genetic operator modeling combination of structures with different genetic nature; fRI – replication operator responsible for variation of the quantitative composition of primary solid state structure elements (kR =2, 3, 4); Р212I, Р213I, Р214I – structural populations of two-, three- and four-inductor systems, respectively. The first generation chromosome-replicator S0 (kR= 1) responsible for inherited characters of magnetic separators one-inductor cylindrical systems is an initial spatial structure in the process of synthesis (S0(1) × S0(2)) → S0. (2) Replicated chromosome S21I is responsible for inherited characters of multi-inductor (2 kR 4) cylindrical systems S21I = kRS0=< S212I, S213I, S214I >. (3) It is presented by a set of generating replicated structures S212I, S213I, S214I, responsible for inherited characters of two-, three- and four-inductor systems, respectively. Taking the above mentioned into consideration, the problem of directed synthesis of stereo isomeric compositions of magnetic separators multi-unit structures can be formulated as follows. For the adopted genetic model of structure formation (Fig. 1) and taking into account the limitation imposed on replication coefficient (kR 4), to synthesize a finite set of stereo isomeric compositions of electromechanical multi-unit systems of magnetic separators with cylindrical sources (inductors) of magnetic field. Finite sets of stereo isomeric compositions synthesized on the basis of replicated structures S212I, S213I, S214I can be presented in the form f(S212I) → (S212I1, S212I2, …, S212Ik), (4) f(S213I) → (S213I1, S213I2, …, S213Ip), (5) f(S214I) → (S214I1, S214I2, …, S214Iq). (6) where f – geometric transformation operator based on the use of symmetry rules; k, p, q – maximum number of practically obtained stereoisomers at kR =2, 3 and 4, respectively. Software «Isomer maker» was created by the authors for automated synthesis of stereo compositions of multi-unit electromechanical systems with cylindrical sources (inductors) of magnetic field. Synthesis of multi-unit systems for magnetic separation is the main sphere of the software application. The software provides the possibility to form spatial arrangements of cylindrical inductors on the basis of data introduced by the user. Conditional representation of magnetic field source is performed in the form of a section of a straight line – the axis of the cylinder. The software has a user’s intuitive interface and represents a synthesized spatial composition in three projections (XY, YZ, XZ), as well as in 3D (rectangular dimetry), as it is shown in Fig. 2 for the case when kR= 4. The software gives a sequence number to the synthesized composition on the basis of the data of the spatial location of the field sources. Besides, there is a possibility of presentation of the whole formation process in an encoded form.


229

Software «Isomer maker» was used to synthesize 2793 stereo compositions (isomers) of cylindrical multi-unit systems for magnetic separation, including 49 – with two (kR= 2), 343 – with three (kR= 3) and 2401 – with four (kR= 4) magnetic field inductors, respectively. Presence of known structural variants of magnetic separators among the synthesized compositions proves the validity of the performed procedure. Thus, automation of stereo compositions synthesis makes it possible to significantly reduce the time spent on design of multi-unit electromechanical devices. The results of the synthesis were made the basis of creation of a number of new patentable engineering solutions to devices for magnetic separation.

Fig. 1: Genetic model of structure formation of cylindrical multi-unit structures of magnetic separators

(basic types CL 0.2y and CL 2.2y)

Fig. 2: Representation of the results of «Isomer maker»

software performance (kR= 4)

Conclusions It has been shown that combined use of genetic and geometric modeling methods provides good opportunities for the synthesis of new structural variants of multi-unit electromechanical devices when the designing process is automated. The possibility of directed generation of new structural variants of multi-unit devices whose novelty has been confirmed by patents obtained by the authors proves the adequacy of the synthesis procedure.

References

[1] Zagirnyak M.V. “Magnetic separators”, Proceedings of the Seventeenth International Electrotechnical and Computer Science Conference ERK, Portorož, 2008, pp.7-8.

[2] Shinkarenko V.F., Zagirnyak M.V., Shvedchikova I.A. “Structural-Systematic Approach to Magnetic Separators Design”, Studies in Computational Intelligence. Computational Methods for the Innovative Design of Electrical Devices, Springer, 2011, volume 327, pp. 201-217.

[3] Zagirnyak M.V., Shvedchikova I.A., Miljavec D. “Forming a genetic record of cylindrical magnetic separator structures”, Przegląd Elektrotechniczny (Electrical Review), 2011, Nо. 3, pp. 220-223.


230

Notatki

ZASTOSOWANIA ELEKTROMAGNETYZMU W …ptze.pl/wp-content/uploads/2017/07/PTZE-2014.pdf · REFERAT...

Documents

Transcript of ZASTOSOWANIA ELEKTROMAGNETYZMU W …ptze.pl/wp-content/uploads/2017/07/PTZE-2014.pdf · REFERAT...