Применение средств автоматики

В пирометрии

Нагретые тела излучают электромагнитные колебания в широком интервале длин волн λ (от 0,02 до 500 мкм при температуре T до 15000 K), причем этот диапазон простирается в обе стороны от его видимой части. Излучательная способность нагретых тел колеблется в интервале от 5 10^-6 (при T ≈70 K) до 10⁶ (при T ≈15 10³ K) Вт/см², причем, с ростом T интенсивность излучения растет по нелинейному закону.

Лучеиспускательная способность тела при данной температуре T по закону Кирхгофа определяется из

E λT/ A λT= ε λT,

(5.1.1)

где E _λT – лучеиспускательная способность тела, A _T – его поглощательная способность, а ε _λT – величина, постоянная для всех тел при данной температуре T. Для абсолютно черного тела при всех длинах волн λ A _λT=1, тогда A_T = ε_λT.

Мощность излучения ε всех длин волн абсолютно черным телом по закону Стефана-Больцмана определяется из

ε = σT ^4,

(5.1.2)

где T – абсолютная температура в градусах K, σ – постоянная Стефана-Больцмана, но наибольшая излучательная способность приходится, по закону смещения Вина, на определенную длину волны λ _max и обратно пропорциональна абсолютной температуре T, т. е. по зависимости вида

λ = α / T,

(5.1.3)

где α – постоянная величина, α =0,2898 см K.

Тогда испускательная способность абсолютно черного тела определяется по закону Планка, как

ε λT=2 πc ^2 h / λ ^4[ e ^he^/(^k ^λ^T ^)-1],

(5.1.4)

где c – скорость света в вакууме, λ – длина волны, k – постоянная Больцмана, а h – постоянная Планка. Графически зависимость (5.1.4), для различных значений Т, приведена на рис. 5.1.1.

Из рис. 5.1.1, с учетом меньших значений ε_λT реальных тел и затухания энергии излучения I _λT, достигающей приемника излучений, видно, что, пренебрегая точными значениями ε_λT и I_λT, но учитывая Δ I _λT по

Δ I λT=| I λ1T– I λ2T|,

(5.1.5)

можно синтезировать систему, определяющую истинные значения Т тел по зависимости

Т =arg| I λ1T –I λ2T|/| λ 1 –λ 2|.

(5.1.6)

Рис. 5.1.1

Этот принцип частично нашел применение в цветовых пирометрах, для которых истинная Т определяется по

1/ Т =(1/ Т с)+(ln α λ1T – ln α λ2T)/ с 2(1/ λ 1 – 1/ λ 2),

(5.1.7)

где Т _с – цветовая температура, α _{λ i T} – коэффициент поглощения тела излучения с λ _i, а с ₂ – постоянный коэффициент, с ₂=0,014388.

Радиационные же пирометры значение истинной температуры Т определяют по

Т = α T^-1/4 Тr,

(5.1.8)

где α _T – полный коэффициент поглощения тела, а T _r – радиационная температура тела.

Но из законов теплового излучения Кирхгофа и Планка истинная температура тела определяется по

T = T b c 2/(с 2+ λ э+ T bln α λT),

(5.1.9)

где λ _э – эффективная длина волны пирометра, а T _b – яркостная температура тела.

Однако полученные значения Т по (5.1.5÷5.1.8) существенно зависят от материала тела, степени шероховатости его поверхности, угла визирования и затухания излучений в канале оптической связи, что отражается на значениях Т по (5.1.9). Но отношение интенсивностей излучений I _λ1T/ I _λ2T – величина постоянная, следовательно, значения Т определимы по реакции двух датчиков (приемников излучений), селективно реагирующих на I _λ1T и I_{λ 2} T, что демонстрируется рис. 5.1.1. Из рис. 5.1.1 видно, что при фиксированных значениях λ ₁ и λ ₂ значения истинной температуры Т однозначно соответствуют углу наклона прямой, проведенной через точки пересечения ординаты в точках λ ₁ и λ ₂ с зависимостями интенсивности излучения I от температуры Т и длины волны λ. В частности, на рис. 41 прямая 1 соответствует λ ₁=2 мкм, λ₂ =100 мкм для Т =500 К, прямая 2 – λ ₁=0,2 мкм, λ ₂=100 мкм и Т =5000 К (показаны ∆λ и ∆I), а прямая 3 – λ ₁=0,2 мкм, λ ₂=100 мкм для Т =10000 К, из чего видно, что от выбора значений λ ₁ и λ ₂ зависит диапазон измеряемых пирометром температур.

С учетом сказанного, пирометр истинных значений температуры реализуется на базе двух приемников тепловых излучений, реагирующих на излучения с отличающимися длинами волн λ ₁ и λ ₂ соответственно, двух аналого-цифровых преобразователей для определения цифровых значений I _λ1T и I _λ2T соответственно, двух задатчиков значений λ ₁ и λ ₂ соответственно, двух арифметических блоков для определяют значений | I_{λ 1 T}–_{λ 2 T} | и | λ ₁ –λ ₂|, соответственно, по

Т = q | I λ1T –I λ2T|/| λ 1 –λ 2|,

(5.1.10)

где q – коэффициент пропорциональности.

Таким образом описанный способ бесконтактного измерения истинной температуры (пирометрии) по (5.1.9), включающий прием теплового излучения от объекта и его спектральную селекцию, обеспечивает измерение температуры нагретого тела по отношению интенсивностей излучений на фиксированных длинах волн к разности длин этих волн. Он включает достоинства яркостных пирометров по высокой точности измерений, цветовых пирометров по простоте алгоритма обработки исходной информации, и радиационных пирометров по диапазону измеряемых температур, а также, за счет использования фотоэлектрических приемников тепловых излучений и цифровой обработки информации, повышает быстродействие, упрощает эксплуатацию и обеспечивает автоматизацию управления технологическими процессами в широком диапазоне их динамичности.

Функциональная схема пирометра по описанному выше способу приведена на рис. 5.1.2.

Рис. 5.1.2

Он содержит канал оптической связи (КОС) с объектом, температура которого подлежит измерению, два датчика (Д1 и Д2) интенсивности излучений тел, обладающих селективностью на λ ₁ и λ ₂ соответственно, два аналого-цифровых преобразователя (АЦП1 и АЦП2), информационными входами соединенные с выходами датчиков Д1 и Д2 соответственно, элемент сравнения (ЭС), соединенный входами поразрядно с выходами АЦП1 и АЦП2, элементы ИЛИ (ИЛИ1 и ИЛИ2), соединенные с выходами АЦП соответственно, группы элементов И (И1, И2, И3 и И4), соединенные входами с выходами АЦП и ЭС, арифметический блок (АБ1), соединенный входами поразрядно с выходами элементов И1 и И2, группу элементов И (И5), соединенную входами с выходами элементов ИЛИ (ИЛИ1 и ИЛИ2) и арифметического блока (АБ1), задатчик коэффициента пропорциональности (ЗД), второй арифметический блок (АБ2), соединенный входами с выходами И5 и ЗД, выход которого образует информационный выход (ИВ) пирометра, элемент ИЛИ (ИЛИ3), соединенный входами с выходами АБ2, формирователь фронта импульсов (ФИ), соединенный входом с выходом элемента ИЛИ3, а выходами со входами управления АЦП (АЦП1 и АЦП2), и элемент И (И6), соединенный входами с выходами элементов ИЛИ1 и ИЛИ2, а выходом с сигнальным выходом (СВ) пирометра.

Этот пирометр, по сравнению с известными, обеспечивает расширение функциональных возможностей, исключение субъективизма, повышение точности измерения температуры в широком (300÷15000 К) диапазоне её значений и применение в дискретной (цифровой) автоматике управления технологическими процессами

Для камуфляжа информации

Известные способы защиты информации от доступа неопределенного круга лиц отличаются значительными временными затратами на шифрование текста, а еще большими – на его расшифровку, вероятность частичной или полной потери информации, неидентичностью технических средств кодирования и декодирования и необходимостью привлечения высококвалифицированного персонала для этого.

Не заботясь о помехоустойчивости информации в канале связи, упростить процесс подготовки информации для обмена по каналам электронной коммуникации оказывается возможным и целесообразным программными средствами с привлечением выпускаемых и повсеместно, в мировом масштабе, эксплуатируемых промышленных средств вычислительной техники.

Если информационное сообщение (текст, файл) распылить (рассредоточить – диверсифицировать) беспорядочно, то возврат к исходному тексту (его репликации) тем более затруднён, чем больше объём исходного информационного сообщения. Исходя из этого допустимо, не усложняя процесса восстановления (репликации), на передающей стороне осуществлять преобразования исходного информационного сообщения, при которых исходный файл информации разбивается на блоки варьируемой длины и в каждом блоке осуществлять варьируемый сдвиг по кольцу ASII-кода каждого символа в блоке. Закодированный (зашифрованный) таким образом файл можно оперативно декодировать (расшифровать) путем обратного сдвига символов блоков файла.

Программная реализация диверсификации и/или репликации информации, например на языке программирования “ Borlad C ”, предполагает наличие конфиденциальной информации, подлежащей содержанию в конфиденциальном состоянии и передаче по каналу электронной коммуникации, например в файле “ proba.txt ”, и запускающего модуля – в файле “ kod.exe ”. При этом осуществляется ввод с командной строки KOD proba.txt KiRj, KiLj, …, “Enter” или KOD proba.txt UiRj, UiLj, …, “Enter” (для кодирования и декодирования, соответственно), где K – кодировать, U – декодировать, i (i=1, m) – число символов в данном блоке, R – сдвиг вправо, L – сдвиг влево, j (j=1, n) – число позиций сдвига символов в данном блоке.

Пример реализации диверсификации и репликации информации:

- состояние информационного сообщения на передающей стороне

СПОСОБ КАМУФЛЯЖА ИНФОРМАЦИИ

- состояние информационного сообщения на принимающей стороне

a) #ÞþÂ\בﺧщ¾ﻘ籔 ï狞％ﾈ￡鱴 Đ®鮰w - несанкционированного адресата,

b) ¥♫♀ﮓ♛М貋@ђ▒╠Ъ$ƒďij2ש›☠мB2 - несанкционированного адресата,

……………………………………………………..,

i) ◆ポàキP穪"￥ĊлÕúמ╝ﻓ&÷jÃ:‰ – несанкционированного адресата и

СПОСОБ КАМУФЛЯЖА ИНФОРМАЦИИ – санкционированного адресата.

Описанный выше способ камуфляжа информации реализован на алгоритмическом, аппаратном и программном уровнях.

Использование предлагаемого способа камуфляжа информации обеспечивает идентичность технических средств на передающей и принимающей сторонах каналов связи, оперативную, доли секунды, диверсификацию и репликацию, санкционированным адресатом, информации и невозможность, за приемлемое время, её репликации несанкционированным адресатом, значительное число, более 10¹⁰ вариантов кодирования и декодирования информации. Его использование допустимо в оборонных, правоохранительных, коммерческих и других целях, требующих конфиденциальности обмена информацией.

Для экстрагирования

Экстракция (разделение, вытяжка, экстрагирование) – процесс разделения смеси жидких или твердых веществ с помощью избирательных (селективных) растворителей (экстрагентов).

Процесс экстракции включает три последовательных стадии: смешивание исходной смеси веществ с экстрагентом; механическое разделение (расслаивание) двух образующихся фаз; удаление экстрагента из обеих фаз и его регенерацию с целью повторного использования. После механического разделения получают раствор извлекаемого вещества в экстрагенте (экстракт) и остаток исходного раствора (рафинат) или твердого вещества. Выделение извлекаемого вещества из экстракта и одновременно регенерация экстрагента достигается выпариванием, высаливанием и т. п.

Достоинствами экстракции являются сравнительно низкие рабочие температуры, рентабельность извлечения веществ из разбавленных растворов, возможность разделения смесей, состоящих из близкокипящих компонентов, и азеотропных смесей, возможность сочетания с другими технологическими процессами (ректификацией, кристаллизацией), простота аппаратуры и доступность её автоматизации.

Недостатком экстракции в ряде случаев является затруднение полного удаления экстрагента из извлекаемых веществ.

Экстракция подчиняется законам диффузии и равновесного распределения. При вытяжке из жидкостей после смешивания исходного раствора с экстрагентом и расслоения образовавшейся смеси концентрация y извлекаемого вещества В в фазе экстракта больше его концентрации x в фазе рафината R. При взаимной растворимости экстрагента С и растворителя А исходного раствора Р зависимость y=f(x) для равновесной системы (для которой концентрация y_р) представима диаграммой вида (рис. 5.3.1).

Рис. 5.3.1

Если раствор Р разбавлен, а вещество В в экстракте Э находится в неассоциированном и недиссоциированном состояниях, то функция концентрации

K р =y р /x=const,

(5.3.1)

где К _р – коэффициент распределения, и не зависит от y_р, а линия равновесия на диаграмме y–x является прямо пропорциональной (линейной) 1; в противном случае функция концентрации К _р непрямо пропорциональна и линия равновесия криволинейна 2. Но К _р =f (t) (зависит от температуры t), К _р ≠f (p) (практически не зависит от давления p) и определяется экспериментальным путём.

Вследствие кратковременности и несовершенства акта смешивания экстрагента и исходного раствора действительная (реальная) концентрация y<y_р, а характеристика эффективности экстракции Δ y и её движущей силы определяются по

Δ y=y– y р.

(5.3.2)

В результате однократной экстракции возможно достижения сравнительно небольшого значения Δ y, т. е. сравнительно незначительной степени извлечения вещества В из исходного раствора, поэтому прибегают к многократному повторению актов смешивания и последующего расслаивания взаимодействующих фаз при их встречном движении. Если в исходном растворе концентрация y вещества В уменьшается от x ₁ до x ₂, то концентрация вещества В в фазе экстракта возрастает от 0 до y ₁.

Из уравнения материального баланса, описываемого выражением

Dy 1 =W (x 1 –x 2) =M,

(5.3.3)

где D и W – соответственно расход чистых экстрагента и растворителя, x ₁ и y ₁ – концентрации относительно чистого растворителя и чистого экстрагента С, а М – количество экстрагированного вещества В, можно определить D из

D=W (x 1 –x 2) /y1.

(5.3.4)

Уравнение (5.3.4) описывает прямую, проходящую через точки с координатами (x ₂, 0) и (x ₁, y ₁). Очевидно, что при прочих равных условиях расход экстрагента С растет по мере уменьшения x₂ в растворителе и уменьшения его y₁ в экстракте.

Кинетика экстракции описывается общим уравнением массообмена по

M=K Δ cFτ,

(5.3.5)

где М – количество извлеченного вещества В, К – коэффициент эффективности процесса, Δ c – средняя разность концентраций извлекаемого вещества в обеих фазах, F – величина межфазной поверхности, а τ – время длительности процесса.

Величина Δ c однозначно определяется заданными концентрациями x, y и y _р, поэтому для достижения больших значений М стремятся увеличить К путём турбулизации потоков взаимодействующих фаз и F – путём диспергирования одной из фаз (экстрагента или исходного раствора) на мелкодисперсные фракции. Точное значение К аналитически, пока, невыразимо, поэтому эффективность (5.3.2) процесса вытяжки выражают, как и при ректификации или абсорбции, числом ступеней равновесия. Графическое определение числа ступеней равновесия с частично растворимыми экстрагентом и растворителем приведено на рис. 5.3.2.

В случае частичной растворимости растворителя А и экстрагента С равновесие системы изображается в плоскости равностороннего треугольника (рис. 5.3.2). Каждой точке внутри треугольника соответствует тройная смесь, в которой концентрации компонентов А, В и С прямо пропорциональны длинам перпендикуляров, опущенных на противолежащие стороны треугольника.

Под бинодальной кривой EG расположена область гетерогенных смесей, а над бинодальной кривой – гомогенных растворов. Процессы экстракции, поскольку в них чередуются акты смешивания и расслаивания фаз, протекают только в гетерогенной области. Смешав исходный раствор с некоторым количеством экстрагента С, получают тройную гетерогенную смесь Р, которая расслаивается на экстракт Q и рафинат R c концентрацией b извлекаемого вещества, а смешав рафинат со свежей порцией экстрагента получают новую гетерогенную смесь Р ₁, которая в дальнейшем расслаивается на экстракт Q ₁ и рафинат R ₁ с более низкой концентрацией b ₁ экстрагируемого вещества.

Рис. 5.3.2

Положение конод, прямых QR и Q ₁ R ₁, определяется для каждой системы экспериментально. Продолжая акты смешивания и расслоения, добиваются дальнейшего понижения концентрации b _i компонента В в рафинате, т. е. повышения степени экстракции Δ y. Число построенных конод однозначно соответствует числу ступеней равновесия. Таким образом, после каждого акта смешивания и расслаивания падает концентрация экстрагируемого вещества В как в рафинате R, так и в экстрагенте С. Для повышения концентрации вещества В в экстракте Э и большего его исчерпывания из рафината R часто прибегают к экстракции с обратной флегмой, сущность чего сводится к частичному отделению экстрагента от экстракта и исходного растворителя от рафината и повторному возвращению долей этих фракций в экстракторах навстречу отводимых потоков.

Для экстракционного разделения двух компонентов (В ₁ и В ₂), особенно с близкими растворимостями в исходном растворителе, часто используется два экстрагента с различной селективностью.

Для максимизации Δ y и минимизации расхода экстрагента экстракция осуществляется при противотоке исходного раствора и экстрагента.

Экстрагируемое вещество растительного и животного происхождения сосредоточено в клетках разделенных липидными мембранами с анизотропными свойствами, что препятствует его экстракции из внутриклеточного пространства, особенно при экстракции высокомолекулярных и гидрофобных соединений. Значительные размеры и молекулярный вес разнообразных функциональных групп экстрагируемого вещества определяют различные нековалентные связи между собой и молекулами растворителя (экстрагента). Всё выше перечисленное существенно затрудняет экстракцию экстрагируемых веществ из сырья. К тому же высокая реакционная способность экстрагируемого вещества и лабильность его структуры создают дополнительные ограничения на технологические параметры процесса экстракции.

Рис. 5.3.3

В частности, к температурному режиму экстракции, в силу деструкции экстрагируемого вещества, предъявляются существенные ограничения на допуск по температуре (T ≤40÷50 ºС). Для повышения проницаемости стенок и мембран исходного продукта механическое воздействие оказывается недостаточным и дополняется термическим воздействием и воздействием динамического давления, причем оказываются значительно более эффективными ударные, ступенчатые воздействия. Временные диаграммы воздействия энергией СВЧ (Э), термического воздействия (Т), динамического давления (Д), впрыска мелкодисперсного экстрагента-растворителя (Р) и количества извлеченного вещества (М _ср) для повышения эффективности и быстродействия экстракции приведены на рис. 5.3.3.

С целью реализации приведенной на рис. 5.3.3 диаграммы разработан экстрактор (рис. 5.3.4).

Рис. 5.3.4

Он содержит камеру (рабочий объем РО), плунжерный насос (ПН -1) откачки-накачки (динамического давления) и каналы подвода динамического (пониженного и повышенного) давления, плунжерный насос (ПН- 2), объем с запасом экстрагента-растворителя (ЗЭ) и форсунку (Ф) впрыска экстрагента (растворителя), источники СВЧ излучений (два магнетрона М, расположенные на двух горизонтах камеры и с направлениями СВЧ излучений под углом, близким к 90º), конденсор (К), накопитель экстракта (НЭ), ресиверы низкого (РНД) и высокого (РВД) давления, управляемые клапаны (К-1 и К-2) по входам и выходам камеры и ресиверов и блок управления (БУ).

В частности, в эксперименте на опытном образце экстрактора с объемом камеры 10 л., в качестве исходного сырья использовались свежесрезанная мята (для пищевкусовых целей) и сухие перегородки грецкого ореха (для фармацевтических целей), в качестве экстрагента-растворителя – дистиллированная вода, в качестве источника СВЧ энергии – два магнетрона М152-II, длительность периода воздействия на сырьё – 0,25 мин. При частоте – 2 цикла/мин., продолжительность процесса – не более 10 мин., выходной продукт, при исключении впрыска экстрагента-растворителя на последних двух минутах процесса экстрагирования, – практически сухие мята и перегородки с незначительным содержанием экстрагируемого вещества. Экспериментально установлена повышенная на 20÷25 % производительность способа экстракции и экстрактора на его основе, по сравнению с известным способом, что объясняется импульсными воздействиями энергии СВЧ в совокупности с динамическим (чередующимся высоким и низким давлениями) давлением и проникновением в структуру сырья мелкодисперсного экстрагента-растворителя под высоким внешним, относительно давления внутри материала сырья, давлением.

В энергетике

Энергообеспечение автономных необслуживаемых источников информации морского базирования, например буйковых автоматических метеорологических станций, предполагает использование сменных элементов электропитания, что и трудоемко, и экономически невыгодно и экологически небезопасно. Пьезоэлектрики находят широкое применение в качестве преобразователей неэлектрических величин в электрические. Альтернативой сменным гальваническим элементам электропитания или аккумуляторам, нуждающимся в периодической подзарядке, может стать устройство с пьезоэлектрическими преобразователями волнения поверхности моря в электрическую энергию.

Известны экологически чистые способы и устройства преобразования тепловой и других видов энергии в электрическую энергию.

Так способ и устройство преобразования энергии гравитации, заключающиеся в перемещении масс вещества и за счет разности произведения масс на плечи рычагов вращения ротора генератора электроэнергии, обладают значительными сложностью и себестоимостью, ограниченностью срока функционирования и надежности в работе при незначительной выходной мощности.

Способ и устройство преобразования тепловой энергии окружающей среды состоит в использовании известных свойств ферромагнитных материалов, способных генерировать или поглощать электроэнергию при изменении их температуры, но их сложность технической реализации, незначительная мощность и значительная себестоимость часто оказываются неприемлемыми.

Энергетическая установка морского базирования, содержащая заякоренное плавучее средство с противовесом, в корпусе плавучего средства сквозную шахту и турбоэлектрогенератор постоянного тока, отличается значительными габаритно-весовыми характеристиками, сложностью аппаратурной реализации, высокой себестоимостью и необходимостью в заякорении, что ограничивает её применение.

Энергетическая установка сухопутного базирования, содержащая ротор с радиально расположенными спицами, с размещенными на них, по легкоходовой возвратно-поступательной посадке массами, нитиноловыми элементы, обладающими эффектом памяти формы и соединенными концами со ступицей и массами, и пьезоэлектрическими элементами, электрически соединенными с концами нитиноловых элементов способна работать только при использовании пьезоэлектрических и нитиноловых элементов с коэффициентами полезного действия, значительно (на 2÷3 порядка) превышающими единицу, что существенно препятствует её реализации для практических целей.

Известно устройство преобразования энергии волн моря в электрическую энергию, содержащее плавучее, с противовесом, средство, состоящее из двух и более подвижно сопряженных элементов, способных при волнении моря совершать вращательные или возвратно-поступательные колебания друг относительно друга, и накопитель электрической энергии (НЭ), один на всё устройство. В элементах плавучего средства вмонтированы пьезоэлектрические преобразователи (ПП), преобразователи механических колебаний сопряженных элементов плавучего средства в дискретные силовые воздействия на пьезоэлектрические преобразователи, механически контактирующие с сопряженными элементами плавучего средства и одноименными пьезоэлектрическими преобразователями, и выпрямители тока (ВТ), соединенные входами с электродами одноименных пьезоэлектрических преобразователей, а выходами с накопителем электрической энергии (рис. 5.4.1 и рис. 5.4.2).

Рис. 5.4.1

Рис. 5.4.2

В этом устройстве, при волнении поверхности моря, элементы плавучего средства совершают колебания друг относительно друга, которые преобразуются в дискретные силовые воздействия F (t) на пьезоэлектрические преобразователи, по каждому воздействию F (t) генерируется электродвижущая сила Е (t), на выходе выпрямителя протекает ток I (t), а в накопителе накапливается электроэнергия W (t). Накопленная в накопителе электроэнергия постоянного тока приемлема для использования потребителями.

Эпюры сил, э. д. с., токов и мощности приведены на рис. 5.4.3

Будучи установленным на необслуживаемом объекте морского базирования, устройство, даже при коэффициенте полезного действия пьезоэлектрических преобразователей в пределах 0,10–0,20, за счет последовательно во времени генерируемых импульсов тока накапливает электрическую энергию, достаточную для информирования потребителя, например буйковой автоматической метеорологической станции для передачи информации о метеорологическом и/или сейсмическом состоянии района её пребывания, об опасности района плавания в точке установке буя, или о динамике перемещении плавучего автономного научно-исследовательского объекта (о координатах пребывания, направлении и скорости, перемещения).

Рис. 5.4.3

Преимущества использования предлагаемых способа и устройства преобразования энергии волн моря в электрическую энергию состоят в том, что они работоспособны в автономном режиме неограниченно долго по времени суток и года, просты по применению, реализуемы на современной элементной базе в произвольных условиях их производства, надежны и долговечны в эксплуатации, не нуждаются в обслуживании до физического износа, обладают экологической чистотой, имеют пониженную себестоимость.

Значительно более высоким коэффициентом полезного действия (КПД) обладает индукционный преобразователь механической энергии в электрическую.

Величина электродвижущей силы (ЭДС) индукции ξ, генерируемой индукционным преобразователем механической энергии в электрическую зависит от магнитной индукции B его постоянного магнита, индуктивности его катушки и скорости ξ изменения магнитного потока Ф через площадь S, ограниченную витком катушки.

Но ξ = –Δ Ф /Δ t, где Ф = BS cos α, здесь α – угол наклона магнитного поля к поверхности витка катушки; а L =4 kπμSN ² /l, где μ – магнитная проницаемость, N – число витков катушки индуктивности, l – длина намотки катушки, а k = f (l / d) – коэффициент, зависящий от отношения длины l намотки к диаметру d катушки. Реально КПД_. индукционного преобразователя в 3÷4 раза выше, чем КПД пьезоэлектрического преобразователя.

Повышение коэффициента полезного действия и надежности в работе, а так же упрощение конструкции, преобразователя энергии волн моря в электроэнергию при одновременном повышении долговечности и надежности в работе достижимо при преобразовании колебаний волн моря в колебания постоянного магнита в пространстве катушки индуктивности, генерировании ЭДС индукции.

Такой преобразователь энергии волн моря в электроэнергию содержит плавучее средство, на котором закреплен герметичный корпус, в котором расположены (рис. 5.4.4) шарнир 1, маятник 2, подвешенный на шарнире 1, с постоянными магнитами 3 на концах коромысла, катушки 4 индуктивности, расположенные соосно по ходу магнитов 3, и ограничители 5 хода маятника 2. Катушки индуктивности 4 соединены (рис. 5.4.5) последовательно со входами выпрямителя 6, выход которого соединен со входами накопителя электроэнергии 7.

Рис. 5.4.4. Рис. 5.4.5

Этот преобразователь энергии волн моря в электроэнергию работает следующим образом.

При волнении поверхности моря плавучее средство совершает колебания относительно горизонтальной плоскости. При этом корпус преобразователя также изменяет угол наклона к горизонту, а маятник 2, отклоняясь от вертикали, перемещает магниты 3 в катушках 4. Возвратно-поступательные движения магнитов 3 в катушках 4 наводят импульсы переменной электродвижущей силы, амплитуда которых пропорциональна намагниченности магнитов 3, скорости их перемещения в катушках и числу витков катушек 4. ЭДС с выхода катушек 4 переменного напряжения преобразуются выпрямителем 6 в однополярные импульсы электроэнергии, которая накапливается в накопителе 7. С выходов накопителя 7 электроэнергия поступает на входы потребителя.

Для мелководья приемлема и конструкция преобразователя энергии волн моря в электроэнергию, приведенная на рис. 5.4.6. В нем постоянный магнит, под действием поплавка 8, повторяющего уровень воды в точке установки, совершает вертикальные возвратно-поступательные перемещения в полости катушки 4, на клеммах которой генерируется ЭДС. Электроэнергия которой через выпрямитель 6, поступает в накопитель 7.

Преобразователь энергии волн моря в электроэнергию» применим в научно-исследовательских, технологических и бытовых целях. При эксплуатации на объекте морского базирования, он, за счет последовательно во времени генерируемых импульсов тока накапливает электрическую энергию, достаточную для информирования потребителя, например, метеорологической информацией о метеорологическом состоянии района пребывания буйковой навигационной или автоматической метеорологической станции, об опасности района плавания в точке установки буя, или о перемещении плавучего автономного научно-исследовательского объекта (о координатах пребывания, динамике, направлении и скорости перемещения его носителя).

Рис. 5.4.6

Преимущества использования предлагаемого преобразователя энергии волн моря в электроэнергию состоят в том, что он работоспособен в автономном режиме неограниченно по времени суток и года, прост по применению, реализуем на современной элементной базе в произвольных условиях их производства, надежен и долговечен в эксплуатации, не нуждается в обслуживании до физического износа, обладает невысокой себестоимостью и повышенным коэффициентом полезного действия.

Следует подчеркнуть и возможность повышения мощности такого рода энергоустановок, например, для нужд прибрежных населенных пунктов.

В свете сказанного вопрос о необходимости строительства мощных энергоустановках морского базирования, в т. ч. и приливных электростанциях, в районах с незначительной плотности населения остаётся проблематичным.

В гальванотехнологии

В электронном приборостроении гальваническое производство продолжает оставаться одним из основных источников загрязнения окружающей среды токсичными соединениями различных металлов, что представляется недопустимым с экологической точки зрения и нерациональным с точки зрения ресурсосбережения.

В гальванотехнике, по устаревшей технологии, теряется в расчете на 1 м² покрытия от 0,2 до 2 г цветных металлов, многие из которых стали дефицитными во всем мире. Потери металла с промывными водами соизмеримы с расходом металла на покрытие, а в случае использования хрома превышают его в 5–8 раз. Только в промышленности СНГ ежегодно сбрасывается около 3 км³ сточных вод, содержащих более 5000 тонн металлов.

В частности, фольгированные подложки из гетинакса и стеклотекстолита для печатных плат (ПП) электронного приборостроения имеют слой меди толщиной 20÷50 мкм. На конечном этапе изготовления ПП проводники и контактные площадки занимают не более 25÷30 % поверхности, а 70÷75 % металла переходит в раствор в виде химических отходов. В первом приближении это составляет 0,5–1,0 кг с 1 м² поверхности. Следует добавить сюда отходы от химической металлизации отверстий в жёстких платах (или отходы от химического травления полиимида в гибких платах).

К тому же в травильных цехах образуются и вредные вещества. Большая часть растворов для травления ПП является опасной для окружающей среды. С одной стороны, при приготовлении растворов и их использовании выделяются вредные газы, например, аммиак из щелочных растворов, с другой стороны, отработанные травильные растворы, попадая в сточные воды, могут значительно увеличить концентрацию токсикантов в стоках. Усилия разработчиков современных технологий травления плат печатного монтажа направлены на увеличение экологической чистоты процессов травления с регенерацией отработанных растворов. С этой точки зрения, как показывает опыт, наиболее пригодны хлорно-железные и хлорно-медные растворы. Существуют способы, по которым регенерация может происходить как периодически, так и в рецикле с процессом травления ПП.