КОСВЕННАЯ ОЦЕНКА ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ОБСТАНОВКИ В КАБИНЕ ЭЛЕКТРОВОЗА
Пуресев А.И., Лепихова В.А., Сорокин Н.П.
(ЮРГТУ (НПИ), г.Новочеркасск, РФ)
The offered model of measurement of a dust content of a working zone of a cabin of an electric locomotive with application of a special set of high-frequency band filters and PC, that allows to carry out the express-analysis of an indirect estimation of structure of impurity in observable air environment.
Средства подвижного состава, такие как магистральные электровозы, вследствие усложнения экологической обстановки должны снабжаться аппаратурой для контроля дисперсного состава пыли в воздухе, охлаждающем электроаппаратуру электровоза, так как пыль часто содержит агрессивные компоненты, разрушающие изоляционные материалы и вызывающие коррозию металлов. Кроме того, газопылевые аэрозоли, особенно в сыром воздухе, вредно действуют не только на электрическое оборудование электровоза, но и на обслуживающую бригаду, приводя у аллергическим и профессиональным заболеваниям, респираторной, нервной и сердечно-сосудистой систем. Поэтому дозиметрическая аппаратура должна быть включена в перечень оборудования, обеспечивающего безопасность эксплуатации тяговых средств.
Предлагается модель измерения запыленности, состоящая из ультразвукового генератора, активного полосового фильтра, линейного усилителя на аналоговых интегральных микросхемах, блока интегрирования и ПЭВМ. Работа заключается в следующем. Через запыленный воздух излучается зондирующий ультразвуковой сигнал, рассеиваемый на пылинках, содержащихся в потоке. В измерительном комплексе самонастраивающиеся входные фильтры из сигнала выделяют информационную полосу частот. Сигнал пройдя через аналоговый усилитель-ограничитель, в сформулированном виде поступает на блок интегрирования, выдает суммарное напряжение, пропорциональное энергии сигнала за установленное время задержки..
Поскольку частотная характеристика дискретной системы
является периодической функцией круговой частоты 
, ее можно представить в виде:
.
Или рассматривать как разложение частотной
характеристики в ряд Фурье, причем коэффициенты разложения являются
одновременно отчетами импульсной характеристики измерительной системы, и могут
быть выражены через 
в виде:
.
Зондирующий сигнал рассеиваемый на пылинках по цепочке передачи сигнала, обладает конечным временем действия и ограниченной амплитудой. Устойчивость процесса обработки характеризуется конечной импульсной характеристикой (КИХ), которая влияет на время обработки и физическую реализуемость сигнала. КИХ последовательности выбираются так, чтобы фильтры имели строго линейные фазовые характеристики, поэтому становится возможным создавать фильтры с произвольной амплитудно-частотной характеристикой и требуемой разрешающей способностью. Лучшие результаты дают фильтры, использующие весовые коэффициенты конечной длины. При обработке сигнала на ПЭВМ их принято называть оконными функциями. Для модификации коэффициентов Фурье с целью создания оптимально фильтра, оконная функция являющаяся одним из множителей в свертке выбирается такой, чтобы главный ее лепесток содержащий почти всю энергию окна, и быстро затухающие боковые лепестки обеспечивали быструю реакцию фильтра в процессе временной аппроксимации частотной характеристики. Обработка и аппроксимация акустического сигнала (спектра), конечной дискретной последовательности временных отчетов осуществляется на практике физически реализуемыми системами цифровых фильтров, работа которых не нарушается при изменении влажности, температуры, трясках, действия агрессивных внешних сред и других дестабилизирующих факторов. Анализ и дешифровка спектрограмм осуществляется специализированными наборами низкочастотных, высокочастотных и полосовых фильтров, а также фильтров пробок и режекторных фильтров. С помощью их комбинации можно получить любую амплитудно – частотную характеристику, при обработке цифрового сигнала. Полученный спектр является «частотным портретом» содержания вредных компонентов в кабине электровоза. Его обработка позволяет проводить опознавание о принадлежности контролируемой среды по содержанию вредных примесей в том или ином классе дисперсности с помощь. программ математической обработки. Так из общего спектра сигнала, состоящего из совокупности основных и высших (тембровых) гармоник, выделяют подспектры значимых основных гармоник, соответствующие определенным дисперсным элементам в рабочей зоне электровоза. С целью ускорения процесса распознавания для выделения подспектров, используют последовательность модальных гармоник.
По известным частотам модальных гармоник определяют частоты основных (образующих) гармоник подспектров:
, где R – множество простых
чисел;
kj – номер модальной гармоники j – го подспектра.
Выделение основной гармоники позволяет сформировать подспектр, определяющий количественный и качественный характер того или иного элемента в анализируемом пространстве кабины электровоза.
Для определения процентной концентрации примеси, соответствующей этому подспектру используем соотношение мощностей подспектра, соответствующего исследуемой примеси и основного спектра сигнала при условии исключения шумовых гармоник и составляющих, определяющих влияние измерительного тракта:
где Nj – количество значимых (отличных от шумовых) гармоник в j – ом подспектре. Коэффициент Fj – определяется при исследовании эталонной смеси с известным процентным содержанием j – ой примеси:
где 
- известная концентрация примеси в
эталонном растворе.
Предложенная математическая модель позволяет разработать экспресс-анализ косвенной оценки элементного состава и процентного содержания дисперсных примесей в исследуемом пространстве кабины электровоза.
Литература
1. Пат. 2105302 РФ, G01N29/14 Способ определения концентрации твердой фазы пылегазового потока / В.П. Журавлев, Г.С. Учитель, О.А. Торопов, В.В. Муханов, А.И. Пуресев, Е.А. Малых, В.А. Лепихова. — 96107578/25 (22) - Заявл. 18.04.96; Опубл. 20.02.98, Бюл. № 5.
2. Бендат Дж., Пирсол А. Измерения и анализ случайных процессов / Пер. с англ. – М.: Мир, 1974. – 463 с.
3. Деч Г. Руководство к практическому применению преобразования Лапласа / Пер. с нем. — М.: Наука, 1965. — 287 с.
4.Кушнарев Ф.А. О развитии энергетики региона в новых условиях,// Экологически чистая энергетика: Тезисы докладов науч. – техн. Конференции Новочеркасский государственный технический университет, Новочеркасск, 1994, с 4-6.