Трансмембранный перенос

3.Комплекс должен питаться от бытовой сети переменного тока напряжением 220В.

4.В качестве пользовательского интерфейса предусмотрен ЖК-дисплей,

отображающий параметры воздействия (частоту колебаний, величину

возникающих ускорений), а также панель управления частотой вибрации.

5.Также конструкция должна предусматривать отверстия для забора жидкости от рабочего органа установки.

6.Корпус должен иметь прозрачные стенки и подсветку обеспечивающие визуальный контроль проведения эксперимента.

7.Установка должна предусматривать защитный кожух,

предостерегающий от попадания посторонних предметов в зону вращения

дебаланса.

		Лист
Изм. Лист № докум. Подпись Дата	ВКР- 220200-08.КИТП-0.00.00.ПЗ	15

2. Описание автоматизированного комплекса для исследования трансмембранного переноса жидкости

2.1 Описание конструкции устройства

Общий вид автоматизированного комплекса для исследования трансмембранного переноса жидкости представлен на рисунке 2.1.

Основу конструкции составляет прозрачный цилиндр 9 закрепленный в пластине 4, установленной на направляющих 6 и удерживаемой восьмью пружинами 7. Направляющие жестко связаны с пластиной 8, закрывающей прозрачный стакан 10. Вибровозбудитель, представляющий собой электродвигатель постоянного тока 1 с асимметрично закрепленной массой 2

на оси, установлен на пластине 4. Также имеются два регулируемых ограничителя 3 для реализации ударного воздействия. На пластине 4 также установлены датчик ускорения ADXL150 17 и цифровой датчик Холла 18. В

конструкции предусмотрено также технологическое отверстие 5 для забора жидкости из стакана 10. Вся конструкция закреплена на крышке блока управления 11. На передней панели блока расположены элементы пользовательского интерфейса: ЖК-дисплей 14, кнопки управления стендом

15, переключатель режимов индикации 14. На боковой стороне блока расположен выключатель питания 15, и разъем для подключения стенда к бытовой сети 16.

		Лист
Изм. Лист № докум. Подпись Дата	ВКР- 220200-08.КИТП-0.00.00.ПЗ	16

		18	1
			2
		17
			3
			4
			5
			6
			7
			8
			9
			10
			11
			12
		16	13
		15	14
		Рисунок 2.1 - Общий вид автоматизированного комплекса для
	исследования трансмембранного переноса жидкости: 1 – электродвигатель; 2
		– дебаланс, 3 – ограничитель перемещения, 4 - подвижное основание
	двигателя, 5 – технологическое отверстие для забора жидкости, 6 – шпилька-
		направляющая, 7 – пружина, 8 – крышка прозрачного стакана, 9 –
	прозрачный цилиндр, 10 – стакан; 11 – блок управления, 12 – переключатель
		режимов индикации, 13 – кнопки ЦСАУ, 14 – жидкокристаллический
		дисплей, 15 – выключатель питания , 16 – сетевой разъем, 17 – датчик
		ускорения ADXL150, 18 – датчик частоты вращения дебаланса HAL508
			Лист
			ВКР- 220200-08.КИТП-0.00.00.ПЗ	17
	Изм. Лист	№ докум.	Подпись Дата

2.2 Описание методики проведения исследований с помощью разрабатываемого комплекса

На рис. 2.2 показана схема исследования эффектов переноса жидкости через мембрану. Рассмотрим методику проведения экспериментальных исследований.

1

2

3

4

5

Рисунок 2.2 - Схема проведения эксперимента

а) Статическое нагружение.

Эксперименты проводятся следующим образом. На прозрачном цилиндре 1 с помощью липкой ленты крепится мембрана 3, затем с помощью шприца, цилиндр 1 наполняется исследуемой жидкостью 2 (объем до 4.103

мм3.) Для удобства заполнение производится уже при собранной конструкции через технологические отверстия. Жидкость, проникая через мембрану, растворяется в дистиллированной воде 4, которой наполнен стакан 5. Через равные промежутки времени с помощью шприца производиться забор жидкости 4 из стакана 5 (не разбирая конструкции). У

собранной жидкости определяется показатель преломления с помощью портативного рефрактометра «Карат-МТ» (рис. 2.4) (технические данные и характеристики приведены в табл. 2.1). Зная изменение показателя преломления жидкости 4, мы можем определить изменение концентрации растворенной в ней жидкости 2. Для этого был построен калибровочный график (рис. 2.3).

		Лист
Изм. Лист № докум. Подпись Дата	ВКР- 220200-08.КИТП-0.00.00.ПЗ	18

плотность	1.37
	1.36
1	1.35
D
Оптическая	1.34
	1.33 0	5	10	15	20	25	30
				D 0
				Концентрация, %
		Рисунок 2.3 - Калибровочный график
б)	Вибрационное нагружение.
По аналогичной методике проводятся экспериментальные исследования
при вибрационном воздействии с использованием дебалансного
вибровозбудителя.

Рисунок 2.4 - Внешний вид портативного рефрактометра «Карат-МТ»

		Лист
Изм. Лист № докум. Подпись Дата	ВКР- 220200-08.КИТП-0.00.00.ПЗ	19

Таблица 2.1 - Основные технические данные и характеристики портативного рефрактометра «Карат-МТ»

	Наименование параметра	Номинальная
		величина
	Диапазон измерения показателей преломления	1.3 – 1.5
	Цена деления шкалы по показателю преломления	1 . 10-3
	Предел допускаемой основной погрешности по показателю	±3 . 10-4
	преломления
	Габаритные размеры рефрактометра, мм, не более	83x70x143
	Масса рефрактометра, г, не более	700

		Лист
Изм. Лист № докум. Подпись Дата	ВКР- 220200-08.КИТП-0.00.00.ПЗ	20

3.Расчетно-конструкторский раздел

3.1Математическое моделирование рабочего органа устройства

Для исследования колебаний мембраны под действием возмущающего

воздействия и подбора параметров стенда была разработана расчетно-

динамическая схема устройства (Рис. 3.1.1).

Рисунок 3.1.1 - Расчетная схема установки

На этой схеме приняты следующие обозначения:

m – масса подвижной части установки; ωt – угол поворота дебаланса; с, b, – соответственно, коэффициенты жесткости и вязкости упруго-

диссипативного подвеса устройства по координатам OX. О – ось вращения дебаланса; l – длинна дебаланса.

Составим дифференциальное уравнение, описывающее механическое поведение исследуемой системы. Так как в системе имеются направляющие,

то подвижная часть установки имеет одну степень свободы:

		2	(1)
x	bx cx m l sin t

		Лист
Изм. Лист № докум. Подпись Дата	ВКР- 220200-08.КИТП-0.00.00.ПЗ	21

c c 1с2

b b 1b2

Вследствие наличия ограничителей в системе законы изменения силы упругости и силы вязкого сопротивления будут описываться нелинейными уравнениями:

если x z

если x z ,

если x z

если x z ,

где z – зазор между ограничителями.

(2)

(3)

Рисунок 3.1.2 - Законы изменения силы упругости и силы вязкого сопротивления

Далее приведем реализацию математической модели в пакете

MATLAB/Simulink. Условно, модель комплекса разделена на три блока,

рисунок 3.1.3.:

1 2 3

Рисунок 3.1.3 - Структурная схема установки в Simulink/MATLAB

В первом блоке произведено моделирование системы управления электродвигателем.

		Лист
Изм. Лист № докум. Подпись Дата	ВКР- 220200-08.КИТП-0.00.00.ПЗ	22

Во втором блоке – моделирование внешнего вибрационного воздействия, представляющего собой переменную силу инерции,

возникающую при вращении ассиметрично закрепленной массы на валу электродвигателя.

В третьем блоке проведено моделирование колебаний мембраны, путем численного решения дифференциального уравнения ее движения.

Передаточная функция двигателя постоянного тока по частоте вращения при управлении напряжением имеет вид:

W ( p)

1

1

, [1]

(4)

C

E

1 T

р Т

Я

Т

M

р2

M

где Т M

JR

J

0

- электромеханическая постоянная

времени

M 0

СE См

двигателя, Т Я

R

- электромагнитная постоянная времени якорной цепи,

0

L

и M 0 - скорость холостого хода и пусковой момент двигателя.

Для данного двигателя значения постоянных времени:

Тм = 0,35; Tя = 10-3

Се = 2

С учетом коэффициента усиления компаратора (=2), передаточная

функция прямого тракта системы примет вид:

	W0	( p)		1		.	(5)
			0.0035 р2	0.35 р 1

Для улучшения качества переходной функции будем использовать пропорционально-интегральный регулятор, коэффициенты которого подбираются экспериментально (kp = 3,46; ki=10).

		Лист
Изм. Лист № докум. Подпись Дата	ВКР- 220200-08.КИТП-0.00.00.ПЗ	23

Рисунок 3.1.4 - Структурная схема САУ в Simulink

Результаты моделирования представлены на рис. 3.1.5.

Рисунок 3.1.5 - Переходная функция САУ Для моделирования возмущающего воздействия численно решим

средствами Simulink правую часть уравнения 1, представляющую собой переменную силу инерции, возникающую при вращении дебаланса:

Fин m 2l sin t

(6)

На рис. 3.1.6. представлена схема моделирования, составленная на основе уравнения 6 (на вход In1 поступает значение частоты вращения двигателя):

Рисунок 3.1.6 - Моделирование возмущающего воздействия в Simulink

		Лист
Изм. Лист № докум. Подпись Дата	ВКР- 220200-08.КИТП-0.00.00.ПЗ	24