Wykaz Projektów
Streszczenie

System zdalnego monitoringu parametrów wibroakustycznych środowiska pracy z wykorzystaniem źródeł energii odnawialnej do jego zasilania

Kierownik projektu: dr inż. Leszek Morzyński

Streszczenie projektu:

 

Celem głównym zadania było opracowanie systemu zdalnego monitoringu parametrów wibroakustycznych środowiska pracy, w którym w szczególności wykorzystywane byłyby autonomiczne układy pomiarowe zasilane z wykorzystaniem odnawialnych źródeł energii (OZE).

W ramach realizacji 1. etapu zadania określono strukturę oraz wymagania dla poszczególnych elementów systemu zdalnego monitoringu parametrów wibroakustycznych środowiska pracy. Działanie opracowanego w ramach zadania systemu polega na ciągłym monitorowaniu tych parametrów przez zespół układów pomiarowych rozmieszczonych w wybranych punktach zakładu pracy i przesyłających dane o zagrożeniu do centrali systemu poprzez bezprzewodową sieć transmisji danych. Na podstawie docierających do centrali systemu danych na temat zagrożeń czynnikami wibroakustycznymi osoba odpowiedzialna za bezpieczeństwo i higienę pracy może sporządzić plan działań profilaktycznych. Opracowany system składa się z autonomicznych układów pomiarowych hałasu i drgań mechanicznych oraz centrali systemu połączonych ze sobą siecią bezprzewodowej transmisji danych. Do zasilania układów pomiarowych drgań i hałasu postanowiono wykorzystać trzy rodzaje OZE: słonecznej, termicznej i mechanicznej. Na bazie doświadczeń zdobytych przy realizacji wcześniejszych prac badawczych przyjęto, że do realizacji bezprzewodowej transmisji danych zostanie wykorzystany protokół ZigBee. W 1. etapie realizacji zadania przeprowadzono badania generatorów elektrycznych wykorzystujących do produkcji energii energię słoneczną, termiczną i drgań mechanicznych.

Celem 2. etapu było opracowanie modelu systemu zdalnego monitoringu parametrów wibroakustycznych środowiska pracy. Przy realizacji modelu szczególną uwagę poświęcono układom zasilania wykorzystującym odnawialne źródła energii. W 2. etapie realizacji zadania opracowano i zbadano cztery rodzaje generatorów termoelektrycznych, sześć rodzajów generatorów indukcyjnych i elektrycznych oraz zbadano dwa rodzaje ogniw fotowoltaicznych. W ramach realizacji modelu systemu opracowano trzy rodzaje układów pomiarowych – hałasu oraz drgań mechanicznych miejscowych i ogólnych, jak również oprogramowanie centrali systemu.

W 3. etapie realizacji zadania opracowano kolejne wersje rozwojowe modeli układów pomiarowych i zasilających. Wprowadzono niezbędne modyfikacje w ich konstrukcji wynikające z badań przeprowadzonych w poprzednim etapie realizacji zadania oraz poddano miniaturyzacji zaprojektowane obwody elektroniczne. Dla układów pomiarowych i zasilających wykonano odpowiednie obudowy z aluminium i tworzyw sztucznych, przybliżając ich konstrukcję do rozwiązań prototypowych. Uwzględniając założenie o modularności budowy mierników, zaproponowano wykonanie połączenia obu układów na postawie złącza typu banan zapewniającego dobre połączenie elektryczne oraz stabilne połączenie mechaniczne obu układów, a jednocześnie łatwe łączenie i rozłączanie układów. Zaprojektowano i wykonano układy aktywnych filtrów korekcyjnych na niezależnej płytce drukowanej wpinanej w płytkę bazową układu pomiarowego. Do układów pomiarowych wykonano własne rozwiązania konstrukcyjne mikrofonu oraz akcelerometrów. Wprowadzono modyfikacje konstrukcji paneli

Zadanie 2.Z.15. Model systemu

fotowoltaicznych oraz generatora termicznego w postaci różnego typu uchwytów (w tym magnetycznych) ułatwiającego ich zastosowanie w warunkach przemysłowych. Dla każdego typu generatora opracowano i wykonano zmodyfikowany model układu zasilającego. Opracowano również niezbędne oprogramowanie sterujące pracą układów pomiarowych oraz dokonano weryfikacji programowania centrali systemu.

Opracowane układy pomiarowe wyskalowano, a następnie przebadano w warunkach laboratoryjnych. Skalowanie układów pomiarowych obejmowało dobór wzmocnień w torach analogowych sygnałów do przetwarzanych wielkości i czułości zastosowanych detektorów pomiarowych oraz wyznaczenie współczynników skalujących pozwalających przełożyć wynik przetwarzania układu w postaci bezwymiarowej liczby na wartość odpowiedniej wielkości fizycznej. Badania laboratoryjne układów pomiarowych hałasu przeprowadzono dla sygnałów tonalnych z zakresu od 100 do 8000 Hz oraz szumu białego i różowego o poziomach od 75 do 115 dB. Dla sygnałów tonalnych od 250 do 4000 Hz błąd pomiaru był w większości przypadków mniejszy niż 1 dB. Dla częstotliwości 8000 Hz odnotowano wskazania zawyżone o 5 dB co wynika z charakterystyki częstotliwościowej wkładki mikrofonowej. Dla tonów o częstotliwości 100 Hz oraz dla szumu różowego zaobserwowano zaniżone wskazania układu pomiarowego, a błąd wskazania dochodził do 5 dB dla sygnałów o najwyższych poziomach. Błędy te wynikają z ograniczonej dynamiki przetwarzania układu pomiarowego.

Badania układów pomiarowych drgań mechanicznych przeprowadzono dla drganiowych sygnałów sinusoidalnych z zakresu od 4 do 200 Hz (dla drgań ogólnych) lub 1600 Hz dla drgań miejscowych i o różnych wartościach przyspieszeń. Dla środkowych zakresów pasm drgań (8–31 Hz dla drgań ogólnych i 31–200 Hz dla drgań miejscowych) odnotowano błędy pomiarowe nie większe niż 10%. Dla skrajnych częstotliwości pasma przetwarzania wielkości błędów zwiększały się i dochodziły w skrajnych przypadkach do 70%, przy czym błąd rósł wraz ze wzrostem wartości przyspieszenia. Zwiększone błędy pomiarowe na krańcach pasma pomiarowego wynikają zarówno z ograniczonego zakresu przetwarzania akcelerometru MEMS, jak i z ograniczonej dynamiki przetwarzania układu.

W 3. etapie zadania przeprowadzono badania systemu w warunkach rzeczywistych – w zakładzie przemysłowym – sprawdzając jednocześnie prawidłowość funkcjonowania sieci bezprzewodowej transmisji danych oraz zasilanie układów pomiarowych ze źródeł odnawialnych. Miejscem prowadzenia tych badań była hala produkcyjna zakładu wytwarzającego wyroby metalowe. Uzyskano skuteczny zasięg transmisji sygnału w łączności bezprzewodowej wynoszący ponad 50 metrów, co jest dobrym rezultatem zważywszy na niekorzystne warunki propagacji fali elektromagnetycznej w hali.

W warunkach hali przemysłowej sprawdzono też możliwości wykorzystania odnawialnych źródeł energii. Jako źródła energii termicznej wykorzystano piece do obróbki termicznej wyrobów stalowych. Przy temperaturze obudowy pieca dochodzącej do 60 °C uzyskano moce elektryczne generatora dochodzące do 26mW. Badania z użyciem panelu fotowoltaicznego wykazały, że w zastanych warunkach oświetlenia nie stanowiły one efektywnego źródła zasilania, a ich moc elektryczna nie przekraczała 5 mW. Natomiast na zewnątrz hali moc elektryczna panelu wzrastała do 170 mW, co wskazuje, że ten rodzaj zasilania powinien być stosowany głównie w warunkach zewnętrznych.

Badania układów pomiarowych hałasu przeprowadzono w pięciu punktach na hali produkcyjnej. Dominującym źródłem hałasu na hali w czasie normalnej pracy były młoty kuźnicze. W czasie przerwy w pracy dominującym źródłem hałasu były wentylatory i pompy urządzeń znajdujących się na hali. Dla pomiarów wykonanych w czasie przerwy w pracy oraz w oddaleniu od młotów błąd oceny poziomu równoważnego dźwięku A dla pięciominutowego czasu ekspozycji nie przekraczał 1 dB. W przypadku pomiarów w bezpośredniej bliskości młotów, gdzie dominował hałas impulsowy, błąd oceny był większy i dochodził do 7 dB. Zmniejszenie tego błędu dla hałasu impulsowego jest możliwe przez skrócenie czasu między kolejnymi pomiarami, jednak zwiększa to zapotrzebowanie miernika na energię elektryczną.

Badania układu pomiarowego drgań ogólnych przeprowadzono w warunkach przemysłowych oraz w pojeździe samochodowym. W warunkach przemysłowych sprawdzono poprawność oceny uśrednionych przyspieszeń drgań dla dominującego kierunku drgań (z) na podeście wokół młota kuźniczego. Błąd oceny wartości skutecznej przyspieszenia drgań za czas pomiaru przyspieszenia drgań nie przekraczał 20%. Badania w pojeździe samochodowym przeprowadzono podczas jazdy po nierównej nawierzchni. Błąd pomiaru dla składowej dominującej z nie przekraczał 3%, natomiast dla składowych x i y błędy pomiaru nie przekraczały 48%

Badania układu pomiarowego drgań miejscowych przeprowadzono dla narzędzi ręcznych w postaci młota udarowego małej mocy oraz szlifierki oscylacyjnej. Błąd pomiaru uśrednianego przyspieszenia drgań dla młota udarowego zawierał się w przedziale od 6,6 do 15,3%, natomiast dla szlifierki oscylacyjnej w zakresie od 4,3 do 26% w zależności od kierunku drgań.

Wyniki przeprowadzonych badań wskazują, że model systemu działa prawidłowo w warunkach rzeczywistych oraz umożliwia ocenę zagrożenia hałasem i drganiami mechanicznymi w środowisku pracy, niemniej jednak podczas opracowywania prototypu systemu należy zwrócić uwagę na możliwość wprowadzenia dodatkowych rozwiązań technicznych zwiększających dokładność systemu.

W 3. etapie realizacji zadania opracowano również dokumentację techniczną systemu. Dla opracowanego rozwiązania przygotowano zastrzeżenie na wzór użytkowy. Model systemu zaprezentowano również targach, gdzie rozwiązane to nagrodzono złotym medalem.

W ramach upowszechniania wyników badań opracowano materiały informacyjne do umieszczenia na stronach serwisu internetowego CIOP-PIB oraz przygotowano publikację do czasopisma o zasięgu krajowym. Wyniki przedstawiono również na 1 konferencji o zasięgu krajowym i 1 o zasięgu międzynarodowym.

 



Jednostka: Pracownia Aktywnych Metod Redukcji Hałasu

Okres realizacji: 01.01.2014 – 31.12.2016