BADANIA ELEMENTÓW PIEZOELEKTRYCZNYCH W KONTEKŚCIE BUDOWY PRZETWORNIKA SAMOZASILAJĄCEGO

MODELOWANIE INŻYNIERSKIE nr 3, ISSN 896-77X BADANIA ELEMENTÓW PIEZOELEKTRYCZNYCH W KONTEKŚCIE BUDOWY PRZETWORNIKA SAMOZASILAJĄCEGO Krzysztof Stankiewicz, Dariusz Jasiulek, Jerzy Jagoda Instytut Techniki Górniczej KOMAG kstankiewicz@komag.eu, djasiulek@komag.eu, jagoda@komag.eu Streszczenie Obecnie, zwłaszcza w zakresie monitorowania maszyn i w systemach inteligentnych budynków, coraz częściej stosowane są przetworniki z autozasilaniem. Wykorzystują one zjawiska fizyczne takie jak: różnica temperatury, drgania lub światło do generowania energii zasilającej przetwornik (ang. energy harvesting pozyskiwanie energii). Przeprowadzona analiza dostępnych rozwiązań wykazała, że istnieją możliwości zastosowania ich w systemach automatyki i diagnostyki maszyn i urządzeń górniczych. W artykule przedstawiono wyniki badań wybranych elementów piezoelektrycznych w kontekście budowy przetwornika samozasilającego. Słowa kluczowe: automatyka, energy harvesting, czujniki samo-zasilające, atmosfera wybuchowa TESTS OF PIEZOELECTRIC TRANSDUCERS IN A CONTEXT OF DESIGN OF A SELF-SUPPLYING SENSOR Summary At present sensors with auto-supply, using physical phenomena such as temperature difference, vibrations or light for conversion and generation of power supplying the sensor (energy harvesting), become more and more popular on the market, especially in the monitoring systems of machines and intelligent buildings. Initial analysis of such solutions showed that there is a chance to use this technology in automation and diagnostics systems addressed to the mining industry. Results of the tests of selected piezoelectric transducers are presented in the context of their use in a design of a self-supplying sensor. Keywords: automation, energy harvesting, auto-supply sensors, explosive atmosphere. WSTĘP Monitorowanie oraz automatyzacja maszyn i urządzeń górniczych wymusza na producentach opracowywanie i wdrażanie coraz nowszych rozwiązań [9]. W przypadku przestrzeni zagrożonych wybuchem metanu i/lub pyłu węglowego wdrażanie nowoczesnych technologii jest uwarunkowane stosowaniem specjalnych konstrukcji. Coraz popularniejsze stają się rozproszone systemy sterowania, bazujące na sieciach przemysłowych, takich jak magistrala CAN [, 4, ] lub Ethernet []. Sieci przemysłowe ograniczają liczbę przewodów w układach zasilania i sterowania maszyn, w praktyce jednak konieczne jest prowadzenie przewodu sieciowego oraz przewodu zasilającego (często w jednej osłonie). Istnieją przetworniki, które przesyłają sygnały za pomocą sieci bezprzewodowej, jednak wymagają prowadzenia przewodu zasilającego (opcjonalnie zasilane są bateryjnie). W celu dostosowania systemów diagnostyki maszyn i urządzeń górniczych specjaliści ITG KOMAG prowadzą prace badawcze nad wdrożeniem bezprzewodowej 4

Krzysztof Stankiewicz, Dariusz Jasiulek, Jerzy Jagoda sieci przetworników samozasilających, w której wyeliminowano by prowadzenie przewodów oraz zasilanie bateryjne. Wstępna analiza w zakresie monitorowania maszyn i urządzeń górniczych wykazała, że istnieją możliwości zastosowania przetworników samozasilających w systemach automatyki i diagnostyki maszyn i urządzeń górniczych [3, 6, 4,, ]. Przetworniki samozasilające będą dedykowane do pracy w sieciach bezprzewodowych. Będą to sieci ze zmienną strukturą, co wymusza specyfika robót górniczych [, 3]. Przetworniki samozasilające, poza czujnikiem pomiarowym i układem przesyłu sygnału, wymagają również zastosowania procesora zarządzającego energią oraz konfiguracją ustawień sieciowych. W niniejszym artykule przedstawiono wyniki badań elementów piezoelektrycznych, przeprowadzonych w warunkach laboratoryjnych oraz w warunkach odzwierciedlających rzeczywiste (silnik spalinowy Volvo Penta DAT). Badania prowadzono z wykorzystaniem elementów piezoelektrycznych MIDE VBL i VW. Celem było określenie przydatności wytypowanych elementów piezoelektrycznych do budowy przetwornika samozasilającego, przeznaczonego do zastosowania w strefach zagrożonych wybuchem metanu i/lub pyłu węglowego wykorzystującego do zasilania energię drgań mechanicznych.. BUDOWA PRZETWORNIKA SAMOZASILAJĄCEGO Przetwornik samozasilajacy, bezprzewodowy, składa się z czterech podstawowych modułów (rys.): czujnika pomiarowego w zależności od typu czujnika może to być np. piezoelektryczny element do pomiaru drgań, termopara do pomiaru temperatury lub element do pomiaru ciśnienia; procesora parametr fizyczny zmierzony przez czujnik pomiarowy jest przetwarzany z postaci analogowej na postać cyfrową i przesłany drogą radiową, przy czym procesor realizuje również funkcje związane z organizacją sieci bezprzewodowej; układu radiowej transmisji danych na podstawie analizy dostępnych na rynku systemów stwierdzono, że standardem radiowej wymiany danych, który najlepiej nadaje się do zastosowania w czujnikach bezprzewodowych, jest ZigBee (układ transmisji radiowej ma za zadanie przesłanie przetworzonego sygnału cyfrowego do odbiornika); zasilania źródło zasilania bazujące na elementach piezoelektrycznych umożliwia zasilenie wszystkich podzespołów czujnika. Czujnik pomiarowy Rys.. Uproszczony schemat przetwornika bezprzewodowego [6] Spośród dostępnych na rynku elementów piezoelektrycznych wytypowano dwa, które poddano badaniom [6]. Elementy firmy MIDE VBL i VW wytypowano na podstawie parametrów, gabarytów oraz konstrukcji, umożliwiających zabudowę w projektowanym przetworniku samozasilającym. 3. BADANIA WYBRANYCH ELEMENTÓW PIEZOELEKTRYCZNYCH Badania przeprowadzono w dwóch etapach: badania laboratoryjne z wykorzystaniem generatora drgań, badania w warunkach zbliżonych do rzeczywistych, z wykorzystaniem silnika Volvo Penta DAT. Podczas badań rejestrowano napięcie generowane przez poszczególne elementy piezoelektryczne, przy różnych wartościach częstotliwości drgań przy różnych prędkościach obrotowych silnika spalinowego. Wyznaczono również charakterystyki częstotliwościowe w odniesieniu do poszczególnych prędkości obrotowych silnika oraz parametry zasilania generowane przez układ elektroniczny z symulowanym obciążeniem, połączonym z elementem piezoelektrycznym (rys. ). 3.. BADANIA LABORATORYJNE Z WYKORZYSTANIEM GENERATORA DRGAŃ Układ pomiarowy Procesor ZASILANIE Układ radiowej transmisji danych Element piezoelektryczny przytwierdzono do wykonanego na potrzeby pracy wzbudnika drgań [6]. Układ zasilono z generatora sygnału poprzez wzmacniacz. Częstotliwości wzbudzenia wynosiły od 3Hz do 7Hz. Przebiegi oraz wartość amplitudy napięcia generowanego przez element piezoelektryczny obserwowano na oscyloskopie i rejestrowano w postaci plików. Parametry rzeczywiste elementów piezoelektrycznych są wyższe od tych przestawionych w danych katalogowych. Na podstawie otrzymanych wyników oraz korzystając z dokumentacji technicznej dołączonej do elementu piezoelektrycznego, obliczono rezystancję wewnętrzną piezoelementu (korzystając ze wzoru ).

BADANIA ELEMENTÓW PIEZOELEKTRYCZNYCH W KONTEKŚCIE BUDOWY gdzie: R[ U ] = P MAX [ V ] [ W ] Ω () PMAX moc maksymalna elementu piezoelektrycznego, U napięcie zmierzone na wyjściu elementu piezoelektrycznego, R rezystancja wewnętrzna elementu piezoelektrycznego. Rezystancja wewnętrzna elementów piezoelektrycznych posiada dużą wartość (setki kω). W celu optymalnego wykorzystania źródła napięcia o tak dużej rezystancji wewnętrznej zdecydowano się na zastosowanie przetwornicy LT388 firmy Linear Technology. Na rys. przedstawiono schemat układu pomiarowego. Podstawowym elementem zastosowanego układu elektronicznego jest przetwornica LTC388. Na schemacie przyjęto następujące oznaczenia: UIN napięcie wejściowe, generowane przez badany element piezoelektryczny, UOUT napięcie wyjściowe, do zasilania odbiornika (symulowanego obciążenia), UPGOOD stan pracy układu jedynka logiczna. Rys.. Schemat układu pomiarowego [6] Maksymalne obciążenie pracy ciągłej przy 3,3V [kω] 3 3 4 4 6 Maksymalne obciążenie pracy ciągłej przy 3,3V [kω] P [mw] Rys. 4. Wyniki badań elementu VBL [6] Wyniki pomiarów pokazały, że ważne jest dostrojenie elementu piezoelektrycznego odpowiednio dobraną masą. Jak wynika z wykresu przedstawionego na rys. 4, w przypadku dostrojenia do Hz maksymalne obciążenie przy pracy ciągłej i przy napięciu 3,3[V] wynosi,9[kω], P =,84[mW], przekroczenie tej wartości o % powoduje spadek mocy. Element piezoelektryczny VW Element piezoelektryczny obciążano tak, aby częstotliwość drgań własnych wynosiła około Hz (zgodnie z kartą katalogową) []. Wzbudzono drgania o przyśpieszeniu w przybliżeniu równym przyśpieszeniu ziemskiemu. Element podłączono do układu elektronicznego (rys.). Z wykresu przedstawionego na rys. 6 wynika, że podobnie jak w przypadku elementu VBL maksymalne obciążenie pracy ciągłej przy napięciu 3,3[V] wynosi 7,3[kΩ], P=,49[mW], przekroczenie tej wartości o % powoduje spadek mocy. Element VW, w odróżnieniu od elementu VBL, jest bardzo czuły na obniżanie częstotliwości drgań (rys. 6).,9,8,7,6,,4,3,, P [mw] Element piezoelektryczny VBL Pierwszym elementem piezoelektrycznym, który poddano badaniom, był element MIDE VBL (rys. 3). Rys.3. Element piezoelektryczny VBL (wymiary w calach) [] Rys.. Element piezoelektryczny VW-ND (wymiary w calach) [] 6

Krzysztof Stankiewicz, Dariusz Jasiulek, Jerzy Jagoda Maksymalne obciążenie pracy ciągłej przy 3,3V [kω] 3,6,4,,8,6,4, P [mw] zdecydowano o zastosowaniu masy g, która odpowiada częstotliwości 6Hz. Na rys. 7 i 8 przestawiono wyniki analizy FFT sygnału generowanego przez czujnik ICP oraz element piezoelektryczny VBL w przypadku prędkości obrotowej silnka, odpowiednio 6 obr/min oraz 47 obr/min. W trakcie badań elementy były instalowane w położeniu poziomym (rys. 9) za pomocą uchwytu magnetycznego. 3 3 4 4 6 6 7 3,3 Maksymalne obciążenie pracy ciągłej przy 3,3V [kω] P [mw] Rys. 6. Wyniki badań elementu VW [6] Moc generowana przez element VW jest dwukrotnie większa w stosunku do elementu VBL, przy tych samych parametrach drgań, natomiast jego gabaryty oraz duża czułość na precyzyjne dostrojenie do częstotliwości drgań wybranej maszyny powoduje, że nie może być on zastosowany w konstrukcji przetwornika samozasilającego. 3.. BADANIA W WARUNKACH RZECZYWISTYCH Badania przeprowadzono na silniku spalinowym Volvo Penta DAT, w hali badawczej ITG KOMAG. Silnik zainstalowano na hamowni, w celu zadawania momentu obciążającego. W trakcie badań (rys. ) rejestrowano napięcie generowane przez element VBL, parametry pracy przetwornicy (napięcie wejściowe i wyjściowe) oraz wykonano pomiary drgań czujnikiem akcelerometrycznym firmy TROLEX (czujnik ICP). Celem badań była weryfikacja wyników badań laboratoryjnych w warunkach zbliżonych do rzeczywistych. Badania pozwoliły na określenie, w jaki sposób przygotowany układ elektroniczny sprawdza się podczas zmiennych warunków pracy. W trakcie badań za pomocą oscyloskopu mierzono napięcie w wybranych punktach układu elektronicznego - przedstawiono na rys.. napięcie generowane przez element piezoelektryczny oraz drgania silnika. W trakcie badań wykonano 9 pomiarów przy różnych obrotach silnika. W pierwszym etapie badań zarejestrowano drgania silnika przy różnych prędkościach obrotowych (w zakresie od 8 do 796 obr/min). Następnie przeprowadzono analizę FFT sygnału zarejestrowanego przez czujnik ICP oraz przez element piezoelektryczny, która pozwoliła określić dostosowanie elementu piezoelektrycznego do zmiennej częstotliwości drgań silnika. Analiza częstotliwości drgań silnika wykazała, że częstotliwość charakterystyczna, w przypadku której występuje największa amplituda drgań, zmienia się w zakresie od 6 do Hz. W przypadku maszyn mobilnych, nie ma możliwości zmiany masy obciążającej element piezoelektryczny. Zgodnie z kartą katalogową, Amplituda [mv] - VBL-ND,,, 4 6 8 4 6 8,3,,,,, Amplituda [mv] - czujnik drgań VBL-ND Czujnik drgań Rys. 7. Widmo amplitudowe sygnału generowanego przez czujnik ICP oraz elementu piezoelektrycznego VBL w odniesieniu do prędkości obrotowej silnika 6 obr/min [6] Amplituda [mv] Czujnik ICP,3,3,,,,, 4 6 8 4 6 8 Czujnik drgań,8,6,4,,8,6,4, Amplituda [mv] VBL- ND VBL-ND Rys. 8. Widmo amplitudowe sygnału generowanego przez czujnik ICP oraz elementu piezoelektrycznego VBL w odniesieniu do prędkości obrotowej silnika 47 obr/min [6] Rys. 9. Montaż elementu piezoelektrycznego VBL Rys.. stanowisko pomiarowe [6] 7

BADANIA ELEMENTÓW PIEZOELEKTRYCZNYCH W KONTEKŚCIE BUDOWY W kolejnym etapie badań podłączono element piezoelektryczny do układu elektronicznego wraz z przetwornicą, odpowiedzialnego za zarządzanie generowaną energią. Element umieszczono na silniku i podłączano do aparatury pomiarowej. Prędkość obrotową silnika zmieniano w zakresie od 8 do 3 obr/min. Na rys. przedstawiono przykładowy przebieg czasowy sygnałów zarejestrowanych w trakcie pomiaru (rys. : napięcia UIN zmierzone na kondensatorze wejściowym, napięcia UOUT zmierzone na kondensatorze wyjściowym oraz napięcie UPGOOD). Sygnał PGOOD był w stanie wysokim przez,s w okresach co około,3s, przy obciążeniu symulującym działanie układu pomiarowego oraz radiowego. Na rys. przedstawiono analizę częstotliwościową sygnału napięciowego generowanego przez element piezoelektryczny VBL. Napięcie [V] 6 4 3,,4,6,8 Czas [s] Uout UPgood Uin Rys.. Przykładowy przebieg czasowy sygnałów napięciowych zarejestrowanych w trakcie badań [6] Amplituda [V} 6 4 3 Przyjęto, że minimalny czas działania układu elektronicznego wraz z układem radiowym powinien wynosić ms. Wyniki uzyskane w trakcie badań potwierdzają możliwość budowy przetwornika bezprzewodowego, samozasilającego, bazującego na elemencie piezoelektrycznym. 4. PODSUMOWANIE Projektowanie oraz modernizacja układów sterowania maszyn górniczych wymaga prowadzenia wielu przewodów zasilająco-sterowniczych, w odpowiedniej przestrzeni, przy ryzyku ich uszkodzenia. Sposobem na rozwiązanie wymienionych problemów może być zastosowanie przetworników z autozasilaniem, wykorzystujących np. energię drgań mechanicznych. Badania elementów piezoelektrycznych wykonano w warunkach laboratoryjnych z zastosowaniem silnika spalinowego stosowanego w konstrukcjach maszyn górniczych. Wyniki badań pozwoliły na wytypowanie elementu VBL do prowadzenia dalszych prac związanych z konstrukcją przetwornika samozasilającego. Wyniki badań wykazały, że jest możliwe zasilenie układu elektronicznego z mikrokontrolerem i układem radiowym (o napięciu 3,3V, prądzie 3mA) elementem piezoelektrycznym. Na wytworzenie określonej ilości energii przy użyciu elementu piezoelektrycznego ma wpływ częstotliwość oraz amplituda drgań wymuszających odkształcenie elementu piezoelektrycznego. Częstotliwość drgań powinna być zbliżona do częstotliwości drgań własnych elementu. Element piezoelektryczny VBL będzie elementem składowym przetworników samozasilających, wchodzących w skład systemu monitorowanie wybranych wielkości fizycznych w wybranych miejscach maszyn lub ciągów technologicznych w kopalniach węgla kamiennego. 3 4 6 7 8 9 Rys.. Widmo amplitudowe sygnału napięciowego generowanego przez element piezoelektryczny VBL [6] Literatura. Bartoszek S., Jagoda J., Jura J.: System diagnostyczny ładowarki bocznie wysypującej bazujący na iskrobezpiecznej magistrali CAN. Szybkobieżne Pojazdy Gąsienicowe 3, (3) nr, s. 47-6.. Bartoszek S., Jagoda J., Jasiulek D., Jura J., Latos M., Stankiewicz K.: System wibrodiagnostyczny maszyn górniczych. W: Monografia KOMTECH 3 Innowacyjne techniki i technologie dla górnictwa - bezpieczeństwo efektywność niezawodność. Gliwice: Instytut Techniki Górniczej KOMAG, 3, s. 347-363. 3. Chuchnowski W., Tokarczyk J., Stankiewicz K., Woszczyński M.: Method for modelling temperature distribution in exhaust system of diesel engine in the light of mine systems of heat recuperation, Journal of KONES Powertrain and Transport, Vol. 8, No., p. -8. 4. Jura J., Bartoszek S., Jagoda J., Jasiulek D., Stankiewicz K., Krzak Ł.: System sterowania rozproszonego KOGASTER. W: Monografia KOMTECH 3 Innowacyjne techniki i technologie dla górnictwa - bezpieczeństwo- efektywność niezawodność. Gliwice:, Instytut Techniki Górniczej KOMAG, 3 s. 39-33. 8

Krzysztof Stankiewicz, Dariusz Jasiulek, Jerzy Jagoda. Jura J., Bartoszek S., Jagoda J., Jasiulek D., Stankiewicz K.: System sterowania rozproszonego maszyn górniczych. Monografia. W: KOMTECH, Innowacyjne techniki i technologie dla górnictwa : - bezpieczeństwo - efektywność niezawodność. Gliwice: Instytut Techniki Górniczej KOMAG, s. 89-3 6. Jasiulek D. i in.: Alternatywne źródło zasilania czujników stosowanych w górnictwie. Gliwice: ITG KOMAG Gliwice (materiały niepublikowane). 7. Jasiulek D., Stankiewicz K., Jagoda J.: Możliwości zastosowania czujników samozasilających się przeznaczonych do pracy w podziemiach kopalń. Mechanizacja i Automatyzacja Górnictwa 3 nr 8(9), s. 73-8. 8. Jasiulek D.: Propozycje zastosowania czujników samozasilających się w przemyśle wydobywczym. Przegląd Górniczy 4, nr, s. 9-. 9. Jasiulek D., Świder J.: Mechatronic systems in mining roadheaders examples of solutions. Pomiary, automatyka, robotyka 3 nr, s. -7.. Karta katalogowa przetworników piezoelektrycznych MIDE Volture.. Stankiewicz K., Woszczyński M.: Metody odzyskiwania i przetwarzania energii cieplnej. Maszyny Górnicze nr, s. 39-46. Stankiewicz K.: Koncepcja metody samoorganizacji złożonego systemu komunikacyjnego do zastosowań w górnictwie. W: Monografia KOMTECH Innowacyjne techniki i technologie dla górnictwa -.bezpieczeństwo efektywność niezawodność. Gliwice: Instytut Techniki Górniczej KOMAG,, s. 39-337 3. Stankiewicz K.: Metoda samoorganizacji roju w monitorowaniu i sterowaniu urządzeń w warunkach wyrobisk podziemnych. Maszyny Górnicze nr 4, s. -3. 9