BADANIA ELEMENTÓW PIEZOELEKTRYCZNYCH W KONTEKŚCIE BUDOWY PRZETWORNIKA SAMOZASILAJĄCEGO

(1)

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

1. WSTĘP

Monitorowanie oraz automatyzacja maszyn i urzą- dzeń górniczych wymusza na producentach opracowy- wanie 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 przemysło- wych, takich jak magistrala CAN [1, 4, 5] lub Ethernet [2]. 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 pomo- cą sieci bezprzewodowej, jednak wymagają prowadzenia przewodu zasilającego (opcjonalnie zasilane są bateryj- nie).

W celu dostosowania systemów diagnostyki maszyn i urządzeń górniczych specjaliści ITG KOMAG prowa- dzą prace badawcze nad wdrożeniem bezprzewodowej

(2)

sieci przetworników samozasilających, w której wyelimi- nowano by prowadzenie przewodów oraz zasilanie bate- ryjne. Wstępna analiza w zakresie monitorowania maszyn i urządzeń górniczych wykazała, że istnieją możli- wości zastosowania przetworników samozasilających w systemach automatyki i diagnostyki maszyn i urządzeń górniczych [3, 6, 4, 5, 11]. Przetworniki samozasilające będą dedykowane do pracy w sieciach bezprzewodowych.

Będą to sieci ze zmienną strukturą, co wymusza specyfi- ka robót górniczych [12, 13]. Przetworniki samozasilają- ce, 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 od- zwierciedlających rzeczywiste (silnik spalinowy Volvo Penta D5AT). Badania prowadzono z wykorzystaniem elementów piezoelektrycznych MIDE V21BL i V25W.

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.

2. BUDOWA PRZETWORNIKA SAMOZASILAJĄCEGO

Przetwornik samozasilajacy, bezprzewodowy, składa się z czterech podstawowych modułów (rys.1):

• 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 ana- logowej na postać cyfrową i przesłany drogą radio- wą, 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 sy- gnału cyfrowego do odbiornika);

• zasilania – źródło zasilania bazujące na elementach piezoelektrycznych umożliwia zasilenie wszystkich podzespołów czujnika.

Rys. 1. Uproszczony schemat przetwornika bezprzewodowego [6]

Spośród dostępnych na rynku elementów piezoelektrycznych wytypowano dwa, które poddano badaniom [6].

Elementy firmy MIDE V21BL i V25W wytypowano na podstawie parametrów, gabarytów oraz konstrukcji, umożliwiających zabudowę w projektowanym przetwor- niku 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 D5AT.

Podczas badań rejestrowano napięcie generowane przez poszczególne elementy piezoelektryczne, przy różnych wartościach częstotliwości drgań przy różnych prędko- ściach 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. 2).

3.1. BADANIA LABORATORYJNE Z WYKORZYSTANIEM

GENERATORA DRGAŃ

Układ pomiarowy

Element piezoelektryczny przytwierdzono do wykonane- go na potrzeby pracy wzbudnika drgań [6]. Układ zasi- lono z generatora sygnału poprzez wzmacniacz. Często- tliwości wzbudzenia wynosiły od 30Hz do 70Hz. Przebie- gi oraz wartość amplitudy napięcia generowanego przez element piezoelektryczny obserwowano na oscyloskopie i rejestrowano w postaci plików. Parametry rzeczywiste elementów piezoelektrycznych są wyższe od tych prze- stawionych w danych katalogowych. Na podstawie otrzymanych wyników oraz korzystając z dokumentacji technicznej dołączonej do elementu piezoelektrycznego, obliczono rezystancję wewnętrzną piezoelementu (korzy- stając ze wzoru 1).

Czujnik

pomiarowy Procesor

Układ radiowej transmisji

danych

ZASILANIE

(3)

] [

] ] [

[

2 2

W P

V R U

MAX

=

Ω

(1)

gdzie:

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 LT3588 firmy Linear Technology.

Na rys. 2 przedstawiono schemat układu pomiarowego.

Podstawowym elementem zastosowanego układu elektronicznego jest przetwornica LTC3588. Na schemacie przyjęto następujące oznaczenia:

• UIN – napięcie wejściowe, generowane przez ba- dany element piezoelektryczny,

• UOUT – napięcie wyjściowe, do zasilania odbiornika (symulowanego obciążenia),

• UPGOOD – stan pracy układu – jedynka logiczna.

Rys. 2. Schemat układu pomiarowego [6]

Element piezoelektryczny V21BL

Pierwszym elementem piezoelektrycznym, który poddano badaniom, był element MIDE V21BL (rys. 3).

Rys.3. Element piezoelektryczny V21BL (wymiary w calach) [10]

0 5 10 15 20 25 30

35 40 45 50 55 60

Częstotliwość [Hz]

Maksymalne obciążenie pracy ciągłej przy 3,3V [kΩ]

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9

P [mW]

Maksymalne obciążenie pracy ciągłej przy 3,3V [kΩ] P [mW]

Rys. 4. Wyniki badań elementu V21BL [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 50Hz maksymalne obciąże- nie przy pracy ciągłej i przy napięciu 3,3[V] wynosi 12,9[kΩ], P = 0,84[mW], przekroczenie tej wartości o 10% powoduje spadek mocy.

Element piezoelektryczny V25W

Element piezoelektryczny obciążano tak, aby częstotli- wość drgań własnych wynosiła około 50Hz (zgodnie z kartą katalogową) [10]. Wzbudzono drgania o przy- śpieszeniu w przybliżeniu równym przyśpieszeniu ziem- skiemu. Element podłączono do układu elektronicznego (rys.2). Z wykresu przedstawionego na rys. 6 wynika, że podobnie jak w przypadku elementu V21BL maksymalne obciążenie pracy ciągłej przy napięciu 3,3[V] wynosi 7,3[kΩ], P=1,49[mW], przekroczenie tej wartości o 10%

powoduje spadek mocy. Element V25W, w odróżnieniu od elementu V21BL, jest bardzo czuły na obniżanie częstotliwości drgań (rys. 6).

Rys. 5. Element piezoelektryczny V25W-ND (wymiary w calach) [10]

(4)

0 5 10 15 20 25

30 35 40 45 50 55 60 65 70

Maksymalne obciążenie pracy ciągłej przy 3,3V [kΩ]

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4

P [mW]

Maksymalne obciążenie pracy ciągłej przy 3,3V [kΩ] P [mW]

Rys. 6. Wyniki badań elementu V25W [6]

Moc generowana przez element V25W jest dwukrotnie większa w stosunku do elementu V21BL, przy tych samych parametrach drgań, natomiast jego gabaryty oraz duża czułość na precyzyjne dostrojenie do często- tliwości drgań wybranej maszyny powoduje, że nie może być on zastosowany w konstrukcji przetwornika samoza- silającego.

3.2. BADANIA W WARUNKACH RZECZYWISTYCH

Badania przeprowadzono na silniku spalinowym Volvo Penta D5AT, w hali badawczej ITG KOMAG.

Silnik zainstalowano na hamowni, w celu zadawania momentu obciążającego. W trakcie badań (rys. 10) rejestrowano napięcie generowane przez element V21BL, 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 przygo- towany układ elektroniczny sprawdza się podczas zmiennych warunków pracy.

W trakcie badań za pomocą oscyloskopu mierzono napięcie w wybranych punktach układu elektronicznego - przedstawiono na rys. 2. 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 820 do 1796 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 60 do 120Hz. W przypadku maszyn mobil- nych, nie ma możliwości zmiany masy obciążającej element piezoelektryczny. Zgodnie z kartą katalogową,

zdecydowano o zastosowaniu masy 2g, która odpowiada częstotliwości 60Hz.

Na rys. 7 i 8 przestawiono wyniki analizy FFT sygnału generowanego przez czujnik ICP oraz element piezoelektryczny V21BL w przypadku prędkości obrotowej silnka, odpowiednio 1601 obr/min oraz 1407 obr/min. W trakcie badań elementy były instalowane w położeniu po- ziomym (rys. 9) za pomocą uchwytu magnetycznego.

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

Amplituda [mV] - V21BL-ND

0 0,005 0,01 0,015 0,02 0,025 0,03 0,035

Amplituda [mV] - czujnik drgań

V21BL-ND Czujnik drgań

Rys. 7. Widmo amplitudowe sygnału generowanego przez czujnik ICP oraz elementu piezoelektrycznego V21BL w odnie-

sieniu do prędkości obrotowej silnika 1601 obr/min [6]

0 0,005 0,01 0,015 0,02 0,025 0,03 0,035

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

Amplituda [mV] Czujnik ICP

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8

Amplituda [mV] V21BL- ND

Czujnik drgań V21BL-ND

Rys. 8. Widmo amplitudowe sygnału generowanego przez czujnik ICP oraz elementu piezoelektrycznego V21BL w odnie-

sieniu do prędkości obrotowej silnika 1407 obr/min [6]

Rys. 9. Montaż elementu piezoelektrycznego V21BL

Rys. 10. stanowisko pomiarowe [6]

(5)

W kolejnym etapie badań podłączono element piezoelektryczny do układu elektronicznego wraz z przetwor- nicą, odpowiedzialnego za zarządzanie generowaną energią. Element umieszczono na silniku i podłączano do aparatury pomiarowej. Prędkość obrotową silnika zmie- niano w zakresie od 820 do 1300 obr/min. Na rys. 11 przedstawiono przykładowy przebieg czasowy sygnałów zarejestrowanych w trakcie pomiaru (rys. 2: napięcia UIN

zmierzone na kondensatorze wejściowym, napięcia UOUT

zmierzone na kondensatorze wyjściowym oraz napięcie UPGOOD). Sygnał PGOOD był w stanie wysokim przez 0,152s w okresach co około 0,32s, przy obciążeniu symu- lującym działanie układu pomiarowego oraz radiowego.

Na rys. 12 przedstawiono analizę częstotliwościową sygnału napięciowego generowanego przez element piezoelektryczny V21BL.

0 1 2 3 4 5 6

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

Czas [s]

Napięcie [V]

Uout UPgood Uin

Rys. 11. Przykładowy przebieg czasowy sygnałów napięciowych zarejestrowanych w trakcie badań [6]

0 1 2 3 4 5 6

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120

Amplituda [V}

Rys. 12. Widmo amplitudowe sygnału napięciowego generowanego przez element piezoelektryczny V21BL [6]

Przyjęto, że minimalny czas działania układu elektronicznego wraz z układem radiowym powinien wynosić 100 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”, wykorzystu- jących 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 V21BL do prowadzenia dalszych prac związa- nych z konstrukcją przetwornika samozasilającego.

Wyniki badań wykazały, że jest możliwe zasilenie układu elektronicznego z mikrokontrolerem i układem radiowym (o napięciu 3,3V, prądzie 32mA) elementem piezoelektrycznym. Na wytworzenie określonej ilości energii przy użyciu elementu piezoelektrycznego ma wpływ częstotliwość oraz amplituda drgań wymuszają- cych odkształcenie elementu piezoelektrycznego. Często- tliwość drgań powinna być zbliżona do częstotliwości drgań własnych elementu.

Element piezoelektryczny V21BL będzie elementem składowym przetworników samozasilających, wchodzą- cych w skład systemu monitorowanie wybranych wielko- ści fizycznych w wybranych miejscach maszyn lub ciągów technologicznych w kopalniach węgla kamienne- go.

Literatura

1. Bartoszek S., Jagoda J., Jura J.: System diagnostyczny ładowarki bocznie wysypującej bazujący na iskrobez- piecznej magistrali CAN. „Szybkobieżne Pojazdy Gąsienicowe” 2013, (32) nr 1, s. 47-56.

2. Bartoszek S., Jagoda J., Jasiulek D., Jura J., Latos M., Stankiewicz K.: System wibrodiagnostyczny maszyn górniczych. W: Monografia KOMTECH 2013 „Innowacyjne techniki i technologie dla górnictwa - bezpieczeństwo – efektywność – niezawodność”. Gliwice: Instytut Techniki Górniczej KOMAG, 2013, 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 Power- train and Transport” 2011, Vol. 18, No. 2, p. 101-108.

4. Jura J., Bartoszek S., Jagoda J., Jasiulek D., Stankiewicz K., Krzak Ł.: System sterowania rozproszonego KOGASTER. W: Monografia KOMTECH 2013 „Innowacyjne techniki i technologie dla górnictwa - bezpieczeń- stwo- efektywność – niezawodność”. Gliwice: , Instytut Techniki Górniczej KOMAG, 2013 s. 309-323.

(6)

5. Jura J., Bartoszek S., Jagoda J., Jasiulek D., Stankiewicz K.: System sterowania rozproszonego maszyn górni- czych. Monografia. W: KOMTECH 2012, „Innowacyjne techniki i technologie dla górnictwa”: - bezpieczeństwo - efektywność – niezawodność”. Gliwice: Instytut Techniki Górniczej KOMAG, 2012 s. 289-301

6. Jasiulek D. i in.: Alternatywne źródło zasilania czujników stosowanych w górnictwie. Gliwice: ITG KOMAG Gliwice 2012 (materiały niepublikowane).

7. Jasiulek D., Stankiewicz K., Jagoda J.: Możliwości zastosowania czujników samozasilających się przeznaczonych do pracy w podziemiach kopalń. „Mechanizacja i Automatyzacja Górnictwa” 2013 nr 8(519), s. 73-80.

8. Jasiulek D.: Propozycje zastosowania czujników samozasilających się w przemyśle wydobywczym. „Przegląd Górniczy” 2014, nr 1, s. 9-15.

9. Jasiulek D., Świder J.: Mechatronic systems in mining roadheaders – examples of solutions. “Pomiary, automatyka, robotyka” 2013 nr 1, s. 121-127.

10. Karta katalogowa przetworników piezoelektrycznych MIDE Volture.

11. Stankiewicz K., Woszczyński M.: Metody odzyskiwania i przetwarzania energii cieplnej. „Maszyny Górnicze”

2010 nr 1, s. 39-46

12. Stankiewicz K.: Koncepcja metody samoorganizacji złożonego systemu komunikacyjnego do zastosowań w górnic- twie. W: Monografia KOMTECH 2012 „Innowacyjne techniki i technologie dla górnictwa -.bezpieczeństwo – efektywność – niezawodność”. Gliwice: Instytut Techniki Górniczej KOMAG, 2012, s. 329-337

13. Stankiewicz K.: Metoda samoorganizacji roju w monitorowaniu i sterowaniu urządzeń w warunkach wyrobisk podziemnych. „Maszyny Górnicze” 2011 nr 4, s. 10-13.