PNIPU

Сенсорные экраны смартфонов, планшетов, терминалов давно стали частью нашей повседневной жизни. Этим их применение не ограничивается, они используются даже на нефтяных и химических производствах, в шахтах и космических кораблях. Однако в таких неблагоприятных условиях их работа затруднена, поскольку они плохо переносят вибрации, влагу, пыль и повреждения: экран начинает хуже реагировать на касание, что затрудняет использование устройства. Ученые из Пермского Политеха нашли способ, как улучшить работу сенсорных устройств даже в агрессивных средах.

Статьи опубликованы в журнале «Вестник ПГТУ. Радиотехнические и инфокоммуникационные системы», 2024, № 2(62) и сборнике трудов международной научно-практической конференции  «Современное программирование», (Нижневартовск, 2024). Исследование выполнено в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030».

В современном мире сенсорные экраны превратились в универсальный инструмент управления для самых разных устройств – мобильных телефонов, планшетов, компьютеров и терминалов. Постепенно вытесняя традиционные средства ввода данных, такие как клавиатуры и мыши, сенсорные технологии находят все более широкое применение не только в повседневной жизни, но и в профессиональной деятельности. Их сфера использования огромна: от забоев угольных шахт, химических производств, нефтяных баз, сталелитейных цехов и морских кораблей до информационных терминалов под открытым небом, медицинского оборудования и космических кораблей.

При попадании влаги, пыли, из-за механических повреждений и вибраций экраны часто начинают работать некорректно, что мешает пользоваться устройством – например, когда под дождем телефон начинает хуже реагировать на касания, только в промышленных масштабах такие неблагоприятные условия возникают намного чаще.

Существуют разные технологии функционирования таких экранов. В устройствах, которые работают в агрессивных средах (например, открытое море, пустыня или терминалы быстрой оплаты, размещенные на улице) используют в основном резистивные или емкостные технологии: первые работают от любого нажатия (палец, перчатка, ручка), вторые – только от пальца. Но зачастую они либо являются дорогими, либо недостаточно надежными.

Ранее учеными Пермского Политеха был предложен сенсорный экран, основанный на регистрации звуковых волн, которые возникают при соприкосновении с панелью. Когда пользователь нажимает на панель, звук распространяется по материалу и улавливается микрофонами, расположенными на поверхности. Зная его скорость и время прихода сигнала к каждому акустическому датчику, можно точно вычислить координаты касания. Но это сложная задача.

Существующие методы локализации звука в пространстве не всегда удобны: одни требуют слишком много микрофонов, другим нужны специальные датчики из особых материалов. При этом большинство решений обеспечивает четкое определение положения с точностью до одного метра, тогда как для корректной работы сенсорных экранов необходимы значения в миллиметрах.

Ученые Пермского Политеха разработали математическую модель, которая поможет определять место нажатия с высокой эффективностью. Она преобразует данные, зарегистрированные микрофонами, в координаты точки касания.

– Система определяет место в масштабе миллиметра, что важно для устройств разного спектра назначения. Технология устойчива к механическим воздействиям, пыли и влаге, так как не зависит от дополнительных элементов, которые легко выходят из строя. Для работы достаточно всего трех микрофонов, что снижает стоимость устройства – поясняет Алексей Козин, аспирант, ассистент кафедры «Автоматика и телемеханика» ПНИПУ.

Численную модель проверили двумя способами: в среде моделирования SciLab, а также в программе, которую ученые написали специально для этой задачи.

– Эксперименты показали, что для достижения наилучших результатов нужно размещать микрофоны как можно дальше от центра – например, в виде треугольника, один из углов которого равен 90°, то есть по углам экрана, если он сам имеет форму прямоугольника. Важной особенностью ее реализации является настройка параметров для вычислений, что обеспечивает близкую к 100% вероятность точного определения места касания, – рассказывает Владимир Фрейман, профессор кафедры «Автоматика и телемеханика» ПНИПУ, доктор технических наук.

Кроме того, модель позволяет сократить количество вычислений до 2-4 циклов, что делает систему быстродействующей. Ученые также обнаружили, что начальное приближение для расчетов предложенный системы уравнений численными методами лучше всего задавать в центре экрана для достижения точности локализации с погрешностью не более 0,1 мм.

Новые модели открывают перспективы для создания сенсорных устройств, способных работать в экстремальных условиях — от промышленных цехов до открытых пространств. Эта технология будет полезна для использования в робототехнике, промышленности, изделий специального назначения и других областях, где требуется долговечность, высокая надежность и точность.

Сильвинитовая руда служит ключевым источником сырья для производства калийных удобрений. Однако в ней присутствуют нежелательные примеси – глинистые шламы. Они мешают добывать калий, поэтому перед переработкой руду нужно очищать. Для этого традиционно используется ультразвуковая обработка. В результате шламы оседают на поверхности раствора в пене, но ее вязкость и устойчивость мешают переработке и транспортировке. Ученые Пермского Политеха впервые установили, что ультразвук помогает лучше создавать пену при обогащении руды: она становится на 11-18% объемнее, при этом быстрее разрушается, что оптимизирует весь процесс очистки.

Статья опубликована в журнале «Journal of Mining Science», том 60, № 6, 2024. Исследование выполнено в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030».

Россия является одним из мировых лидеров по производству и экспорту хлористого калия, который широко используется в сельском хозяйстве, химической и фармацевтической промышленностях. Удобрения из него увеличивают урожайность зерновых, овощей и фруктов, укрепляют корни и стебли, делая растения устойчивее к засухе и болезням.

Их основное сырье – сильвинитовая руда, которую добывают в шахтах или карьерах. В чистом виде ее использовать нельзя, поскольку необработанные минералы содержат шламы – глины и соли, которые снижают качество удобрений. Поэтому руду необходимо очищать: ее дробят в мелкий порошок, смешивают с водой и вспомогательными веществами, а затем обрабатывают пузырьками воздуха – они «вытягивают» примеси на поверхность и оставляют их в пене, которую затем можно удалить. Такой метод называется флотацией. Однако ей мешают шламы: они забирают часть реагентов, из-за чего руда остается очищенной не до конца.

– Флотационная пена представляет собой смесь из воздуха, водного раствора с реагентами и твердых минеральных фрагментов в ней. Она служит для избирательного разделения минералов: несмачиваемые частицы прилипают к пузырькам воздуха и поднимаются в пену. При этом ее свойства, такие как объем, устойчивость и влажность, критически влияют на эффективность процесса. Глинистые шламы стабилизируют ее, делая слишком вязкой и устойчивой, что осложняет транспортировку и переработку, – поясняет Алексей Чернышев, аспирант кафедры «Химические технологии» ПНИПУ.

Как мыло в грязной воде пенится хуже, так и реагенты в такой среде работают менее эффективно. Ученые Пермского Политеха изучили пенообразующие свойства растворов, чтобы понять, как можно улучшить процесс очистки. Они выяснили, что если обработать вспомогательные вещества ультразвуком перед применением, они начинают действовать эффективнее.

В серии экспериментов использовали разную мощность высокочастотного звука – от 0.34 до 0.85 Вт/см³ в течение 150 секунд. Основное внимание уделялось изменению характеристик раствора: объема, высоты, устойчивости и скорости разрушения.

– Мы установили, что ультразвуковая обработка делает пену менее вязкой, что помогает эффективнее извлекать шламы из руды. Ее объем увеличился на 11-18%, а ее «сухость», то есть содержание жидкости, снизилась, что улучшило условия для захвата частиц шламов. При этом она стала проще разрушаться, особенно при высокой мощности ультразвука – например, 0.85 Вт/см³. Это важно для последующих этапов обезвоживания, так как устойчивая пена затрудняет транспортировку и сгущение продуктов флотации, – рассказывает Владимир Пойлов, профессор кафедры «Химические технологии» ПНИПУ, доктор технических наук.

Ультразвуковая обработка также повлияла на солевые растворы, снизив их вязкость и поверхностное натяжение, что может улучшить эффективность трехфазных систем, состоящих из твердой фазы, жидкости и газа.

Результаты исследования открывают новые возможности для оптимизации флотационного обогащения сильвинитовых руд. В перспективе можно снизить энергозатраты на обезвоживание благодаря менее устойчивой пене, уменьшить потери реагентов и даже сократить их использование за счет активации ультразвуком. Все это способствует более качественному составу калийных удобрений.

Для движения электрического транспорта, лифтов высотных зданий, насосов, работы станков, медицинских томографов и хирургических роботов используются линейные двигатели. Они обеспечивают точность, скорость и надежность работы. Однако существующие конструкции нередко сталкиваются с проблемами: высокое напряжение, сложность изготовления и перегрев приводят к низкой эффективности, риску короткого замыкания и остановки оборудования. Ученые Пермского Политеха модернизировали линейный двигатель: уменьшили его размер, снизили напряжение и упростили производство, что особенно важно для мембранных насосов, которые используются в самых различных сферах – например, в системах кондиционирования для подачи топлива в двигателях, перекачки сточных вод и создания давления в дыхательных медицинских аппаратах.

Статья опубликована в журнале «Russian Electrical Engineering», том 95, №11, 2024. Проект выполнен при поддержке Федерального государственного бюджетного учреждения «Фонд содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере» (Фонд содействия инновациям), договор № 4790ГС1/80304 от 23.11.2022.

Линейные двигатели — это устройства, которые преобразуют электрическую энергию в движение без дополнительных механических передач, что повышает надежность и снижает износ составляющих. Они используются в лифтах, заводских станках, электронике и некотором медицинском оборудовании. Их конструкция состоит из неподвижной части (статор – корпус с магнитами или катушками) и подвижного элемента (ротор). Когда на катушки подается ток, создается магнитное поле, которое «бежит» подобно волне, а ротор «догоняет» его, двигаясь по прямой линии. Таким образом создается не вращение, как в обычных электродвигателях, а прямолинейное движение. Это позволяет механизму работать быстрее при меньшем износе.

Для небольших систем, где важна точность позиционирования – в мембранных насосах, вентилях, клапанах, затворах, хирургических роботах и топливных системах автомобилей – используется одна из разновидностей линейных двигателей – короткоходовые. Это «рабочие лошадки» для задач, где важны скорость, точность и миниатюрность – например, в современной микроэлектронике, медицине и высокоточном производстве.

Однако при существующем методе проектирования для равномерного длительного движения такого механизма требуется большее напряжение и меньший ток, а крупные габариты усложняют изготовление. Это ограничивает их применение в компактных устройствах, таких как мембранные насосы, которые используются во многих областях – от нефтегазовой отрасли до водоочистки и медицины.

Ученые Пермского Политеха разработали схему модернизации короткоходового линейного двигателя, которая позволит устранить эти недостатки, сделав его более компактным и надежным.

— Мы поменяли режим работы машины, что привело к изменению методики расчета. Благодаря этому габариты устройства стали меньше, само оно легче, и производство стало проще — теперь его части помещаются на небольшие токарные станки. Замена внешних подшипников на внутренние позволяет поддерживать воздушный зазор по всей длине, а установка мощных магнитов — отказаться от питания движимого штока, – комментирует Денис Опарин, старший преподаватель кафедры «Электротехника и электромеханика» ПНИПУ.

Уменьшение размеров двигателя позволяет использовать удобные крепления и не делать внутренние системы жидкостного охлаждения, ограничившись только внешними вентиляторами.

Двигатель с новой конструкцией прошел серию тестов в программе для моделирования Ansys Maxwell, где проверялась его работоспособность при различных условиях. Был создан прототип, где измерялись его максимальное усилие, ускорение и нагрев. Результаты показали увеличение силы тяги, лучшее позиционирование и стабильное функционирование даже при повышенных нагрузках. Так, максимальная сила двигателя (если кратковременно увеличить ток) составляет 50 кг, в то время как обычная рабочая сила — 41.21 кг. Он не перегревается: стабильная температура равна 51°C. При резком старте двигатель кратковременно совершает «рывок силы» на 2250 Ватт.

Модернизированный линейный двигатель с коротким ходом демонстрирует значительный прогресс в области компактных и эффективных приводов. Его улучшенные характеристики открывают новые возможности для применения в промышленности, медицине и робототехнике.