CC BY
13
УДК 681.586.48 ББК 32.873
И.Ю. БЫЧКОВА, А.В. БЫЧКОВ, Л.А. СЛАВУТСКИЙ
ИМПУЛЬСНЫЙ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ КОНТРОЛЬ СТРАТИФИКАЦИИ ВОЗДУХА НАД НАГРЕТОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ
Ключевые слова: ультразвук, импульсные измерения, фазово-модулированные сигналы, процессы теплопереноса, конвекция.
Для контроля стратификации и конвективных потоков воздуха над источниками тепла предлагаются аппаратные средства и методика импульсных ультразвуковых измерений. Описана схема и результаты экспериментальных измерений, полученные при анализе задержки прямого и отраженного от нагретой металлической поверхности ультразвуковых сигналов. Измерения проводятся при использовании фазовой модуляции сигналов с последующей корреляционной обработкой при помощи микропроцессорных средств. Разница в условиях распространения прямого и отраженного от поверхности ультразвуковых сигналов позволяет получить информацию о стратификации воздуха в переходном (разгонном) участке конвективного потока над нагретой поверхностью.
Задачи контроля стратификации и конвективных потоков воздуха над источниками тепла актуальны для самых разных областей науки и техники [7, 10, 11], в частности - теплоэнергетики. Адекватное моделирование конвекции, процессов тепло- и массопереноса вблизи источников тепла возможно только численными методами [2, 10]. При этом существенные затруднения возникают при определении граничных и начальных условий для расчетов. Для определения этих условий приходится учитывать очень большое количество факторов и делать ряд допущений. Для инженерных расчетов используются полуэмпирические модели [10]. Стратификация воздуха и его потоки носят случайно-неоднородный, турбулентный характер, что придает особую важность развитию экспериментальных методов контроля [8, 12]. В настоящей работе предлагаются методика измерений и оценки параметров стратифицированной газовой среды ультразвуковыми методами.
Большинство изготовителей ультразвуковых (УЗ) импульсных приборов в качестве предела разрешающей способности прибора используют величину, соответствующую половине длины УЗ волны, однако реальная погрешность оказывается значительно выше. Форма УЗ импульса зависит не только от характеристик приемо-передающих преобразователей, но и от условий распространения и отражения акустических волн в среде [5]. Результирующий сигнал на входе приемника есть сумма сигналов, дошедших до приемника различными путями и с различной задержкой, что сильно влияет на точность измерений, особенно при наличии стратификации среды [9]. Использование линейно-частотно- или фазово-модулированных (ЛЧМ и ФМ) сигналов в теории локации позволяет осуществлять их эффективный корреляционный прием, поскольку малая ширина автокорреляционной функции такого сигнала дает возможность увеличить точность определения временной задержки импульса [4]. Авторами показана возможность увеличить разрешение УЗ приборов за счет использования ФМ сигналов и их цифровой корреляционной обработки.
Импульсные ультразвуковые измерения временной задержки при многолучевом распространении позволяют оценить пространственные параметры стра-
тификации газа [3, 6]. Измерения проводятся при использовании фазовой модуляции сигналов с последующей корреляционной обработкой при помощи микропроцессорных средств. Это дает возможность значительно повысить разрешающую способность ультразвуковых измерений и показать, что разница в условиях распространения прямого и отраженного от поверхности ультразвукового сигнала позволяет получить информацию о стратификации воздуха в переходном (разгонном) участке конвективного потока над нагретой поверхностью.
Описание импульсного ультразвукового прибора. Блок-схема устройства для импульсных ультразвуковых измерений, а также осциллограммы, объясняющие его функционирование, показаны на рис. 1. Схема является типичной для устройств данного класса. Она содержит следующие элементы: ГИ - генератор импульсов, ФИП - формирователь импульсов последовательности, БУ - блок управления, БЗП - блок задания последовательности, ЭК -электронный ключ, УИ - ультразвуковой излучатель, УП - ультразвуковой приемник, ФПП - фильтр промышленных помех, УН - усилитель приемного сигнала, АЦП - аналого-цифровой преобразователь, БА - блок анализатора, ОСЦ - осциллограф (рис. 1, а).
лМлМяМшлМш^
I1—л—
шл_
МЛг
Рис. 1. Функционирование устройства: а - блок-схема УЗ измерительного устройства; б - блок-схема анализатора; в - осциллограммы работы
Генератор импульсов ГИ формирует сигнал несущей частоты 40 кГц (осц. 1). При появлении импульса «старт» (осц. 2) от блока управления БУ в блоке ФИП начинается формирование последовательности импульсов (осц. 3). Длительность пакета импульсов составляет ТП = 1 мс, тип передаваемого пакета характеризуется числовой последовательностью 0001101 (код Баркера 7-го порядка). Данные параметры определяются настройками в блоке задания последовательности БЗП. После того как пакет полностью сформирован, по истечении времени ТП = 1 мс ФИП завершает процесс формирования последовательности импульсом «стоп» (осц. 2). Период повторения пакетов составляет ТИЗМ = 0,5 с, что задается настройками в блоке управления БУ. При помощи выходного электронного ключа ЭК, согласно сгенерированной последовательности, коммутируется цепь ультразвукового излучателя, который излучает звуковую волну (осц. 4).
Ультразвуковой сигнал принимается УП (осц. 5) через время «задержки» ТЗ, пропорциональное расстоянию между УИ и УП. Сигнал фильтруется ФПП и усиливается УН. Далее сигнал поступает на АЦП и уже в цифровом виде передается в блок анализатора БА. Схематически БА показан на рис. 1, б. Цифровые значения принятого сигнала могут сохраняться в одном из буферов Б1 и Б2. Сигнал в буфере Б2 используется как эталонный для корреляционной обработки. Содержимое обоих буферов поэлементно перемножается в корреляторе (КОР), тем самым формируя функцию взаимной корреляции приемного и эталонного сигналов. Далее при помощи пикового детектора (ПД) выделяются максимумы корреляционной функции и определяются моменты времени, им соответствующие. Статистический анализатор (СА) производит статистическую обработку результатов. Блоки ГИ, ФИП, БУ, БЗП, БА реализованы на микросхеме ПЛИС ХС38500Б фирмы ХШих (рис. 1, а).
Описание эксперимента. Схема лабораторной установки на основе описанного выше устройства ультразвукового прибора приведена на рис. 2, а. Приемо-передающее устройство ППУ схематически отражает в себе все функциональные блоки устройства (рис. 1, а). Ультразвуковые преобразователи с резонансными частотами 40 кГц располагаются на расстоянии Ь = 47 см и высоте Н = 20 см над плоской стальной плитой размером 40*20*1,5 см. Плиту нагревали до температуры Т ~ 180°С. Преобразователи имеют широкую диаграмму направленности (порядка 60°), и в общем случае сигнал на входе приемника представляет собой суперпозицию двух сигналов: прямого и отраженного. Согласно диаграммам направленности преобразователей, мощность излучения боковых лучей отличается от мощности прямого луча примерно на 5 дБ. Поэтому для увеличения чувствительности системы к отраженному сигналу оба преобразователя были повернуты примерно на 25° (рис. 2, а).
Обработка сигналов проводилась по результатам трехсот измерений, которые были произведены по мере нагревания плиты. Оцифровка ультразвуковых сигналов осуществлялась с частотой 625 кГц, что позволяет анализировать их форму и корреляционные функции. Предварительно перед включением электрической плиты на высоте 50 см от поверхности и прямом расположении преобразователей был записан эталонный сигнал, необходимый для последующей корреляционной обработки. На рис. 3 приведены форма эта-
лонного сигнала и форма сигнала при нагретой до 100°С плите, а также их взаимная корреляционная функция Щ). В корреляционной функции возникают два максимума, временная задержка между которыми соответствует задержке между прямым и отраженным сигналами (т). Максимумы корреляционной функции вычисляются в ПД по значениям её огибающей.
Рис. 2. Схема лабораторной установки и траектории распространения лучей в однородной и неоднородной среде (а), зависимость приведенной скорости звука (акустического показателя преломления) от координаты (б)
а б
Рис. 3. Форма эталонного сигнала и форма сигнала при нагретой до 100°C плите (а), а также их взаимная корреляционная функция (б)
По мере роста температуры плиты до T - 180°C скорость звука вблизи поверхности увеличивается с 343 м/с до примерно 440 м/c. В связи с этим среда становится слоисто-неоднородной по вертикали, и, следовательно, углы наклона прямого и отраженного лучей по мере распространения в среде изменяются, т.е. траектория луча становится изогнутой (рис. 2, a). Уравнение траектории луча выводится из закона Снеллиуса для плоскослоистой среды [1]:
z sin 90
-í
о Vn(z)2 - sin2 9(
(1)
а
Если рассматривать распространение сигналов в плоскости х0г, то зависимость показателя преломления от координаты г, в направлении которой среда неоднородна, будет иметь экспоненциальный вид (рис. 2, б). Зная граничные значения показателя преломления (в приповерхностном слое и на уровне преобразователей), можно построить семейство зависимостей показателя преломления от координаты г (рис. 4).
При увеличении температуры плиты скорость звука в приповерхностном слое возрастает, и, соответственно, уменьшается задержка т. Средняя величина этой задержки может служить для количественной оценки температурного профиля воздуха над нагретой поверхностью, а также для оценки неоднородности конвективного потока воздуха.
Фаза (задержка) из решения уравнения эйконала для плоскослоистой среды запишется следующим образом [1]:
0.85 0.9 П
Рис. 4. Семейство кривых «(z)
¥ = х sin 90 ±jyjn(z)2 - sin2 90 dz.
(2)
Знак перед корнем определяется направлением распространения луча (в положительном или отрицательном направлениях оси z).
Если использовать экспоненциальную форму зависимости n(z), когда температура на уровне плиты меняется от 20 до 180°, а на уровне датчиков -от 20 до 32°, то семейство кривых n(z) будет иметь вид рис. 4.
Зависимость временной задержки между прямым и отраженным сигналами от температуры среды может быть рассчитана с использованием (1) и (2).
Анализ экспериментальных результатов. На рис. 5 приведены расчетная и экспериментальная зависимости временной задержки между прямым и отраженным от нагретой поверхности ультразвуковыми сигналами от температуры поверхности. Как видно из рис. 5, поведение экспериментальной и теоретической зависимости при температурах T < 100°С хорошо согласуется, что может служить доказательством адекватности использованной модели для этого диапазона температур. С увеличением температуры существенно увеличиваются флуктуации временной задержки между ультразвуковыми сигналами, что связано со случайной пространственно-временной изменчивостью скорости звука в конвективном тепловом потоке. Случайные изменения временной задержки т очень значительны, флуктуации достигают 50%. При температурах поверхности T > 100°С использованная регулярная модель стратификации скорости звука перестает адекватно описывать распространение ультразвуковых сигналов. Кроме увеличения случайных флуктуаций увеличивается и усредненная временная задержка между прямым и отраженным сигналами.
Это может объясняться несколькими причинами: изменением времени прохождения прямого сигнала за счет увеличения средней скорости звука на уровне преобразователей в восходящем конвективном потоке горячего возду-
ха; изменением горизонтального сечения конвективного потока и его пространственно-временной структуры по высоте с нагревом подстилающей поверхности [8].
Т, °С
Рис. 5. Зависимость временной задержки между прямым и отраженным сигналами от температуры подстилающей поверхности: сплошная кривая - численное моделирование; кружки - среднее экспериментальное значение с диапазоном случайных отклонений от максимума до минимума
Выводы. Таким образом, использованные аппаратные средства и методика ультразвуковых измерений с корреляционной обработкой фазово-модулированных импульсных ультразвуковых сигналов позволяют получить информацию как о регулярной, так и о случайной стратификации воздуха над нагретой подстилающей поверхностью.
Для интерпретации полученных экспериментальных результатов необходимо, по-видимому, более детальное моделирование процесса теплопере-носа над нагретой поверхностью с учетом горизонтальных размеров источника тепла.
Литература
1. ВиноградоваМ.Б., Руденко О.В., Сухоруков А.П. Теория волн. М.: Наука, 1979. 384 с.
2. Дразин Ф. Введение в теорию гидродинамической неустойчивости: пер. с англ. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2005. 288 с.
3. Костюков А. С., Никандров М.В., Славутский Л.А. Изменчивость случайной погрешности ультразвуковых импульсных и доплеровских измерений в неоднородной среде // Нелинейный мир. 2009. Т. 7, № 9. С. 700-705.
4. Костюков А.С., Славутский Л.А. Статистическая погрешность ультразвукового цифрового уровнемера с частотно-фазовой модуляцией сигнала // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2009. № 8. С. 35-37.
5. КрасильниковВ.А. Введение в физическую акустику. М.: Наука, 1984. 400 с.
6. Левин П.А., Бычкова И.Ю., Славутский Л.А. Изменчивость импульсных ультразвуковых сигналов над нагретой поверхностью // Вестник Чувашского университета. 2013. № 3. С. 310-313.
7. МихатулинД.С., ЧирковА.Ю. Конспект лекций по теплообмену. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2012. 113 с.
8. Протасов М.В., Иванов Т.Ф., Горбачев М.А. Экспериментальное исследование воздушных вихревых структур, образующихся над нагретой подстилающей металлической поверхностью // Оптические методы исследования потоков: сб. докл. XI Междунар. науч.-техн. конф. М.: Объединенный институт высоких температур РАН, 2011.
9. Славутский Л.А. Ультразвуковая томография: приближенные решения технических задач // Труды Академии электротехнических наук Чувашской Республики. 2001. № 1. С. 8-18.
10. ШепелевИ.А. Аэродинамика воздушных потоков в помещении. М.: Стройиздат, 1978.
144 с.
11. ЭльтерманВ.М. Вентиляция химических производств. М.: Химия, 1980. 288 с.
12. Ядарова О.Н., Славутский Л.А. Контроль воздушного потока на основе доплеровско-го рассеяния ультразвука // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2013. № 3. С. 55-59.
БЫЧКОВА ИРИНА ЮРЬЕВНА - аспирантка кафедры автоматики и управления в технических системах, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары (iboomest@gmail.com).
БЫЧКОВ АНАТОЛИЙ ВЛАДИМИРОВИЧ - аспирант кафедры электрических и электронных аппаратов, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары.
СЛАВУТСКИЙ ЛЕОНИД АНАТОЛЬЕВИЧ - доктор физико-математических наук, профессор кафедры автоматики и управления в технических системах, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары (las_co@mail.ru).
I. BYCHKOVA, A. BYCHKOV, L. SLAVUTSKII
PULSE ULTRASONIC CONTROL OF THE AIR STRATIFICATION OVER THE HEATED SURFACE
Key words: ultrasound, pulse measurement, phase-modulated signals, heat transfer processes, convection.
Methods of pulsed ultrasonic measurements and the hardware are offered to control the air stratification and convective flows over heat sources. The results of experiments and functional diagram are described. The results are obtained by analysis of the delay between the direct and reflected from the heated surface ultrasonic signals. In this application the phase modulation and followed by correlation are used. The difference in the spread of the direct and reflected signals provides information of the air stratification in the transition (acceleration) layer of the heated convective flow.
References
1. Vinogradova M.B., Rudenko O.V., Sukhorukov A.P. Teoriya voln [The waves theory]. Moscow, Nauka Publ., 1979, 384 p.
2. Drazin P. Introduction to Hydrodynamic Stability. Cambridge, Cambridge University Press, 2002, xvii, 238 p. (Russ. ed.: Vvedenie v teoriyu gidrodinamicheskoi neustoichivosti. Moscow, FIZ-MATLIT Publ, 2005, 288 p.
3. Kostyukov A.S., Nikandrov M.V., Slavutskii L.A. Izmenchivost' sluchainoi pogreshnosti ul'trazvukovykh impul'snykh i doplerovskikh izmerenii v neodnorodnoi srede [The variability of the random error of ultrasonic pulse and doppler measurements in a heterogeneous environment]. Neli-neinyi mir [Nonlinear World], 2009, vol. 7, no. 9, pp. 700-705.
4. Kostyukov A.S., Slavutskii L.A. Statisticheskaya pogreshnost' ul'trazvukovogo tsifrovogo urovnemera s chastotno-fazovoi modulyatsiei signala [Statistically error of the digital ultrasonic transmitter with a frequency-phase modulated signal]. Pribory i sistemy. Upravlenie, kontrol', diag-nostika [Instruments and Systems: Monitoring, Control, and Diagnostics], 2009, no. 8, pp. 35-37.
5. Krasil'nikov V.A. Vvedenie v fizicheskuyu akustiku [Introduction to physical acoustics]. Moscow, Nauka Publ., 1984, 400 p.
6. Levin P.A., Bychkova I.Yu., Slavutskii L.A. Izmenchivost' impul'snykh ul'trazvukovykh sig-nalov nad nagretoi poverkhnost'yu [Variability of ultrasonic pulse signals over the heating surface]. Vestnik Chuvashskogo universiteta, 2013, no. 3, pp. 310-313.
7. Mikhatulin D.S., Chirkov A.Yu. Konspekt lektsiipo teploobmenu [Lectures on heat transfer]. Moscow, 2012, 113 p.
8. Protasov M.V., Ivanov T.F., Gorbachev M.A. Eksperimental'noe issledovanie vozdushnykh vikhrevykh struktur, obrazuyushchikhsya nad nagretoi podstilayushchei metallicheskoi po-verkhnost'yu [Experimental study of air vortex structures generated on the underlying heated metal
surface], Opticheskie metody issledovaniya potokov: sb. dokl. XI Mezhdunar. nauch.-tekhn. konf. [Proc. of XI Int, Sci, Tech, Conf «Optical methods of flow investigation»], Moscow, 2011,
9, Slavutskii L,A, Ul'trazvukovaya tomografya: priblizhennye resheniya tekhnicheskikh zadach [Ultrasound tomography: approximate solutions to technical problems], Trudy Akademii elektrotekh-nicheskikh nauk Chuvashskoi Respubliki [Proc, of the Academy of Electrotechnical Sciences of the Chuvash Republic], 2001, no, 1, pp, 8-18,
10, Shepelev I,A, Aerodinamika vozdushnykh potokov v pomeshchenii [Aerodynamics of air streams in the room], Moscow, Stroiizdat Publ, 1978, 144 p,
11, El'terman V,M, Ventilyatsiya khimicheskikh proizvodstv [Aeration of a chemical manufactures], Moscow, Khimiya Publ,, 1980, 288 p,
12, Yadarova O,N,, Slavutskii L,A, Kontrol' vozdushnogo potoka na osnove doplerovskogo rasseyaniya ul'trazvuka [Control of the air flow on the basis of doppler ultrasound dispersion], Pri-bory i sistemy. Upravlenie, kontrol', diagnostika [Instruments and Systems: Monitoring, Control, and Diagnostics], 2013, no, 3, pp, 55-59,
BYCHKOVA IRINA - Post-Graduate Student, Department of Automatics and Control in Technical Systems, Chuvash State University, Russia, Cheboksary.
BYCHKOV ANATOLY - Post-Graduate Student of Electrical and Electronic Apparatuses Department, Chuvash State University, Russia, Cheboksary.
SLAVUTSKII LEONID - Doctor of Physics and Mathematical Sciences, Professor, Department of Automatics and Control in Technical Systems, Chuvash State University, Russia, Cheboksary.
Ссылка на статью: Бычкова И.Ю., Бычков А.В., Славутский Л.А. Импульсный ультразвуковой контроль стратификации воздуха над нагретой поверхностью // Вестник Чувашского университета. - 2016. - № 1. - С. 39-46.
