CC BY
88
Литература
1. Горлин С.М, Слезингер И.И. Аэромеханические измерения (Методы и приборы). М.: Наука, 1964. 720 с.
2. Городецкий О.А., Гуральник И.И., Ларин В.В. Метеорология, методы и технические средства наблюдений. 2-е изд. Л.: Гидрометеоиздат, 1991. 338 с.
3. Черкасский В.М. Насосы, вентиляторы, компрессоры: учеб. пособие. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Энергоатомиздат, 1984. 415с.
4. Шепелев И.А. Аэродинамика воздушных потоков в помещении. М.: Стройиздат, 1978.
144 с.
5. Ядарова О.Н., Славутский Л.А. Доплеровский ультразвуковой контроль открытого воздушного потока // Вестник Чувашского университета. 2012. №3. С. 240-243.
АЛЕКСЕЕВ АЛЕКСАНДР ПЕТРОВИЧ - магистрант кафедры управления и информатики в технических системах, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары ([email protected]).
ALEKSEEV ALEXANDER PETROVICH - master’s program student of Management and Informatics in Technical Systems Chair, Chuvash State University, Russia, Cheboksary.
ЯДАРОВА ОЛЬГА НИКОЛАЕВНА - аспирантка кафедры промышленной электроники, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары ([email protected]).
YADAROVA OLGA NIKOLAEVNA - post-graduated student of Power Electronics Chair, Chuvash State University, Russia, Cheboksary.
УДК 681.586.48 ББК 3873-5
П.А. ЛЕВИН, И.Ю. БЫЧКОВА, Л.А. СЛАВУТСКИЙ
ИЗМЕНЧИВОСТЬ ИМПУЛЬСНЫХ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ СИГНАЛОВ НАД НАГРЕТОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ
Ключевые слова: ультразвук, случайные флуктуации, температура, конвекция, корреляционный прием.
Предлагается схема импульсного ультразвукового контроля стратификации воздуха над нагретой поверхностью. Приводятся результаты экспериментальных измерений и цифровой обработки ультразвуковых сигналов. Показано, что анализ интерференции и временных флуктуаций прямого и отраженного от поверхности сигналов позволяет оценить изменчивость скорости звука и, соответственно, температурный профиль приповерхностного слоя воздуха.
P.A. LEVIN, I.Yu. BYCHKOVA, L A. SLAVUTSKIY VARIABILITY OF ULTRASONIC PULSE SIGNALS OVER THE HEATING SURFACE Key words: ultrasonics, random fluctuations, temperature, convection, correlation processing.
The ultrasonic pulse control scheme of the air stratification over the heating surface is offered. Results of experiments and the digital processing of ultrasonic signals are given. The analysis of the interference and fluctuation of direct and reflected signals allows to estimate sonic speed variability and therefore the temperature profile of the near-surface layer.
Для температурного контроля различных объектов могут использоваться как контактные, так и бесконтактные (дистанционные) методы (лазерные, инфракрасные, ультразвуковые). Активные лазерные методы [1], основанные на принципах спектроскопии и интерферометрии, обладают высокой точностью, но требуют сканирования лазерным лучом и оказываются достаточно дорогостоящими. Для температурных измерений наиболее широко распространена инфракрасная термография [2]. Однако увеличение пространственного и временного разрешения при дистанционном термографическом кон-
троле требует серьезной обработки изображений, и инфракрасные методы не всегда позволяют контролировать пограничные участки, например, температуру газа у нагретой металлической поверхности. Кроме того, большинство инфракрасных методов измерений являются пассивными и не рассчитаны на контроль случайных динамических процессов, таких, как конвекция газа у нагретой поверхности. Ультразвуковые методы относительно просты, дешевы и для контроля газовых сред в небольших объемах могут составлять серьезную конкуренцию лазерным и инфракрасным методам. Это связано с существенной зависимостью скорости звука от температуры и характерными пространственно-временными масштабами, которые определяются частотами в несколько десятков кГц и длиной волны излучения порядка нескольких миллиметров [3].
В настоящей работе показана возможность при помощи импульсного ультразвука контролировать конвективные потоки воздуха над нагретой поверхностью.
На рис. 1 приведены схема экспериментальных измерений (а) и усредненная форма ультразвуковых импульсов при прямом распространении (б). Ультразвуковые преобразователи с резонансными частотами 40 кГц располагаются на расстоянии Ь = 60 см и высоте Н = 20 см над плоской электрической плитой.
а б
Рис. 1. Схема экспериментальных измерений (а) и усредненная форма ультразвуковых импульсов при прямом распространении (б).
ППУ - приемно-передающее устройство, ПК - персональный компьютер
Преобразователи имеют широкую диаграмму направленности (порядка 60°), поэтому для обеспечения разных условий распространения и отражения сигналов от поверхности плиты один из преобразователей поворачивался по вертикальной плоскости примерно на 30° вверх (1) и вниз (3) от горизонтального направления. В общем случае сигнал на входе приемника представляет собой суперпозицию прямого и отраженного от нагретой поверхности сигналов. Обработка сигналов проводилась по 100 импульсам при разном расположении преобразователей (1, 2, 3) при холодной (комнатная температура Т = 20°С) и нагретой (Т« 200°С) поверхности плиты. Оцифровка ультразвуковых сигналов обеспечивалась с частотой до 2 МГц, что позволяет анализировать их форму и статистическую изменчивость. На рис. 2 приведены гистограммы нормированной амплитуды ультразвуковых импульсов при трех положениях преобразователей над холодной (а) и нагретой (б) поверхностями. Как видно из рис. 2, статистические распределения амплитуды принимаемых сигналов существенно меняются в зависимости от расположения преобразователей и температуры плиты. Если при холодной плите разброс амплитуды вокруг среднего значения не превышает 10%, то при нагретой плите амплитуда импульсов может меняться в несколько раз.
Это связано с флуктуациями скорости звука в конвективном потоке воздуха над плитой. При этом флуктуации сигнала увеличиваются, когда в приемнике происходит интерференция прямого и отраженного от плиты сигналов. Скорость звука вблизи поверхности при увеличении температуры воздуха до температуры Т > 100°С увеличивается с 330 м/с примерно до 400 м/с [3]. Приближенно распределение амплитуды сигнала
может рассматриваться как распределение огибающей нестационарного случайного узкополосного сигнала [4]:
Рр2
ю(р) =-
Р
гехр
2ст§ (1-р2)
2ст§ (1 -р2)_
где ю(р) - плотность вероятности распределения амплитуды случайной огибающей; ст0 - дисперсия; р - параметр, определяющий статистическую связь амплитуды и фазы квазигармонического сигнала; /0(х) - модифицированная функция Бесселя
Р(А)
Р(А)
1 210 (х) = —1 е
2- ^
ЯА)
.к. 0.2
РГА1Г
0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5
0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5
Р(А) ПА)
3 0, Л 0.2
0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5
0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5
а б
Рис. 2. Гистограммы нормированной амплитуды ультразвуковых импульсов при трех положениях преобразователей над холодной (а) и нагретой (б) поверхностями
В предельных случаях это распределение переходит в распределение Рэлея (Р = 0) или гауссовское распределение (Р = 1).
По параметрам этого распределения может быть оценена степень флуктуаций скорости звука, а значит, неоднородность конвективного потока воздуха. При увеличении температуры плиты скорость звука в приповерхностном слое возрастает и, соответственно, уменьшается задержка между прямым и отраженным ультразвуковым сигналами. Средняя величина этой задержки т0 может служить для количественной оценки температурного профиля воздуха над нагретой поверхностью. Для ее определения использовалась корреляционная обработка сигналов. Рассчитывалась корреляционная функция между излучаемым и принимаемым сигналами:
Я(г) = |sl(t)s2(t-\)йг,
где s1(t) - излучаемый ультразвуковой сигнал; s2(t) - сигнал на входе приемника. Поскольку принимаемый сигнал представляет собой суперпозицию двух сигналов с задержкой, ширина корреляционной функции меняется в зависимости от температуры. На рис. 3, а показана форма корреляционной функции при комнатной температуре и при температуре плиты порядка 200°С.
Как видно из рис. 3, а, ширина корреляционной функции с увеличением температуры уменьшается. На рис. 3, б показаны результаты моделирования корреляцион-
1
2
ной функции для случая, когда импульсные ультразвуковые сигналы подвергаются фазовой модуляции с перебросом фазы по коду Баркера [5]. В этом случае временное разрешение измерений увеличивается в разы [6], и в корреляционной функции возникают два максимума, временная задержка между которыми пропорциональна т0. Использование фазомодулированного сигнала позволяет с достаточно высоким разрешением количественно оценить изменение скорости звука.
Т, МО
а 6
Рис. 3. Форма корреляционной функции при комнатной температуре и при температуре плиты порядка 200°С для модулированного сигнала (а) и сигнала с фазовой модуляцией (б)
Таким образом, анализ интерференции и временных флуктуаций прямого и отраженного от поверхности сигналов позволяет оценить изменчивость скорости звука и, соответственно, температурный профиль приповерхностного слоя воздуха.
Литература
1. ДемтредерВ. Лазерная спектроскопия. М.: Наука, 1985. 607 с.
2. ГоссоргЖ. Инфракрасная термография. Основы, техника, применение. М.: Мир, 1988.
3. КрасильниковВ.А. Введение в физическую акустику. М.: Наука, 1984. 400 с.
4. Ахманов С.А., Дъяков Ю.Е., Чиркин А.С. Введение в статистическую радиофизику и оптику. М.: Наука, 1981. 640 с.
5. BarkerR.H. Group synchronizing of binary digital sequences // Communication theory. L.: Butterworth, 1953. P. 373-287.
6. Костюков А.С. Славутский Л.А. Статистическая погрешность ультразвукового цифрового уровнемера с частотно-фазовой модуляцией сигнала // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2009. № 8. C. 35-37.
ЛЕВИН ПАВЕЛ АЛЕКСАНДРОВИЧ - аспирант кафедры управления и информатики в технических системах, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары ([email protected]).
LEVIN PAVEL ALECS ANDROVICH - post-graduate student of Management and Informatics in Technical Systems Chair, Chuvash State University, Russia, Cheboksary.
БЫЧКОВА ИРИНА ЮРЬЕВНА - аспирант кафедры управления и информатики в технических системах, Чувашский государственный университет Россия, Чебоксары ([email protected]).
BYCHKOVA IRINA YURYEVNA - post-graduate student of Management and Informatics in Technical Systems Chair, Chuvash State University, Russia, Cheboksary.
СЛАВУТСКИИ ЛЕОНИД АНАТОЛЬЕВИЧ - доктор физико-математических наук, профессор кафедры управления и информатики в технических системах, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары ([email protected]).
SLAVUTSKIY LEONID ANATOLYEVICH - doctor of physics and mathematical sciences, professor of Management and Informatics in Technical Systems Chair, Chuvash State University, Russia, Cheboksary.
