Научная статья на тему 'Метод определения временного положения медленно нарастающего эхо-импульса'

Метод определения временного положения медленно нарастающего эхо-импульса Текст научной статьи по специальности «Энергетика»

CC BY
160
38
Поделиться
Ключевые слова
компаратор / огибающая / погрешность измерения / эхо-сигнал / метод наименьших квадратов

Аннотация научной статьи по энергетике, автор научной работы — Дичев Никита Владимирович, Солдатов Алексей Иванович, Макаров Виктор Степанович, Сорокин Павел Владимирович, Фикс Иван Иванович

Рассматривается метод определения временного положения эхо-импульса с медленно нарастающим фронтом путём выделения огибающей. Предложены основные расчетные выражения для его использования. В качестве примера использован реальный эхосигнал с построенными данным методом огибающими. Произведено сравнение данного метода с традиционно использующимися, сделаны выводы.**

Похожие темы научных работ по энергетике , автор научной работы — Дичев Никита Владимирович, Солдатов Алексей Иванович, Макаров Виктор Степанович, Сорокин Павел Владимирович, Фикс Иван Иванович,

The method of determining temporary position of slowly rising echo-pulse by envelope segregation has been considered. The main calculation expressions for its usage were proposed. The real echo-signal with envelopes constructed by this method was used as the example. This method was compared with the traditionally used ones, the conclusion was drawn.

Текст научной работы на тему «Метод определения временного положения медленно нарастающего эхо-импульса»

Исследования проводились с использованием обеззараживателя стационарного типа, потребляемая мощность порядка 150 Вт; удельная мощность ультразвукового излучения 0,8 Вт/см2. Излучатель площадью 38 см2 выполнен на основе пьезокера-мики ЦТС-19. Исследовалось молоко объемом 150 см3ижирностью порядка 5 %.

В эксперименте исследовалось исходная проба, 4 пробы молока при различном времени воздействия ультразвуком, а также проба с остатков на колбе. Результаты исследований представлены в таблице.

Исследования показали, что при воздействии на молоко ультразвуковым излучением происходит заметное уменьшение общего числа бактерий. Результаты исследований отражены в протоколе № 2567 от 27.10.2008.

Предложенный вариант схемы ультразвукового обеззараживателя молока проточного типа позволяет осуществлять автоматическую подстройку ча-

стоты резонанса, тем самым повышая эффективность обеззараживания.

Таблица. Количество общего микробного числа в молоке при воздействии на него мощным ультразвуковым излучением

Материал (смывы пробы) Общее микробное число, КОЕ

Молоко до обработки 2500

После 5 мин. обработки 1800

После 10 мин. обработки 1000

После 15 мин. обработки 100

После 25 мин. обработки 90

Колба (остатки молока) >3000

В дальнейшем планируется проведение исследований качественных показателей молока при воздействии на него ультразвуковым излучением и определение пропускной способности устройства в проточном режиме.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Montville T.J., Matthews K.R. Food microbiology an introduction // American Society for Microbiology Press. - 2005. - V 17. - № 5. - P. 30-35.

2. Schmid R. The Untold Story of Milk // New Trends Publishing. 2003. URL: http://www.newtrendspublishing.com/USOMilk (дата обращения: 15.08.2010).

3. Забродин Ю.С. Промышленная электроника. - М.: Высшая школа, 1982. - 496 с.

Поступила 02.09.2010г.

УДК 534.6.08

МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВРЕМЕННОГО ПОЛОЖЕНИЯ МЕДЛЕННО НАРАСТАЮЩЕГО ЭХО-ИМПУЛЬСА

Н.В. Дичев, А.И. Солдатов, В.С. Макаров, П.В. Сорокин, И.И. Фикс

Томский политехнический университет E-mail: werdan@sibmail.com

Рассматривается метод определения временного положения эхо-импульса с медленно нарастающим фронтом путём выделения огибающей. Предложеныi основные расчетные вы1ражения для его использования. В качестве примера использован реальный эхо-сигнал с построенными данным методом огибающими. Произведено сравнение данного метода с традиционно использующимися, сделаныi выводыI.

Ключевые слова:

Компаратор, огибающая, погрешность измерения, эхо-сигнал, метод наименьших квадратов. Key words:

Comparator, envelope, measurement accuracy, echo-signal, least-squares method.

Акустические измерительные приборы широко применяются для измерений глубин скважин в горнодобывающей промышленности, измерений расстояний, измерений уровней жидких и сыпучих веществ в резервуарах, контроля различных материалов в дефектоскопии [1].

Традиционно, определение момента прихода эхо-сигнала производится компаратором, который вырабатывает нормированный прямоуголь-

ный импульс, когда амплитуда сигнала на его входе превышает установленный порог [2]. Это метод одного компаратора. Если огибающая эхо-сигнала близка по форме к прямоугольной, то ошибка будет минимальной. Если огибающая представляет собой медленно меняющуюся функцию времени, то момент начала эхо-сигнала и момент, определенный компаратором, существенно различаются. Возникает систематическая ошибка, которая

в условиях изменения амплитуды становится стохастической.

В работе [3, 4] предложен способ повышения точности измерения путем аппроксимации огибающей сигнала. Для этой цели применяется аналого-цифровое преобразование с последующим вычислением полинома второй степени методом наименьших квадратов [5].

Нами предлагается метод, который позволяет исключить применение аналого-цифрового преобразователя, оставив в аппаратной части только один компаратор. Новый метод обработки предусматривает построение огибающей пришедшего эхо-сигнала путем использования длительностей сигналов на выходе компаратора. Информация об амплитудах положительных полупериодов эхо-сигнала содержится в длительностях импульсов на выходе компаратора.

На рис. 1 показаны нарастающая часть эхо-сигнала, сигнал на выходе компаратора, а так же ошибка определения временного положения эхо-сигнала методом одного компаратора. Величина ипор показывает уровень срабатывания компаратора. Моменты времени обозначают начало соответствующего выходного импульса компаратора, а моменты времени /т1.../т4 отмечают положение экстремума данного полупериода синусоиды. Значения Д^.Д^ представляют длительности выходных импульсов, а Д - систематическую ошибку при использовании метода одного компаратора.

Из диаграммы очевидно, что при увеличении амплитуды эхо-сигнала, длительности сигналов на выходе компаратора возрастают. Используя эти длительности можно получить значения амплитуд положительных полупериодов. Будем полагать, что в течение одного периода данный эхо-сигнал является синусоидальным.

и

и _ пор

где ипор - порог срабатывания компаратора; р определяется как

п п .

р _---Дг.

2 Т

Отсюда

и=-

ип.

008 I П

Дг.

_!_

Т

Рис. 1. Диаграмма начала эхо-сигнала (а) и импульсы на выходе компаратора (б)

Известно выражение [5], описывающее аналитическую связь между частью периода синусоиды и её амплитудой

где Д/; - длительность импульса на выходе компаратора; Т - период сигнала; - амплитуда положительного полупериода синусоиды.

Определение моментов времени положительных экстремумов относительно начала эхо-сигнала основано на свойстве симметрии выходных импульсов компаратора. Данная задача решается фиксированием времени срабатывания компаратора ^ и добавления половины длительности соответствующего импульса на выходе компаратора.

Аналитическое выражение для определения времени положительных экстремумов имеет вид:

Д.

г . _ г. + —-.

т I I 2

Период сигнала будет определяться как отрезок между максимумами.

Расчёт аппроксимирующего полинома производится методом наименьших квадратов при использовании полученных пар данных ипш1 и т в качестве исходных значений. Для получения полинома второй степени необходимо использовать параметры, как минимум, трёх точек.

Для проверки эффективности данного метода были использованы реальные сигналы, полученные на экспериментальной установке в лаборатории ультразвуковой техники кафедры промышленной и медицинской электроники Томского политехнического университета [4].

Расчетным путем установлено, что за счет формы принятого эхо-сигнала огибающая, построенная данным методом, не всегда имеет пересечение с нулем. На рис. 2 показана осциллограмма эхо-сигнала, на которую наложены рассчитанные кривые огибающих, полученные при различных уровнях срабатывания компаратора. Можно видеть, что первая огибающая, построенная при уровне порога срабатывания компаратора, равном 20 % от максимальной амплитуды сигнала, не пересекает нулевую ось, а огибающие, построенные при уровнях 50 и 60 %, имеют точку пересечения с нулем, которая определяет момент прихода отражённого сигнала. Исследования показали, что условие пересечения огибающей нулевой линии выполняется, если пороговый уровень установлен в пределах 50 % от максимальной амплитуды принятого сигнала. В случае повышения порогового уровня погрешность измерения также увеличивается, а при

и, В

Рис. 2. Осциллограмма реального эхо-сигнала с огибающими, построенными на уровнях 20 (1), 50 (2) и 60 % (3) от максимальной амплитуды сигнала

Д, период

1—

2

7 12 17 22 Ь, период

Рис. 3. График зависимости погрешности определения временного положения эхо-импульса отдлительности фронта сигнала при использовании метода: 1) одного компаратора; 2) огибающей

понижении есть вероятность, что огибающая не пересечет нулевую ось.

Проведен анализ зависимости погрешности определения временного положения эхо-сигнала от длительности нарастающего фронта огибающей импульса. Анализ проводился численным методом в среде MatLab. Результаты представлены на рис. 3. Для сравнения на этом же графике показаны результаты расчёта погрешности для традиционного метода одного компаратора. В качестве огибающей эхо-сигнала использовалась кривая Гаусса.

Длительность фронта и абсолютная систематическая погрешность определения временного положения эхо-импульса измерялась в единицах периода несущей частоты. Такое представление обладает общностью и позволяет экстраполировать ре-

зультаты исследований при изменении диапазона частот зондирования.

На рис. 3 видно, что при изменении длительности фронта принятого сигнала в пределах от 8 до 27 периодов несущей частоты ошибка измерения предложенным методом не превышает 5 периодов и слабо зависит от данного параметра. Для метода одного компаратора ошибка возрастает пропорционально увеличению длительности фронта сигнала и достигает значения 13 периодов.

Теоретические значения погрешностей удовлетворительно совпадают с экспериментальными данными при одинаковых длинах фронтов импульса. Это подтверждает правильность выбора формы огибающей сигналов, достоверность полученных результатов и их практическую ценность.

Выводы

1. Предложен метод определения временного положения акустического эхо-импульса с медленно нарастающим фронтом путём выделения огибающей. Получены основные расчетные выражения для его использования.

2. Экспериментально показано, что абсолютная систематическая погрешность при использова-

нии метода снижается более чем в 2 раза в зависимости от длительности переднего фронта эхо-импульса.

3. Метод может быть использован в современных акустических измерительных устройствах без существенных изменений их аппаратной части.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий: Справочник. В 2 т. Т. 2 / под ред. В.В. Клюева. - М.: Машиностроение, 1976. - 326 с.

2. Горбатов А.А., Рудашевский Г.Е. Акустические методы измерения расстояний и управления. - М.: Энергоиздат, 1981. -208 с.

3. Солдатов А.И., Чиглинцева Ю.В. Теоретическое и экспериментальное исследование акустического тракта скважинного глубиномера // Известия Томского политехнического университета. - 2009. - Т. 315. - № 4. - С. 85-89.

4. Солдатов А.И., Сорокин П.В., Макаров В.С. Определение временного положения акустического импульса методом аппроксимации огибающей сигнала // Известия Южного федерального университета. Технические науки. - 2009. - № 10. -С. 178-184.

5. Анго А. Математика для электро- и радиоинженеров. - М.: Наука, 1965. - 780 с.

Поступила 03.06.2010г.

УДК 535;621.373.826;544.454

ЛАЗЕРНОЕ ИНИЦИИРОВАНИЕ ПОРОШКОВ ТЭНА В УСЛОВИЯХ ОБЪЕМНОГО СЖАТИЯ

В.П. Ципилев, Е.Ю. Морозова, А.С. Скрипин

Томский политехнический университет E-mail: tsipilev@tpu.ru

Определены энергетические пороги инициирования и исследована кинетика процесса взрывного разложения порошков тетра-нитрата пентаэритрита, объемносжатых до давления 5-108Н/м2, при воздействии импульсом лазерного излучения на длинах волн 1064 нм (область прозрачности) и 266 нм (область собственного поглощения). Реализованы условия низкопорогового инициирования для порошков чистого тэна первой, второй и четвертой гармониках излучения неодимового лазера.

Ключевые слова:

Взрывчатые вещества, лазерное инициирование, энергетические пороги, механизмы инициирования. Key words:

Explosive materials, laser Initiation, energy thresholds, explosion initiation mechanisms

Введение

Попытки инициировать прессованные порошки тетранитрата пентаэритрита (тэна) с открытой поверхности образца импульсами лазерного излучения, соответствующими области прозрачности матрицы, с интенсивностью ниже порога образования мощных ударных волн были безуспешны [1]. Причиной этого с точки зрения [2] является возникновение в приповерхностном рассеивающем слое высоких температурных градиентов, приводящих к быстрой газодинамической разгрузке очага разложения. Для реализации процесса зажигания коротким импульсом (нано-секундная область длительностей) используют защитные стекла [2-5]. Согласно [2] их роль должна состоять в том, что наличие стекла затрудняет газоотвод из начального очага разложения, увеличивает давление над поверхностью взрывчатого вещества (ВВ), приводит к росту скорости горения. При дости-

жении давления, большего некоторой критической величины возможен переход в режим конвективного горения с последующим взрывным разложением. Чем выше усилие прижатия стекла к поверхности ВВ, тем меньше пористость и газопроницаемость, тем быстрее достигается ркр, тем выше чувствительность ВВ, что и наблюдалось экспериментально в [3].

В [2] показано, что введение поглощающих примесей (наночастицы сажи с характерным размером ~100нм) повышает концентрацию поглощенной в объеме тэна световой энергии, способствует созданию критического давления при меньших световых потоках. Этот вывод подтвержден в работе [6] при облучении поверхности прессованных порошков тэна, закрытой тонкой (1 мм) стеклянной пластиной (без давления прижатия). В работе с помощью акустического датчика измерялся импульс давления, возникающий в области