CC BY
85
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: [email protected]
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: [email protected]
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
