Разработка интегрального акустического анемометра Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

--------------------------------- © С.З. Шкундин, Е.Г. Петров,

2011

С.З. Шкундин, Е.Г. Петров

РАЗРАБОТКА ИНТЕГРАЛЬНОГО АКУСТИЧЕСКОГО АНЕМОМЕТРА

Описан метод измерения средней скорости потока воздуха в сечении воздуховода, аппаратная реализация этого метода в интегральном акустическом анемометре. Показана принципиальная схема данного прибора и часто рассмотрены алгоритмы его функционирования.

Ключевые слова: ультразвуковой акустический анемометр, средняя скорость потока воздуха, автоматизация контроля вентиляция, цифровые фильтры.

Создание автоматических систем управления проветриванием шахт невозможно без наличия совершенных датчиков расхода воздуха. Существующие анемометры (тахометриче-ские, тепловые) не удовлетворяют этим требованиям. Погрешность измерения с помощью таких датчиков средней по сечению выработки скорости воздушного потока составляет 15-20 %. Это происходит потому, что измеренная в одной точке скорость интерпретируется как средняя по сечению. В горных выработках, штреках, стволах, вентиляционных каналах эпюра скоростей имеет неправильную форму. Вид её может изменятся во времени при изменении средней скорости потока, состава среды и её температуры. Поскольку датчики подвержены воздействию запыленной атмосферы, то их надежность не велика. В Московском Государственном Горном Университете проводились исследования по созданию акустического анемометра для горных выработок.

Сущность метода состоит в том, что при распространении звука под углом примерно в 45° к направлению потока воздуха часть вектора скорости воздушного потока, действующая в направлении распространения звука, приводит к увеличению его фазовой скорости. И, наоборот, при распространении звука против направления потока воздуха - к уменьшению фазовой скорости. Принцип действия поясняется на рис. 1. Если принять за ось X направление движения воздуха или ось воздуховода, а за ось у перпендикулярное направление, то распределение

Пр2

Рис. 1. Принцип действия интегрального анемометра

потока воздуха можно представить в виде функции V (У) [1].Среднюю скорость по сечению можно оценить, интегрируя V (у) по оси у :

н

КсР. = | ^(у)^

0

Задержку акустического импульса во времени (задержку между началом генерации преобразователем Пр1 и началом регистрации преобразователем Пр2 на рис. 1) можно определить по форму-ле[2]:

ь

^з1-2 _ 77 77

^.о + К.сР.С0$а

ь

К 2-1 _ 77 71

К.0 - К.ср.С0$а

Тогда средняя скорость потока воздуха определяется по формуле:

Т t — t

Vв.ср. = —— (1з2-1 1з1-2)

2С08^ ^з1-2^з 2-1

На рис. 2 изображена схема интегрального акустического анемометра. Он состоит из трех частей - двух выносных блоков и одного системного. Системный блок соединен с выносными по интерфейсу RS-485. Системный блок осуществляет цифровую обработку сигналов, управление выносными блоками и связь с шахтной информационной системой. Выносные блоки нужны для управления акустическими преобразователями. В выносном блоке содержатся две аналоговые схемы:

• Схема генерации сигнала частотой 40 кГц. Сигнал генерируется с помощью широтно-импульсной модуляции и потом усиливается усилителем.

• Схема аналого-цифрового преобразования. Полученный сигнал сначала усиливается усилителем с переменным коэффициентом усиления, который задается в зависимости от расстояния между излучателем и приемником, а потом с помощью АТ ЦП преобразуется в цифровую форму и передается микроконтроллеру по интерфейсу SPI.

Эти схемы подключены к излучателю через аналоговый мультиплексор ADG1609.

Выносной блок

-Управление—

Микро-

контроллер 1 1

Буфер 1

1

-БР1- АЦП

Системный блок

Процессор I

Цифровая Вычисление Расчет скорости

фильтрация времени задержки

Рис. 2. Блок схема интегрального анемометра

Выносной блок функционирует по следующему алгоритму:

• Излучение

После получения команды «начало излучения», микроконтроллер коммутирует мультиплексор на схему излучения и начинает генерацию сигнала. В момент начала генерации он отправляет ответ, что генерация начата, для того чтобы системный блок мог точно определить время начала излучения.

• Прием

При получении команды «начало приема», микроконтроллер коммутирует мультиплексор на схему приема, и начинает отпрашивать АЦП по протоколу SPI. В момент получения первого бита, он отправляет системному блоку ответ. Данные с АТ ЦП считываются в буфер, и отправляются системному блоку по запросу.

Системный блок управляет выносными блоками, последовательно передавая им команды на излучение и прием. После получения данных происходит их цифровая фильтрация, выделение огибающей сигнала. По огибающей определяется время начала сигнала относительно начала оцифровки.

Преимущества этого подхода в том, что сигнал генерируется и оцифровывается в непосредственной близости от ультразвукового преобразователя, это позволяет получить на выходе большее отношение сигнал шум.

В ходе реализации данного прибора были решены задачи выбора оптимального цифрового фильтра и его реализация на микропроцессоре, реализация алгоритмов вычисления скорости потока. Основными критериями выбора цифрового фильтра были:

• Отношение сигнал шум на выходе фильтра;

• Отсутствие искажений в полосе пропускания;

• Быстродействие.

В ходе работы в системе MathLab были смоделированы фильтры с конечной импульсной характеристикой и бесконечной импульсной характеристикой разных порядков. Исследования характеристик фильтра проводились на идеальном и реальном сигнале, снятым цифровым осциллографом. При сравнении фильтров было установлено, что у КИХ фильтров лучшее отношение сигнал шум на выходе, но меньшая производительность. Поскольку отношение сигнал шум у КИХ фильтров превышает отношение сигнал шум у БИХ фильтров всего на 2 %, а производительность меньше примерно в 100 раз, то были выбраны БИХ фильтры. По всем критериям

подошел фильтр Баттерворта, т.к. он имеет самую гладкую АЧХ на частотах пропускания [3].

Реализация цифровой фильтрации фильтром 3-го порядка: for (i=0;i<length;i++)

{

if (i==0)

out[i]=b(0)*in[0] else if (i==1)

out[i]=b[0]*in[i]+b[1]*in[i-1]-a[1]*out[i-1] else if (i>=2)

out[i] =b[0]*in[i]+b[1]*in[i-1]+b[2]*in[i-2]-a[1]*in[i-1]-a[2]*in[i-2]

}

Цифровые фильтры легки в настройке и наладке. Для изменения конфигурации фильтра достаточно изменить несколько строк кода, а не менять схемотехнику печатной платы. Но они работают гораздо медленнее аналоговых фильтров, и для работы в реальном времени требуются мощные микропроцессоры.

------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Шкундин С.З., Кремлёва О.А., Иванников А.Л. Состояние и перспективы развития анемометрии в угольной промышленности. // www.sirsensor.ru/art_3.html

2. Шкундин С.З. Теория и практика акустической анемометрии в горнорудной промышленности.

http://www.giab-online. ru/files/Data/2008/4/4_SHkundin_plenar.pdf

3. Солонина А.И., Улахович Д.А., Яковлев Л.А. Алгоритмы и процессоры цифровой обработки сигналов. - СПб.: БХВ-Петербург, 2001. шгд=1

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ ---------------------------------------------

Шкундин Семён Захарович - профессор, доктор технических наук, зав. кафедрой, shkundin@mail.ru

Петров Евгений Геннадьевич - аспирант, geka000@gmail.com Московский государственный горный университет,

Moscow State Mining University, Russia, ud@msmu.ru