Датчик скорости звука для системы измерения скорости газовоздушного потока с изменяющимся составом

© С.И. Буянов, В.Д.Румяннева, 2007

УДК 531.76

С.И. Буянов, В.А.Румяниева

ДАТЧИК СКОРОСТИ ЗВУКА ДЛЯ СИСТЕМЫ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ ГАЗОВОЗДУШНОГО ПОТОКА С ИЗМЕНЯЮЩИМСЯ СОСТАВОМ

Семинар № 23

Рассматриваются проблемы исключения влияния существенного изменения скорости звука на показания акустического анемометра. Для исключения влияния скорости звука предлагается метод непосредственного ее измерения, для чего был сконструирован датчик. Рассматривается принцип работы этого датчика, оцениваются его возможности и приводятся результаты экспериментальных исследований, позволяющие оценить точность и адекватность предложенного метода.

Фазовый акустический метод измерения скорости потока

Лаборатория аэрологического контроля МГГУ занимается развитием акустического направления шахтной анемометрии. В ней был разработан акустический метод, позволяющий с высокой точностью измерять скорость воздушного потока, а также расход газа через сечение цилиндрического воздуховода.

Акустический фазовый способ анемометрии имеет достаточно много преимуществ перед другими методами, однако основной его проблемой является зависимость фазовой характеристики от температуры и состава газа. Подробно эта проблема была освещена нами в [1].

С использованием фазового акустического метода [2] был разработан

ряд акустических измерительных приборов. В общих чертах фазовый акустический метод заключается в следующем: два электроакустических

преобразователя являются попеременно приемником и излучателем акустической волны и располагаются в потоке, тогда разность фаз сигналов, распространяющихся по и против потока будет пропорциональна скорости потока.

Датчик акустического анемометра представляет собой цилиндрический волновод-воздуховод (рис. 1), а акустическая волна представляет собой сумму гармонических составляющих -нормальных мод.

В нашей лаборатории был разработан импульсный метод, основанный на том, что акустический сигнал подается в виде радиоимпульсов [3]. В этом случае, каждая нормальная мода, распространяющаяся со своей фазовой и групповой скоростью, будет приходить на приемный преобразователь в свои интервалы времени, что дает возможность работать с каждой модой в отдельности.

Формулы (1) (2) представляют собой выражения для суммы и разности фаз акустических сигналов распространяющихся по (ф1) и против (ф2) потока в случае распространения в канале одной произвольной рабочей моды. Исключив из этих формул скорости

Рис. 1. Анемометрический канал: 1, 2 - кольцевые преобразователи; 3 - цилиндрический волновод воздуховод

потока и звука, мы получаем возможность, измерять скорость газовоздушного потока фазовым акустическим методом, исключив при этом влияние изменения параметров среды: температуры, влажности, газового состава [4].

Ф2 -Ф1

ф2 +ф1

2ш!У

2!

1 -

ю

с

1 -

V

2

с

+ 2пк,

а

V ^ у

где ю - угловая частота акустических колебаний, I - расстояние между преобразователями, V - скорость воздушного потока, с - скорость звука, как характеристика среды, ц п корни функции Бесселя первого порядка первого рода, к - некоторое целое число, а - внутренний радиус волновода.

Вследствие того, что данный метод представляет наиболее надежным и перспективным, мы продолжаем его разработку и рассматриваем возможность его применения для других приборов и сфер деятельности.

иг

у

Проблемы фазового акустического метола связанные с изменением состава контролируемого потока. Постановка залачи

В лаборатории аэрологического контроля МГГУ были разработаны портативный акустический анемометр АПА-1, успешно работающий на некоторых отечественных шахтах и стационарный анемометр, работающий в системе безопасности шахты в Смоленске. Еще одно направление развития: медицина. Нами разрабатываются акустический спирометр и спир нализатор, позволяющий диагнос ровать заболевание силикозом шахтеров на ранней стадии, а также газовые расходомеры аппарата искусственной вентиляции легких. Датчики всех этих приборов представляют собой такие же волноводы-воздуховоды (рис. 1), как и у акустического анемометра. Однако если при измерении скорости потока воздуха скорость звука менялась незначительно, то при изменении состава газа, скорость звука заметно изменяется, и это может привести к невозможности применения действующего метода.

Целью настоящего исследования является оценка границ области применимости данного фазового-им-пульсного метода и разработка алгоритмов, позволяющих измерить скорость потока и звука и в том случае,

1

2

с

х

2

с

х

когда мы вышли за границы области применимости. Под границами применимости будем принимать диапазон скоростей звука, при котором данный метод работает без изменения каких-либо параметров.

Рассмотрим формулы (3) и (4). Они представляют собой уравнения (1) и (2) приближенно решенные относительно с и V.

V =

с =

аш

(- х)2 21

2

+ 21 % а

ш

2

Дп

I 412 а2

Здесь используются обозначения: у - сумма фаз, а - разность фаз

сигнала на преобразователях. Величина х в выражении (4) по сути, является подгоночным параметром. Теоретически она равна 2пк, где к - некоторое целое число, фиксирующее, какой именно период мы рассматриваем. На практике периоды синусоиды неразличимы, и мы не можем его определить алгоритмически. Кроме того, к фазам акустического сигнала добавляется некоторых фазовый сдвиг пьезопреобразователей. Поэтому параметр х подбирается эмпирически. При нормальных условиях мы полагаем скорость звука известной и, исходя из этого, вычисляем значение этого параметра, которое впоследствии хранится в памяти прибора. Однако при таком изменении скорости звука, при котором время прихода выделенной нами фазы изменится более чем на период должно измениться и значение параметра х, поскольку изменится число к. Не говоря уж о том, что могут появиться новые моды и для успешного применения формул (3) и (4) нужно будет

поменять рабочую точку - время начала отсчета им-пульсов и, возможно, рабочую моду.

Для того чтобы прибор автоматически выбирал параметры режима измерения - рабочую точку и номер рабочей моды, необходимо, чтобы было известно значение скорости звука.

Действующий метод позволяет нам лишь отслеживать и исключать изменения скорости звука при каждом измерении. Для того чтобы измерить абсолютное значение скорости звука, нужно добавить в конструкцию дополнительное устройство. Разработке такого устройства как раз и посвящена эта статья.

Разработка датчика скорости звука

Конструкция датчика

Датчик скорости звука представляет собой два пъезопреобразователя -излучатель и приемник акустической волны, расположенные в измерительном канале. Для того чтобы поток не оказывал влияния на скорость распространения акустических колебаний, преобразователи должны располагаться так, чтобы направление распространение акустической волны было перпендикулярно направлению потока. Конструкция датчика показана на рис. 2. Принцип измерения основан на известном методе измерения скорости звука по первому вступлению. На излучатель подаются периодические прямоугольные импульсы длительности, равной половине периода резонансной частоты преобразователя. По принимаемому сигналу нужно отследить 1 -время прихода его на приемный преобразователь, которое будет обратно пропорционально скорости звука - с.

В нашем случае метод будет иметь несколько особенностей. Во-первых, преобразователь имеет резонансную высокодобротную характеристику, и поэтому откликом на одиночный импульс является серия раскачивающихся и затухающих колебаний собственной частоты. Во-вторых, звук распространяется не в открытом пространстве, и поэтому на сигнал, распространяющийся от преобразователя к преобразователю по кратчайшему пути, накладывается сигнал, отраженный от стенок. В-третьих, расстояние между преобразователями сравнимо с длиной волны. В-четвертых, обеспечить хорошую акустическую изоляцию довольно трудно, поэтому на волну, распространяющуюся по воздуху, накладывается волна, распространяющаяся по стенке волновода. Все это необходимо учесть для получения информации о скорости звука по принимаемому сигналу.

Метод измерения

Осциллограммы напряжения на излучающем и приемном преобразователе показаны на рис. 3. Из осциллограмм видно, что зафиксировать первое вступление довольно трудно. Даже до начала приема сигнала на

Рис. 2. Устройство для измерения скорости звука:

1 - корпус; 2 - пьезопреобразователи; 3 - поролоновые изоляторы

преобразователе присутствует видимая наводка. Поэтому за момент прихода сигнала решили считать момент пересечения уровня напряжения на приемнике с некоторым ненулевым уровнем напряжения. Для того чтобы убедиться, что мы имеем дело с одним и тем же периодом, приемная программа была рассчитана на прием времени точек пересечения трех периодов с данным уровнем. По этой информации предстоит делать выводы об абсолютном значении скорости звука. Интерфейс приемной программы показан на рис. 4. Данная программа предназначена для испытаний и для тарировки датчика скорости звука. Принимаются значения шести моментов времени (точки пересечения трех периодов с определенным уровнем напряжения) и значения температуры, снятые синхронно с датчика температур, расположенного вблизи волновода. Поскольку теоретическая зависимость скорости звука от температуры известна, для тарировки датчика проводились температурные испытания в климатокамере. Изменения температуры вызывали контролируемые изменения скорости звука, что давало нам возможность наблюдать поведение датчика и интерпретировать его.

Испытания при различной амплитуде импульса на входе датчика

На вход излучающего пьезопреобразователя подается одиночный прямоугольный импульс напряжения. На

3

300

Рис.3. Осциллограммы напряжений на излучающем (верхний график) и приемном преобразователе (нижний график). Осциллограммы снимались при трех разных температурах: 1 - при -25,5°, 2 - при 22,2°, 3 - при 82,2°.

|Сот2 15200  | Подключить | 2 400

и, усл.ед

30 СреднГ Дискрет |

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750

Рис. 4 Интерфейс приемной программы

акустическом выходе его, предположительно, будет радиоимпульс с частотой заполнения, соответствующей резонансной частоте преобразователя

({ = 40 кГц). Этот импульс распространяется в пространстве с исследуемым газовоздушным составом и приходит на приемный преобразова-

150

100

Рис.5. Функциональная схема экспериментальной установки

тель через время, определяемое по формуле (5). Это время соответствует примерно двум периодам резонансной частоты 50 мкс. Однако, судя по осциллограмме (рис. 3), которая представляет собой сигнал на выходе приемного преобразователя, время между началом входного сигнала (рис. 3 верхний график) и принимаемого сигнала (рис. 3 нижний график) составляет 100 мкс, около четырех периодов резонансной частоты. Это может быть объяснено временной задержкой при электроакустическом преобразовании, хотя результаты моделирования при помощи схем замещения электроакустических преобразователей не содержат такой задержки. У нас была версия о том, что на осциллограмме мы наблюдаем на первое вступление импульса, а второй или даже третий или четвертый период принимаемой пачки, а первые периоды имеют маленькую амплитуду, и их не видно на фоне шумов. Для проверки этой версии была проведена серия экспериментов. На вход подавались импульсы различной амплитуды (до 80 В). Испытание показало, что наше устройство линейно. Вре-

менные характеристики устройства никак не зависят от амплитуды подаваемого сигнала. Скорее всего, задержка во времени вызвана какими-то свойствами преобразователей, не описываемыми при помощи используемой нами модели.

Температурные испытания

Для установления зависимости между скоростью звука и информативными параметрами устройства проводились температурные испытания. Датчик помещался в климатокамеру и далее снимались показания при различных температурах (рис. 5). Поскольку состав воздуха оставался неизменным, скорость звука однозначно могла быть связана с температурой по формуле:

c=

yRT

где у = 1,4 - показатель адиабаты, Т -абсолютная температура, К =8,31441 Дж/моль-К - универсальная газовая постоянная, д =28 г/моль молярная масса газа (для воздуха).

Температура изменялась в диапазоне от -20° до 85°. Снимались тем-

Computer

с, м/с

б)

с, м/с

пературные зависимости при варьировании конструктивных параметров устройства (рис. 6). На представленных на рис. 6 графиках по горизонтальной оси откладывается скорость звука, определяемая по показаниям температурного датчика и связанная с температурой по формуле (6), по вертикальной оси откладывается время прихода на излучатель первых трех периодов пачки. Время на данных

Рис. 6. Температурные зависимости показаний датчика а) частота следования импульсов 300 Гц, б) частота следования импульсов 50 Гц

графиках измеряется количеством импульсов счетчика п (14 МГц). Первый график представляет собой теоретическую зависимость построенную по формуле (5). Второй и третий - передний и задний фронты первого импульса, и т.д.

На графике (рис. 6, а) на графиках присутствуют колебания (неровности графика). Отдельно их можно увидеть в укрупненном масштабе на температурной зависимости времени прихода максимума третьего периода, показанной на рис. 7, а. Это говорит о том, что на первое вступление накладываются еще какие-то волны. Было обнаружено, что при проведении аналогичных измерений для двух преобразователей, расположенных в открытом пространстве, никаких колебаний не возникает. Это значит, что данные колебания вызваны наличием стенок волновода и могут быть вызваны наложением волн, отраженных от стенок волновода или распространяющихся по стенкам волновода. По графику (рис. 7, а) можно оценить, что данные колебания могут привести к ошибке определения скорости звука до 10 м/с.

б)

Для устранения вышеуказанных помех были предприняты следующие действия. Для устранения отражений от стен волновода был заменен излучатель. Попробовали установить излучатель с более узкой диаграммой направленности и сняли осциллограммы принимаемых сигналов. Для исключения волны, распространяющейся по стенкам волновода, установили поролоновые изоляторы вокруг преобразователей. Это позволило до-

Рис. 7. Зависимости времени прихода на приемный преобразователь максимума третьего импульса пачки от температуры. Частота следования импульсов а) 300 Гц; б) 50 Гц

биться линейной зависимости в области низких температур. Самым эффективным методом оказалось увеличение периода измерений. При большом периоде измерений все отраженные сигналы успевают затухнуть и не накладываются на первое вступление. Последние результаты экспериментов при измерении с частотой 50 Гц (вместо первоначальной 300 Гц) приведены на рис. 6 и 7, б. Мы видим, что температурная зависимость линейна. Следовательно, датчик работоспособен, и мы можем перейти к дальнейшим исследованиям с использованием различных газов и газовоздушных смесей.

Заключение.

Были проведены исследования по разработке датчика скорости звука. Температурные испытания позволяют получить однозначную зависимость между температурой и измеряемым параметром устройства. Это позволяет сделать вывод о возможности применения такого датчика для измерения абсолютного значения скорости звука и использования этого значения в процессе измерения скорости газовоздушного потока.

1. Буянов С.И. Румянцева В.А. Пути компенсации дополнительной погрешности акустического анемометра, связанной с изменением состава контролируемого потока. "Неделя горняка 2006": Горные информационно аналитический бюллетень. - 2006. -№ 6. - С. 330-339.

2. Шкундин С.З. Лашин В.Б. Фазовый способ акустической анемометрии. Метрология. - 1990. - №7. - С. 39-43.

3. Шкундин С.З., Буянов С.И., Румянцева В.А. Исследование распространения акустического импульса в цилиндриче-

ском волноводе с движущимся воздушным потоком. - М.: Наукоёмкие технологии, №1, 2002.

4. Шкундин С.З., Буянов С.И., Румянцева В.А. Оценка влияния состава контролируемого потока на погрешность акустического анемометра.// Горный информативно-аналитический бюллетень. - 2000. - №10. - С. 181-182.

5. Шкундин С.З., Кремлева О.А., Румянцева В.А. Теория акустической анемометрии. - М.: изд-во «Академии горных наук», 2001. ЕШЗ

— Коротко об авторах---------------------------------------------------

Буянов С.И. Румянцева В.А. - Московский государственный горный университет.

---------------------------------- ДИССЕРТАЦИИ

ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИЙ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ

Автор Название работы Специальность Ученая степень

СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЙ ГОРНО-МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

ЗЕМЛЯНОЙ Михаил Александрович Обоснование технологической схемы добычи минерального сырья во взаимосвязи с производством цемента 25.00.22 к.т.н.