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

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