• 03.04.2010
  • Преобразователи расхода "СПИРОСЕНС" зарегистрированы в Государственном реестре средств измерения
  • ПОДРОБНЕЕ >>>

Разработка устройства для снятия частотных характеристик датчика акустического шахтного анемометра

В.В. Стучилин, А.В. Воронцов

В лаборатории средств аэрологического контроля Московского государственного горного университета разрабатывается ряд ультразвуковых анемометров (серии АПА), основанных на принципе измерения сдвига фаз излученных колебаний относительно принятых. Эти приборы имеют более высокие показатели по сравнению с используемыми на данный анемометрами и расходомерами.

Актуальность рассматриваемого метода подтверждается проблемой обеспечения безопасности в угольных шахтах, которая требует создания надежных технических способов и средств управления проветриванием подземных горных выработок. Возрастающие требования к качеству контроля аэрогазодинамических процессов в шахтах приводят к необходимости использования все более совершенных приборов измерения скоростей и расходов газовоздушных потоков. Использующиеся в настоящее время для эпизодического контроля расхода воздуха в шахтах анемометры не в состоянии полностью удовлетворить современным требованиям безопасности и метрологии и обеспечить должный уровень контроля состояния рудничной атмосферы.

Основными приборами контроля скоростей газовоздушных потоков на шахтах в угольной промышленности по сей день, остаются тахометрические анемометры – это разработанные более пятидесяти лет назад анемометры АСО-3 и МС-13, или более новые модели – АПР-1 (АПР-2). Кроме того, что эти приборы не во всем удовлетворяют требованиям, предъявляемым к ручным шахтным анемометрам по точности, надежности и удобству эксплуатации, практически отсутствует база по их ремонту и метрологическому обеспечению.

Одним из вариантов устранения этих недостатков может служить создание новых приборов, основанных на более прогрессивных (с точки зрения точности и надежности) методов контроля расхода газовоздушных потоков.

Одним из приборов для измерения скорости газовоздушных потоков, разработанных в нашей лаборатории является акустический шахтный анемометр АПА-1/3. Он обладает рядом преимуществ по сравнению с тахометрическими приборами:

• отсутствие каких-либо подвижных (вращающихся) элементов или хрупкой нити накаливания;

• чувствительность к направлению контролируемого потока;

• более широкий диапазон измерения: от 0,05 до 40 м/с и выше;

• безынерционность (300 измерений в секунду с возможностью осреднения за любой промежуток времени);

• микропроцессорная компенсация погрешности, которая в абсолютном выражении составляет D V = ± (0,02+0,02V), где V – измеренная скорость потока;

• ресурс работы – более 10000 часов;

• контроль уровня заряда батареи;

• возможностью поверки в производственных условиях.

Основным элементом конструкции акустического анемометра является анемометрический канал, представляющий собой тонкую цилиндрическую трубу с жесткими стенками длины L радиуса b с открытыми концами, которая помещается в воздушный поток с постоянной скоростью u<<c, сонаправленный с осью трубы, где c - скорость звука в спокойной среде. В центре трубы находится пьезокерамическое кольцо ширины 2h, колеблющееся в радиальном направлении с постоянной звуковой частотой w , на одинаковом расстоянии от него расположены кольца-приемники (также в нашей лаборатории разработан вариант с двумя преобразователями, которые попеременно выполняют функции приемника и передатчика).


Рис. 1

Рис 2

Пьезокерамическое кольцо представляет собой цилиндр, на поверхности которого (внешнюю и внутреннюю) нанесена серебряная металлизация, являющаяся электродами. При подаче на электроды переменного напряжения обратный пьезоэффект вызывает попеременно, синфазно с приложенным напряжением, сжатие и растяжение пьезокерамического цилиндра, по направлению к воображаемой его оси и от нее. Эти колебания происходят относительно неподвижной воображаемой средней поверхности, проходящей через средние на торцах цилиндра длины окружностей. Кроме того, этим колебаниям сопутствуют и колебания по длине цилиндра, нами не используемые. Под влиянием описан ных радиальных колебаний, называемых осцилляциями, в цилиндрическом объеме возникают акустические колебания, распространяющиеся по каналу. Эти волны приходят на приемное кольцо, в котором пьезоэффект приводит к поляризации зарядов, на обкладках кольца возникает разность потенциалов.

Для реализации различных вариантов исследуемого способа анемометрического контроля использовались цилиндрические каналы с пьезокерамическими кольцами различных типоразмеров. Материал колец ЦТС-19, ЦТС-23, ЦТБС, также был проанализирован широкий спектр импортной пьезокерамики таких компаний как: PI Ceramic ( PIC 131…163), Sensor Technology ( BM 400 type I , BM 300…940), TRS Ceramics ( TRS 100…600) и др.

Нами используется пять типоразмеров кольцевых пьезопреобразователей (см. таблицу №1).

Таблица №1. Пьезокерамические кольца различных типоразмеров, используемые в анемометрических преобразователях

Геометрические характеристики, мм

1

2

3

4

5

Внешний диаметр

27,5

30

17,3

17,3

112

Внутренний диаметр

22

27

15,8

15,8

100

Высота

8

4

5

3

26

Толщина стенки

2

1,8

0,75

0,75

6

таблица №1

Рис 3

Предварительные эксперименты показали, что разные кольцевые преобразователи имеют различные характеристики, которые могут отличаться до 10%. А это в свою очередь может сильно ухудшить характеристики анемометра. Кроме того, возникает проблема «ухода нуля», т.е. показания прибора при нулевой скорости газовоздушного потока может не только быть отличным от нуля, но и изменяться в зависимости от внешних условий. Это происходит прежде все из-за различного ухода частотных характеристик пьезоэлектрических преобразователей.

Подпись: Рис. 3Вначале подходящие параметры пьезокерамических колец подбирались вручную, но такой метод связан с большими материальными затратами и требует значительных усилий и времени. Например, для снятия амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) кольца и сквозных АЧХ всего канала использовался специальный стенд (см. рис.), который позволял снять одну кривую АЧХ при определенных параметрах внешней среды. Для снятия же амплитудно-частотных характеристик во всем температурном диапазоне требовалось очень много времени. Кроме того, такая система не позволяет производить автоматическую запись, что не позволяет производить длительные по времени эксперименты. Еще большие сложности возникают при снятии фазочастотной характеристики (ФЧХ).

Таким образом, появилась задача разработать устройство, связанное с персональным компьютером, которое бы позволяло снимать частотные характеристики, как отдельных преобразователей, так и сквозную характеристику всего канала. Этот прибор также должен был измерять температуру и влажность (от которой также зависят характеристики акустического анемометра).

Частотный диапазон этого устройства должен был покрывать резонансные частоты всех используемых преобразователей. Так как резонансные свойства пьезокерамического кольцевого преобразователя, прежде всего, зависят от геометрических размеров, то необходимо было учесть все типоразмеры, используемые в наших приборах.

Исходя из перечисленных выше требований был разработан прибор (предназначенный для исследования амплитудно- и фазочастотных ха­рактеристик пьезопреобразователей и выполнен в виде приставки к персональному компьютеру (ПК). Он позволяет получать АЧХ и ФЧХ в диапазоне частот 1…100 кГц и передавать их в компьютер по стандартному последовательному протоколу для дальнейшей обработки. Ниже приводиться краткое описание принципа работы и ключевые схемотехнические решения разработанного устройства.

Основу работы прибора со­ставляет метод цифрового синтеза частот (см. рис.). Этот метод имеет некоторые преимущества перед аналоговыми методами; так как опорная частота формиру­ется кварцевым генератором, то она обладает высокой точностью и стабильностью, эти же свойства присущи и рабочей частоте устройства. Кроме того, нет необ­ходимости измерять эту частоту, поскольку всегда точно известен коэффициент деления программируемого делителя. Коэффициент деления задаётся микроконтроллером ATmega103L фирмы Atmel, он же осуществляет оцифровку амплитуды с помощью встроенного АЦП и передачу данных в ПК.

Программируемый делитель представляет собой 12-ти разрядный счётчик с синхронной предустановкой, составленный из 3-х микросхем 74AC161 фирмы National Semiconductor.

Сигнал опорного генератора частотой 20 МГц поступает на счетчик, в триггеры которого предварительно записывается некое число, которое и определяет, в конечном итоге, выходную частоту устройства.

Полученные меандры необходимо преобразовать в синусои­дальный сигнал. Эта задача решается при помощи схемы фазовой автоматической подстройки частоты (ФАПЧ), которая позволяет синхронизировать синусоиду с цифровым сигналом. Методика проектирования ФАПЧ подробно описана в [5].

В качестве генератора управляемого напряжением (ГУН) использована микросхема ICL8038 фирмы Harris Semiconductor. Она позволяет генерировать частоты в диапазоне 0.001Гц…300кГц, формируя одновременно синусоидальный, треугольный и прямоугольный сигнал. Последний подаётся на фазовый детектор CD4046 (Harris Semiconductor) и используется для синхронизации с цифровым сигналом.

Рис. 4 . Блок-схема прибора для снятия частотных характеристик

Происходит это следующим образом: фазовый детектор вырабатывает ко­роткие импульсы, фактически подключая выход к положительному или отрицатель­ному полюсу источника питания; в промежутках между импульсами выход находится в состоянии отсечки. Соответствующая временная диаграмма представ­лена на рис. 2. Длительность импульсов определяется разностью фаз синхронизи­руемых сигналов, а полярность зависит от превосходства той или иной частоты. Так, если в данный момент времени частота цифрового делителя оказывается большей и фронт прямоугольного сигнала приходит с него раньше то фазовый детектор формирует импульс положительной (или отрицательной, в зависимости от типа фазового детектора) полярности, понуждая ГУН повысить частоту. Эти импульсы используются для накачки заряда в конденсатор фильтра нижних частот (ФНЧ), корректируя, таким образом, частоту ГУН.

Полученный синусоидальный сигнал выводится на регулируемый усилитель, реализованный на дискретных компонентах, который выполняет функции аттенюатора и согласователя импедансов, а с него уже на исследуемый объект, которым в нашем случае явился пьезокерамический преобразователь.

Рис. 5 . Временные диаграммы работы фазового детектора

Для детектирования полученного сигнала был использован активный выпрямитель. В детекторе также использован активный фильтр нижних частот, который с одной стороны хорошо подавляет пульсаций, а с другой обеспечивает точное ? отслеживание ? формы характеристики. Оснащение прибора дополнительным усилителем позволило получать и сквозные частотные характеристики акустического канала. В активном выпрямителе и фильтре, а также усилителе использованы сдвоенные операционные усилители общего назначения TL072 (Texas Instruments).

Измерение фазы производится цифровой схемой, путем заполнения временного отрезка, соответствующего разности фаз, импульсами опорной частоты 20 МГц. Детектируемый сигнал подается на компаратор (AD790, Analog Devices), который вновь преобразует полученную синусоиду в меандры, поступающие затем на фазовый детектор. Фазовый детектор формирует импульсы, фронт которых соответствует фронту опережающего сигнала, а спад – фронту отстающего. Полученный сигнал используется для управления измерительным счетчиком (74AC4520) с выхода которой сигнал поступает на счетный вход микроконтроллера. Оставшиеся 12 разрядов счетчика реализованы при помощи внутреннего счетчика микроконтроллера. Когда с фазового детектора приходит сигнал останова счета, микроконтроллер считывает значение внешнего счетчика и ? сшивая ? его со значением внутреннего счетчика, получает величину относительного временного сдвига сигналов, выраженную в импульсах опорной частоты.

Рис. 6

Как уже говорилось выше в качестве управляющего устройства был выбран RISC-микроконтроллер ATmega103, который сочетает в себе высокое быстродействие и хорошо развитую периферию (наличие двух таймеров, 8 каналов 10-и разрядного АЦП, встроенный контроллер UART RS-232C, восемь 8-и разрядных портов общего назначения, flash-память). Для реализации микропроцессорной части описываемого устройства мы использовали отладочную плату STK300 (Atmel), что связано с большими сервисными возможностями, заложенными в эту плату (удобство ? перепрошивки ? микроконтроллера, наличие микросхемы– драйвера для RS-232, встроенный пульт управления и др.). К этой плате и подключалась цифро-аналоговая часть, описанная выше. Кроме того, прибор должен был измерять температуру и влажность окружающей среды. Для этих целей на каналы АЦП микроконтроллера мы подключили датчики температуры и влажности. Ниже приводиться блок-схема программы микроконтроллера, которая управляет прибором, а также отвечает за управление, расчет и передачу данных.

Необходимо отметить, что из-за специфики управления прибором и расчета конечных данных необходимо было обеспечить безошибочную передачу данных из прибора в персональный компьютер. Так как при большой протяженности линии (большая длина линии связана с особенностями применения климатокамеры КТК800, которая использовалась для исследования характеристик кольцевых пьезопреобразователей), а также большой скорости передачи 57600 бит/с возможны срывы и искажения передаваемой информации. Для этого был разработан следующий протокол:

Рис. 7

Как видно данный алгоритм обеспечивает 100% точность при передаче данных. Для передачи управляющих команд из ПК в прибор такого рода протокол не требуется и мы ограничились проверкой контрольной суммы и дублированием команды.

Программа ПК отвечает за прием данных из устройства, управление частотой, вывод полученных данных на экран и хранение информации на жестком диске.

Таким образом было разработано устройства для исследования АЧХ и ФЧХ пьезоэлектрических преобразователей, а также канала акустического шахтного анемометра. Ниже приводятся характеристики (АЧХ и ФЧХ) единичного преобразователя, а также сквозные характеристики всего канала.

Рис. 8 . Амплитудно (вверху)- и фазочастотная характеристики кольцевого пьезопреобразователя при T =30 ° C (резонансная частота-31кГц, d =30мм., материал-ЦТС-19)

Рис. 9 . Сквозные амплитудно (вверху)- и фазочастотная характеристики акустического канала

Как уже упоминалось, одной из специфических особенностей шахтной анемометрии является варьирование температуры в широких пределах, и хотя точка Кюри (температура при которой пьезоэлектрик теряет свои свойства) у керамики много выше, изменение температуры сильно сказывается на характеристиках пьезоэлектрических преобразователей, а значит и на всей системе в целом. Таким образом первой задачей разработанного устройства была необходимость исследования температурных зависимостей пьезокерамических колец. Для установки соответствующих параметров внешней среды мы использовали климатическую камеру КТК800, которая может изменять температуру в пределах от -80°С до +90°С с шагом в 1°С, а также изменять влажность от 10 до 100%.

Из полученных температурных зависимостей видно, что с изменением температуры (варьировалась от -30°С до +40°С) резонансная частота изменяется более чем на 5кГц, кроме того сильно меняется ФЧХ. Это неизбежно приведет к потере акустической мощности. Решением этой проблемы может стать использование в системе дополнительного датчика температуры, на основании показаний которого можно корректировать резонансную частоту.

Рис. 10 . Амплитудно-частотные характеристики кольцевого пьзопреобразователя в диапазоне температур (T=-30…+35 ° C)

Рис. 11 . Фазочастотные характеристики кольцевого пьзопреобразователя в диапазоне температур (T=-30…+35 ° C)

Кроме того, как говорилось в начале данной статьи, существует проблема «ухода нуля». Полученные данные указывают на то, что частотные характеристики отдельных пьезокерамических колец изменяются от температуры по разному, что негативно сказывается на стабильности показаний всей системы в целом. По этой причине перед окончательной сборкой датчика анемометра отдельно подбирать пары преобразователей, эту процедуру сильно упрощает использование описываемого устройства.


Литература:

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

2. Клещев Л.А., Клюкин И.И. Основы гидроакустики. Л., Судостроение. 1976.

под. ред. Кикучи Е. Ультразвуковые преобразователи. М., Мир. 1972.

3. Кремлева О. А. Совершенствование акустического способа измерения скоростных параметров газовоздушных потоков в горных выработках. канд. дис. М , 1997

4. Ando Y. Sound Radiation from Semi-Infinite Circular Pipe of Certain Wall Thickness. Acustica. Vol. 22 (1969/70)

5. Хоровиц П. Хилл У. Искусство схемотехники. М. Мир, 1998 г.,700 с.

 
 
Тел: (499)237-9467, (499)230-2531
Copyright © 2011 SirSensor