Синтез системы измерения скорости звука в жидких средах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

5 О Д СУМСЮЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

Полонский Александр Дмитриевич

СИНТЕЗ "СИСТЕМЫ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ ЗВУКА В ЩЦКИХ СРЕДАХ

01.04.01 - техника физического эксперимента,

физика приборов, автоматизация исследований

АВТОРЕФЕРАТ

чиссертаиии на соискание ученой степени кандидата технических наук

СУМЫ - 19Э4

Диссертацией является рукопись.

Работа выполнена в Сумской государственном университета^ Научный руководитель - доктор технических наук, профессор Володченко Григорий Семенович, Сумский государственный университет, г. Сумы;

Научный консультант - кандидат технических наук, доцент Доротжов Александр Валентинович, Сумский государственный университет, г. Сумы.

Официальные оппоненты:

- доктор физико-математических наук, профессор

Хулии Виктор Васильевич, Сумский государственный университет, :. Сумы;

- кандидат физико-математических наук, старший научный со-трузнж Борискян Александр Иванович, Сумский институт прикладной

г. Суш.

Вздутая организация АО "СЕЯЛИ" [п/о "Электрон") г. Суш.

Защита диссертации состоится " д^к&Х/9/» 1994 г. а часов на заседании специализированного совета

Ii22.0I.0I в Сумском государственном университете С244007, г. Сумы ул. Римского-Корсакова, 2).

С диссертацией мочно ознакомиться в библиотеке Сумского государственного университета.

Автореферат разослан О У /¿оядра /99 У г,

I

'Ученый секретарь ,

специализированного совета .

K22.0I.0I, к.ф.-м.н. . • Александр Яковлевич Злат

О'-

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность яаботч. В настоящее время для контроля физико-химических свойств хидких сред широко используется ультразвуковые приборы, принцип действия которых основан на измерении скорости звука в исследуемой среде. Высокоточные и быстродействух>-■дие измерители скорости звука необходимы для решения целого ряда Фундаментальных и прикладных задач: изучения-структуры и характеристик гидрофизических полей океана (полей температуры, солености и т.д.); изучения характера движения таг а чкдких срядах; исследования теплообменник процессов и т.п.

Особенно высокие требования по быстродействие и точности предъявляется к измерителям скорости звука, применяемым для контроля мелкомасштабной пространственно-временной изменчивости физико-химических свойств жидких сред.

Однако, указанные характеристики известных измерителей скорости звука неудовлетворятг потребителей. Как показывает анализ публикаций, предпринимаемые попытки к реяенил задачи повышения быстродействия и точности измерений путем соверпенствования только аппаратной части, ограничиваются уровнем развития элементной базы и современного состояния приборостроения.

В то че время применение в составе приборов средств вычислительной и микропроцессорной техники-существенно меняет подход к проектирование и появляется возможность достижения требуемых параметров при ограниченных возможностях современной элементной .

базы. . ....... _

В связи с этим, решение задачи повышения быстродействия и точности измерений скорости звука в пидких средах становится возможным а результате комплексного подхода как к информационно-измерительной микропроцессорной системе, а именно:

- повышение точности измерения за счет совершенствования г--

м

паратной части;

- повышение быстродействия и точности измерений за счет применения микропроцессорных вычислительшх устройств;

- повышение точности измерений за счет применения совершенных алгоритмов обработки информации.

Такой подход к решения задачи повышения быстродействия и • точности измерений скорости звука в жидких средах требует решения задачи синтеза сжггемы измерений, что представляет собой практический интерес и является актуальной научной проблемой.

Цель работы. Дельп настоящей работы является повышение информативности и точности измерений, путем разработки как принципиально новых методов и устройств для измерения скорости звука, так и разработки алгоритмических метопов контроля физико-химических параметров «едких сред, для которых скорость звука и ее . пространственно-временная изменчивость сама по себе является объектом исследований.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- проведен сравнительный анализ методов измерения скорости звука с позиций достижения наибольшей точности и быстродейст-

I

вия;

- на основании теоретического анализа синтезированы устройства для системы измерения скорости звука, функционирупщие в реальном масштабе и обладающие повышенными метрологическими характеристиками;

-рассчитаны оценки погрешности измерений;

- получены математические модели процесса измерения скорость звука в форме пространства состояний. Полученные модели служат основой ддя получения оценок параметров процесса измерений скорости звука методом фильтрации Калмака;

- предложен алгоритмический метод компенсации погрешности

измерений на базе фильтра Калмана;

- исследованы вопросы сходимости, точности и определения вычислительных затрат при микропроцессорной реализации предложенных алгоритмов.

Практическая пднность заключается в следующем:

- разработаны пути построения быстродействутгаих и высокоточных устройств и систем измерения скорости звука в реальном времени;

- получены математические модели процесса измерений скорости звука, -на базе которкг показана возможность повышения точности измерений методом Калмана;

- разработан алгоритм, позволягиий уменьшить разрядность аппаратной части с 20 до-14 бит без снижения точности измерений;

- найдены и реализованы алгоритмы оценки скорости звука в виде программного обеспечения в системе команд микропроцессора серии КР580.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсутодались на Республиканской школе-семинаре "Опыт создания и эксплуатации робототехнических комплексов и гибких производственных систем в малино- и приборостроении (г. Сумы, 1988 г.); Второй научно-технической конференции^"Измерительная и вычислительная техника в технологических процессах и конверсии производств" (г. Хмельницкий, 1993 г.).

Публикации. Основные результаты диссертации содер-ттся в: четырех докладах и трех депонированных статьях.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, четырех глав и заклвчения, изложенных на.136 страницах машинописного текста, перечня используемой литературы из 123 наименований и приложения на 12 страницах. Работа иллюстрирована 32 рисунками и 2 таблицами на 32. страницах.

■ о

Азгоп чагтэттрт: • - " '

- систему и ее основные блоки для измерения скороети звука в жидких средах;

~ микропроцессорный .алгоритм измерений на основе время-импульсного метода преобразования.информации;

- микропроцессорные алгоритмы идентификации измерений на , основе метода Калиана. V

СОДЕШНИЕГ РАБОТЫ

Во введении показана актуалвоеть темы исследований, отмечена практическая направлеиностьработы, приведена ее структура.

В первой гл^яе: рмсмптроми лущоотвугкцай матгиш измерения скорости звука. ПроанализирОваньг вэзмзчноети технической реализации существующих методов измерений. На основании критического обзора существующих методов и устройств измерения выделены актуальные вопросы теоретических и экспериментальных исследований по разработке системы измерений скорости звука в «вдкнх средах. Сделан вывод о том, что наиболее приемлемым С с точки зрения диапазона измерений) является импульсно-циклический метод измерений. Показаны преимущества применения импульсно>-циклического метода измерений и проанализированы причины, сдерхиваопиё его развитие. В конце главы сделан выбор направления исследования к сформулированы основные задачи диссертационной работы.

Во второй гдас.е получены основные теоретические соотношения, описывающие процессы .формирования сигнала в импульсно-цикличес-ких системах. Найдены основные соотношения мекду параметг'"«и из-лучя^его и приемного электроакустических преобразователей ; определены требования и параметрам импульсного воз*у-»дениг и приема для переходного режима работы с учетом обеспечения требуемой точности измерений. На основании анализа преобразования информации в акустическом тракте показано, что вследствие интерфереши-

Г

«

онного взаимодействия прямого и многократноотрачгенннх от поверхностей тлутатаэго и приемного ¡-электроакустических преобразователей излучающих колебаний, точность измерения скорости звука зависит от величины коэффициента отражения. Показано, что уменьшение коэффициента отражения приводит к увеличения диапазона измерений и к снижении разрешающей способности (крутиз;ш преобразования). Рассмотрены пути повышения точности и разрешающей способности за счет осуществления в импульсно-циклической системе синхронизации генератора-формирователя импульсов излучения по моменту первого перехода через ноль сигнала на приемном электроакустическом преобразователе.

Третья,глава посвялена разработке методов и устройств повышения точности измерений.-На основе корреляционного метода обработки информации получен алгоритм функционирования и структура устройства синхронизации при использовании способа привязки по пересечение нуля. Учитывая наличие изменений амплитуда сигнала на выходе акустического тракта, а такче низкую помехоустойчивость элементной базы устройства синхронизации, предложена система стабилизации амплитуды на основе временной автоматической регулировки усиления. Получены алгоритм функционирования и структура системы временной автоматической регулировки усиления. Исследованы вопросы устойчивости, определены требования к элементам системы стабилизации амплитуды с учетом обеспечения требуемого быстродействия и точности измерений.

На основе проведенных, исследований путей синхронизации и стабилизации амплитуды предложен первичный преобразователь информации системы измерений скорости звука в -ид-гих средах, обладаттй повышенными метрологическими характеристиками.

Период Т(Ь) следования выходных импульсов з рассматриваемом преобразователе зависит от расстояния метду излучагтг* ■>

до

приемным преобразователями, величины скорости звука

¿уЧ)"

полнительного запаздывания сигнала в акустическом и элект-

ронных трактах:

г

С(-Ь)

Э .

■пстота, с; л-ветстввнно, равна

/-

ТУ -

С1

ТС*). ¿+ тд С(1)

(2

"-'ралений (I) и (2) получены алгоритмы определения скоро, ги ззу::а в виде:

сН) =

ер(Ч)

- РООтъ

сН) =

ТС*). - 2Гэ

(3

1 тэ /Т(£)\ . (4

Здесь учтено, что Т^ ^ Т (,а Р(£)ТЭ « ¿. Анализируя алгоритмы '3) и (4), видно, что наличие дополнительного запаздывания О ' сигнала.в акустическом и электронно грактах приводит к появлению систематической ошибки измерений

8С*

и

/т(-ь),

которую возможно минимизировать вычислительным путей. Это ппелполагает включение в состав системы измерений микропроцессорного вычислительного устройства и аппаратура для преобразования информации.

В работе проведен анализ частото-импульсного и время-импульсного метода преобразования информации.

Показано, что применение аппаратуры на основе время-импульсного метода преобразования обеспечивает;выигрыя по быстродействие измерений:

Ррп

а -—г,ал ус

о FTh)B¿

• (6)

где Pon - частота опорного генератора;

í+T

PT(+)=Í J Ptydé.

^ - осредненное

значение частоты выходного сигнала первичного преобразователя;

Т - время осреднения;

0¿ - i ¡Z к) - относительная точность измерений при реализации частото-янпульсного метода измерений;

S 'r = i ¡Z Pon - относительная точность измерений при реализации врэмя-импульсного метода преобразования.

Если полагать в 16), что точностные показатели одинаковые, '.е. Ьг - й'с . то выигрыш тем более, чем сильнее выполняется ■еравенств')

Рйп>рт(±).

С учетом (7) найдено выражение для определения скорости звука

'(О

я а) - мъ '

где Й ■■ - константа;

А/(-£) - код на выходе /2- -разрядного счетчика. Пропорциональный измеряемой скорости звука;

А/д . - код дополнительной задержки.

Выражение определяет алгоритм микропроцессорной обработки информации при использовании (Ъ-разрядного счетчика. Однако, такой алгоритм требует для своей реализации повышенных аппаратурных затрат и специального программного обеспечения. .

Учитывая,'что для большинства сред справедливо следую-

сее неравенство

с^ - Си-¿.г) с

тип >

(9)

П

где С , С - минимальная и максимальная скорость зву-

/^¿/7 ГчОУ

кн. предложен алгоритм измерений при использовании счетчика пониженной разрядности

Г Г П

С -г: { ')

Г Л * -

/паз-

к —1

■ (

л+.У Г-У

-I

N * 1С ^

& /V (~С) - г?менвмче кода б -разрядном счетчике;

/ 4

/7! кй^ ( 'Угпо/ — N ^¿п) - число разрядов счет-гаа; т-С /г)

я = {- 8с.

Предложенный алгоритм (10) позволяет увеличить быстродействие точность измерений. Показано, что повышение быстродействия дл-тигается за счет применения счетчика пониженной разрядности, а овыттение точности измерений - за счет использования вычислений о методу разложения в степенной ряд. Полученный алгоритм кэмере-ий ПО) на основе время-импульсного метода преобразований с ис-ользованием счетчика пониженной разрядности реализован в виде рограммного обеспечения в системе команд микропроцессора КР550.

На основе предложенных методов, алгоритмов и устройств раэ-1аботан действующий макет системы измерений скорости звука в чткд-гих средах. С цельт> определения технических характеристик скст°!-- ■ пмерений проведены экспериментальные исследования в лабораторных условиях на макете. Получено подтверждение правильности теоретически-' результатов и вугоюв результатам'« ^изтомского зксггеримен-га. Показано, что при выполнении измерений на реальных о^ектах остается неучтенными влияния гидроакустически'» я гипродинпм;тчес-<их помех на точность ммег^нн!». Минимизация влияния неучтенных яумов и помех на точность измерений возможна "Ри индентирикапии процесса измерений на основе использования информации о статисти-ческ-'у п.1рамвтрчу гн-'роекустичесггте и гидродинамических помех и ■чумо и.

россмотренк вопросы синтеза алгоритмов ичентигнгггсним кэмеренн- скорости звука, как элективного средства по?1:.!^ния точное" к измерений. Под иденткУ.папяей измерения с?: .. — сти яв^ка следует понижать процесс определения матекат:!ческой м >-

зели объекта контроля с целью оцеч'п; его статических и динамиче ккх характеристик, вектора.-состояния, неизвестных фазовых коорп нат, с использованием реально действуотих на входах сигналов и реакций объекта на эти сигналы. В результате анализа возмотност применения алгоритмов идентификации определен класс решаемых за дач:

1. Задача определения структуры и параметров объекта контро.

2. Задача определения параметров (статических и дингашчссшг. характеристик) обтьекта при заданной или принятой структуре.

3. Задача определения нвнаблвдаемых фазовыхкоординат, т.е. задача'оценки составляющих векторафйзового состояния.

Учитывая определенные сложности, связанные с описанием акусп ческого тракта, как четырехполюсника с переменными параметрами, показано, что решая задачу определения ненаблюдаемых фазовых координат, монио повысить точность измерений. На основании анализа методов решения такого класса задач, дояазано, что,наиболее универсальным и подходядим методом является алгоритм фильтрации Калмана. При рассмотрении особенностей применения метода фильтра ции Калмана для решения задачи идентификации измерения скорости звука, с учетом влияния априорной информации на точность оценки измерений, получена-математическая модель процесса измерений в виде системы стохастических разностных уравнений

ХС^АУ^аКО) + У0 Ск);

v

где Х{Х) - переменная состояния измерений - измеряемая координата; С^З - задаздее воздействие;

Vц [к) - погрешность наблюдений; ¿1 = ^ А [ ^ - коэффициент системы;

Н = ¿7Гер

Тф - постоянная времени; ]) ■ - период дискретности;.

Л= ¿$£ - относительная- точность измерений. Путем анализа статистических хагактеристик процесса измерений с учетом полученной модели измерений (II) сформулировано математическое решение задачи синтеза

хбоЛ —

где М Е'З - операция взятия математического ожидания; - несмещенная оценка процесса Решая такуо задачу методом Калмана найдена система рехкурент-ных разностных уравнений, которая по сути и является алгоритмом идентификации процесса измерений скорости звука

х(Ф)=х (а*-1)+ ф): [ 1( К) -1

1)},' "

где

£ ( К) - коэффициент фильтра Калмана;

(] (¡^ /к! - ¿) ~ экстраполированная ошибка фильтрации;

Ц ' - уТ0ЧНЭ::Ная Д'ЛСПЗГГ/ЛЯ о'пм'кя искомой

оц-3!-:сл;

НЫ)

в

к

Мо

- экспериментальный коэффициент;

- дисперсия .-гадающего воздействия;

- дисперсия погрешности наблюдения;

- установившаяся ошибка фильтрации,

С использованием программы фильтрации Калмана (12) в систе команд микропроцессора КР580 моделировалось решение задачи оце ■измерений скорости звука, предложенным методом синтеза алгорит идентификации с помощью Э5\1 СИ 1810. II. Исследованы вопросы то стн оценки измерений и цифровой устойчивости алгоритмов идент» кяции. Покачано, что по мере обработки новых данных, получаемы рзэультатз измерений, предлоконные алгоритм идентификации на нояе фильтрации Калмана, дачзт более точную оценку измерений и самым подтверждается их эффективность и возможность реализации системе измерений скорости звука в кидких средах.

В зак.ттчен'ли сформулированы основные результаты работы.

В приложении приведена часть теоретических и экспериментам ных исследований:

- в П1 приведен выбор и расчет системы временной автоматич кой регулировки усиления с учетом требуемой точности измерений скорости звука;

- в П2 выполнено исследование влияния погрешностей время-и п.улъсного преобразования на точность измерений скорости звука;

- з ПЗ иссле-ованы точностные характеристики чейстзучдего 1 кета системы измерений скорости звука;

- а 1Н приведена программа вычисления скорости звука метод! разложения в степенной ряд с использованием счетчика пониженно'

рядности;

- в П4.1 исследованы алгоритмы.идентификации с учетом обеспечения требуемо!» точности и цифровой устойчивости фильтра:?«!'.! Калмана;

- в П5 приведена программа фильтрации Калмана;

- в Пб представлен акт внедрения результатов работы.-

ОСНОВ.Ъ'Е РЕЗУЛЬТАТА РАБОМ

1. Теоретически изучены вопросы преобразования информации в пульсно-циклических системах измерения скорости звука и получд-

анолитическиэ выражения, устаназливапдие.взаимосвязь достичи-й точности измерений с параметрами электроакустического тракта к тая, как: коэффициент отражений, амплитудной и фазовой хар.ок-ристиками.

2. Предложено устройство синхронизации на основе реализации горитма привязки по пересечение нуля. Показано, что реализация кого алгоритма позволяет ослабить влияние коэффициента отр.ие-Ч на точность' измерений не менее, чем в 2 раза.

3. Синтезировано устройство вторичной обработки информации

. оснпяе яремр-импульсного метода преобразования и микропроцес-•рного вычислительного устройства, что позволит получить ВУИГ-m .по'^нстрод^йстшп не менее, ч°ч ч 5 раз.

1. С нель-о почэтчния точности измерений алгоритмическим пу-■м синтео1фозаны алгоритмы идентификации измерений нч основе мета Калмана, позполя дне получить выигрып в оценке измерений не >нее, чем r 2 раза.'

5. :!аг*ря*-)танн пртгрют.га, реализу-тзие алгоритмы прем"-нм-•льсног-о преобразован»» и идентификации измерений. В результате 'Длгиропаниг» работоспособности программ в система кочянд к;'»ро-•оцоссора КГ530 получена опенка быстродействия, составлятца* :Л'.'Ч'.';;у не менее, чем 20 отсчетов я секунду, что по дт вер*, да от

йозмоедость проведения измерений в-реальном масштабе времени.

6. По результатам теоретических и экспериментальных исследо ваний предложена система измерений скорости звука в тадких сред с повышенными метрологическими характеристиками. '

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Доренков A.B., Полонский А.Д. Анализ возможности повышен быстродействия измерителей скорости звука. Деп. рук. УкрВДИНГИ, * 2460 - Ук. 93, 1993. - II с.

2. Дорошков A.B., Полонский А.Д. Микропроцессорная обработк данных в измерителях-скорости'звука. Деп. рук. УкрНИИНТИ, 1994.

- 13 с. " -

3. Дорошков A.B., П'Лонский А.Д. Повышение быстродействия и мерителя скорости звука. Деп. рук. НИИТЭХИМ, ч 95 - ХП94.- 13 с

4. Дорошков A.B., Полонский А.Д. Микропроцессорный ультразв ковой анализатор физико-химических свойств веществ и материалов //Материалы НТК "Измерительная и вычислительная техника в техно логических процессах и конверсии производств". - Хмельницкий,

t 1993. - с. 14.

5. Дорошков A.B., Полонский А.Д. Быстродействующий микропро цессорный измеритель скорости звука в чидких средах //Материалы НТК "Измерительная и вычислительная, техника в технологических процессах и конверсии производств". - Хмельницкий, 1993. - с. 4

,6. Воло^ченко Г.С., Полонский А.Д. Синтез устройств адаптив ной коррекции, сигнала в измерителе скорости звука. - В кн. Тез. докл. НТК преподавателей, сотрудников и студентов. - Сумы, 1993 с. 157.

7. Дорошков A.B.,,Полонский А.Д. Влияние способа привязки и пульса излучения на точность измерений в измерителе скорости зв ка. - В кн. Тез. НТК преподавателей, сотрудников .и студентов.

- Сумы, 1393. - с. 159.

if

АННОТАЦИЯ.

лонский А.Д. Синтез системы измерения скорости звука в жидких едах.

ссертвдоя на соискание ученой степени кандидата технических ук по специальности 01.04.01 Техника физического эксперимен-, физика приборов, автоматизация исследований, Сумский гос. -т., Суш, 1994.

щицвется 7 научных работ, которые содержат теоретические и спериментальные исследования повышения быстродействия и точнос-изыерений скорости звука в жидких средах. Установлено, что пошете быстродействия и точности измерений достигается за счет вершенствовання аппаратной части, применения микропроцессорной работки информации и алгоритмов идентификации измерений, уществлено внедрение предложенных устройств и алгоритмов по зультатам выполнения хоздоговорных научно-исследовательских бог.

Клтоовх слова:

система вимгрювань, шввдкгсть звуку в ргдинних середовицах, со-1мпульсний метод, алгоритм хдентифгкавд! вимгрювань.

SYNOPSIS

sky ft. Г). The synthesis of sound measurement in the liquid undings.

issertat ion is presented for a Candidate of Technical Sci-by profession line 01 ..04.01 - the technic of physical expel, the physic of devices, the automation of research, Sumy University, Sumy, 1994.

scientific works are being defenced, which contain theore-and experimental researches about quick-action and sound

M

measureroint in the liquid surroundings. It is established, that

qui';s;-actlon and precision measurement are achieved by improvement

of machine components, microprocessor information processing

t

algorithm of measuring identification. It is realized the inculcation of suggesting devices and-algorithmes, according t.n results of seif-supportlna research works.

Полонский Александр-Дмитриевич

СИНТЕЗ СИСТЕМЫ ИЗМЗРЗЫП СКОРОСТИ ЗВУКА в жцш СРЕДАХ

Ответственный за выпуск

Соловей Владимир Алексеевич

Топоров Валентин Валентинович

у_

Подписано к печати О^, // /579^ Формат бумаги 60x90 1/16 Усл. печ.л. 0,75 • Тираж 100 экз.

СуглП. 244007, Сумы, ул. йшеко го-Корсакова, 2

Типография ПО "Электрон". 244007, Сумы, ул. Рлмского-Корсакова,