В статье приводится математическое моделирование определения временной координаты момента прихода эхо-импульса для двухчастотного метода зондирования, а так же описание существующих ошибок. Произведено описание соответствующих математических операций. Приведен график зависимости ошибки измерения от порога срабатывания компаратора для первых десяти периодов, средняя ошибка примерно равна 1/6 периода

Асочаков, А. С.

Старостин, А. Л.

Electronic archive of Tomsk Polytechnic University

XXI Международная научная конференция «СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИИ» Секция 2: ЭЛЕКТРОННЫЕ УСТРОЙСТВА КОНТРОЛЯ И ДИАГНОСТИКИ 292 ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОМЕНТА ПРИХОДА ЭХО-ИМПУЛЬСА  ДЛЯ МЕТОДА ДВУХЧАСТОТНОГО ЗОНДИРОВАНИЯ. Старостин А.Л., Асочаков А.С. Научный руководитель: Шульгина Ю.В.  Национальный исследовательский Томский политехнический университет, Россия, г. Томск, пр. Ленина, 30, 634050 E-mail: s-tar_94@mail.ru Аннотация: В статье приводится математическое моделирование определения временной координаты момента прихода эхо-импульса для двухчастотного метода зондирования, а так же описание суще-ствующих ошибок. Произведено описание соответствующих математических операций. Приведен гра-фик зависимости ошибки измерения от порога срабатывания компаратора для первых десяти перио-дов, средняя ошибка примерно равна 1/6 периода.  DETERMINING THE ECHO ARRIVAL TIME USING  THE DUAL-FREQUENCY SENSING METHOD Starostin A.L., Asochakov A.S. Scientific Supervisor: Shulgina Yu.V. Tomsk Polytechnic University, Russia, Tomsk, Lenin str., 30, 634050 E-mail: s-tar_94@mail.ru Abstract: The article presents determining mathematical modeling of the echo pulse arrival using dual-frequency sensing method for and description of the measurement errors. Description of the mathematical oper-ations is produced. Graph of measurement error from the threshold comparator for the first ten periods is shows. The average error is approximately equal to 1/6 of the period   Оптимизация расходов является одной из важнейших статей повышения эффективности фондо-емкого производства. Примером такого производства является горнодобывающая промышленность. При добыче полезных ископаемых, например железной руды, угля и др., необходимо производить взрывные работы, ведущие за собой значительные расходы. Для получения максимального результата от взрывных работ, необходимо соблюдать все расчетные требования, например объем взрывчатого вещества или глубину его закладки. [1] Для снижения трудоемкости расчетных работ необходимо применять не погружные способы из-мерения глубины залегания скважины. Акустические приборы для измерения геометрических размеров получили широкое распространение, но имеют ограниченное использование в горнодобывающей отрас-ли. При распространении сигнала, вследствие неравенства фазовых скоростей различных мод, а также вследствие затухания сигнала, происходит изменение формы огибающей переднего фронта сигнала. Для повышения точности измерения используются новые способы прозвучивания и обработки акустических сигналов[2], одним из которых является способ двухчастотного зондирования. Волновод зондируется двумя сигналами с разной частотой, а затем фиксируются временные координаты для каж-дого сигнала по моменту срабатывания компаратора (точки 1t  и 2t  рис. 1.). XXI Международная научная конференция «СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИИ» Секция 2: ЭЛЕКТРОННЫЕ УСТРОЙСТВА КОНТРОЛЯ И ДИАГНОСТИКИ 293 После измерения временных интервалов между излученными и принятыми сигналами произво-дится временная коррекция, согласно выражению: min)Δ()Δ( 1211  TitTit , [3] где 1T  – период колебаний первой ультразвуковой волны, 2T  – период колебаний второй ультразвуковой волны, i  – номер коррекции, 1Δt  – первый измеренный временной интервал, 2Δt  – второй измеренный временной интервал, полученное значение временного интервала )Δ( 11 Tit   используют при определении расстояния до отражающей поверхности.  Рис.1.Принцип фиксации временных промежутков 1Δt  и 2Δt  компаратором для двухчастотного метода. При проведении коррекции из всех вычислений выбирается итерация, при которой достигается минимальное отрицательное значение между )Δ( 11 Tit  и  )Δ( 22 Tit  . Затем происходит перемеще-ние временной координаты, определяемой моментом срабатывания компаратора, по оси времени, путем вычитания из него интервала времени кратного периоду большей частоты. Множитель для временного сдвига определяется номером периода, в который произошло срабатывание компоратора. Так как эхо-сигнал имеет сложную форму, и при расчете расстояния используются только поло-жительные пороги срабатывания компараторов, можно аппроксимировать эти положительные полупери-оды функцией: tUm sin , где mU  – максимальная амплитуда аппроксимируемой полуволны.  После преобразований функция принимает следующий вид:  Рис.2. Функция, аппроксимирующая сложный эхо-импульс. Используемое приближение порождает ошибку аппроксимации (Рис. 4.). Максимальное значение этой ошибки приходится на момент времени, соответствующий экстремуму полуволны, причем значение ошибки уменьшается с увеличением периода. Необходимо учитывать ошибку аппроксимации при опре-делении результирующего расстояния.  XXI Международная научная конференция «СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИИ» Секция 2: ЭЛЕКТРОННЫЕ УСТРОЙСТВА КОНТРОЛЯ И ДИАГНОСТИКИ 294  Рис.4. Иллюстрация ошибки аппроксимации. Определить временную координату, соответствующую моменту срабатывания компаратора, мож-но воспользовавшись обратной функцией )/arcsin()( mURRt  , где R – порог срабатывания компаратора, mU  – максимальная амплитуда аппроксимируемой полуволны. Так как момент прихода импульса определяется формулой 11 -Δ Tit  , то максимальная ошибка бу-дет равняться четверти периода, причем с увеличением номера периода диапазон ошибки будет сокра-щаться в сторону максимальной (Рис. 4.). На рисунке 4 приводится график зависимости ошибки измерения от порога срабатывания компа-ратора для первых десяти периодов, где 6/T  – средняя ошибка, 4/T  – максимальная ошибка.  Рис.4. График зависимости ошибки определения момента прихода эхо-импульса от порога сра-батывания компаратора Для повышения точности измерений двухчастотного метода необходимо ввести поправочный коэффициент, определяемый номером периода, в который произошло срабатывание компаратора с уче-том ошибки аппроксимации. Итоговая формула для определения момента прихода эхо-импульса примет вид: iсрапрiсрмет δδTit ....11 --)-Δ(  , где iсрметδ ..  - средняя ошибка метода для i -го периода, iсрапрδ ..  - сред-няя ошибка аппроксимации для i -го периода.  СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ: 1. Солдатов А.И., Чиглинцева Ю.В.(Шульгина) Теоретическое и экспериментальное исследование аку-стического тракта скважинного глубиномера //Известия Томского политехнического университета, 2009. -т. 315 -№ 4 -с. 85-89 2. Солдатов А.И., Шульгина Ю.В. Повышение точности ультразвуковых измерений методом двух ком-параторов //Известия Южного федерального университета. Технические науки, 2010. -т. 110 -№ 9 -с. 102-107 3. Определение временного положения эхоимпульса методом двухчастотного зондирования / Ю.В. Шульгина [и др.] // Контроль. Диагностика. – 2014. - №13. – с. 152-154.  

Determining the echo arrival time using the dual-frequency sensing method

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Electronic archive of Tomsk Polytechnic University