ГлавнаяСтатьиРадио и физика → Виртуальный прибор для измерения скорости ультразвука использующий принтерный порт компьютера (реферативный перевод)

Виртуальный прибор для измерения скорости ультразвука использующий принтерный порт компьютера (реферативный перевод)

2 апреля 2013 года
Ключевые слова: ультразвук , измерения

С. Раджагопалан1, С.Ж. Шарма2, В.М. Гхудки3

1 Department of Electronics, Nagpur University Campus, Nagpur 440 033 (India)
2 Department of Electronics, S. K. Porwal College, Kamptee, Nagpur 441 002 (India)
3 Department of Electronics, J. B. Science College, Wardha 442 001 (India)

Оригинал статьи на английском языке в свободном доступе
С. Раджагопалан, С Шарма, В Гхудки. Виртуальное оборудование для измерения скорости ультразвука. Электронный журнал "Техническая акустика", http://ejta.org, 2007, 12.

Наиболее популярным и эффективным методом измерения скорости ультразвука является импульсный. В настоящей работе представлена приемопередающая система на базе ПК использующая одиночные зондирующие импульсы. Система разработана с использованием доступных комплектующих и двунаправленного принтерного порта. Измерительная программа написана на языке C для операционных систем семейства DOS / Windows. Она управляет генерацией импульса, регистрирует сигнал и рассчитывает время его распространения. Зондирующий радиоимпульс с несущей частотой 2 МГц и длительностью 5 мкс получают при помощи внешнего источника. Этот импульс усиливается и отправляется на передающий преобразователь. Принятый сигнал детектируется и останавливает счетчик который считает тактовые импульсы кварцевого генератора частотой 32 МГц. Код счетчика считывается компьютером при помощи принтерного порта и используется для определения времени и отображения скорости распространения ультразвука на экране компьютера. Разработанная система была протестирована при измерениях скорости ультразвука в жидкостях. Было установлено, что результаты измерения скорости ультразвука, полученные с использованием вышеуказанной системы хорошо согласуются с описанными в литературе.

Введение.

Ультразвуковые измерения используются в самых разных целях уже многие десятилетия. Первоначальный бурный рост экспериментальных возможностей [1,2], начавшийся в 50-х годах продолжается и по сей день. С 80-х годов и по настоящее время компьютеры дают ученым все более миниатюрные и совершенные инструменты с возрастающим потенциалом определения ультразвуковых параметров [3]. Цифровые технологии и приборы сконструированные исследователями справляются с требованиями наивысшей точности.

Использование компьютеров позволяет исследователям значительно увеличить свои возможности в получении и обработке данных [4-6]. Обычные приборы при этом заменяются виртуальными (V.I.) [7,8]. В бюджетном виртуальном приборе полученные преобразователем сигналы усиливаются и поступают на принтерный порт компьютера для непосредственного отображения и последующего анализа. Все эти действия выполняет управляющая программа. Собранные данные обрабатываются и отображаются в требуемой форме. Данные можно сохранить для последующих справок или проведения более тщательных экспериментов.

Для измерения скорости ультразвука в жидкостях разработано много методов [9]. Они могут быть подразделены на импульсные и методы непрерывных волн (CW). Импульсные методы включают в себя метод однократного отражения, эхо-перекрытия и метод наложения импульсов [10 , 15], а методы непрерывных волн интерферометрическую технику. CW метод обычно используется в области низких частот и страдает от большого числа помех, таких как побочные резонансы и граничные эффекты, а большая рассеиваемая энергия вызывает нежелательный нагрев образцов. Дефекты CW могут быть устранены переходом к импульсной технике. Вудвард и Салман [11] разработали программный измеритель скорости ультразвука использующий метод одиночных распространяющихся импульсов. Однако имелись ограничения на диапазон скоростей ультразвука и кодов цифрового счетчика.

В данной работе мы сконструировали приемопередающее импульсное устройство использующее принтерный порт персонального компьютера и широко доступные электронные компоненты. Система оказалась точной, надежной быстродействующей и легко настраиваемой в широком диапазоне скоростей и частот. Простой графический интерфейс пользователя, написанный на языке Visual Basic [12], позволяет управлять режимами измерений. Разработанная в нашей лаборатории система была протестирована на измерении скорости ультразвука в различных стандартных жидкостях. Результаты измерений скорости хорошо согласуются с приведенными в литературе.

Схема и программа.

Схема состоит из необходимых для измерений элементов и двунаправленного принтерного порта centronics [13]. Каждый принтерный порт состоит из 3-х адресов, данных, статуса и управления. Эти адреса расположены последовательно. Так, если порт данных расположен по адресу 0x0378, то соответственно порт статуса имеет адрес 0x0379, а порт управления 0x037A. На Рис.1 показано расположение выводов в принтерном разъеме, а на Рис.2 соответствие их портам.


Рис. 1. Назначение выводов LPT разъема.


Рис.2. Соответствие выводов портам.

В данном случае порты данных и статуса используются как вход, а порт управления как выход. Таблица 1 показывает как используются выводы принтерного порта.

Таблица 1

Вывод

Описание

Назначение

Тип

Вывод

Описание

Назначение

Тип

1

Strobe

Clear

Выход

10

Ack

D8

Вход

2

Data 0

D0

Вход

11

Busy

D9

Вход

3

Data 1

D1

Вход

12

PE

D10

Вход

4

Data 2

D2

Вход

13

Select

D11

Вход

5

Data 3

D3

Вход

14

Autofeed

5 uS

Выход

6

Data 4

D4

Вход

15

Error

Не используется

----

7

Data 5

D5

Вход

16

Init

S

Выход

8

Data 6

D6

Вход

17

Select in

R

Выход

9

Data 7

D7

Вход

18

Ground

Gnd

Выход

На Рис. 3 дана блок-схема импульсного приемопередатчика. Она состоит из IBM совместимого компьютера с двунаправленным портом принтера, усилителя радиочастот, исследуемого образца и пьезоэлектрических преобразователей, приемного усилителя и схемы формирования импульсов. На Рис. 4 изображено подключение порта принтера к системе. Импульс длительностью 5 мкс создан с помощью программы. Этот импульс подается на элемент И, коммутируемый источником с частотой 2 МГц и таким образом получается импульсная модуляция несущей частоты. АМ сигнал усиливается до величины 24 В от пика до пика и возбуждает передающий преобразователь TX. Ультразвуковая волна проходит через образец и принимается приемным преобразователем TR. Принятый сигнал складывается из прямого импульса и его эхо отражений. Он усиливается усилителем приемника (Рис. 5) для получения логического уровня 5 вольт. Порт принтера записывает тактовые импульсы счетчика пока эхо импульс не сбросил триггер. Код счетчика используется для определения скорости жидкости, отображаемой в соответствующем окошке VB программы.


Рис.3. Блок схема импульсного приемопередатчика

Программное обеспечение управляет запуском, детектирует импульс и его эхо сигналы и измеряет время прохождения. В цепях приемника и передатчика используется принтерный порт обслуживаемый DOS утилитой написанной на Си.

В начале программа генерирует импульс сброса. Он поступает на вход R триггера и сбрасывает счетчик. Генерируется запускающий импульс и поступает на передающий преобразователь. Одновременно этот импульс поступает на вход S триггера и запускает счетчик. Для записи тактовых импульсов в промежуток времени между импульсом запуска и первым эхо сигналом используется 12 разрядный счетчик. Тактовый сигнал счетчика получают при помощи стандартного кварцевого генератора на 32 МГц. Счетчик останавливается первым эхо импульсом. Программа читает код счетчика по принтерному порту определяя временную задержку. Она состоит из времени распространения импульса по образцу и электронной задержки (в схеме и пьезопреобразователях). Электронная задержка может быть откалибрована при помощи измерения скорости в стандартной жидкости. Скорость ультразвука в исследуемой жидкости рассчитывается и отображается на экране (Рис. 6). Эта процедура может повторяться столько раз, сколько понадобится пользователю. Данные, соответствующих повторений хранятся в компьютерном файле и могут быть использованы для дальнейшего анализа. Эта же программа рассчитывает фактическую скорость в жидкости и отображает её на экране.


Рис. 4. Схема соединений принтерного порта.

Результаты

Разработанная в лаборатории система проверялась при измерении скорости ультразвука в дистиллированной воде. Полученные значения скорости хорошо совпадают с имеющимися в литературе. В Таблице 2 показаны результаты измерений для воды при различных температурах.

Таблица 2.

Жидкость

Температура (0С)

Измеренная скорость (м/с)

Данные литературы (м/с) [14]

Вода

25,0

1496,69

1496,687

26,4

1500,20

1500,356

27,6

1503,54

1503,384

28,3

1505,24

1505,102

30,5

1510,12

1510,272

31,7

1512,83

1512,949


Рис.5. Схема усилителя и формирователя импульсов


Рис. 6. Рабочее окно программы

Выводы

Измерения скорости звука с использованием данной виртуальной установки являются точными и воспроизводимыми. Систему можно использовать для измерений параметров различных жидкостей при разных температурах. Для улучшения временного разрешения можно увеличить рабочие частоты. Разрабатываются новые системы для определения параметров растворов и гелей.

Благодарности

Авторы признательны мисс Габхи, главе департамента электроники, RSTM, Нагпурского университета за поддержку экспериментов. Авторы благодарят мистера В.Р. Вигра за полезные замечания, доктора М.Н. Гхошала и доктора К.Д Занвара за их интерес к работе. Один из авторов (С.Ж. Шарма) рад поблагодарить университетскую комиссию по грантам Нью-Дели за финансовую поддержку.

Литература

  1. Flower Kim. Multiprocessing in real time system (part 5). IEEE Instrumentation and measurement Magazine, March 2003, 51–54.

  2. Engelberg S. Measurement of Physical constants using noise. IEEE Instrumentation and measurement Magazine, Dec. 2003, 49–52.

  3. Papadakis E. Effect of multimode guided wave propagation on ultrasonic phase velocity measurement problem and remedy. J. Acoust. Soc. Am. 45, 1969, 1547.

  4. Kollar I., Pintelon R., Schoukens J. Complicated procedure made easy (GUI). IEEE Instrumentation and measurement Magazine. Sept. 2003, 19–26.

  5. Kollar I., Pintelon R., Schoukens J., Simon G. How to test graphical user interface. IEEE Instrumentation and measurement Magazine, Sept. 2003, 27–33.

  6. Sachenko A., Kochan V., Turchenko V. Instrumentation for gathering data (DAQ System). IEEE Instrumentation and measurement Magazine, Sept. 2003, 34–40.

  7. Vyas N. S. Condition monitoring Applications using Virtual Instrumentation. National Symposium on Instrumentation, Pantnagar, India, 2003.

  8. Vijaykumar P. N. Virtual Instruments in Research. National Symposium on Instrumentation, Pantnagar, India, 2003.

  9. E. P. Papadakis, W.P. Mason. Physical Acoustics, vol. XII, 227, 1976.

  10. R. L. Forgacs. Improvements in the Sing Around Technique for Ultrasonic Velocity Measurement. J. Acoust. Soc. Am. 32, 1960, 1697.

  11. B. Woodward, M. N. Salman. Programmable ultrasonic velocimeter. Acoustics letters 6(8), 1983, 110-114.

  12. Mastering VB6. Evansgelos Petroutos, BPB Publication, New Delhi, 1998.

  13. http://engr.nmsu.edu/~etti/fall96/computer/printer/printer.html

  14. V. A. Del Gross, C. W. Mader. Speed of sound in pure water. J. Acoust. Soc. Am. 52 (7) (part 2), 1972, 1442–1446.

  15. Ковалевский М.В. Повышение информативности акустополяризационного метода определения упругих характеристик горных пород: Дис. ...канд. техн. Наук. Санкт-Петербург. 2002. -202 с. / Стр. 31-49