Upload
trinhthuy
View
218
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
UNIVERZA V MARIBORU
FAKULTETA ZA ELEKTROTEHNIKO,
RAČUNALNIŠTVO IN INFORMATIKO
Izidor Vehovar
MERILNIK NIVOJEV TEKOČIN NA OSNOVI
SPEKTRALNE ANALIZE AKUSTIČNEGA
VALOVANJA
Diplomsko delo
Slovenska Bistrica, julij 2010
II
Diplomsko delo univerzitetnega študijskega programa
MERILNIK NIVOJEV TEKOČIN NA OSNOVI
SPEKTRALNE ANALIZE AKUSTIČNEGA VALOVANJA
Študent: Izidor Vehovar
Študijski program: Univerzitetni-bolonjski, Elektrotehnika
Smer: Avtomatika in Robotika
Mentor(ica): Denis Đonlagić
Maribor, julij 2010
III
IV
ZAHVALA
Zahvaljujem se mentorju, izr.prof.dr. Denisu
Đonlagiću za pomoč in vodenje pri opravljanju
diplomskega dela. Prav tako se zahvaljujem Mateju
Njegovcu. Obenem se zahvaljujem tudi celotni ekipi LEOSS
za nudeno strokovno in tehnično pomoč. Posebna zahvala velja staršem za omogočitev in
vzpodbudo študija.
V
MERILNIK NIVOJEV TEKOČIN NA OSNOVI SPEKTRALNE ANALIZE AKUSTIČNEGA VALOVANJA
Ključne besede: senzorji, FFT, akustično valovanje, merilnik nivojev, resonanca, šumni generator, …
UDK: 681.586:681.128(043.2)
Povzetek
V diplomski nalogi je predstavljena izvedba akustičnega merilnika tekočin na osnovi
spektralne analize akustičnega valovanja, ki se ustvari v resonatorju. Merilnik temelji na
vzbujanju resonančne cevi s šumnim signalom ter FFT analizi valovanja, ki se ustvari v
resonančni cevi ob takšnem vzbujanju. Opisan je teoretični princip delovanja, zasnova in
razdelitev vezja ter blokovna struktura celotnega programa. Kot osnova teoretske analize
so obravnavani pojmi valovanje v zaprti piščali, harmoniki, frekvenčni spekter, FFT
analiza. Prikazani so tudi rezultati meritev pri petih različnih temperaturah in
karakteristike resonatorja.
VI
FLUID LEVEL GAUGE BASED ON SPECTRAL ANALYSIS OF
ACOUSTIC WAVES
Key words: sensors, FFT, acoustic waves, level gauge, resonance, noise generator, … UDK: 681.586:681.128(043.2) Abstract
The diploma thesis presents realization acoustic fluid level gauge based on spectral
analysis of acoustic waves, that is created in resonator. The level gauge is based on
excitation of resonant pipe with noise signal and analysis of acoustic waves FFT, that is
created in resonant pipe on such excitation. Theoretical principle of activity, design,
distribution of circuit and block structure of entire program is described. On the base of
the theoretical analyze notions such are waves within a closed whistle , accordions,
frequency spectrum, FFT analysis were discussed. The results of measurements at five
different temperatures and features of resonator were also showed.
VII
VSEBINA
1 UVOD 1
2 MERILNIKI NIVOJA TEKOČIN V INDUSTRIJSKIH OBRATIH 3
2.1 Metode merjenja nivoja tekočin 3
2.2 Problemi meritev in vplivi okolja 3
2.3 Merilnik z zunanjo prosojno cevjo 4
2.4 Merilnik nivoja s plovcem 5
2.5 Merilnik nivoja na osnovi hidrostatičnega tlaka 7
2.6 Kapacitivni merilniki nivoja 7
2.7 Merilnik nivoja s stikali 8
2.8 Akustični resonančni merilnik nivoja tekočin 9
3 UPORABA IN TEORETIČNO OZADJE SPEKTRALNE ANALIZE
AKUSTIČNEGA VALOVANJA V MERITVAH NIVOJA TEKOČIN 11
3.1 Delovanje akustičnega merilnika nivoja tekočin 11
3.2 Značilnosti akustične resonančne metode 13
3.3 Fizikalne lastnosti akustičnega merilnika 14
3.4 Matematična analiza in FFT—Fast Fourier Transform (Hitra Fourierova
Transformacija) 16
3.5 Uporaba šuma v resonančni cevi 18
3.6 Pogrešek merilnika zaradi spremembe hitrosti zvoka 20
4 SPLOŠNA ZASNOVA IN KONSTRUKCIJA PREPROSTEGA AKUSTIČNEGA
MERILNIKA NIVOJA TEKOČIN 23
4.1 Mehanska izvedba 23
4.1.1 Resonančna cev 23
4.1.2 Elektronska enota 26
4.1.3 Komunikacijska povezava s PC 27
4.2 Modul (sistem) za generiranje šuma 27
4.2.1 Šumni generator 28
4.2.2 Ojačevalno vezje zvočnika 29
4.3 Modul (sistem) za zajetje frekvenčnega spektra 31
4.3.1 Mikrofonsko ojačevalno vezje 31
VIII
4.3.2 Analogno-digitalna pretvorba (A/D) 33
4.4 Napajalnik 35
4.5 Modul (sistem) za merjenje temperature 36
4.6 Mehanska konstrukcija 36
5 PROGRAMSKA ENOTA (SOFTWARE ENOTA_LABVIEW) 38
6 PREIZKUŠNJA IN REZULTATI MERILNIKA 47
6.1 Karakteristike merjenja z spektralnim analizatorjem 47
6.2 Merjenje in karakteristika merilnika 48
6.3 Meritve pri različnih temperaturah 50
6.4 Dinamične lastnosti 51
7 ZAKLJUČEK 53
8 LITERATURA 56
9 DODATEK 57
IX
UPORABLJENI SIMBOLI IN KRATICE
A amplituda
AH2O površina elektrode potopljene v vodo
Azrak površina elektrode v zraku
c hitrost zvoka
cm molska specifična toplota
C kapacitivnost
d dolžina
f0 iskana resonančna frekvenca
F sila
g gravitacijski pospešek
h nivo tekočine
l nivo tekočine
m masa
M molska masa
n,N celoštevilčni večkratnik
p tlak
R splošna plinska konstanta, upornost
t čas
T temperatura
w dolžina valovoda, ki tvori resonator
FFT Hitra Fouriereva transformacija (Fast Fourier transform)
νn frekvenca n-tega harmonika
λn valovna dolžina n-tega harmonika
к adiabatni eksponent
ρ specifična gostota
ε0 dielektrična konstanta
εr relativna dielektričnost
ωMAX maksimalna krožna frekvenca v resonatorju
ωMIN minimalna krožna frekvenca v resonatorju
temperatura zraka
Akustični merilnik nivojev tekočin_____________________________________Uvod 1
1 UVOD
V času razvoja tehnike in znanosti se v praktičnem življenju srečamo tudi z novimi načini
merjenja tekočin. V prehrambeni industriji kot tudi v domači vinski kleti se srečamo z
indikatorji nivoja tekočin. Prav tako se drugod srečamo z raznimi merilniki za merjenje
nivoja v naftnih rezervoarjih, za merjenje nivoja gladin rek ali jezer itd. Nivo in količino neke tekočine v posodi oziroma v rezervoarju lahko merimo na več
načinov, preko teže tekočine, plovca, merilniki razdalje po ultrazvočnem ali kapacitivnem
principu, sprememba upornosti med kovinskima trakovoma potopljenima v tekočini… Meritve nivoja so ena izmed najpomembnejših nalog v procesni industriji in so tako ozko
povezane tudi z avtomatskim vodenjem. Četudi so takšne meritve na prvi pogled
enostavne, se izkaže, da je velikokrat enostavno merjenje nivoja lahko zelo problematično.
Posebno v primerih kadar zahtevamo veliko točnost, kratke odzivne čase na spremembe in
brezkontaktni merilni sistem. Takšni merilni sistemi so vselej zelo dobrodošli kadar,
imamo opravka z tekočinami pri katerih ni zaželeno, da pridejo do kontakta z samim
senzorjem nivoja. Ali so to lahko materialu nevarne tekočine, tekočine ki potrebujejo
visoko stopnost čistoče, tekočine, ki imajo visoko viskoznost ali pa tekočine z ostalimi
problematičnimi lastnostmi. Največji problem so usedline, ki pokrijejo merilnik in mu s
tem spremenijo lastnosti. V diplomskem delu je predstavljen in opisan zelo enostaven in praktičen merilnik nivoja
na osnovi spektralne analize akustičnega valovanja, katerega lahko uporabimo v različnih
industrijskih obratih ter na drugih različnih področjih. Merjenje nivoja v našem primeru poteka na principu akustične resonance in obdelave z
FFT (Hitra Fouriereva transformacija). Podoben pojav srečamo tudi v naravi. To so
predvsem razna pihala in piščali. Brezkontaktne merilne sisteme v industriji pogosto srečamo kot ultrazvočne sisteme, kateri
dosegajo visok razred točnosti in ločljivosti. Oblikovani so za brezkontaktno merjenje s
pomočjo ultrazvočnih valov. Dobre rezultate dobijo ob dobrih zunanjih pogojih. Ti pogoji
Akustični merilnik nivojev tekočin_____________________________________Uvod 2
pa močno vplivajo na parazitne odboje, ki jih povzročajo neidealne površine tekočin,
umazanije, obloge,pene, itd. Enostavni akustični merilnik nivoja na osnovi spektralne analize je brezkontaktni merilni
sistem, ki nam omogoča uporabo dolgih akustičnih valov, pri nizkih frekvencah, pri katerih
se ti valovi ne odbijajo od nepredvidenih ovir. V mnogih merilnih aplikacijah katere
zahtevajo brezkontaktni-električni merilni sistem je takšen zelo dobrodošel. Pomembne lastnosti takšnega akustičnega merilnika nivoja se predvsem kažejo v zelo
enostavni, mali in ceneni izvedbi. Seveda ima takšna izvedba svoje prednosti in
pomanjkljivosti. Vendar je lahko takšna lastnost v nekaterih primerih zelo uporabna. V samem diplomskem delu je prikazano teoretično in praktično ozadje tega pojava.
Obravnavana je zasnova, lastnosti posameznih modulov, obdelava programskega jezika,
praktična preizkušnja, konstrukcija celotnega enostavnega akustičnega merilnika nivoja
tekočin na osnovi spektralne analize. V naslednjih poglavjih bom skušal sistematsko prikazati pristop k projektu. Po uvodnem
poglavju sledi poglavje v katerem so opisani drugi merilniki, ki jih srečamo v industrijskih
obratih. Navedene so tudi njihove dobre in slabe lastnosti. V tretjem poglavju sem podal
ozadje fizikalnih lastnosti na katerih temelji naše delovanje merilnika. Zraven fizikalnih
osnov imamo opisano tudi matematično ozadje za potrebno obdelavo signalov. Posamezne
ključne gradnike in module, ki jih združimo v celotni izdelek sem predstavil v četrtem
poglavju. Zelo pomemben proces, ki ga moramo za kvalitetno merjenje obvladati je
obdelava akustičnega signala. Programsko ozadje merilnika in obdelava akustičnega
signala je predstavljeno v petem poglavju. Rezultate ki smo jih dobili pri različnih
temperaturah sem predstavil v šestem poglavju. V sedmem poglavju je podan zaključek in
ugotovitve. Opisani so problemi s katerimi smo se srečali pri načrtovanju preprostega
merilnika, rezultati ki smo jih dobili in možnosti za izboljšanje in nadaljnji razvoj našega
merilnika.
. .
Akustični merilnik nivojev tekočin_______ _____Merilniki v industrijskih obratih 3
2 MERILNIKI NIVOJA TEKOČIN V INDUSTRIJSKIH OBRATIH
2.1 Metode merjenja nivoja tekočin
Meritve nivoja tekočin v industrijskih obratih, kot tudi v vsakdanji praksi lahko v grobem
razdelimo na direktne in indirektne. Direktne metode so enostavne in ekonomične, vendar dajejo le vizualno indikacijo
nivoja. Pri teh metodah nivo tekočine odčitamo iz skale, katera se nahaja v
prozorni cevi. Cev je pritrjena na posodo, katere merimo nivo tekočine. S takšno
meritvijo težko pridemo do točnega in primernega rezultata. Indirektne metode, pa izkoriščajo mnoge fizikalne in električne lastnosti merjenih
medijev. Primer je tudi naš akustični merilnik nivoja, kjer merimo resonančno
frekvenco zvočnega valovanja v cevi.
2.2 Problemi meritev in vplivi okolja
Pri merjenju nivoja tekočine naletimo na različne težave katere so posledica zunanjih
vplivov okolice ali spremembe tekočine zaradi vpliva okolice, zato je potrebno pri
merjenju nivoja tekočin upoštevati še nekaj dodatnih parametrov, kot je na primer
temperatura. Merjena vrednost, ki jo merimo predstavlja merilni rezultat. Ta se lahko
spreminja z temperaturo tekočine. Istočasno se z temperaturo spreminjajo lastnosti same
tekočine. Temperatura vpliva na gostoto ter viskoznost tekočine. Prav tako lahko kemična
zgradba tekočine vpliva na merjen rezultat. Če imamo kapacitivni merilnik nivoja, kjer
lahko že najmanjša sprememba dielektričnosti tekočine drastično vpliva na rezultat, potem
ni vseeno ali imamo v cisterni vino z malo pH vrednosti, ali pa z veliko pH vrednostjo. Če
imamo opravka z takšno okolico, potem moramo v sam princip merjenja vključiti razne
dodatne kompenzacijske ukrepe s katerimi zagotovimo točne meritve nivoja tekočin v
cisterni. S takšno situacijo se soočamo, kadar merimo nivoje tekočin pri katerih se
atmosfera v cisterni spreminja zaradi tekočine. To se predvsem zgodi kadar tekočina hlapi
Akustični merilnik nivojev tekočin_______ _____Merilniki v industrijskih obratih 4
(vrela voda, gorivo), vreje (pivo, vino) ali pa se lastnosti zraka v cisterni spremenijo zaradi
zunanje temperature.
2.3 Merilnik z zunanjo prosojno cevjo
Najenostavnejši in preprost način s katerim merimo nivo tekočin v cisternah je z uporabo
steklenega merilnika. Takšen merilnik je sestavljen iz dolge, ravne, votle, steklene cevke,
katere višina je skoraj enaka kot višina cisterne. Oba konca cevke sta pritrjena na dno in
vrh cisterne. Sam nivo merilne tekočine v cisterni se istočasno in enako spreminja kot nivo
tekočine v cevki.
Slika 2.1: Merilnik z prosojno cevjo
Tipičen princip delovanja takšnega merilnika nam prikazuje slika 2.1. Sama metoda tako
rekoč deluje po principu U-cevi. Takšna metoda je preprosta, a za praktično rabo dokaj
nerodna. Kljub temu pa je bila in še ostaja ena izmed referenčnih merilnih metod za
merjenje nivoja vendar ob pogoju, da je tlak v posodi enak tlaku okolice. Kot merilno
tekočino lahko uporabljamo različne tekočine. Slabost takšnega merilnika je nastanek
kapilarne depresije [1] ali kapilarnega dviga (ascenzije) kateri lahko povzroči dodatne
pogreške pri odčitavanju nivoja tekočin. Natančnost meritve je odvisna od dobre odčitave
uporabnika.
Akustični merilnik nivojev tekočin_______ _____Merilniki v industrijskih obratih 5
2.4 Merilnik nivoja s plovcem
Metoda delovanja senzorja nivoja s plovcem je dokaj enostavna in zelo razširjena v praksi.
Sam princip temelji na Arhimedovem zakonu vzgona. Plovec je ponavadi tanka dolga
palica valjaste oblike in dolžine l, ki je na zgornji strani pritrjena na senzor sile. Gostoto
materiala palice poznamo in je v bistvu večja od specifične gostote tekočine v kateri je
potopljena in v kateri merimo nivo. Silo ki jo merilnik meri je sila teža plovca zmanjšana
za silo vzgona. Princip delovanja nam razločno prikazuje slika 2.2.
Slika 2.2: Princip merjenja nivoja z vzdolžnim plovcem
Z večanjem nivoja v posodi se manjša sila, katero merimo in obratno. Maksimalno
vrednost sile F dobimo pri nivoju tekočine h = h0. Takšno silo lahko merimo z merilnikom
sile na osnovi uporovnih merilnih lističev. Drugi princip merjenja z plovcem nam prikazuje slika 2.3. Pri takšnem merilniku je plovec
pritrjen na tanko palčko, katera je dalje pritrjena na uporovni senzor. Sam plovec mora biti
lažji od tekočine katere nivo merimo. Z spremembo nivoja se bo spreminjal kot paličice na
spremenljivem uporu. Naprej od spremenljivega upora pa sledi obdelava spremenljivega
električnega signala. Takšen princip delovanja pogosto srečamo v avtomobilski industriji
in drugih delovnih strojih [2]. Slabost takšnega principa merjenja je v stabilnosti meritve. Pri nagibanju vozila, se nagiba
tudi rezervoar z gorivom. Posledica tega je tudi nagib plovca, kateri bo preko
spremenljivega upora posredoval napačne rezultate indikatorju.
Akustični merilnik nivojev tekočin_______ _____Merilniki v industrijskih obratih 6
Slika 2.3: Merilnik s plovcem v posodi za gorivo
Akustični merilnik nivojev tekočin_______ _____Merilniki v industrijskih obratih 7
2.5 Merilnik nivoja na osnovi hidrostatičnega tlaka
Merjenje nivoja v odprtih posodah lahko s posredno meritvijo hidrostatičnega tlaka na dnu
posode merimo z manometrom, kot nam prikazuje slika 2.4. Predpostaviti moramo, da je
hidrostatični tlak proporcionalen nivoju tekočine v cisterni. Če si predpostavimo konstantni
gravitacijski pospešek in konstantno specifično gostoto tekočine v cisterni, lahko brez
problema izmerimo nivo tekočine po enačbi (2.1), pri tem nam ρ predstavlja specifično
gostoto tekočine, g je gravitacijski pospešek in h je nivo tekočine. Tukaj je potrebno
upoštevati zunanji tlak, kar je lahko slabost takšnega sistema.
Slika 2.4: Hidrostatično merjenje nivoja
(2.1).
2.6 Kapacitivni merilniki nivoja
Izmed mnogih princip merjenja nivojev se pogosto srečamo tudi z uporabo kapacitivne
sonde. Takšna metoda je zelo preprosta, cenena in enostavna za uporabo, temelji pa na
spremembi kapacitivnosti kondenzatorja, slika 2.5. Ta metoda se uporablja tako za
prevodne kot za neprevodne fluide. Takšen senzor deluje po principu spreminjanja
kapacitivnosti v odvisnosti od spreminjanja nivoja tekočine, v katero je potopljen. S
spreminjanjem nivoja se spreminja površina elektrode obdane z tekočino. Ker imata
tekočina ter zrak različne dielektričnosti se z nivojem tekočine spreminja kapacitivnost
celega kondenzatorja, kar razločno vidimo iz enačbe (2.2). Takšni merilniki so primerni
samo v primerih, da se v posodi vedno nahaja tekočina z isto dielektričnostjo, kar pa je
p g h
Akustični merilnik nivojev tekočin_______ _____Merilniki v industrijskih obratih 8
lahko velika težava. Različne vrste vina lahko imajo različne dielektričnosti, zato ne
moremo vsako leto dati v isto cisterno drugega vina, razen če senzor nivoja ponovno
umerimo.
Slika 2.5: Kapacitivni merilnik
(2.2).
2.7 Merilnik nivoja s stikali
Zelo enostaven merilnik nivoja srečamo tudi v [3] izvedbi s stikali. Tukaj so stikala
nameščena v dolgo tanko cev, ki je potopljena v cisterno. Stikala so nameščena v dolgi
liniji od dna do vrha cisterne. Z dotikom tekočine postane stikalo aktivno. Tako lahko za
točno določeno višino dobimo točno določen rezultat. Princip nam prikazuje slika 2.6(a),
kjer nam nivo prikazuje kot stolpec svetlečih svetilk.
Slika 2.6: Merilnik z stikali
2 2
22 0 0
1 0
1 2
H O H Or PVC H O
zraka
A AC
d dA
Cd
C C C
Akustični merilnik nivojev tekočin_______ _____Merilniki v industrijskih obratih 9
Da dobimo večjo resolucijo merjenja lahko dodamo večje število stikal. To seveda poveča
resolucijo, poveča pa tudi število žic, ki jih moramo vključiti. Težave pri tem sistemu so
predvsem v resoluciji, saj nivoja ne moremo meriti zvezno, hkrati pa je vgradnja velikega
števila stikal nesmotrna. Potrebno je poskrbeti, da so stikala ločena od tekočine. Vnetljive
tekočine so še posebej problematične, če imamo elektronske merilnike nivoja saj lahko
pride do vžiga. Varnost takih sistemov mora biti ista kot v rudnikih. Tega se lahko rešimo z
vgradnjo enkoderja, slika 2.6(b). Ta zajame signal iz n stikal in jih pretvori v neko logično
m-bitno število, katero predstavlja informacijo o nivoju.
2.8 Akustični resonančni merilnik nivoja tekočin
Sam merilnik [4] je zgrajen iz tanke dolge cevi katera je potopljena v rezervoar. Cev deluje
kot zaprta piščal, katera je na eni strani zaprta z gladino tekočine, na drugi strani pa z
zvočnikom ob katerem je postavljen mikrofon, slika 2.7.
Slika 2.7: Akustični resonančni merilnik nivoja tekočin
Sama cev ima lastno osnovno resonančno frekvenco, kot tudi višje harmonike. Odvisnost
med nivojem tekočine h in osnovno resonančno frekvenco f0 nam opisuje (2.3).
(2.3).
02
ch w
f
Akustični merilnik nivojev tekočin_______ _____Merilniki v industrijskih obratih 10
Pri čemer nam w predstavlja dolžino valovoda, ki ga tvori resonator, h nam predstavlja
nivo fluida v tekočini, f0 je iskana resonančna frekvenca in c predstavlja hitrost zvoka.
Princip delovanja je v iskanju osnovne resonančne frekvence resonatorja, kateri sledimo ob
spreminjanju nivoja tekočine. Nadalje izračunamo nivo merjene tekočine iz osnovne
resonančne frekvence. S takšnim merilnikom dobimo dobro ločljivost in male pogreške,
vendar se moramo zadovoljiti z slabšimi dinamičnimi lastnostmi.
Akustični merilnik nivojev tekočin_ _ _Uporaba in teoretično ozadje 11
3 UPORABA IN TEORETIČNO OZADJE SPEKTRALNE ANALIZE
AKUSTIČNEGA VALOVANJA V MERITVAH NIVOJA
TEKOČIN
Enostavni akustični merilnik nivoja na osnovi spektralne analize nam omogoča merjenje
nivoja tekočine pri kateri tekočina nima kontakta z tipali. Je brezkontaktni merilni sistem.
V tem poglavju bo predstavljen princip delovanja samega merilnika, značilnosti metode,
fizikalno ozadje uporabljene metode, kot tudi njeno matematično ozadje.
3.1 Delovanje akustičnega merilnika nivoja tekočin
Akustični merilnik nivoja tekočin je sestavljen iz resonančne cevi (zaprta cev) z vgrajenim
mikrofonom, zvočnikom in temperaturnim senzorjem ter iz elektronske enote in iz
programske enote. Akustični merilnik nivoja tekočin nam ponazarja slika (3.1).
Slika 3.1: Enostavni akustični merilnik nivoja tekočin
Zaprta resonančna cev (resonator) deluje kot zaprta piščal. Piščal je na eni strani zaprta z
nivojem tekočine, katere nivo merimo, na drugi strani pa z zvočnikom. Poleg zvočnika je
Akustični merilnik nivojev tekočin_ _ _Uporaba in teoretično ozadje 12
vstavljen mikrofon, kateri zajema odbite zvočne valove v cevi. Sprejemnik in oddajnik sta
nameščena na zgornji strani cevi zaradi najugodnejšega merilnega dosega. Resonator vzbujamo z generiranim belim šumom, ki ga oddaja zvočnik. Beli šum je
sestavljen iz širokega spektra različnih naključnih frekvenc in se od gladine tekočine
odbije. Določene odbite zvočne frekvence se ojačajo in v prostoru nastane transverzalno
nihanje, kateremu pripadajo lastne frekvence nihanja zračnih delcev v tem prostoru.
Dogajanje v resonatorju posnamemo z mikrofonom katero pošljemo naprej na signalno
obdelavo. V resonančni cevi (piščali) se ojačajo tisti harmoniki, kateri imajo resonančno frekvenco
pri določeni dolžini valovoda. Sama resonančna cev [5] ima svojo karakteristiko in
osnovno resonančno frekvenco, prav tako tudi ostale višje harmonike . Položaj harmonikov
določenega valovoda nam predstavlja enačba (3.1).
za , =1,2,3,...2 2
nn
n
c n RTl n n
l M
(3.1).
Pri tem nam c predstavlja hitrost zvoka, λn je valovna dolžina, к je adiabatni eksponent, R
je splošna plinska konstanta, T je temperatura v Kelvinih, ν je frekvenca, l je dolžina
resonatorske cevi, n je celoštevilčni večkratnik in M je molska masa plina v valovodu. Princip si lahko razlagamo s pihanjem zraka v prazno steklenico. Slišimo zvok določene
frekvence. Če steklenico malo napolnimo z vodo, dobimo z naslednjim pihanjem drugi
zvok določene frekvence. Če v steklenico dolijemo še več vode, bomo s pihanjem dobili še
drugačen zvok z višjimi frekvencami. Torej se nam bo z spreminjanjem nivoja tekočine
spreminjala tudi frekvenca. Osnovna naloga sprejemne programske enote (elektronske enote) je posneti in zajeti
akustični signal, ki ga dobimo iz mikrofona, obdelati frekvenčni spekter zajetega zvočnega
signala ter določiti njegove resonančno frekvence. Z izmerjeno resonančno frekvenco
lahko preko karakteristike merilnika enostavno določimo nivo merjene tekočine.
Akustični merilnik nivojev tekočin_ _ _Uporaba in teoretično ozadje 13
3.2 Značilnosti akustične resonančne metode
Vsaka metoda, ki jo uporabimo za merjenje nivoja fluidov ima svoje dobre in slabe
lastnosti. Nekaterih je lahko več drugih manj. Tako je tudi z spektralno analizo akustičnega
valovanja, ki jo uporabimo.
Prednosti metode akustičnega valovanja za določanja nivoja tekočin:
omogoča izdelavo malih kompaktnih merilnikov in detektorjev nivoja tekočin,
omogoča izvedbo praktičnih merilnikov, ki niso občutljivi na parazitne odboje,
predmete, itd.,
sama gradnja in implementacija merilnika je enostavna in preprosta, saj so
uporabljeni dokaj enostavni elementi, kateri so prosto in cenovno dostopni
elektronski del senzorja ni v neposrednem stiku z merilno tekočino,
omogoča merjenje nivoja tekočin v ekstremnih, človeku nevarnih okoljih, kot je
recimo merjenje nivoja pri visokih tlakih, visokih temperaturah, nevarnih
tekočinah, itd.,
izboljšane dinamične lastnosti: ne potrebujemo skaniranja za celotno frekvenčno
območje.
Slabosti metode akustičnega valovanja za določanje nivoja tekočin:
potrebna je dobra temperaturna kompenzacija, ker je hitrost zvoka odvisna od
temperature,
potrebno je vgraditi dolgo ozko cev v sam rezervoar v katerem merimo nivo
tekočine,
če slabo poznamo sestavo plina v rezervoarju (se spreminja), je težko določiti
prilagoditev (kompenzacijo) na takšne spremembe, takšna situacija nam lahko
omeji razred točnosti samega merilnika.
Samo šumenje, ki ga oddaja zvočnik je lahko okolici v neposredni bližini moteče
Akustični merilnik nivojev tekočin_ _ _Uporaba in teoretično ozadje 14
3.3 Fizikalne lastnosti akustičnega merilnika
Iz izkušenj vemo, da različni merilniki nivoja tekočin delujejo po različnih metodah. Naša
akustična metoda deluje po principu resonančne frekvence v zaprti piščali. Če pride več valovanj (iz različnih izvirov) do določenega mesta, se odmiki posameznih
valovanj vektorsko seštevajo. Pravimo da valovanja interferirajo. Potujoče valovanje lahko
interferira tudi s samim seboj, se ojači z svojim odbitim valom. Valovanje, ki se širi po
homogenem sredstvu, se na mejah sredstva delno ali popolno odbije. Odbito valovanje je
lahko v fazi ali pa v nasprotni fazi z vpadnim valovanjem. Resonator ima vlogo zaprte piščali, zato se lahko v notranjosti piščali (cevi), v kateri je
zrak, vzpostavi stoječe longitudinalno zvočno valovanje, slika 3.2.
Slika 3.2: Vzdolžno stoječe valovanje znotraj zaprte cevi
Če pogledamo iz slike 3.2 zrak za dolžino l niha z frekvenco v, katero opisuje enačba (3.1)
in (3.2).
, c RT
cM
(3.2).
Slika 3.3: stoječe valovanje na napeti struni
Akustični merilnik nivojev tekočin_ _ _Uporaba in teoretično ozadje 15
Na sliki 3.3 vidimo stoječe valovanje na napeti struni, katero je podobno nihanju v piščali.
Osnovno nihanje ima obliko polovice vala sinusne krivulje, prvo višje harmonično nihanje
ima obliko enega vala sinusne krivulje itd. V splošnem je torej možno takšno N-to višje
harmonično nihanje, pri katerem velja (3.3), kjer l pomeni dolžino piščali.
(3.3).
Na celotni dolžini piščali bodo nastali na določenih točkah vozli in ti vozli bodo med sabo
na razdalji λ/2, zato velja (3.3). Takšen princip izkorišča tudi Kundtova cev [5, 6]. Če malo
preuredimo enačbi (3.2) in (3.3) dobimo (3.4), s katero lahko določimo frekvence, s
katerimi niha zrak v piščali.
za , =1,2,3,...2 2
nn
n
c n RTl n n
l M
(3.4).
Frekvence, ki jih dobimo iz (3.4) lahko vizualno prikažemo v frekvenčnem prostoru.
Zgornji signal na sliki 3.4 nam prikazuje sinusni signal, ki je ekvivalenten z nihanjem
zvoka v piščali. Spodnji del slike pa prikazuje resonančne frekvence, ki jih dobimo po
Fourierevi transformaciji.
Slika 3.4: Prikaz osnovne in višjih harmonskih frekvenc
, 1, 2,3,...2
l N N
Akustični merilnik nivojev tekočin_ _ _Uporaba in teoretično ozadje 16
Pri manjšanju dolžine l se bodo maksimumi resonančnih frekvenc (resonančni vrhi)
pomikali v desno stran. Posledica tega bo tudi sprememba resonančnih frekvenc, ki se
bodo pomikale proti desni v področje višjih frekvenc. Z manjšanjem dolžine l do
resonančne frekvence resonatorja bo povzročilo manjšanje maksimumov zadnjih desnih
harmonikov. Za razliko od tega bo pa povzročilo večanje maksimuma harmonika na levi
strani, kateri je tudi osnovni prvi harmonik. Pri večanju dolžine l je stvar podobna.
Harmoniki (resonančni vrhi) se bodo pomikali v levo stran v področje višjih frekvenc. Ko
bomo prekoračili λ/2 se bo prvi harmonik premaknil na desno stran in se bo ponovno
pomikal v področje višjih frekvenc. Če si določimo merjenje frekvence drugega harmonika, dobimo merilno področje od 0 do
70 cm pri temperaturi od 10 do 50 °C. Za takšno področje lahko še normalno merimo
položaj harmonika, njegov začetek nastanka vse do njegovega konca. Problem nastane pri
večjih dolžinah kot je naš minimum. V tem področju nastanejo novi harmoniki z višjimi
frekvencami, harmoniki z nižjimi frekvencami pa izginjajo. Skratka v takšni situaciji
bistveno merimo vrh in frekvenčni položaj drugega harmonika. Vendar pa ne vemo v
katerem področju se nahajamo, ali smo v prvih 70 cm, ali v drugih, ali v tretjih, itd.
3.4 Matematična analiza in FFT—Fast Fourier Transform (Hitra Fourierova
Transformacija)
Z merilno instrumentacijo v komunikacijskih napravah je nastala tudi potreba po obdelavi
signalov. Signal, ki ga mikrofon posname je potrebno spektralno (frekvenčno) analizirati.
Seveda za novejše digitalne računalnike analogne metode spektralne analize niso primerne.
Zato nam Hitra Fouriereva transformacija odpre nove možnosti pri digitalnih signalih
procesorja ter prav tako sodobni obdelavi signalov. Hitra Fouriereva transformacija je
učinkovit algoritem za izračun Diskretne Fouriereve transformacije (DFT) . Signale običajno prikazujemo kot razmerje amplitude skozi čas, kar nam prikazuje slika
3.5.
Akustični merilnik nivojev tekočin_ _ _Uporaba in teoretično ozadje 17
Slika 3.5: Sinusni signal prikazan v razmerju amplitude v odvisnosti od časa
Takšen signal lahko prestavimo v frekvenčni prostor, kjer namesto podajanja amplitude
signala v odvisnosti od časa, podajamo amplitudo signala v odvisnosti od frekvence, slika
3.6. Vsak signal se da razstaviti na vsoto sinusnih signalov, ker je sinusni signal odvisen
samo od ene frekvence f0, dobimo na grafu izrazito samo eno špico.
Slika 3.6: Sinusni signal prikazan v razmerju amplitude v odvisnoti od frekvence
Če pogledamo harmonsko bolj kompleksen signal npr. beli šum (white noise). To je
naključni signal, kateri ima širok zvezni frekvenčni spekter, ter ima na celotnem spektru
enako amplitudo. Torej ima pri poljubni frekvenci, kjer se ta frekvenca nahaja znotraj
pasovne širine enako moč signala. Idealni beli šum je dokaj težko izvesti, zato se
zadovoljimo z realnim šumom, kateri nam pokriva zadovoljiv spekter frekvenčnega
prostora.. Prav tako pa vsebuje tudi spekter vseh frekvenc, ki so pomembne za delovanje
merilnika, slika 3.7.
Slika 3.7: Beli šum prikazan v razmerju amplitude v odvisnoti od časa
Akustični merilnik nivojev tekočin_ _ _Uporaba in teoretično ozadje 18
Slika 3.8: Resonančne frekvence valovoda pri določenem nivoju tekočine, prikazane v razmerju
amplitude v odvisnosti od frekvence
Predstavitev signala f(t) v časovnem prostoru imenujemo tudi valovna predstavitev ali
valovna oblika signala. Iz nje je razvidno, kako so amplitude razdeljen po času.
Predstavitev signala F(jω) v frekvenčnem prostoru pa imenujemo tudi spektralna gostota
signala, ker je iz nje razvidno, kako so amplitude razdeljene po frekvencah. Postopek
diskretne Fouriereve transformacije (DFT) [7] stopnje N nam prikazuje enačba (3.5).
1 2
0
( ) ( ( )) ( ) 0,1,..., 1nN j kN
n
Y k fft y n y n e k N
(3.5).
FFT analiza nam proizvede enake rezultate kot diskretna Fouriereva transformacija, s to
razliko, da je FFT mnogo hitrejši algoritem, ampak se računa po bolj zapletnih postopkih.
V večini primerov je FFT tudi bolj natančna [18].
3.5 Uporaba šuma v resonančni cevi
Kot smo omenili že v prejšnjem poglavju, merimo položaj harmonikov (njihove špice) v
zaprtem resonatorju. V resonator pošiljamo šum in zaradi tega se v cevi pojavi več
harmonikov, slika 3.8. Torej se bojo ojačili tisti harmoniki, kateri bodo v resonanci. Ojačili
se bodo pri določenih frekvencah tam, kjer je mikrofon. Od šuma, ki ga pošiljamo je
odvisno kako velike maksimume teh resonančnih frekvenc bomo dobili za FFT.
Akustični merilnik nivojev tekočin_ _ _Uporaba in teoretično ozadje 19
Zanimajo nas resonančne frekvence, ki jih dobimo pri maksimalni možni merjeni višini in
minimalni višini pri kateri lahko še merimo nivo tekočine, slika 3.9. Če nimamo dobrega
belega šuma, lahko dobimo premalo velike oziroma slabo izražene maksimume v posneti
karakteristiki.
Slika 3.9: Položaj minimalne in maksimalne frekvence v resonatorju
Kadar se nivo manjša, torej se dolžina resonatorja veča se resonančne frekvence
pomaknejo levo k nižjim frekvencam proti ωmax, z večanjem nivoja pa se pomaknejo desno
k višjim frekvencam, torej ωmin. Pri tem moramo zagotoviti da bo ωmax manjša od osnovne
resonančne frekvence. Pri premikanju vrhov 3.8 se celotni spekter premika levo ali desno.
Lahko pa se zgodi da se tudi razdalje med vrhi spreminjajo, torej se spekter razteguje in
krči. Pri dobrem dimenzioniranju resonatorja in šuma lahko dobimo linearni sistem, kar je v
senzorski tehniki izredno pomembno. Veliko vlogo tudi igra tekočina kateri merimo
višino, saj lahko gladina tekočine slabi odboj zvoka. Beli šum je v našem primeru zelo dobrodošel, vendar je lahko v praksi izredno zahteven za
izvedbo. Lahko bi seveda šum nadomestili s sinusnim signalom. V tem primeru bi
uporabili sinusni generator z nastavljivo frekvenco, frekvenco pa bi počasi spreminjali in
opazovali odziv, dokler ne bi dobili resonančne frekvence. Slabost takega merjenja bi bila
Akustični merilnik nivojev tekočin_ _ _Uporaba in teoretično ozadje 20
dolga časovna obdobja skaniranja celotne višine, takšen pristop bi bil težji za obdelavo
signalov. Zato raje uporabimo beli šum, kateri ima širok spekter frekvenc in se po odboju ojačajo
samo resonančne frekvence. Tovrstni način prihrani mnogo časa pri merjenju, vendar
zahteva nekaj časa pri spektralni obdelavi z FFT. Rezultat FFT prikaže položaj
harmonikov oziroma pove kje je resonančna frekvenca. Pri uporabi šuma moramo zagotoviti, da šum pokrije vse frekvence med ωmax in ωmin,
zavedati pa se moramo, da imajo svojo karakteristiko mikrofon kot tudi zvočnik. Paziti
moramo tudi pri AD pretvorbi, ker če ni dosti hitra nam lahko poreže tiste frekvence, ki jih
potrebujemo. V takem primeru nam deluje kot filter, tega pa seveda nočemo. V tem
primeru nam takšne stvari še nadalje poslabšajo meritev položaja resonančnih vrhov.
3.6 Pogrešek merilnika zaradi spremembe hitrosti zvoka
Razmere fizikalnih sprememb, ki jih srečamo v naravi niso idealne. Ampak so večinoma
realne, zato jih moramo tako tudi obravnavati. Če si pogledamo realne razmere vidimo, da
se hitrost zvoka c v realnih plinih ne enači z izrazom (3.6).
RT
cM
(3.6).
Odstopanja od tega izraza, ki jih dobimo so odvisna predvsem od temperature T. Pri tem so
ostali parametri konstante za dano vrsto plina. R je splošna plinska konstanta in se ne
spreminja. Molsko maso lahko poenostavimo kot konstanto, razen kadar imamo problem vlažnega
prostora [4, 8]. V takšnem primeru, moramo uvesti ustrezno kompenzacijo. S
spreminjanjem sestave plina se spreminja molska masa plina. V praksi so takšni primeri
zelo redki. Problem in primer je predvsem vlažni zrak, ki se nahaja v resonatorju (cevi). V
naši atmosferi se nahaja določena koncentracija vodne pare, kar bistveno spremeni hitrost
zvoka. Zato moramo v takšnem primeru pri izračunu namesto molske mase zraka
Akustični merilnik nivojev tekočin_ _ _Uporaba in teoretično ozadje 21
Mz=28.96 gmol-1, upoštevati molsko maso zmesi Ms zraka in vodne pare. To velja samo za
visoke temperature, ko se lahko zrak bistveno navzame vode. Problem spremembe molske mase plina, se nam pojavi tudi v primerih kadar tekočina
hlapi. Hlapi pa so lahko posledica spremembe temperature, kar dodatno poslabša razmere.
Takšen primer je na primer v prehrambni industriji pri proizvodnji alkoholnih pijač, kjer
imamo opravka z vrenjem, katero lahko nastane z zorenjem tekočine, ali pa zaradi
neprimerne visoke temperature. Hitrost zvoka se lahko spreminja tudi s spreminjanjem adiabatnega koeficienta к, Kateri je
določen z razmerjem med specifično toploto pri stalnem tlaku cp in specifično toploto pri
stalni prostornini cV (3.7), kjer sta cm molski specifični toploti.
,
,
p m p
V m V
c c
c c (3.7).
Vidimo, da je tudi temperaturno odvisen. Njegova relativna sprememba je majhna, kadar
merilnik deluje v ožjem temperaturnem območju. V takšnem primeru kompenzacija ni
potrebna. Problem nastane, če imamo opravka z velikimi temperaturnimi nihanji. Iz vseh spremenljivk vidimo, da je temperatura edini parameter, ki povzroča velike
pogreške v meritvah, razen v primerih, kadar obratovanje poteka pri konstantnih delovnih
temperaturah. Če nas v ozkem temperaturnem območju zanima odvisnost hitrosti zvoka lahko izraz (3.6)
razvijemo v Taylorjevo vrsto [4]. Za zrak pri sobni temperaturi velja približen izraz (3.8).
pri tem je temperatura zraka, merjena v stopinjah Celzija. V območju od -20 °C do +40
°C se ta približni izraz ujema z natančnim izrazom na 0,2%.
zrak 331,5 0,6 m/sc (3.8).
Za kompenzacijo mora biti akustični merilnik opremljen z temperaturnim senzorjem, kateri
nam meri absolutno temperaturo v resonatorju (cevi). Če vzamemo vse parametre
opazimo, da so vsi temperaturno odvisni, zato je razred točnosti in ločljivosti akustičnega
merilnika odvisen samo od temperaturnega gradienta, ki nastane v resonančni cevi.
Akustični merilnik nivojev tekočin_ _ _Uporaba in teoretično ozadje 22
Nastane pa zaradi temperaturne razlike med tekočino in plinom. Za dobro točnost in
ločljivost je potrebno kompenzirati samo en parameter, to je temperaturo. Vse ostale lahko
zanemarimo.
Akustični merilnik nivojev tekočin_ Zasnova in konstrukcija merilnika 23
4 SPLOŠNA ZASNOVA IN KONSTRUKCIJA PREPROSTEGA
AKUSTIČNEGA MERILNIKA NIVOJA TEKOČIN
V tem poglavju je opisana in predstavljena celotna zgradba preprostega merilnika tekočin
na osnovi spektralne analize akustičnega valovanja, kateri je že omenjen v avtomobilski
industrijski izvedbi akustičnega resonančnega merilnika nivoja tekočin. Cilj je celotno
sinusno vzbujanje zamenjati z preprostim šumnim vzbujanjem in primernim sistemom za
obdelavo frekvenčnega spektra. Posledica tega so lahko razne dodatne motnje v zajemanju
akustičnega signala, zaradi samega šumnega generatorja. Merilna naprava je sestavljena in združena iz več komponent oziroma modulov, kateri so v
nadaljevanju podrobneje opisani.
4.1 Mehanska izvedba
Mehanska zasnova merilnika tekočin je sestavljena iz naslednjih komponent: resonančna cev,
elektronska enota,
komunikacijska povezava s PC (programsko enoto-software enota).
Resonančna cev vsebuje oddajne in sprejemne elemente, ter elemente za kompenzacijo zvočnik,
mikrofon,
temperaturni senzor.
4.1.1 Resonančna cev
Resonančna cev (resonator) je dolga ozka cev s premerom 50 mm in dolžine 1 m, katera je
pokončno postavljena v rezervoar (cisterno) kateremu želimo meriti nivo tekočine. Sama
cev je iz PVC materiala, ki se uporablja za odtoke. Da cev 4.1 deluje kot resonator je na
Akustični merilnik nivojev tekočin_ Zasnova in konstrukcija merilnika 24
spodnji strani zaprta z nivojem tekočine, tako na spodnji strani nikjer ne more uhajati
odboj zvoka iz cevi. Na vrhu pa je cev zaprta z zvočnikom in zatesnjena s plastelinsko
maso.
Slika 4.1: Resonatorka cev z vgrajenimi elementi
Resonatorska cev ima pod označbi minimuma in na vrhu 1 cm pod zvočnikom dve mali
luknji premera 2 mm. Zgornje luknje služijo prostemu pretakanju plina v cevi, da se tlaka v
resonančni cevi in v cisterni izenačita. Na cevi je od minimuma do maksimuma označena
nivojska lestvica, katera poteka od 0 do 90 cm, naš maksimum je pri 70 cm. Za preizkušnjo
smo imeli celotno cev potopljeno v kovinsko konstrukcijo v katero smo nalivali vodo. V zgornjem delu cevi so integrirani zvočnik, mikrofon in temperaturni senzor. Na vrhu je
vstavljen zvočnik. Na steni cevi je vstavljen mikrofon, ki je postavljen točno v sredino cevi
in visi na priključnih žicah, kateri sta z plastičnim lepilom zaliti na cev. Mikrofon in
zvočnik sta s koaksialnima vodnikoma RG-58 povezana z elektronsko enoto.
Slika 4.2: Koaksialni kabel
Uporabili smo zvočnik navadne membranske cenene izvedbe slika 4.3. Njegov frekvenčni
odziv nam zadostuje za normalno delovanje v celotnem frekvenčnem področju. Dobra
Akustični merilnik nivojev tekočin_ Zasnova in konstrukcija merilnika 25
lastnost tega je, da za normalno delovanje ne potrebujemo kakšnega dodatnega filtra, ki bi
nam celotno stvar otežil.
Slika 4.3: Membranski zvočnik
Mikrofon z oznako OEM CZN-15 je enostavni kondenzatorski mikrofon, ki se uporablja v
mobilni industriji, slika 4.4. V resonator je vstavljen 4 cm pod zvočnik in postavljen točno
v sredino cevi. Visi na priključnih žicah, ki so pritrjene na steno cevi. Sam mikrofon ima
dimenzije 9x7 mm. Ima dve priključni žici in vgrajen notranji FET ojačevalnik.
Slika 4.4: Kondenzatorski mikrofon OEM CZN-15
Slika 4.5: Frekvenčna karakteristika mikrofona OEM CZN-15E
Akustični merilnik nivojev tekočin_ Zasnova in konstrukcija merilnika 26
4.1.2 Elektronska enota
Vsi moduli, ki so potrebni za delovanje so zgrajeni in sestavljeni vsak na svoji tiskanini.
Vsi moduli so med seboj povezani z tankimi bakrenimi žicami in pritrjeni na plastično
podlago debeline 1 cm. Samo vezje je vgrajeno v električno dozo 200x150x70 mm, katera
je prašno in vodoodporna, slika 4.6. S tem se rešimo raznih problemov delovanja same
naprave, če bi vezje prišlo v stik z samo tekočino. Vsi moduli imajo skupno napajanje 9 V. Celotna verzija merilnika je izvedena z elektronskimi elementi v DIL izvedbi in so
razporejeni po vseh modulih. Vezja vseh modulov so narejeni v programskem okolju
Altium Designer 6.
Slika 4.6: Elektronska enota
Slika 4.7: Elektronska enota (blokovna shema)
Akustični merilnik nivojev tekočin_ Zasnova in konstrukcija merilnika 27
4.1.3 Komunikacijska povezava s PC
Komunikacijska povezava, katera poteka iz elektronske enote, povezuje preprost akustični
merilnik z računalnikom. Celotna povezava poteka preko USB vrat. USB povezava nam
služi samo kot komunikacijska linija, preko katere računalnik samo sprejema podatke. Podatki prihajajo iz programatorske ploščice z mikrokrmilnikom PIC18F2550, kateri nam
služi kot AD pretvornik. Ta naprej pošilja podatke na računalnik v programsko orodje
LABVIEW preko vodila USB. Na sliki 4.8 je prikazana programatorska ploščica z USB konektorjem, preko katerega
komuniciramo z računalnikom.
Slika 4.8: Programator s USB povezavo
4.2 Modul (sistem) za generiranje šuma
Za dobro delovanje preprostega akustičnega merilnika nivoja moramo zagotoviti primerno
vzbujanje resonatorske cevi s šumom. Zato moramo poskrbeti, da bo kvaliteta belega šuma
primerna in bo ustrezala našim zahtevam.
Akustični merilnik nivojev tekočin_ Zasnova in konstrukcija merilnika 28
4.2.1 Šumni generator
Potrebujemo šumni generator, ker pokriva cel frekvenčni spekter, ki ima v danem trenutku
naključno frekvenco in naključno amplitudo. Iz tega spektra pa se bodo ojačale samo
resonančne frekvence. Beli šum to je naključni signal, kateri ima širok zvezni frekvenčni spekter, ter ima na
celotnem spektru enako amplitudo. Torej ima pri katerikoli frekvenci, ki se nahaja znotraj
naše pasovne širine enako moč signala. Takšen signal je v praksi skoraj nemogoč, zato se
zadovoljimo s takšnimi izvori, ki proizvajajo šum v določenem frekvenčnem spektru. Kadar gradimo šumni generator, se moramo vprašati, kako močen signal potrebujemo.
Izvor šibkega signala potrebujemo pri meritvah na sprejemnikih. Močnejše izvore pa na
izhodnih stopnjah oddajnikov in za meritve anten. Naš šumni generator spada v razred zelo
šibkih izvorov signala. Najcenejši in najenostavnejši izvor šuma je katerikoli upor, ki ga segrejemo na določeno
temperaturo. Saj vemo da idealnega upora ni in zato vsak upor šumi. Takšen izvor je
uporaben, vendar je za veliko število meritev njegova šumna moč premajhna. Zato lahko dober električni šum dobimo iz fizikalnih pojavov v polprevodnikih. Dobra
lastnost je plazovni preboj [9] v diodi. Ta proizvaja zelo veliko šuma, nekje do
petdesettisočkrat več od upora, zato so takšne diode zelo primerne za izdelavo šumnega
generatorja. V silicijevih zener diodah najdemo prav takšen pojav. Zener diode za 6 V skoraj ne
proizvajajo več šuma od uporov. Zener diode za napetosti nad 6 V (plazovne diode) pa
generirajo veliko šuma takrat, ko je na njih ustrezna napetost in skozi njo teče tok
plazovnega preboja.
Slika 4.9: Plazovna zener dioda z 6,8 V prebojne napetosti
Akustični merilnik nivojev tekočin_ Zasnova in konstrukcija merilnika 29
Enostavni šumni generator z zener diodo prikazuje slika 4.10. Pri izdelavi šumnega
generatorja moramo zagotoviti stabilizacijo napajalne napetosti. S tem zagotovimo, da se
bosta tok skozi zener diodo ter izhodna šumna moč čim manj spreminjala.
R3
680
1,8K
R1
R4
22k
R5
10k
C2
10nF
C110n
C3
10nF
C4
10nF
D1
R21,2K
Q12N2222
Q22N2222
12
P1_9V
Header 212
P1_out
Header 2
Slika 4.10: Vezalna shema šumnega generatorja z zener diodo
Upor R3 omejuje največji tok skozi plazovno diodo na varno vrednost. Tok, ki prihaja iz
upora R1 teče skozi diodo in povzroči njeno šumenje. S preduporom R1 nastavljamo
enosmerni tok skozi diodo, upornost upora mora biti enaka notranji upornosti mikrofona.
Q1 in Q2 sta navadna NPN tranzistorja 2N2222, ki služita kot široko pasovna
ojačevalnika. Pri tem nam prvi tranzistor konvergira tokovni šum iz zener diode v ojačanj
tokovni šum na kolektor. Šum je dodatno filtriran preko kondenzatorja C2. Drugi tranzistor
ojača šum do takšne stopnje, da ga lahko peljemo na vhod avdio ojačevalnika. Z blokirnimi
kondenzatorji pa ločimo enosmerno napajanje in izhodni visokofrekvenčni signal. Celotno
vezje napajamo z napajalno napetostjo 9 V. Pri tem moramo paziti, da uporabimo zener
diodo, ki ima dovolj nizko zaporno napetost za delovanje. Uporabili smo zener diodo, ki
ima zaporno napetost 6,8 V in 1 W moči, ter nam zagotavlja bogat šum za naše frekvenčno
območje.
4.2.2 Ojačevalno vezje zvočnika
Sam signal, ki ga dobimo iz šumnega generatorja je premajhen, da bi ga direktno pripeljali
na 10 W zvočnik z notranjo impedanco 8 Ω. Zato signal iz šumnega generatorja vežemo na
avdio ojačevalnik. Za naše potrebe uporabimo kar ojačevalnik TDA2003, kateri se
Akustični merilnik nivojev tekočin_ Zasnova in konstrukcija merilnika 30
večinoma uporablja za avtomobilsko akustiko [10]. Sam ojačevalnik je na trgu lahko in
cenovno dostopen. Načrtovan je tako, da ima enojno napajanje [11, 12]. Omogoča mnogo
aplikacij ter je tudi notranje zaščiten proti kakršnimi koli kratkimi stiki. Je preprost za
uporabo in njegovo hlajenje se enostavno reši z hladilnim rebrom. Vezje, ki smo ga
uporabili je zgrajeno po navodilih, ki jih priporoča proizvajalec, slika 4.11.
100nFC6
100nFC9
10uF
C7
470nF
C10
C5100u
2,2R7
1R8
220R6
1000uF
C81
2
53
4
U4TDA2003
12
P2_in
Header 2
12
P2_9V
Header 2
123
P?
Header 3
Slika 4.11: Vezalna shema avdio ojačevalnika s TDA2003
Glavno vezje se nahaja v ojačevalnem modulu. Elektrolitski kondenzator C7 je vhodni
zaporni kondenzator, kateri blokira enosmerni vhodni signal. Prav tako kondenzator C8, ki
je izhodni zaporni kondenzator. Zraven njiju pa tudi C10, kateri blokira enosmerno
napetost, ki prihaja iz povratne zanke na diferencialni vhod. Upora R6 in R7 določata delež
napetosti na izhodu kateri se bo preko povratne zanke preslikal nazaj na vhod.
Kondenzator C9 in upor R8 omogočata stabilnost pri visokih frekvencah, pri katerih lahko
pride do oscilacije zaradi velikega induktivnega bremena zvočnika. Vezje nima težav s stabilnostjo, zato ne potrebujemo v vezje vključevati dodatnih RC
filtrov. Dodamo tudi C5 in C6, ki jih uporabljamo za glajenje in filtriranje napajalne
napetosti. Ojačanje lahko nastavljamo z uporom R7, vendar je v našem primeru že fiksno
nastavljen. Zato ojačanje nastavljamo kar preko 10 kΩ trimerja, slika 4.12, katerega
priklopimo med šumni generator in avdio ojačevalnik na priključek P2_in.
Akustični merilnik nivojev tekočin_ Zasnova in konstrukcija merilnika 31
10KRp1
12
P4_in
Header 2
12
P4_out
Header 2
Slika 4.12: Trimer s katerim nastavljamo glasnost šumenja
4.3 Modul (sistem) za zajetje frekvenčnega spektra
Za dobro določitev frekvenčnega spektra akustičnega valovanja merilnika je potrebna
združitev ustreznih komponent, ki delujejo skupaj v smiselni celoti. Celotno sprejemanje
podatkov poteka po naslednjem postopku: cev v cisterni (resonator) brez prekinitev vzbujamo z šumnim signalom neposredno z vzbujanjem z mikrofonom zajemamo akustični signal akustični signal ojačimo z ojačevalnim vezjem signal, ki ga dobimo iz mikrofonskega ojačevalnika pretvorimo v digitalno obliko z
AD pretvornikom integriranim v mikrokrmilniku signal iz mikrokrmilnika pošiljamo naprej preko USB vodila v PC
4.3.1 Mikrofonsko ojačevalno vezje
Signal, ki ga dobimo iz mikrofona moramo najprej ojačiti tako, da je amplituda signala
primerna za AD pretvorbo. Uporabimo kar navadni električni kondenzatorski mikrofon z
vgrajenim FET ojačevalnikom. Takšne mikrofone navadno uporabljamo v mobilni
tehnologiji. Za ojačevalnik uporabimo kar najbolj enostavnega, primernega ter cenovno
dostopnega. V našem primeru uporabimo operacijski ojačevalnik OP283GP z enojnim
napajanjem [11]. Celotno vezje je kar se da preprosto sestavljeno, in je prikazano na sliki
4.13.
Akustični merilnik nivojev tekočin_ Zasnova in konstrukcija merilnika 32
5
67B
84
U3BOP283GP
2
31
A
84
U3AOP283GP
C11
680n1uF
C13
100KR13
2,2
R10
100KR12
1,8KR9
220K
R11
12
P3_mic
Header 2
12
P3_9V
Header 2
12
P3_out
Header 2
Slika 4.13: Vezalna shema za mikrofonsko ojačevalno vezje
Celotno vezje vežemo v neintervirajočo konfiguracijo. V splošnem ima večina električnih
kondenzatorskih mikrofonov enake karakteristike. V našem primeru uporabimo kar
navadnega z notranjo upornostjo 1,8 kΩ in napajalno napetostjo 4,5 V. Pri teh mikrofonih
moramo paziti na FET tranzistor, ki je že vgrajen. Zato moramo na mikrofon pripeljati tudi
njegovo napajanje.
Slika 4.14: Zgradba mikrofona v njegovem ohišju
Akustični merilnik nivojev tekočin_ Zasnova in konstrukcija merilnika 33
Kot vidimo iz 4.13 in 4.14 mora biti upor R9 (RL) enake vrednosti kot notranja impedanca
mikrofona. V našem primeru 1,8 kΩ. Tedaj nam v enosmernem režimu upor RL polarizira
napajanje mikrofona. Če gledamo enosmerne razmere, nam upora R12 in R13 delujeta kot
napetostni delilnik, kateri pri napajanju vezja z 9V, dvigne napetost pozitivne sponke za
4,5 V. Takšna konfiguracija pomaga nastaviti delovni režim oziroma delovno točko vhoda
na polovico napajalne napetosti in pomaga maksimirati (omejiti) vhodno napetost med
napajalnima sponkama. Paziti moramo, da je delavno področje sofazne napetosti znotraj napajalnih sponk. Ne sme
pasti pod 0 V, ker imamo nesimetrično enojno napajanje. Upora R10 in R11 nam določata
ojačanje vezja, katero je v našem primeru 100000. Kondenzator C11 omogoča, da je mikrofon enosmerno razsklopljen. Če pogledamo, bi v
enosmernem režimu, kondenzator C11 predstavljal odprte sponke. Posledica tega je, da bi
se v vezju znebili mikrofona in upora R10. Tako bi dobili napetostni delilnik in vezje bi
zaoscilacije. Kondenzator C13 izloči enosmerno komponento. Paziti moramo tudi na to, da sta napetost
na pozitivni sponki in napetost na izhodu OP283, torej pred C13 na istem potencialu. Če to
ni zagotovljeno lahko gre vezje v zasičenje.
4.3.2 Analogno-digitalna pretvorba (A/D)
Realni zvezni signali so redko strogo frekvenčno pasovno omejeni. Prav tako ni mogoče
izvesti idealnega analogno_digitalnega pretvornika, ampak lahko uresničimo samo dober
približek. Pri pretvorbi časovno zveznega signala v digitalni signal moramo upoštevati, da
imajo posamezni odtipki omejeno točnost oziroma so kvantinizirani [13, 14]. Analogno-digitalno pretvorbo smo implementirali z mikrokrmilnikom PIC18F2550, za
katerega smo uporabili vezje, ki je prikazan na sliki 4.15. Rezultat AD pretvorbe smo
poslali na računalnik v nadaljnjo obdelavo preko USB vodila, ki je že implementiran v
mikrokrmilniku.
Akustični merilnik nivojev tekočin_ Zasnova in konstrukcija merilnika 34
Slika 4.15: Modul za analogno-digitalno pretvorbo
Celotna sintaksa programa je preprosta in napisana v 47 vrsticah. Implementirana je v C
jeziku in je priložena v prilogah.
Takšna konfiguracija analogno-digitalne pretvorbe nam daje zadovoljive rezultate, ki jih
potrebujemo za naše frekvenčno področje. Na slikah 4.16 in 4.17 je prikazan generiran
sinusni signal 1 kHz in 200 Hz iz funkcijskega generatorja, katerega smo preko AD
pretvorbe pošiljali v računalnik.
Prvi harmonik je dobro razločen, ostali so lahko zanemarljivi.
Slika 4.16: Sinusni signal z frekvenco 1kHz
Akustični merilnik nivojev tekočin_ Zasnova in konstrukcija merilnika 35
Slika 4.17: Sinusni signal z frekvenco 200 Hz
4.4 Napajalnik
Napajanje sistema je zelo preprosto zgrajeno. Za vsa ojačevalna vezja potrebujemo 9 V,
katerih dobimo iz transformatorja (adapterja). 5 V katerih potrebuje mikrokrmilnik dobimo
iz USB napajanja, ki ga zagotavlja računalnik. Enosmerno napetost, ki jo dobimo iz
transformatorja zgladimo še z elektrolitskimi kondenzatorji. To napetost še naprej
stabiliziramo z napetostnim regulatorjem LM7809 ter kondenzatorjema za njim, slika 4.18.
Slika 4.18: Vezalna shema napajalnega dela
Stabilizator mora biti nameščen na hladilno rebro, ker lahko zaradi segrevanja elementa
pride do njegovega uničenja. Ker je namen uporabe naprave smiseln za merjenje tekočin,
si ne smemo privoščiti, da bi v samo ohišje, ter vezje prišlo v stik z to tekočino. V
nasprotnem primeru tvegamo kratek stik, preboje, ter tudi uničenje same naprave.
Akustični merilnik nivojev tekočin_ Zasnova in konstrukcija merilnika 36
4.5 Modul (sistem) za merjenje temperature
Kot smo že omenili je hitrost zvoka odvisna od temperature. Za točno merjenje nivoja
tekočin moramo zato, narediti kompenzacijo z ustreznim temperaturnim senzorjem. Pri
upoštevanju fizikalnih pojavov si še enkrat poglejmo enačbo (3.6), ki kaže hitrost zvoka v
odvisnosti z temperaturo. Za senzor temperature bi lahko uporabili cenen in preprost LM35, kateri nam ponuja paleto
dobrih lastnosti in linearno odvisnost od temperature. Ampak, ker celotno AD pretvorbo
uporabimo za pošiljanje akustičnega signala, uporabimo kar navadni termometer z NTK
uporom, katerega lahko kupimo v vsaki trgovini z elektronskimi aparati. Takšen
termometer prikazuje slika 4.19.
Slika 4.19: Preprost termometer z sondo
Termometer prikazuje zunanjo temperaturo in temperaturo v cevi. Za temperaturno
prilagoditev, enostavno odčitamo temperaturo, ki jo prikazuje termometer in jo vstavimo v
uporabniški vmesnik (LABVIEW), kateri nadalje samostojno prilagodi našo karakteristiko
za natančno meritev.
4.6 Mehanska konstrukcija
Da smo lahko celotni sistem merilnika tudi eksperimentalno preizkusili, smo izdelali
zasnovo za merilno posodo. Ker bi bilo preizkušanja in umerjanje merilnika v velikih
cisternah prostornine 4000 litrov nesmiselno in nepraktično, smo sistem uprizorili na
pomanjšani različici.
Akustični merilnik nivojev tekočin_ Zasnova in konstrukcija merilnika 37
Merilna posoda je izdelana iz nerjavečega železa in ima obliko kvadra dimenzije
1000x150x150 mm. Posoda je na spodnji strani privarjena na kovinsko ploščo, katera je
pritrjena na leseno podlago, slika 4.20(a). Na sprednji strani posode imamo po celotni
višini ozko linijo širine 50 mm za odčitavanje višine nivoja tekočine. Ta linija je prekrita z
pleksi steklom širine 70 mm in debeline 5 mm, slika 4.20(b). Na spodnjo kovinsko ploščo je še privarjen nosilec za električno dozo v kateri je
elektronska enota z vsemi potrebnimi moduli za delovanje.
Slika 4.20: Mehanska konstrukcija merilnika
Akustični merilnik nivojev tekočin_ Programska enota 38
5 PROGRAMSKA ENOTA (SOFTWARE ENOTA_LABVIEW)
Celotno programsko vsebino lahko razdelimo na tri glavna dela: Program za analogno-digitalno pretvorbo se nahaja v programu mikrokrmilnika.
Napisan je v C programskem jeziku. Program nam v času delovanja neprestano
pošilja podatke na PC. Program za spektralno analizo akustičnega valovanja je napisan v programskem
okolju LABVIEW. Napisan je v blokovnem diagramu z vsemi potrebnimi bloki za
frekvenčno analizo. Program za vizualni prikaz nivoja tekočine v posodi je implementiran v
LABVIEW-u. S tem imamo zgrajen uporabniški vmesnik preko katerega
spremljamo dogajanje v posodi.
Program v mikrokrmilniku na preko navidezniga vodila RS232 pošilja podatke na port
COM9. Povezavo prikazuje slika 5.1.
Slika 5.1: Povezava z PC
Podatke naprej pošiljamo v programsko orodje LabVIEW (Laboratory Virtual
Instrumentation Engineering Workbench) [15]. Vso merilno tehniko in komunikacijo
lahko predstavimo kot virtualno instrumentacijo. Jedro virtualne instrumentacije je
vsekakor aplikativna programska oprema ter programski gonilniki, ki vzpostavljajo
komunikacijo s fizično opremo ter omogočajo nemoteno delovanje izredno široke palete
merilnega inštrumentarija, ki je vgrajen na neko platformo.
Akustični merilnik nivojev tekočin_ Programska enota 39
Grafični pristop nam omogoča bolj preprosto in pregledno sliko nad uporabljenimi
postopki, da se lažje osredotočimo na izvedbo same aplikacije. Programski jezik se
imenuje G. V nadaljevanju si bomo podrobneje ogledali drugi sklop, to je program za spektralno
analizo akustičnega valovanja, ki je napisan v programskem okolju LABVIEW. Napisan je
v blokovnem diagramu z vsemi potrebnimi bloki za frekvenčno analizo. Celotni potek
izvajanja programa je za boljšo prepoznavnost prikazan z blokovnim diagramom. Celotna
razlaga in opis programske kode sta opisan v dodatku. Na sliki 5.2 je v grobem prikazan potek celotnega algoritma v programskem orodju
LABVIEW. Program se začne z inicializacijo programske kode. Naslednje je sprejemanje
podatkov preko USB porta. Pri sprejemanju sledi obdelava in spektralna analiza signala.
Po določitvi resonančne frekvence drugega harmonika izračunamo nivo tekočine. Številčni
in grafični rezultat vizualno prikažemo. Po prikazu rezultatov se vrnemo nazaj v
inicializacijo. Tako se nam algoritem znova ponavlja, dokler na uporabniškem vmesniku
ne pritisnemo tipke stop.
Akustični merilnik nivojev tekočin_ Programska enota 40
Slika 5.2: Potek celotnega programskega algoritma
START
Inicializacija
Obdelava signala iz AD karte v odtipke
našega signala
Spektralna analiza signala (FFT),
povprečenje resonančnih spektrov
Iz spektra harmonikov poiščemo njegove vrhove in
izmerimo položaj drugega harmonika
Resonančno frekvenco vstavimo v formulo katera
za določeno frekvenco izračuna nivo tekočine
Prikažemo vrednosti nivoja tekočine –
številčno in grafično
port COM 9
Akustični merilnik nivojev tekočin_ Programska enota 41
Slika 5.3: Razdeljen potek celotnega algoritma
START
Inicializacija
Zlog dolg 11 znakov iz AD karte
sortiramo, da dobimo zlog 4 znakov
Celotne zloge skeniramo in jih
spremenimo v odtipke našega signala
Iz spektra harmonikov poiščemo položaj
drugega vrha (harmonika)
Formula – iz karakteristike merilnika izračunamo
nivo tekočine
Prikažemo vrednosti nivoja tekočine –
številčno in grafično
port COM 9
Ali je 2000 odtipkov
Nastavimo ustrezne lastnosti in
zakasnitve signala
FFT obdelava
Ali imamo vsoto
zadnjih 30
Delimo s 30, s tem dobimo povprečje resonančnega spektra
DA
NE
DA
NE
Akustični merilnik nivojev tekočin_ Programska enota 42
Na sliki 5.3 je prav tako prikazan blokovni diagram poteka programa, kjer sta sklopa
obdelave signala iz AD karte in spektralne analize signala obdelana v posamezne detajle. Podatke, ki jih prejemamo preko porta COM9 beremo z VISA funkcijskimi bloki za
serijsko komunikacijo. Zlog dolg 11 znakov, ki ga dobimo iz AD pretvorbe, sortiramo po
ustreznih znakih za ločevanje in dobimo zlog 4 znakov (cifer). Te bite oziroma cifre
pošljemo naprej na funkcijski blok kateri jih spremeni v odtipke našega signala. Celotna
zanka se ponovi 2000 krat. Za vsako ponovitev ko jo opravi se novi zlog shrani v odtipek.
Tako dobimo 2000 odtipkov, kar je tudi naše tipanje celotnega signala. Signal sestavljen iz
2000 odtipkov pošljemo naprej na drugi funkcijski blok. Ta nam priredi naš signal z
ustrezno zakasnitvijo in še dodatno nastavi lastnosti našega signala. Signal je sedaj
pripravljen za frekvenčno obdelavo (FFT). Spekter, ki ga dobimo ni stalen saj se položaji
harmonikov spreminjajo za male vrednosti. Zato moramo narediti povprečenje našega
signala. Z povprečenjem seštejemo 30 naših rezultatov FFTja in jih delimo z številom
meritev, torej s 30. Celotni spekter peljemo v nov funkcijski blok, kateri nam poišče
resonančno frekvenco drugega vrha (harmonika). Sedaj peljemo resonančno frekvenco v
karakteristiko merilnika (formulo) iz katere za določeno frekvenco dobimo določen nivo
tekočine v rezervoarju. Rezultat prikažemo na uporabniškem vmesniku številčno in
grafično (prikaz nivoja v rezervoarju). Tako se nam algoritem znova ponavlja, dokler na
uporabniškem vmesniku ne pritisnemo tipke stop. Potek in opis celotnega programskega algoritma v programskem orodju LABVIEW je
podrobno opisan v dodatku. Karakteristiko našega resonatorja, ki opisuje odvisnost višine od frekvence smo preprosto
določili z programskim orodjem MATLAB_CFTOOL(X,Y). Prvi korak pri določanju je
bilo frekvenčno snemanje celotnega merilnega območja. Pri tem smo pri konstantni
temperaturi dvigovali nivo tekočine od minimuma do maksimuma (70 cm). Pri vsakem
centimetru smo zapisali frekvenco drugega harmonika. V drugem koraku smo z orodjem CFTOOL(X,Y) 5.4 vpeljali merjene veličine in narisali
karakteristiko resonatorja. Karakteristiko nam razločno prikazuje slika 5.5.
Akustični merilnik nivojev tekočin_ Programska enota 43
Slika 5.4: Programsko orodje MATLAB_CFTOOL(X,Y)
0
10
20
30
40
50
60
70
300 500 700 900 1100Frekvenca (Hz)
Viš
ina
(cm
)
Slika 5.5: Odvisnost višine od frekvence (karakteristika merilnika)
Tako smo lahko preko orodja določili formulo, katera nam iz frekvence določi nivo
tekočine (5.1). Dobimo polinom četrtega reda, kateri se z postopkom identifikacije ujema z
karakteristiko za 99 %.
10 4 7 3 22,42 10 9,022 10 0,001315 0,9307 209,9h f f f f (5.1)
Akustični merilnik nivojev tekočin_ Programska enota 44
Celotno merjenje spremljamo preko uporabniškega vmesnika, ki se nahaja na Front Panel
v LABVIEW-u. Preko njega nastavimo port iz katerega beremo, ter koeficient temperature.
Ostale podatke pri merjenju samo kontroliramo. Vmesnik je sestavljen tudi iz vizualnih
pripomočkov. Prvi nam kaže frekvenčni spekter oziroma FFT analizo akustičnega signala.
Prikazuje nam harmonike v resonančni cevi, drugi pa kaže višino nivoja tekočine v posodi.
Indikator je v obliki valja in kaže nivo modre barve. Celotno blokovno strukturo programa in uporabniški vmesnik nam prikazujeta sliki 5.6 in
5.7.
Akustični merilnik nivojev tekočin_ Programska enota 45
Slika 5.6: Blokovna struktura programa
Akustični merilnik nivojev tekočin_ Programska enota 46
Slika 5.7: Uporabniški vmesnik
Akustični merilnik nivojev tekočin_ Preizkušnja in rezultati 47
6 PREIZKUŠNJA IN REZULTATI MERILNIKA
V tem poglavju imamo prikazane rezultate in lastnosti, ki smo jih opravili in določili za naš
akustični merilnik. Meritve smo opravili pod naslednjimi pogoji: merjen fluid je trda voda, plin v resonatorju nad tekočino je zrak, temperatura obratovanja je 25 °C, tlak v resnonatorju je atmosferski tlak (zanemarljiv), v resonatorju se ne nahajajo usedline, pene, ki bi povzročile odboje.
Za preprost merilnik tekočin na osnovi spektralne analize akustičnega valovanja so bile
določene naslednje lastnosti: odstopanje (ujemanje izmerjene frekvence in izračunanega nivoja z dejanskim), dinamične lastnosti.
Meritve so potekale na podlagi spreminjanja dolžine resonatorja. Nivo tekočine smo
spreminjali (večali, manjšali), ter pri tem opazovali izmerjene frekvence harmonika, ter
dejanski in izračunan nivo.
6.1 Karakteristike merjenja z spektralnim analizatorjem
Meritve frekvenc harmonikov pri različnih nivojih smo na začetku merili z analognim
spektralnim analizatorjem. Na podlagi teh meritev smo dobili karakteristike petih
harmonikov v resonančni cevi. Iz tabele 9.1, ki se nahaja v dodatku in spodnje slike 6.1 so razvidni položaji vseh petih
harmonikov resonatorja v odvisnosti od višine.
Akustični merilnik nivojev tekočin_ Preizkušnja in rezultati 48
0
10
20
30
40
50
60
70
0 500 1000 1500
Frekvenca (Hz)
Niv
o t
ekoči
ne
(cm
)
Prvi harmonikDrugi harmonikTretji harmonikČetrti harmonikPeti harmonik
Slika 6.1: Položaj harmonikov resonatorja
Iz slike 6.1 vidimo, da nam za celotno merilno področje najbolje ustreza drugi harmonik.
Ta pokriva celotni spekter, ki ga potrebujemo. Zato v nadaljnjih meritvah iz njega
določamo višino.
6.2 Merjenje in karakteristika merilnika
Meritve smo opravljali pri temperaturi 23—25 °C. Resonančno cev smo vzbujali z šumom
in snemali njen frekvenčni spekter. Za različne višine smo odčitavali dejanski nivo in nivo
prikazan na uporabniškem vmesniku. Odčitane vrednosti nam predstavljata tabela 6.1 in slika 6.2. Iz vseh rezultatov lahko
vidimo, da se izmerjena vrednost razlikuje od dejanske za največ 6 mm. To nam pove
natančnost našega preprostega merilnika. Ta problem bi lahko rešili z boljšo kompenzacijo
temperature.
Akustični merilnik nivojev tekočin_ Preizkušnja in rezultati 49
Tabela 6.1 Meritve pri temperaturi 23-25 °C Dejanski
nivo (cm)
Izmerjen
nivo (cm)
Frekvenca
harmonika
(Hz)
Dejanski
nivo (cm)
Izmerjen
nivo (cm)
Frekvenca
harmonika
(Hz)
70,0 69,9 1090 26,0 25,3 503
68,3 68,1 1039 24,5 24,0 496
67,2 66,9 1010 22,9 22,3 486
66,1 65,9 984 21,0 20,7 477
64,2 63,9 940 19,9 19,3 470
63,2 62,9 918 18,9 18,6 466
62,0 61,6 891 18,0 17,9 463
60,3 60,0 861 17,9 17,5 461
58,4 58,2 828 17,8 17,5 460
57,2 57,0 807 17,7 17,2 459
55,0 54,8 774 17,6 17,1 458
53,8 53,3 751 17,0 16,6 456
52,0 51,8 731 16,0 15,7 451
51,2 51,0 722 15,8 15,4 450
49,8 49,5 703 14,5 14,3 445
48,5 48,2 688 13,1 13,0 439
46,5 46,3 667 11,8 11,4 431
44,0 43,8 642 9,9 9,8 424
41,8 41,4 619 8,8 8,7 419
39,9 39,6 603 8,0 7,9 416
38,0 37,7 588 6,9 7,0 412
36,8 36,3 577 5,9 5,9 407
35,9 35,4 570 5,0 5,0 404
34,8 34,2 561 4,0 3,9 399
32,9 32,4 548 3,0 2,9 395
30,5 29,9 532 2,0 2,1 392
Akustični merilnik nivojev tekočin_ Preizkušnja in rezultati 50
29,8 29,2 527 1,0 0,8 387
28,3 27,7 518 0,0 0,0 384
0
10
20
30
40
50
60
70
300 500 700 900 1100Frekvenca (Hz)
Niv
o t
ekoči
ne
(cm
)
Dejanski nivo
Izmerjen nivo
Slika 6.2: Primerjava dejanskega nivoja z izračunanim
6.3 Meritve pri različnih temperaturah
Potovanje zvoka je odvisno od temperature zraka po katerem potuje. Zato so karakteristike
resonatorja pri različnih temperaturah različne. Potrebne meritve za določitev
kompenzacijskega faktorja smo opravili pri 15, 16, 25, 30, 40 stopinjah Celzija.
Akustični merilnik nivojev tekočin_ Preizkušnja in rezultati 51
Podatki, ki smo jih dobili pri teh temperaturah so prikazani v tabelah, katere se nahajajo v
dodatku. Odvisnost nivoja tekočin od frekvence pri različnih temperaturah je prikazano na
sliki 6.3.
0
10
20
30
40
50
60
70
350 550 750 950
Frekvenca (cm)
Niv
o t
ekoči
ne
(cm
)
40 °C
30 °C
25 °C
16 °C
Slika 6.3: Karakteristike pri različnih temperaturah
6.4 Dinamične lastnosti
Prikazovanje meritve nivoja je časovno odvisno. Kako hitro bomo lahko zmerili nivo
tekočine v rezervoarju je odvisno od povprečenja signala. Čas meritve se povečuje z
velikostjo spremembe nivoja tekočine. Z preizkusi smo dokazali, da ob spremembi nivoja
za 20 cm ali več, potrebuje merilnik vsaj 30 s za določitev nivoja tekočine. Razlog za daljši
Akustični merilnik nivojev tekočin_ Preizkušnja in rezultati 52
merjen čas je premaknitev harmonikov v frekvenčnem spektru. Pri veliki trenutni
spremembi se tudi harmoniki prestavijo za več kot 100 Hz. Tako harmoniki zaradi
povprečenja potrebujejo daljši čas, da se na grafu premaknejo in ustalijo, da lahko
odčitamo položaj drugega harmonika. Pri počasnih spremembah nivoja tekočine dobimo boljše dinamične lastnosti. Pri
spreminjanju nivoja 6 s/cm nam spekter harmonika lepo sledi spremembam. Harmoniki se
sproti premikajo in sproti povprečijo. V bistvu nimamo velikih sprememb v položaju
harmonika. S tem nam merilnik v času 0,5 s določi merjen nivo tekočine. Pri takšni metodi merjenja nivoja nismo omejeni z časom, ki bi ga potrebovali za
skaniranje celotnega območja. Kakor je to potrebno pri drugih akustičnih merilnikih [4]. S
tem bi pri daljšem resonatorskem prostoru potrebovali več časa za določitev nivoja. Za
merjenje višjih nivojev pa bi potrebovali bistveno manj časa.
Akustični merilnik nivojev tekočin Zaključek 53
7 ZAKLJUČEK
Sama zasnova in izdelava vezja, mehanske konstrukcije in programskega dela je potekala
čez celotni semester. Cilj diplomske naloge je bil izdelati preprosti akustični merilnik
nivoja tekočin, ter praktično pokazati njegovo uporabo. Merilnik po metodi resonančne frekvence temelji na že predhodnih verzijah akustičnih
merilnikov tekočin v industrijskih aplikacijah. Poglavitni cilj je bila zamenjava sinusnega
generatorja z šumnim generatorjem, ter poenostaviti njegovo delovanje in določanje nivoja
tekočin. Pri izvedbi in raziskovanju nove metode smo naleteli na razne težave in možnosti izbire s
katerimi smo se morali soočiti:
glavna težava se je pokazala v implementiranju šumnega generatorja, kateri bi
tvoril bogati spekter belega šuma. Zaradi njegovega neposrednega vpliva na ostale
module in naš merjen signal, smo ga izdelali na svoji tiskanini. Lahko bi ga
uporabili v digitalni obliki, vendar smo ga najenostavneje izdelali z navadno zener
diodo, pri izbiri mikrofona in njegovega ojačevalnega dela smo naleteli na težavo pri
napajanju [16]. Zagotoviti smo morali napajanje mikrofona in operacijskega
ojačevalnika. Z napajanjem smo morali tudi dvigniti ojačan signal na polovico
napajalne napetosti. S tem smo dvignili delovno točko, da smo lahko opazovali
celotne sinusne signale na izhodu, celotno obdelavo signala smo opravili s programom LABVIEW, kar je temeljito
poenostavilo programski del merilnika. S tem smo se izognili težavnim
algoritmom, ki bi jih morali implementirati v mikrokrmilniku. Celotno zadevo smo
poenostavili z funkcijskimi bloki, kateri so operaterjem danes bolj pregledni.
Akustični merilnik nivojev tekočin Zaključek 54
Slika 7.1: Merjenje nivoja tekočine v posodi
Za celotno izvedbo preprostega merilnika smo uporabili enostavne elektronske elemente,
kateri so dosegljivi v vsaki bolj založeni trgovini z elektroniko. Celotno vezje je
sestavljeno iz 35 komponent, 3 operacijskih ojačevalnikov in dveh že izdelanih modulov
(programator in termometer). Rezultati preprostega merilnika zadostujejo našim začetnim pogojem in nam dajejo solidne
rezultate z majhnim pogreškom. Merilnik nivoja omogoča merjenje nivojev od 0 do 70 cm
pri temperaturah od 5 do 60 °C , odvisno od temperaturne kompenzacije. Omogoča
merjenje hitro spreminjajočih se nivojev, pod pogojem da je naslednja velika sprememba
najmanj čez 30 s. Nadaljnje možnosti za razvoj preprostega merilnika so ugodne. Za izboljšanje lastnosti
merilnika lahko navedemo par primerov: povečanje merilnega območja nad 70 cm, izboljšanje temperaturne kompenzacije za doseganje večje točnosti,
izboljšati analogno-digitalno pretvorbo, vso signalno procesiranje implementirati v mikrokrmilnik.
Akustični merilnik nivojev tekočin Zaključek 55
Glavna ideja za nadaljnji razvoj je celotni merilnik narediti eksplozijsko varen. Pri tem bi v
resonatorski cevi zvočnik nadomestili z tanko konico. To konico bi poganjal stisnjen zrak,
ki bi povzročil vibriranje konice. Posledica vibriranja bi bilo oddajanje naključnega zvoka
oziroma šuma. Mikrofon bi nadomestili z optičnim vlaknom, kateri bi meril položaj
harmonikov. Takšen merilnik bi lahko uporabili v industriji katera ima opravka z
eksplozijskimi nevarnimi snovmi. Celotna metoda in rezultati, ki smo jih dobili iz preprostega merilnika nivoja tekočin so
primerljivi z našimi začetnimi zahtevami. Pri izvajanju celotnega projekta mi je zelo
koristilo znanje in izkušnje, ki sem jih pridobil z študijem avtomatike in robotike. Ugotovil
sem, da je za razvijanje novih metod in izdelkov potrebna široka paleta znanja, saj se pri
raziskovanju lahko pojavlja veliko problemov, ki jih je potrebno sproti uspešno rešiti.
56
8 LITERATURA
[1] http://www.gradri.hr/~bp/fizika.pdfbb [2] Knjiga o avtu, Mladinska knjiga, Ljubljana, 1978 [3] http://www.eng.cam.ac.uk/DesignOffice/mdp/electric_web/Digital/DIGI_14.html [4] Boris Gole, Kompakten in cenen akustični merilnik nivojev tekočin za aplikacije v
avtomobilski industriji, Maribor, April 2004; [5] Ljubomir Črepinšek, Jana Padežnik Gomilšek, Tehniška fizika, učbenik, Maribor,
2002; [6] http://www.ijs.si/~kutnjak/reprints/zvok.pdf [7] Žarko Čučej, Dušan Gleich, Peter Planinšič, Signali, povzetki teorije z zbirko rešenih
nalog, Maribor, 2005;
[8] http://sl.wikipedia.org/wiki/Molska_masa [9] Matjaž Vidmar, Električni šum in elektronski izvori šuma, S53MV; [10] http://www.electronics-project-design.com/AudioAmplifier.html [11] Denis Đonlagić, Osnove gradnje prilagoditvenih vezij v senzorskih sistemih, zapiski
predavanj, 2010; [12] Svet elektronike, številka 15, November 1995; [13] Rajko Svečko, Diskretni regulacijski sistemi, Maribor, 2005; [14] Rajko Svečko, Teorija sistemov, Maribor, 2005; [15] http://www.ni.com/labview.html [16] http://www.rane.com/note148.html [17] http://forums.ni.com/t5/LabVIEW/FFT-Analysis/m-p/535389 [18] http://en.wikipedia.org/wiki/Fast_Fourier_transform
57
9 DODATEK
Diplomskemu delu je priložen dodatek v katerem se nahajajo naslednje priloge:
Program za generiranje sinusnega signala in prikaz njegovega FFT (MATLAB), Program za AD pretvorbo (C jezik), Sheme in tiskana vezja preprostega merilnika tekočin, Podroben opis programskega algoritma in funkcijskih blokov v programskem
orodju LABVIEW, Položaji (resonančne frekvence) petih harmonikov resonatorja v odvisnosti od
višine, Meritve resonančnih frekvenc v odvisnosti od višine za temperature 40, 30, 25 in
16 stopinj Celzija, Vizualni rezultati meritev pri temperaturi 23—25 °C, dodane slike ,ki prikazujejo
prikaz uporabniškega vmesnika za posamezne nivoje.
Program za generiranje sinusnega signala in prikaz njegovega FFT:
%/*#################################################################*/ %/*# PREPROST MERILNIK TEKOČIN NA OSNOVI #*/ %/*# SPEKTRALNE ANALIZE AKUSTIČNEGA VALOVANJA FFT #*/ %/*# #*/ %/*# generiranje sinusnega signala in njegov FFT #*/ %/*# #*/ %/*# DATUM :31.4.2010 #*/ %/*# AVTOR :Izidor Vehovar #*/ %/*# #*/ %/*#################################################################*/ clc clear all To = 20e-3 % perioda sinusnega signala, 1/0.02 je 50 Hz Ts = To/8 % čas sempliranja, periodo razdelimo na 8 otipkov Fs = 1/Ts % frekvenca sempliranja t = 0:Ts:To-Ts; % čas (odtipki) je od 0 do To-Ts po koraku Ts N = length(t) % ven dobimo dolžino vektorja t(N=8, imamo 8 otipkov) y = 5*sin(2*pi*50*t) % funkcija sinus , dobimo vektorje ven ker je t vektor, %dobimo 8 amplitud (za vsak otipek) Y = fft(y) % naredi FFT za funkcijo y k = 0:N-1; % k gre od 0 do N-1 (N-1 je zadni otipek) df = Fs/N % dolžina frekvence (x osi) pri FFT, %je frekvenca sempliranja deljeno z dolžino % vektorja t, dobimo položaj harmonikov, to je pri 50 Hz, % va našem primeru je 400/8=50 figure(1) subplot(211), stem(t,y) % izris grafa sinus, amplituda odvisna od časa subplot(212); stem(k*df, abs(Y)) % izris grafa FFT za sinus, %amplituda odvisna od frekvence % df je 50, k gre od 0 do 7, torej % grejo frekvence od 0 do 350 Hz
Program za AD pretvorbo:
//################################################################# //# PREPROST MERILNIK TEKOČIN NA OSNOVI # //# SPEKTRALNE ANALIZE AKUSTIČNEGA VALOVANJA FFT # //# # //# analogno-digitalna pretvorba # //# # //# DATUM :31.4.2010 # //# AVTOR :Izidor Vehovar # //# # //#################################################################
#include <18F2550.h> #DEVICE adc=10 // rezerviran prostor za bootloader #define _bootload #ifdef _bootload #define LOADER_END 0x7FF #define LOADER_SIZE 0x6FF #build(reset=LOADER_END+1, interrupt=LOADER_END+9) #org 0, LOADER_END #endif #define __USB_PIC_PERIF__ 1 #fuses HSPLL,NOWDT,NOPROTECT,NOLVP,NODEBUG,USBDIV,PLL5,CPUDIV1,VREGEN #use delay(clock=48000000) #include <usb_cdc.h> #use rs232(baud=9600,parity=N,xmit=PIN_C6,rcv=PIN_C7,bits=8) void main() unsigned long x1,x2; setup_adc_ports(AN0_TO_AN1|VSS_VDD); setup_adc(ADC_CLOCK_DIV_4); usb_init(); while( !usb_enumerated() ); while(TRUE) delay_us(100); set_adc_channel(0); delay_us(100); x1=read_adc(); set_adc_channel(1); delay_us(1000); x2=read_adc(); printf(usb_cdc_putc,"#%04Lu!%042x&",x1,x2 ); spremen v niz znakov na prazna mesta da 0
Sheme in tiskana vezja preprostega merilnika tekočin:
R3
680
1,8K
R1
R4
22k
R5
10k
C2
10nF
C110n
C3
10nF
C4
10nF
D1
R21,2K
Q12N2222
Q22N2222
12
P1_9V
Header 2 12
P1_out
Header 2
Slika 9.1: Shema šumnega generatorja
Slika 9.2: Tiskanina šumnega generatorja
100nFC6
100nFC9
10uF
C7
470nF
C10
C5100u
2,2R7
1R8
220R6
1000uF
C81
2
53
4
U4TDA2003
12
P2_in
Header 2
12
P2_9V
Header 2
123
P?
Header 3
Slika 9.3: Shema avdio ojačevalnika
Slika 9.4: Tiskanina avdio ojačevalnika
5
67
B
84
U3BOP283GP
2
31
A
84
U3AOP283GP
C11
680n1uF
C13
100KR13
2,2
R10
100KR12
1,8KR9
220K
R11
12
P3_mic
Header 2
12
P3_9V
Header 2
12
P3_out
Header 2
Slika 9.5: Shema mikrofonskega ojačevalnega dela
Slika 9.6: Tiskanina mikrofonskega ojačevalnega dela
10KRp11
2
P4_in
Header 2
12
P4_out
Header 2
Slika 9.7: Shema vezja-trimer
Slika 9.8: Tiskanina vezja-trimer
Podroben opis programskega algoritma in funkcijskih blokov v programskem
orodju LABVIEW
Podatke, ki jih prejemamo preko porta COM9 beremo z VISA funkcijskimi bloki za
serijsko komunikacijo. Zajemanje in shranjevanje nam prikazuje slika 9.9. VISA Open
(VISA O) nam odpre serijsko komunikacijo, katero nastavimo preko VISA Resource name
na COM9. Ta pošlje podatke naprej v blok VISA Read (VISA R), ki se nahaja v zanki. Ta
blok sprejme podatke in jih vrne v Read buffer. Zlog dolg 11 znakov, ki ga dobimo iz AD
karte, sortiramo po ustreznih znakih za ločevanje in dobimo zlog 4 znakov (cifer). Te bite
oziroma cifre pošljemo naprej na blok Scan from String. Ta skenira celotni zlog in ga
spremeni v odtipke našega signala.
Slika 9.9: VISA funkcijski bloki
Celotna zanka se ponovi 2000 krat. Za vsako ponovitev ko jo opravi se novi zlog shrani v
odtipek. Tako dobimo 2000 odtipkov, kar je tudi naše tipanje celotnega signala. Ta zanka je postavljena v glavno while zanko. Katera se neskončno krat ponavlja in jo
ustavimo s tipko stop. Takrat gre signal za prekinitev iz notranje for zanke do VISA Close
(VISA C) in ta zapre serijsko komunikacijo. Celotni proces lahko ponovno zaženemo z
tipko run, ki se nahaja v orodni vrstici uporabniškega vmesnika. Signal sestavljen iz 2000 odtipkov pošljemo naprej na Build Waveform blok. Ta nam
priredi naš signal z ustrezno zakasnitvijo. S tem preprečimo prehitevanje signala.
Modificiran signal pošljemo na blok Set Dynamic Data Attributes, ki še dodatno nastavi
lastnosti našega signala, slika 9.10.
Slika 9.10: Bloki za spektralno analizo
Signal katerega dobimo je sedaj pripravljen za FFT obdelavo. Programsko orodje
LABVIEW nam daje široko paleto funkcijskih in matematičnih blokov za avtomatizacijo
raznih procesov. Celotno Fourierovo transformacijo lahko rešimo matematično. Ampak bi
si na tak način celotno zadevo zelo zakomplicirali. Zato jo rešimo kar z funkcijskim
blokom Spectral Measurements. Ta blok nam poleg FFT obdelave ponuja tudi druge
funkcije, ki nam pomagajo pri določanju frekvenčnega spektra. Signal, ki ga dobimo po
FFT obdelavi ni stalen saj se špice harmonikov spreminjajo za male vrednosti. Zato
moramo narediti povprečenje našega signala. To funkcijo omogoča blok, slika 9.11. Z
povprečenjem seštejemo 30 naših rezultatov FFTja in jih delimo z številom signalov, torej
s 30.
Slika 9.11: Dodatne funkcije bloka Spectral Measurements
S tem dobimo stalne špice, katere se premikajo samo z nivojem tekočine, slika 3.8. Signal katerega dobimo po povprečenju peljemo v Peak Detector. Ta blok iz celotnega
spektra harmonikov poišče njegove vrhove, število vrhov in njihov položaj. Prav tako nam
za vsak harmonik pove vrednost njegove amplitude in frekvence pri kateri se nahaja. Del
programa za določanje vrhov harmonikov prikazuje slika 9.12. Dodatni elementi so za
nastavljanje parametrov, ki določajo od katere amplitude naj bere vrhove, ter zanemarijo
vmesne majhne špice, ki se pojavijo na strmini samega harmonika. Signal še dodatno
prilagodimo prikazovalnemu grafu z množenjem signala z cifro 2,2568.
Slika 9.12: Funkcijski blok za določanje vrhov harmonikov
Signal sedaj razdelimo na 3 dele (cifre). Pri tem nam vsaka cifra pomeni položaj
harmonika oziroma pri kateri frekvenci se nahaja njegov vrh. Iz vseh meritev, ki smo jih
praktično opravili pri različnih temperaturah smo ugotovili, da je v vseh področjih najbolje
izražen drugi harmonik. Zato vzamemo cifro lokacije drugega harmonika in jo pošljemo v
formulo (4.1), katera sledi v nadaljevanju. Formula nam za ustrezno frekvenco izračuna
točni položaj nivoja tekočine v cevi. Ta nivo še samo kompenziramo z ustreznim faktorjem
temperature, katerega nastavimo preko uporabniškega vmesnika. Končni rezultat se nam
pokaže kot numerična številka in kot slikovni prikaz nivoja tekočine v cisterni. Preračun
drugega harmonika nam prikazuje slika 9.13.
Slika 9.13: Preračun frekvence harmonika v višino
Položaji petih harmonikov resonatorja v odvisnosti od višine
Tabela 9.1 Merjenje harmonikov resonatorja z spektralnim resonatorjem
Nivo
tekočine
(cm)
1. harmonik
(Hz)
2. harmonik
(Hz)
3. harmonik
(Hz)
4. harmonik
(Hz)
5. harmonik
(Hz)
0 192 368 540 704 876
2 196 380 548 720 896
4 196 386 562 736 912
6 196 398 572 748 932
8 212 404 584 768 952
10 208 412 604 788 976
12 212 432 616 808 1004
14 212 436 628 828 1028
16 220 444 644 848 1056
18 220 456 660 872 1080
20 228 464 680 896 1112
22 232 476 696 920 1144
24 240 492 720 948 1176
26 252 512 744 976 1216
28 244 528 764 1008 1252
30 256 540 788 1040 1296
32 268 564 816 1076 1340
34 280 580 844 1112 1388
36 280 600 876 1152 1440
38 300 624 904 1196 1492
40 336 644 944 1244 1556
42 356 668 976 1296 1616
44 332 692 1020 1352 1688
46 376 724 1064 1412 1772
48 400 758 1114 1482
50 430 794 1170 1558
52 446 842 1230 1642
54 478 926 1300
56 510 976 1370
58 540 1046 1460
60 566 1126 1554
62 600 1196 1669
64 648 1296 1784
66 698 1400
68 740 1560
70 800 1724
72 888
Meritve resonančnih frekvenc v odvisnosti od višine za temperature 40, 30, 25 in
16 stopinj Celzija
Tabela 9.2 Vrednosti položaja harmonika od nivoja tekočine T=40 °C
Nivo (cm) Položaj
harmonika
(Hz)
Nivo (cm) Položaj
harmonika
(Hz)
Nivo (cm) Položaj
harmonika
(Hz)
0 0 24 502 48 702
1 398 25 508 49 710
2 401 26 513 50 723
3 405 27 519 51 738
4 409 28 526 52 752
5 411 29 532 53 764
6 416 30 539 54 779
7 422 31 546 55 794
8 426 32 553 56 810
9 429 33 563 57 829
10 433 34 568 58 845
11 436 35 577 59 861
12 439 36 585 60 881
13 445 37 594 61 899
14 449 38 601 62 918
15 452 39 609 63 940
16 457 40 618 64 961
17 463 41 628 65 986
18 467 42 637 66 1014
19 475 43 646 67 1039
20 480 44 657 68 1067
21 485 45 672 69 1096
22 491 46 683 70 1118
23 496 47 690
Tabela 9.3 Vrednosti položaja harmonika od nivoja tekočine T=30 °C
Nivo (cm) Položaj
harmonika
(Hz)
Nivo (cm) Položaj
harmonika
(Hz)
Nivo (cm) Položaj
harmonika
(Hz)
0 386 24 497 48 692
1 389 25 504 49 702
2 394 26 511 50 715
3 398 27 516 51 725
4 401 28 522 52 739
5 407 29 526 53 754
6 411 30 535 54 768
7 414 31 540 55 781
8 418 32 550 56 797
9 423 33 557 57 812
10 427 34 563 58 828
11 432 35 569 59 846
12 435 36 577 60 866
13 440 37 584 61 885
14 444 38 595 62 902
15 448 39 603 63 919
16 455 40 610 64 945
17 459 41 619 65 969
18 465 42 629 66 991
19 469 43 638 67 1015
20 474 44 648 68 1045
21 477 45 657 69 1074
22 485 46 669 70 1103
23 492 47 678
Tabela 9.4 Vrednosti položaja harmonika od nivoja tekočine T=25 °C
Nivo (cm) Položaj
harmonika
(Hz)
Nivo (cm) Položaj
harmonika
(Hz)
Nivo (cm) Položaj
harmonika
(Hz)
0 383 24 491 48 679
1 387 25 495 49 691
2 391 26 501 50 702
3 395 27 507 51 716
4 398 28 513 52 727
5 402 29 519 53 741
6 407 30 526 54 754
7 410 31 533 55 767
8 414 32 539 56 782
9 418 33 546 57 798
10 426 34 553 58 817
11 428 35 562 59 832
12 431 36 569 60 853
13 436 37 576 61 873
14 440 38 585 62 892
15 444 39 593 63 909
16 448 40 600 64 936
17 452 41 612 65 956
18 458 42 620 66 981
19 463 43 629 67 1006
20 468 44 640 68 1025
21 474 45 649 69 1061
22 479 46 659 70 1092
23 484 47 668
Tabela 9.5 Vrednosti položaja harmonika od nivoja tekočine T=16 °C
Nivo (cm) Položaj
harmonika
(Hz)
Nivo (cm) Položaj
harmonika
(Hz)
Nivo (cm) Položaj
harmonika
(Hz)
0 378 24 483 48 671
1 379 25 488 49 679
2 385 26 494 50 694
3 387 27 499 51 703
4 390 28 505 52 719
5 395 29 512 53 730
6 399 30 518 54 743
7 403 31 525 55 760
8 407 32 532 56 775
9 411 33 538 57 789
10 416 34 546 58 805
11 420 35 554 59 823
12 423 36 560 60 840
13 427 37 569 61 859
14 432 38 574 62 877
15 437 39 583 63 898
16 442 40 592 64 919
17 447 41 602 65 938
18 451 42 610 66 967
19 456 43 619 67 993
20 462 44 628 68 1015
21 466 45 637 69 1041
22 471 46 648 70 1071
23 477 47 659
Vizualni rezultati meritev pri temperaturi 23—25 °C, slike prikazujejo prikaz
uporabniškega vmesnika za posamezne nivoje:
Slika 9.14: Merjen nivo tekočine h=70 cm_MAX
Slika 9.15: Merjen nivo tekočine h=68,3 cm
Slika 9.16: Merjen nivo tekočine h=67,2 cm
Slika 9.17: Merjen nivo tekočine h=66,1 cm
Slika 9.18: Merjen nivo tekočine h=64,2 cm
Slika 9.19: Merjen nivo tekočine h=63,2 cm
Slika 9.20: Merjen nivo tekočine h=62 cm
Slika 9.21: Merjen nivo tekočine h=60,3 cm
Slika 9.22: Merjen nivo tekočine h=58,4 cm
Slika 9.23: Merjen nivo tekočine h=57,2 cm
Slika 9.24: Merjen nivo tekočine h=55 cm
Slika 9.25: Merjen nivo tekočine h=53,8 cm
Slika 9.26: Merjen nivo tekočine h=52 cm
Slika 9.27: Merjen nivo tekočine h=51,2 cm
Slika 9.28: Merjen nivo tekočine h=49,8 cm
Slika 9.29: Merjen nivo tekočine h=48,5 cm
Slika 9.30: Merjen nivo tekočine h=46,5 cm
Slika 9.31: Merjen nivo tekočine h=44 cm
Slika 9.32: Merjen nivo tekočine h=41,8 cm
Slika 9.33: Merjen nivo tekočine h=39,9 cm
Slika 9.34: Merjen nivo tekočine h=38 cm
Slika 9.35: Merjen nivo tekočine h=36,8 cm
Slika 9.36: Merjen nivo tekočine h=35,9 cm
Slika 9.37: Merjen nivo tekočine h=34,8 cm
Slika 9.38: Merjen nivo tekočine h=32,9 cm
Slika 9.39: Merjen nivo tekočine h=30,7 cm
Slika 9.40: Merjen nivo tekočine h=29,8 cm
Slika 9.41: Merjen nivo tekočine h=28,3 cm
Slika 9.42: Merjen nivo tekočine h=27 cm
Slika 9.43: Merjen nivo tekočine h=26 cm
Slika 9.44: Merjen nivo tekočine h=24,5 cm
Slika 9.45: Merjen nivo tekočine h=22,9 cm
Slika 9.46: Merjen nivo tekočine h=21 cm
Slika 9.47: Merjen nivo tekočine h=19,9 cm
Slika 9.48: Merjen nivo tekočine h=18,9 cm
Slika 9.49: Merjen nivo tekočine h=18 cm
Slika 9.50: Merjen nivo tekočine h=17,9 cm
Slika 9.51: Merjen nivo tekočine h=17,8 cm
Slika 9.52: Merjen nivo tekočine h=17,7 cm
Slika 9.53: Merjen nivo tekočine h=17,6 cm
Slika 9.54: Merjen nivo tekočine h=17 cm
Slika 9.55: Merjen nivo tekočine h=16 cm
Slika 9.56: Merjen nivo tekočine h=16,8 cm
Slika 9.57: Merjen nivo tekočine h=14,5 cm
Slika 9.58: Merjen nivo tekočine h=13,1 cm
Slika 9.59: Merjen nivo tekočine h=11,8 cm
Slika 9.60: Merjen nivo tekočine h=9,9 cm
Slika 9.61: Merjen nivo tekočine h=8,8 cm
Slika 9.62: Merjen nivo tekočine h=8 cm
Slika 9.63: Merjen nivo tekočine h=7,9 cm
Slika 9.64: Merjen nivo tekočine h=5,9 cm
Slika 9.65: Merjen nivo tekočine h=5 cm
Slika 9.66: Merjen nivo tekočine h=4 cm
Slika 9.67: Merjen nivo tekočine h=3 cm
Slika 9.68: Merjen nivo tekočine h=2 cm
Slika 9.69: Merjen nivo tekočine h=1 cm
Slika 9.70: Merjen nivo tekočine h=0 cm _MIN
Kratek življenjepis
Ime in priimek: Izidor Vehovar
Rojen: 17.8.1988 v Mariboru
Oče: Boris Vehovar
Mati: Majda Vehovar
Šolanje: 1995—2003 Osnovna šola Črešnjevec pri Slovenski Bistrici
2003—2007 Srednja elektro računalniška šola Maribor
2007— vpis na fakulteto za elektrotehniko, računalništvo in
informatiko, Maribor.
IZJAVA O USTREZNOSTI DIPLOMSKEGA DELA Podpisani mentor Denis Đonlagić izjavljam, da je študent Izidor Vehovar izdelal diplomsko delo z naslovom: Merilnik nivojev tekočin na osnovi spektralne analize akustičnega valovanja v skladu z odobreno temo diplomskega dela, Navodili o pripravi diplomskega dela in mojimi navodili. Datum in kraj: Podpis mentorja: 9. 9. 2010
IZJAVA O ISTOVETNOSTI TISKANE IN ELEKTRONSKE VERZIJE DIPLOMSKEGA DELA IN OBJAVI OSEBNIH PODATKOV DIPLOMANTOV
Ime in priimek diplomanta-tke: Izidor Vehovar Vpisna številka: E1003387 Študijski program: Elektrotehnika – Avtomatika in Robotika Naslov diplomskega dela: Merilnik nivoja tekočin na osnovi spektralne analize akustičnega
valovanja Mentor: Denis Đonlagić Podpisani-a Izidor Vehovar izjavljam, da sem za potrebe arhiviranja oddal elektronsko verzijo zaključnega dela v Digitalno knjižnico Univerze v Mariboru. Diplomsko delo sem izdelal-a sam-a ob pomoči mentorja. V skladu s 1. odstavkom 21. člena Zakona o avtorskih in sorodnih pravicah (Ur. l. RS, št. 16/2007) dovoljujem, da se zgoraj navedeno zaključno delo objavi na portalu Digitalne knjižnice Univerze v Mariboru. Tiskana verzija diplomskega dela je istovetna elektronski verziji, ki sem jo oddal za objavo v Digitalno knjižnico Univerze v Mariboru. Podpisani izjavljam, da dovoljujem objavo osebnih podatkov vezanih na zaključek študija (ime, priimek, leto in kraj rojstva, datum diplomiranja, naslov diplomskega dela) na spletnih straneh in v publikacijah UM. Datum in kraj: 20. 9. 2010 Podpis diplomanta-tke: