Prosjektoppgave i INF3460: Ultralydestimering av vanntemperatur

Introduksjon

M�let med oppgaven var � kunne m�le vanntemperaturen i et ferskvannsbasseng ved hjelp av en ultralyd transducer. M�lingene skulle kunne gj�res gjennom et grafisk brukergrensesnitt i Matlab. Prosjektet inng�r i kurset "INF3460 Prosjekt i digital signalbehandling og akustikk" og har en varighet p� 15 uker. De fysiske m�lingene vil bli utf�rt i DSB-gruppens ultralyd/undervannsakustikk lab i kjelleren til SINTEF.

Rammebetingelser

Ved kursets start ble det laget en prosjektplan med milep�ls datoer og et Gant diagram med oversikt over tidsplanen for prosjektet. Dette kan sees her.

Hvordan virker det

Lydhastigheten i vann er avhengig av temperaturen i vannet. M�ler vi tiden et lydsignal bruker over en kjent avstand, vil vi kunne beregne hastigheten og dermed finne vanntemperaturen. I dette prosjektet gj�res dette ved �puls-ekko� prinsippet. Ved � sende en ultralydpuls mot en flate vil vi motta ett ekko signal n�r lydpulsen reflekteres fra flaten. Hvis vi har to flater med kjent avstand fra hverandre, kan vi se p� tidsforsinkelsen til de to reflekterte ekkosignalene og dermed beregne hastigheten til lyden. N�r vi kjenner hastigheten til lyden, kan vi bruke Lubbers og Graaffs ligning for lydhastighet i vann og l�se denne med tanke p� temperaturen T.

c = 1405.03 + 4.624 T - 3.83 x 10 -2 T^2

Utstyr

Utstyr som blir brukt til fors�ket er:

PC, os: Microsoft Windows XP, programvare: Mathworks MatLab 7.0
Agilent DSO6014A Oscilloscope.
Agilent 33220A Waveform Generator.
Olympus Forsterker.
1 MHz ultralyd transducer.
Selvlaget refleksjonsplate
Basseng med justerbar termostat.

Figur 1:Agilent Waveform Generator. Figur 2:Agilent Oscilloscope. Figur 3:Olympus amplifier. Figur 4: Refleksjonskloss med transducer

Utfordringer

Refleksjonsklossen er laget av 3 plexiglass plater p� 8mm. Disse er limt sammen slik at de danner et trinn p� 16mm. Det viste seg i midlertid at plexiglass reflekterer lydsignalet d�rlig. Det meste av lydpulsen fortsetter gjennom plexiglasset og kun en liten del reflekteres. Siden refleksjonsklossen best�r av flere lag plexiglass, f�r man et ekkosignal for hvert lag lyden passerer. Resultatet er at man f�r flere ekkosignaler med forskjellig form og amplitude. Med flere ekkosignaler er det vanskelig � se hvilke ekkosignaler som skal brukes til beregningene. Ved � lime p� en tynn st�lplate p� refleksjonsflatene, f�r man kun to ekkosignaler med lik form og tiln�rmet lik amplitude.

Transducerens posisjon og vinkel i forhold til refleksjonsklossen gir ogs� forskjellig amplitude og form p� ekko signalene. Dette gir drastiske utslag i temperaturberegningene. L�sningen ble � montere braketten for transduceren fast p� refleksjonsklossen, slik at posisjonen p� transduceren ble lik hver gang.

Oppl�sningen til plot funksjonen p� oscilloskopet er p� 1000 sampler. Dette gj�r at tidsforskjellen per sample er 31 ns. Hvert sample utgj�r en temperaturforskjell p� ca 0,8 grader i forhold til trinnet p� refleksjonsklossen. Det er derfor urealistisk � ha h�yere oppl�sning p� m�leresultatet enn hele grader.

N�r vannet i bassenget varmes hurtig opp, vil det oppst� sm� temperatursjikt i vannet. Dette f�rer til at man kan oppleve beregninger som fraviker med flere grader. Kompenserer for dette ved � gj�re 11 m�linger og finner median av disse.

Gjennomf�relse

I dette prosjektet har jeg brukt en 1 MHz transducer koblet opp mot en generator og et oscilloskop. Transduceren sender en lydpuls mot en trappeformet kloss som reflekterer to ekko signaler. Ved � sample de to ekko signalene fra oscilloskopet, kan jeg se p� tidsforskjellen mellom ekko signalene og beregne temperaturen i vannet.

Figur 5: Illustrasjon av opsettet

Selve utregningen foreg�r i Matlab. Gjennom det grafiske brukergrensesnittet(GUI), settes alle innstillinger til generator og oscilloskop. Programmet henter ut et plot av ekko signalene fra oscilloskopet og beregner hvor lang tid det er g�tt mellom de to signalene.

Figur X: Plot fra oscilloskop av ultralydpuls og ekko signaler. Figur 5: Plot i Matlab av ekko signalene.

N�r vi har funnet tidsforskjellen mellom ekko1 og ekko2 kan vi regne ut lydhastigheten. Med kjent hastighet c l�ser vi annengradsligningen til Lubbers og Graaffs for � finne temperaturen T. Resultatet blir skrevet til GUI vinduet i Matlab.

Temperaturm�lingene ble gjort i et lite basseng med justerbar termostat slik at det kunne gj�res m�linger ved flere forskjellige temperaturer.

Oppsettet er kalibrert p� 20 grader, slik at temperatursjiktet programmet gir n�yaktige m�linger ligger mellom 15 �C til 25 �C.

Konklusjon

Klarer � m�le temperatur i hele grader. Fungerer best p� temperaturer mellom 15 �C til 25 �C.

Materialet refleksjonsklossen er laget av er vesentlig for � oppn� ett godt ekko signal. Plexiglass var uegnet for dette. St�l fungerer tilfredsstillende.

Transducerens vinkel og avstand til refleksjonsklossen er ogs� avgj�rende for amplitude og form p� ekko signalet.

Figur 6: GUI vindu i Matlab

Lenker :

Framdrift:

19 februar:

Milep�l 2: Presentasjon av oppgaven for resten av kurset.

4 mars:

Demo1: Koblet opp generator oscilloskop og satte innstillinger p� disse ved hjelp av matlab. Gjorde en enkel beregning av vanntemperaturen.

6 mars:

Satte opp oscilloskopet til � plotte middelverdien av 32 m�linger.Byttet refleksjonsplaten med to treklosser. Fikk et bedre ekko signal med n�r jeg hadde likt refleksjonsmatriale for begge ekko signalene. Gjorde flere m�linger som var stabile p� +/- 0.5 grader.

10 mars:

Gjort klar det lille bassenget og montert opp termostat p� dette, slik at jeg kan regulerer temperaturen i vannet.

13 mars:

Gjorde temperaturm�linger fra 15 til 25 grader i det lille bassenget. Klarte � lese av hele grader. Regner med at det er h�yeste oppl�sning.

28 mars:

F�rste utkast av GUI applikasjonen til Matlab er gjennomf�rt. Knapper for � koble opp instrumentene, sette opp og gj�re temperaturm�ling.Kan sees her.

6 april:

Prototyp av refeksjonskloss i plexiglass ferdig.

7 april:

M�lefors�k med refleksjonskloss i plexiglass fungerer d�rlig. F�r for mange ekko signaler fra de forskjellige lagene av plexiglass i klossen.

8 april:

Demo 2: Viste m�linger med bruk av GUI applikakasjon. F�r en god m�ling p� 17 grader. Ved andre temperaturer f�r jeg feil resultat. Skyldes en feil i algoritmen

5 mai:

Modifisert refleksjonsklossen med st�lplater p� refleksjonsflatene og festet brakett for transducer p� platen. Dette gir mer stabile m�linger. Har ogs� gjort noen forandringer p� GUI aplikasjonen.

6 mai:

Poster for prosjektet ferdigstilles.

10 mai:

Gjort korrigeringer p� GUI.

13 mai:

WEB side ferdigstilles.

Design by Minimalistic Design

Ultralydestimering av vanntemperatur

Prosjekt i INF3460/4460 v�ren 2008 - Martin A. Brinkmann