вултразвуково измерване на потока, данните за скоростта на флуида се извличат от характеристиките на разпространение на акустичните вълни, преминаващи през средата-независимо дали е течност или газ, затворени в тръбна секция. Принципът на ултразвуковия разходомер основно разчита на измерване на вариациите на транзитното време или честотните смени, които възникват, когато звуковите вълни взаимодействат с движеща се течност. Генерирането на сигнал, качеството на предаване и приемането на ехо заедно определят дали устройството предоставя точни обемни показания или въвежда систематични грешки във веригата на измерване.
Откриване на транзитно време и предизвикателство при обработката на сигнала
Методът на транзитното време остава доминиращият подход в модерния дизайн на ултразвуков разходомер. Когато практикуващите за първи път се сблъскат с тази технология, те често подценяват значението на бекенда за обработка на сигнала. Необработените ехо сигнали от пиезоелектрични преобразуватели не пристигат като чисти синусоиди-те носят шум, вариации на амплитудата и фазови изкривявания, които трябва да бъдат обработени, преди да може да се извърши каквото и да е смислено изчисление на потока.
През 1981 г. Сандерсън и Хемп публикуваха основополагаща работа върху методологиите за откриване на сигнали за ултразвукови разходомери за транзитно{1}}време. Техният принос разграничава техниките за обработка във времева-домейн и-честотна област. Методите във времев-домейн обикновено използват предаване на един-импулс и проследяват специфични характеристики на формата на вълната-обикновено нулеви-точки на пресичане или задействания на прагове. Подходите за честотен{11}}домейн вместо това изследват спектралното съдържание. Всеки от тях има компромиси, които не са очевидни веднага, докато не се справите с реални инсталации на място.
Връзката между периода на ултразвуков импулс и скоростта на звука, съчетана с това как дължината на вълната се мащабира с акустичната скорост, определя коя стратегия за обработка има практически смисъл. При схемите за синхронизиране с един-импулс измервателният уред предава поредица, изчаква приемане, след което оценява времето на пристигане. Достатъчно просто на теория. Реалността включва идентифициране на коя част от получената форма на вълната съответства на „правилното“ време за преминаване-и това е мястото, където откриването на пресичане на нула-влиза в картината.
Методи за-преминаване през нулата и техните практически ограничения
Откриването на-преминаване през нула задава праг на напрежението; когато ехо сигналът надвиши това ниво, системата задейства синхронизация и впоследствие измерва момента, в който формата на вълната пресече нулата. Този подход е стандартна практика от десетилетия. Праговото напрежение установява еталон, с който се сравнява получената форма на вълната, като първото пресичане на нула- след нарушаване на прага маркира събитието "стоп" за синхронизиращата верига.
Това явление е илюстрирано в повечето диаграми в техническата литература-осцилираща ехо обвивка, където номерирани пикове (означени с 1, 2, 3, 4) са потенциални нулеви-пресичания. Изборът кое-преминаване през нулата да се използва не е произволен. Трябва да демонстрирате повторяемостта на вашите измервания, но колебанията в амплитудата на сигнала могат да доведат до изместване на първия пик, превишаващ прага, което води до обезпокоителен феномен на „прескачане на цикъл“-измереното време на разпространение пропуска цял цикъл на вълната.
Множество нулеви{0}}точки могат да се проследяват, за да се подобри устойчивостта. Някои инструменти идентифицират няколко пресичания и използват проверки за съгласуваност, за да отхвърлят отклоненията. Това добавя допълнителни изчислителни разходи, но значително намалява податливостта към амплитудно-индуцирани грешки във времето.
TheПринцип на работа на ултразвуков разходомерстава значително по-сложно, когато се работи с газови приложения, а не с течности. Газът има приблизително три порядъка по-нисък акустичен импеданс в сравнение с течната среда. Затихването на сигнала е силно. Когато свързан с течност-датчик може да получи ехо на ниво миливолт-, което изисква умерено усилване, газовите измервания често изискват усилвания, надхвърлящи 60 dB само за разделяне на получения импулс от фоновия шум.
Измерване на газовия поток: Напълно различен звяр
Измерването на газовия поток с ултразвукова технология за транзит-време представлява предизвикателство, пред което течните приложения просто не са изправени. Акустичната връзка между преобразувателя и средата се влошава значително с газообразна среда. Скоростта на звука в газ варира драстично в зависимост от състава, налягането и температурата-много повече, отколкото в течностите, където вариацията може да бъде няколко процента.
Помислете какво се случва в газоразпределителната мрежа. Същата тръба, същия хардуер на ултразвуков измервателен уред, но налягането варира в зависимост от търсенето. Всяка промяна на налягането променя акустичния импеданс, измества амплитудата на получения сигнал и потенциално кара базираните на прагове{2}}системи за синхронизиране да се захванат за различни точки на пресичане на нулата-. Полученото отчитане на потока се променя, дори ако действителният обемен дебит остава постоянен.
Турбулентността усложнява тези проблеми. При по-високи числа на Рейнолдс профилите на скоростта стават все по-не{1}}еднородни в напречното-сечение на тръбата. Разликата във времето на преминаване, която ултразвуковият измервателен уред измерва, представлява път-осреднена скорост-а не истинската средна скорост, която бихте получили чрез интегриране в цялата площ на потока. Коригиращите фактори (компенсация на профила) отчитат това несъответствие, но те предполагат относително добре-подържани условия на потока. Добавете асиметрични входни смущения или завихряния и тези коригиращи фактори стават по-малко надеждни.
Схемите за -автоматичен контрол на усилването- AGC се опитват да нормализират амплитудата на ехото, независимо от това колко сигналът отслабва по време на разпространението. Когато степента на AGC на инструмента работи правилно, вариациите на амплитудата от -предизвиканото от потока изместване на траекторията, свързаните с температурата-промени в акустичните свойства или постепенното влошаване на преобразувателя не повреждат времето за пресичане на нулата-. Въпреки това, AGC въвежда свои собствени артефакти за синхронизиране, ако не се прилага внимателно. Фазовите измествания през веригата за контрол на усилването могат да се маскират като разлики във времето на преминаване.
Проектирането на вторичната електроника в газовия ултразвуков разходомер включва съображения за балансиране на сигнал-към-шум спрямо необходимостта от стабилно, повтарящо се време. Една популярна конфигурация използва комбинация от цифров AGC (имплементиран във фърмуера) заедно с аналогови AGC етапи, използващи компоненти като AD8367 усилвател с променливо усилване-. Хибридният подход разширява динамичния обхват, като същевременно поддържа изкривяването в приемливи граници.
Фактори на околната среда и крайни ефекти
Всеки фактор, причиняващ загуба на сигнал, влияе върху качеството на измерването. По-високите скорости на потока означават по-дълго отклонение на акустичния път поради конвекция-звуковият лъч не преминава право през тръбата, а следва извита траектория. Тръбите с малък-диаметър показват ясно изразени ефекти на граничния слой, където близостта на стената променя локалните градиенти на скоростта.
Крайните ефекти от стените на измервателната тръба въвеждат допълнителни усложнения за дизайна на ултразвукови разходомери за транзитно{0}}време. Звуковите вълни, взаимодействащи с границата на тръбопровода, изпитват пречупване и частично отражение. В тесните тръби тези гранични взаимодействия доминират в характера на получения сигнал. Ширината на акустичния лъч спрямо диаметъра на тръбата има значение; по-широките греди "виждат" повече от влиянието на стената.
Богатите на CO₂- газови потоци представляват особени предизвикателства. Въглеродният диоксид абсорбира акустична енергия при определени честоти много по-агресивно от въздуха или природния газ. Високото съдържание на CO₂ намалява амплитудата на сигнала, потенциално под прага на откриване. Шумът от околната среда-независимо дали от регулатори на налягането нагоре по веригата, кавитиращи клапани или външни източници на вибрации-инжектира фалшиви сигнали, които могат да предизвикат фалшиви пресичания на прагове.
Постигането на честоти на измерване над 20 kHz често е необходимо, за да се получат адекватни маржове на сигнал-към-шум в шумна индустриална среда. По-ниските честоти се разпространяват по-далеч, но са по-податливи на околни акустични смущения. По-високите честоти затихват по-бързо в газа, но предлагат по-добър имунитет към ниско-честотния шум от растенията.
Защо качеството на вълновата форма е по-важно, отколкото си мислите
Нестабилността на формата на сигнала остава недооценен източник на грешка при измерване при ултразвуковото измерване на потока. Ехото не поддържа идентични профили от едно измерване до следващо. Температурните цикли изместват резонансната честота на преобразувателя. Отлаганията върху акустичните портове променят съгласуването на импеданса. Корозията на стената на тръбата променя характеристиките на отражение на границата.
Когато формата на вълната на ехото се променя, схемите за-откриване, базирани на прагове, реагират по различен начин на всяка поредица от импулси. Това, което е работило перфектно при пускането в експлоатация, може да развие систематично отклонение след няколко години работа. Техниките за кръстосана-корелация-при които получената форма на вълната се сравнява със съхранена еталонна-предлагат подобрен имунитет срещу вариации във формата, но изискват повече изчислителни ресурси и внимателно управление на референтния сигнал.
Самият път на разпространение не е геометрично фиксиран. Пречупването, дължащо се на градиенти на скоростта (срязване между по-бързия поток в сърцевината и по-бавните гранични слоеве), огъва акустичния лъч. При дизайна на измервателни уреди с многопътево излъчване този ефект се проявява като показания на скоростта,-зависещи от пътя, които не са съвсем средни спрямо очакваната обемна скорост.
Практически съображения за точно измерване на транзитно{0}}време
Получаването на надеждни измервания на транзит{0}}времевата разлика изисква внимание към няколко детайла на инструментите. Разрешителната способност във времето трябва значително да надвишава очакваната транзитна{2}}времева разлика. За ниско{4}}скоростни газови потоци Δt може да бъде само няколко наносекунди-изискващи пикосекунди-цифровизиране на времето на класа. Чиповете TDC (time{8}}to-digital converter) от производители като ams постигат разделителна способност от 90ps, което позволява измерване на разликите в транзита,-предизвикани от потока, дори при трудни условия.
Температурната компенсация не-подлежи на обсъждане. Както скоростта на звука в средата, така и характеристиките на преобразувателя се променят с температурата. Некомпенсираните инструменти показват корелация между колебанията на температурата и очевидните показания на потока, които нямат нищо общо с действителните промени в пропускателната способност.
Принципът на-ултразвуковия разходомер за откриване на преминаване през нула в крайна сметка зависи от стабилното определяне на прага, последователните характеристики на постъпване на формата на вълната и правилно проектирания контрол на усилването. Тези елементи си взаимодействат по начини, които не винаги са интуитивни. „По-добрият“ усилвател не означава непременно по-добро измерване на потока, ако фазовата характеристика се измества с настройката на усилването.
Къде транзитната{0}}времева технология превъзхожда-и къде се бори
Чистите, еднофазови-флуиди със стабилен състав представляват идеални условия за-ултразвукови разходомери. Приложенията за прехвърляне на попечителство в тръбопроводи за природен газ разчитат в голяма степен на многопътни ултразвукови измервателни уреди точно защото-когато са правилно инсталирани и калибрирани-те осигуряват точност, съперничеща или надвишаваща турбинните измервателни уреди, без тежестта за поддръжка на движещи се части.
Обратно, потоците от мръсен газ с увлечени течности, бързо променящи се състави или значително натоварване от частици разширяват границите на технологията. Разсейването на сигнала от висящ материал може да заглуши ехото по директния-път с дифузни отражения. Базираните на Доплер- ултразвукови измервателни уреди се справят по-добре с такива условия, макар и с намалена точност.
Извод за практикуващите: разберете условията на вашия процес, преди да определите ултразвуковото измерване на потока. Theпринцип на ултразвуков разходомероперацията звучи лесно-измерете времето за преминаване, изчислете скоростта-но предоставянето на надеждни резултати при реални работни условия изисква съпоставяне на архитектурата на инструментите с изискванията на приложението.
Еволюция на обработката на сигнали и бъдещи насоки
Съвременните ултразвукови газови разходомери все повече използват техники за цифрова обработка на сигнали, които бяха изчислително непосилни преди десетилетие. Корелация-на базата на време-на-определяне на полета, адаптивни алгоритми за филтриране и-напасване на вълновата форма на базата на модела предлагат потенциални подобрения спрямо простите подходи за прагово/нулево-преминаване.
Интегрирането на тези алгоритми в решения с един-чип,-комбиниращи драйвери на преобразуватели, аналогов преден-енд, ADC и цифрова обработка в монолитни устройства-драстично намали сложността на изпълнението, като същевременно подобри производителността. Производители като Texas Instruments и Maxim сега предлагат-специфични за приложения ултразвукови сензорни интегрални схеми с вградено-време-до-цифрово преобразуване и изчисление на корелация.
За крайните потребители това означава измервателни уреди, които поддържат калибриране по-добре във времето, отхвърлят смущенията по-ефективно и предоставят диагностична информация, разкриваща кога условията на процеса надвишават границите на точността на измерване. Основниятпринцип на ултразвуков разходомерне се е променило, но начинът, по който този принцип се прилага, продължава да се развива.
Точността на измерване в приложения с ултразвуков поток в крайна сметка отразява грижата, положена при съпоставянето на архитектурата за обработка на сигнала с физическите работни условия. Откриването на-времето на преминаване остава доминиращо, но поддържащата електроника и алгоритми определят дали теоретичната прецизност се превръща в практическа надеждност.
