Įultragarso srauto matavimas, skysčio greičio duomenys gaunami iš akustinių bangų sklidimo terpėje -nesvarbu, ar vamzdžio atkarpoje yra skystis ar dujos. Ultragarsinio srauto matuoklio principas iš esmės priklauso nuo tranzito laiko svyravimų arba dažnio poslinkių, atsirandančių, kai garso bangos sąveikauja su judančiu skysčiu, matavimu. Signalo generavimas, perdavimo kokybė ir aido priėmimas kartu lemia, ar prietaisas pateikia tikslius tūrinius rodmenis, ar į matavimo grandinę įveda sistemingų klaidų.
Tranzito laiko aptikimas ir signalo apdorojimo iššūkis
Tranzito laiko metodas išlieka dominuojančiu šiuolaikinio ultragarsinio srauto matuoklio dizaino metodu. Kai specialistai pirmą kartą susiduria su šia technologija, jie dažnai neįvertina signalų apdorojimo sistemos svarbos. Neapdoroti aido signalai iš pjezoelektrinių keitiklių ateina ne kaip švarūs sinusoidai,{2}}jie neša triukšmą, amplitudės svyravimus ir fazės iškraipymus, kuriuos reikia tvarkyti prieš prasmingą srauto skaičiavimą.
1981 m. Sandersonas ir Hempas paskelbė pagrindinius darbus, susijusius su signalo aptikimo metodikomis, skirtomis tranzito laiko ultragarsiniams srauto matuokliams. Jų indėlis išskyrė laiko -domeno ir dažnumo-domeno apdorojimo metodus. Laiko-domeno metodai paprastai naudoja vieno-impulso perdavimą ir seka konkrečias bangos formos ypatybes,-dažniausiai nulinius-kirtimo taškus arba slenksčio paleidiklius. Dažnio{11}}domeno metodai nagrinėja spektrinį turinį. Kiekvienas iš jų turi kompromisų, kurie nėra iš karto akivaizdūs, kol nesusitvarkote su faktiniais lauko įrenginiais.
Ryšys tarp ultragarso impulso periodo ir garso greičio, kartu su bangos ilgio masteliu su akustiniu greičiu, lemia, kuri apdorojimo strategija yra praktiška. Vieno-impulso laiko nustatymo schemose matuoklis perduoda seriją, laukia priėmimo, tada įvertina atvykimo laiką. Pakankamai paprasta teoriškai. Realybė apima nustatymą, kuri gautos bangos formos dalis atitinka „teisingą“ perdavimo laiką{4}}ir čia į vaizdą patenka nulio{5}}kryžimo aptikimas.
Nuliniai{0}}perėjimo metodai ir jų praktiniai apribojimai
Nulio{0}}kirtimo aptikimas nustato įtampos slenkstį; kai aido signalas viršija šį lygį, sistema suaktyvina laiko nustatymą ir vėliau matuoja momentą, kai bangos forma kerta nulį. Šis metodas buvo įprasta praktika dešimtmečius. Slenkstinė įtampa sukuria atskaitą, su kuria lyginama gauta bangos forma, o pirmasis nulio -perėjimas po slenksčio pažeidimo žymi laiko grandinės „stop“ įvykį.
Šis reiškinys iliustruojamas daugumoje techninės literatūros diagramų-svyruojantis aido apvalkalas, kuriame sunumeruotos smailės (pažymėtos 1, 2, 3, 4) yra potencialios nulinės-kirtimo vietos. Pasirinkimas, kurį nulio{7}}kirtimą naudoti, nėra savavališkas. Turite parodyti matavimų pakartojamumą, tačiau dėl signalo amplitudės svyravimų pirmoji slenkstį viršijanti smailė gali pasislinkti ir sukelti nerimą keliantį „ciklo praleidimo“ reiškinį -išmatuotas sklidimo laikas, praleidžiantis visą bangos ciklą.
Siekiant pagerinti tvirtumą, galima stebėti kelis nulio{0}}kirtimo taškus. Kai kurios priemonės nustato keletą kirtimų ir naudoja nuoseklumo patikras, kad atmestų nuokrypius. Tai padidina skaičiavimo sąnaudas, bet žymiai sumažina jautrumą amplitudės{3}}sukeltams laiko klaidoms.
Theultragarso srauto matuoklio veikimo principastampa daug sudėtingiau dirbant su dujomis, o ne su skysčiais. Dujų akustinė varža yra maždaug trimis dydžiais mažesnė nei skystos terpės. Signalo susilpnėjimas yra stiprus. Kai skystis-sujungtas keitiklis gali gauti milivoltų-lygio aidus, kuriems reikalingas nedidelis stiprinimas, atliekant dujų matavimus dažnai reikia padidinti, viršijantį 60 dB, kad gautas impulsas būtų atskirtas nuo foninio triukšmo.
Dujų srauto matavimas: visiškai kitoks žvėris
Dujų srauto matavimas naudojant ultragarso{0}}praėjimo laiko technologiją kelia iššūkių, su kuriais skystos aplikacijos tiesiog nesusiduria. Akustinė jungtis tarp keitiklio ir terpės iš esmės blogėja dėl dujinės terpės. Garso greitis dujose labai skiriasi priklausomai nuo sudėties, slėgio ir temperatūros-daug labiau nei skysčiuose, kur kitimas gali siekti kelis procentus.
Apsvarstykite, kas vyksta dujų skirstymo tinkle. Tas pats vamzdis, ta pati ultragarsinio matuoklio įranga, bet slėgis svyruoja priklausomai nuo paklausos. Kiekvienas slėgio pokytis keičia akustinę varžą, keičia gaunamo signalo amplitudę, todėl slenksčiu pagrįstos laiko nustatymo sistemos gali užsifiksuoti skirtinguose nuliniuose -kirtimo taškuose. Gautas srauto rodmuo nukrypsta, net jei faktinis tūrinis pralaidumas išlieka pastovus.
Turbulencija sustiprina šias problemas. Esant didesniems Reinoldso skaičiams, greičio profiliai vis labiau ne{1}}vienodėja visame vamzdžio skerspjūvyje. Tranzito laiko skirtumas, kurį matuoja ultragarsinis matuoklis, rodo kelio -vidutinį greitį-, o ne tikrąjį vidutinį greitį, kurį gautumėte integruodami per visą srauto sritį. Koregavimo faktoriai (profilio kompensacija) lemia šį neatitikimą, tačiau jie daro prielaidą, kad srauto sąlygos yra gana gerai veikiančios. Atsikratykite asimetrinių įleidimo angos trikdžių arba sūkurių, ir tie korekcijos koeficientai taps mažiau patikimi.
AGC{0}}automatinio stiprinimo valdymo-grandinės bando normalizuoti aido amplitudę, nepaisant to, kiek signalas susilpnėja sklidimo metu. Kai instrumento AGC pakopa veikia tinkamai, amplitudės svyravimai dėl srauto-sukeliamo kelio poslinkio, su temperatūra- susijusių akustinių savybių pokyčių arba laipsniško keitiklio pablogėjimo nepažeidžia nulinio-kirtimo laiko. Tačiau AGC pristato savo laiko artefaktus, jei jie nėra kruopščiai įgyvendinami. Fazių poslinkiai per stiprinimo valdymo kilpą gali būti paslėpti kaip tranzito laiko skirtumai.
Kuriant antrinę dujų ultragarsinio srauto matuoklio elektroniką, reikia subalansuoti signalo -ir-triukšmą, palyginti su poreikiu nustatyti stabilų, pakartojamą laiką. Vienoje populiarioje konfigūracijoje naudojamas skaitmeninio AGC derinys (įdiegtas programinėje įrangoje) kartu su analoginiais AGC etapais, naudojant tokius komponentus kaip AD8367 kintamasis -stiprinimo stiprintuvas. Hibridinis metodas išplečia dinaminį diapazoną, išlaikant iškraipymą priimtinose ribose.
Aplinkos veiksniai ir kraštų poveikis
Bet koks veiksnys, sukeliantis signalo praradimą, turi įtakos matavimo kokybei. Didesnis srauto greitis reiškia ilgesnį akustinio kelio nuokrypį dėl konvekcijos{1}}garso spindulys sklinda ne tiesiai vamzdžiu, o eina lenkta trajektorija. Mažo-skersmens vamzdžiai turi ryškius ribinio sluoksnio efektus, kai sienos artumas keičia vietinius greičio gradientus.
Matavimo vamzdžio sienelių briaunos sukelia papildomų komplikacijų, susijusių su ultragarso tranzito{0}}laiko srauto matuokliu. Garso bangos, sąveikaujančios su kanalo riba, patiria refrakciją ir dalinį atspindį. Siauruose vamzdžiuose šios ribinės sąveikos dominuoja priimamo signalo pobūdyje. Svarbus akustinio pluošto plotis, palyginti su vamzdžio skersmeniu; platesnės sijos „mato“ daugiau sienos įtakos.
CO₂-turintys dujų srautai kelia ypatingų iššūkių. Anglies dioksidas tam tikrais dažniais sugeria akustinę energiją daug agresyviau nei oras ar gamtinės dujos. Didelis CO₂ kiekis susilpnina signalo amplitudę, galbūt žemiau aptikimo slenksčio. Aplinkos triukšmas-nesvarbu, ar kyla slėgio reguliatoriai prieš srovę, kavituojantys vožtuvai ar išoriniai vibracijos šaltiniai,-sukelia klaidingus signalus, kurie gali sukelti klaidingą slenksčio peržengimą.
Norint gauti pakankamą signalo{1}}ir{2}}triukšmo ribas triukšmingoje pramoninėje aplinkoje, dažnai reikia pasiekti aukštesnius nei 20 kHz matavimo dažnius. Žemesni dažniai sklinda toliau, tačiau yra jautresni aplinkos akustiniams trukdžiams. Aukštesni dažniai greičiau susilpnėja dujose, tačiau užtikrina geresnį atsparumą žemo -dažnio augalų triukšmui.
Kodėl bangos formos kokybė svarbiau, nei manote
Signalo formos nestabilumas tebėra neįvertintas ultragarsinio srauto matavimo matavimo klaidų šaltinis. Aidai nepalaiko identiškų profilių nuo vieno matavimo iki kito. Temperatūros ciklas keičia keitiklio rezonanso dažnį. Nuosėdos ant akustinių prievadų keičia varžos atitikimą. Vamzdžio sienelių korozija keičia ribines atspindžio charakteristikas.
Kai aido bangos formos dreifuojasi, slenksčiu{0}}pagrįstos aptikimo schemos skirtingai reaguoja į kiekvieną impulsų seką. Tai, kas puikiai pasiteisino paleidžiant eksploatuoti, po kelerių veiklos metų gali sukelti sistemingą šališkumą. Kryžminės-koreliacijos metodai-, kai gauta bangos forma lyginama su išsaugota nuoroda-, užtikrina geresnį atsparumą formos variacijoms, tačiau reikalauja daugiau skaičiavimo išteklių ir kruopštaus atskaitos signalo valdymo.
Pats sklidimo kelias nėra geometriškai fiksuotas. Refrakcija dėl greičio gradientų (šlyties tarp greitesnio šerdies srauto ir lėtesnių ribinių sluoksnių) sulenkia akustinį pluoštą. Daugiatakiuose matuokliuose šis efektas rodomas kaip nuo kelio priklausomi greičio rodmenys, kurie ne visai atitinka numatomą masinio greičio vidurkį.
Praktinės aplinkybės dėl tikslaus tranzito{0}}laiko matavimo
Norint gauti patikimus tranzito{0}}laiko skirtumo matavimus, reikia atkreipti dėmesį į keletą prietaisų detalių. Laiko skyra turi gerokai viršyti numatomą tranzito{2}}laiko skirtumą. Esant mažo-greičio dujų srautams, Δt gali būti vos kelios nanosekundės,-kurios reikalauja pikosekundžių-klasės laiko skaitmeninimo. Tokių gamintojų kaip ams TDC (laiko{8}}į-skaitmeninį konverterį) lustai pasiekia 90 ps skiriamąją gebą, todėl galima išmatuoti srauto{11}}sukeliamus tranzito skirtumus net ir sudėtingomis sąlygomis.
Dėl temperatūros kompensavimo-negalima derėtis. Tiek garso greitis terpėje, tiek keitiklio charakteristikos kinta priklausomai nuo temperatūros. Nekompensuoti prietaisai rodo ryšį tarp temperatūros svyravimų ir tariamo srauto rodmenų, kurie neturi nieko bendra su faktiniais pralaidumo pokyčiais.
Ultragarsinio srauto matuoklio nulio{0}}kirtimo aptikimo principas galiausiai priklauso nuo stabilaus slenksčio nustatymo, nuoseklių bangos formos atvykimo charakteristikų ir tinkamai suprojektuoto stiprinimo valdymo. Šie elementai sąveikauja ne visada intuityviai. „Geresnis“ stiprintuvas nebūtinai reiškia geresnį srauto matavimą, jei fazės atsakas pasislenka su stiprinimo nustatymu.
Kur tranzitas-Time Technology puikus-ir kur jai sunku
Švarūs, stabilios sudėties vienfaziai skysčiai sudaro idealias sąlygas tranzito{1}}laiko ultragarsiniams srauto matuokliams. Gamtinių dujų vamzdynų saugojimo perdavimo programos labai priklauso nuo daugiatakių ultragarsinių skaitiklių būtent todėl, kad-tinkamai sumontuoti ir sukalibruoti-jie užtikrina tikslumą, konkuruojantį su turbininiais skaitikliais arba juos viršijant be judančių dalių priežiūros naštos.
Ir atvirkščiai, nešvarūs dujų srautai su suneštais skysčiais, greitai kintančiomis sudėtimis arba dideliu kietųjų dalelių kiekiu stumia technologijos ribas. Signalo sklaida iš pakabintos medžiagos gali užgožti tiesioginį-kelio aidą išsklaidytais atspindžiais. Doplerio{3}}pagrįsti ultragarsiniai matuokliai geriau atlaiko tokias sąlygas, tačiau mažesniu tikslumu.
Praktikams skirtas patarimas: prieš nurodydami ultragarso srauto matavimą, išsiaiškinkite savo proceso sąlygas. TheUltragarsinio srauto matuoklio principasoperacija skamba paprastai -išmatuokite perdavimo laiką, apskaičiuokite greitį-, tačiau norint gauti patikimų rezultatų realiomis veikimo sąlygomis, reikia suderinti prietaisų architektūrą su programos poreikiais.
Signalų apdorojimo raida ir ateities kryptys
Šiuolaikiniai ultragarsiniai dujų srauto matuokliai vis dažniau naudoja skaitmeninių signalų apdorojimo technologijas, kurios prieš dešimtmetį buvo pernelyg didelės. Koreliacija-pagrįstas skrydžio nustatymo{2}}laikas, adaptyvūs filtravimo algoritmai ir modeliu-pagrįstos bangos formos pritaikymas – visa tai suteikia galimų patobulinimų, palyginti su paprastu slenksčio / nulio{5}}kirtimo metodu.
Šių algoritmų integravimas į vieno -lusto sprendimus-, derinančius keitiklių tvarkykles, analoginį priekinį- galą, ADC ir skaitmeninį apdorojimą monolitiniuose įrenginiuose-, labai sumažino diegimo sudėtingumą ir pagerino našumą. Gamintojai, tokie kaip „Texas Instruments“ ir „Maxim“, dabar siūlo pritaikymui-specifinius ultragarso jutiklius su integruotu-laiku-į-skaitmeninį konvertavimą ir koreliacijos skaičiavimą.
Galutiniams vartotojams tai reiškia, kad matuokliai laikui bėgant geriau išlaiko kalibravimą, veiksmingiau atmeta trukdžius ir teikia diagnostinę informaciją, atskleidžiančią, kada proceso sąlygos didina matavimo tikslumo ribas. Pagrindinisultragarso srauto matuoklio principasnepasikeitė, bet kaip šis principas įgyvendinamas, toliau tobulėja.
Matavimo tikslumas naudojant ultragarso srautą galiausiai atspindi rūpestingumą derinant signalų apdorojimo architektūrą su fizinėmis darbo sąlygomis. Tranzito-laiko aptikimas išlieka dominuojantis, tačiau pagalbinė elektronika ir algoritmai nustato, ar teorinis tikslumas reiškia praktinį patikimumą.
