Инултразвучно мерење протока, подаци о брзини течности су изведени из карактеристика простирања акустичних таласа који путују кроз медијум-без обзира да ли је течност или гас затворен у делу цеви. Принцип ултразвучног мерача протока у основи се ослања на мерење варијација времена транзита или померања фреквенције до којих долази када звучни таласи ступе у интеракцију са флуидом који се креће. Генерисање сигнала, квалитет преноса и пријем еха заједно одређују да ли уређај даје тачна волуметријска очитавања или уноси систематске грешке у ланац мерења.
Детекција времена транзита и изазов обраде сигнала
Метода транзитног времена остаје доминантан приступ у модерном дизајну ултразвучног мерача протока. Када се практичари први пут сусрећу са овом технологијом, често потцењују колико је важна позадинска обрада сигнала. Сирови ехо сигнали из пиезоелектричних претварача не стижу као чисте синусоиде-они носе шум, варијације амплитуде и фазна изобличења са којима се мора руковати пре него што дође до смисленог прорачуна протока.
Давне 1981. Сандерсон и Хемп објавили су темељни рад о методологијама детекције сигнала за ултразвучне мераче протока{1}}транзитног времена. Њихов допринос разликовао је технике обраде у временском{3}}домену и{4}}у фреквенцијском домену. Методе у временском домену обично користе један-пренос импулса и прате карактеристике специфичног таласног облика-обично нула-тачака укрштања или покретача прага. Уместо тога, приступи{11}}у фреквентном домену испитују спектрални садржај. Сваки од њих има компромисе који нису одмах очигледни док се не позабавите стварним инсталацијама на терену.
Однос између периода ултразвучног импулса и брзине звука, у комбинацији са начином на који се таласна дужина мења са акустичном брзином, одређује која стратегија обраде има практичан смисао. У шемама са једним{1}}импулсом, мерач емитује рафал, чека на пријем, а затим процењује време доласка. Довољно једноставно у теорији. Реалност укључује идентификацију који део примљеног таласног облика одговара „тачном“ времену транзита-и ту откривање-преласка нуле улази у слику.
Методе нулте{0}}укрштања и њихова практична ограничења
Детекција{0}}преласка нуле поставља праг напона; када ехо сигнал пређе овај ниво, систем покреће тајминг и затим мери тренутак када таласни облик пређе нулу. Овај приступ је већ деценијама стандардна пракса. Гранични напон успоставља референцу са којом се упоређује примљени таласни облик, при чему први прелазак нуле- након пробоја прага означава догађај „заустављања“ за временско коло.
Овај феномен је илустрован у већини дијаграма техничке литературе-осцилирајући ехо омотач где су нумерисани врхови (означени са 1, 2, 3, 4) потенцијални преласци нуле-. Избор -преласка нуле за коришћење није произвољан. Морате да покажете поновљивост својих мерења, али флуктуације у амплитуди сигнала могу да доведу до померања првог врха који премашује праг, што доводи до забрињавајућег феномена „прескакања циклуса“-измереног времена простирања прескаче читав таласни циклус.
Више нултих{0}}тачака прелаза може да се прати да би се побољшала робусност. Неки инструменти идентификују неколико укрштања и користе провере доследности да би одбацили ванредне вредности. Ово повећава прорачунске трошкове, али значајно смањује подложност временским грешкама изазваним амплитудом{3}}.
Тхепринцип рада ултразвучног мерача протокапостаје знатно компликованији када се ради о гасним апликацијама него течностима. Гас има отприлике три реда величине нижу акустичну импедансу у поређењу са течним медијима. Слабљење сигнала је озбиљно. Тамо где претварач{3}}спрегнут са течношћу може да прими одјеке на нивоу од миливолта- који захтевају скромно појачање, мерења гаса често захтевају појачање веће од 60дБ само да би се примљени импулс разрешио од позадинске буке.
Мерење протока гаса: потпуно другачија звер
Мерење протока гаса помоћу ултразвучне технологије{0}}времене транзита представља изазове са којима се течне апликације једноставно не суочавају. Акустична спрега између претварача и медијума се значајно погоршава са гасовитим медијима. Брзина звука у гасу драматично варира у зависности од састава, притиска и температуре-далеко више него у течностима где варијација може бити неколико процената.
Размотрите шта се дешава у дистрибутивној мрежи гаса. Иста цев, исти хардвер ултразвучног мерача, али притисак варира са потражњом. Свака промена притиска мења акустичну импедансу, помера амплитуду примљеног сигнала, потенцијално доводи до тога да системи за мерење времена засновани на прагу-закаче на различите нулте- тачке укрштања. Резултујуће очитавање протока се помера чак и ако стварни волуметријски проток остане константан.
Турбуленција отежава ове проблеме. Са вишим Рејнолдсовим бројевима, профили брзине постају све више не-уједначени преко попречног пресека цеви-. Временска разлика коју ултразвучни мерач мери представља -просечну брзину-а не праву средњу брзину коју бисте добили интеграцијом у целој области протока. Корекциони фактори (компензација профила) узимају у обзир ову неусклађеност, али претпостављају релативно добро{7}}услове протока. Убаците асиметричне сметње на улазу или вртлог, и ти фактори корекције постају мање поуздани.
АГЦ -аутоматска контрола појачања-кола покушавају да нормализују амплитуду еха без обзира на то колико се сигнал слаби током ширења. Када АГЦ степен инструмента ради исправно, варијације амплитуде од протока-индукованог померања путање, промена акустичких својстава у вези са температуром{4}} или постепене деградације претварача не оштећују време-укрштања нуле. Међутим, АГЦ уводи своје временске артефакте ако се пажљиво не примени. Фазни помаци кроз контролну петљу појачања могу се маскирати као временске разлике у транзиту.
Пројектовање секундарне електронике у гасном ултразвучном мерачу протока укључује балансирање сигнала{0}}са-шумом у односу на потребу за стабилним, поновљивим мерењем времена. Једна популарна конфигурација користи комбинацију дигиталног АГЦ-а (примењеног у фирмверу) уз аналогне АГЦ степене користећи компоненте као што је АД8367 променљиво- појачало појачања. Хибридни приступ проширује динамички опсег уз задржавање изобличења у прихватљивим границама.
Фактори животне средине и ивични ефекти
Сваки фактор који узрокује губитак сигнала утиче на квалитет мерења. Веће брзине протока значе дуже скретање акустичког пута услед конвекције-звучни сноп не путује право преко цеви, већ прати закривљену путању. Цеви малог-пречника показују изражене ефекте граничног слоја где близина зида мења локалне градијенте брзине.
Ефекти ивица са зидова мерне цеви уводе додатне компликације за дизајн ултразвучних мерача протока{0}}временског пролаза. Звучни таласи у интеракцији са границом водова доживљавају преламање и делимичну рефлексију. У уским цевима ове граничне интеракције доминирају карактером примљеног сигнала. Ширина акустичног снопа у односу на пречник цеви је важна; шире греде "виде" више утицаја зида.
Токови гаса богати ЦО₂- представљају посебне изазове. Угљен-диоксид апсорбује акустичну енергију на одређеним фреквенцијама далеко агресивније од ваздуха или природног гаса. Висок садржај ЦО₂ слаби амплитуду сигнала, потенцијално испод прага детекције. Бука из околине-било од регулатора притиска узводно, кавитирајућих вентила или спољашњих извора вибрација-убризгава лажне сигнале који могу да изазову лажно прелажење прага.
Постизање мерних фреквенција изнад 20 кХз је често неопходно за добијање адекватног сигнала-за- маргине шума у бучним индустријским окружењима. Ниже фреквенције се шире даље, али су подложније амбијенталним акустичним сметњама. Више фреквенције брже слабе у гасу, али нуде бољу отпорност на ниско{5}}шуме постројења.
Зашто је квалитет таласног облика важнији него што мислите
Нестабилност облика сигнала остаје недовољно цењени извор грешке мерења у ултразвучном мерењу протока. Ехо не одржава идентичне профиле од једног мерења до другог. Температурни циклус помера резонантну фреквенцију претварача. Наслаге на акустичним портовима мењају усклађивање импедансе. Корозија зида цеви мења карактеристике граничне рефлексије.
Када се облик таласног облика еха помери, шеме детекције засноване на прагу{0}} различито реагују на сваки низ импулса. Оно што је савршено функционисало при пуштању у рад може развити систематску пристрасност након неколико година рада. Технике унакрсне корелације-где се примљени таласни облик упоређује са ускладиштеном референцом-нуде побољшану отпорност на варијације облика, али захтевају више рачунарских ресурса и пажљиво управљање референтним сигналом.
Сама путања пропагације није геометријски фиксирана. Рефракција услед градијената брзине (смицање између бржег струјања језгра и споријих граничних слојева) савија акустични сноп. У дизајну мерача са више путања, овај ефекат се појављује као -зависна очитавања брзине која нису сасвим просечна за очекивану масовну брзину.
Практична разматрања за тачно{0}}мерење времена транзита
Добијање поузданих мерења{0}}временске разлике у транзиту захтева пажњу на неколико детаља инструментације. Временска резолуција мора знатно да премаши очекивану{2}}временску разлику у транзиту. За гасне токове ниске{4}}брзине, Δт може бити само неколико наносекунди-захтевајући дигитализацију времена у пикосекунди-класе. ТДЦ (тиме{8}}то-дигитални претварач) чипови произвођача као што је амс постижу резолуцију од 90пс, омогућавајући мерење разлика у транзиту-индукованих протоком чак и под изазовним условима.
Температурна компензација се не{0}}не преговара. И брзина звука у медијуму и карактеристике претварача варирају са температуром. Некомпензовани инструменти показују корелацију између температурних промена и очитих очитавања протока који немају никакве везе са стварним променама протока.
Принцип ултразвучног мерача протока са детекцијом нулте{0}}прелаза на крају зависи од стабилног одређивања прага, конзистентних карактеристика доласка таласног облика и правилно дизајниране контроле појачања. Ови елементи међусобно делују на начине који нису увек интуитивни. „Боље“ појачало не значи нужно и боље мерење протока ако се фазни одзив помера са подешавањем појачања.
Где је транзит-Временска технологија је одлична-и где се бори
Чисте, једнофазне{0}}течности са стабилним саставом представљају идеалне услове за ултразвучне мераче протока{1}}у транзиту. Апликације за пренос под надзором у цевоводима природног гаса се у великој мери ослањају на вишепутне ултразвучне мераче управо зато што-када су правилно инсталирани и калибрисани-испоручују прецизност која је конкурентна или већа од турбинских бројила без оптерећења покретних делова.
Насупрот томе, токови прљавог гаса са увученим течностима, брзо променљиви састав или значајно оптерећење честицама померају границе технологије. Расипање сигнала од суспендованог материјала може да преплави директну-ехо путању са дифузним рефлексијама. Ултразвучни мерачи засновани на Доплеру{3}}у боље раде са таквим условима, али са смањеном прецизношћу.
Закључак за практичаре: разумете услове процеса пре него што одредите ултразвучно мерење протока. Тхепринцип ултразвучног мерача протокаоперација звучи једноставно-мерити време транзита, израчунати брзину-али давање поузданих резултата у стварним условима рада захтева усклађивање инструменталне архитектуре са захтевима апликације.
Еволуција обраде сигнала и будући правци
Савремени ултразвучни мерачи протока гаса све више користе технике дигиталне обраде сигнала које су пре десет година биле превише компликоване. Корелација{1}}базирано на времену-одређивања-лета, алгоритми адаптивног филтрирања и прилагођавање таласног облика засновано на моделу{4}}све нуде потенцијална побољшања у односу на једноставне приступе прага/нуле-преласка.
Интеграција ових алгоритама у решења са једним -чипом-комбинујући драјвере за претварач, аналогни предњи-енд, АДЦ и дигиталну обраду у монолитним уређајима-је драматично смањила сложеност имплементације уз побољшање перформанси. Произвођачи као што су Текас Инструментс и Маким сада нуде-специфичне ултразвучне сензорске ИЦ-ове са уграђеним-у времену-у-дигиталну конверзију и корелационо израчунавање.
За крајње кориснике, ово се преводи у мераче који боље одржавају калибрацију током времена, ефикасније одбијају сметње и пружају дијагностичке информације које откривају када услови процеса померају границе тачности мерења. Оно фундаменталнопринцип ултразвучног мерача протокасе није променило, али како се тај принцип примењује наставља да напредује.
Тачност мерења у апликацијама ултразвучног протока на крају одражава бригу која се води у усклађивању архитектуре обраде сигнала са физичким условима рада. Детекција{1}}времена транзита остаје доминантна, али пратећа електроника и алгоритми одређују да ли се теоријска прецизност претвара у практичну поузданост.
