Uultrazvučno mjerenje protoka, podaci o brzini tekućine izvode se iz karakteristika širenja akustičnih valova koji putuju kroz medij-bilo da je tekućina ili plin zatvoren unutar dijela cijevi. Načelo ultrazvučnog mjerača protoka u osnovi se oslanja na mjerenje varijacija vremena prolaska ili pomaka frekvencije do kojih dolazi kada zvučni valovi stupaju u interakciju s tekućinom koja se kreće. Generiranje signala, kvaliteta prijenosa i prijem odjeka zajednički određuju hoće li uređaj isporučiti točna volumetrijska očitanja ili uvodi sustavne pogreške u mjerni lanac.
Detekcija vremena tranzita i izazov obrade signala
Metoda prolaznog vremena ostaje dominantan pristup u dizajnu modernog ultrazvučnog mjerača protoka. Kada se praktičari prvi put susreću s ovom tehnologijom, često podcjenjuju koliko je bitna pozadinska obrada signala. Sirovi signali odjeka iz piezoelektričnih pretvarača ne dolaze kao čiste sinusoide-oni nose šum, varijacije amplitude i fazna izobličenja s kojima se mora postupati prije nego što dođe do bilo kakvog smislenog izračuna protoka.
Davne 1981. Sanderson i Hemp objavili su temeljni rad o metodologijama detekcije signala za ultrazvučne mjerače protoka-vremena. Njihov doprinos razlikovao je tehnike obrade u vremenskoj-domeni i frekvencijskoj-domeni. Metode-vremenske domene obično koriste prijenos jednog-impulsa i prate specifične značajke valnog oblika-obično nulte-točke prijelaza ili okidače praga. Pristupi frekvencijske-domene umjesto toga ispituju spektralni sadržaj. Svaki ima kompromise koji nisu odmah očiti dok se ne pozabavite stvarnim instalacijama na terenu.
Odnos između razdoblja ultrazvučnog pulsa i brzine zvuka, u kombinaciji s time kako se valna duljina mijenja s akustičnom brzinom, određuje koja strategija obrade ima praktičnog smisla. U shemama s jednim-impulsom, mjerač odašilje niz, čeka na prijem, a zatim procjenjuje vrijeme dolaska. Dovoljno jednostavno u teoriji. Stvarnost uključuje prepoznavanje koji dio primljenog valnog oblika odgovara "točnom" vremenu prolaza-i tu na scenu stupa otkrivanje-prelaska nule.
Metode -prelaska preko nule i njihova praktična ograničenja
Otkrivanje-prelaska nule postavlja prag napona; kada eho signal prijeđe ovu razinu, sustav pokreće mjerenje vremena i naknadno mjeri trenutak kada valni oblik prijeđe nulu. Ovaj pristup je standardna praksa desetljećima. Napon praga uspostavlja referencu s kojom se uspoređuje primljeni valni oblik, pri čemu prvi prijelaz nule-nakon probijanja praga označava događaj "stop" za vremenski krug.
Ovaj je fenomen ilustriran u većini dijagrama iz tehničke literature-oscilirajuće omotnice odjeka gdje su numerirani vrhovi (označeni 1, 2, 3, 4) potencijalni-prijelazi nule. Odabir koji-prijelaz nule koristiti nije proizvoljan. Morate dokazati ponovljivost svojih mjerenja, ali fluktuacije u amplitudi signala mogu uzrokovati pomicanje prvog vrha koji prelazi prag, što dovodi do zabrinjavajućeg fenomena "preskakanja ciklusa"-izmjereno vrijeme širenja preskače cijeli valni ciklus.
Više nultih-točaka prijelaza može se pratiti radi poboljšanja robusnosti. Neki instrumenti identificiraju nekoliko križanja i koriste provjere dosljednosti za odbacivanje odstupanja. To povećava računalne troškove, ali značajno smanjuje osjetljivost na pogreške-inducirane vremenskim pogreškama.
Theprincip rada ultrazvučnog mjerača protokapostaje znatno kompliciranije kada se radi o primjenama plina umjesto tekućina. Plin ima otprilike tri reda veličine nižu akustičnu impedanciju u usporedbi s tekućim medijem. Slabljenje signala je ozbiljno. Tamo gdje tekući{3}}spregnuti pretvarač može primiti milivoltne-odjeke koji zahtijevaju skromno pojačanje, mjerenja plina često zahtijevaju pojačanja veća od 60dB samo da bi se primljeni puls odvojio od pozadinske buke.
Mjerenje protoka plina: potpuno drugačija zvijer
Mjerenje protoka plina ultrazvučnom tehnologijom tranzitnog-vremena predstavlja izazove s kojima se tekuće aplikacije jednostavno ne suočavaju. Akustična sprega između pretvarača i medija znatno se pogoršava s plinovitim medijima. Brzina zvuka u plinu dramatično varira sa sastavom, tlakom i temperaturom-daleko više nego u tekućinama gdje varijacija može biti nekoliko postotaka.
Razmotrite što se događa u plinskoj distribucijskoj mreži. Ista cijev, isti hardver ultrazvučnog mjerača, ali tlak varira s potražnjom. Svaka promjena tlaka mijenja akustičnu impedanciju, pomiče amplitudu primljenog signala, potencijalno uzrokuje da se vremenski-sustavi koji se temelje na pragu zakače za različite nulte{3}}točke prijelaza. Rezultirajuće očitanje protoka pomiče se čak i ako stvarni volumetrijski protok ostaje konstantan.
Turbulencija otežava ove probleme. Pri većim Reynoldsovim brojevima, profili brzine postaju sve ne{1}}ujednačeniji po-presjeku cijevi. Razlika u vremenu prolaska koju mjeri ultrazvučni mjerač predstavlja put-prosječnu brzinu-a ne pravu srednju brzinu koju biste dobili integracijom preko cijelog područja protoka. Faktori korekcije (kompenzacija profila) objašnjavaju ovo odstupanje, ali pretpostavljaju relativno-ponašane uvjete protoka. Ubacite asimetrične ulazne smetnje ili vrtlog, i ti faktori korekcije postaju manje pouzdani.
AGC-automatska kontrola pojačanja-krugovi pokušavaju normalizirati amplitudu odjeka bez obzira na to koliko signal oslabi tijekom propagacije. Kada AGC stupanj instrumenta radi ispravno, varijacije amplitude uslijed pomaka puta-induciranih protokom, promjena akustičkih svojstava povezanih s temperaturom-ili postupnog propadanja sonde ne kvare vrijeme prelaska nule-. Međutim, AGC uvodi vlastite artefakte mjerenja vremena ako se ne implementira pažljivo. Fazni pomaci kroz petlju kontrole pojačanja mogu se maskirati kao vremenske razlike u prolazu.
Projektiranje sekundarne elektronike u ultrazvučnom mjeraču protoka plina uključuje balansiranje signala-i-šuma u odnosu na potrebu za stabilnim, ponovljivim vremenom. Jedna popularna konfiguracija koristi kombinaciju digitalnog AGC-a (implementiranog u firmveru) zajedno s analognim AGC stupnjevima koristeći komponente kao što je AD8367 pojačalo s promjenjivim-pojačanjem. Hibridni pristup proširuje dinamički raspon dok distorziju zadržava unutar prihvatljivih granica.
Čimbenici okoliša i rubni učinci
Svaki čimbenik koji uzrokuje gubitak signala utječe na kvalitetu mjerenja. Veće brzine protoka znače dulje otklon akustične staze zbog konvekcije-zvučna zraka ne putuje ravno preko cijevi, već slijedi zakrivljenu putanju. Cijevi malog-promjera pokazuju izražene učinke graničnog sloja gdje blizina stijenke mijenja lokalne gradijente brzine.
Rubni efekti stijenki mjerne cijevi uvode dodatne komplikacije za dizajn ultrazvučnih mjerača protoka-vremena. Zvučni valovi u interakciji s granicom cijevi doživljavaju lom i djelomičnu refleksiju. U uskim cijevima ove granične interakcije dominiraju karakterom primljenog signala. Širina akustične zrake u odnosu na promjer cijevi je važna; šire grede "vide" veći utjecaj zida.
Tokovi plina bogati CO₂- predstavljaju posebne izazove. Ugljični dioksid apsorbira zvučnu energiju na određenim frekvencijama puno agresivnije od zraka ili prirodnog plina. Visok sadržaj CO₂ smanjuje amplitudu signala, potencijalno ispod praga detekcije. Buka iz okoliša-bilo da dolazi od regulatora tlaka uzvodno, kavitirajućih ventila ili vanjskih izvora vibracija-ubacuje lažne signale koji mogu izazvati lažne prijelaze pragova.
Postizanje mjernih frekvencija iznad 20 kHz često je potrebno za postizanje odgovarajućih granica signala-na-šum u bučnim industrijskim okruženjima. Niže frekvencije šire se dalje, ali su osjetljivije na ambijentalne akustične smetnje. Više frekvencije slabe brže u plinu, ali nude bolju otpornost na nisko{5}}frekventnu buku postrojenja.
Zašto je kvaliteta valnog oblika važnija nego što mislite
Nestabilnost oblika signala ostaje nedovoljno cijenjen izvor pogreške mjerenja u ultrazvučnom mjerenju protoka. Odjeci ne održavaju identične profile od jednog mjerenja do drugog. Ciklusiranje temperature pomiče frekvenciju rezonancije sonde. Naslage na akustičnim priključcima mijenjaju usklađenost impedancije. Korozija stijenke cijevi mijenja karakteristike granične refleksije.
Kada se oblik valnog oblika odjeka pomiče, sheme otkrivanja-temeljene na pragu različito reagiraju na svaki niz impulsa. Ono što je savršeno funkcioniralo pri puštanju u pogon može razviti sustavnu pristranost nakon nekoliko godina rada. Tehnike-unakrsne korelacije-gdje se primljeni valni oblik uspoređuje s pohranjenom referencom-nude poboljšanu otpornost na varijacije oblika, ali zahtijevaju više računalnih resursa i pažljivo upravljanje referentnim signalom.
Sam put širenja nije geometrijski fiksan. Refrakcija zbog gradijenata brzine (smicanje između bržeg protoka jezgre i sporijih graničnih slojeva) savija akustičnu zraku. U dizajnu višestaznih mjerača, ovaj se učinak pojavljuje kao očitanja brzine-ovisna o putanji koja nisu sasvim prosječna u odnosu na očekivanu masovnu brzinu.
Praktična razmatranja za točno mjerenje-tranzitnog vremena
Za dobivanje pouzdanih mjerenja-vremenske razlike potrebno je obratiti pažnju na nekoliko detalja instrumentacije. Vremenska rezolucija mora značajno premašiti očekivanu-vremensku razliku u tranzitu. Za niske{4}}brzinske tokove plina, Δt može biti samo nekoliko nanosekundi-za koje je potrebna pikosekunda-digitalizacija vremena klase. TDC (vremenski-to-digitalni pretvarač) čipovi proizvođača kao što je ams postižu rezoluciju od 90 ps, omogućujući mjerenje protoka-induciranih tranzitnih razlika čak i pod izazovnim uvjetima.
Temperaturna kompenzacija nije-moguća pregovaranja. I brzina zvuka u mediju i karakteristike pretvarača mijenjaju se s temperaturom. Nekompenzirani instrumenti pokazuju korelaciju između promjena temperature i prividnih očitanja protoka koji nemaju nikakve veze sa stvarnim promjenama protoka.
Načelo ultrazvučnog mjerača protoka -za otkrivanje prelaska nule u konačnici ovisi o stabilnom određivanju praga, dosljednim karakteristikama dolaska valnog oblika i pravilno dizajniranoj kontroli pojačanja. Ovi elementi međusobno djeluju na načine koji nisu uvijek intuitivni. "Bolje" pojačalo ne znači nužno bolje mjerenje protoka ako se fazni odziv pomiče s postavkom pojačanja.
Gdje je tranzitna-vremenska tehnologija izvrsna-i gdje se bori
Čiste, jednofazne-tekućine stabilnog sastava predstavljaju idealne uvjete za-ultrazvučne mjerače protoka. Primjene nadzornog prijenosa u cjevovodima prirodnog plina uvelike se oslanjaju na višestazne ultrazvučne mjerače upravo zato što-kada su pravilno instalirani i kalibrirani-daju točnost koja se može mjeriti ili premašiti turbinskim mjeračima bez tereta održavanja pokretnih dijelova.
Nasuprot tome, struja prljavog plina s uključenim tekućinama, brzo promjenjivim sastavima ili značajnim opterećenjem česticama pomiče granice tehnologije. Raspršivanje signala od lebdećeg materijala može difuznim refleksijama nadjačati izravni-jek. Ultrazvučni mjerači-temeljeni na Doppleru bolje se nose s takvim uvjetima, iako smanjene točnosti.
Zaključak za praktičare: razumite svoje procesne uvjete prije specificiranja ultrazvučnog mjerenja protoka. Theprincip rada ultrazvučnog mjerača protokaoperacija zvuči jednostavno-izmjerite vrijeme prolaza, izračunajte brzinu-ali isporuka pouzdanih rezultata u stvarnim radnim uvjetima zahtijeva usklađivanje instrumentalne arhitekture sa zahtjevima aplikacije.
Evolucija obrade signala i budući smjerovi
Suvremeni ultrazvučni mjerači protoka plina sve više koriste tehnike digitalne obrade signala koje su prije deset godina bile računalno zabranjene. Određivanje-vremena-od-leta-temeljeno na korelaciji, prilagodljivi algoritmi filtriranja i-prilagodba valnog oblika-temeljena na modelu, nude potencijalna poboljšanja u odnosu na jednostavne pristupe praga/nul-prelaska.
Integracija ovih algoritama u rješenja s jednim-čipom-kombinirajući upravljačke programe pretvarača, analogni prednji-end, ADC i digitalnu obradu u monolitnim uređajima-dramatično je smanjila složenost implementacije uz poboljšanje performansi. Proizvođači kao što su Texas Instruments i Maxim sada nude IC-specifične aplikacije ultrazvučnog senzora s ugrađenim-vremenskim-do-digitalnim proračunom konverzije i korelacije.
Za krajnje korisnike to znači da mjerači bolje održavaju kalibraciju tijekom vremena, učinkovitije odbijaju smetnje i daju dijagnostičke informacije koje otkrivaju kada uvjeti procesa pomiču granice točnosti mjerenja. Temeljniprincip ultrazvučnog mjerača protokanije se promijenio, ali način na koji se to načelo provodi nastavlja napredovati.
Točnost mjerenja u ultrazvučnim primjenama protoka u konačnici odražava brigu pri usklađivanju arhitekture obrade signala s fizičkim radnim uvjetima. Detekcija-tranzitnog vremena ostaje dominantna, ali prateća elektronika i algoritmi određuju hoće li se teorijska preciznost pretvoriti u praktičnu pouzdanost.
