Αρχή μετρητή ροής υπερήχων: Βασικές πληροφορίες

Σεμέτρηση ροής με υπερήχους, τα δεδομένα ταχύτητας ρευστού προέρχονται από τα χαρακτηριστικά διάδοσης ακουστικών κυμάτων που ταξιδεύουν μέσα από το μέσο-είτε υγρό είτε αέριο που περιορίζεται σε ένα τμήμα σωλήνα. Η αρχή του μετρητή ροής υπερήχων βασίζεται ουσιαστικά στη μέτρηση των διακυμάνσεων του χρόνου διέλευσης ή των μετατοπίσεων συχνότητας που συμβαίνουν όταν τα ηχητικά κύματα αλληλεπιδρούν με το κινούμενο υγρό. Η παραγωγή σήματος, η ποιότητα μετάδοσης και η λήψη ηχούς καθορίζουν συλλογικά εάν η συσκευή παρέχει ακριβείς ογκομετρικές μετρήσεις ή εισάγει συστηματικά σφάλματα στην αλυσίδα μέτρησης.

Η μέθοδος του χρόνου διέλευσης παραμένει η κυρίαρχη προσέγγιση στον σύγχρονο σχεδιασμό ροόμετρου υπερήχων. Όταν οι επαγγελματίες αντιμετωπίζουν για πρώτη φορά αυτήν την τεχνολογία, συχνά υποτιμούν πόσο σημαντικό είναι το backend επεξεργασίας σήματος. Τα ακατέργαστα σήματα ηχούς από πιεζοηλεκτρικούς μορφοτροπείς δεν φτάνουν ως καθαρά ημιτονοειδή-μεταφέρουν θόρυβο, διακυμάνσεις πλάτους και παραμορφώσεις φάσης που πρέπει να αντιμετωπιστούν προτού γίνει οποιοσδήποτε ουσιαστικός υπολογισμός ροής.

Το 1981, οι Sanderson και Hemp δημοσίευσαν θεμελιώδεις εργασίες σχετικά με τις μεθοδολογίες ανίχνευσης σήματος για μετρητές ροής υπερήχων χρόνου διέλευσης-. Η συνεισφορά τους έκανε διάκριση μεταξύ τεχνικών επεξεργασίας τομέα χρόνου-τομέα και συχνότητας-. Οι μέθοδοι-τομέα χρόνου χρησιμοποιούν τυπικά έναν-μετάδοση παλμού και παρακολουθούν συγκεκριμένες λειτουργίες κυματομορφής-συνήθως μηδενικά-σημεία διέλευσης ή ερεθίσματα κατωφλίου. Οι προσεγγίσεις τομέα συχνότητας{11}}αντ' αυτού εξετάζουν το φασματικό περιεχόμενο. Κάθε ένα έχει συμβιβασμούς που δεν είναι αμέσως προφανείς έως ότου ασχοληθείτε με πραγματικές εγκαταστάσεις πεδίου.

Η σχέση μεταξύ της περιόδου υπερήχων παλμού και της ταχύτητας του ήχου, σε συνδυασμό με τον τρόπο με τον οποίο το μήκος κύματος κλιμακώνεται με την ακουστική ταχύτητα, καθορίζει ποια στρατηγική επεξεργασίας έχει πρακτικό νόημα. Σε σχήματα χρονισμού μεμονωμένων-παλμών, ο μετρητής εκπέμπει μια ριπή, περιμένει τη λήψη και, στη συνέχεια, υπολογίζει την ώρα άφιξης. Αρκετά απλό στη θεωρία. Η πραγματικότητα περιλαμβάνει τον προσδιορισμό του τμήματος της λαμβανόμενης κυματομορφής αντιστοιχεί στον "σωστό" χρόνο διέλευσης-και εδώ εισέρχεται στην εικόνα μηδενική-ανίχνευση διασταύρωσης.

Η ανίχνευση μηδενικής διέλευσης-ορίζει ένα όριο τάσης. όταν το σήμα ηχούς υπερβαίνει αυτό το επίπεδο, το σύστημα ενεργοποιεί το χρονισμό και στη συνέχεια μετρά τη στιγμή που η κυματομορφή διασχίζει το μηδέν. Αυτή η προσέγγιση αποτελεί συνήθη πρακτική εδώ και δεκαετίες. Η τάση κατωφλίου καθορίζει μια αναφορά με την οποία συγκρίνεται η λαμβανόμενη κυματομορφή, με το πρώτο μηδέν-να διασχίζει μετά την παραβίαση του ορίου σημειώνοντας το συμβάν "stop" για το κύκλωμα χρονισμού.

Αυτό το φαινόμενο απεικονίζεται στα περισσότερα διαγράμματα τεχνικής βιβλιογραφίας-ένας ταλαντευόμενος φάκελος ηχούς όπου οι αριθμημένες κορυφές (με ετικέτα 1, 2, 3, 4) είναι πιθανές μηδενικές-διασταυρώσεις. Η επιλογή του μηδενικού-σταυρώματος που θα χρησιμοποιηθεί δεν είναι αυθαίρετη. Πρέπει να αποδείξετε την επαναληψιμότητα των μετρήσεών σας, αλλά οι διακυμάνσεις στο πλάτος του σήματος μπορεί να προκαλέσουν μετατόπιση της πρώτης κορυφής που υπερβαίνει ένα όριο, οδηγώντας σε ένα ανησυχητικό φαινόμενο "παράβλεψης κύκλου"-τον μετρούμενο χρόνο διάδοσης που παρακάμπτει έναν πλήρη κύκλο κύματος.

Πολλά μηδενικά-σημεία διέλευσης μπορούν να παρακολουθηθούν για να βελτιωθεί η ευρωστία. Ορισμένα μέσα προσδιορίζουν πολλές διασταυρώσεις και χρησιμοποιούν ελέγχους συνέπειας για την απόρριψη των ακραίων τιμών. Αυτό προσθέτει υπολογιστικό κόστος, αλλά μειώνει σημαντικά την ευαισθησία σε σφάλματα χρονισμού που προκαλούνται από το πλάτος-.

Οαρχή λειτουργίας του μετρητή ροής υπερήχωνγίνεται πολύ πιο περίπλοκο όταν ασχολούμαστε με εφαρμογές αερίου παρά υγρών. Το αέριο έχει περίπου τρεις τάξεις μεγέθους χαμηλότερη ακουστική σύνθετη αντίσταση σε σύγκριση με τα υγρά μέσα. Η εξασθένηση του σήματος είναι σοβαρή. Όπου ένας μορφοτροπέας-συζευγμένος με υγρό μπορεί να λάβει ηχώ σε επίπεδο millivolt-που απαιτούν μέτρια ενίσχυση, οι μετρήσεις αερίου συχνά απαιτούν κέρδη που υπερβαίνουν τα 60dB μόνο και μόνο για την επίλυση του λαμβανόμενου παλμού από το θόρυβο του περιβάλλοντος.

Η μέτρηση της ροής αερίου με τεχνολογία διέλευσης{0}}υπερήχων χρόνου παρουσιάζει προκλήσεις που απλά δεν αντιμετωπίζουν οι εφαρμογές υγρών. Η ακουστική σύζευξη μεταξύ του μορφοτροπέα και του μέσου υποβαθμίζεται σημαντικά με τα αέρια μέσα. Η ταχύτητα του ήχου στο αέριο ποικίλλει δραματικά ανάλογα με τη σύνθεση, την πίεση και τη θερμοκρασία-πολύ περισσότερο από ό,τι στα υγρά όπου η διακύμανση μπορεί να είναι μερικά τοις εκατό.

Εξετάστε τι συμβαίνει σε ένα δίκτυο διανομής φυσικού αερίου. Ίδιος σωλήνας, ίδιο υλικό μετρητή υπερήχων, αλλά η πίεση κυμαίνεται ανάλογα με τη ζήτηση. Κάθε αλλαγή πίεσης μεταβάλλει την ακουστική σύνθετη αντίσταση, μετατοπίζει το πλάτος του λαμβανόμενου σήματος, δυνητικά αναγκάζει τα συστήματα χρονισμού που βασίζονται σε κατώφλι-να μανδαλώσουν σε διαφορετικά μηδενικά-σημεία διέλευσης. Η προκύπτουσα ένδειξη ροής μετατοπίζεται ακόμη και αν η πραγματική ογκομετρική απόδοση παραμένει σταθερή.

Οι αναταράξεις επιδεινώνουν αυτά τα προβλήματα. Σε υψηλότερους αριθμούς Reynolds, τα προφίλ ταχύτητας γίνονται όλο και πιο ανομοιόμορφα-στην διατομή του σωλήνα-. Η διαφορά χρόνου διέλευσης που μετρά ένας μετρητής υπερήχων αντιπροσωπεύει μια διαδρομή-μέση ταχύτητα-και όχι την πραγματική μέση ταχύτητα που θα παίρνατε ενσωματώνοντας σε ολόκληρη την περιοχή ροής. Οι συντελεστές διόρθωσης (αντιστάθμιση προφίλ) ευθύνονται για αυτήν την απόκλιση, αλλά υποθέτουν σχετικά καλά-συνθήκες ροής. Ρίξτε ασύμμετρες διαταραχές εισόδου ή στροβιλισμό και αυτοί οι διορθωτικοί συντελεστές γίνονται λιγότερο αξιόπιστοι.

Τα κυκλώματα AGC-αυτόματου ελέγχου απολαβής-προσπαθούν να ομαλοποιήσουν το πλάτος ηχούς ανεξάρτητα από το πόσο εξασθενεί το σήμα κατά τη διάδοση. Όταν η βαθμίδα AGC του οργάνου λειτουργεί σωστά, οι διακυμάνσεις του πλάτους από την επαγόμενη-μετατόπιση διαδρομής ροής, τις αλλαγές ακουστικών ιδιοτήτων που σχετίζονται με τη θερμοκρασία- ή τη σταδιακή υποβάθμιση του μορφοτροπέα δεν αλλοιώνουν το χρόνο διέλευσης του μηδενός-. Ωστόσο, η AGC εισάγει τα δικά της τεχνουργήματα χρονισμού εάν δεν εφαρμοστούν προσεκτικά. Οι μετατοπίσεις φάσης μέσω του βρόχου ελέγχου απολαβής μπορεί να μεταμφιεστούν ως διαφορές χρόνου διέλευσης.

Ο σχεδιασμός των δευτερευόντων ηλεκτρονικών σε έναν μετρητή ροής υπερήχων αερίου συνεπάγεται την εξισορρόπηση του σήματος-σε-τις εκτιμήσεις του θορύβου έναντι της ανάγκης για σταθερό, επαναλαμβανόμενο χρονισμό. Μια δημοφιλής διαμόρφωση χρησιμοποιεί έναν συνδυασμό ψηφιακού AGC (που υλοποιείται σε υλικολογισμικό) μαζί με αναλογικά στάδια AGC χρησιμοποιώντας στοιχεία όπως ο μεταβλητός ενισχυτής απολαβής AD8367-. Η υβριδική προσέγγιση επεκτείνει το δυναμικό εύρος διατηρώντας παράλληλα την παραμόρφωση εντός αποδεκτών ορίων.

ultrasonic flow measurement

Οποιοσδήποτε παράγοντας που προκαλεί απώλεια σήματος επηρεάζει την ποιότητα της μέτρησης. Οι υψηλότερες ταχύτητες ροής σημαίνουν μεγαλύτερη απόκλιση ακουστικής διαδρομής λόγω μεταφοράς-η ηχητική δέσμη δεν ταξιδεύει ευθεία κατά μήκος του σωλήνα αλλά ακολουθεί μια καμπύλη τροχιά. Οι σωλήνες μικρής-διαμέτρου παρουσιάζουν έντονα φαινόμενα οριακού στρώματος όπου η εγγύτητα του τοίχου τροποποιεί τις τοπικές κλίσεις ταχύτητας.

Τα ακραία εφέ από τα τοιχώματα του σωλήνα μέτρησης δημιουργούν πρόσθετες επιπλοκές για τους σχεδιασμούς ροόμετρου διέλευσης με υπερήχους-. Τα ηχητικά κύματα που αλληλεπιδρούν με το όριο του αγωγού βιώνουν διάθλαση και μερική ανάκλαση. Σε στενούς σωλήνες, αυτές οι οριακές αλληλεπιδράσεις κυριαρχούν στον χαρακτήρα του λαμβανόμενου σήματος. Το πλάτος της ακουστικής δέσμης σε σχέση με τη διάμετρο του σωλήνα έχει σημασία. φαρδύτερα δοκάρια «βλέπουν» περισσότερη επιρροή του τοίχου.

Τα ρεύματα αερίου πλούσια σε CO₂- παρουσιάζουν ιδιαίτερες προκλήσεις. Το διοξείδιο του άνθρακα απορροφά την ακουστική ενέργεια σε ορισμένες συχνότητες πολύ πιο επιθετικά από τον αέρα ή το φυσικό αέριο. Η υψηλή περιεκτικότητα σε CO2 μειώνει το πλάτος του σήματος, πιθανώς κάτω από το όριο ανίχνευσης. Ο περιβαλλοντικός θόρυβος-είτε από ρυθμιστές πίεσης ανάντη, βαλβίδες σπηλαίωσης ή εξωτερικές πηγές δόνησης-εισφέρει ψευδή σήματα που μπορούν να ενεργοποιήσουν λανθασμένες διελεύσεις ορίου.

Η επίτευξη συχνοτήτων μέτρησης πάνω από 20 kHz είναι συχνά απαραίτητη για την απόκτηση επαρκούς σήματος-στα-περιθώρια θορύβου σε θορυβώδη βιομηχανικά περιβάλλοντα. Οι χαμηλότερες συχνότητες διαδίδονται μακρύτερα αλλά είναι πιο επιρρεπείς σε ακουστικές παρεμβολές περιβάλλοντος. Οι υψηλότερες συχνότητες εξασθενούν πιο γρήγορα στο αέριο, αλλά προσφέρουν καλύτερη ατρωσία στον θόρυβο της εγκατάστασης χαμηλής-συχνότητας.

Η αστάθεια του σχήματος του σήματος παραμένει μια υποεκτιμημένη πηγή σφάλματος μέτρησης στη μέτρηση ροής υπερήχων. Οι ηχώ δεν διατηρούν τα ίδια προφίλ από τη μια μέτρηση στην άλλη. Η ανακύκλωση θερμοκρασίας μετατοπίζει τη συχνότητα συντονισμού του μορφοτροπέα. Οι καταθέσεις στις ακουστικές θύρες αλλάζουν την αντιστοίχιση σύνθετης αντίστασης. Η διάβρωση του τοιχώματος του σωλήνα αλλάζει τα οριακά χαρακτηριστικά ανάκλασης.

Όταν το σχήμα της κυματομορφής ηχούς μετατοπίζεται, τα σχήματα ανίχνευσης που βασίζονται σε κατώφλι-αποκρίνονται διαφορετικά σε κάθε παλμοσειρά. Αυτό που λειτούργησε τέλεια κατά τη θέση σε λειτουργία μπορεί να αναπτύξει συστηματική προκατάληψη μετά από μερικά χρόνια λειτουργίας. Οι τεχνικές διασταυρούμενης-συσχέτισης-όπου η λαμβανόμενη κυματομορφή συγκρίνεται με μια αποθηκευμένη αναφορά-προσφέρουν βελτιωμένη ανοσία στις παραλλαγές σχήματος, αλλά απαιτούν περισσότερους υπολογιστικούς πόρους και προσεκτική διαχείριση σήματος αναφοράς.

Η ίδια η διαδρομή διάδοσης δεν είναι γεωμετρικά σταθερή. Η διάθλαση λόγω των κλίσεων ταχύτητας (διάτμηση μεταξύ ταχύτερης ροής πυρήνα και πιο αργών οριακών στρωμάτων) κάμπτει την ακουστική δέσμη. Σε σχέδια μετρητών πολλαπλών διαδρομών, αυτό το εφέ εμφανίζεται ως μετρήσεις ταχύτητας που εξαρτώνται από τη διαδρομή-που δεν είναι αρκετά κατά μέσο όρο στην αναμενόμενη μαζική ταχύτητα.

ultrasonic flow measurement

Για να λάβετε αξιόπιστες μετρήσεις-χρονικής διαφοράς συγκοινωνίας απαιτείται προσοχή σε πολλές λεπτομέρειες οργάνων. Η ανάλυση χρονισμού πρέπει να υπερβαίνει σημαντικά την αναμενόμενη διαφορά ώρας διέλευσης-. Για ροές αερίων χαμηλής-ταχύτητας, το Δt μπορεί να είναι μόνο μερικά νανοδευτερόλεπτα-που απαιτούν ψηφιοποίηση χρόνου κλάσης σε picosecond-. Τα τσιπ TDC (time-to-ψηφιακός μετατροπέας) από κατασκευαστές όπως η ams επιτυγχάνουν ανάλυση 90ps, επιτρέποντας τη μέτρηση των διαφορών μεταφοράς που προκαλούνται από τη ροή-ακόμη και υπό δύσκολες συνθήκες.

Η αντιστάθμιση θερμοκρασίας δεν είναι-διαπραγματεύσιμη. Τόσο η ταχύτητα του ήχου στο μέσο όσο και τα χαρακτηριστικά του μορφοτροπέα μετατοπίζονται με τη θερμοκρασία. Τα όργανα χωρίς αντιστάθμιση δείχνουν συσχέτιση μεταξύ των μεταβολών της θερμοκρασίας και των φαινομένων μετρήσεων ροής που δεν έχουν καμία σχέση με τις πραγματικές αλλαγές απόδοσης.

Η αρχή του μετρητή ροής υπερήχων ανίχνευσης μηδενικής διέλευσης εξαρτάται τελικά από τον σταθερό προσδιορισμό του ορίου, τα σταθερά χαρακτηριστικά άφιξης κυματομορφής και τον σωστά σχεδιασμένο έλεγχο απολαβής. Αυτά τα στοιχεία αλληλεπιδρούν με τρόπους που δεν είναι πάντα διαισθητικός. Ένας "καλύτερος" ενισχυτής δεν σημαίνει απαραίτητα καλύτερη μέτρηση ροής εάν η απόκριση φάσης μετατοπίζεται με τη ρύθμιση απολαβής.

Τα καθαρά, μονοφασικά υγρά-με σταθερή σύνθεση αντιπροσωπεύουν ιδανικές συνθήκες για ροομετρητές υπερήχων διέλευσης-χρόνου. Οι εφαρμογές μεταφοράς φύλαξης σε αγωγούς φυσικού αερίου βασίζονται σε μεγάλο βαθμό σε μετρητές υπερήχων πολλαπλών διαδρομών ακριβώς επειδή-όταν είναι σωστά εγκατεστημένοι και βαθμονομημένοι-παρέχουν ακρίβεια που ανταγωνίζεται ή υπερβαίνει τους μετρητές στροβίλου χωρίς το βάρος συντήρησης των κινούμενων μερών.

Αντίθετα, βρώμικα ρεύματα αερίων με παρασυρόμενα υγρά, ταχέως μεταβαλλόμενες συνθέσεις ή σημαντική φόρτωση σωματιδίων ωθούν τα όρια της τεχνολογίας. Η διασπορά του σήματος από το αιωρούμενο υλικό μπορεί να κατακλύσει την άμεση-ηχώ της διαδρομής με διάχυτες αντανακλάσεις. Οι μετρητές υπερήχων που βασίζονται σε Doppler{3}}διαχειρίζονται καλύτερα τέτοιες καταστάσεις, αν και με μειωμένη ακρίβεια.

Το πακέτο για τους επαγγελματίες: κατανοήστε τις συνθήκες της διαδικασίας σας πριν καθορίσετε τη μέτρηση ροής με υπερήχους. Οαρχή του μετρητή ροής υπερήχωνη λειτουργία ακούγεται απλή-μετρήστε τους χρόνους μετάβασης, υπολογίστε την ταχύτητα-αλλά η παροχή αξιόπιστων αποτελεσμάτων υπό πραγματικές συνθήκες λειτουργίας απαιτεί την αντιστοίχιση της αρχιτεκτονικής οργάνων με τις απαιτήσεις της εφαρμογής.

Τα σύγχρονα ροόμετρα αερίου υπερήχων αξιοποιούν όλο και περισσότερο τεχνικές επεξεργασίας ψηφιακών σημάτων που ήταν υπολογιστικά απαγορευτικές πριν από μια δεκαετία. Ο συσχετισμός-βασισμένος στον χρόνο-του-προσδιορισμού πτήσης, οι αλγόριθμοι προσαρμοστικού φιλτραρίσματος και η προσαρμογή κυματομορφής βάσει μοντέλου- όλα προσφέρουν πιθανές βελτιώσεις σε σχέση με τις απλές προσεγγίσεις κατωφλίου/μηδενικού{5}}διέλευσης.

Η ενσωμάτωση αυτών των αλγορίθμων σε μεμονωμένες-λύσεις τσιπ-που συνδυάζουν προγράμματα οδήγησης ηχοβολέα, αναλογικό μπροστινό μέρος-, ADC και ψηφιακή επεξεργασία σε μονολιθικές συσκευές-μειώνει δραματικά την πολυπλοκότητα υλοποίησης βελτιώνοντας παράλληλα την απόδοση. Κατασκευαστές όπως η Texas Instruments και η Maxim προσφέρουν πλέον-συγκεκριμένα IC ανίχνευσης υπερήχων με ενσωματωμένο-σε χρόνο-σε-ψηφιακό υπολογισμό μετατροπής και συσχέτισης.

Για τους τελικούς χρήστες, αυτό μεταφράζεται σε μετρητές που διατηρούν τη βαθμονόμηση καλύτερα με την πάροδο του χρόνου, απορρίπτουν τις παρεμβολές πιο αποτελεσματικά και παρέχουν διαγνωστικές πληροφορίες που αποκαλύπτουν πότε οι συνθήκες διεργασίας πιέζουν τα όρια ακρίβειας μέτρησης. Το θεμελιώδεςαρχή του μετρητή ροής υπερήχωνδεν έχει αλλάξει, αλλά ο τρόπος με τον οποίο εφαρμόζεται αυτή η αρχή συνεχίζει να προχωρά.

Η ακρίβεια μέτρησης σε εφαρμογές ροής υπερήχων αντανακλά τελικά τη φροντίδα που λαμβάνεται για την αντιστοίχιση της αρχιτεκτονικής επεξεργασίας σήματος με τις φυσικές συνθήκες λειτουργίας. Η ανίχνευση χρόνου διέλευσης-παραμένει κυρίαρχη, αλλά τα υποστηρικτικά ηλεκτρονικά και οι αλγόριθμοι καθορίζουν εάν η θεωρητική ακρίβεια μεταφράζεται σε πρακτική αξιοπιστία.