sisseultraheli voolu mõõtmine, on vedeliku kiiruse andmed tuletatud akustiliste lainete levimisomadustest, mis liiguvad läbi keskkonna, -olgu see toruosas vedelik või gaas. Ultraheli voolumõõturi põhimõte põhineb põhiliselt läbisõiduaja muutuste või sageduse muutuste mõõtmisel, mis tekivad helilainete ja liikuva vedeliku vastasmõjul. Signaali genereerimine, edastuskvaliteet ja kajavastuvõtt määravad ühiselt, kas seade esitab täpsed mahunäidud või toob mõõtmisahelasse süstemaatilisi vigu.
Transiidiaja tuvastamine ja signaalitöötluse väljakutse
Transiidiaja meetod jääb tänapäevases ultraheli voolumõõturi disainis domineerivaks lähenemisviisiks. Kui praktikud selle tehnoloogiaga esimest korda kokku puutuvad, alahindavad nad sageli signaalitöötluse taustaprogrammi tähtsust. Piesoelektriliste muundurite töötlemata kajasignaalid ei saabu puhaste siinusoididena,{2}}need kannavad müra, amplituudimuutusi ja faasimoonutusi, millega tuleb tegeleda enne, kui saab vooluhulga sisulise arvutamise teha.
1981. aastal avaldasid Sanderson ja Hemp põhitöö transiidiaja ultrahelivoolumõõturite signaalituvastusmeetodite kohta. Nende panus eristas aja{3}}domeeni ja sagedus{4}}domeeni töötlemise tehnikaid. Aja-domeeni meetodid kasutavad tavaliselt ühe-impulssi ülekannet ja jälgivad spetsiifilisi lainekuju funktsioone-tavaliselt null-ristumispunkti või lävepäästikuid. Sagedus{11}}domeeni lähenemisviisid uurivad selle asemel spektraalset sisu. Igal neist on kompromissid, mis pole kohe ilmsed enne, kui olete tegelenud tegelike välipaigaldistega.
Ultraheli impulsi perioodi ja heli kiiruse vaheline seos koos lainepikkuse skaala akustilise kiirusega määrab, milline töötlemisstrateegia on praktiline. Ühe-impulsi ajastusskeemides saadab arvesti sari, ootab vastuvõttu ja hindab siis saabumisaja. Teoreetiliselt piisavalt lihtne. Tegelikkus hõlmab tuvastamist, milline osa vastuvõetud lainekujust vastab "õigele" edastusajale{4}}ja see on koht, kus null{5}}ristumise tuvastamine siseneb pilti.
Null{0}}Ristamise meetodid ja nende praktilised piirangud
Null-ületamise tuvastamine määrab pinge läve; kui kajasignaal ületab selle taseme, käivitab süsteem ajastuse ja mõõdab seejärel hetke, mil lainekuju ületab nulli. Selline lähenemine on olnud tavapraktika aastakümneid. Lävipinge loob võrdlusaluse, millega võrreldakse vastuvõetud lainekuju, kusjuures esimene null-ületamine pärast läve ületamist tähistab ajastusahela "stopp" sündmust.
Seda nähtust illustreerivad enamiku tehnilise kirjanduse diagrammid-võnkuv kaja mähisjoon, kus nummerdatud tipud (märgistatud 1, 2, 3, 4) on potentsiaalsed nulli-ristumised. Valik, millist nulli{7}}ristumist kasutada, ei ole meelevaldne. Peate demonstreerima oma mõõtmiste korratavust, kuid signaali amplituudi kõikumine võib põhjustada esimese läve ületava piigi nihkumise, mis toob kaasa murettekitava "tsükli vahelejätmise" nähtuse -mõõdetud levimisaja, mis jätab vahele kogu lainetsükli.
Tugevuse parandamiseks saab jälgida mitut null{0}}ristumispunkti. Mõned vahendid tuvastavad mitu ristumist ja kasutavad kõrvalekallete tagasilükkamiseks järjepidevuse kontrolli. See lisab arvutuskulusid, kuid vähendab oluliselt vastuvõtlikkust amplituudi{3}}indutseeritud ajastusvigade suhtes.
Theultraheli voolumõõturi tööpõhimõtemuutub gaasirakenduste, mitte vedelike käsitlemisel tunduvalt keerulisemaks. Gaasil on vedela keskkonnaga võrreldes ligikaudu kolm suurusjärku madalam akustiline takistus. Signaali nõrgenemine on tõsine. Kui vedelikuga ühendatud andur võib vastu võtta millivolti-taseme kajasid, mis nõuavad mõõdukat võimendust, nõuavad gaasimõõtmised sageli rohkem kui 60 dB võimendust, et lahutada vastuvõetud impulss taustmürast.
Gaasivoolu mõõtmine: täiesti erinev loom
Gaasivoolu mõõtmine ultraheli{0}}transiidiaja tehnoloogiaga esitab väljakutseid, millega vedelad rakendused lihtsalt ei seisa. Anduri ja keskkonna vaheline akustiline side laguneb oluliselt gaasilise keskkonnaga. Helikiirus gaasis varieerub dramaatiliselt sõltuvalt koostisest, rõhust ja temperatuurist-palju rohkem kui vedelikes, kus kõikumine võib olla paar protsenti.
Mõelge, mis juhtub gaasijaotusvõrgus. Sama toru, sama ultrahelimõõturi riistvara, kuid rõhk kõigub vastavalt nõudlusele. Iga rõhumuutus muudab akustilist impedantsi, nihutab vastuvõetud signaali amplituudi, võib potentsiaalselt põhjustada lävel{2}} põhinevate ajastussüsteemide haardumist erinevatele null-ristumispunktidele. Saadud voolunäit triivib isegi siis, kui tegelik mahuline läbilaskevõime jääb konstantseks.
Turbulents suurendab neid probleeme. Suuremate Reynoldsi arvude korral muutuvad kiirusprofiilid toru ristlõikes järjest ebaühtlasemaks-. Transiidiaja erinevus, mida ultraheliarvesti mõõdab, tähistab teekonna-keskmist kiirust-, mitte tegelikku keskmist kiirust, mille saaksite kogu vooluala integreerimisel. Selle lahknevuse põhjuseks on parandustegurid (profiili kompensatsioon), kuid need eeldavad suhteliselt hästi{7}}käituvaid voolutingimusi. Kui sisestate sisselaskeava asümmeetrilised häired või keerised, muutuvad need parandustegurid vähem usaldusväärseks.
AGC-automaatse võimenduse juhtimise-ahelad püüavad normaliseerida kaja amplituudi olenemata sellest, kui palju signaal levimise ajal nõrgeneb. Kui instrumendi AGC-aste töötab korralikult, ei riku amplituudi kõikumised voolu-indutseeritud tee nihutamisest, temperatuuri-seotud akustiliste omaduste muutustest või muunduri järkjärgulisest halvenemisest nulli{5}}ületamise ajastust. AGC tutvustab aga oma ajastusartefakte, kui neid hoolikalt ei rakendata. Faasinihked läbi võimenduse juhtimisahela võivad maskeerida transiidiaja erinevusteks.
Gaasi-ultraheli voolumõõturi sekundaarse elektroonika projekteerimine hõlmab signaali-ja-müra tasakaalustamist stabiilse ja korratava ajastuse vajadusega. Üks populaarne konfiguratsioon kasutab digitaalse AGC kombinatsiooni (rakendatud püsivarasse) koos analoog-AGC etappidega, kasutades selliseid komponente nagu AD8367 muutuva -võimenduse võimendi. Hübriidne lähenemisviis laiendab dünaamilist ulatust, hoides samal ajal moonutused vastuvõetavates piirides.
Keskkonnategurid ja servaefektid
Kõik signaalikadu põhjustavad tegurid mõjutavad mõõtmise kvaliteeti. Suuremad voolukiirused tähendavad konvektsioonist tingitud pikemat akustilise tee kõrvalekallet,{1}}helikiir ei liigu otse üle toru, vaid järgib kõverat trajektoori. Väikese-läbimõõduga torudel on väljendunud piirkihiefektid, kus seina lähedus muudab kohalikke kiiruse gradiente.
Mõõtmistoru seinte servaefektid põhjustavad ultraheli transiidi{0}}aja voolumõõturi disainimisel täiendavaid komplikatsioone. Helilained, mis interakteeruvad kanali piiriga, kogevad murdumist ja osalist peegeldust. Kitsastes torudes domineerivad need piiri vastasmõjud vastuvõetud signaali iseloomus. Akustilise kiire laius toru läbimõõdu suhtes on oluline; laiemad talad "näevad" rohkem seina mõju.
CO₂-rikkad gaasivood kujutavad endast erilisi väljakutseid. Süsinikdioksiid neelab teatud sagedustel akustilist energiat palju agressiivsemalt kui õhk või maagaas. Kõrge CO₂ sisaldus nõrgendab signaali amplituudi, mis võib olla alla tuvastusläve. Keskkonnamüra-olgu see siis ülesvoolu paiknevatest rõhuregulaatoritest, kaviteerivatest ventiilidest või välistest vibratsiooniallikatest,-sisendab valesignaale, mis võivad vallandada valeläve ületamisi.
Mõõtmissageduste üle 20 kHz saavutamine on sageli vajalik selleks, et saada mürarikkas tööstuskeskkonnas piisavad signaali-ja-müra marginaalid. Madalamad sagedused levivad kaugemale, kuid on vastuvõtlikumad ümbritsevate akustiliste häirete suhtes. Kõrgemad sagedused sumbuvad gaasis kiiremini, kuid pakuvad paremat kaitset madala-sagedusega taimede müra suhtes.
Miks lainekuju kvaliteet on olulisem, kui arvate
Signaali kuju ebastabiilsus on ultraheli voolumõõtmise mõõtmisvea alahinnatud allikas. Kajad ei säilita ühest mõõtmisest teise identseid profiile. Temperatuuri tsükkel nihutab anduri resonantssagedust. Sadestused akustilistes portides muudavad impedantsi sobitamist. Toruseina korrosioon muudab piiride peegeldusomadusi.
Kui kajalainekuju triivib, reageerivad lävel{0}}põhinevad tuvastusskeemid igale impulsi jadale erinevalt. See, mis toimis kasutuselevõtul suurepäraselt, võib pärast mõneaastast töötamist põhjustada süstemaatilist eelarvamust. Rist-korrelatsioonitehnikad-, kus vastuvõetud lainekuju võrreldakse salvestatud viitega,-pakkuvad paremat immuunsust kuju variatsioonide suhtes, kuid nõuavad rohkem arvutusressursse ja hoolikat võrdlussignaali haldamist.
Levitee ise ei ole geomeetriliselt fikseeritud. Kiiruse gradientidest tingitud murdumine (nihke kiirema südamiku voolu ja aeglasema piirkihi vahel) painutab akustilist kiiret. Mitmesuunaliste arvestite puhul ilmneb see efekt teest-sõltuvate kiirusnäitudena, mis ei vasta eeldatavale hulgikiirusele päris keskmisele.
Praktilised kaalutlused transpordi{0}}täpse aja mõõtmiseks
Usaldusväärsete{0}}transpordiaja erinevuste mõõtmiseks on vaja tähelepanu pöörata mitmetele mõõteriistade üksikasjadele. Ajastuse eraldusvõime peab oluliselt ületama eeldatavat transiidiaja{2}}vahet. Madala -kiirusega gaasivoogude korral võib Δt olla vaid mõni nanosekund-, mis nõuab pikosekundi-klassi aja digiteerimist. Tootjate nagu amsi TDC (time{8}}to-digital converter) kiibid saavutavad eraldusvõime 90ps, mis võimaldab mõõta vooluhulgast{11}}indutseeritud transiidi erinevusi isegi keerulistes tingimustes.
Temperatuuri kompenseerimine ei ole-kaubeldav. Temperatuuriga triivivad nii heli kiirus keskkonnas kui ka muunduri omadused. Kompenseerimata instrumendid näitavad korrelatsiooni temperatuurikõikumiste ja näivate voolunäitude vahel, millel pole tegelike läbilaskevõime muutustega mingit pistmist.
Null-ületamise tuvastamise ultraheli voolumõõturi põhimõte sõltub lõpuks stabiilsest läve määramisest, järjekindlatest lainekuju saabumise karakteristikutest ja õigesti kavandatud võimenduse juhtimisest. Need elemendid suhtlevad viisil, mis ei ole alati intuitiivne. "Parem" võimendi ei tähenda tingimata paremat voolumõõtmist, kui faasireaktsioon nihkub koos võimenduse seadistusega.
Kus transiit{0}}ajatehnoloogia suurepäraselt toimib-ja kus see võitleb
Puhtad, stabiilse koostisega ühefaasilised{0}}vedelikud on ideaalsed tingimused transiit{1}}aja ultraheli voolumõõturite jaoks. Maagaasitorustike haldamise ülekandmise rakendused sõltuvad suuresti mitmeteelistest ultraheliarvestitest, kuna-õigesti paigaldatud ja kalibreerituna- tagavad need turbiinmõõturitega konkureeriva või ületava täpsuse ilma liikuvate osade hoolduskoormuseta.
Ja vastupidi, määrdunud gaasivood koos kaasahaaratud vedelike, kiiresti muutuvate koostiste või märkimisväärse tahkete osakeste sisaldusega nihutavad tehnoloogia piire. Heljuva materjali signaali hajumine võib hajusate peegeldustega katta otsese-tee kaja. Doppleri{3}}põhised ultrahelimõõturid saavad sellistes tingimustes paremini hakkama, kuigi väiksema täpsusega.
Täiendus praktikutele: enne ultraheli voolumõõtmise määramist mõistke oma protsessi tingimusi. TheUltraheli voolumõõturi põhimõtetoiming kõlab lihtsalt -mõõda transiidiaegu, arvuta kiirust-, kuid usaldusväärsete tulemuste saavutamiseks reaalsetes töötingimustes on vaja mõõteriistade arhitektuuri sobitada rakenduse nõudmistega.
Signaalitöötluse areng ja tulevikusuunad
Kaasaegsed ultraheli gaasivoolumõõturid kasutavad üha enam digitaalseid signaalitöötlusmeetodeid, mis olid kümme aastat tagasi arvutuslikult üle jõu käivad. Korrelatsioonil-põhinev aeg-lennu määramisel-, adaptiivsed filtreerimisalgoritmid ja mudeli-põhine lainekuju sobitamine pakuvad potentsiaalseid täiustusi võrreldes lihtsate läve/null{5}}ületamise lähenemisviisidega.
Nende algoritmide integreerimine ühe -kiibi lahendustesse-, mis ühendavad muunduridraiverid, analoogesi-, ADC-d ja digitaalse töötluse monoliitsetes seadmetes-, on oluliselt vähendanud rakendamise keerukust, parandades samal ajal jõudlust. Tootjad, nagu Texas Instruments ja Maxim, pakuvad nüüd rakenduse-spetsiifilisi ultrahelianduri IC-sid, millel on sisseehitatud-ajas-to{8}}digitaalne teisendamine ja korrelatsiooniarvutus.
Lõppkasutajate jaoks tähendab see mõõtjaid, mis säilitavad aja jooksul paremini kalibreerimise, tõrjuvad tõhusamalt häireid ja pakuvad diagnostilist teavet, mis näitab, millal protsessi tingimused seavad mõõtmise täpsuse piirid. Põhilineultraheli voolumõõturi põhimõteei ole muutunud, kuid see, kuidas seda põhimõtet rakendatakse, edeneb jätkuvalt.
Ultraheli voolurakenduste mõõtmise täpsus peegeldab lõppkokkuvõttes signaalitöötluse arhitektuuri ja füüsiliste töötingimustega vastavusse viimist. Transiidi-aja tuvastamine jääb domineerivaks, kuid toetav elektroonika ja algoritmid määravad kindlaks, kas teoreetiline täpsus tähendab praktilist usaldusväärsust.
