Исследование накладных преобразователей время-импульсного ультразвукового расходомера

 

Ультразвуковые расходомеры время-импульсного (или время-пролетного )типа  широко применяются благодаря преимуществам неинвазивного измерения и удобству установки. В основе работы этих приборов лежит  измерение разности времен прохождения ультразвукового импульса по потоку и против  потока, при этом высокое качество преобразователя, передающего/принимающего ультразвуковые сигналы, является залогом  точного измерения временных интервалов. В этой статье рассматриваются основные факторы, влияющие на неопределенность выходного сигнала ультразвукового преобразователя, и основное внимание уделяется частоте преобразователя, углу падения и  расстоянию между накладными датчиками.

Принцип выбора частоты преобразователя представлен анализом характеристик ультразвукового сигнала  в жидкости. Диапазон углов падения и точное расстояние установки датчиков рассчитываются и анализируются по закону Снелла.

Эксперименты  проводятся с ультразвуковыми датчиками с частотой 1 МГц , закрепленными на алюминиевой трубе наружного диаметра 20 мм.

Результаты показывают, что точный расчет расстояния между накладными излучателями 18,16 мм эффективно гарантирует получение на выходе  высококачественной ультразвуковой волны. При этом ,если погрешность осевой установки достигает более 3 мм, однолучевое распространение  ультразвукового сигнала не может быть гарантировано. 

I. ВВЕДЕНИЕ

Ультразвуковые расходомеры  с накладными датчиками широко применяются как в промышленности, так и в медицине, поскольку они обладают уникальными характеристиками [1-6]:

(1) При использовании полностью внешних датчиков измерение не влияет на состояние потока жидкости;

(2) При быстром (мс) отклике на изменение скорости они могут осуществлять онлайн-измерения в режиме реального времени;

(3) Они могут использоваться для жидкостей с высокой вязкостью, непроводящих жидкостей и агрессивных жидкостей, которые не могут быть измерены другими расходомерами.

 В 2005 году объем продаж  ультразвуковых  расходомеров  с накладными датчиками составил  10% от общей суммы   3 млрд. долларов США годового объема продаж  расходомеров [7].

Ультразвуковые расходомеры   накладными датчиками, в которых  используется время-импульсный  метод  измерения скорости потока , являются наиболее широко используемыми неинвазивными

расходомерами[8]. Принцип работы такого  расходомера с установкой накладных излучателей по  “V-схеме” показан на рис.1.

Датчики установлены снаружи трубы. Ультразвуковые сигналы излучаются датчиком, установленным на одной стороне трубы, отражаются противоположной стенкой трубы и принимаются вторым датчиком. Эти сигналы излучаются попеременно в направлении потока и против него. Схема приемопередатчика подключается к датчикам для обработки сигналов . Ультразвуковой импульс, движущийся вместе с потоком, быстрее , чем импульс, движущийся против потока. Разность  времен прохождения сигналов против потока и по потоку  пропорциональна скорости потока . Соотношение приведено в уравнении(1)

 

Термины TUP и TDOWN в уравнении (1) представляют собой время прохождения в направлении вверх (против) потока и  вниз(по)  по потоку, C - скорость ультразвука в жидкости, d - внутренний диаметр трубы, θ2 -угол преломления ультразвукового луча  в жидкости.

  Как видно из уравнения(1), d и C являются известными величины, θ2 могут быть вычислены по закону Снелла. Таким образом, скорость потока определяется путем измерения разницы во времени между ультразвуковыми сигналами, распространяющимися против потока и по потоку. Однако даже при высоких скоростях потока разница во времени составляет всего несколько наносекунд, поэтому важно устранить небольшие погрешности в измерении [9-10].

На протяжении многих лет большинство исследований было сосредоточено на изучении вопросов создания  высокоточного модуля синхронизации и программного обеспечения ,необходимых для определения  разницы во времени для повышения точности и надежности ультразвукового расходомера. Существует мало опубликованных исследований параметров, влияющих на неопределенность выходного сигнала преобразователей. Однако без высокого качества преобразователя , генерирующего и принимающего ультразвуковой сигнал, разница во времени не может быть точно измерена[11].

 Различная частота датчика подходит для разных диаметров труб. Без выбора надлежащего угла падения ультразвуковые сигналы не могут быть приняты преобразователем. Кроме того, важной частью накладного ультразвукового расходомера является установка датчика на правильном расстоянии друг от друга.

Хотя  относительная погрешность измерения расхода   время-импульсных ультразвуковых расходомеров, заявленная производителями, составляет от ±1% до ±5% [3], без точной установки накладных датчиков точность не может быть гарантирована. 

Эта статья посвящена изучению трех основных параметров, влияющих на неопределенность, в частности выбору и установке ультразвуковых накладных  преобразователей. Из -за того, что датчики  могут быть выбраны неправильно, в этой статье представлена взаимосвязь между частотой датчика и диаметром трубы. На примере ультразвукового расходомера с накладными датчиками  анализируется  процесс распространения ультразвуковой волны в трубопроводе , путем расчета и анализа получают угол падения датчика и расстояние между излучателями . Все эти величины  являются основными параметрами, влияющими на эффективность  всей системы излучения и обнаружения сигналов.

 

A. Выбор  ультразвукового преобразователя  расхода 

Ультразвуковой преобразователь является “сердцем” расходомера.Его характеристики влияют на стабильность и работоспособность всей системы  излучения и обнаружения сигнала. Поэтому необходимо с пониманием  подходить к выбору  преобразователя. Преобразователь выбирается в соответствии с необходимой частотой. Частота ультразвука выбирается в зависимости от расстояния распространения. Когда ультразвуковая волна распространяется в среде, молекулярное поглощение, вязкость и теплопроводность вызывают ее ослабление(затухание).

Согласно принципам  акустики[10,12], коэффициент затухания  α :

Зависимость  между расстояниями  распространения ультразвука и его интенсивностью звука может быть выражена как:

 

Здесь ω равно 2π f, η - коэффициент вязкости,ρ0 - плотность жидкости, c - скорость ультразвука.

В обычной  воде при температуре 20 ℃, когда  амплитуда ультразвуковой волны  ослабевает до I0 /e, расстояние распространения ультразвука в воде:

 

Как видно из уравнения (4), расстояние распространения ультразвука обратно пропорционально квадрату частоты. Для трубы с небольшим диаметром выбирается высокая частота. Для труб большого диаметра выбирается низкая частота. Частота ультразвукового преобразователя   также выбирается в соответствии с поддержкой производителя (иными словами, с возможностями производителя).Производители  выпускают различные преобразователи для различных диапазонов размеров труб[7]. 

Диапазон ультразвуковых частот для измерения расхода жидкости составляет 0,2-8 МГц[5]. Преобразователи с частотой 1 МГц, по-видимому, являются стандартными. Они применимы для диапазона размеров труб от 20 мм до 3400 мм. Для труб меньшего диаметра, примерно от 10 мм до 100 мм, рекомендуется использовать преобразователи с частотой 2 МГц. Если диаметр трубы меньше 10 мм, следует выбрать преобразователи с частотой 4 МГц или 8 МГц. Для труб большого диаметра, жидкостей с пузырьками или частицами или сильно ослабляющих вязких сред, следует выбрать относительно низкочастотный преобразователь, например, с частотой 200 кГц, 500 кГц и т.д.

B. Угол падения

Для накладного  ультразвукового датчика расходомера излучаемые ультразвуковые колебания  искривляется  как стенкой трубопровода , так и поверхностью раздела жидкостей/металл.

Как показано на рис.2, в первом рефракторе ультразвуковая продольная волна преобразуется в два пучка волн —продольный и поперечный в стенке трубы. На границе раздела между стенкой трубы и жидкостью  продольная и поперечная  волны преобразуются в два пучка продольных  ультразвуковых волн в жидкости.

Согласно закону Снелла, соотношение угла падения α, угла поперечного преломления βS и угла продольного преломления βL равно:

При комнатной температуре скорость ультразвука в органическом стекле C0 =2700 м/с, в алюминиевой трубе Cs=3100 м/с и CL =6300м/с. Когда βL = 90°, первый критический угол aL равен 25,38°; Когда βS = 90°, второй критический  угол aS равен 60,57°.

Для того, чтобы предотвратить  распространение  продольных волн в стенке   трубы  и быть уверенными в том  что преобразователь принимает только один ультразвуковой луч , угол падения должен быть больше первого критического угла и меньше второго критического угла. Таким образом, диапазон угла падения составляет 25,38 ° ~ 60,57 °.

В соответствии с анализом характеристики ослабления ультразвука и процесса его распространения в для алюминиевой трубы диаметром 20 мм выбрана пара ультразвуковых преобразователей излучатель-приемник с центральной частотой колебаний 1 МГц.В конструкции преобразователя используется  органическое стекло в качестве акустического проводящего материала ,а угол падения выбран  45°.

 C. Установка накладных ультразвуковых  преобразователей

Рекомендуемым методом установки накладных ультразвуковыхдатчиков  является “V-схема” [5]. Этот метод  подходит для измерения в диапазоне диаметров  труб от 15 мм до 400 мм. Настройка и выравнивание датчиков проще, чем в “Z-режиме”, поскольку они находятся на одной стороне трубы. Правильное расстояние между осями датчиков может быть рассчитано по закону Снелла. По сравнению с другими схемами установки , “V-mode” вычисляет расстояние между излучателями  проще и точнее.

Как показано на рис.3, расстояние L между датчиками равно:

 В уравнениях (6) и (7) Cw, Cp и Cl

- это скорость ультразвука в датчике, стенке трубы и жидкости. D и d

- внутренний и наружный диаметры трубы.

Sp - это расстояние распространения ультразвука по трубе,

а Sl - расстояние распространения ультразвука через жидкость.

В большинстве разработок с  время-импульсным способом  измерения   используется   ультразвук, который отражается противоположной  внутренней поверхностью трубы, показанный как путь 1 или путь 2, для вычисления разницы во времени  по потоку  и против  потока и соответствующего расстояния  между преобразователями  L. Однако ультразвук также отражается внешней поверхностью стенки трубы  , что показано как луч 3. На практике неправильное расположение преобразователей  почти неизбежно. Если расстояние между датчиками  установлено равным Lm, ультразвук, отраженный внутренней и внешней поверхностями стенки , может быть полностью принят преобразователем. Когда расстояние  установлено на Lp, принятый ультразвуковой сигнал представляет собой сигнал, отраженный внешней стенкой. Расстояние установки двух датчиков сильно влияет на принимаемый сигнал, а неопределенность принятого ультразвукового сигнала приводит к неточному измерению разницы во времени. Понятно ,что очень важно установить датчики на правильное расстояние L между их осями .

D. Схема приемопередатчика

Структура схемы приемопередатчика ультразвуковогорасходомера показана на рис.4. 

Она состоит из силового модуля, передающего модуля и приемного модуля. Модуль питания подает питание ±12 В и ±5 В для передающей и приемной цепи. Передающий модуль в основном используется для приведения в действие преобразователя. Два триггерных сигнала (сигнала запуска) с периодом  1 мс генерируются ПЛИС, а затем усиливаются до 12В драйверами MOSFET. Таким образом, два преобразователя могут передавать и принимать  ультразвуковой сигнал  попеременно. Приемный модуль состоит из высокоскоростного переключателя,  усилителя, фильтра и схемы сравнения (компаратора). Он, в основном ,используется для усиления, фильтрации и сравнения сигналов. 

Поскольку центральная частота ультразвукового преобразователя составляет 1 МГц, частота управляющего сигнала должна составлять 1 МГц, чтобы обеспечить наилучшую работу преобразователя. Системная тактовая частота ПЛИС составляет 50 МГц. Сигнал частотой 1 МГц  получается путем деления частоты. Преобразователю потребуется некоторое время , чтобы достичь наилучшего состояния вибрации, если количество передаваемых импульсов слишком мало, передающий  датчик  не сможет излучать  устойчивую ультразвуковую волну, и принятый сигнал будет очень слабым или даже не может  быть принят вообще. Напротив, число передаваемых импульсов не должно быть слишком большим, потому что это приведет к искажению  формы сигнала. Эксперименты показали , что при отправке 8 импульсов каждый раз принимаемые сигналы становятся стабильными. Таким образом, ПЛИС каждый раз посылает на преобразователь пачку из 8 импульсов . Схема приема использует высокоскоростной переключатель DG441 для управления сигналами соответствующего датчика, проходящими через схему приема.

iii. Экспериментальная часть

Эксперимент проводится при температуре приблизительно 20 ℃, с датчиками 1 МГц, закрепленными на алюминиевой трубе. Результаты измерений отображаются осциллографом. Наружный диаметр испытуемой трубы составляет 20 мм, а толщина стенки - 1 мм. Сначала  пара датчиков устанавливается на правильное раздельное расстояние 18,16 мм, которое соответствует значению L, рассчитанному с помощью уравнения (6). Затем мы перемещаем один из преобразователей вдоль направления оси, чтобы наблюдать за изменением формы принятого сигнала.

Когда два датчика установлены на корректное расстояние L (18,16 мм),может быть получен один пучок хороших ультразвуковых волн, который показан на рис.5. Как видно из рис.5 (а), амплитуда 8 управляющих импульсов составляет 12 В, что соответствует выходу драйвера MOSFET. Амплитуда исходных принимаемых  сигналов составляет всего десятки милливольт и смешивается с большим количеством шумов. После усиления и фильтрации первая амплитуда принятого сигнала показана на рис.5 (б) достигает 0,5 В, и шумовой сигнал также значительно снижается.

Путем регулировки опорного напряжения схемы сравнения,обнаруживается первый принятый сигнал. После обработки  компаратором  амплитуда сигналов составляет 5В. Это высококачественные сигналы, которые мы и хотели получить. Затем сигналы могут быть обработаны блоком измерения разницы во времени. Когда датчики установлены на расстояние  Lm (21 мм),принятые эхо-сигнала показаны на рис.6.

 В принятом сигнале было два пучка сигналов за один цикл запуска. Это связано с тем, что ультразвуковой сигнал был отражен как внутренней стенкой трубы, так и внешней стенкой, что показано  как лучи  ультразвука 2  и  3 на рис.3. Поскольку пространство между двумя пучками отраженных волн было слишком маленьким, все они были приняты преобразователем. Таким образом, первая волна - это эхо-волна, отраженная внутренней стенкой трубы, а вторая волна - это эхо-волна, отраженная внешней стенкой. При продолжении увеличения расстояния между датчиками  вдоль оси амплитуда первых сигналов уменьшалась, а амплитуда вторых сигналов увеличивалась. Когда расстояние увеличивается до Lp (24 мм), первый луч волны исчезает. В этом случае один сигнал принятой волны представляет собой реакцию на волну, отраженную внешней стенкой трубы. Однако в программном алгоритме мы рассчитываем время от ультразвукового излучения до получения первого ультразвукового сигнала , который отражается внутренней стенкой трубы. Поэтому, второй луч волны приведет к большой ошибке в измерении разницы во времени.

IV. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной работе изучаются три основных фактора, влияющих на выходной сигнал время-импульсного ультразвукового расходомера с накладными преобразователями :выбор датчика, угол падения и расстояние установки между  датчиками.

(1) Датчики с частотой  1 МГц могут быть выбраны для диаметров  трубы в интервале  20-3400 мм, датчики 2 МГц рекомендуются для размера трубы от 10 мм до 100 мм, а для диаметра трубы менее 10 мм - 4 МГц или 8МГц.

(2)Чтобы гарантировать, что преобразователь принимает только один ультразвуковой луч, угол падения должен составлять 25,38 ° ~ 60,57°.

 (3) Пара датчиков с частотой 1 МГц тестируется на алюминиевой трубе, наружный диаметр которой составляет 20 мм, а толщина стенки - 1 мм. Угол падения составляет 45°. Результаты показывают, что один пучок хороших ультразвуковых сигналов может быть получен, когда два датчика установлены на расстоянии L, определенном  точным расчетом, с помощью метода “V-mode”. Когда ошибка установки достигает более 3 мм, условие  однолучевого приема ультразвукового сигнала не может быть гарантировано. Поэтому при монтаже и размещении датчиков необходимо соблюдать  известную аккуратность.

 

Подтверждение

Эта работа была поддержана Национальным институтом естественных наук Фонд Китая (Грант №61105099) и Проект по разработке оборудования Академии наук Китая  (Грант №YZ201146).