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).

Принцип работы электромагнитного расходомера

 

Стационарное равновесие между силами Лоренца (FL) и Кулона (FK), лежащее в основе принципа действия электромагнитногорасходомера. 

Любой водный раствор, кроме дистиллированной или глубоко очищенной воды является электролитом, то есть в нем присутствуют диссоциированные молекулы солей, кислот, оснований. Таким образом, в водном растворе практически всегда есть свободные носители заряда. В естественных условиях число катионов и анионов равно, и жидкость электрически нейтральна. 

При движении жидкости по трубопроводу вместе с массой воды переносятся и свободные носители заряда. А направленное движение заряженных частиц является электрическим током. Только в движущейся нейтральной жидкости текут два тока, образованные потоком анионов и катионов, равные по модулю и противоположные по направлению. Если поместить поток жидкости в магнитное поле, силовые линии которого перпендикулярны потоку, то на каждую движущуюся заряженную частицу будет действовать сила Лоренца, направление которой будет перпендикулярно вектору индукции магнитного поля и вектору скорости заряженной частицы. В результате положительно и отрицательно заряженные частицы будут смещаться в противоположные стороны, то есть произойдет разделение объемных зарядов в жидкости.

До каких пор заряды будут разделяться? Казалось бы, если магнитное поле достаточно протяженное, то все заряды должны пространственно разделиться? Однако это не так. При разделении объемных зарядов на них из-за электростатического взаимодействия начинает действовать сила Кулона. Если сила Лоренца разделяет заряды, то сила Кулона притягивает разноименно заряженные частицы. В какой-то момент эти силы сравниваются.

В основе принципа действия электромагнитного расходомера лежит именно стационарное равновесие между силами Лоренца (F_L) и Кулона (F_K) (см.рис.). Степень разделения зарядов зависит в этом случае от величины силы Лоренца, а она, в свою очередь, - от скорости потока жидкости. Запишем условие наступления такого равновесного состояния c учетом ортогональности векторов скорости и индукции поля:

F_L=F_K   или   qvB=qE,   откуда   E=vB,

где q - разделенный заряд; v - модуль скорости потока; B - модуль индукции магнитного поля; E - модуль напряженности электрического поля, создаваемого разделенными зарядами.

Таким образом, разность потенциалов между измерительными электродами зависит только от скорости течения жидкости, индукции магнитного поля и расстояния между электродами:

Δφ=Ed=vBd,   где d - расстояние между электродами.

Объемный расход Q=vS и разность потенциалов между электродами прямо пропорциональны скорости течения, а значит, прямо пропорциональны друг другу:

Δφ=QBd/S, где S - площадь сечения трубы.

Отсюда видно, что измеряемое на электродах напряжение прямо пропорционально объемному расходу проводящей жидкости.

Внутреннее сопротивление такого возникающего магнитогидродинамического источника тока велико. Чтобы электроды не шунтировались металлом трубы, и не происходило разряда разделившихся ионов друг на друга по стенке трубы, внутренняя поверхность ЭМР должна быть покрыта изоляционным материалом - футеровкой. Материал футеровки определяет химическую совместимость и физическую стойкость преобразователя электромагнитного расходомера.

В идеальном случае измеряемый на электродах сигнал прямо пропорционален расходу. На практике на эту простую зависимость влияет множество факторов - электрохимический шум, наводки, турбулентность потока. От того, насколько производителю удается справиться с этими нюансами, зависят метрологические характеристики и надежность электромагнитного расходомера.

 

РЕАЛИЗАЦИЯ УЛЬТРАЗВУКОВОГО РАСХОДОМЕРА ВОДЫ НА ОСНОВЕ ВРЕМЯ- ИМПУЛЬСНОГО МЕТОДА

 

Применение ультразвуковыхизмерителей потока стремительно распространяется как в индустриальной среде, так и в медицине. Существует множество других методов измерения расхода жидкости, такие как турбины, трубки Вентури и другие, но применение ультразвуковых преобразователей имеет множество преимуществ . Такая система не содержит движущихся частей, не создает дополнительного перепада давления и позволяет проводить двунаправленное измерение.Ее быстрый отклик позволяет производить измерения в переходных и  пульсирующих потоках. Наконец, эта система может значительно снизить затраты на ее установку и обслуживание . Кроме того, ультразвуковыеизмерители потока находят применение для измерений в жидкостях, газах и многофазных средах, хотя и не без ограничений . 

Среди  ультразвуковых  методов  измерения  объемного  расхода  можно  выделить  два  основных:  доплеровский  и  время-импульсныйметоды.  Метод измерения выбирается в зависимости от типа контролируемой среды. Среда, в свою очередь, может быть однофазной (гомогенной), либо многофазной (гетерогенной). Для измерения расхода гетерогенных сред  лучше  всего  проходит  доплеровский  метод  измерения,  в  основе  которого  лежит  измерение  частоты  ультразвукового сигнала отраженного от движущихся неоднородностей. Для измерения  расхода в однофазных средах  лучше  подходит  время-импульсный  метод  измерения,  в  основе  которого  лежит  изменение  времени распространения ультразвукового импульса по потоку и против потока жидкости .

Для  ввода  акустических  колебаний  в  поток  и  их  дальнейшего  считывания  используются  излучатели-приемники, выполненные на основе пьезокерамических элементов .

Рассматриваемый  в  статье  ультразвуковой расходомер  должен  проводить  измерения  для    потока  воды.  Поскольку  вода  является гомогенной средой, то в качестве метода измерения был выбран время-импульсный метод.

Принцип измерений

Ультразвуковыевремя-импульсные измерители основаны на посыле в акустический канал ультразвуковых сигналов  по потоку и против него. Для этого используются два направленных друг на друга пьезокерамических преобразователя, каждый из которых по очереди выполняет роль приемника и передатчика. На распространение сигнала будет влиять  протекающий со скорость v поток, благодаря чему время распространения сигнала от вышестоящего передатчика А до нижестоящего  приемника  Б  будет  меньше,  чем  время  распространения  сигнала  от  нижестоящего  передатчика  Б  до вышестоящего приемника А. Таким образом, разность во времени пролета между этими двумя сигналами будет прямо пропорциональна скорости потока v. Данный принцип схематически изображен на рисунке 1

Общий вид устройства

Расходомер,  как  измерительное  устройство,  должен  не  только  накапливать  разности  времен  распространения  сигнала, но также и осуществлять преобразования, вычисления, мгновенное отображение результата и его передачу на сервер.  В  качестве  ядра,  выполняющего  перечисленные  функции,  был  использован  микроконтроллер  с  низким потреблением STM32.  Структура устройства отображена на рисунке 2.

Точность  всего  устройства  определяется  точностью,  с  которой  осуществляется  измерение  разности  во  времени  распространения ультразвуковых волн. В зависимости от скорости потока, эта величина может существенно отличаться.

Типичные значения разности во времени составляют от единиц до сотен наносекунд. По этому, был необходим время-цифровой преобразователь обладающий высоким разрешением и широким диапазоном измерений.

Для осуществления прецизионных измерений времени распространения ультразвуковых волн был применен время-цифровой преобразователь TDC-GP22 производства компании Acam Messelectronic GmbH. Данный измеритель имеет высокое  разрешение  22  псек  и  содержит  схему  генерации  и  детектирования  импульсов,  что  значительно  упрощает конечную  схему  устройства.  Кроме  того,  микросхема  преобразователя  имеет  малые  физические  размеры  и  низкое энергопотребление.

Измерение  температуры  воды  реализовано  при  помощи  двух  термисторов.  Для  определения  их  сопротивления  была использована функция измерения сопротивления PICOSTRAIN® преобразователя TDC-GP22. Данная технология позволяет с  высокой  точностью  измерить  относительное  сопротивление  элементов  .  Для  вычисления  абсолютных  величин сопротивлений термисторов при помощи их относительных значений, а затем и непосредственно температуры, был введен  опорный резистор.

После выполнения измерений, микроконтроллер STM32 принимает данные от TDC-GP22 по серийному интерфейсу SPI, выполняет  их  обработку,  устраняет  шумы  и  производит  подготовку  результатов.  Для  взаимодействия  с  пользователем  и  выбора  режима  работы  устройства  были  добавлены  дисплей  и  кнопки,  а  также  возможность  удаленного  взаимодействия посредством интерфейса передачи данных. Для сохранения результатов используется встроенное запоминающие устройство.

Обработка данных

Данные,  поступающие  в  микроконтроллер  от  время-цифрового  преобразователя,  представляют  собой  последовательность  величин,    измеренных  в  различные  моменты  времени  с  постоянным  шагом.  К  сожалению,  эти данные очень сильно зашумлены и потому непригодны к использованию в своем первоначальном виде. По этой причине необходимо  провести  их  дополнительную  обработку.  Поскольку  все  результаты  измерений  разности  времен  распространения сигнала и сопротивлений термисторов представлены в цифровом виде, то обработка осуществляется исключительно программными средствами микроконтроллера. 

Цифровая  обработка  сигналов,  в  сравнении  с  аналоговой,  имеет  ряд  преимуществ,  среди  которых  гибкость, стабильность  и  высокая  надежность.  Для  определения  конкретного  типа  фильтра  и  его  коэффициентов  для  каждой величины  был  проделан  ряд  экспериментов,  заключавшихся  в  проведении  серий  замеров  для  различных,  заранее известных, скоростей потоков воды. Каждая серия включала в себя несколько сотен измерений, которые сохранялись на  ПК  для  дальнейшего  изучения.  Пример  нескольких  последовательных  измерений  внутри  одной  серии  приведен  в таблице 1.

Приведенные в таблице данные содержат всего 5 точек, но тем не менее наглядно демонстрируют общий характер измерений.  Так,  можно  заметить,  что  сопротивления  термисторов  постоянны,  а  значит,  им  не  требуется  сложная  математическая  обработка  и  достаточно  простого  скользящего  среднего.  Времена  распространения  сигнала  же, напротив,  серьезно  подвержены  шумам  и  требуют  дополнительной  программной  фильтрации.  Примеры  исходных  зашумленных и отфильтрованных данных приведены соответственно на рисунках 3 и 4.

Таким образом, после проведения процедуры фильтрации, полученный результат можно использовать для итогового вычисления расхода воды. Тем не менее, текущая цифровая  обработка может содержать недостатки и требует более  тщательной проверки в будущем.

Заключение

Данная статья представляет реализацию ультразвукового расходомера воды основанного на время-импульсном методе,  в  основе  которого  лежит  микроконтроллер  STM32,  а  генерация  импульсов  и  измерение  их  времени распространения  осуществляется  специализированным  время-цифровым  преобразователем  TDC-GP22.

Полученные  данные  обрабатываются  при  помощи  программных  методов  и  отображаются  пользователю  как непосредственно на устройстве, так и через удаленный сервер. 

В будущем необходимо проведение полноценных метрологических испытаний, по результатам которых возможно понадобится незначительная корректировка параметров цифрового фильтра.

Влияние газовой фазы на метрологические характеристики расходомеров-счетчиков воды

 

В отличие от существующей сегодня системы измерения расхода воды ,состоящей из одной фазы, требуется исследовать параметры воды ,как многофазной среды, включающей в себя также воздушную среду, твердые включения  и имеющую нестационарный характер потока. Это , в свою очередь, требует разработки новых узлов учета на  основе отечественных и импортных приборов и устройств. При этом необходимо  учитывать влияние на измеряемую величину таких параметров ,как аэрация жидкости ,пульсация измеряемого потока  в реальных условиях, зарастание стенок трубопровода и т.д.

  При производстве воды необходимо ,чтобы измерительная информация о расходе воды была достоверной ,и достоверность эта должна достигаться в широком диапазоне диаметров водоводов и скоростей потоков воды.

 Сегодня для измерения расхода используются следующие типы приборов : сопла, диафрагмы, тахометрические расходомеры (турбинные), электромагнитные, ультразвуковые , кориолисовы и др.

  Процесс образования  погрешности этих приборов включает в себя следующие основные составляющие : погрешность фона, погрешность метода, инструментальная погрешность.

   В воде, подаваемой по напорным  водопроводам ,всегда имеется некоторое количество воздуха. Из результатов обследования получено, что до 10% трубопроводов имеют заполнение воздухом до 20% водовода(это ,в основном ,связано с отключением участков водоводов на ремонт при авариях и регламентных работах ,после чего в систему, заполненную воздухом, подается вода).При этом  объем нерастворенного воздуха по длине водовода постоянно меняется ,так как он зависит от давления в трубах и температуры воды.  Воздух сжимается и расширяется, растворяется в воде или ,наоборот, выделяется из воды. Надо заметить, что  количество растворенного воздуха ,которое может раствориться в рабочей жидкости до ее насыщения ,прямо пропорционально давлению на поверхности раздела жидкость-воздух ,и его можно определить по формуле:

                      Vрв= K*Vрж*Pi/Po   (1)

где Vрв- объем растворенного воздуха ,отнесенный к нормальным условиям(Ро=1атм.,То=293К),дм3,К-коэффициент растворимости воздуха в рабочей жидкости (является функцией давления и температуры),Vрж-объем жидкостно-воздушной смеси ,дм3,Рo и Pi- начальное т конечное давление воздуха, находящегося  в контакте с водой. 

  Объем жидкостно-воздушной смеси определяется по формуле

                    Vрж=Vж+Vрв+Vна,

где Vж –объем «чистой» жидкости ,не содержащей растворенный воздух,Vна- объем нерастворенного воздуха, приведенный к нормальным условиям (Ро-1атм.То=293К), дм3.

  С целью определения влияния газовой фазы на метрологические характеристики  электромагнитных расходомеров проводились исследования на базе Государственного первичного специального эталона массового расхода воды ГЭТ119-2010 для двух типов электромагнитных расходомеров отечественного производства  :

-расходомер счетчикэлектромагнитный «Взлет ППД»;

-комплекс расходомерныйэлектромагнитный «КР-2»;

  Как и в условиях эксплуатации ,смеситель и испытуемое средство были установлены на вертикальном участке трубопровода.

  Для всех типов электромагнитных расходомеров на каждой точке расхода количество подаваемого газа ,выраженное в объемном содержании в газожидкостной смеси ,GVF .%,варьировалось в диапазоне  0-16% от номинального расхода жидкости. GVF-GAS Volume Function. На каждом значении  расхода проводилось не менее трех измерений ,и при этом регистрировались : расход воды по показаниям эталонного расходомера ,расход воды по показаниям исследуемого  электромагнитного расходомера ,температура и давление воды.

  Экспериментальные исследования влияния газовых включений на метрологические характеристики электромагнитных расходомеров марки ВЗЛЕТ-ППД и комплекса расходомерного КР-2 были проведены при следующих диапазонах изменения расхода газовой фазы и критерия Рейнольдса. Расход газа изменялся в диапазоне  0-25 м3/ч, а режим течения жидкости соответствовал значениям Reж =2,5*10Е4,  Reж=4,4*10Е5,   Reж=8,8*10Е5. Результаты экспериментальных исследований представлены на рисунках 1 и 2. Как видно из рисунков ,относительная погрешность исследуемых приборов существенно зависит от наличия газового фактора .

Из графиков следует ,что наличие свободного газа приводит к возникновению дополнительной систематической погрешности .Так, даже незначительное наличие свободного газа (2%) приводит  к дополнительной систематической погрешности приборов, которая  превышает относительную погрешность расходомеров в два раза (рис.1), а при наличии  в магистрали 15% свободного газа – в четыре раза и более (рис.2).

 Представленные в работе экспериментальные исследования показали ,что наличие свободного газа в измеряемой среде приводит к возникновению существенной дополнительной систематической погрешности ,которой нельзя пренебречь. Так, увеличение  расхода свободного газа от 0% до 19% от объема номинального расхода жидкости приводит к превышению относительной погрешности электромагнитного расходомера в четыре раза и более.

 Из вышесказанного следует, что необходимо либо  исключить газовую фазу в воде ,либо устанавливать специальные двухфазные расходомеры, позволяющие определять расход воды с учетом газовой фазы.