УЛЬТРАЗВУКОВОЙ РАСХОДОМЕР
ULTRASONIC FLOWMETER

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к способам измерения расхода жидкостей и газов в трубопроводах без контакта с контролируемой средой.
Изобретение может быть использовано во многих областях промышленности и жилищно-коммунального хозяйства (ЖКХ).
Общей проблемой измерения жидкости и газа является возможность их бесконтактного контроля с достаточной точностью, особенно это относится к контролю в сложных конфигурациях трубопроводов.
Общеизвестны расходомеры жидкостей и газа, применяемые в ЖКХ для измерения расходов горячей и холодной воды (П.П. Кремлевский. Расходомеры и счетчики количества веществ. СПб., Политехника, 2004, стр. 5-3б).
Недостатки: нужна врезка в трубопровод, замена раз в 3-4 года, погрешность измерения до 3,5%.
Известен патент РФ №2411456 С1 «Расходомер жидких и газовых сред в напорных трубопроводах», в котором измерения расхода жидкости и газов производится при помощи накладных расходомеров и оба преобразователя размещены на поверхности трубы в диаметрально противоположных точках. Излучающий преобразователь содержит элемент излучения объемных ультразвуковых волн, выполненный в виде упругого стержня (или трубки, заполненной жидкостью), с изгибом в плоскости осевого сечения трубы по форме дуги, кривизна которой пропорциональна скорости потока в заданном диапазоне скоростей. К концам элемента излучения подключены управляемые линии задержки ультразвуковых импульсов, идущих от генераторов сигналов, размещенных в электронном блоке. Приемный преобразователь выполнен из пьезоэлемента, который имеет звуковой контакт с трубой в точках выхода ультразвуковых импульсов, проходящих через среду в трубе, а также по стенке трубы в поперечном ее сечении. Причем используется вертикальное зондирование двух лучей, которое в случае отсутствия течения попадает на приемный элемент после прохождения через контролируемую среду. В случае присутствия потока времена между излучениями источником двух волн варьируются так, чтобы результирующее колебание, после прохождения через среду, оказалось в точке входа приемного устройства.
Недостатком является то, что измерения с заявленной точностью могут быть проведены только на достаточно длинных прямых участках трубопровода. Принцип работы устройства не позволяет учитывать неравномерный профиль потока, что ведет к снижению точности устройства в условиях сложных конфигураций трубопровода. Данный недостаток обусловлен отсутствием возможности реализации многоплоскостной расходометрии.
Также известно устройство ультразвукового измерения расхода, которое содержит как минимум два обратимых электроакустических преобразователей, каждый из которых имеет диаграмму направленности с углом раствора не менее 60° в разных плоскостях сечения и расположенный таким образом, чтобы ось диаграммы направленности была перпендикулярна к продольной оси трубопровода. Причем внешняя излучающая поверхность каждого электроакустического преобразователя совмещена с внутренней поверхностью трубопровода. Измерения расхода проводят как минимум при помощи двух электроакустических преобразователей. Преобразователи могут быть расположены как друг напротив друга, так и иным образом, например, таким, чтобы ломаная линия проходила от одного преобразователя до другого с точками излома на внутренней поверхности трубопровода (патент РФ №2264602 кл. G01F 1/66 от 20.11.2005 Бюл. №32 «Ультразвуковой способ измерения расхода жидких и/или газообразных сред и устройство для его осуществления»).
Недостаток состоит в том, что предполагается контакт излучающей поверхности преобразователя с контролируемой средой. Это не позволяет применять его в качестве переносного, так как при использовании накладных преобразователей возникла бы неконтролируемая погрешность их взаимного позиционирования, величина которой зависит от их количества. Также это бы сказалось на времени и сложности монтажа.
Другой недостаток состоит в том, что из-за использования врезных датчиков возникают ограничения на область применения устройств, не позволяя применять способ в случае высоких температур контролируемого вещества или, например, агрессивных сред.
Наиболее близким техническим решением является частотный ультразвуковой расходомер (П.П. Кремлевский. СПб., Политехника, 2004 г., стр. 352-357). Например, расходомер с двумя акустическими каналами. Генератор создает колебания ВЧ=10 МГц, которые после прохода через модуляторы поступают к пьезоэлементам, которые излучают и получают колебания, разность этих частот ≈50 Гц и по этой разности и судят о расходе жидкости потока - прототип.
Недостаток: погрешность не ниже 2%, т.к. используется непрерывная частота, излучаемая и принимаемая пачками.
Технической задачей изобретения является повышение точности измерения и удобства системы в эксплуатации.
Технический результат достигается за счет применения линейно-частотной модуляции (ЛЧМ) ультразвукового сигнала и его соответствующей обработки.
Для решения поставленной задачи предлагается следующее:.
Ультразвуковой расходомер, содержащий два акустических канала по потоку и против потока, коммутатор и микроконтроллер, генератор сигналов с линейно-частотной модуляцией, АЦП, полосовой фильтр, смеситель, блок измерения задержки со следующими соединениями: генератор частоты выполнен в виде линейно-частотного генератора, а его выход связан информационной шиной с коммутатором и с вторым входом смесителя, входы-выходы первого и второго пьезоэлектрических элементов соответственно первого и второго акустических канала через коммутатор последовательно соединены с АЦП, полосовым фильтром, смеситель и блок измерения задержки с сигнальным входом микроконтроллера, причем его управляющий выход шиной задания параметров соединен с входом генератора ЛЧМ, а его информационный выход является выходом расходомера.
Задача измерения расхода при помощи ультразвука (УЗ) может быть классифицирована в радиотехнических терминах как задача ближней локации. Одним из наиболее эффективных способов повышения точности измерений временных задержек в задачах ближней локации является использование непрерывного излучения сигналов сложной формы. Такие сигналы позволяют обеспечить более высокое отношение сигнал/шум при ограничениях на мощность излучения, чем импульсные [1]. Среди методов формирования сложных сигналов наибольшее распространение в радио- и ультразвуковой локации получили сигналы с частотной модуляцией (ЧМ) [1].
Как правило, оптимальный прием таких сигналов реализуется при помощи схемы коррелятора. Схема заключается в синхронном излучении и гетеродинировании сигнала на приемнике. Из полученной смеси выделяют низкочастотную составляющую. Выделенный сигнал называется сигналом биения. Он содержит информацию о задержке принятой волны в своей частоте. Таким образом, задача повышения точности измерения ЧМ сигналов заключается в повышении точности измерения частоты их сигналов биения [1].
В условиях наличия помех и паразитных сигналов в локационной среде часто используют линейно-частотно-модулированные сигналы. Их достоинством является однозначное соответствие частоты их сигнала биений задержки волны, отраженной от каждой цели [2].
Непрерывное ЧМ излучение используется во многих приложениях ближней локации в радиотехнических задачах [3], а также в приложениях акустики, например в уровнеметрии [4]; в УЗ дальномерах [5]. Однако авторам неизвестны примеры использования непрерывного сложномодулированного излучения в задачах ультразвуковой расходометрии.
На фиг. 1 показана структурная электрическая схема предлагаемого расходомера, на которой изображено:
1 и 2 - пьезоэлектропреобразователи (первый и второй соответственно) ПЭП1 и ПЭП2
3 - трубопровод
4 - коммутатор
5 - АЦП
6 - полосовой фильтр (например, Баттерворта)
7 - смеситель (СМ)
8 - блок измерения задержки (БИЗ)
9 - микроконтроллер (МС)
10 - генератор линейно-частотной модуляции
11 - ход лучей прямых и отраженных между ПЭП1 и ПЭП2.
Источник питания условно не показан.
На фиг. 2 представлена схема расположения ПЭП1 и ПЭП2 на трубопроводе и пути лучей от ПЭП1 к ПЭП2 и обратно, а также углы падения, преломления и отражения этих лучей (пример для материала трубопровода сталь, толщиной 2 мм, диаметром 41 мм, расстояние между ПЭП1 и ПЭП2 50 мм). Пример приведен для справки и для понимания физических процессов в расходомере.
На фиг. 3 изображен вид принятого сигнала, смешанного с опорным до фильтрации.
На фиг. 4 изображен спектр принятого сигнала, смешанного с опорным до фильтрации в диапазоне до 5 кГц.
На фиг. 5 изображен вид отфильтрованного сигнала биений.
На фиг. 6 изображен спектр отфильтрованного сигнала биений в диапазоне 0-5 кГц.
Схема на фиг. 1 имеет следующие соединения. К трубопроводу 3 с одной стороны крепятся ПЭП1 и ПЭП2, входы-выходы которых через коммутатор 4 соединены с входом АЦП 5, выход которого через фильтр 6 соединен с перьям входом смесителя 7, а выход смесителя 7 через БИЗ 8 соединен с сигнальным входом МС 9, последний шиной задания параметров соединен с генератором ЛЧМ 10, а шиной управления соединен с упр. входом коммутатора 4, а выход генератора ЛЧМ 10 информационной шиной соединен с коммутатором 4 и с вторым входом смесителя 7; выход МС 9 является выходом расходомера.
Схема работает следующим образом.
Излучаемый сигнал имеет вид:
1
м
где А - амплитуда излученного УЗ сигнала; ω=2πf - несущая круговая частота, 2π⋅1 рад⋅МГц; Δω=2πΔf - девиация круговой частоты, 2π⋅440 рад ⋅ кГц; Т - период модуляции, 18 мс.
Принятый с задержкой сигнал имеет вид:
2
2
где А - амплитуда принятого УЗ сигнала; τ - задержка при распространении луча по пути от источника до цели и от цели до приемника. Полный принятый сигнал представляет собой сумму сигналов типа S. Сигналы подаются на смеситель (рис. 2).
см
Выходной сигнал (S) представляет собой следующую комбинацию:
б
c
где S - сигнал разности (сигнал биений); S - сигнал суммы; n - количество принимаемых с разной задержкой сигналов отражений. Вид суммы сигналов биений в диапазоне 0-5 кГц показан на фиг. 3 и его спектр на фиг. 4. На фиг. 3 представлен вид сигнала, полученного после смесителя (фиг. 2), он представляет собой смесь гармоник, с частотами, равными разности и сумме частот опорного и задержанного сигналов. Задержанный сигнал содержит составляющие, соответствующие отражению от всех, в том числе побочных, целей, которые приходят в точку приема. Каждая такая составляющая имеет свою задержку, что соответствует пикам в спектре (фиг. 4). Полезный сигнал при включении, например, по V- образной схеме имеет наибольшую энергию, также его приблизительная позиция может быть определена теоретическим расчетом. Для выделения полезного сигнала используется полосовой фильтр.
Полученный в результате обработки сигнал биений имеет вид:
б
пол
б
где А - амплитуда сигнала биений; τ - задержка полезного сигнала; ϕ - фаза сигнала биений.
В схеме (фиг. 2) с описанными параметрами использовался полосовой фильтр Баттерворта с полосой частот 1100-1600 кГц, 7 порядок. Вид полезного сигнала биений после фильтрации и его спектр показаны на фиг. 5 и фиг. 6. На фиг. 5 видно, что полезный сигнал имеет паразитную амплитудную модуляцию, которая связана с резонансным характером излучения и приема пьезоэлементов. Однако в спектре (фиг. 6) пики амплитудной модуляции не разделяются с пиком основного спектра. Частота полезного сигнала биений определялась алгоритмом оценки частоты, например поиском пика спектра.
Схема на фиг.  1 включает контролируемую среду, помещенную в трубопровод 2; пару пьезопреобразователей (ПЭП1 и ПЭП2), помещенных на внешней стенке трубопровода, коммутатор 4, например реле, переключающий режимы «по потоку» и «против потока»; АЦП 5 (14 бит, частота дискретизации до 100 MSPS NI PXI 4012), генератор сигналов с ЛЧМ 10 (14 бит, частота дискретизации до 100 MSPS NI PXI 5042) и RLC метр. Сигнал подается на пьезопреобразователи, имеющие резонансную частоту 1 МГц. Сигнал с ЛЧМ 10, прошедший через контролируемую среду, оцифровывается АЦП 5 на частоте 10 МГц, выделены операции: смесителя 7 (умножения отсчетов опорного сигнала на отсчеты оцифрованного принимаемого сигнала); полосовой фильтрации (ФПЧ) 6 и измерения частоты сигнала в МС 9, где производится управление, хранение и обработки результатов измерений. Кроме того, управление коммутацией осуществляется также при помощи МК 9.
Все значения частот и другие числовые значения, указанные в описании, выбраны из условий оптимального режима работы с точки зрения получения минимальной погрешности измерения. Следует заметить, что для получения погрешности измерения порядка 1% (современные эталонные расходомеры имеют погрешность порядка 1,5%) требуется произвести не менее 25 измерений с полным временем измерения 0,9 сек. Более подробно об этом описано ниже - "результаты экспериментов".
Результаты экспериментов
Проведена работа по экспериментальному исследованию возможности использования непрерывного линейно-частотного излучения для бесконтактной ультразвуковой расходометрии. В рамках работы был спроектирован лабораторный макет расходомера. Испытания проводились на проливном стенде «НПК ВИЛ», использовался стальной трубопровод с гидравлическим диаметром 41 мм, толщиной стенки 2 мм, в качестве контролируемой среды использовалась водопроводная вода. В ходе испытаний измерялись значения разности времен прохождения сигнала в направлениях по потоку и против него. Оценка времен задержки производилась по корреляционной схеме приема. Информационным параметром являлась частота результирующего сигнала биений. Частота оценивалась по зависимости фазы полученного сигнала биений от времени и методом поиска пика в спектре. ЛЧМ сигнал формировался на несущей частоте 1 МГц, девиация 440 кГц, период модуляции 18 мс. Датчики включались по V-образной схеме.
3
3
Проведены исследования зависимости среднеквадратичного отклонения показаний от скорости потока в диапазоне расходов 0-19 м/ч, что для данного трубопровода соответствует диапазону скоростей 0-4 м/с. Расход определялся методом сличения с эталонным расходомером, заданная скорость высчитывалась из его показаний. Оценка точности производилась как по результатам одинарных измерений, так и с усреднением по совокупности накопленных значений. Для достижения точности (СКО) менее 1% от разности времен пролета для оценки по зависимости фазы сигнала от времени необходимо накопление по 25 измерениям, что для периода модуляции 0,9 с. Для оценки частоты поиском пика в спектре требуется усреднение по 40 измерениям, что соответствует 1,44 с. В результате испытаний показана чувствительность показаний dt, соответствующих изменению скорости потока до 0,01 м/с, что соответствует чувствительности расхода 0,05 м/ч. Повышение точности может быть достигнуто увеличением числа накапливаемых значений каждого показания в корень из этого числа раз.
Проведены исследования зависимости среднеквадратичного отклонения показаний от отношения сигнал/шум. Изменение отношения сигнал/шум достигалось варьированием амплитуды сигнала, подаваемого на излучатель. Собственный шум макета расходомера на входе 2,4 мВ. Показана возможность использования оценки по зависимости фазы от времени при напряжениях на излучателе до 0,05 В (-1 дБ), при меньших значениях для данного алгоритма имеет место пороговый эффект. Для оценки распределения проведены исследования распределения значений в зависимости от скорости потока, все распределения имеют вид, близкий к нормальному распределению.
Таким образом, предлагаемое техническое решение соответствует основному экономическому критерию "стоимость - эффективность".
Список литературы
1. М. Ronkin, A. Kamykov и Е. Khrestina, «Frequency Estimation for Short Realization of Radar Signals II. Results of Tests,» Contemporary Engineering Sciences, т. Vol. 7, №№33, p. 1783-1787, 2014.
2. M. Ronkin, A. Kalmmykov и E. Khrestina, «Frequency estimation for short realization of radar signals II. Results of tests.,» Contemporary Engineering Sciences, т. 7, №33, p. 1783-1787, 2014.
3. M. Ronkin и A. Kalmykov, «Proceeding of CriMiCo2015: 25rd Int. "Crimean Conference Microwave & Telecommunication Technology",» в Investigation of algorithm for measuring short realization of chirp signals, Sevastopol, 2015.
4. С. Костюков и Л.А. Славутский. «РАЗРЕШАЮЩАЯ СПОСОБНОСТЬ УЛЬТРАЗВУКОВОГО УРОВНЕМЕРА С ЦИФРОВОЙ ОБРАБОТКОЙ ЛЧМ СИГНАЛА,» Вестник Чувашского университета, р. 217-221, 2008.
5. S. Hitra, М. Kurosawo и Т. Katagiri, «Cross-Correlation by Single-bit Signal Processing for Ultrasonic distance measurement,)) IEICE trans., Fundamentals, Т. 1, №4, p. 1031-1037, 2008.