СПОСОБ УЛЬТРАЗВУКОВОГО ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ГАЗОВОЗДУШНЫХ ГОМОГЕННЫХ ПОТОКОВ
METHOD FOR ULTRASONIC MEASUREMENT OF PARAMETERS OF GAS-AIR HOMOGENEOUS FLOWS

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в воздушных, газовоздушных и на нефтегазовых потоках в нефтегазовой промышленности, в машиностроении, в медицине, ж/д транспорте и других отраслях промышленности.
Расход является одной из наиболее часто измеряемых характеристик в промышленности. Один из наиболее перспективных методов измерения расхода является ультразвуковой времяпролетный метод. Метод основан на эффекте ускорения или замедления ультразвуковых волн в движущихся потоках в трубопроводах. Таким образом, разница во времени пропорциональна скорости потока:
В общем случае, ультразвуковые времяпролетные расходомеры используются для чистых газов или жидкостей. Некоторые из них допускают до 5% содержания неоднородности в объеме. Такими неоднородными могут быть частицы другой фазы (пузырьки или твердые частицы в жидкости или капли в газах) или турбулентные завихрения, которые могут иметь место даже в однофазных потоках. Это требование связано с возникновением модуляции и отражения (с доплеровским сдвигом частоты)от отражателей, образованных такими неоднородностями в потоке. Поэтому наличие неоднородностей приводит к снижению точности времяпролетных расходомеров.
В случае потока с неоднородностями применяются два принципа измерения расхода (скорости) потока, основанных на использовании ультразвуковых волн: кросс-корреляционные (или меточные) расходомеры и доплеровские расходомеры. Эти два типа расходомеров основаны на эффектах амплитудной модуляции принятого сигнала в первом случае и на измерении доплеровского сдвига частоты сигналов, отраженных от неоднородности во втором случае. Таким образом, точность доплеровских и кросс-корреляционных расходов зависит от наличия вышеупомянутых неоднородностей. Однако во многих случаях в реальных промышленных потоках неизвестен процент неоднородности, это может привести к значительному снижению характеристик этих расходомеров.
В случае, когда неизвестно, присутствует ли неоднородность в потоке или нет, в литературе предложены расходомеры гибридного типа. В таких устройствах используются два принципа работы: времяпролетный (для небольшого процента неоднородности) и доплеровской для противоположного случая. Как правило, ультразвуковые расходомеры используют импульсные сигналы. Однако, было показано, что сигналы с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ) позволяют повысить точность измерений расхода, особенно в случае накладных устройств. Был предложен статистически оптимальный метод обработки сигналов в накладных времяпролетных ультразвуковых расходомерах. Также следует отметить, что в литературе ЛЧМ сигналы предлагаются в качестве альтернативы импульсных для доплеровских и кросскорреляционных расходомеров.
Известен способ измерения расхода газа и ультразвуковой газовый расходомер(патент США №6626049, приоритет от 31.03.2000, G01F 1/66) в котором используются накладные УЗП, возбуждающие ультразвуковую волну. Эта волна пробегает через поток и возбуждает в противоположной стенке волну Лэмба, принимаемую вторым УЗП. Далее, как и в расходомерах обычного типа, используется информация о времени распространения сигнала вверх и вниз по течению. Для уменьшения сигналов, распространяющихся по стенке трубы, используется демпфирующее покрытие, размещенное на поверхности трубы под ультразвуковым преобразователями.
Недостатком является разброс погрешности измерения при различной неоднородности потока, которая увеличивается при повышении неоднородности.
Известен патент РФ №2726289, в котором за счет использования многократного переотражения зондирующего сигнала от внутренней поверхности трубопровода и СПО получают искомый результат: измерение скорости потока.
Недостатком этого гибридного способа является его большая техническая сложность, следовательно стоимость, и все равно недостаточная сложность.
Наиболее близким техническим решением является применение фазоманипулированных сигналов (ФМ) см. Баранин Л.Е. кн. "Теория сложных сигналов", М, Сов. Радио, 1970, 376 стр.
В основу этого способа положен следующий принцип. В качестве строительного элемента (символа) берется короткий прямой угольный радиоимпульс (простой сигнал), а результирующий сигнал оказывается набором простых сигналов, фаза которых от символа к символу является скачком. В общем случае величина скачка фазы может быть производной.
Недостатком общего случая является очень сложная техническая обработка отраженных сигналов и требует очень развитого программного обеспечения, т.е. ФМ является кодом Баркера, состоящий из N символов (большого количества).
Технической задачей изобретения является снижение погрешности измерений с упрощением аппаратурных затрат и программного обеспечения.
Технический результат достигается за счет применения в качестве зондирующих сигналов акустических ультразвуковых широкополосных фазоманипулированных сигналов сложной формы, также корреляционный обработки сигналов отраженных, что позволяет увеличить пользу пропускания и разрешающую способность.
Для решения поставленной задачи предлагается
Способ ультразвукового измерения параметром газовоздушных гомогенных потоков, основанный на применении сложных фазокодоманипулированных зондирующих сигналов, характеризующийся тем, что формируют зондирующий ультразвуковой сигнал с фазовойкодоманипуляцией в виде, например, кода Баркера, излучают его в область контролируемого потока под углом "по" и "против" потока, принимают отраженные сигналы по двум приемным каналам "по" и "против" потока соответственно, усиливают, демодулируются, интегруются во времени, оцифровуются, и измеряют пролетное время задержки зондирующего сигнала, проходящего через поток по двум каналам, и вычисляют скорость потока по формуле.
На фиг. 1 показано структурная электрическая схема способа, как пример для измерения потоков, на которой изображено:
1 - трубопровод
2 - первый приемный канал
3 - второй приемный канал
4 - микроконтроллер
5 - ультразвуковой генератор fo
6 - модулятор
8 и 9 - демодуляторы
10 и 11 - усилители с полосовым фильтром
12 и 13 - фазовые детекторы
14 и 15 - интеграторы
16 и 17 приемники
18 и 19 АЦП, 20 tзадержки
Схема имеет следующие соединения
Выход излучателя 7 зондирующими сигналами (ЗС) направленными под углом а к вертикальной оси трубопровода 1 отражается от его внутренней поверхности и через приемники 16 и 17 связаны с первым 2 и вторым 3 приемными каналами соответственно, где через демодуляторы 8 и 9 и усилители 10 и 11 поступают на сигнальные ходы фазовых детекторов ФД10 и ФД11, выходы которых через интеграторы 14 и 15 через АЦП 18 и АЦП 17 соединены с первым и вторым информационным входом МК4 соответственно; генератор ультразвуковой частоты 3Г 5 выходом fo соединен с третьим информационным входом МК4 и с сигнальным входом модулятора 6, тактовый выход МК4 соединен с управляющим входом модулятора 6, выход которого соединен с излучателем 7, расположенным как и приемники 16 и 17 на внешней стороне трубопровода 1, управляющий выход МК4 через t зaдepжки 20 соединен с опорными входами демодуляторов 8 и 9. Источник питания и его соединения условно не показаны. Шины синхронизации МК4 с узлами и блоками также системы условно не показаны.
1
На фиг. 2 изображена как пример диаграмма получения сложного сигнала на основе фазоманипулированных переключений, где на а) показан простой сигнал fо генератора 5 с длительностью  и шириной спектра
На б) показано как пять простых сигналов составляют сложный, первый символ которого по фазе совпадает с простым, обозначим его фразу как "0", второй символ стоит вплотную к первому и перевернут по фазе  третий и четвертый имеют ту же фазу, что и первый, и т.д.
В результате создается кодовое слово из пяти символов "0 π 0 0 π".
На в) показан пример пятиразрядного результирующего кода Баркера.
Схема работает следующим образов. В основу положен принцип формирования сложного сигнала на использования фазоманипуляции простой синусной последовательности, fo в код Баркера, для чего генерируется простая синусоидальная последовательность ультразвуковой частоты, из которой на коммутаторе формируется пятиразрядная кодовая последовательность сложного сигнала заданной длительности, которая излучается под определенным углом в трубопровод "по" и "против" потока, принимаются ультразвуковыми преобразователями отраженные от внутренностей поверхности трубопровода сигналы по двум каналам "по" потоку и "против" потока, усиливаются, демодулируются вычисляются при этом первичные синусоидные напряжения (восстанавливаются), зачем используются в расчете скорости потока. Причем сигналы оцифровываются и на микроконтроллере, используют информацию о времени распространения сигнала "по" и "против" потока, а также зная диаметр трубопровода и скорость звука в измеряемой среде определяют скорость потока по формулам:
τ 1,2 - задержка "по" и "против" потока
D - диаметр трубопровода
С - скорость звука в среде измерения
π - число пи
n
тогда скорость потока V равна
Расход
Для более точного измерения можно взять примерно 10 периодов повторения кода Баркера, а разрядность этого кода можно взять значительно больше (на порядок).
Заметим, что вложения в схему корреляционных фильтров для фильтрации фазоманипулированных сигналов с выходов ФД устраняет искажения переходных процессов.
Применение данного способа позволяет снизить уровень при коммутации паразитных сигналов, а это в свою очередь позволяет повысит точность измерения параметров потока, причем даже очень малых скоростей расходов.
Предложенный способ, по сравнению с существующими, например, с механическими, где непользуются встроенные внутрь трубопровода турбинки, а также корреляционные способы на основе пьезодатчиков, обладает следующими преимуществами:
- повышенной точностью определения параметров потока за счет применения сложных зондирующих сигналов
- повышенной помехоустойчивости также за счет применения сложных сигналов
- отсутствие врезок в трубопровод, отсюда простота конструкции и низкие ГМХ за счет применения простых ИМС
- прозрачный алгоритм электрической принципиальной схемы и простота программного обеспечивания.
Таким образом предлагаемое техническое решение полностью соответствует основному экономическому постулату «стоимость- эффективность».
Литература:
1. «Мир Электроники Справочник», современные датчики Дли. Фрайден, изд. Техносфера, М, 2005 г.
2. Авторское свидетельство СССР №649125 «Корреляционный фильтр для сигнала биеный…»
3. Баранин Л.Е. кн. «Теория сложных сигналов», М, Сов. Радио, 1970 г.
4. «Введение в теорию и технику радиотехнических систем» Ю.С.Левин, М, Радио и связь, 1986 г, стр. 190-191.
5. «Помехозащищенность радиосистем со сложными сигналами», под ред. Т.Н. Тузова, М, Радио и связь, 1985 г, стр. 200- 207.