اصل جریان سنج اولتراسونیک: اطلاعات کلیدی

دراندازه گیری جریان اولتراسونیکداده‌های سرعت سیال از ویژگی‌های انتشار امواج صوتی که از طریق محیط حرکت می‌کنند-چه مایع و چه گاز در یک بخش لوله به دست می‌آید. اصل جریان سنج اولتراسونیک اساساً بر اندازه گیری تغییرات زمان عبور یا جابجایی فرکانس است که هنگام تعامل امواج صوتی با سیال متحرک رخ می دهد. تولید سیگنال، کیفیت انتقال و دریافت پژواک در مجموع تعیین می کند که آیا دستگاه خوانش های حجمی دقیقی را ارائه می دهد یا خطاهای سیستماتیک را در زنجیره اندازه گیری وارد می کند.

روش زمان عبور همچنان رویکرد غالب در طراحی فلومتر اولتراسونیک مدرن است. هنگامی که پزشکان برای اولین بار با این فناوری روبرو می شوند، اغلب میزان اهمیت پردازش سیگنال را دست کم می گیرند. سیگنال‌های پژواک خام از مبدل‌های پیزوالکتریک به‌عنوان سینوسی تمیز نمی‌رسند-آن‌ها نویز، تغییرات دامنه و اعوجاج‌های فازی را حمل می‌کنند که باید قبل از انجام هر گونه محاسبه جریان معنی‌دار انجام شود.

در سال 1981، ساندرسون و همپ کار اساسی را در مورد روش‌های تشخیص سیگنال برای سنج‌های جریان اولتراسونیک ترانزیت{1}} منتشر کردند. مشارکت آنها بین تکنیک‌های پردازش دامنه زمانی{3}}دامنه و فرکانس{4}} تمایز قائل شد. روش‌های دامنه زمانی-معمولاً از انتقال تک پالس-و ردیابی ویژگی‌های شکل موج خاص-معمولاً صفر-نقطه‌های عبور یا محرک‌های آستانه استفاده می‌کنند. رویکردهای دامنه فرکانس{11}}در عوض محتوای طیفی را بررسی می‌کنند. هرکدام دارای معاوضه هایی هستند که تا زمانی که با نصب های میدانی واقعی سروکار نداشته باشید، فوراً آشکار نمی شوند.

رابطه بین دوره پالس اولتراسونیک و سرعت صوت، همراه با چگونگی مقیاس طول موج با سرعت صوتی، تعیین می کند که کدام استراتژی پردازش منطقی است. در طرح‌های زمان‌بندی تک- پالس، متر یک انفجار را ارسال می‌کند، منتظر دریافت می‌ماند، سپس زمان رسیدن را تخمین می‌زند. در تئوری به اندازه کافی ساده است. واقعیت مستلزم شناسایی بخشی از شکل موج دریافتی با زمان عبور "صحیح" است-و اینجاست که تشخیص عبور صفر وارد تصویر می شود.

تشخیص عبور صفر، آستانه ولتاژ را تعیین می کند. هنگامی که سیگنال اکو از این سطح فراتر رود، سیستم زمان بندی را آغاز می کند و متعاقباً لحظه عبور شکل موج از صفر را اندازه گیری می کند. این رویکرد برای چندین دهه یک روش استاندارد بوده است. ولتاژ آستانه مرجعی را ایجاد می کند که شکل موج دریافتی با آن مقایسه می شود و اولین صفر{3}}بعد از شکست آستانه، رویداد "توقف" را برای مدار زمان بندی نشان می دهد.

این پدیده در بیشتر نمودارهای متون فنی نشان داده شده است-یک پوشش پژواک نوسانی که در آن قله های شماره گذاری شده (با برچسب 1، 2، 3، 4) بالقوه صفر هستند-. انتخاب اینکه کدام صفر-تقاطع استفاده شود دلخواه نیست. شما باید تکرارپذیری اندازه‌گیری‌های خود را نشان دهید، اما نوسانات در دامنه سیگنال می‌تواند باعث شود اولین پیکی که از آستانه فراتر می‌رود، جابه‌جا شود، که منجر به پدیده نگران‌کننده "پرش چرخه"-زمان انتشار اندازه‌گیری‌شده پرش از یک چرخه کامل موج می‌شود.

برای بهبود استحکام می‌توان چندین نقطه صفر-را ردیابی کرد. برخی از ابزارها چندین تقاطع را شناسایی می کنند و از بررسی سازگاری برای رد نقاط پرت استفاده می کنند. این امر سربار محاسباتی را اضافه می کند اما به طور قابل توجهی حساسیت به خطاهای زمان بندی ناشی از دامنه-را کاهش می دهد.

ایناصل کار فلومتر اولتراسونیکزمانی که با کاربردهای گازی به جای مایعات سروکار داریم، بسیار پیچیده تر می شود. گاز تقریباً سه مرتبه امپدانس صوتی کمتری در مقایسه با محیط مایع دارد. تضعیف سیگنال شدید است. در جایی که یک مبدل مایع-کوپل شده ممکن است پژواک‌های سطح میلی‌ولت- را دریافت کند که نیاز به تقویت متوسطی دارند، اندازه‌گیری‌های گاز اغلب به افزایش بیش از 60 دسی بل نیاز دارند تا پالس دریافتی از نویز پس‌زمینه را حل کنند.

اندازه‌گیری جریان گاز با فناوری گذر{0}}زمان اولتراسونیک چالش‌هایی را ایجاد می‌کند که کاربردهای مایع به سادگی با آن مواجه نیستند. جفت صوتی بین مبدل و محیط به طور قابل توجهی با رسانه های گازی تخریب می شود. سرعت صوت در گاز با ترکیب، فشار و دما بسیار بیشتر از مایعاتی است که ممکن است چند درصد باشد.

در نظر بگیرید که در یک شبکه توزیع گاز چه اتفاقی می افتد. همان لوله، همان سخت افزار متر اولتراسونیک، اما فشار با تقاضا در نوسان است. هر تغییر فشار، امپدانس صوتی را تغییر می‌دهد، دامنه سیگنال دریافتی را تغییر می‌دهد، و به طور بالقوه باعث می‌شود که سیستم‌های زمان‌بندی مبتنی بر آستانه ({2}}آستانه) به نقاط مختلف صفر- متصل شوند. حتی اگر توان حجمی واقعی ثابت بماند، خواندن جریان حاصل تغییر می‌کند.

آشفتگی این مشکلات را تشدید می کند. در اعداد رینولدز بالاتر، پروفیل‌های سرعت به طور فزاینده‌ای-در سطح مقطع لوله- یکنواخت نمی‌شوند. تفاوت زمان عبوری که یک متر اولتراسونیک اندازه می‌گیرد، نشان‌دهنده یک مسیر است-سرعت متوسط-نه میانگین سرعت واقعی که با ادغام در کل منطقه جریان بدست می‌آورید. عوامل تصحیح (جبران نمایه) این تناقض را توضیح می دهند، اما آنها شرایط جریان نسبتاً خوب را- فرض می کنند. اختلالات یا چرخش ورودی نامتقارن را ایجاد کنید و آن عوامل اصلاحی کمتر قابل اعتماد می شوند.

مدارهای AGC -کنترل بهره خودکار- تلاش می‌کنند تا دامنه اکو را بدون توجه به میزان کاهش سیگنال در طول انتشار، عادی کنند. وقتی مرحله AGC دستگاه به درستی کار می‌کند، تغییرات دامنه ناشی از تغییر مسیر-القای جریان، تغییرات ویژگی صوتی مربوط به دما-، یا تخریب تدریجی مبدل زمان‌بندی عبور از صفر را خراب نمی‌کند. با این حال، AGC در صورت عدم اجرای دقیق، مصنوعات زمان بندی خود را معرفی می کند. جابه‌جایی فاز از طریق حلقه کنترل بهره می‌تواند به عنوان اختلاف زمان ترانزیت ظاهر شود.

طراحی الکترونیک ثانویه در یک جریان سنج التراسونیک گازی شامل متعادل کردن ملاحظات سیگنال-به-در برابر نیاز به زمان‌بندی پایدار و قابل تکرار است. یکی از پیکربندی‌های رایج از ترکیبی از AGC دیجیتال (پیاده‌شده در سیستم‌افزار) در کنار مراحل آنالوگ AGC با استفاده از اجزایی مانند تقویت‌کننده بهره متغیر AD8367 استفاده می‌کند. رویکرد ترکیبی دامنه دینامیکی را گسترش می دهد در حالی که اعوجاج را در محدوده قابل قبول نگه می دارد.

ultrasonic flow measurement

هر عاملی که باعث از دست دادن سیگنال شود بر کیفیت اندازه گیری تأثیر می گذارد. سرعت جریان بیشتر به معنای انحراف مسیر صوتی طولانی‌تر به دلیل همرفت است-پرتو صوت مستقیماً در طول لوله حرکت نمی‌کند، بلکه یک مسیر منحنی را دنبال می‌کند. لوله‌های{3}}قطر کوچک اثرات لایه مرزی مشخصی را نشان می‌دهند که در آن مجاورت دیوار، گرادیان‌های سرعت محلی را تغییر می‌دهد.

جلوه‌های لبه از دیواره‌های لوله اندازه‌گیری، عوارض بیشتری را برای طرح‌های جریان سنج{0}زمان انتقال اولتراسونیک ایجاد می‌کند. امواج صوتی در تعامل با مرز مجرا شکست و بازتاب جزئی را تجربه می کنند. در لوله های باریک، این فعل و انفعالات مرزی بر شخصیت سیگنال دریافتی تسلط دارند. عرض پرتو صوتی نسبت به قطر لوله مهم است. پرتوهای عریض تر، نفوذ دیوار را بیشتر می بینند.

جریان‌های گاز غنی از CO2{0}}چالش‌های خاصی را ایجاد می‌کنند. دی اکسید کربن انرژی آکوستیک را در فرکانس های خاص بسیار تهاجمی تر از هوا یا گاز طبیعی جذب می کند. محتوای بالای CO2 دامنه سیگنال را کاهش می دهد، به طور بالقوه زیر آستانه تشخیص. نویز محیطی{4}}چه از تنظیم کننده‌های فشار بالادست، چه دریچه‌های حفره‌ای یا منابع ارتعاش خارجی{5}}سیگنال‌های جعلی را تزریق می‌کند که می‌تواند باعث عبور از آستانه کاذب شود.

دستیابی به فرکانس های اندازه گیری بالاتر از 20 کیلوهرتز اغلب برای به دست آوردن سیگنال کافی-تا-حاشیه نویز در محیط های صنعتی پر سر و صدا ضروری است. فرکانس‌های پایین‌تر بیشتر منتشر می‌شوند، اما بیشتر مستعد تداخل صوتی محیط هستند. فرکانس‌های بالاتر در گاز سریع‌تر تضعیف می‌شوند، اما ایمنی بهتری نسبت به صدای کارخانه با فرکانس پایین- دارند.

بی‌ثباتی شکل سیگنال منبع اشتباه اندازه‌گیری در اندازه‌گیری جریان اولتراسونیک است. پژواک ها پروفایل های یکسانی را از یک اندازه گیری به اندازه گیری بعدی حفظ نمی کنند. چرخه دما فرکانس رزونانس مبدل را تغییر می دهد. رسوبات روی پورت های آکوستیک تطابق امپدانس را تغییر می دهد. خوردگی دیواره لوله ویژگی های بازتاب مرزی را تغییر می دهد.

وقتی شکل موج پژواک تغییر می‌کند، طرح‌های تشخیص مبتنی بر آستانه به طور متفاوتی به هر قطار پالس پاسخ می‌دهند. چیزی که در راه اندازی به خوبی کار کرد ممکن است پس از چند سال کارکرد، سوگیری سیستماتیک ایجاد کند. تکنیک‌های همبستگی متقابل-که در آن شکل موج دریافتی با یک مرجع ذخیره‌شده مقایسه می‌شود-ایمنی بهتری نسبت به تغییرات شکل ارائه می‌کند اما به منابع محاسباتی بیشتر و مدیریت دقیق سیگنال مرجع نیاز دارد.

مسیر انتشار به خودی خود از نظر هندسی ثابت نیست. شکست ناشی از گرادیان های سرعت (برش بین جریان هسته سریعتر و لایه های مرزی کندتر) پرتو صوتی را خم می کند. در طرح‌های چندمسیره‌سنج، این اثر به‌عنوان قرائت‌های سرعت وابسته به مسیر{2}} ظاهر می‌شود که کاملاً میانگین سرعت توده مورد انتظار نیست.

ultrasonic flow measurement

دریافت اندازه‌گیری‌های تفاضل زمانی قابل اعتماد حمل و نقل{0}} نیازمند توجه به چندین جزئیات ابزار دقیق است. تفکیک زمان باید به طور قابل ملاحظه ای از اختلاف زمانی موردانتظار عبور- بیشتر باشد. برای جریان‌های گازی با سرعت کم، Δt ممکن است فقط چند نانوثانیه باشد-که نیاز به دیجیتالی کردن زمان کلاس پیکوثانیه{6}} داشته باشد. تراشه‌های TDC (زمان-به-مبدل دیجیتال) تولیدکنندگانی مانند ams به وضوح 90ps می‌رسند و امکان اندازه‌گیری تفاوت‌های ترانزیت ناشی از جریان را حتی در شرایط چالش برانگیز فراهم می‌کند.

جبران دما غیرقابل مذاکره-است. هم سرعت صوت در محیط و هم ویژگی‌های مبدل با دما تغییر می‌کنند. ابزارهای جبران نشده همبستگی بین نوسانات دما و خوانش جریان ظاهری را نشان می دهند که هیچ ارتباطی با تغییرات توان عملیاتی واقعی ندارند.

اصل جریان سنج اولتراسونیک تشخیص تلاقی صفر در نهایت به تعیین آستانه پایدار، ویژگی‌های رسیدن شکل موج ثابت، و کنترل بهره که به درستی طراحی شده است، بستگی دارد. این عناصر به روش هایی با هم تعامل دارند که همیشه شهودی نیستند. اگر پاسخ فاز با تنظیم بهره تغییر کند، تقویت‌کننده «بهتر» لزوماً به معنای اندازه‌گیری بهتر جریان نیست.

سیالات تمیز و تک فاز با ترکیب پایدار، شرایط ایده آلی را برای ترانزیت-جریان سنج اولتراسونیک زمانی ارائه می کنند. کاربردهای انتقال نگهبانی در خطوط لوله گاز طبیعی به شدت به مترهای اولتراسونیک چند مسیره تکیه می کنند، دقیقاً زیرا-هنگامی که به درستی نصب و کالیبره شوند{4}}دقت آن ها برابر یا فراتر از متر توربین بدون بار تعمیر و نگهداری قطعات متحرک است.

برعکس، جریان‌های گاز کثیف با مایعات حباب‌شده، ترکیبات با تغییرات سریع یا بارگذاری ذرات قابل توجه مرزهای این فناوری را فراتر می‌برند. پراکندگی سیگنال از مواد معلق می تواند انعکاس مستقیم-مسیر را با بازتاب های پراکنده تحت تأثیر قرار دهد. مترهای اولتراسونیک مبتنی بر داپلر با چنین شرایطی بهتر برخورد می کنند، هرچند با دقت کمتر.

نکته اولیه برای پزشکان: قبل از تعیین اندازه‌گیری جریان اولتراسونیک، شرایط فرآیند خود را درک کنید. ایناصل جریان سنج اولتراسونیکعملکرد ساده به نظر می رسد-زمان حمل و نقل را اندازه گیری کنید، سرعت محاسبه کنید-اما ارائه نتایج قابل اعتماد در شرایط عملیاتی واقعی مستلزم تطبیق معماری ابزار دقیق با نیازهای برنامه است.

فلومترهای گاز مافوق صوت معاصر به طور فزاینده ای از تکنیک های پردازش سیگنال دیجیتالی استفاده می کنند که یک دهه پیش از نظر محاسباتی ممنوع بودند. همبستگی-مبتنی بر زمان--تعیین پرواز، الگوریتم‌های فیلتر تطبیقی، و برازش شکل موج مبتنی بر مدل-همگی پیشرفت‌های بالقوه‌ای را نسبت به رویکردهای عبور ساده آستانه/صفر- ارائه می‌دهند.

ادغام این الگوریتم‌ها در یک-راه‌حل‌های تراشه-ترکیب درایورهای مبدل، جلوی آنالوگ-، ADC و پردازش دیجیتال در دستگاه‌های یکپارچه-به‌طور چشمگیری پیچیدگی اجرا را کاهش داده و عملکرد را بهبود می‌بخشد. سازندگانی مانند تگزاس اینسترومنتز و ماکسیم اکنون IC های سنجش اولتراسونیک ویژه کاربردی را با استفاده از-به موقع-به-تبدیل دیجیتال و محاسبه همبستگی ارائه می دهند.

برای کاربران نهایی، این به معنی مترهایی است که کالیبراسیون را در طول زمان بهتر حفظ می‌کنند، تداخل را به طور مؤثرتر رد می‌کنند و اطلاعات تشخیصی را ارائه می‌دهند که نشان می‌دهد زمانی که شرایط فرآیند محدودیت‌های دقت اندازه‌گیری را افزایش می‌دهند. اساسیاصل جریان سنج اولتراسونیکتغییر نکرده است، اما نحوه اجرای این اصل همچنان در حال پیشرفت است.

دقت اندازه‌گیری در کاربردهای جریان اولتراسونیک در نهایت نشان‌دهنده دقت در تطبیق معماری پردازش سیگنال با شرایط عملیاتی فیزیکی است. گذر{1}}تشخیص زمان غالب باقی می‌ماند، اما الکترونیک و الگوریتم‌های پشتیبانی کننده تعیین می‌کنند که آیا دقت نظری به قابلیت اطمینان عملی ترجمه می‌شود یا خیر.