Спектральная обработка сигналов в ультразвуковых расходомерах систем водоснабжения

Размещено на http://www.allbest.ru/

На правах рукописи

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

СПЕКТРАЛЬНАЯ ОБРАБОТКА СИГНАЛОВ В УЛЬТРАЗВУКОВЫХ РАСХОДОМЕРАХ СИСТЕМ ВОДОСНАБЖЕНИЯ

НИКАНДРОВ М.В.

Казань - 2009

Работа выполнена на кафедре управления и информатики в технических системах в ФГОУ ВПО «Чувашский Государственный Университет им. И.Н.Ульянова», г. Чебоксары

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор

Славутский Леонид Анатольевич, ФГОУ ВПО «Чувашский Государственный Университет им. И.Н.Ульянова», г. Чебоксары

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Саиткулов Владимир Гельманович,

ГОУ ВПО «Казанский государственный технический университет им. А.Н. Туполева», г. Казань кандидат технических наук, Михеев Георгий Михайлович

ООО «Научно-производственное предприятие Инженерный центр», г. Чебоксары

Ведущая организация: ОАО "Электроприбор", г. Чебоксары

Защита состоится «11» февраля 2010 года в __ часов __ мин. на заседании диссертационного совета Д212.079.04 при ГОУ ВПО «Казанский государственный технический университет (КГТУ) им. А.Н. Туполева» по адресу 420111, г. Казань, ул. К. Маркса, д.31/7

Ваши отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просим выслать по адресу: 420111, г. Казань, ул. К. Маркса, д.10, на имя ученого секретаря

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Казанского государственного технического университета им. А.Н. Туполева, с авторефератом - на сайте КГТУ: http://www.kai.ru.

Автореферат диссертации разослан «29» декабря 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, профессор В.Р. Линдваль

1. Общая характеристика работы

Актуальность. Энергосбережение, энергоэффективность, оптимальное использование производственных мощностей и природных ресурсов стали ключевыми направлениями развития современного промышленного предприятия. Один из способов повышения энергоэффективности предприятия - создание информационно-измерительных систем (ИИС) водоснабжения. Сегодня такие системы стали особенно актуальны, так как, с одной стороны, быстро нарастает усложнение инженерных систем, что делает необходимым их интеграцию, с другой стороны, удорожание энергоресурсов обостряет потребность в энергосберегающих технологиях. Создание ИИС позволяет экономить энергоресурсы за счет их более эффективного использования на основе достоверной и оперативной информации, быстрого обнаружения и локализации аварийных ситуаций. Основой ИИС водоснабжения являются датчики расхода воды и теплоносителя. Существует несколько методов определения расхода жидкости: электромагнитные, вихревые, ультразвуковые и т.д. (В.М. Ильинский, А.Ш. Киясбели, П.П. Кремлевский).

Для труб среднего и большого диаметра предпочтительно применение ультразвуковых расходомеров, основными достоинствами которых являются отсутствие гидравлического сопротивления, помехозащищенность, быстродействие.

Существуют три основные методики определения расхода жидкости при помощи ультразвука: времяимпульсный метод, доплеровские измерения, метод сноса ультразвукового сигнала (корреляционный). Наибольшее распространение получили времяимпульсный метод и доплеровские измерения.

Возможности уменьшения погрешности измерения временных интервалов (времяимпульсные расходомеры) и частотного сдвига (доплеровские расходомеры) на сегодняшний момент практически исчерпаны. С другой стороны, погрешность измерения расхода жидкости определяется гидродинамическими характеристиками потока (профиль скорости потока, состояние стенок трубопровода, параметры фазовых включений). Эти параметры априорно задаются при вычислении расхода полуэмпирическими формулами, часто - со значительными методическими погрешностями.

Поэтому цифровая спектральная обработка ультразвуковых сигналов с использованием современных быстродействующих микропроцессорных средств, позволяющая оценить эти гидродинамические параметры, дает возможность уменьшить погрешность измерения расхода жидкости. Применение спектрального метода позволяет расширить функциональные возможности ультразвуковых расходомеров и определить расход жидкости в частично заполненных трубопроводах и каналах. Использование комплекса ультразвуковых расходомеров дает возможность создать высокоэффективную автоматизированную информационно-измерительную систему водоснабжения на современном предприятии и, соответственно, повысить энергоэффективность предприятия.

Таким образом, разработка новых способов обработки сигналов в ультразвуковой расходометрии и их применение в комплексах водоснабжения позволяет расширить функциональные возможности и уменьшить погрешность ультразвуковых расходомеров, что определяет актуальность диссертационной работы.

Объектом исследования являются ультразвуковые расходометры в составе информационно-измерительной системы водоснабжения промышленного предприятия.

Предметом исследования являются способы обработки сигналов ультразвуковых расходомеров жидкости напорных и открытых трубопроводов.

Целью работы является расширение функциональных возможностей и уменьшение погрешности ультразвуковых расходомеров.

Научная задача заключается в разработке новых способов обработки сигналов ультразвуковых расходомеров напорных и открытых трубопроводов.

Решение поставленной задачи проводилось по следующим основным направлениям:

1. Теоретический анализ распространения ультразвуковых сигналов в волноводе, образуемого стенками трубопровода, и разработка методики восстановления профиля скорости потока жидкости по модовой структуре волнового поля. Разработка схемы ультразвукового расходомера, позволяющего на основе цифровой обработки ультразвуковых сигналов спектральным методом восстанавливать профиль скорости потока жидкости.

2. Разработка способа ультразвукового контроля открытого потока жидкости при доплеровских ультразвуковых измерениях. Разработка схемы ультразвукового доплеровского расходомера с уменьшенной случайной погрешностью измерения расхода жидкости в трубопроводе.

3. Определение принципов построения эффективной информационно-измерительной системы водоснабжения на базе комплекса ультразвуковых расходомеров.

Методы исследования. При решении поставленных задач использовались методы математической физики, математическое моделирование и цифровая обработка сигналов, теория автоматического управления и теория измерений.

Экспериментальные исследования проводились при помощи современных цифровых средств измерения. При обработке результатов экспериментальных и теоретических исследований широко применялось современное программное обеспечение.

Достоверность полученных результатов определялась параллельными расчетами различными методами и сравнением теоретических результатов с экспериментальными данными.

Научная новизна и теоретическая значимость работы определяется следующими основными результатами, полученными автором лично:

1. Разработан способ контроля профиля скорости потока в трубопроводе по модовой структуре ультразвукового сигнала.

2. Показано, что спектральная обработка сигналов в ультразвуковой расходометрии позволяет учитывать характеристики фазовых включений, профиль скорости потока жидкости, уменьшить случайную погрешность определения расхода жидкости, определить расход жидкости в частично заполненных трубопроводах.

3. Показано, что спектральная обработка сигналов в ультразвуковых расходомерах позволяет существенно расширить функциональные возможности и уменьшить погрешность информационно-измерительной системы водоснабжения.

Практическая ценность

1. Предложена принципиальная схема ультразвукового устройства, позволяющего наряду с интегрированным расходом контролировать профиль скорости потока жидкости в трубопроводе. Это дает возможность увеличить точность измерения расхода и предложить методику технологического контроля стенок трубопровода и параметров жидкости.

2. Предложенная схема доплеровского контроля с использованием спектрального анализа ультразвуковых сигналов позволит уменьшить статистическую погрешность измерения расхода, расширить рабочий диапазон измерения расхода жидкости и определять расход в частично заполненных трубопроводах и каналах.

3. Предложены принципы построения эффективной информационно-измерительной системы водоснабжения на базе комплекса ультразвуковых расходомеров, которые позволяют повысить энергоэффективность предприятия.

Реализация результатов работы. Результаты работы использованы при построении информационно-измерительной системы водотеплоснабжения и учета энергоресурсов ОАО «Чебоксарский агрегатный завод», что подтверждено соответствующим актом.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы обсуждались на Российском национальном симпозиуме по энергетике, г. Казань, 2001 г.; IV и V Всероссийских научных конференциях «Динамика нелинейных и дискретных систем», г. Чебоксары, 2001, 2003 г.; IV и V Всероссийских научных конференциях «Информационные технологии в электротехнике и электроэнергетике», г. Чебоксары, 2002, 2004 г.; XII Научной школе «Нелинейные волновые процессы 2004», г. Нижний Новгород, 2004 г.; Всероссийской научной конференции «Информационные технологии в науке, образовании и производстве», г. Казань, 2007 г.

Публикации. По результатам исследований опубликовано 19 научных работ, из них три статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. На предложенные технические решения получен патент на полезную модель РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка цитируемой литературы (158 наименований), приложений и изложена на 144 страницах машинописного текста, содержит 3 таблицы и 48 рисунков. Приложения к диссертации представлены на 4 страницах.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Способ измерения профиля скорости потока жидкости на основе спектрального анализа импульсных сигналов, схема соответствующего устройства, которое может использоваться как ультразвуковой расходомер, так и для технологического контроля состояния трубопровода и свойств жидкости.

2. Способ ультразвукового контроля открытого потока жидкости на базе спектрального анализа доплеровских ультразвуковых сигналов, позволяющий осуществлять контроль расхода в частично заполненных трубопроводах и уменьшить случайную погрешность доплеровских расходомеров напорных трубопроводов.

3. Принципы построения информационно-измерительных систем водоснабжения на базе комплекса ультразвуковых расходомеров, которые позволяют повысить энергоэффективность предприятия и экономить природные ресурсы.

2. Основное содержание работы

Во введении обосновывается актуальность развития методов и средств контроля и учета параметров потребления воды и теплоносителя, совершенствования ультразвуковых систем измерения расхода жидкости, разработка новых методов обработки ультразвука, сформулированы цели и задачи работы, ее основные положения.

В первой главе рассмотрены основные методы измерения расхода жидкости. Отмечены их достоинства и недостатки. Показано, что для труб среднего и большого диаметра предпочтительно применение ультразвуковых расходомеров.

Для получивших наибольшее распространение ультразвуковых времяимпульсных расходомеров подробно проанализированы составляющие среднеквадратичной погрешности: вариации диаметра расходомерного участка, угла излучения акустических колебаний в поток, скорости ультразвука, гидродинамического коэффициента, измерения интервала времени прохождения сигнала, реверберации ультразвуковых волн в преобразователе. Наличие большого количества факторов, влияющих на погрешность измерения расхода, в значительной степени связано с тем, что профиль скорости потока задается априорно.

Рисунок 1 - Конфигурация задачи и схема экспериментальных измерений

Отмечены основные моменты, влияющие на профиль скорости потока: коэффициент шероховатости стенок трубопровода (меняется в зависимости от состояния трубы в шестьдесят раз); динамическая вязкость жидкости (меняется в зависимости от температуры (10-90С) в шесть раз); отложения солей на стенках трубопровода составляют за год в среднем 4% от диаметра. Таким образом, определение профиля скорости потока за счет цифровой обработки ультразвуковых сигналов позволяет учитывать изменяющиеся параметры и тем самым уменьшить погрешность измерения расхода. Показано, что оценка профиля актуальна для измерения расхода открытого потока жидкости в незаполненных трубопроводах и каналах.

Во второй главе на основе экспериментальных и теоретических исследований показано, что спектральный анализ импульсных ультразвуковых сигналов позволяет увеличить точность измерения расхода жидкости и контролировать профиль скорости потока жидкости в трубопроводе. Поскольку профиль скорости потока жидкости определяется вязкими свойствами жидкости и состоянием стенок трубопровода, полученные результаты могут использоваться для технологического контроля системы водоснабжения. Подход, который и развивается в данной главе, состоит в том, чтобы обобщить некоторые из результатов, полученных для неподвижной среды при помощи Абелевой инверсии, на рассматриваемый случай среды с течением. Задача рассмотрена в модовой постановке, а именно, когда из эксперимента известны частотные зависимости распространяющихся сигналов.

Рассмотрен случай плоскослоистой среды, т. е. невозмущенные параметры среды не зависят от декартовых координат и , но меняются в зависимости от координаты ( - соответствует середине волновода). Пусть скорость течения направлена горизонтально по оси , не зависит от времени и значительно меньше скорости звука в жидкости. На рисунке Рисунок 1 показана конфигурация задачи и схема экспериментальных измерений.

В слоисто-неоднородной среде, где пространственная неоднородность определяется одной координатой, поле описывается уравнением Гельмгольца с соответствующими граничными условиями, для давления , с эффективным волновым числом, зависящим от скоростей звука и течения , плотности среды :

Профиль скорости при ламинарном течении жидкости рассчитывается по следующей формуле

где - ширина волновода, - скорость течения в центре волновода.

В среде, параметры которой не зависят от времени (мы можем сделать такое предположение ввиду довольно незначительного промежутка времени измерения по сравнению со временем изменения параметров потока, а именно температуры, плотности и т. п.), можно найти решение (1) в виде спектрального представления по времени

где - волновые числа (постоянные распространения) для каждой из мод, - пространственное распределение каждой моды по координате .

Выражение в квадратных скобках представляет собой пространственное распределение волнового поля на фиксированной частоте. Пространственная структура по координате первых трех мод () показана на рисунке Рисунок 1. Интегрирование (3) по частоте позволяет при помощи обратного преобразования Фурье получить временную форму ультразвукового сигнала.

Расчеты и экспериментальные измерения проводились при импульсном возбуждении ультразвуковых сигналов. Характерная форма используемого ультразвукового импульса и его спектр представлены на рисунке Рисунок 2а и 2б соответственно. Они соответствуют импульсному возбуждению пьезоэлектрического ультразвукового преобразователя с резонансной частотой . В экспериментальных измерениях по схеме (рисунок Рисунок 1) ультразвуковые импульсы регистрировались АЦП с частотой оцифровки 50 МГц, что обеспечивает дискретизацию сигнала для основных спектральных составляющих не менее 30 точек на период и соответствует их восстановлению с точностью не менее 1%.

Расчеты ультразвуковых полей в их спектральном представлении в соответствии с решением (3) проводились для сигнала, показанного на рисунке Рисунок 2а. Проведено численное моделирование ультразвукового поля в волноводе различной толщины и разными скоростями (профилем) потока жидкости (рисунок Рисунок 2в).

Рисунок 2 - Временная форма (а) и спектральная плотность (б) ультразвукового сигнала, (в) спектральная плотность ультразвукового сигнала в волноводе без вязкости при наличии течения по направлению (1) и против (2) распространения ультразвука

Как видно из рисунка, в спектре сигналов проявляются несколько локальных максимумов, каждый из которых соответствует интерференции захваченных в волновод мод. В спектре на рисунке Рисунок 2в можно выделить локальные максимумы, соответствующие первым двум-трем распространяющимся в волноводе модам. При наличии потока локальные максимумы в спектрах ультразвуковых сигналов меняют свое положение в соответствии со скоростью и профилем потока. При расчетах распространения ультразвука по направлению потока и против потока наблюдается смещение в высокочастотную и низкочастотную части спектра соответственно.

Расчеты показали, что зависимость смещения частот локальных максимумов от скорости потока носит практически линейный характер и составляет при несущей частоте ультразвука на . При этом взаимное положение локальных максимумов зависит от профиля скорости потока, частотное смещение локальных максимумов зависит от номера моды.

Таким образом, по положению локальных максимумов в спектре ультразвуковых сигналов могут быть получены значения постоянных распространения для первых двух - трех мод, «захваченных» волноводом. Возможность выделения локальных максимумов в спектре ультразвуковых сигналов показана нами экспериментально в соответствии со схемой (см. рисунок Рисунок 1).

Покажем, что по значениям постоянных распространения, может быть восстановлен профиль скорости звука, а значит, в ламинарном потоке, профиль скорости потока. В квазиклассическом (Вентцеля-Крамерса-Бриллюэна (ВKБ) приближении условием для нахождения постоянных распространения (вертикальная составляющая волнового числа) является следующее дисперсионное уравнение, которое находится из граничных условий

В этом выражении, аналогичном правилам квантования Бора-Зоммерфельда, -функция неоднородности среды в уравнении Гельмгольца

Уравнение (4), формально справедливое при больших значениях , оказывается применимым при . Для решения обратной задачи - восстановления неоднородности образца по структуре волнового поля, уравнение допускает обращение по формуле Абеля

Для вычисления функции неоднородности в соответствии с (6) вместо непрерывной функции может быть использован дискретный набор постоянных распространения . При этом функция в простейшем случае может быть аппроксимирована полиномом по дискретному набору постоянных распространения. При этом точность восстановления профиля оказывается не хуже единиц процентов. Сопоставляя (5) с (1), мы получаем выражение для неоднородности потока

Подставив в (7) значение мы можем определить профиль скорости потока

На рисунке Рисунок 3а представлен пример восстановления параболического профиля (2) волновода (пунктирная линия) по собственным значениям постоянных распространения для трех мод с использованием обращения (6).

На рисунке Рисунок 3б представлен пример восстановления непараболического профиля потока при больших числах Рейнольдса (пунктирная линия) по собственным значениям постоянных распространения для пяти мод. В центральной части волновода исходный и восстановленный профиль скорости потока хорошо согласуются. Расхождения наблюдаются в приграничной области.

По описанной методике нами предложена схема устройства определения профиля скорости потока и расхода жидкости. Цепь преобразования этого устройства показа на рисунке 4.

Рисунок 4 - Цепь преобразования устройства определения профиля скорости потока жидкости

Зависимость относительной погрешности восстановления параболического профиля от числа регистрируемых значений постоянных распространения представлена на рисунке Рисунок 5. Расчет расхода жидкости определяется интегрированием профиля скорости по сечению.

Средняя квадратичная погрешность определения расхода электронным устройством определяется следующим выражением

Где , , , - среднеквадратические погрешности электронного блока, метода определения профиля скорости, скорости ультразвука , и дополнительная погрешности соответственно.

Погрешность электронного блока , куда входят: погрешность квантования, погрешность оцифровки сигнала; погрешность определения спектра ультразвукового сигнала. Учитывая современные возможности сигнальных процессоров данная погрешность не превышает 0,4 %. Погрешность определения скорости звука . Вариация скорости ультразвука при изменении температуры в

пределах ±5С и давления среды в пределах 0..10 дает максимальное значение среднеквадратической погрешности .

Рисунок 5 - Относительная погрешность восстановления параболического профиля в зависимости от числа регистрируемых значений постоянных распространения

Систематическая погрешность метода определения профиля скорости потока . Согласно графику (см. рисунок Рисунок 5) для четырех постоянных распространения для параболического профиля . Дополнительная погрешность : появление случайных фазовых включений в измерительном канале; случайные флуктуации скорости потока. Максимальное значение дополнительной погрешности при достаточном времени усреднения составляет 0,6%.

В итоге среднеквадратическая погрешность измерения расхода в целом будет равняться 2%.

Рисунок 5 - Относительная погрешность восстановления параболического профиля в зависимости от числа регистрируемых значений постоянных распространения

Предложенная методика оценки параметров потока жидкости по данным ультразвуковых измерений может использоваться как в задачах расходометрии, где, на данный момент, изменение скорости потока по его сечению учитывается полуэмпирическими формулами, так и для диагностики вязких свойств жидкости. Кроме того, методика позволяет оценивать внутренний диаметр трубопровода, который может меняться в зависимости от загрязнений, карбонатных отложений и т.д. Таким образом, определение профиля скорости потока в напорных трубопроводах позволяет предотвратить увеличение методической погрешности расходомера в процессе длительной эксплуатации.

В третьей главе рассматривается спектральный анализ доплеровских сигналов с целью уменьшения погрешности измерений и расширения функциональных возможностей ультразвуковых доплеровских расходомеров.

Рассматривается контроль открытого потока в частично заполненном трубопроводе или канале. В этом случае для точного определения расхода необходимо контролировать как профиль скорости потока, так и его глубину.

Доплеровский контроль основывается на рассеянии ультразвуковых сигналов на фазовых включениях, концентрация и физические параметры которых значительно варьируются и сильно влияют на точность измерений. Связь между расходом и доплеровским сдвигом нелинейна вследствие изменения глубины потока.

Экспериментальные измерения и теоретическое моделирование проводились по схеме, показанной на рисунке Рисунок 6.

Рассеянный на фазовых включениях сигнал моделировался при помощи следующей формулы

где - скорость звука в жидкости, - расстояние от пьезодатчика до лотка. Момент появления рассеивающего элемента (фазовые включения) считался случайным, концентрация и, соответственно, расстояния между рассеивающими элементами - распределенными по закону Гаусса. Случайные координаты фазовых включений по вертикальной оси считались равномерно распределенными по глубине потока. Размер фазовых включений, соответственно, и амплитуда рассеянного сигнала () считались распределенными по закону Гаусса и не зависящими от .

Доплеровская частота определяется формулой

где - значение скорости потока жидкости по координате , -доплеровская частота, - угол доплеровского рассеяния, - несущая частота зондирования.

Таким образом, рассеянный сигнал имеет несущую переменную доплеровскую частоту и амплитудную модуляцию , которая определяется случайными импульсами с амплитудой, соответствующей размерам включений и длительностью, связанной с вертикальной координатой включения и временем его прохождения через облучаемую область, которое связано со скоростью потока.

При численном моделировании обнаружено, что соотношение между средневзвешенной частотой доплеровского сигнала и шириной спектра меняется в зависимости от параметров потока. При этом форма спектра определяется амплитудной и частотной модуляцией сигнала. В свою очередь амплитудная модуляция определяется, в основном, концентрацией включений, частотная -- профилем потока.

В ходе экспериментальных измерений кроме излучающего ультразвукового преобразователя 1, использовались два приемных пьезодатчика 2 и 3 (резонансная частота всех преобразователей ? 1,4 МГц). Для контроля глубины потока в ходе экспериментов использовалось импульсное зондирование, при этом регистрировалось распространение ультразвукового сигнала между симметричными преобразователями 1 и 3, на датчике 2 регистрировался непрерывный доплеровский сигнал. Импульсные сигналы регистрировались цифровым осциллографом с частотой дискретизации 50 МГц. Формы импульсных сигналов с увеличением глубины потока меняются в соответствии с интерференцией сигналов, отраженных от нижней поверхности лотка и верхней границы потока.

Глубина потока определялась по спектрам сигналов. В спектрах появляются резонансные пики, соответствующие частотам, когда по глубине потока укладывается целое число полуволн. В этом случае глубина потока вычисляется по формуле:

где - вертикальная составляющая волнового числа, - скорость звука в воде, м/с, - угол скольжения импульсного сигнала, =1, 2… - номер резонансного пика, - частоты резонансных пиков.

На приемнике 2 регистрировался непрерывный доплеровский сигнал, рассеянный на фазовых включениях и на неровной поверхности потока жидкости. Скорость потока воды регулировалась насосом. Аналоговая обработка доплеровских сигналов, до оцифровки, проводилась по традиционной гетеродинной схеме с частотой гетеродина, соответствующей частоте зондирующего сигнала (1,4 МГц). Сигнал на выходе гетеродина (0-1 кГц) оцифровывался с частотой дискретизации 44 кГц при помощи АЦП звуковой карты компьютера. Это позволяет получить доплеровские спектры сигналов с точностью не ниже 1%.

Рисунок 7 - Экспериментальные спектры доплеровских сигналов при значениях расхода: 1-0,3 л/с, 2 - 0,75 л/с, 3 - 2,7 л/с

Примеры доплеровских спектров, полученные в результате цифровой обработки сигналов (длительность записи ? 15сек), при трех различных значениях расхода показаны на рисунке Рисунок 7. Как видно из рисунка, с увеличением расхода доплеровские спектры смещаются в высокочастотную область и существенно меняют форму. Изменения формы спектра зависят от профиля скорости потока жидкости.

При обработке данных регистрировалась средневзвешенная частота доплеровского спектра

где - доплеровский спектр

Затем, при обращении формулы (11), рассчитывалась эффективная скорость потока при разных значениях расхода. Соответствующая зависимость приведена на рисунке Рисунок 8, пунктирная кривая. Теоретически рассчитывалась по зависимости для открытого потока жидкости , где - расход, м3/с, - ширина лотка, м; - коэффициент Шези, - пьезометрический уклон. трубопровод ультразвуковой сигнал водоснабжение

Рисунок 8 - Зависимость ; экспериментальная - пунктир, теоретическая - сплошная

Соответствующая зависимость от расхода приведена на рисунке Рисунок 8, сплошная кривая.

Как видно из рисунка, экспериментальные и теоретические зависимости хорошо согласуются при большем расходе воды и значительно расходятся при малых скоростях потока.

По-видимому, расхождение полученных данных может быть связано с капиллярными эффектами и «прилипанием» воздушных пузырьков к стенкам лотка. Поскольку рассеяние на движущихся фазовых включениях дает основной вклад в доплеровский сигнал, их замедление, из-за взаимодействия со стенками лотка, может объяснить расхождение экспериментальных и теоретических данных.

По изменению отношения средневзвешенной частоты к ширине спектра в зависимости от расхода можно судить о соотношении между фазовой и амплитудной модуляцией сигнала.

Рисунок 9 - Отношение ширины спектра к средневзвешенной частоте от расхода; (1, 2) - теоретические, (3) -- экспериментальная зависимости

На рисунке Рисунок 9 показана зависимость от расхода , кривым (1, 2) соответствуют расчетные зависимости, (3) - экспериментальная. Форма экспериментальной и расчетных зависимостей от расхода согласуются. Зависимости для величины имеют характерный максимум, который смещается в область высоких расходов с уменьшением концентрации включений. Концентрации включений для кривых 1 и 2 различаются в три раза, зависимость (2) соответствует низкой концентрации.

При большой скорости потока зависимости для насыщаются, т. е. отношение ширины к среднему доплеровскому сдвигу не меняется. Это может иметь следующее объяснение. При прохождении отдельных включений через ультразвуковое поле возникает рассеянный сигнал в форме радиоимпульса, частота заполнения которого определяется скоростью движения пузырька, амплитуда - его размерами, а длительность огибающей - временем прохождения сквозь ограниченную область, облучаемую ультразвуком. При большой скорости потока увеличение частоты заполнения оказывается пропорциональным уменьшению длительности соответствующего импульса огибающей. В результате, расширение спектра за счет уменьшения длительности огибающей соответствует смещению спектра в высокочастотную область за счет увеличения доплеровского сдвига. Вследствие этого величина не меняется с увеличением расхода.

Таким образом, для повышения точности определения расхода необходимо учитывать амплитудную модуляцию сигналов, связанную с концентрацией включений и временем их прохождения в ультразвуковом поле. Определение отношения позволяет, оценить нижний порог измерения расхода жидкости, при котором концентрация фазовых включений имеет принципиальное значение.

Применение в схеме доплеровского расходомера спектрального анализатора позволяет контролировать изменения уровня и профиля скорости потока за счет анализа доплеровского спектра и его расширения.

Рассмотрим составляющие погрешности для доплеровского ультразвукового расходомера для безнапорных трубопроводов: погрешность электронного блока , погрешность измерения скорости ультразвука , погрешность измерения геометрии трубопровода , погрешность угла излучения акустических колебаний в поток , погрешность определения коэффициента коррекции . Данные погрешности составляют 1,8%. Систематическая случайная погрешность, вызванная несоответствием скорости движения фазовых включений скорости движения жидкости .

Систематическая случайная погрешность, вызванная расширением спектра доплеровского сигнала : расширение спектра сигнала за счет импульсной модуляции сигнала (ограниченность области облучения); расширение за счет неравномерного распределения фазовых включений по потоку, движущихся с разной скоростью; расширение за счет изменения угла отражения сигнала. расширение за счет изменения заполнения трубопровода, .

Дополнительная погрешность , вызванная появлением турбулентных завихрений и «прилипанием» фазовых включений. Если исключить из рабочего диапазона сверхмалые расходы, то данная погрешность составляет .

В итоге среднеквадратичная приведенная относительная погрешность определения расхода доплеровским расходомером определяется формулой

С учетом приведенных выше данных среднеквадратичная приведенная относительная погрешность определения расхода доплеровским расходомером открытого потока составляет 3,85%.

Традиционно в доплеровских ультразвуковых расходомерах частотный сдвиг оценивается по числу перехода сигнала через ноль за время измерения. При этом амплитудная модуляция сигнала и, соответственно, форма доплеровского спектра не учитывается. Это приводит к систематическим ошибкам, поскольку профиль потока и концентрация включений в практических задачах могут оказывать существенное влияние на результат измерений.

Рисунок 10 - Зависимость относительной погрешности при определении доплеровского сдвига при регистрации числа переходов сигнала через ноль (1, 2) и по средневзвешенной частоте спектра (3, 4)

На рисунке Рисунок 10 даны результаты цифровой обработки сигналов двумя методами: по числу переходов сигналов через ноль (1, 2) и по средневзвешенной частоте спектра (3, 4). Показаны относительные погрешности измерений по результатам статистической обработки при разных значениях расхода по 20 записям длительностью 160 мс (1, 3) и 320 мс (2, 4). Относительная статистическая погрешность измерения средневзвешенной частоты спектра оказывается в два раза ниже погрешности, полученной традиционным методом.

Основной вклад в погрешность доплеровских расходомеров вносит неравномерное распределение фазовых включений по профилю скорости потока. Скорость на оси трубопровода может отличаться от средней скорости на 30%. Кроме того, время измерения частотного сдвига ограничено временем прохождения фазового включения через облучаемую зону, что приводит к значительному расширению доплеровского спектра. Дополнительный вклад в погрешность вносит изменение угла рассеяния ультразвукового сигнала на фазовых включениях.

Цифровая обработка и спектральный анализ доплеровских сигналов позволяют оценить влияние профиля потока и амплитудной модуляции сигналов, зависящей от параметров фазовых включений и уменьшить погрешность, связанную с расширением доплеровского спектра в задачах ультразвуковой доплеровской расходометрии напорных трубопроводов.

В четвертой главе рассматривается построение автоматизированной ИИС водоснабжения на современном промышленном предприятии с применением ультразвуковой расходометрии с расширенными функциональными возможностями и уменьшенной погрешностью.

В главе описана общая структура ИИС. Рассматривается коммерческий узел учета воды и тепловой энергии, расположенный на центральном тепловом пункте предприятия. Учет водных ресурсов (горячей и холодной воды) осуществляется при помощи ультразвуковых расходомеров. Для учета сточных вод в незаполненных трубопроводах рассмотрено использование доплеровской схемы контроля.

При эксплуатации трубопроводов происходит коррозия металла стенок, деформация трубопровода, отложение накипи и, как следствие, необходимость корректирования настроек стационарных расходомеров. В главе рассмотрено применение переносного ультразвукового устройства определения профиля скорости потока и расхода жидкости, принцип действия которого описан во второй главе. Применение этого устройства позволяет оперативно контролировать состояние трубопроводов и своевременно вносить изменения в настройки стационарных расходомеров.

Сформулированы следующие принципы построения ИИС водоснабжения:

- коммерческие узлы учета ресурсов располагаются на границе балансовой принадлежности и охватывают все входящие ресурсы и исходящие сточные воды;

- все основные подразделения предприятия оснащаются узлами технологического учета;

- состояние трубопроводов и других коммуникаций периодически проверяется современными средствами контроля;

- данные с расходомеров могут использоваться в контуре отопления зданий предприятия для улучшения характеристик управления;

- вся информация с узлов учета, как коммерческих, так и технологических собирается и анализируется на едином диспетчерском пункте;

- собранная информация используется информационной системой управления предприятием.

Описаны позитивные эффекты от внедрения ИИС водоснабжения:

- экономия энергоресурсов за счет более эффективного их использования;

- оперативное обнаружение и локализация аварийных ситуаций;

- получение реального инструмента для борьбы с хищениями и непроизводственными потерями;

- обнаружение и ликвидация «узких» мест в производственных цепочках.

Внедрение на современном предприятии ИИС водоснабжения и грамотное использование полученной информации позволяет сэкономить до 20% водных ресурсов и тепловой энергии. Средний срок окупаемости системы - два года.

Основные результаты и выводы

В работе представлены результаты экспериментальных и теоретических исследований в области ультразвуковой расходометрии.

1. Проанализированы составляющие погрешности время-импульсных и доплеровских ультразвуковых расходомеров. Показано, что погрешности измерения временных интервалов и частот ультразвуковых сигналов не дают основной вклад в суммарную погрешность измерения расхода, которая определяется большим числом факторов, связанных с состоянием трубопровода и гидродинамическими параметрами потока жидкости.

2. На основе теоретических и экспериментальных исследований разработан способ восстановления параметров потока вязкой жидкости по модовой структуре ультразвукового сигнала. Восстановление профиля скорости потока позволяет оценить вязкость жидкости и состояние стенок трубопровода. Определение профиля скорости потока в напорных трубопроводах позволяет предотвратить увеличение методической погрешности расходомера в процессе длительной эксплуатации. Полученные результаты могут использоваться не только для задач расходометрии, но и для технологического контроля потока жидкости.

3. Предложена методика спектральной обработки ультразвуковых сигналов, на основе которой разработана принципиальная схема ультразвукового устройства определения профиля скорости потока и расхода жидкости. Разработка защищена патентом Российской Федерации.

4. На основе экспериментальных данных и численного моделирования проанализирована связь концентрации, параметров фазовых включений и профиля скорости потока со спектральными характеристиками доплеровских ультразвуковых сигналов. Показано, что доплеровский контроль при спектральной обработке ультразвуковых сигналов позволяет достаточно эффективно определять параметры открытого потока жидкости.

5. Результаты лабораторных экспериментов и численного моделирования показали, что способ определения расхода по спектральным характеристикам ультразвуковых сигналов позволяет уменьшить случайную погрешность и расширить рабочий диапазон доплеровских расходомеров.

6. Сформулированные принципы построения информационно-измерительных систем водоснабжения на базе комплекса ультразвуковых расходомеров позволяют повысить энергоэффективность предприятия и экономить природные ресурсы.

Список научных работ по теме диссертации

а) опубликованные в изданиях, рекомендованных ВАК

1. Никандров, М. В. Информационно-измерительная система водоснабжения на основе ультразвуковой расходометрии / М. В. Никандров, Л. А. Славутский // Вестник Чувашского университета. -2007. -№2. - С. 265-271.

2. Никандров, М. В. Определение профиля скорости потока жидкости в трубопроводе по спектрам импульсных ультразвуковых сигналов / М. В. Никандров, Л. А. Славутский // Вестник Чувашского университета. -2008. -№2. - С. 222-227.

3. Никандров, М. В. Изменчивость случайной погрешности ультразвуковых импульсных и доплеровских измерений в неоднородной среде / А.С. Костюков, М. В. Никандров, Л. А. Славутский // Нелинейный мир. -2009. -№9. -т.7. С. 700-705.

б) патенты на изобретения

4. Пат. № 43363 РФ, МПК7 G01F 1/66. Ультразвуковое устройство определения профиля скорости потока и расхода жидкости / Л.А. Славутский, М. В. Никандров и др.; заявитель и патентообладатель ОАО «ВНИИР»; заявл. 27.07.2004; опубл. 01.01.2005. Бюл. №1. - 2с. : ил.

в) опубликованные в других научных изданиях

5. Slavutsky, L. A. The approximate methods ultrasonic tomography in diagnostics of the power equipment / F. A. Ivanov, S. I. Mullin, M. V. Nikandrov, D. B. Turkhanov // Proceedings of the Russian national symposium on power engineering. - Kazan, Russia: -2001. - p. 31-34 .

6. Никандров, М. В. Моделирование случайных сигналов в ультразвуковом доплеровском расходомере / М. В. Никандров, Л. А. Славутский // Материалы IV Всероссийской научной конференции «Динамика нелинейных и дискретных систем». - Чебоксары: ЧувГУ. -2001. - С. 246-247.

7. Никандров, М. В. О возможности ультразвукового контроля открытого потока жидкости / Ф. А. Иванов, М. В. Никандров, Л. А Славутский // Труды Чувашской Государственной Сельскохозяйственной Академии. - Чебоксары: ЧГСА, -2002. -т. XVII. - С. 210-213.

8. Никандров, М. В. Доплеровские спектры сигналов при ультразвуковом контроле открытого потока жидкости / Ф. А. Иванов, М. В. Никандров, Л. А Славутский // Материалы IV Всероссийской научной конференции «Информационные технологии в электротехнике и электроэнергетике». - Чебоксары: ЧувГУ. -2002. - С. 238-240.

9. Никандров, М. В. Ультразвуковой контроль слоистых образцов при частотных измерениях / Ф. А. Иванов, М. В. Никандров, Л. А Славутский // Материалы IV Всероссийской научной конференции «Информационные технологии в электротехнике и электроэнергетике». - Чебоксары: ЧувГУ. -2002. - С. 241-242.

10. Никандров, М. В. Комплексный ультразвуковой контроль открытого потока жидкости / Ф. А. Иванов, М. В. Никандров, Л. А Славутский // Труды академии электротехнических наук Чувашской Республики. -2002. - №2. - С. 47-50.

11. Никандров, М. В. Спектры ультразвуковых сигналов при рассеянии на фазовых включениях в потоке жидкости / М. В. Никандров, Л. А. Славутский // Материалы V Всероссийской научной конференции «Динамика нелинейных и дискретных систем». - Чебоксары: ЧувГУ. -2003. - С. 298-299.

12. Никандров, М. В. Использование ультразвуковых частотных измерений в задачах неразрушающего контроля и расходометрии / М. В. Никандров // XII Научная школа Нелинейные волновые процессы, тезисы докладов. - Н. Новгород: -2004. - С. 85.

13. Никандров, М. В. Доплеровский расходомер: спектральные характеристики сигнала / М. В. Никандров, Л. А. Славутский // Сборник научных трудов молодых ученых и специалистов. - Чебоксары: ЧувГУ, -2003. - С. 265-266.

14. Никандров, М. В. Оценка погрешности при доплеровском ультразвуковом контроле неоднородного потока жидкости / М. В. Никандров, Л. А. Славутский // Труды академии электротехнических наук Чувашской Республики. -2004. - №1. - С. 68-71.

15. Никандров, М. В. Доплеровский ультразвуковой расходомер: увеличение точности при цифровой обработке сигналов / М. В. Никандров, Л. А. Славутский // Материалы V Всероссийской научной конференции «Информационные технологии в электротехнике и электроэнергетике». - Чебоксары: ЧувГУ. -2004. - С. 88-90.

16. Никандров, М. В. Доплеровский ультразвуковой контроль неоднородного открытого потока жидкости / М. В. Никандров, Л. А. Славутский // Электронный журнал «Техническая акустика». -2005.

17. Никандров, М. В. Автоматизированная система учета тепловой энергии и теплоносителя на основе ультразвуковой расходометрии / М. В. Александров, М. В. Никандров, Ф. Ф. Школьник // Труды академии электротехнических наук Чувашской Республики. -2005. - С. 59-62.

18. Никандров, М. В. Уменьшение статистической погрешности доплеровского расходомера при спектральной обработке ультразвукового сигнала / М. В. Никандров, Л. А. Славутский // Энергосбережение и Водоподготовка. -2006. -№6(44). - С. 47-52.

Размещено на Allbest.ru

...