Здравствуйте. Уже 4-ю неделю пытаюсь получить адекватные значения с ультразвукового расходомера для жидкостей, но показания всегда плывут в зависимости от температуры.
У меня расходомер китайский, геометрических размеров нет, есть только то, что удалось намерять штангенциркулем, поэтому все размеры приблизительные.

Нашел похожую картинку, 4 и 6 - датчики.


Расходомер состоит из 2-х пьезодатчиков, каждый из которых попеременно выступает и передатчиком, и приемником. Сначала запускаю импульсы против течения жидкости, получаю время Tup, потом за течением и время Tdn.
Далее через формулу получаю объем V = S * ((0.5*L/Tdn)-(0.5*L/Tup)), где
S - площадь сечения трубы в зоне распостранения ультразвука
L - расстояние между датчиками.
По указанной формуле удается скалиброваться на одном расходе, но с изменением температуры плывет и расход.
Дело в том, что L у меня состоит из 2 участков (~10мм), перпендикулярных направлению жидкости и 1-го "честного"(~56мм), где сигнал распостраняется параллельно потоку жидкости.
Пытался вычесть из Tup, и Tdn время прохождения перпендикулярных участков, но это ничего не дало.

Кто сталкивался с такой задачей, помогите формулой или советом куда копать.

Причем здесь емкость? Как это неподвижной, если она создаёт задержку УЗ-пакета которую измеряем?
Вообщем турбулентность - это большая тема. Вкратце - всё зависит от препятствий их создающих, в некоторых точках скорость может превышать в несколько раз скорость основного потока. Еще турбуленции могут двигаться или стоять на месте. Если фронт волнового УЗ-пакета попадает на неё - естественно происходит искажение. При усреднении они фильтруются, но ошибку увеличивают.
Плюс могут появляться шумы от них на самих датчиках.
Еще скорее всего идут переотражения от стенок и остальных препятствий, и в зависимости от скорости потока меняется интерференционная картина.

а так подумайте. Так хорошо работает для больших диаметров.
а у вас датчик можно сказать больше диаметра трубы мерного участка

Ваша правда, датчик почти такого же размера как и диаметр трубы.

Керамика- это еще и конденсатор. Хотите этого или нет.
Задержку создает не то что вода а течет, а то, что она есть.
Небольшое относительно изменение задержки и связано со скоростью воды. Порядок этого относительного изменения-- отношение скорости звука в воде к скорости потока. в первом приближении 3 порядка.
Ультразвук проносится мерный участок грубо говоря за микросекунды. За это время вода почти нисколько еще не протекла. И уж тем более форму турбулентности не сильно потеряла.
с этим никто не спорит

Это не плюс, а минус. И шумы это не самое страшное. Если это шумы в большом смысле этого слова.
Страшное --это что датчик долго "звинит" после своего возбуждения, + ультразвак, если мерник из металла по трубе быстрее доходит. Это уже не шум, а помеха. И с ней гораздо труднее бороться.

Переотражения не так страшны. При них средняя скорость формально идет по всему объему. Хуже изменения фазы на переотражениях, и попадание на стенки мерника ультразвука-- а далее опять коротким потем (с точки зрения звука) на датчик

Угу, как это влияет? Она есть и всё.


Согласен.
Ок. Попробую с другой стороны. УЗ-пакет интегрирует сумму скоростей воды на своем пути. Если турбулентностей нет - полученная скорость постоянна и соответствует физической. Но если на пути пакета встречаются участки с другой скоростью воды - получаем ошибку. Которая зависит от размера и формы турблентности.
У нас измеряют воздух, но нарвались на эту же проблему - с увеличением скорости растет ошибка, и не просто линейно, а по странной траектории. Раньше её компенсировали коэффициентом и укладывались в ошибку. А сейчас надо измеряемую скорость увеличить в два раза....


Я думаю проблема обхода по металлу у него решена, так бы он вообще не видел полезный сигнал.
А про шум я имел ввиду, что датчик, это же микрофон, он может ловить акустические шумы в воде, которые будут накладываться на полезный сигнал. Я же не знаю схему эксперимента, и вообще много неизвестных в обсуждаемой схеме, большинство можно только угадывать.


Попадание на мерник само-собой, но датчик ловит ультразвук не только со стенки мерника, а со всего обьема прилегающей жидкости, и каким путем прилетит переотраженный сигнал - большой вопрос. У меня однажды плохо сделали датчики и сигнал по конструкции крутился почти 6,5 раз и попадал на приемник, в воде такая же проблема может вылезти.

Кстати, автор, что за микросхема такая специфическая?

На перпендикулярном движению воды участке можно считать что влияние нет. А далее направление распостранения сигнала совпадает с направлением потока воды (или против него). Так вот мне кажется что при прохождении УЗ за течением воды я словлю сигнал с учетом скорости в центре трубы (как самая быстрая), а вот против потока воды уже получается что поймаю сигнал с учетом скорости возле стенок (опять же самый короткий путь для сигнала)

Проблема решена через введение "мертвой зоны" по времени. Некоторое время после запуска импульсов приемник отключен. Это проверялось с выводом результатов из МК на компьютер, сигнал чистый и стабильный

Осцилограмма чистая, повторяемость результатов хорошая, да и условия пока лабораторные

Микросхема специализированная для ультразвуковых теплосчетчиков ACAM TDC-GP22 (даташит на русском 6.4 MБ)

Перпендикулярное не учитываем, оно стабильно.
А вот горизонтальное в обе стороны распространяется в одинаковом сечении и стенки вообще не причём.
Измерение происходит на виртуальной трубке диаметром с датчик приемника, представь что она протянута от приемника через отражатели до передатчика, какая разница с какой скоростью она течет у стенок - в обе стороны ультразвук бежит по этой трубке. Т.е. теоретически ты измеряешь скорость жидкости в горизонтальном участке в этой трубки. Другой вопрос что есть погрешность измерения во всей трубе, потому что вода у стенок течет медленне за счет трения, а ты измеряешь только в центре.


Ну измеряемый фронт в любом случае должен дрожать


Ага, знаю такие, мы-то измеряем простым таймером микроконтроллера, у нас и времена на несколько порядков больше.

Стенки здесь как причина турбулентности, они то ни при чем, но в моем случае я ловлю сигнал, пришедший по кратчайшему пути. А они разные для случая "за течением" и "против течения".

У меня размеры датчика почти такие же как и диаметр всей трубы, хотя зеркала поменьше датчиков.

У меня вся вода проходит через трубу, которая формирует мерный участок, мимо него ничего не течет.

Ну это на точность, при интересующих меня расходах, не влияет

Да я работал и с воздухом.
Суть не в этом. по одному измерению вы имеете одну форму сигнала. через милисекунды- уже другую. Но это разные сигналы. Вы считаете расход не по одному зондированию, а по нескольким. анализируя одиночный сигнал вы имеете слишком большие прыжки в расходе. Вода не воздух, скорость звука вводе значительно выше, и чтоб измерять малые расходы нужно измерять задержки в эквиваленте в области десятков пикосекунд. сигналы приходящие с датчика неплохие. И тут уже статистика, обработка, осреднение... И если время усреднения больше ...некоторые параметры турбулентности.-- там все работает.
В воздухе свои проблемы.

там что-то про пластмассовый корпус говорилось-- тогда решена.
если металлический-- не может быть. Осциллограмм не приведено.

Не совсем. Форма дрожит. Первый переход через ноль почти не видно на этом фоне.Но по идее дрожит. Каждый следующий переход все более "гуляет". Нужны слишком хорошие осциллографы, чтобы заметить, а тем более измерить на малых скоростях осциллографом это. Посчитайте, при таких же размерах, мерника, скорость звука в воде насколько выше чем в воздухе? и к каким изменениям задержки приводит изменение в области минимальных скоростей.
В общем поэтому и совет-- работать по первому переходу через ноль

Вот вот. тут порядок, и все другое , а несколько порядков-- в несколько раз все другое


Этого не достаточно. Лучше держать ее все время "мертвой" а за некоторое время до зоны приема сигнала отпускать


Не совсем так. Первый фронт он да самый быстрый. на нем только помеха по металлу. именно он по кратчайшему пути
Первый переход через ноль помеха и уже может первое отражение
на 6, к которому вы привязались-- уже может быть посте все, от стенок, и с двойным отражением от стенок, и--- , так что тут не только кратчайший.
Просто кратчайший еще обычно и самый мощный.

Пластмассовая только вставка с мерной трубкой и зеркалами, сами датчики на латунной трубе.
Вот фото:




Осцилограмма сигнала на приемной стороне (отправлялось 5 импульсов):




Не знаю почему, но по первому импульсу у меня не то что расход, а даже направление потока установить не получается. Слишком большое дрожание.
Осциллографом ничего не измерял, не такой качественный у меня прибор.

Этим я займусь позднее, как разберусь с расходом. Насколько я понимаю это повлияет только на улучшение помехоустойчивости.


Тот что по металу у меня отфильтровывается. По металу скорость звука в 3-4 раза выше, "мертвая зона" отфильтровывает.

Как то не очень осциллограмма.. Похоже высокая добротность датчика. Возможно вы возбуждаете сигнал тоже не гася излучения сразу
Для таких малоразмерным мерный участков вполне получить максимум не то, что на втором, даже на первом.
А помеха видна тоже. Она маленькая, но есть.
То что есть вставка -- так как сильно снизила помеху. Она практически полностью перекрывает прямой доступ к металлу трубы

Это у вас пластмасса спасает. Не забывайте пути
Датчик-метал-датчик. Это самый коротки, и его вы отсекаете
Датчик отражатель- вода-труба -вода отражатель- датчик--тут спасает от трубы пластмассовая вставка. Там только 2 паза есть. Обычно этот путь дает наибольшую помеху.

Однако вижу попытки догнать и перенать Landis+Gir ну и Kamstrup !
Но в ихних расходомерах реально установлены DSP (сам видал) .
В зеркалах отражателях резина - не простая . И много другое что в китайских приборах очень сомневаюсь будет сделано .
Из опыта использования и проектирования подобных устройств могу сказать - ультразвук при плохом качестве воды очень не надежный метод , а хорошей воды у нас нету . Это проверенно многократно и метрология с этим тихо соглашается . Вопросов при таких измерениях намного больше чем кажеться .
Это не только зависимость скорости ультразвука от температуры и давления воды . При разных температурах и скоростях мозможна кавитация итд . По этому просто замером времени прохождения импульса туда -обратно добиться нужной погрешности будет очень сложно .

DSP поможет точно установить время прихода сигнала. Ну еще математика там быстрее будет считаться. Проблемы с датчиком остаются те же, а вот по потреблению и цене ударит.

Ну в 3% уложиться надежда все же есть.

--------------
Что тут скажешь - я пытался сообщить что не от хорошей жизни инженеры столь солидных фирм использовали DSP для подобных датчиков . (Поверьте они деньги тоже считать умеют) .
Мне хорошо известны фирмы которые "производят" ультразвуковые расходомеры ( про метрологию подобных приборов я скромно помолчу . И коррелячионные и идр . Очень известные Киевские фирмы . )
И 3% это в каком диапазоне ??? 1:25 - так это вчерашний день . Между прочим механические расходомеры (вертушки) очень даже надежны и самое главное цена -копейки и могут работать с достаточно грязной водой . А типа воздействие магнитом итд уже пройденный этап , при немагнитном корпусе итд степень защиты вполне достаточна .Ну при желании я смогу обмануть почти ЛЮБОЙ расходомер который промышленно используеться ( лазерные, кориолисовы ид экзотику думаю не стоит вспоминать ) все зависит на сколько нужно ... . Но это же не значит что их все нужно запретить .

Если Вас послушать, так инженеры из фирм АСАМ и D-FLOW потратили кучу денег впустую на разработку своих специализированных чипов.
Я согласился уже что с DSP жизнь была бы немного проще, но проблемы датчика он НЕ решает.
Обмануть и я многие счетчики могу, особенно электричества. Вопрос в том чтоб способ обмана был посложнее чем поставить рядом со счетчиком магнит.