Jak wykorzystać ultradźwięki do pomiaru przepływu cieczy w plastikowej rurze?

Mon Dec 22, 2008 10:28 am   

Razu pewnego zrobiłem taki układ:
Rezonator kwarcowy 5.12MHz na CD4060, na wyjściu Q7 miałem 40KHz. prostokąt.
Na jakichś dodatkowych bramkach oraz dzielniku stworzyłem układ który co
kilka ms na wyjsciu dawał 4 cykle z 40kHz.
Ten 4 cykle wysterowały niewielki nadajnik ultradźwiękowy za pomocą małego
IRFa.
Odbiornik wykonałem na TL072 ale sprawdzałem też wzmacniać na różnych
bramkach CMOS i najlepiej jako wzmacniacz z bramek spisywały się 4x
2-wejscioe XOR.
Dodatkowe kilka bramek w odbiorniku pozwalały na synchronizację startu i
stopu nadajnika z impulsami taktującymi nadajnika i ostatecznie na wyjsciu
bramki AND miałem krótki impuls startu a po nim następowała seria 4 szpilek
40KHz odebrana przez odbiornik
Mierząc czas między impulsem startu a pierwszą szpilką mozna było mierzyć
odległość nadajnika od odbiornika.
Układ spisywał się dość dobrze w zakresie do kilkudziesięciu cm ale wtedy
gdy nadajnik był skierowany twarza do odbiornika.
Gdy jednak chciałem mierzyć na zasadzie wysyłania i powrotu wiązki z tego
samego punktu (echosonda) to układ nie działał już tak pewnie.
Problemem jaki zaobserwowałem na oscyloskopie była obecność odbić z kilku
punktów. Z 4 nadanych szpilek powracały czasem czyste 4 szpilki ale cześciej
4 mocne 4 słabsze i w innej fazie. Powodowało to błedy pomiaru.
Myślę teraz nad ponowieniem doświadczeń ale już z wykorzystaniem np. atmela.
Lepiej grzebać w programie niż lutownica klecić bramki
Docelowo chciałem stworzyc układ dający możliwośc pomiaru przepływu cieczy w
rurce plastikowej bezinwazyjnie . Myślę wykorzystac efekto doplera tak że
czas powrotu nadanej wiązki będzie się zmieniał w przypadku ruchu medium w
jakim wiązka zostanie wyemitowana.
Nie wiem tylko czy uda się to zrealizować z typowymi nadajnikami i
odbiornikami które są dostępne np. TME. Dotychczasowe eksperymenty wykazały
że raczej nie.

Ktoś się może z forumowiczów zajmował tematem ? Macie jakies podpowiedzi ?


Marek

Mon Dec 22, 2008 1:33 pm   

Użytkownik "marko1a" <marko1a@lycos.de> napisał w wiadomości
news:ginn3b$bhf$2@nemesis.news.neostrada.pl...

Nie wiem czy Ci sie to tak latwo uda - w jednorodnej cieczy nie
bardzo jest sie od czego odbic.

Gotowe konstrukcje maja raczej dwa transduktory i mierza czas
przelotu
w jedna i w druga strone. No i raczej sa "inwazyjne".

J.

Mon Dec 22, 2008 1:58 pm   

Użytkownik "J.F." <jfox_xnospamx@poczta.onet.pl> napisał w wiadomości
news:gio1f7$rub$1@news3.onet...


Gdzieś pooglądałem sobie jakieś rysunki poglądowe zasady działania i
wynikało że jest nadajnik odbiornik.
A gdybyzrobic układ taki: Nadajnik przyklejony w jednym miejscu rurki a w
oddalonym o jakies 5cm przyklejony odbiornik.
Muszę spreparować taka rurkę z nadajnikiem i odbiornikiem, podłaczyć pod
wodę i zobaczyc czy ultradzwięki wogóle przejdą do odbiornika.
Jeżeli tylko impuls ultradzwiękowy wywoła jakąś falę w medium jakim będzie
woda, i tafala dotrze do odbiornika to wydaje mi się że będzie to wielki
sukces.
Można mierzyć czas przejścia i gdy woda będzie płynąć prędkości przepływu
będzie sieprzekładać na czas przejścia impulsu.

Co do inwazyjnych wiem że sa też bezinwazyjne. I to dość często spotykane.
Niestety cena jest dla mnie odstraszająca... kilka tyś zł.


Marek

Mon Dec 22, 2008 5:00 pm   

Witam

Najlepiej zobaczyć jak są zbudowane fabryczne przepływomierze
ultradźwiękowe, np. Kamstrup, Danfoss.
Temat nie jest taki prosty w praktycznej realizacji (jeśli chce się
uzyskać jakąś dokładność), zwłaszcza dla niewielkich srednic i przepływów.
Poza tym nie jestem pewien czy tam nie są stosowane przetworniki to MHz.


Pozdrawiam

Jacek


--
www.flowservice.pl

Tue Dec 23, 2008 9:11 am   

15 lat temu miałem trochę do czynienia z monatażem i serwisem takich
urządzeń.
Częstotliwości to MHz-e. Dwa przetworniki w pewnej odległości od siebie
wzdłuż rury po przeciwnych stronach, patrzące na siebie ukosem w stosunku do
osi rury. Np. dla rury fi=25cm odległość ok 1m. Wykorzystywany efekt
Dopplera. Badanie różnicy czasów przejścia impulsów, lub różnic
częstotliwości fali po przejściu z prądem i pod prąd.
Sposób inwazyjny: to wiercenie dziur w rurze, nagwintowanie lub przyspawanie
nagwintowanego kołnierza i wkręcenie przetworników z lekko wystającymi do
wewnątrz, ukośnymi czołami (tak żeby mogły na siebie patrzeć). Obracając
przetwornikiem ustawiało się maksimum sygnału.
Sposób bezinwazyjny, ale aparatura była kosztowniejsza, czulsza i
odporniejsza na fałszywe sygnały. Dwa przetworniki przykładane były do rury
po ukosie. Przetworniki były specjalnie ukształtowane, aby dokładnie
przylegały do rury i emitowały falę ukośną w stosunku do osi rury.

Tue Dec 23, 2008 9:59 am   

Darkac pisze:

W takim przepływomierzu nie wykorzystuje się efektu Dopplera, ale
uniesienie fali przez przepływające medium.

Efekt Dopplera wykorzystywany może być wtedy, kiedy w cieczy jest coś,
co odbija (rozprasza) dźwięki. Ewentualnie obiekty takie mogą być celowo
wprowadzone (np. bąbelki).

W. Bicz
www.optel.pl

Tue Dec 23, 2008 10:28 am   

Użytkownik "Darkac" <darkac2@wp.pl> napisał w wiadomości
news:giq6fh$bj9$1@news.lublin.pl...

Powiedz mi jak wygląda przetwornik na te MHz-e.
Przecież to już fale radiowe a nie ultradźwięki.


Marek

Tue Dec 23, 2008 12:12 pm   

Jestem w stanie się z tym zgodzić, nie ma ruchu ani źródła dźwięku, ani
odbiornika.


Taka częstotliwość np. od 2 MHz do 20 MHz jest normalna i typowa dla
urządzeń medycznych typu: USG lub detektory tętna płodu, tokografy,
pachymetry itp.
Przetworniki są piezoelektryczne, ceramiczne, kwarcowe itp. Taki czysty
przetwornik musi być odpowiednio obudowany aby był z tyłu odpowiednio
obciążony mechanicznie. Ma to kolosalny wpływ na sprawność emisji i reakcji
na impulsy. Poprzez swoje rozmiary jest zwykle jest nastrojony na dość
wąskie pasmo, dla niego rezonansowe. On sam ma często kształt profilowany
sferycznie, aby ogniskował falę. Do tego odpowiednio dostrojony obwód
elektryczny (jak do anteny). Całość tworzy tzw. głowicę ultradźwiękową. Całe
zagadnienie bardzo złożone, nie do zaprojektowania i wykonania w warunkach
amatorskich. W Polsce dobrze zna się na tym może ze 3 osoby.
Te głowice, z którymi miałem do czynienia miały postać aluminiowych walców
średnicy ze 3cm i długości z 10 cm. Jeden koniec skośnie ścięty i na tej
skośnej płaszczyźnie przykryty jakąś szklaną płytką przetwornik
piezoelektryczny średnicy jakieś 2cm. Wewnątrz walca, za przetwornikiem,
kilka cm warstw elastycznych substancji tłumiących, potem jakieś cewki i
kondensatory. Z drugiego końca gniazdo BNC. Na zewnątrz walca kilka cm
gwintu.
Aparatura stosowana była w wodociągach do pomiaru sumarycznego przepływu w
grubych rurach.
Co kilka lat trzeba było wymieniać przetworniki, bo niby czysta woda była
jednak agresywna i robiła wżery w aluminium wokół przetworników i w końcu
przeciekała do wewnątrz, uszkadzając głowicę.

Tue Dec 23, 2008 12:47 pm   

A jak może wyglądac konstrukcyjnie taki przetwornik bezinwazyjny wielkości
paczki paierosów?
Widziałem takie w necie.

Jednak z tego co widzę to chyba nie warto podejmowac tematu, bo złożonośc
przetworników jest ponad moją miarę w moich amatorskich warunkach.
A gdybym miał wydawać na same przetworniki setki zł to już lepiej nabyć
gotowca.

Marek

Tue Dec 23, 2008 1:36 pm   

Jak jest zbudowana taka głowica bezinwazyjna, to nie widziałem, bo była
nierozbieralna. Można się domyślać, że umieszczony ukośnie przetwornik
obudowany był z tyłu warstwami tłumiącymi, a z przodu przewodzącymi -
dopasowującymi do przewodnictwa przez rurę. Wszystko owiane tajemnicą firmy
produkcyjnej.
Mając gotowe przetworniki i duuuuużo czasu można ewentualnie pobawić się w
konstrukcję elektroniki, ale to zadanie raczej dla wieloosobowej, dobrze
wyposażonej pracowni konstrukcyjnej. Trzeba pamiętać, że przy pomiarze
bezinwazyjnym występuje wiele szkodliwych zjawisk, które trzeba odfiltrować.
Na przykład przewodnictwo dźwiękowe samej rury, odbicia od powierzchni
zewnętrznych i wewnętrznych rury, odbicia od jej niejednorodności: np.
niedalekich kołnierzy, kolanek, rozgałęzień, manometrów, zaworów. Metal i
woda dobrze przenoszą dźwięki. To wszystko generuje mylne sygnały. Brrr!!!
Bagno.
Dlatego ta aparatura tyle kosztuje.

Tue Dec 23, 2008 7:49 pm   

On Tue, 23 Dec 2008 10:28:48 +0100, marko1a wrote:

Wiesz - dawniej fale radiowe to byly 16kHz .. teraz potrafia byc i
kilka Hz.. z kolei ultradzwieki doszly do GHz ..

J.

Tue Dec 23, 2008 10:37 pm   

marko1a wrote:

to jest raczej ciężka sprawa - do ścieków używa się przepływomierze
elektromagnetyczne np ABB a z polskich to chyba metalchem gliwice
robił

jeffrey

Wed Dec 24, 2008 8:57 am   

Z tymi GHz-mi to przesada. Z tego co mi wiadomo, to przynajmniej w medycynie
używane są częstotliwości najwyżej kilkadziesiąt MHz. Z częstotliwością
drastycznie rośnie tłumienie i dlatego maleje zasięg. Np. dla 30 MHz zasięg
to najwyżej kilka milimetrów, czyli nadaje się to badania skóry, czy
soczewki lub rogówki oka.

Wed Dec 24, 2008 8:30 pm   

Darkac pisze:

wielu lat.

To samo dotyczy filtrów na falach powierzchniowych.

Tłumienie oczywiście z zasady wzrasta wraz z częstotliwością, ale nie
znaczy to, że GHz są jakąś granicą.

Dla wtajemniczonych: fonony to THz, a to też dźwięki, tyle że
niekoherentne. I stosuje się je do różnych pomiarów.

W. Bicz

Wed Dec 24, 2008 8:35 pm   

Darkac pisze:

trudne dla w miarę zaawansowanego elektronika. Akurat przetworniki nie
są wielkim problemem bo nie są wymagane krótkie impulsy i duża
efektywność. Zwykłe płytki piezoceramiczne wystarczają w zupełności.

Problemy zaczną się w momencie, gdy trzeba będzie zapewnić dużą
trwałość, dokładność i niezawodność. Wtedy trzeba już pochwalić się
doświadczeniem.

Innymi słowy: Sprytny amator powinien sobie poradzić ze zrobieniem
takiego urządzenia, ale nie będzie mu łatwo osiągnąć dobre jego parametry.

W. Bicz
ww.optel.pl