З метою систематизації можливих способів отримання інформації про величину витрати на основі методу спектральних оцінок шумів контрольованого середовища запропоновано наступні варіанти розташування сенсорних елементів (первинних перетворювачів інформації) на замірній ділянці: одиночне та спарене.

Одиночне розташування первинних перетворювачів — на замірній ділянці встановлюється один первинний перетворювач випадкових акустичних сигналів (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Схема одиночного розташування первинного перетворювача

Алгоритм обробки потоку вимірюваних даних для такого варіанту розташування первинних перетворювачів наступний: сигнал з давача 1 подається на блок перетворення сигналу в цифрові інформаційні пакети 2, після чого передається на обчислювач 3.

Перевагами описаної схеми є низька вартість, простота монтажу на замірній ділянці та нескладний алгоритм обробки вимірюваного сигналу. До недоліків можна віднести чутливість вимірювальної системи до несиметричності потоку та нестабільної турбулентності перехідного режиму протікання газу.

Спарене розташування первинних перетворювачів — на замірній ділянці встановлюється два первинних перетворювача випадкових акустичних сигналів на відстані, що менша від діаметру умовного проходу S.

Рис. 2.2. Схема спареного розташування первинного перетворювача

Перевагами такої схеми є можливість врахування нерівномірності поля швидкостей потоку та компенсації спотворень шумової характеристики в діапазоні зміни режиму протікання газу. До недоліків слід віднести необхідність аналітичного визначення відстані S встановлення другого давача, ускладнення алгоритму обробки вимірювальної інформації та збільшення вартості установки [9].

Спарений варіант розташування первинних перетворювачів можливий в одно і дво-канальному виконанні.

При одно-канальному виконанні (рис. 2.2) сума сигналів з первинних перетворювачів 1.1 та 1.2 подається на пристрій формування цифрових інформаційних пакетів 2, після чого передається на обчислювач 3. З огляду на конструктивні особливості трубопроводу та характер поля швидкостей потоку можливі різні варіанти просторового розміщення первинних перетворювачів на замірній ділянці.

При двоканальному виконанні спареної схеми інформаційно-вимірювальної системи передбачається паралельна обробка вимірювальної інформації з первинних перетворювачів на стадії формування цифрових інформаційних пакетів та подальшого цифрового фільтрування.

Сумування сигналу відбувається в обчислювачі 3, що дозволяє ширше використовувати цифрову обробку сигналів, а також дає можливість реалізації кореляційного методу вимірювання витрати.

До недоліків можна віднести збільшення габаритних розмірів замірної ділянки, кількості функціональних елементів та ускладнення програмних алгоритмів обробки даних, що приводить до зростання вартості установки.

Практична реалізація конкретної структури залежить від задач та вимог, які ставляться до інформаційно-вимірювальної системи. Попередній аналіз експериментальних досліджень запропонованих структур дозволяє виділити цільові напрямки в їх застосуванні.

Структура з одиночним розташуванням найбільш придатна для реалізації мобільних систем контролю та створення транспортних еталонних засобів для звіряння стаціонарних еталонних установок. До очевидних переваг такої структури можна віднести: малі габаритні розміри, порівняно простий алгоритм обробки вимірювальної інформації і, як наслідок, невисокі вимоги до апаратного забезпечення.

Використання комп’ютерної техніки суттєво спрощує та прискорює процес аналізу даних, а також дозволяє реалізувати безпаперову інформаційну технологію.

2.2. Розробка цифрової системи вимірювання витрати
на основі спектральних оцінок шумів потоку газу

Одним з перспективних напрямків реалізації транспортних еталонних засобів вимірювання витрати газоподібних середовищ та рідин для проведення звіряння стаціонарних еталонних установок, а також робочих еталонів для промислових повірочних установок є використання методу спектральних оцінок випадкових процесів, які генеруються вимірюваним середовищем внаслідок його переміщення [12].

На основі попередньо проведених досліджень запропоновано структурну схему інформаційно-вимірювальної системи, що ґрунтується на методі динамічної оцінки дисперсії шумів контрольованого середовища, рис. .3. З огляду на простоту апаратної реалізації та невисоку вартість створено дослідний взірець системи вимірювання витрати газу на основі схеми одиночного розташування первинного перетворювача.

Рис. 2.3. Спосіб вимірювання витрати на основі спектральних характеристик шуму вимірюваного середовища (схема замірної ділянки)

Для вимірювання витрати газу використано первинний перетворювач коливань акустичного діапазону (тип 60L-12, частотна характеристика подана на рис. 2.4), який здійснює перетворення випадкових процесів (шумів), що утворюються газом при його переміщенні замірною ділянкою, в аналоговий електричний сигнал. Для цього на замірній ділянці 1 трубопроводу змонтовано первинний перетворювач 3 таким чином, щоб він контактував з вимірюваним середовищем і не створював опору протіканню газу, а також був відділений від замірної ділянки за допомогою акустичного ізолятора 2.

Рис. 2.4. Частотна характеристика сенсора 60L-12

Неперервні шумові коливання, що утворюються потоком газу, за допомогою первинного перетворювача 3 трансформуються в аналоговий сигнал, після чого він поступає на блок перетворення в цифрові інформаційні пакети 4, які за допомогою обчислювача 5 безперервно зчитуються і одночасно трансформуються в статистичні характеристики кожного інформаційного пакету. Усереднені значення поточних пакетів зіставляються з відповідною величиною витрати газу і фіксуються в пам’яті обчислювача або комп’ютера.

Апробація реалізованої мобільної інформаційно-вимірювальної системи здійснювалась на базі стаціонарної дзвонової установки ІВФ „Темпо” (м. Івано-Франківськ), границі основної відносної похибки якої ±0,15% (свідоцтво про повірку №113). Випробування для значень витрат в діапазоні від 1,0 до 11,0 м3/год проводились на трубопроводі діаметром 30 мм з робочим тиском 114,0 мм водяного стовпа, робоче середовище — повітря.

На основі результатів проведених багатократних експериментальних досліджень отримано залежність похибок розробленої системи в залежності від витрати газу (повітря), рис 2.5.

Рис. 2.5. Результати апробації інформаційно-вимірювальної системи вимірювання витрати на основі спектральних оцінок

Як можна побачити, відносна похибка вимірювання знаходиться в межах від –0,34% до 0,29%.

Проведені дослідження підтвердили високу повторюваність результатів вимірювань, величина розсіювання яких не перевищує 0,25%, що співрозмірне з розсіюванням еталону, яке не перевищує 0,18%.

З метою дотримання стаціонарних умов при проведенні звіряння еталонних установок, необхідно забезпечити сталість характеристик замірної ділянки, в цьому випадку найдоцільніше перебачити можливість її транспортування.

На основі розроблених методів та засобів вимірювання витрати доцільно реалізувати інформаційно-вимірювальну систему для звіряння