Этап №1 Разработка метода и алгоритма обработки сигнала на основе двумерной частотно-волновой обработки для опытного образца. Разработка конструкторской документации. Разработка блока детектирования и фильтрации . Изготовление деталей бандажа опытного образца накладного акустического расходомера. Сборка и испытания блока детектирования и фильтрации. (промежуточный)

Во введении обозначена актуальность исследования, основная проблема на решение которой направлен проект, поставлена цель и задачи этапа. Указано, что в настоящее время широкое распространение получили неинвазивные методы измерения расхода жидких и газообразных сред в трубопроводах. Это является следующим витком в развитии средств измерения. Одним из таких перспективных устройств является накладной акустический расходомер, определяющий расход по характеристикам турбулентных вихрей в пограничном слое. Предлагаемая технология позволяет определять параметры турбулентного течения в пограничном слое через твердую стенку, в том числе измерять объемный расход жидких, газообразных и многофазных сред без врезки в трубопровод и без перекрытия потока. Разработанное решение повышает безопасность, поскольку нет повреждения трубопровода от врезки расходомера, снижает потери при транспортировке продукта, поскольку нет препятствия потоку. Основной проблемой в создании накладного акустического расходомера является создание математического метода обработки выходного сигнала, позволяющего выделить полезный сигнал из набора шумов, приходящих от сенсоров. В связи с вышеизложенным, создание метода определения параметров турбулентного течения по значениям акустического сигнала и устройства для определения объемного расхода на его основе, является актуальной задачей. Цель проекта – Разработать и испытать опытный образец накладного акустического расходомера на основе способа определения скорости конвекции вихрей. Для достижения цели в рамках первого этапа поставлены задачи: - разработать метод и алгоритм обработки сигнала на основе двумерной частотно-волновой обработки для опытного образца, - разработать конструкторскую документацию, - разработать блок детектирования и фильтрации, - изготовить детали бандажа опытного образца накладного акустического расходомера; - выполнить сборку опытного образца и провести испытания блока детектирования и фильтрации. Раздел 1 посвящен разработке метода и алгоритма обработки сигнала на основе двумерной частотно-волновой обработки для опытного образца. В нем кратко изложен физический процесс – конвертирующие по потоку вихревые поля (волновые порядки), которые являются источником полезного сигнала. Представлен математический метод обработки сигнала, основанный на двумерной частотно-волновой обработке, позволяющий строить контурные графики турбулентных спектров, на которых отображается конвективный фронт, соответствующий скорости потока и объемному расходу соответственно. На базе метода разработан алгоритм, содержащий блок детектирования и фильтрации и блок вычисления объемного расхода. На базе алгоритма разработано программное обеспечение для обработки сигнала, позволяющее строить двумерные частотно-волновые графики турбулентного спектра. Определена оптимальная конфигурация сенсоров при помощи математического моделирования в пакете вычислительной гидрогазодинамики с применением гибридной вихреразрешающей модели турбулентности SBES. По результатам моделирования установлено, что при использовании Частотно-волновой обработки, 8 точек с шагом 36 мм достаточно для точного определения конвективного фронта, однако требуется модификация метода обработки с помощью применения двумерной спектральной обработки по времени и по пространству (k-omega beamforming). Переход от линейной частоты и волнового числа к угловым. Раздел 2 содержит перечень разработанной конструкторской документации со ссылками на приложения. Раздел 3 посвящен разработке блока детектирования и фильтрации Представлена функциональная схема блока детектирования и фильтрации, а также принцип его работы. Выбран оптимальный сенсор модели MFC 8514 – P2 фирмы Smart Material inc. для детектирования пульсаций турбулентных вихрей через стенку трубопровода. Сенсор изготовлен по запатентованной технологии NASA и имеет чувствительность 1 Вольт на микрострейн, что превышает в 1000 раз значение для обычных пъезопленочных сенсоров типа SDT1-028К фирмы TE Connectivity. Также сенсор анизотропен и воспринимает только полезные продольные деформации. Представлена плата аналого-цифрового преобразователя (АЦП), содержащая: предварительный усилитель, фильтр-усилитель и 16-разрядный АЦП. В схеме используется гальваническая развязка, которая улучшает электромагнитную совместимость, повышает помехозащищенность и точность измерений. Основной целью использования гальванической развязки является разделение измерительной части от линий связи и питания, на которые воздействуют электромагнитные помехи. Таким образом плата АЦП обеспечивает усиление, частотную фильтрацию и преобразование сигнала из аналогового в цифровой. После чего сигнал предается в микропроцессорную плату. Приведены схемы микропроцессора и токовой петли формирования токового сигнала 4-20мА с описанием принципа работы. Представлено программное обеспечение (ПО) для микропроцессора STM32L443 написано на языке С/С++ ПО для визуализации данных К-Омега v.1.0 позволяющее собирать наборы сигналов с 10 сенсоров и формировать текстовый файл в формате *.сsv для последующей обработки с помощью разработанного алгоритма. Проведено предварительное тестирование на упрощенном образце расходомера имитирующем 1 канал. По результатам проверки установлено, что разработанная электроника обеспечивает усиление и фильтрацию сигнала принимаемого с пъезопленочного сенсора и может быть применена в опытном образце накладного акустического расходомера. Раздел 4 посвящен изготовлению деталей бандажа опытного образца накладного акустического расходомера Представлена механическая конструкция бандажа и проточной части, которая применена в опытном образце обеспечивающая фиксацию и плотное прижатие чувствительного элемента, размещение управляющей электроники вблизи чувствительного элемента, защиту от электромагнитных помех. Раздел 5 посвящен сборке и испытаниям опытного образца. Представлено описание конструкции с иллюстрациями и пояснениями. Эксперимент проводился на базе приборостроительного предприятия АО «ПГ Метран» на проливочной установке МЕТРАН-УПА-2000, соответствующей требованиям к вторичному эталону. Представлена программа испытаний. Эксперимент проводился в двух вариация исполнения конструкции: c разработанной электроникой и без нее с помощью осциллографа. По результатам испытаний опытного образца с осциллографом построены частотно-волновые спектры для пяти скоростей потока. Получен положительный результат – конвективный фронт на графиках есть, соответственно можно определить скорость и объемный расход. Особенно отчетливо это видно на расходах 8 и 10 м/с. По результатам испытаний с разработанной электроникой также построены частотно-волновые спектры для пяти скоростей потока. Но в данном случае конвективного фронта не видно, это связано с несинхронной записью сигналов с пъезопленок, уходом сигнала в насыщение и отсутствием сигнала с двух сенсоров из восьми. Таким образом установлено, что разработанная электроника усиливает сигнал, оцифровывает, накапливает, собирает в массив и записывает в текстовый файл для последующей обработки при помощи алгоритма представленного в разделе 1. Однако требует доработки в части синхронизации снимаемых сигналов по каналам, авторегулирования коэффициента усиления для предотвращения насыщения. Эти задачи будут решены в рамках второго этапа. В заключении – приведены краткие выводы по результатам выполнений НИОКР по этапу и дана оценка полноты решений поставленных задач. В рамках первого этапа решены следующие запланированные задачи. - Создан алгоритм реализующий математический метод определения объемного расхода жидкости и газа в трубопроводе. Разработано программное обеспечение позволяющее строить частотно-волновые спектры. По результатам моделирования установлено, что при использовании Частотно-волновой обработки – 8 точек с расстоянием 36 мм достаточно для точного определения конвективного фронта. - Разработана конструкторская документации на механическую часть (конструкцию) расходомера. Разработана конструкторская документация на электронику. - Разработан блок детектирования и фильтрации, обеспечивающий усиление, фильтрацию, преобразование сигнала от пьезо-акустического датчика в цифровой сигнал. Выбран и применен оптимальный сенсор для детектирования пульсаций давления через стенку трубопровода – MFC 8514 – P2 фирмы Smart Material inc. Разработана и испытана: плата АЦП, микропроцессорная плата и плата индикации. Разработано программное обеспечение для микропроцессора позволяющее. накапливать и передавать данные для последующей обработки. Разработано программное обеспечение для визуализации обеспечивающее взаимодействие с блоком усиления и фильтрации. Проведены испытания на упрощенном образце накладного акустического расходомера. - Разработана механическая конструкция накладного акустического расходомера, защищающая полезный сигнал от помех, позволяющая разместить управляющую электронику в непосредственной близости к чувствительному элементу, плотно фиксируя положение чувствительного элемента на трубопроводе. - Собран натурный прототип накладного акустического расходомера «К - Омега П1» в двух вариациях: c электроникой и без. Проведены натурные испытания опытного прототипа накладного акустического расходомера модели «К-Омега П1» с целью проверки работоспособности, по результатам которой установлено, что предлагаемый способ неинвазивного измерения расхода работает. Таким образом решены все задачи, поставленные в рамках первого этапа, показано, что способ измерения расхода по скорости конвекции вихревых полей работает. Однако электроника требует доработки. Отдельно можно отметить наличие интереса к разрабатываемой технологии со стороны лидера российского рынка в приборостроительной отрасли АО «ПГ «Метран». На базе этого предприятия осуществлялись работы по изготовлению деталей опытного образца с применением станков ЧПУ, роботизированного сварочного оборудования и др. Проводились испытания на одной из лучших в России поливочной установке МЕТРАН – УПА – 2000. Предприятие заинтересовано стать индустриальным партнером.