Моделювання процесу обробки сигналів датчика у вихровому потоковимірювачі (стр. 1 из 16)

Міністерство освіти і науки України

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

“ХАРКІВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ”

Моделювання процесу обробки сигналів датчика

у вихровому потоковимірювачі

Харків 2009р.

Зміст

Вступ

1.Підстава для НДР

2. Мета і призначення НДР

3. Вимоги до виконання НДР

4. Матеріали, що подаються по закінченні НДР

5. Техніко-економічні показники НДР

6. Стадії та етапи виконання НДР

7. Порядок контролю та приймання НДР

Вступ

Серед засобів вимірювання потоку рідини або газу найпростіші за конструкцією та здатністю працювати із засміченими потоками є вихрові потоковимірювачі.

В процесі вимірювання параметрів потоків рідини та газів, що рухаються, з використанням тіла обтікання постає проблема при використанні п’єзоелектричних та тензодатчиків. Вона виникає при вимірюваннях на нижніх частотах, коли амплітуда корисного сигналу, що надходить від датчика, зменшується пропорційно зменшенню інтенсивності потоку газу чи рідини. При зменшенні швидкості потоку в сигналі від датчика буде зменшуватися кількість імпульсів але тільки до критичної межі, а потім, при зменшенні інтенсивності потоку газу чи рідини, різко почне підвищуватися частота імпульсів і лічильник швидкості потоку буде показувати неіснуюче підвищення швидкості потоку. Це обумовлено тим, що амплітуда корисного сигналу зменшується нижче рівня шумів і після формування імпульсів лічильник починає рахувати сигнали від різних перешкод, пов’язаних з роботою насосів та вентиляторів, процесів вихороутворення в місцях опору (вентилі, клапани, коліна, звуження та ін.), вібраційними та акустичними коливаннями, що розходяться по трубопроводу та корпусу пристрою.

Приводом для цієї науково-дослідної роботи (НДР) стала проблема, описана вище, що постала при проведенні експериментів на кафедрі турбінобудування НТУ “ХПІ”. На цій кафедрі зібрали установку для підрахунку швидкості потоку за допомогою вихрового потоковимірювача.

1 Підстава для НДР

Підставою для розробки є тема дипломної роботи:

“Моделювання процесу обробки сигналів датчика у вихровому потоковимірювачі”, видана на кафедрі ОТП НТУ ”ХПI” відповідно до наказу від “08” 11 2004 р. № 2310 – ІІІ.

2 Мета і призначення НДР

В процесі виконання дипломної роботи потрібно розглянути можливі способи обробки сигналів від датчика вихрового потоковимірювача та можливості їх поліпшення.

В даній роботі потрібно проведені числові експерименти з метою з’ясування критичної межі, коли потрібно буде зупинити підрахунок потоку.

Для проведення експериментів потрібно вибрати модель завади та дослідити її характеристики. В процесі проведення числових експериментів потрібно промоделювати та зробити оцінки стосовно можливого використання деяких моделей шумів та фільтрів для них. Також потрібно розглянуті можливі методи для розширення діапазону вимірювань та обрані оптимальні для конкретного випадку.

Призначення НДР полягає у тому, щоб розробити оптимальний метод, алгоритм для обробки даних від датчика вихрового потоковимірювача.

3 Вимоги до виконання НДР

В процесі виконання НДР потрібно:

- повинні бути розглянути описану проблему та вже відомі методи вирішення схожих задач;

- на базі результатів проведеного аналізу потрібно визначити подальший напрямок роботи;

- потрібно розглянути різні можливості отримання псевдовипадкового сигналу для моделювання шуму та визначити параметри отриманих послідовностей;

- треба промоделювати декілька можливих варіантів фільтрації вхідної послідовності;

- потрібно розглянути та запропонувати інші варіанти по обробці вхідної послідовності викривленого сигналу;

- повинні бути запропоновані, на базі результатів проведених експериментів, оптимальні методи обробки послідовностей від датчика вихрового потоковимірювача з оптимальними параметрами.

4Матеріали, що подаються по закінченні НДР

До складу програмної документації входять:

- відомість проекту;

- технічне завдання;

- пояснювальна записка.

5 Техніко-економічні показники

При розробці програмного забезпечення необхідно виконати техніко-економічне обґрунтування науково-дослідної роботи.

6 Стадії й етапи виконання НДР

1. Отримання завдання;

2. збір початкових матеріалів;

3. огляд літератури й обґрунтування необхідності розробки;

4. розробка технічного завдання.

5. техніко-економічне обґрунтування розробки;

6. розробка та реалізація допоміжних алгоритмів для проведення

експериментів;

7. оцінка розробки по охороні праці і навколишнього середовища;

8. оформлення звіту з НДР.

7 Порядок контролю і приймання

При прийманні перевіряється:

- комплексність, зміст і оформлення документації НДР;

- відповідальність програмного продукту згідно вимогам, висунутим в п. 3 цього документу.

Приймання здійснюється державною екзаменаційною комісією.

ВСТУП

Серед засобів вимірювання потоку рідини або газу найпростіші за конструкцією та здатністю працювати із засміченими потоками є вихрові потоковимірювачі.

В процесі вимірювання швидкості проходження потоку рідини або газу з використанням вихрового потоковимірювача з тілом обтікання виникає проблема. Вона пов’язана з неможливістю вимірювання з достатньою точністю параметрів потоку за малих інтенсивностей потоку. При зменшенні потоку після деякого критичного значення у сигналі від датчика починається дуже різко підвішується кількість імпульсів. Це пояснюється зменшенням амплітуди корисного сигналу до рівня перешкод. Для точного вимірювання потоку на малих інтенсивностях потрібно додатково обробляти вхідні данні. Це необхідно для діставання з них інформації про корисний сигнал.

В даній роботі були проведені числові експерименти з метою з’ясування критичної межі, коли потрібно буде зупинити підрахунок потоку. В процесі проведення числових експериментів були промодельовані та зроблені оцінки стосовно можливого використання деяких моделей шумів та фільтрів для них. Також були розглянуті можливі методи для розширення діапазону вимірювань та обрані оптимальні для конкретного випадку.

Робота проводилася на підставі технічного завдання на дипломну роботу, виданого на кафедрі «Обчислювальна техніка і програмування» Національного технічного університету «Харківський політехнічний інститут» і затвердженого _________ ______________ 2005 р.

1 Постановка проблеми

В процесі вимірювання параметрів потоків рідини та газів, що рухаються, з використанням тіла обтікання постає проблема при використанні п’єзоелектричних та тензодатчиків. Вона виникає при вимірюваннях на нижніх частотах, коли амплітуда корисного сигналу, що надходить від датчика, зменшується пропорційно зменшенню інтенсивності потоку газу чи рідини. При зменшенні швидкості потоку в сигналі від датчика буде зменшуватися кількість імпульсів але тільки до критичної межі, а потім, при зменшенні інтенсивності потоку газу чи рідини, різко почне підвищуватися частота імпульсів і лічильник швидкості потоку буде показувати неіснуюче підвищення швидкості потоку. Це обумовлено тим, що амплітуда корисного сигналу зменшується нижче рівня шумів і після формування імпульсів лічильник починає рахувати сигнали від різних перешкод, пов’язаних з роботою насосів та вентиляторів, процесів вихороутворення в місцях опору (вентилі, клапани, коліна, звуження та ін.), вібраційними та акустичними коливаннями, що розходяться по трубопроводу та корпусу пристрою.

Приводом для цієї розробки стала проблема, описана вище, що постала при проведенні експериментів на кафедрі турбінобудування НТУ “ХПІ”. На цій кафедрі зібрали установку для підрахунку швидкості потоку за допомогою вихрового потоковимірювача. Дані отримані при проведені експериментів наведені на рисунку 1.1.

Для визначення частоти синусоїдального сигналу можна скористатися способом наведеним нижче. Частота синусоїдального сигнал викривленого перешкодою буде невизначеною через статичні флуктуації випадкової перешкоди (рисунок 1.2).

Рисунок 1.1 – Залежність частоти імпульсів від швидкості потоку

Особлива легко можна визначити частоту суміші шляхом обчислення статистичного математичного очікування кількості нулів за одиницю часу. Для чистої синусоїди частота

гц кількість нулів за секунду дорівнює (рисунок 1.3). Перешкода викликає відхилення математичного відхилення цієї кількості.

Рисунок 1.2 – Суміш синусоїдального сигналу та перешкоди.

Рисунок 1.3 – Синусоїда з частотою

= 9 гц і = 18 нулями за секунду.

Цей метод може бути прийнятний для визначення частоти синусоїди, яка має набагато більше амплітуду ніж перешкода.

Коли амплітуда перешкоди сумірна або більше амплітуди корисного сигналу, тоді потрібно приймати заходи для захисту від вібраційних та акустичних перешкод чутливих елементів або використовувати додаткову обробку вхідних даних. Перший метод потребує додаткових складних доробок що можуть бути неприйнятними у багатьох конкретних випадках. Другий метод потребує лише додати між датчиком, що відображає або реєструє пристроєм додатковий елемент, де основним елементом буде мікроконролеру, що буде обробляти вхідні дані та з невеликою затримкою видавати більш чистий, позбавлений, значно, від перешкоди далі для подальшої обробки (рисунок 1.4).