Uçuş Süresi Hesaplamasında Farklı Yöntemlerin Değerlendirilmesi
Enstrümentasyon ve ölçüm gelişen endüstride oldukça önemli bir alan haline gelmiştir. Bu gelişim ölçüm hatalarının eniyilenmesi gibi gereklilikler ortaya çıkartmaktadır. Akış ve tüketimin doğru ölçümü, yanlış faturalandırma ve sular idaresinde meydana gelebilecek karışıklıkları önlemede önemli bir süreçtir. Bu çalışmada, elektronik akıllı sayaçlarda sıvı veya gaz akış hızı ölçüm uygulamaları için ultrasonik uçuş süresi (TOF) hesaplama algoritmalarının değerlendirilmesi sunulmaktadır. Transdüserler, bir piezoelektrik malzeme olarak akış ölçüm endüstrisinde kullanılır ve basınca karşı ultrasonik ses dalgaları üretiler. Bir akış ortamında karşılıklı olarak yerleştirilmiş transdüserler, her iki akış yönünde ultrasonik ses dagaları üretmek amacı ile tetiklenir. Transdüserler arası kısa mesafe ve akış ortamında sesin yüksek hızı nedeniyle, TOF hesaplaması zorlu bir süreç haline gelmektedir. Bir transdüserin eş değer devre modeli MATLAB/Simulink ortamında nümerik olarak uygulanmakta ve transdüserler arası geçiş dalgaları olan ve tetiklenme sırasına göre isimlendirilen yukarı/aşağı akış sinyalleri elde edilmektedir. İlk olarak, tetiklenmiş bir transdüserin davranışı benzetim ortamında incelenir ve gerçek dünya koşullarını taklit etmek için ölçüm gürültüsünü benzeten bir sinyal kullanılır. Literatürde verilen problem tanımları ve önerilen algoritmalar incelenir ve aday TOF ölçüm algoritmaları seçilir. Seçilen her yöntem gerçeklenir. Daha sonra elde edilen geçiş dalgaları, her sıfır geçiş noktasında TOF değerini hesaplamak için geleneksel yöntem ile kullanılır. Ölçüm performansı arttırmak için çapraz korelasyon tabanlı bir TOF tahmin süreci metodu önerilir ve sonuçlar geleneksel yöntem tabanlı ölçümler ile karşılaştırılır. Çalışmanın gelecekteki olası yönleri paylaşılmıştır.
Evaluation of Different Methods on Time of Flight Calculation
Instrumentation and measurement have become a very important field in the developing industry. This development reveals requirements such as minimization of measurement errors. Accurate measurement of flow and consumption is a significant process to avoid wrong billing and entanglement for water utilities. This paper presents an ultrasonic Time-of-Flight (TOF) estimation algorithm evaluation for liquid or gas flow rate measurement applications for electronic smart meters. Transducers, as a piezoelectric material, are employed in flow measurement industry, and generate ultrasonic sound waves against pressure. Reciprocal located transducers in a flow medium are triggered to obtain ultrasonic sound waves in both flow direction. Due to the small distance between transducers and speed of sound in flow medium, TOF calculation becomes a challenging process. Equivalent circuit model of a transducer is implemented on MATLAB/Simulink environment numerically, and both upstream and downstream signals, which are the transit waves between transducers and named in order to triggering order, are obtained. Firstly, behavior of an excited transducer is evaluated on simulation environment, and a random signal, which simulates measurement noise, is employed to mimic the real-world conditions. Problem definitions and proposed algorithms given in the literature are investigated, and candidate TOF measurement algorithms are selected. Each method is implemented. Afterward, obtained transit waves are employed with the conventional method to compute TOF at each zero-crossing point. To improve the measurement performance, a cross-correlation based method is proposed for TOF estimation process, and results are compared to conventional method-based measurements. Possible future directions of the study are indicated.
___
- Kanoglu, M. (2015). Thermodynamics: An Engineering
Approach 8th Edition in SI Units.
- Rajita, G., & Mandal, N. (2016, January). Review on transit
time ultrasonic flowmeter. In 2016 2nd International
Conference on Control, Instrumentation, Energy &
Communication (CIEC) (pp. 88-92). IEEE.
- Lynnworth, L. C., & Liu, Y. (2006). Ultrasonic flowmeters:
Half-century progress report, 1955–2005. Ultrasonics,
44, e1371-e1378.
- Mousavi, S. F., Hashemabadi, S. H., & Jamali, J. (2020).
Calculation of geometric flow profile correction factor
for ultrasonic flow meter using semi-3D simulation
technique. Ultrasonics, 106, 106165.
- Chen, J., Zhang, K., Wang, L., & Yang, M. (2020). Design of
a high precision ultrasonic gas flowmeter. Sensors,
20(17), 4804.
- Peng, S., Liao, W., & Tan, H. (2018). Performance
optimization of ultrasonic flow meter based on
computational fluid dynamics. Advances in Mechanical
Engineering, 10(8), 1687814018793264.
- Chen, Y., Chen, Y., Hu, S., & Ni, Z. (2021). Continuous
ultrasonic flow measurement for aerospace small
pipelines. Ultrasonics, 109, 106260.
- Uchiyama, Y., Morita, R., Umezawa, S., & Sugita, K. (2019).
Flow rate measurement of wet steam in large bore piping
by clamp-on type ultrasonic flow meter.
- van Willigen, D. M., van Neer, P. L., Massaad, J., de Jong, N.,
Verweij, M. D., & Pertijs, M. A. (2020). An Algorithm to
Minimize the Zero-Flow Error in Transit-Time
Ultrasonic Flowmeters. IEEE Transactions on
Instrumentation and Measurement, 70, 1-9.
- Sun, S., Li, S., Lin, L., Yuan, Y., & Li, M. (2019, July). A
novel signal processing method based on crosscorrelation and interpolation for ToF measurement. In
2019 IEEE 4th International Conference on Signal and
Image Processing (ICSIP) (pp. 664-668). IEEE.
- Huang, Y. S., & Young, M. S. (2009). An accurate ultrasonic
distance measurement system with self temperature
compensation. Instrumentation Science and Technology,
37(1), 124-133.
- Angrisani, L., Baccigalupi, A., & Moriello, R. S. L. (2006). A
measurement method based on Kalman filtering for
ultrasonic time-of-flight estimation. IEEE Transactions
on Instrumentation and Measurement, 55(2), 442-448.
- Gueuning, F., Varlan, M., Eugene, C., & Dupuis, P. (1996,
June). Accurate distance measurement by an
autonomous ultrasonic system combining time-of-flight
and phase-shift methods. In Quality Measurement: The
Indispensable Bridge between Theory and Reality (No
Measurements? No Science! Joint Conference-1996:
IEEE Instrumentation and Measurement Technology
Conference and IMEKO Tec (Vol. 1, pp. 399-404). IEEE.
- Demirli, R., & Saniie, J. (2001). Model-based estimation of
ultrasonic echoes. Part II: Nondestructive evaluation
applications. IEEE transactions on ultrasonics,
ferroelectrics, and frequency control, 48(3), 803-811.
- Andria, G., Attivissimo, F., & Giaquinto, N. (2001). Digital
signal processing techniques for accurate ultrasonic
sensor measurement. Measurement, 30(2), 105-114.
- Barshan, B. (2000). Fast processing techniques for accurate
ultrasonic range measurements. Measurement Science
and technology, 11(1), 45.
- Krimholtz, R., Leedom, D. A., & Matthaei, G. L. (1970). New
equivalent circuits for elementary piezoelectric
transducers. Electronics Letters, 6(13), 398-399.