Verbesserung der Genauigkeit des Ultraschall-Durchflussmessers und der Durchflussratenkorrektur

Wenn Sie wirklich Zeit damit verbracht habenUltraschall-Durchflussmesser, Sie kennen den Grundgedanken bereits: nicht-invasiv, keine beweglichen Teile, funktioniert bei fast allem. Und sehen Sie, das stimmt größtenteils. Aber das Genauigkeitsgespräch? Dann wird es interessant-und manchmal auch frustrierend. Denn ein Ultraschallmessgerät, das im Labor genau arbeitet, kann sich ganz anders verhalten, wenn man es an eine echte Rohrleitung mit Rohrbögen, Temperaturschwankungen und allem, was Ihr Prozess sonst noch mit sich bringt, anschraubt.

Dies soll Sie nicht von der Technologie abschrecken. Ultraschallmessgeräte bleiben für viele Anwendungen eine der besten Optionen. Es geht darum, zu verstehen, was ihre Genauigkeit beeinflusst und -was noch wichtiger ist-, was Sie tatsächlich dagegen tun können.

Laufzeit-Ultraschalldurchflussmesser senden akustische Impulse zwischen zwei Wandlern-einem stromaufwärts und einem stromabwärts. Der mit der Strömung wandernde Impuls kommt etwas schneller an als der, der dagegen ankämpft. Dieser Zeitunterschied, wir sprechen hier von Nanosekunden, wird in eine Strömungsgeschwindigkeit umgewandelt.

Auf dem Papier ganz einfach. Das Problem beginnt, wenn Sie feststellen, dass die Geschwindigkeitsmessung entlang eines einzelnen Pfads (oder vielleicht einiger Pfade in ausgefalleneren Metern) erfolgt, aber was Sie eigentlich interessiert, ist dasDurchschnittGeschwindigkeit über den gesamten Rohrquerschnitt-. Die Flüssigkeit bewegt sich nicht überall mit der gleichen Geschwindigkeit. In der Nähe der Wände ist es langsamer, in der Mitte schneller. Die Beziehung zwischen dem, was das Messgerät sieht, und dem, was tatsächlich geschieht, hängt von etwas ab, das als Geschwindigkeitsprofil bezeichnet wird-und dieses Profil ändert sich mit der Reynolds-Zahl, der Rohrrauheit, stromaufwärts gelegenen Störungen und etwa einem Dutzend anderer Faktoren.

Lassen Sie uns offen über die Hauptfehlerquellen sprechen.

Ultrasonic Flow Meter Accuracy

Platzieren Sie einen Winkel vor Ihrem Messgerät und schon haben Sie einen asymmetrischen Durchfluss erzeugt. Die Geschwindigkeitsverteilung wird verzerrt, möglicherweise verwirbelt, und Ihre Einzelpfadmessung stellt nun Folgendes dar: Was genau? Untersuchungen haben gezeigt, dass Fehler bis zu 15 % allein auf Störungen im Vorfeld zurückzuführen sind, wenn man sie nicht berücksichtigt. Multi--Pfadmessgeräte helfen erheblich-Sie messen die Geschwindigkeit an mehreren Punkten über den Rohrdurchmesser und verwenden gewichtete Durchschnittswerte-aber sie sind keine Zauberei. Ein stark gestörtes Profil kann sie immer noch zum Stolpern bringen.

Hier ist etwas, das die Leute überrascht. Die Form Ihres Geschwindigkeitsprofils ist nicht festgelegt-sie ändert sich mit der Reynolds-Zahl. Bei geringen Strömungen (laminares Regime, Re unter etwa 2300) erhält man ein parabolisches Profil. Die Mittengeschwindigkeit könnte doppelt so hoch sein wie der Durchschnitt. Bei hohen Strömungen (turbulent, Re über 4000) flacht das Profil deutlich ab; Die Mittelgeschwindigkeit beträgt vielleicht das 1,1- bis 1,2-fache des Durchschnitts.

Was bedeutet das praktisch? Der Korrekturfaktor, den Ihr Messgerät bei einer Durchflussrate anwendet, kann bei einer anderen falsch sein. Die meisten Hersteller bauen eine gewisse Vergütung ein, aber die dahinter stehenden Annahmen stimmen möglicherweise nicht mit Ihren tatsächlichen Bedingungen überein.

Potenzgesetz-Geschwindigkeitsprofile werden seit Jahrzehnten verwendet, um dies zu modellieren. Nikuradses Arbeit aus den 1930er Jahren-ja, das alte-bildet immer noch die Grundlage für viele Korrekturalgorithmen. Das Profil folgt der Gleichung u/u_max=(1 - r/R)^(1/n), wobei n mit der Reynolds-Zahl variiert. Wenn n etwa 7 beträgt, liegt ein ziemlich flaches turbulentes Profil vor. Wenn n in Richtung 4 sinkt, werden die Dinge deutlicher. Der Korrekturfaktor für einen einzelnen Mittellinienpfad kann je nach Bedingungen zwischen 0,75 und 0,95 liegen.

Ultrasonic Flow Meter Accuracy

Raue Rohre machen das Profil flacher. Neue glatte Rohre im Vergleich zu korrodierten alten Rohren können im Laufe der Zeit einen Unterschied von 0,5 bis 1 % bei den Messwerten bedeuten-und Sie werden es wahrscheinlich erst bemerken, wenn Sie sich fragen, warum Ihr Messgerät abweicht.

Dies verdient einen eigenen Abschnitt, da die Temperatur die Ultraschallmessung auf eine Weise beeinflusst, die nicht sofort offensichtlich ist.

Erstens ändert sich die Schallgeschwindigkeit in Ihrer Flüssigkeit mit der Temperatur. Im Wasser nimmt die Schallgeschwindigkeit mit jedem Grad Celsiusanstieg um etwa 2,4 m/s zu. Die Laufzeitberechnung des Messgerätes geht von einer bestimmten Schallgeschwindigkeit aus; Wenn Sie etwas falsch machen, verschiebt sich Ihr Lesefluss. Moderne Messgeräte verfügen über Temperatursensoren und Kompensationsalgorithmen, und die guten Messgeräte können temperaturbedingte Fehler von 1,5 % auf etwa 0,2 % reduzieren. Aber günstigere Einheiten mit schlechter Vergütung? Sie werden wandern.

Zweitens-und das ist subtil-die Wandler selbst ändern ihre Eigenschaften mit der Temperatur. Ihre elektromechanische Reaktion verändert sich. Der Zeitpunkt, zu dem sie tatsächlich feuern, im Vergleich zu dem Zeitpunkt, zu dem sie angeblich feuern, ist unterschiedlich. Wenn Ihre vorgeschalteten und nachgeschalteten Wandler nicht perfekt zusammenpassen (und das ist auch nie der Fall, selbst wenn sie aus derselben Herstellungscharge stammen), entsteht eine Abweichung, die mit der Temperatur variiert. In einigen Veröffentlichungen wird von einer Zeitabweichung des Wandlers in der Größenordnung von Pikosekunden pro Grad berichtet, was trivial klingt, bis man bedenkt, dass man Unterschiede im Nanosekundenbereich misst.

Drittens dehnt sich das Rohr selbst aus und zieht sich zusammen. Pfadlängenänderungen. Gewöhnlich ist die Wirkung gering, aber sie verstärkt sich mit allem anderen.

Okay, genug Probleme. Was können Sie tun?

Machen Sie Ihre Installation richtig

Die langweilige Antwort, aber die wirkungsvollste. Gerade Rohrverläufe sind wichtig. Die alte Faustregel lautete: 10-20 Rohrdurchmesser vor dem Messgerät, 5 nach unten. Das ist für einzelne-Pfadzähler sinnvoll; Multi--Pfad-Designs sind nachsichtiger, profitieren aber dennoch von einem sauberen Fluss. Wenn keine guten Geradeausläufe möglich sind, können Strömungsgleichrichter helfen-Rohrbündel, Lochplatten, Flügelzellengeräte. Sie zerhacken das gestörte Profil und geben ihm die Chance, sich neu zu ordnen.

Eine Studie ergab, dass Ultraschallmessgeräte bei zwei Rohrdurchmessern stromabwärts einer Störung um 15 % abweichen könnten, bei einer Unsicherheit von 21 %. Um 10 Durchmesser schrumpft das dramatisch. Mit 50 Durchmessern sind grundsätzlich ideale Voraussetzungen gegeben. Die meisten realen Installationen liegen irgendwo dazwischen, daher stellt sich die praktische Frage: Wie viel Fehler können Sie tolerieren und wie viel Rohrlänge können Sie zuweisen?

Korrekturfaktoren richtig anwenden

Wenn Sie die Reynolds-Zahl Ihrer Strömung kennen (und diese aus Geschwindigkeit, Rohrdurchmesser und kinematischer Viskosität berechnen können), können Sie Profilkorrekturfaktoren anwenden. Für einen Pfad mit einem einzelnen Durchmesser setzt der Korrekturfaktor K die gemittelte Pfad-Geschwindigkeit in Beziehung zur gemittelten Querschnittsgeschwindigkeit-Abschnitt-. K variiert von vielleicht 0,75 bei laminarer Strömung bis etwa 0,94 bei voll entwickelter turbulenter Strömung.

Einige neuere Messgeräte erledigen dies automatisch mithilfe integrierter -Algorithmen. Bei anderen können Sie den Faktor manuell anpassen. Wieder andere gehen von einem festen Wert aus, der „nah genug“ für ihren erwarteten Betriebsbereich liegt. Wissen Sie, welchen Typ Sie haben.

Für gestörte Flüsse, bei denen das Profil asymmetrisch ist, wurden Bias-korrigierende Multiplikatoren entwickelt. Sie hängen von der Art der Störung (Einzelkrümmer, Doppelkrümmer außerhalb-der-Ebene, Klappe usw.) und der Entfernung davon ab. Diese sind nicht perfekt-sie basieren auf gemittelten experimentellen Daten-aber sie anzuwenden ist besser, als das Problem zu ignorieren.

Multi-Pfadkonfigurationen

Der Wechsel von einem Ultraschallpfad zu vier oder fünf verbessert die Genauigkeit unter realen Bedingungen erheblich. Die Pfade werden in bestimmten Abständen von der Rohrmitte positioniert und nach Integrationsschemata (Gaußsche Quadratur und ähnliche Methoden) gewichtet, die eine echte Querschnittsdurchschnittsbildung annähern.

British Gas schlug damals eine 4-Pfad-Geometrie vor, die in Anwendungen für den eichpflichtigen Verkehr weit verbreitet war. Unabhängig von der Profilausrichtung wird eine Genauigkeit von 0,2 % des tatsächlichen Durchflusses erreicht-zumindest wenn das Profil den erwarteten Mustern folgt. Vergleichen Sie das mit Einzelpfadmessgeräten, die allein durch die Drehung der Messebene relativ zu einer Störung um 1,4 % schwanken können. Großer Unterschied für die fiskalische Messung.

Multi{0}}Pfadmessgeräte bieten außerdem eine integrierte-Diagnose. Sie können Geschwindigkeiten von verschiedenen Pfaden vergleichen. Wenn die Pfadgeschwindigkeiten nicht in den erwarteten Verhältnissen übereinstimmen, stimmt etwas mit dem Strömungsprofil nicht, und Sie müssen der Sache nachgehen.

Temperaturkompensation richtig gemacht

Verlassen Sie sich nicht auf einen einzelnen Temperatursensor weit entfernt vom Messpunkt. Messen Sie die Temperatur an oder in der Nähe der Wandler. Verwenden Sie die gemessene Temperatur, um die Schallgeschwindigkeit zu berechnen, wenn Ihr Messgerät dies nicht automatisch tut. Für Flüssigkeiten mit bekannten Eigenschaften existieren Tabellen; Für kundenspezifische Flüssigkeiten benötigen Sie möglicherweise Charakterisierungsdaten.

Bei hochpräzisen Anwendungen ist die Wandlerkompensation stärker involviert. Der Ansatz besteht darin, die Schwingungsperiode der empfangenen Signale zu messen und sowohl die Periode als auch die Temperatur als Eingaben für einen linearen Zweipunkt-Kompensationsalgorithmus zu verwenden. Es klingt kompliziert, weil es so ist, aber IC-Hersteller haben damit begonnen, dies in spezielle Zeit{4}}zu-Digitalwandler-Chips zu integrieren.

Klemme-zu bestimmten Themen

Klemm-auf Messgeräten wird eine weitere Ebene der Komplexität hinzugefügt: die Rohrwand. Schall dringt durch die Wand, wird an Grenzflächen gebrochen und nimmt Verzögerungen auf. Eine genaue Messung der Wandstärke ist von entscheidender Bedeutung. -Verwenden Sie ein separates Dickenmessgerät senkrecht zur Oberfläche mit Kopplungsgel. Korrosion oder Kalkablagerungen beeinträchtigen sowohl die Wandstärke als auch den Innendurchmesser. Eine Studie aus dem Jahr 2016, in der neun tragbare Zangenmessgeräte getestet wurden, ergab durchschnittliche Fehler von -12,8 % bis +1.2 %, wobei die meisten den Durchfluss unterschätzten. Acht von neun Metern sind niedrig.

Der Laufzeitunterschied, den Sie messen möchten, kann mehrere zehn Nanosekunden betragen. Um dies aus verrauschten Signalen zu extrahieren, sind gute Algorithmen erforderlich.

Die Nulldurchgangserkennung ist die herkömmliche Methode: Finden Sie heraus, wo die empfangene Wellenform die Nullamplitude kreuzt, und verwenden Sie diesen Zeitpunkt. Einfach und schnell, aber empfindlich gegenüber Rauschen und Amplitudenschwankungen.

Kreuz-Korrelation bietet eine bessere Störfestigkeit. Es vergleicht die gesamten Upstream- und Downstream-Wellenformen und findet die Zeitverschiebung, die ihre Korrelation maximiert. Die Mathematik ist komplizierter, aber FPGAs bewältigen sie jetzt problemlos. Einige Implementierungen erreichen eine Auflösung von weniger als-Nanosekunden.

In jüngerer Zeit haben sich Deep-Learning-Ansätze als vielversprechend für die Durchflussratenschätzung unter komplexen Bedingungen erwiesen. Trainieren Sie ein neuronales Netzwerk auf CFD-simulierten Strömungsfeldern und ihren entsprechenden Ultraschallsignaturen; Lassen Sie es die Muster lernen, die Menschen möglicherweise übersehen. Kommerzielle Produkte sind noch experimentell, aber die wissenschaftlichen Arbeiten sind ermutigend.

Ultrasonic Flow Meter Accuracy

Bei der Werkskalibrierung werden ideale Bedingungen verwendet: lange gerade Rohre, stabiler Durchfluss, bekannte Flüssigkeiten, kontrollierte Temperatur. Ihre Installation hat nichts davon. Das macht die Kalibrierung nicht unbrauchbar, bedeutet aber, dass die angegebene Genauigkeit (häufig ±0,5 % bis ±1 % des Messwerts) die beste -Case-Leistung darstellt.

Durch die In-{0}Kalibrierung oder Verifizierung mit einem Referenzmessgerät lässt sich die Leistung in der Praxis- ermitteln. Coriolis-Messgeräte sind hervorragende Referenzen, wenn Sie eines installieren können. Sie sind immun gegen die meisten Profileffekte, die Ultraschall stören. Einige Betriebe verwenden ein Master-Ultraschallmessgerät mit deutlich höherer Genauigkeit (mehr Pfade, bessere Verarbeitung), um Arbeitseinheiten zu überprüfen.

Die Kalibrierung bei mehreren Durchflussraten über Ihren erwarteten Betriebsbereich hinweg lohnt sich. Das Messgerät könnte bei 50 % Kapazität genau-genau sein, aber bei 10 % oder 90 % abweichen. Holen Sie sich Datenpunkte und passen Sie bei Bedarf eine Korrekturkurve an.

Ehrlich gesagt: Manchmal ist eine andere Zählertechnologie sinnvoller. Wenn Sie eine Genauigkeit von 0,1 % benötigen und sich die Kosten leisten können, sind Coriolis-Messgeräte die Lösung. Sie messen den Massenstrom direkt, ignorieren Geschwindigkeitsprofile und sind weitgehend unabhängig von der Temperatur. Der Nachteil ist der Preis, die Größe und der Druckabfall,-aber die eichamtliche Übertragung hochwertiger-Produkte zahlt sich aus.

Bei leitfähigen Flüssigkeiten mit stark gestörter Strömung könnten magnetische Durchflussmesser Ultraschall überlegen sein. Sie reagieren unempfindlich auf die Profilform, solange das Profil achsensymmetrisch ist (was durch Winkelstücke und Ventile gestört werden kann, jedoch weniger schwerwiegend als bei Ultraschall).

Aber für große Rohre, Gasanwendungen, Nachrüstinstallationen, bei denen das Rohr nicht abgeschnitten werden kann, oder Situationen, in denen der Druckabfall nicht akzeptabel ist{0}} bleibt Ultraschall oft die einzige praktische Option. Kennen Sie ihre Grenzen und umgehen Sie sie.

Die Genauigkeit von Ultraschall-Durchflussmessern in der Praxis hängt davon ab, dass Sie die Lücke zwischen Laborbedingungen und Ihrer tatsächlichen Installation verstehen. Geschwindigkeitsprofileffekte, Temperaturschwankungen, Wandlereigenschaften, Rohrbedingungen-Sie alle tragen dazu bei. Die angegebene Genauigkeit von ±1 % kann zu ±3 % oder schlechter werden, wenn Sie diese Faktoren ignorieren.

Die gute Nachricht: Für die meisten dieser Probleme gibt es bekannte Lösungen oder zumindest bekannte Problemumgehungen. Richtige Installationspraktiken, geeignete Korrekturfaktoren, gute Temperaturkompensation, Mehrpfad-Designs, sofern das Budget dies zulässt, und eine realistische Kalibrierung unter tatsächlichen Bedingungen können die reale Leistung viel näher an die theoretischen Grenzen bringen.

Vertrauen Sie dem Datenblatt nicht blind. Verstehen Sie, was Ihr Messgerät beeinflusst, messen Sie, was Sie können, korrigieren Sie das, was Sie wissen, und halten Sie angemessene Unsicherheitsmargen für das ein, was unbekannt bleibt. Das ist kein Pessimismus-es ist Messtechnik.

Und wenn jemand fragt, ob Ihr Ultraschallmessgerät genau ist, lautet die ehrliche Antwort: Es kommt darauf an. Aber jetzt wissen Sie, worauf es ankommt.