Wenn Sie sich schon einmal mit Gasmessanlagen beschäftigt haben {{0}oder einfach nur technische Kataloge durchgeblättert haben-, sind Sie wahrscheinlich auf den Begriff „Mehrweg-Ultraschall-Durchflussmesser.“ Klingt schick. Und ehrlich gesagt ist es das auch.
Aber hier ist die Sache: Das Grundkonzept ist gar nicht so kompliziert, wenn man den Fachjargon weglässt.
Die Kernidee (ohne den Lehrbuch-Unsinn)
Ein Mehrweg-Ultraschalldurchflussmesser misst die Gasgeschwindigkeit, indem er Ultraschallsignale über mehrere Pfade-oder „Kanäle“, wie Ingenieure sie gerne nennen, über ein Rohr sendet. Jeder Kanal liefert Ihnen einen Geschwindigkeitswert an einer anderen Sehne des Rohrquerschnitts. Sie mitteln diese Messwerte zusammen, gewichten sie entsprechend und bumm: Sie erhalten eine anständige Schätzung, wie schnell sich das Gas tatsächlich durch dieses Rohr bewegt.
Es gibt auch Einzelkanalmessgeräte-. Sie sind billiger. Sie sind einfacher. Allerdings betrachten sie auch nur einen Ausschnitt des Strömungsprofils, was irreführend sein kann, wenn die Strömung nicht vollkommen gleichmäßig ist. Und lassen Sie mich Ihnen sagen: -Der Fluss ist fast nie vollkommen gleichmäßig.
Sowohl die Single- als auch die Multipath-Version basieren auf der sogenannten Time-of-Flight-Methode. Das funktioniert so: Sie haben zwei Wandler auf gegenüberliegenden Seiten des Rohrs. Einer sendet einen Ultraschallimpuls stromabwärts (mit der Strömung), der andere sendet einen stromaufwärts (gegen die Strömung). Der Downstream-Impuls kommt schneller an, weil er vom Gasstrom angetrieben wird. Der vorgelagerte braucht länger, weil er dagegen ankämpft.
Sie messen beide Reisezeiten, berechnen die Differenz und können aus dieser Differenz die Geschwindigkeit ableiten. Die Mathematik ist nicht trivial, aber-gut etabliert. Das machen die Menschen schon seit Jahrzehnten.
Warum mehrere Kanäle?
Hier wird es interessant-und hier habe ich einige Meinungen.
In einem Mehrwegemessgerät stellt V die auf jedem Kanal gemessene durchschnittliche Oberflächengeschwindigkeit dar. Sie erfassen im Wesentlichen das Geschwindigkeitsprofil in verschiedenen Höhen über den Rohrdurchmesser. Die Formel sieht etwa so aus: Die volumetrische Durchschnittsgeschwindigkeit entspricht der Summe der Geschwindigkeit jedes Kanals multipliziert mit seinem Gewichtungskoeffizienten. Ausgeschrieben: v=ΣwᵢVᵢ, wobei W der Gewichtungskoeffizient ist, der davon abhängt, für welchen Integrationsalgorithmus sich der Hersteller entschieden hat.
Daraus können Sie die tatsächliche Durchflussrate berechnen: q=A × Σ(WᵢVᵢ), wobei A die Querschnittsfläche des Rohrs ist.
Verschiedene Integrationsschemata weisen verschiedenen Akkorden unterschiedliche Gewichtungen zu. Die Gaußsche Quadratur ist beliebt. Das Gleiche gilt für die Tschebyscheff-Methode. Jeder hat Kompromisse-. Aber ganz ehrlich: Sofern Sie das technische Design nicht selbst erstellen, müssen Sie sich wahrscheinlich keine Gedanken darüber machen, welches das „Beste“ ist. Sie funktionieren alle einigermaßen gut.
Die Sechs-Kanal-Frage
Derzeit verfügen die gängigsten High-End-Produkte ausländischer Hersteller über bis zu sechs Kanäle. Man könnte meinen, mehr Kanäle bedeuten mehr Genauigkeit. Und theoretisch sollten Sie mit mehr Abtastpunkten eine bessere Annäherung an das tatsächliche Geschwindigkeitsprofil erhalten.
Doch praktische Erfahrungen sprechen eine andere Sprache.
Sobald Sie vier Kanäle erreichen, werden die Genauigkeitsgewinne durch das Hinzufügen weiterer Pfade marginal. Unterdessen schießen die Herstellungskosten in die Höhe. Jedes weitere Wandlerpaar erfordert eine präzise Ausrichtung. Jeder einzelne fügt potenzielle Fehlerpunkte hinzu. Jedes davon erschwert die Installation und Wartung.
Lohnt sich also ein Sechs-{0}Kanal-Messgerät gegenüber einem Vier-{1}Kanal-Messgerät? Manchmal. Für Anwendungen im eichamtlichen Verkehr, bei denen es auf Bruchteile eines Prozents ankommt. Für die meisten industriellen Anwendungen? Wahrscheinlich nicht.
Die Installation ist wichtiger als Sie denken
Ich habe wunderschöne sechs -Pfadmessgeräte gesehen, die an schrecklichen Stellen-unmittelbar stromabwärts der Rohrkrümmer installiert waren, mit wirbelnder Strömung und asymmetrischen Geschwindigkeitsprofilen, die all diese zusätzlichen Kanäle fast nutzlos machten. Das Messgerät hat den Müll gemessen, und wenn man den Müll auf sechs verschiedene Arten durchschnittlich berechnet, erhält man ... nun ja, -den gemittelten Müll.
Allgemeine Richtlinien besagen, dass Sie mindestens acht Rohrdurchmesser gerade stromaufwärts und zwei Durchmesser stromabwärts benötigen, um Strömungsstörungen zu vermeiden. Aber das ist eine Richtlinie, keine Garantie. Zyklische Strömungsmuster, Pitch-Flow und Temperaturschichtung-All dies kann Ihre Messwerte auf eine Weise beeinträchtigen, die nicht mehr durch andere Kanäle vollständig ausgeglichen werden kann.
Einige Zählerkonfigurationen verwenden gekreuzte Pfade (X--Musteranordnungen), um bestimmte Strömungsverzerrungen auszugleichen. Clever, aber nicht magisch.
Überlegungen zur realen-Welt
Für turbulente Strömungen sollte die Reynolds-Zahl über 4000 liegen-was in Industriegaspipelines normalerweise kein Problem darstellt. Laminare Strömung ist selten. Die Schallgeschwindigkeit im Gas beeinflusst die Signallaufzeit, moderne Messgeräte regeln dies jedoch automatisch durch Temperaturkompensation.
Normalerweise werden Wandler in einem Winkel von 45 Grad oder mehr relativ zur Strömungsrichtung montiert. Der optimale Winkel hängt jedoch vom Rohrdurchmesser, der Gasgeschwindigkeit und der Temperatur ab. Die maximale Betriebstemperatur liegt bei Standardinstallationen normalerweise bei etwa 650 °F. Kryo-Anwendungen sind eine ganz andere Sache.
Das Fazit
Mehrweg-Ultraschall-Durchflussmesser sind eine gute Technologie. Sie sind nicht-invasiv, haben keine beweglichen Teile, verarbeiten eine große Bandbreite an Durchflussraten und können bei ordnungsgemäßer Installation und Kalibrierung eine beeindruckende Genauigkeit erreichen.
Aber sie sind nicht narrensicher. Mehr Pfade bedeuten nicht automatisch bessere Ergebnisse. Ein gut-installiertes Vier-{3}Kanal-Messgerät ist bei guten Durchflussbedingungen jedes Mal besser als ein Sechs-{4}Kanal-Messgerät, das an einer problematischen Stelle installiert ist.
Wenn Sie die Grundlagen-Zeit-der-Flugmessung, Geschwindigkeitsintegration und die Rolle von Gewichtungskoeffizienten- verstehen, können Sie bessere Entscheidungen darüber treffen, wann diese Messgeräte sinnvoll sind und wie Sie das Beste aus ihnen herausholen.
