Az ultrahangos áramlásmérő pontosságának és az áramlási sebesség korrekciójának javítása

Ha valós időt töltöttél veleultrahangos áramlásmérők, már ismeri a hangmagasságot: nem-invazív, nincs mozgó alkatrész, szinte bármin működik. És nézd, ez többnyire igaz. De a pontossági beszélgetés? Itt válnak érdekessé-és időnként frusztrálóvá a dolgok. Mert egy laborban pontos ultrahangos mérőműszer egészen másképp viselkedhet, ha egy valódi csővezetékre csavarja fel könyökökkel, hőmérséklet-ingadozásokkal és bármi mással, amivel a folyamat előidézi.

Ennek nem az a célja, hogy elriassza a technológiától. Az ultrahangos mérőórák továbbra is az egyik legjobb lehetőség számos alkalmazáshoz. A lényeg az, hogy megértsük, mi befolyásolja a pontosságukat, és -ami még ennél is fontosabb-, hogy valójában mit tehet ez ellen.

A tranzit-idő ultrahangos áramlásmérői úgy működnek, hogy akusztikus impulzusokat küldenek két jelátalakító között-az egyik felfelé, a másik után. Az áramlással együtt haladó impulzus valamivel gyorsabban érkezik, mint az ellene küzdő. Ez az időkülönbség, itt nanoszekundumokról beszélünk, áramlási sebességgé alakul át.

Papíron elég egyszerű. A baj akkor kezdődik, amikor rájössz, hogy a sebességmérés egyetlen pályán történik (vagy talán néhány ösvényen, nagyobb méterekben), de ami valójában érdekel, az azátlagossebesség a cső teljes keresztmetszetében-. A folyadék nem mindenhol egyforma sebességgel mozog. A falak közelében lassabb, középen gyorsabb. A kapcsolat a mérő által látott és a ténylegesen zajló események között az úgynevezett sebességprofiltól függ,{4}}és ez a profil változik a Reynolds-számmal, a cső egyenetlenségével, az upstream zavarokkal és körülbelül egy tucat egyéb tényezővel.

Legyünk nyersek a fő hibaforrásokkal kapcsolatban.

Ultrasonic Flow Meter Accuracy

Tegyen egy könyököt a mérő előtt, és máris aszimmetrikus áramlást hoz létre. A sebességeloszlás elferdül, esetleg örvénylő lesz, és az egyetlen-útvonal mérése most... mit is mutat pontosan? A kutatások kimutatták, hogy a felfelé irányuló zavarok akár 15%-át is elérhetik, ha nem veszi figyelembe azokat. A többszörös-útmérők jelentősen segítenek-a csőátmérő több pontján mintavételezni a sebességet, és súlyozott átlagokat használnak,-de ezek nem varázslatosak. Egy erősen megzavart profil továbbra is megbotránkoztathatja őket.

Itt van valami, ami megragadja az embereket. A sebességprofil alakja nem rögzített,{1}}a Reynolds-szám függvényében változik. Alacsony áramlásoknál (lamináris rendszer, Re körülbelül 2300 alatt), parabolaprofilt kapunk. A középsebesség az átlag kétszerese lehet. Nagy áramlásoknál (turbulens, Re 4000 felett) a profil jelentősen lelapul; a középsebesség az átlag 1,1-1,2-szerese lehet.

Mit jelent ez a gyakorlatban? A mérő által alkalmazott korrekciós tényező az egyik áramlási sebességnél rossz lehet egy másiknál. A legtöbb gyártó beépít némi ellentételezést, de előfordulhat, hogy a mögöttes feltételezések nem egyeznek az Ön tényleges körülményeivel.

Ennek modellezésére évtizedek óta használnak teljesítmény-sebességprofilokat. Nikuradse munkája az 1930-as évekből-igen, ez a régi-még mindig sok korrekciós algoritmus alapját képezi. A profil az u/u_max=(1 - r/R)^(1/n) egyenletet követi, ahol n a Reynolds-szám függvényében változik. Amikor n 7 körül van, akkor egy meglehetősen lapos turbulens profilt látunk. Amikor n 4 felé csökken, a dolgok még élesebbek lesznek. Egyetlen középvonali pálya korrekciós tényezője a körülményektől függően 0,75 és 0,95 között ingadozhat.

Ultrasonic Flow Meter Accuracy

A durva csövek laposabbá teszik a profilt. Az új, sima csövek és a korrodált régi csövek 0,5–1%-os eltérést jelenthetnek az idő múlásával,{3}}és valószínűleg csak akkor veszi észre, ha elgondolkozik azon, miért sodort el a mérő.

Ez megérdemel egy külön részt, mert a hőmérséklet olyan módon befolyásolja az ultrahangos mérést, ami nem azonnal nyilvánvaló.

Először is, a folyadékban lévő hangsebesség a hőmérséklettel változik. Vízben a hangsebesség nagyjából 2,4 m/s-ot növekszik minden Celsius-fokos emelkedésnél. A mérőműszer átfutási idejének számítása egy bizonyos hangsebességet feltételez; félreérti, és az áramlási érték eltolódik. A modern mérőeszközök hőmérséklet-érzékelőket és kompenzációs algoritmusokat tartalmaznak, a jók pedig 1,5%-ról körülbelül 0,2%-ra csökkenthetik a hőmérséklet{4}} által kiváltott hibákat. De olcsóbb egységek rossz kompenzációval? El fognak bolyongani.

Másodszor,-és ez a finom-átalakítók maguk változtatják a jellemzőket a hőmérséklet függvényében. Elektromechanikus reakciójuk eltolódik. Az az időzítés, amikor ténylegesen tüzelnek, szemben azzal, amikor azt állítják, hogy sodródást lőnek. Ha az upstream és a downstream jelátalakítók nem egyeznek tökéletesen (és soha nem egyeznek meg, még ugyanabból a gyártási tételből sem), akkor a hőmérséklet függvényében változó torzítást kap. Egyes cikkek a jelátalakító időzítési eltolódásáról számolnak be, ami pikoszekundum/fok nagyságrendű, ami triviálisan hangzik, amíg nem emlékszik rá, hogy nanoszekundum{6}}skálabeli különbségeket mér.

Harmadszor, maga a cső kitágul és összehúzódik. Az út hossza változik. Általában kicsi a hatás, de minden mással felhalmozódik.

Rendben, elég a probléma. Mit tehetsz?

Rendben telepítse

Az unalmas válasz, de a leghatásosabb. Az egyenes cső fut. A régi ökölszabály szerint 10{5}}20 csőátmérő a mérő előtt, 5 csőátmérő volt a mérő előtt. Ez ésszerű egy-útvonalmérők esetén; A több-útvonalas kialakítások elnézőbbek, de még mindig előnyös a tiszta áramlás. Ha nem tud jó egyenes futást elérni, az áramláskondicionálók segíthetnek-a csőkötegek, perforált lemezek, lapátos eszközök. Feldarabolják a megzavart profilt, és lehetőséget adnak az átszervezésre.

Egy tanulmány szerint a zavarás után 2 csőátmérőnél az ultrahangos mérőórák 15%-kal hibázhatnak, 21%-os bizonytalanság mellett. 10 átmérővel ez drámaian zsugorodik. 50 átmérővel alapvetően ideális körülmények között van. A legtöbb valós telepítés valahol a kettő közé esik, így a gyakorlati kérdés az: mekkora hibát tud elviselni, és mekkora csőhosszt tud kijelölni?

Alkalmazza megfelelően a korrekciós tényezőket

Ha ismeri az áramlás Reynolds-számát (és ki kell számítania a sebességből, a csőátmérőből és a kinematikai viszkozitásból), alkalmazhat profilkorrekciós tényezőket. Egyetlen átmérőjű út esetén a K korrekciós tényező az útvonal-átlagos sebességét a kereszt-metszete-átlagsebességgel viszonyítja. K a lamináris áramlásban talán 0,75-től a teljesen kifejlődött turbulens áramlásban körülbelül 0,94-ig változik.

Egyes újabb mérőórák ezt a beépített{0}}algoritmusok segítségével automatikusan megteszik. Mások hozzáférést biztosítanak a tényező manuális beállításához. Megint mások olyan rögzített értéket feltételeznek, amely „elég közel” a várható működési tartományukhoz. Tudd, melyik típusod van.

Az aszimmetrikus profilú zavart áramlásokhoz torzítás{0}}korrekciós szorzót fejlesztettek ki. Ezek a zavar típusától függenek (egy könyök, kettős könyök-kifelé-, szelep stb.) és az attól való távolságtól. Ezek nem tökéletesek,-átlagolt kísérleti adatokon alapulnak,-de alkalmazása üt a probléma figyelmen kívül hagyásával.

Több-útvonal konfigurációk

Egy ultrahangos útról négyre vagy ötre való átállás drámaian javítja a pontosságot valós körülmények között. A pályák meghatározott távolságra vannak elhelyezve a cső középpontjától, súlyozva az integrációs sémák szerint (Gauss-kvadratúra és hasonló módszerek), amelyek közelítik a valódi keresztmetszeti átlagot-.

A British Gas még a napokban javasolta a 4-pályás geometriát, amely széles körben elterjedt a felügyeleti átruházási alkalmazásokban. A tényleges áramlás 0,2%-án belüli pontosságot ér el, függetlenül a profil tájolásától,{5}}legalábbis akkor, ha a profil a várt mintákat követi. Hasonlítsa össze ezt az egyutas mérőműszerekkel, amelyek 1,4%-ot ingadozhatnak pusztán a mérési sík elforgatásától a zavaráshoz képest. Nagy különbség a fiskális mérésben.

A több-útmérők beépített-diagnosztikát is biztosítanak. Összehasonlíthatja a különböző utak sebességét. Ha az útsebességek nem egyeznek meg a várt arányokkal, akkor valami nem stimmel az áramlási profillal, és érdemes kivizsgálni.

A hőmérséklet-kompenzáció megfelelően megtörtént

Ne hagyatkozzon egyetlen hőmérséklet-érzékelőre a mérési ponttól távol. Mérje meg a hőmérsékletet a jelátalakítókon vagy azok közelében. Használja a mért hőmérsékletet a hangsebesség kiszámításához, ha a mérő nem végzi el automatikusan. Az ismert tulajdonságú folyadékokhoz táblázatok léteznek; egyedi folyadékok esetében szükség lehet a jellemzési adatokra.

A nagy-precíziós alkalmazásoknál a jelátalakító kompenzációja nagyobb szerepet játszik. A megközelítés magában foglalja a vett jelek oszcillációs periódusának mérését, valamint a periódus és a hőmérséklet felhasználását egy két-pontos lineáris kompenzációs algoritmus bemeneteként. Bonyolultnak hangzik, mert az, de az IC-gyártók elkezdték ezt a digitális átalakító chipekre-dedikált-időbe építeni.

Konkrét problémák{0}}szorítása

A mérők{0}}rögzítése további összetettséget ad: a csőfalat. A hang áthalad a falon, megtörik a felületeken, és késleltetéseket vesz fel. A falvastagság pontos mérése kritikus fontosságú-, használjon külön vastagságmérőt, a felületre merőlegesen, kapcsológéllel. A korróziós vagy vízkőlerakódások mind a falvastagságot, mind a belső átmérőt kidobják. Egy 2016-os tanulmány, amely kilenc hordozható bilincset{7}} tesztelt mérőeszközön, -12,8%-tól +1.2%-ig terjedő átlagos hibákat talált, amelyek többsége alábecsülte az áramlást. Kilencből nyolc méter alacsonynak bizonyult.

A mérni kívánt átviteli időkülönbség több tíz nanoszekundum lehet. Ennek kinyerése a zajos jelekből jó algoritmusokat igényel.

A nulla{0}}átlépés észlelése a hagyományos módszer: keresse meg, hol keresztezi a vett hullámforma nulla amplitúdóját, és használja ezt az időzítést. Egyszerű és gyors, de érzékeny a zajra és az amplitúdó változásaira.

A kereszt{0}}korreláció jobb zajvédelmet biztosít. Összehasonlítja a teljes upstream és downstream hullámformát, és megtalálja azt az időeltolódást, amely maximalizálja a korrelációjukat. A matematika nehezebb, de az FPGA-k most könnyen kezelik. Egyes megvalósítások sub-nanoszekundumos felbontást érnek el.

A közelmúltban a mély tanulási megközelítések ígéretesnek bizonyultak az áramlási sebesség becslésére összetett körülmények között. Neurális hálózat betanítása CFD{1}}szimulált áramlási mezőkön és a hozzájuk tartozó ultrahangos aláírásokon; hadd tanulja meg azokat a mintákat, amelyeket az emberek esetleg hiányolhatnak. Kereskedelmi termékekben még kísérleti jellegű, de az akadémiai dolgozatok biztatóak.

Ultrasonic Flow Meter Accuracy

A gyári kalibrálás ideális körülményeket használ: hosszú egyenes csövek, stabil áramlás, ismert folyadékok, szabályozott hőmérséklet. Az Ön telepítése ezek közül egyiket sem tartalmazza. Ez nem teszi haszontalanná a kalibrálást, de azt jelenti, hogy a megadott pontosság (gyakran a leolvasás ±0,5%-a és ±1%-a között van) a legjobb -teljesítményt képviseli.

Az in-helyi kalibrálás vagy a referenciamérővel történő ellenőrzés segít a valós-teljesítmény meghatározásában. A Coriolis mérőórák kiváló referenciák, ha telepíthető; immunisak az ultrahangot zavaró profilhatások többségére. Egyes műveleteknél lényegesen nagyobb pontosságú (több út, jobb feldolgozás) fő ultrahangos mérőműszert használnak az igáslóegységek ellenőrzésére.

Megéri az erőfeszítést a kalibrálás több áramlási sebességgel a várható működési tartományban. Előfordulhat, hogy a mérő 50%-os teljesítménnyel{1}}pontos, de 10%-nál vagy 90%-nál eltolódik. Szerezzen adatpontokat, szükség esetén illesszen be egy korrekciós görbét.

Őszinte beszéd: néha értelmesebb egy másik mérőtechnológia. Ha 0,1%-os pontosságra van szüksége, és megengedheti magának a költségeket, a Coriolis mérők nyernek. Közvetlenül mérik a tömegáramot, figyelmen kívül hagyják a sebességprofilokat, és a hőmérséklet nagyrészt nem befolyásolja őket. Hátránya az ár, a méret és a nyomásesés,-de a nagy értékű-termékek letéti átruházása önmagáért fizet.

Erősen zavart áramlású, vezetőképes folyadékok esetén a mágneses áramlásmérők jobban teljesítenek, mint az ultrahang. Mindaddig érzéketlenek a profil alakjára, amíg a profil tengelyszimmetrikus (amit a könyökök és a szelepek megzavarhatnak, de kevésbé súlyosan, mint az ultrahangnál).

De nagy csövek, gázalkalmazások, utólagos felszerelések esetén, ahol nem lehet elvágni a csövet, vagy olyan helyzetekben, amikor a nyomásesés elfogadhatatlan,{0}}az ultrahang gyakran marad az egyetlen praktikus megoldás. Ismerje meg korlátaikat, és kerülje meg őket.

Az ultrahangos áramlásmérő pontossága a valós világban attól függ, hogy megérti-e a szakadékot a laboratóriumi körülmények és a tényleges telepítés között. A sebességprofil hatásai, a hőmérséklet-ingadozások, a jelátalakító jellemzői, a csőviszonyok{1}}mind hozzájárulnak. A megadott ±1%-os pontosság ±3%-ra vagy még rosszabbra fordulhat, ha figyelmen kívül hagyja ezeket a tényezőket.

A jó hír: ezeknek a problémáknak a többségére ismert megoldások vagy legalábbis ismert megoldások vannak. A megfelelő telepítési gyakorlat, a megfelelő korrekciós tényezők, a jó hőmérséklet-kompenzáció, a több-útvonalas kialakítások, ahol a költségvetés megengedi, és a valós körülmények között történő reális kalibráció, sokkal közelebb hozhatja a valós teljesítményt- az elméleti határokhoz.

Ne bízzon vakon a műszaki adatlapban. Értse meg, mi befolyásolja a mérőműszert, mérje meg, amit tud, javítsa ki, amit tud, és tartsa fenn a megfelelő bizonytalansági határokat az ismeretlenekre. Ez nem pesszimizmus,-hanem metrológia.

És ha valaki megkérdezi, hogy pontos-e az ultrahangos mérőműszere, az őszinte válasz: attól függ. De most már tudod, miről.