Poprawa dokładności i korekcji natężenia przepływu ultradźwiękowego przepływomierza

Jeśli spędziłeś naprawdę dużo czasu zprzepływomierze ultradźwiękowe, znasz już zasadę: nieinwazyjny-, bez ruchomych części, działa prawie na wszystko. I spójrz, to w większości prawda. Ale rozmowa o dokładności? Wtedy sprawy stają się interesujące-i czasami frustrujące. Ponieważ miernik ultradźwiękowy, który jest dokładny w laboratorium, może zachowywać się zupełnie inaczej, gdy przykręci się go do prawdziwego rurociągu z kolankami, wahaniami temperatury i czymkolwiek innym, co wiąże się z procesem.

Nie ma to na celu odstraszyć Cię od technologii. Mierniki ultradźwiękowe pozostają jedną z najlepszych opcji w wielu zastosowaniach. Chodzi o zrozumienie, co wpływa na ich dokładność i-co ważniejsze-co można z tym zrobić.

Przepływomierze ultradźwiękowe-czasu przejścia działają na zasadzie wysyłania impulsów akustycznych pomiędzy dwoma przetwornikami-jeden przed i drugi za. Impuls płynący z prądem dociera nieco szybciej niż ten, który z nim walczy. Ta różnica czasu, mówimy tutaj o nanosekundach, zostaje przeliczona na prędkość przepływu.

Dość proste na papierze. Problem zaczyna się, gdy zdasz sobie sprawę, że pomiar prędkości odbywa się wzdłuż jednej ścieżki (lub może kilku ścieżek w bardziej wyszukanych metrach), ale tak naprawdę interesuje Cięprzeciętnyprędkość w całym przekroju rury-. Płyn nie porusza się wszędzie z tą samą prędkością. Przy ścianach jest wolniej, w środku szybciej. Związek między tym, co widzi licznik, a tym, co faktycznie się dzieje, zależy od tak zwanego profilu prędkości-, a profil ten zmienia się wraz z liczbą Reynoldsa, chropowatością rury, zakłóceniami w górnym biegu rzeki i kilkunastu innymi czynnikami.

Bądźmy szczerzy w kwestii głównych źródeł błędów.

Ultrasonic Flow Meter Accuracy

Umieść kolanko przed licznikiem i właśnie uzyskałeś asymetryczny przepływ. Rozkład prędkości ulega zniekształceniu, może wiruje, a pomiar pojedynczej-ścieżki przedstawia teraz... co dokładnie? Badania wykazały, że błędy sięgające 15% wynikają z samych zakłóceń na górnym biegu strumienia, jeśli się ich nie uwzględnia. Mierniki wielo-drogowe znacznie pomagają-próbkują prędkość w kilku punktach średnicy rury i wykorzystują średnie ważone-ale to nie jest magia. Poważnie zakłócony profil może ich w dalszym ciągu wytrącić z równowagi.

Oto coś, co zaskakuje ludzi. Kształt profilu prędkości nie jest stały,-zmienia się wraz z liczbą Reynoldsa. Przy niskich przepływach (reżim laminarny, Re poniżej około 2300) uzyskuje się profil paraboliczny. Prędkość środkowa może być dwukrotnie większa od średniej. Przy dużych przepływach (burzliwych, Re powyżej 4000) profil ulega znacznemu spłaszczeniu; prędkość centralna jest może 1,1 do 1,2 razy większa od średniej.

Co to oznacza praktycznie? Współczynnik korekcyjny zastosowany przez miernik przy jednym natężeniu przepływu może być nieprawidłowy przy innym. Większość producentów zapewnia pewną rekompensatę, ale leżące u jej podstaw założenia mogą nie odpowiadać rzeczywistym warunkom.

Do modelowania tego zjawiska od dziesięcioleci stosowano profile prędkości-prawa mocy. Praca Nikuradse z lat 30. XX wieku-tak, ta stara-nadal stanowi podstawę wielu algorytmów korekcji. Profil jest zgodny z równaniem u/u_max=(1 - r/R)^(1/n), gdzie n zmienia się wraz z liczbą Reynoldsa. Gdy n wynosi około 7, mamy do czynienia z dość płaskim, turbulentnym profilem. Kiedy n spada do 4, sprawy stają się bardziej konkretne. Współczynnik korekcji dla pojedynczej ścieżki linii środkowej może wahać się od 0,75 do 0,95 w zależności od warunków.

Ultrasonic Flow Meter Accuracy

Szorstkie rury sprawiają, że profil jest bardziej płaski. Nowe gładkie rury w porównaniu ze starymi skorodowanymi mogą z biegiem czasu oznaczać różnicę w odczytach od 0,5 do 1%-i prawdopodobnie nie zauważysz tego, dopóki nie zaczniesz się zastanawiać, dlaczego Twój licznik dryfował.

Zasługuje to na osobną sekcję, ponieważ temperatura wpływa na pomiary ultradźwiękowe w sposób, który nie jest od razu oczywisty.

Po pierwsze, prędkość dźwięku w płynie zmienia się wraz z temperaturą. W wodzie prędkość dźwięku wzrasta o około 2,4 m/s na każdy stopień Celsjusza. Obliczenie czasu przejścia miernika zakłada pewną prędkość dźwięku; pomylisz się, a odczyt przepływu się zmieni. Nowoczesne mierniki zawierają czujniki temperatury i algorytmy kompensacji, a dobre mogą zmniejszyć błędy-indukowane temperaturą z 1,5% do około 0,2%. Ale tańsze jednostki ze słabą rekompensatą? Będą wędrować.

Po drugie,-i to subtelne-same przetworniki zmieniają charakterystykę wraz ze zmianą temperatury. Zmienia się ich reakcja elektromechaniczna. Moment, w którym faktycznie strzelają, a kiedy twierdzą, że strzelają. Jeśli przetworniki przed i za przetwornikami nie pasują idealnie (a nigdy tak się nie dzieje, nawet w przypadku tej samej partii produkcyjnej), otrzymasz odchylenie zmieniające się w zależności od temperatury. Niektóre artykuły podają dryf taktowania przetwornika rzędu pikosekund na stopień, co wydaje się trywialne, dopóki nie przypomnimy sobie, że mierzymy różnice w skali nanosekundowej-.

Po trzecie, sama rura rozszerza się i kurczy. Zmiany długości ścieżki. Zwykle niewielki efekt, ale kumuluje się ze wszystkim innym.

Dobra, dość problemów. Co możesz zrobić?

Popraw swoją instalację

Nudna odpowiedź, ale najbardziej wpływowa. Proste przebiegi rur mają znaczenie. Stara praktyczna zasada brzmiała: 10-20 średnic rury przed licznikiem i 5 za licznikiem. Jest to rozsądne w przypadku mierników jedno-ścieżkowych; projekty wielo-ścieżkowe są bardziej wyrozumiałe, ale nadal zapewniają czysty przepływ. Jeśli nie można uzyskać dobrych prostych przebiegów, pomocne mogą okazać się kondycjonery przepływu-wiązki rurek, płyty perforowane i urządzenia łopatkowe. Siekają zaburzony profil i dają mu szansę na reorganizację.

Jedno z badań wykazało, że przy 2 średnicach rury za zakłóceniem mierniki ultradźwiękowe mogą błędnie działać o 15% przy niepewności 21%. O 10 średnic to drastycznie się kurczy. Przy 50 średnicach masz w zasadzie idealne warunki. Większość rzeczywistych instalacji plasuje się gdzieś pomiędzy, zatem praktyczne pytanie brzmi: ile błędów możesz tolerować i jaką długość rur możesz przeznaczyć?

Zastosuj prawidłowo współczynniki korekcyjne

Jeśli znasz liczbę Reynoldsa swojego przepływu (i powinieneś być w stanie ją obliczyć na podstawie prędkości, średnicy rury i lepkości kinematycznej), możesz zastosować współczynniki korekcyjne profilu. W przypadku ścieżki o pojedynczej średnicy współczynnik korekcji K wiąże średnią prędkość-ścieżki ze średnią prędkością-przekroju-przekroju. K waha się od około 0,75 w przepływie laminarnym do około 0,94 w w pełni rozwiniętym przepływie turbulentnym.

Niektóre nowsze liczniki robią to automatycznie, korzystając z wbudowanych-algorytmów. Inne umożliwiają ręczną regulację współczynnika. Jeszcze inni zakładają stałą wartość, która jest „wystarczająco bliska” dla ich oczekiwanego zakresu operacyjnego. Dowiedz się, jaki masz typ.

Dla przepływów zakłóconych, gdzie profil jest asymetryczny, opracowano mnożniki-korygujące odchylenie. Zależą one od rodzaju zakłócenia (pojedyncze kolano, podwójne kolano-od-płaszczyzny, zawór itp.) i odległości od niego. Nie są one doskonałe,-oparte na uśrednionych danych eksperymentalnych-ale ich zastosowanie oznacza ignorowanie problemu.

Konfiguracje wielościeżkowe-

Przejście z jednej ścieżki ultradźwiękowej na cztery lub pięć radykalnie poprawia dokładność w rzeczywistych warunkach. Ścieżki są umieszczane w określonych odległościach od środka rury, ważone zgodnie ze schematami całkowania (kwadratura Gaussa i podobne metody), które przybliżają prawdziwe uśrednianie-przekroju poprzecznego.

Firma British Gas zaproponowała już kiedyś geometrię 4-ścieżkową, która została powszechnie przyjęta w zastosowaniach związanych z transferem rozliczeniowym. Osiąga dokładność w granicach 0,2% rzeczywistego przepływu niezależnie od orientacji profilu-przynajmniej wtedy, gdy profil jest zgodny z oczekiwanymi wzorami. Porównaj to z miernikami jednościeżkowymi, które mogą wahać się o 1,4% na skutek samego obrotu płaszczyzny pomiaru względem zakłócenia. Duża różnica w pomiarach fiskalnych.

Mierniki wielo-ścieżkowe zapewniają także wbudowaną-diagnostykę. Można porównywać prędkości na różnych trasach. Jeśli prędkości na ścieżce nie zgadzają się w oczekiwanych proporcjach, coś jest nie tak z profilem przepływu i trzeba to sprawdzić.

Kompensacja temperatury wykonana prawidłowo

Nie polegaj na pojedynczym czujniku temperatury oddalonym od punktu pomiarowego. Zmierz temperaturę w pobliżu przetworników. Użyj zmierzonej temperatury do obliczenia prędkości dźwięku, jeśli miernik nie zrobi tego automatycznie. Dla cieczy o znanych właściwościach istnieją tabele; w przypadku płynów niestandardowych mogą być potrzebne dane charakteryzujące.

W przypadku zastosowań-o wysokiej precyzji kompensacja przetwornika jest bardziej zaangażowana. Podejście to obejmuje pomiar okresu oscylacji odbieranych sygnałów i wykorzystanie zarówno okresu, jak i temperatury jako danych wejściowych dla dwu-punktowego algorytmu kompensacji liniowej. Brzmi to skomplikowanie, ponieważ tak jest, ale producenci układów scalonych zaczęli wbudowywać to w dedykowane układy czasowe-na-przetworniki cyfrowe.

Zacisk-konkretnych problemów

Zaciski-na licznikach dodają kolejną warstwę złożoności: ściankę rury. Dźwięk przemieszcza się przez ścianę, załamuje się na stykach i rejestruje opóźnienia. Dokładny pomiar grubości ścianki ma kluczowe znaczenie.-Użyj osobnego miernika grubości, ustawionego prostopadle do powierzchni, z żelem sprzęgającym. Korozja lub osady kamienia powodują utratę zarówno grubości ścianki, jak i średnicy wewnętrznej. Badanie przeprowadzone w 2016 r., w którym testowano dziewięć przenośnych zacisków-na miernikach, wykazało średnie błędy od -12,8% do +1.2%, przy większości niedoszacowań przepływu. Osiem z dziewięciu metrów jest nisko.

Różnica czasu przejścia, którą próbujesz zmierzyć, może wynosić dziesiątki nanosekund. Wyodrębnienie tego z zaszumionych sygnałów wymaga dobrych algorytmów.

Tradycyjna metoda polega na wykrywaniu-przejścia przez zero: znajdź miejsce, w którym otrzymany przebieg przecina amplitudę zerową, i użyj tego taktowania. Prosty i szybki, ale wrażliwy na szumy i zmiany amplitudy.

Korelacja krzyżowa- zapewnia lepszą odporność na zakłócenia. Porównuje całe przebiegi w górę i w dół, znajdując przesunięcie w czasie, które maksymalizuje ich korelację. Matematyka jest trudniejsza, ale układy FPGA radzą sobie teraz z nią łatwo. Niektóre implementacje umożliwiają osiągnięcie rozdzielczości poniżej-nanosekundy.

Niedawno podejścia do głębokiego uczenia się okazały się obiecujące w zakresie szacowania natężenia przepływu w złożonych warunkach. Trenuj sieć neuronową na podstawie-symulowanych pól przepływu CFD i odpowiadających im sygnatur ultradźwiękowych; niech nauczy się wzorców, które ludzie mogą przeoczyć. Nadal eksperymentuje z produktami komercyjnymi, ale artykuły akademickie są zachęcające.

Ultrasonic Flow Meter Accuracy

Kalibracja fabryczna wykorzystuje idealne warunki: długie proste rury, stabilny przepływ, znane płyny, kontrolowana temperatura. Twoja instalacja nie ma żadnego z nich. Nie oznacza to, że kalibracja jest bezużyteczna, ale oznacza, że podana dokładność (często ±0,5% do ±1% odczytu) reprezentuje najlepszy-przypadek.

Kalibracja lub weryfikacja na miejscu-w odniesieniu do miernika referencyjnego pomaga ustalić-rzeczywistą wydajność. Mierniki Coriolisa stanowią doskonałe referencje, jeśli można je zainstalować; są odporne na większość efektów profili zakłócających działanie ultradźwięków. W niektórych operacjach do sprawdzania jednostek roboczych wykorzystuje się główny miernik ultradźwiękowy o znacznie większej dokładności (więcej ścieżek, lepsze przetwarzanie).

Kalibracja przy wielu natężeniach przepływu w oczekiwanym zakresie roboczym jest tego warta. Miernik może wskazywać-punkt przy 50% wydajności, ale dryfować przy 10% lub 90%. Zdobądź punkty danych i w razie potrzeby dopasuj krzywą korekcyjną.

Szczera rozmowa: czasami inna technologia licznika ma większy sens. Jeśli potrzebujesz dokładności 0,1% i możesz sobie pozwolić na koszt, wygrywają mierniki Coriolisa. Mierzą bezpośrednio przepływ masowy, ignorują profile prędkości i w dużej mierze nie mają na nie wpływu temperatura. Wadą jest cena, rozmiar i spadek ciśnienia,-ale w przypadku przeniesienia rozliczeniowego produktów o wysokiej-wartości zwracają się same.

W przypadku cieczy przewodzących o silnie zakłóconym przepływie przepływomierze magnetyczne mogą działać lepiej niż ultradźwiękowe. Są niewrażliwe na kształt profilu, o ile profil jest osiowosymetryczny (co mogą zakłócać kolanka i zawory, ale mniej dotkliwie niż w przypadku ultradźwięków).

Jednak w przypadku dużych rur, zastosowań gazowych, instalacji modernizacyjnych, w których nie można przeciąć rury, lub sytuacji, w których spadek ciśnienia jest niedopuszczalny,-ultradźwięki często pozostają jedyną praktyczną opcją. Poznaj ich ograniczenia i pracuj nad nimi.

Dokładność przepływomierza ultradźwiękowego w świecie rzeczywistym zależy od zrozumienia luki pomiędzy warunkami laboratoryjnymi a rzeczywistą instalacją. Wpływ profilu prędkości, wahania temperatury, charakterystyka przetwornika, stan rur--wszystko to ma swój udział. Podana dokładność ±1% może wzrosnąć do ±3% lub gorzej, jeśli zignorujesz te czynniki.

Dobra wiadomość: większość tych problemów ma znane rozwiązania lub przynajmniej znane obejścia. Właściwe praktyki instalacyjne, odpowiednie współczynniki korekcyjne, dobra kompensacja temperatury, projekty wielościeżkowe, jeśli pozwala na to budżet, oraz realistyczna kalibracja w rzeczywistych warunkach mogą sprawić, że wydajność w rzeczywistych warunkach będzie znacznie bliższa teoretycznym granicom.

Nie ufaj ślepo specyfikacji. Zrozum, co wpływa na Twój licznik, zmierz, co możesz, popraw to, co wiesz i utrzymuj odpowiednie marginesy niepewności w przypadku tego, co pozostaje nieznane. To nie pesymizm-to metrologia.

A jeśli ktoś zapyta, czy Twój miernik ultradźwiękowy jest dokładny, szczera odpowiedź brzmi: to zależy. Ale teraz już wiesz na czym.