Točnost ultrazvučnog mjerača protoka i poboljšanje korekcije brzine protoka

Ako ste proveli stvarno vrijeme sultrazvučni mjerači protoka, već znate zadaću: ne-invazivno, bez pokretnih dijelova, radi na gotovo svemu. I gledajte, to je uglavnom istina. Ali razgovor o točnosti? Tu stvari postaju zanimljive-i povremeno frustrirajuće. Zato što se ultrazvučni mjerač koji je precizan u laboratoriju može ponašati sasvim drugačije kada ga pričvrstite na pravi cjevovod s koljenima, promjenama temperature i bilo čim drugim što vaš proces baca na njega.

Ovo nije namjera da vas uplaši od tehnologije. Ultrazvučni mjerači ostaju jedna od najboljih opcija za mnoge primjene. Poanta je razumjeti što utječe na njihovu točnost i-što je još važnije-što zapravo možete učiniti u vezi s tim.

Ultrazvučni mjerači protoka-vrijeme prolaza rade tako da šalju akustične impulse između dva sonde-jedan uzvodno, jedan nizvodno. Puls koji putuje s protokom stiže nešto brže od onog koji se bori protiv njega. Ta vremenska razlika, ovdje govorimo o nanosekundama, pretvara se u brzinu protoka.

Dovoljno jednostavno na papiru. Problem počinje kada shvatite da se mjerenje brzine događa duž jedne staze (ili možda nekoliko staza u modernijim metrima), ali ono do čega vam je zapravo staloprosjekbrzina po cijelom presjeku-cijevi. Tekućina se ne kreće posvuda istom brzinom. Uz zidove je sporije, u sredini brže. Odnos između onoga što mjerač vidi i onoga što se zapravo događa ovisi o nečemu što se zove profil brzine-a taj se profil mijenja s Reynoldsovim brojem, hrapavošću cijevi, uzvodnim smetnjama i desetak drugih čimbenika.

Recimo otvoreno o glavnim izvorima pogreške.

Ultrasonic Flow Meter Accuracy

Stavite lakat uzvodno od mjerača i upravo ste stvorili asimetrični protok. Distribucija brzine postaje iskrivljena, možda vrtložna, a vaše mjerenje jedne-staze sada predstavlja... što točno? Istraživanja su pokazala pogreške do 15% samo od uzvodnih poremećaja kada ih ne uzmete u obzir. Multi{5}}mjerači značajne pomoći-oni uzorkuju brzinu na nekoliko točaka po promjeru cijevi i koriste ponderirane prosjeke-ali nisu čarobni. Jako poremećen profil ih još uvijek može saplesti.

Evo nečega što ljude hvata nespremne. Oblik vašeg profila brzine nije fiksan-on se mijenja s Reynoldsovim brojem. Pri niskim protokima (laminarni režim, Re ispod oko 2300), dobivate parabolični profil. Središnja brzina može biti dvostruko veća od prosjeka. Kod velikih protoka (turbulentni, Re iznad 4000), profil se znatno izravnava; središnja brzina je možda 1,1 do 1,2 puta veća od prosjeka.

Što to praktično znači? Faktor korekcije koji vaš mjerač primjenjuje na jednu brzinu protoka može biti pogrešan na drugu. Većina proizvođača ugrađuje određenu kompenzaciju, ali pretpostavke koje stoje iza toga možda neće odgovarati vašim stvarnim uvjetima.

Profili brzine sa -zakonom snage korišteni su za ovo modeliranje desetljećima. Nikuradseov rad iz 1930-ih-da, taj stari-još uvijek predstavlja osnovu za mnoge algoritme ispravljanja. Profil slijedi jednadžbu u/u_max=(1 - r/R)^(1/n), gdje n varira s Reynoldsovim brojem. Kada je n oko 7, gledate prilično ravan turbulentni profil. Kada n padne prema 4, stvari postaju oštrije. Faktor korekcije za jednu putanju središnje linije može varirati od 0,75 do 0,95 ovisno o uvjetima.

Ultrasonic Flow Meter Accuracy

Grube cijevi čine profil ravnijim. Nove glatke cijevi u usporedbi s korodiranim starim mogu značiti 0,5 do 1% razlike u očitanjima tijekom vremena-i vjerojatno nećete primijetiti dok se ne zapitate zašto se vaš mjerač pomaknuo.

Ovo zaslužuje poseban odjeljak jer temperatura utječe na ultrazvučno mjerenje na načine koji nisu odmah očiti.

Prvo, brzina zvuka u vašoj tekućini mijenja se s temperaturom. U vodi se brzina zvuka povećava otprilike 2,4 m/s za svaki stupanj Celzijusa. Izračun vremena prolaza mjerača pretpostavlja određenu brzinu zvuka; krivo shvatite i vaše očitanje protoka se pomiče. Moderni mjerači uključuju temperaturne senzore i kompenzacijske algoritme, a oni dobri mogu smanjiti-pogreške uzrokovane temperaturom s 1,5% na oko 0,2%. Ali jeftinije jedinice uz lošu naknadu? Oni će lutati.

Drugo-i ovo je suptilno-sami pretvarači mijenjaju karakteristike s temperaturom. Njihov elektromehanički odgovor se pomiče. Vrijeme kada stvarno pucaju u odnosu na vrijeme kada tvrde da pucaju. Ako se vaše uzvodne i nizvodne sonde ne podudaraju savršeno (a nikad se ne podudaraju, čak ni iz iste proizvodne serije), dobivate pristranost koja varira s temperaturom. Neki dokumenti izvješćuju o vremenskom pomaku sonde reda veličine pikosekundi po stupnju, što zvuči trivijalno dok se ne sjetite da mjerite nanosekundne-razlike.

Treće, sama cijev se širi i skuplja. Promjene duljine puta. Mali učinak, obično, ali akumulira se sa svim ostalim.

Dobro, dosta problema. Što možete učiniti?

Ispravno instalirajte

Dosadan odgovor, ali najutjecajniji. Ravne cijevi su važne. Staro pravilo bilo je 10-20 promjera cijevi uzvodno od metra, 5 nizvodno. To je razumno za mjerače s jednom-stazom; dizajni s više-stazama više opraštaju, ali još uvijek imaju koristi od čistog protoka. Ako ne možete postići dobre ravne staze, mogu vam pomoći regulatori protoka-snopovi cijevi, perforirane ploče, uređaji s lopaticama. Sjeckaju poremećeni profil i daju mu priliku da se reorganizira.

Na 2 promjera cijevi nizvodno od smetnje, jedno je istraživanje pokazalo da bi ultrazvučni mjerači mogli biti pogrešni za 15% s nesigurnošću od 21%. Za 10 promjera, to se dramatično smanjuje. Za 50 promjera, u osnovi ste u idealnim uvjetima. Većina stvarnih instalacija nalazi se negdje između, pa praktično pitanje postaje: koliko pogreške možete tolerirati i koliko duljine cijevi možete dodijeliti?

Ispravno primijenite faktore korekcije

Ako znate Reynoldsov broj svog protoka (i trebali biste ga moći izračunati iz brzine, promjera cijevi i kinematičke viskoznosti), možete primijeniti faktore korekcije profila. Za jedan dijametralni put, faktor korekcije K povezuje-prosječnu brzinu na putu s-presjekom-prosječnom brzinom. K varira od možda 0,75 u laminarnom protoku do oko 0,94 u potpuno razvijenom turbulentnom protoku.

Neki noviji mjerači to rade automatski pomoću ugrađenih-algoritama. Drugi vam daju pristup ručnom podešavanju faktora. Drugi ipak pretpostavljaju fiksnu vrijednost koja je "dovoljno blizu" za njihov očekivani radni raspon. Znajte koju vrstu imate.

Za poremećene tokove gdje je profil asimetričan, razvijeni su-multiplikatori za korekciju pristranosti. Oni ovise o vrsti smetnje (jednostruko koljeno, dvostruko koljeno izvan--ravnine, ventil itd.) i udaljenosti od njih. Oni nisu savršeni-temelje se na prosječnim eksperimentalnim podacima-ali njihova je primjena bolja od ignoriranja problema.

Konfiguracije s više{0}}putova

Prelazak s jedne ultrazvučne staze na četiri ili pet dramatično poboljšava točnost u stvarnim uvjetima. Staze su postavljene na određenim udaljenostima od središta cijevi, ponderirane prema integracijskim shemama (Gaussova kvadratura i slične metode) koje aproksimiraju pravi-prosjek presjeka.

British Gas je svojedobno predložio geometriju od 4-puta koja je postala naširoko prihvaćena u aplikacijama za skrbnički prijenos. Postiže točnost unutar 0,2% stvarnog protoka bez obzira na orijentaciju profila-barem kada profil slijedi očekivane obrasce. Usporedite to s jednosmjernim mjeračima koji bi mogli oscilirati za 1,4% samo zbog rotacije mjerne ravnine u odnosu na smetnju. Velika razlika za fiskalno mjerenje.

Više{0}}mjerači putova također pružaju ugrađenu-dijagnostiku. Možete usporediti brzine s različitih staza. Ako se brzine putanje ne poklapaju u očekivanim omjerima, nešto nije u redu s profilom protoka i morate to istražiti.

Kompenzacija temperature izvedena ispravno

Nemojte se oslanjati na jedan senzor temperature daleko od točke mjerenja. Mjerite temperaturu na ili u blizini sondi. Koristite izmjerenu temperaturu za izračunavanje brzine zvuka ako vaš mjerač to ne radi automatski. Za tekućine s poznatim svojstvima postoje tablice; za prilagođene tekućine, možda će vam trebati podaci o karakteristikama.

Za visoko-precizne primjene, kompenzacija sonde postaje sve važnija. Pristup uključuje mjerenje perioda oscilacije primljenih signala i korištenje perioda i temperature kao ulaza u algoritam linearne kompenzacije s dvije-točke. Zvuči komplicirano jer jest, ali proizvođači IC-a počeli su ovo ugrađivati u namjenske čipove za-to-digitalni pretvarač.

Uhvatite-određena pitanja

Stezaljke-na mjeračima dodaju još jedan sloj složenosti: stijenku cijevi. Zvuk putuje kroz zid, lomi se na sučeljima i stvara kašnjenja. Precizno mjerenje debljine stijenke je kritično-koristite poseban mjerač debljine, okomito na površinu, s gelom za spajanje. Korozija ili naslage kamenca utiču na debljinu stjenke i unutarnji promjer. Studija iz 2016. kojom je testirano devet prijenosnih stezaljki-na mjeračima otkrila je prosječne pogreške od -12,8% do +1.2%, s najvećim podcjenjivanjem protoka. Osam od devet metara očitano nisko.

Razlika u vremenu prijevoza koju pokušavate izmjeriti mogla bi iznositi desetke nanosekundi. Izdvajanje toga iz šumnih signala zahtijeva dobre algoritme.

Detekcija-prelaska nule je tradicionalna metoda: pronađite gdje primljeni valni oblik prelazi nultu amplitudu, koristite to vrijeme. Jednostavan i brz, ali osjetljiv na šum i varijacije amplitude.

Unakr-korelacija nudi bolju otpornost na buku. Uspoređuje cijeli uzvodni i nizvodni valni oblik, pronalazeći vremenski pomak koji maksimizira njihovu korelaciju. Matematika je teža, ali FPGA sada to lako rješava. Neke implementacije postižu rezoluciju ispod-nanosekunde.

U novije vrijeme pristupi dubinskog učenja obećavaju za procjenu protoka u složenim uvjetima. Uvježbajte neuronsku mrežu na CFD-simuliranim poljima protoka i njihovim odgovarajućim ultrazvučnim potpisima; neka nauči obrasce koji bi ljudima mogli promaći. Još uvijek eksperimentira s komercijalnim proizvodima, ali akademski radovi su ohrabrujući.

Ultrasonic Flow Meter Accuracy

Tvornička kalibracija koristi idealne uvjete: duge ravne cijevi, stabilan protok, poznate tekućine, kontroliranu temperaturu. Vaša instalacija nema ništa od ovoga. To ne čini kalibraciju beskorisnom, ali znači da navedena točnost (često ±0,5% do ±1% očitanja) predstavlja najbolju-izvedbu.

In-kalibracija na licu mjesta ili provjera u odnosu na referentni mjerač pomaže uspostaviti-izvedbu u stvarnom svijetu. Coriolisovi mjerači su izvrsne reference ako ih možete instalirati; imuni su na većinu učinaka profila koji smetaju ultrazvuku. Neke operacije koriste glavni ultrazvučni mjerač sa znatno većom preciznošću (više putanja, bolja obrada) za provjeru radnih jedinica.

Kalibracija pri višestrukim brzinama protoka u vašem očekivanom radnom rasponu vrijedna je truda. Mjerač može biti točan-na 50% kapaciteta, ali odstupati na 10% ili 90%. Dobijte podatkovne točke, prilagodite krivulju korekcije ako je potrebno.

Iskren razgovor: ponekad drugačija tehnologija mjerača ima više smisla. Ako trebate točnost od 0,1% i možete si priuštiti troškove, Coriolisovi mjerači pobjeđuju. Oni izravno mjere maseni protok, zanemaruju profile brzine i na njih uglavnom ne utječe temperatura. Nedostatak je cijena, veličina i pad tlaka-ali za skrbnički prijenos proizvoda visoke-vrijednosti plaćaju sami.

Za vodljive tekućine s jako poremećenim protokom, magnetski mjerači protoka mogu nadmašiti ultrazvučne. Oni su neosjetljivi na oblik profila sve dok je profil osnosimetričan (što koljena i ventili mogu poremetiti, ali manje ozbiljno nego kod ultrazvuka).

Ali za velike cijevi, plinske primjene, naknadne instalacije gdje ne možete rezati cijev ili situacije u kojima je pad tlaka neprihvatljiv-ultrazvučni uređaji često ostaju jedina praktična opcija. Spoznajte njihova ograničenja i zaobiđite ih.

Točnost ultrazvučnog mjerača protoka u stvarnom svijetu ovisi o razumijevanju jaza između laboratorijskih uvjeta i vaše stvarne instalacije. Učinci profila brzine, varijacije temperature, karakteristike sonde, uvjeti cijevi-svi oni doprinose. Navedena točnost od ±1% može postati ±3% ili lošija ako zanemarite ove čimbenike.

Dobre vijesti: većina ovih problema ima poznata rješenja ili barem poznata zaobilazna rješenja. Odgovarajuće prakse ugradnje, odgovarajući korekcijski faktori, dobra temperaturna kompenzacija, više-dizajni putanje gdje to proračun dopušta i realistična kalibracija u stvarnim uvjetima mogu stvarnu-izvedbu približiti teoretskim granicama.

Ne vjerujte slijepo specifikacijama. Shvatite što utječe na vaš mjerač, izmjerite ono što možete, ispravite ono što znate i održavajte odgovarajuće granice nesigurnosti za ono što ostaje nepoznato. To nije pesimizam-to je mjeriteljstvo.

A ako netko pita je li vaš ultrazvučni mjerač točan, iskren odgovor je: ovisi. Ali sad znate na čemu.