Zlepšení přesnosti ultrazvukového průtokoměru a korekce průtoku

Pokud jste s ním strávili nějaký skutečný časultrazvukové průtokoměry, už to znáte: neinvazivní, bez pohyblivých částí, funguje téměř na cokoli. A hele, to je většinou pravda. Ale konverzace o přesnosti? Tam jsou věci zajímavé-a občas frustrující. Protože ultrazvukový měřič, který je v laboratoři přesný, se může chovat zcela odlišně, když jej přišroubujete ke skutečnému potrubí s koleny, teplotními výkyvy a čímkoli dalším, co na něj váš proces vrhne.

Toto není myšleno proto, aby vás vyděsilo z technologie. Ultrazvukové měřiče zůstávají jednou z nejlepších možností pro mnoho aplikací. Jde o to porozumět tomu, co ovlivňuje jejich přesnost, a -co je důležitější{3}}, co s tím můžete skutečně dělat.

Ultrazvukové průtokoměry -doby přechodu fungují tak, že posílají akustické impulsy mezi dva snímače-jeden proti proudu a jeden po proudu. Puls putující s proudem přichází o něco rychleji než ten, který proti němu bojuje. Ten časový rozdíl, tady mluvíme o nanosekundách, se převede na rychlost proudění.

Na papíře dost jednoduché. Problém začíná, když si uvědomíte, že měření rychlosti probíhá na jedné dráze (nebo možná na několika drahách v lepších metrech), ale to, co vás ve skutečnosti zajímá, jeprůměrnýrychlost v celém průřezu- potrubí. Kapalina se nepohybuje všude stejnou rychlostí. U stěn je to pomalejší, uprostřed rychlejší. Vztah mezi tím, co měřič vidí, a tím, co se skutečně děje, závisí na něčem, čemu se říká profil rychlosti-a tento profil se mění s Reynoldsovým číslem, drsností potrubí, poruchami proti proudu a asi tuctem dalších faktorů.

Řekněme na rovinu hlavní zdroje chyb.

Ultrasonic Flow Meter Accuracy

Umístěte loket proti proudu vašeho měřiče a právě jste vytvořili asymetrický průtok. Distribuce rychlosti je zkreslená, možná víří, a vaše měření jedné-cesty nyní představuje... co přesně? Výzkum ukázal chyby až do 15 % ze samotných poruch proti proudu, když s nimi nepočítáte. Multi-měřiče drah výrazně pomáhají-vzorkují rychlost v několika bodech napříč průměrem potrubí a používají vážené průměry-, ale nejsou kouzelné. Silně narušený profil je může ještě podrazit.

Tady je něco, co lidi zaskočí. Tvar vašeho rychlostního profilu není pevný-mění se podle Reynoldsova čísla. Při nízkých průtokech (laminární režim, Re pod cca 2300) získáte parabolický profil. Středová rychlost může být dvakrát větší než průměr. Při vysokých průtocích (turbulentní, Re nad 4000) se profil značně zplošťuje; středová rychlost je možná 1,1 až 1,2 násobek průměru.

Co to znamená prakticky? Korekční faktor, který váš měřič používá při jednom průtoku, může být u jiného nesprávný. Většina výrobců zavádí určitou kompenzaci, ale předpoklady za tím nemusí odpovídat vašim skutečným podmínkám.

Rychlostní profily-výkonového zákona se k tomu používají po celá desetiletí. Nikuradseova práce z 30. let-ano, ta stará-stále tvoří základ mnoha opravných algoritmů. Profil se řídí rovnicí u/u_max=(1 - r/R)^(1/n), kde n se mění s Reynoldsovým číslem. Když je n kolem 7, díváte se na poměrně plochý turbulentní profil. Když n klesne na 4, věci se stanou více špičatými. Korekční faktor pro jednu dráhu středové linie se může pohybovat od 0,75 do 0,95 v závislosti na podmínkách.

Ultrasonic Flow Meter Accuracy

Hrubé trubky dělají profil plošším. Nové hladké trubky oproti zkorodovaným starým mohou znamenat 0,5 až 1% rozdíl v odečtech v průběhu času-a pravděpodobně si toho nevšimnete, dokud se nebudete divit, proč se váš měřič posunul.

To si zaslouží vlastní sekci, protože teplota ovlivňuje ultrazvukové měření způsoby, které nejsou okamžitě zřejmé.

Za prvé, rychlost zvuku ve vaší tekutině se mění s teplotou. Ve vodě se rychlost zvuku zvyšuje zhruba o 2,4 m/s na každý stupeň Celsia. Výpočet doby průchodu měřiče předpokládá určitou rychlost zvuku; špatně a vaše čtení toku se posune. Moderní měřiče obsahují teplotní senzory a kompenzační algoritmy a ty dobré dokážou snížit chyby způsobené teplotou z 1,5 % na přibližně 0,2 %. Ale levnější jednotky se špatnou kompenzací? Budou bloudit.

Zadruhé-a tento je jemný-samotné převodníky mění charakteristiky s teplotou. Jejich elektromechanická odezva se posouvá. Načasování, kdy skutečně střílejí, versus kdy tvrdí, že střílejí. Pokud se vaše vstupní a výstupní převodníky dokonale neshodují (a nikdy se neshodují, dokonce ani ze stejné výrobní šarže), získáte zkreslení, které se mění s teplotou. Některé články uvádějí posun časování převodníku v řádu pikosekund na stupeň, což zní triviálně, dokud si nepamatujete, že měříte nanosekundové-rozdíly.

Za třetí, potrubí se samo roztahuje a smršťuje. Délka dráhy se mění. Obvykle malý efekt, ale kumuluje se se vším ostatním.

Dobře, dost problémů. co můžeš dělat?

Získejte správnou instalaci

Nudná odpověď, ale nejpůsobivější. Přímé vedení potrubí záleží. Staré pravidlo bylo 10-20 průměrů potrubí proti proudu od měřiče, 5 po proudu. To je rozumné pro měřiče s jednou-cestou; návrhy více-cest jsou shovívavější, ale stále těží z čistého toku. Pokud nemůžete dosáhnout dobrých přímých vedení, mohou vám pomoci kondicionéry proudění-svazky trubek, děrované desky, lopatková zařízení. Rozsekají narušený profil a dají mu šanci na reorganizaci.

Při 2 průměrech potrubí po proudu od poruchy jedna studie zjistila, že ultrazvukové měřiče by mohly být mimo o 15 % s 21% nejistotou. O 10 průměrů se to dramaticky zmenší. Při 50 průměrech jste v podstatě v ideálních podmínkách. Většina skutečných instalací spadá někde mezi, takže praktická otázka zní: kolik chyb můžete tolerovat a jakou délku potrubí můžete přidělit?

Správně aplikujte korekční faktory

Pokud znáte Reynoldsovo číslo svého průtoku (a měli byste být schopni jej vypočítat z rychlosti, průměru potrubí a kinematické viskozity), můžete použít korekční faktory profilu. Pro jednu průměrovou dráhu korekční faktor K dává do vztahu -průměrnou rychlost dráhy a průřezovou-průměrnou rychlost-. K se pohybuje od možná 0,75 při laminárním proudění do přibližně 0,94 při plně rozvinutém turbulentním proudění.

Některé novější měřiče to dělají automaticky pomocí vestavěných-algoritmů. Jiné vám umožňují nastavit faktor ručně. Jiní předpokládají pevnou hodnotu, která je „dost blízko“ jejich očekávanému provoznímu rozsahu. Zjistěte, jaký typ máte.

Pro narušené toky, kde je profil asymetrický, byly vyvinuty -násobiče pro korekci zkreslení. Závisí na typu rušení (jedno koleno, dvojité koleno ven-z-roviny, ventil atd.) a vzdálenosti od něj. Nejsou dokonalé-jsou založeny na průměrných experimentálních datech-, ale jejich použití je lepší než problém ignorovat.

Konfigurace více-cest

Přechod z jedné ultrazvukové dráhy na čtyři nebo pět dramaticky zlepšuje přesnost v reálných podmínkách. Dráhy jsou umístěny v určitých vzdálenostech od středu potrubí, vážené podle integračních schémat (Gaussova kvadratura a podobné metody), které aproximují skutečné průřezové průměry.

Společnost British Gas navrhla 4-geometrii cest již v době, kdy se široce uplatňovala v aplikacích převodu úschovy. Dosahuje přesnosti do 0,2 % skutečného průtoku bez ohledu na orientaci profilu-alespoň v případě, že profil sleduje očekávané vzory. Porovnejte to s jednocestnými měřidly, které se mohou vychýlit o 1,4 % pouhým otočením roviny měření vzhledem k rušení. Velký rozdíl pro fiskální měření.

Multi-měřiče cest také poskytují vestavěnou-diagnostiku. Můžete porovnávat rychlosti z různých cest. Pokud se rychlosti dráhy neshodují v očekávaných poměrech, něco není v pořádku s profilem proudění a vy víte, že to máte prozkoumat.

Teplotní kompenzace provedena správně

Nespoléhejte na jediné teplotní čidlo daleko od místa měření. Změřte teplotu na snímačích nebo v jejich blízkosti. Použijte naměřenou teplotu k výpočtu rychlosti zvuku, pokud to váš měřič nedělá automaticky. Pro kapaliny se známými vlastnostmi existují tabulky; pro vlastní kapaliny možná budete potřebovat charakterizační údaje.

U vysoce přesných{0}}aplikací je kompenzace převodníku více zapojena. Tento přístup zahrnuje měření periody oscilace přijímaných signálů a použití periody i teploty jako vstupů do dvou-bodového lineárního kompenzačního algoritmu. Zní to složitě, protože to tak je, ale výrobci integrovaných obvodů to začali zabudovávat do času věnovaného-na-čipy digitálních převodníků.

Upněte-na konkrétní problémy

Svorka-na měřičích přidává další vrstvu složitosti: stěnu potrubí. Zvuk prochází stěnou, láme se na rozhraních a nabírá zpoždění. Přesné měření tloušťky stěny je zásadní-použijte samostatný tloušťkoměr kolmo k povrchu se spojovacím gelem. Koroze nebo usazeniny vodního kamene vrhají jak tloušťku stěny, tak vnitřní průměr. Studie z roku 2016 testující devět přenosných kleští-na měřičích zjistila průměrné chyby od -12,8 % do +1.2 %, přičemž většina průtoku byla podhodnocena. Osm z devíti metrů bylo nízko.

Rozdíl doby přepravy, který se pokoušíte změřit, může být desítky nanosekund. Získání toho ze zašuměných signálů vyžaduje dobré algoritmy.

Detekce nulového-křížení je tradiční metoda: zjistěte, kde přijímaný průběh protíná nulovou amplitudu, použijte toto načasování. Jednoduché a rychlé, ale citlivé na šum a změny amplitudy.

Vzájemná-korelace nabízí lepší odolnost vůči šumu. Porovnává celé křivky proti proudu a po proudu a nachází časový posun, který maximalizuje jejich korelaci. Matematika je těžší, ale FPGA ji nyní zvládají snadno. Některé implementace dosahují sub-nanosekundového rozlišení.

V poslední době se přístupy hlubokého učení ukázaly jako slibné pro odhad průtoku za složitých podmínek. Trénujte neuronovou síť na CFD-simulovaných tokových polích a jejich odpovídajících ultrazvukových signaturách; ať se naučí vzorce, které by lidem mohly uniknout. Stále experimentuje s komerčními produkty, ale akademické práce jsou povzbudivé.

Ultrasonic Flow Meter Accuracy

Tovární kalibrace využívá ideální podmínky: dlouhé rovné trubky, stabilní průtok, známé tekutiny, řízená teplota. Vaše instalace nic z toho nemá. To neznamená, že kalibrace není zbytečná, ale znamená to, že uvedená přesnost (často ±0,5 % až ±1 % hodnoty) představuje nejlepší-výkon.

Kalibrace nebo ověření in situ s referenčním měřičem pomáhá dosáhnout skutečného{1}}výkonu. Coriolisovy měřiče poskytují vynikající reference, pokud je můžete nainstalovat; jsou imunní vůči většině profilových efektů, které trápí ultrazvuk. Některé operace používají ke kontrole pracantů hlavní ultrazvukový měřič s výrazně vyšší přesností (více drah, lepší zpracování).

Kalibrace při více průtokech v očekávaném provozním rozsahu stojí za námahu. Měřič může být na místě-na 50 % kapacity, ale driftovat při 10 % nebo 90 %. Získejte datové body a v případě potřeby upravte korekční křivku.

Upřímná řeč: někdy dává větší smysl jiná technologie měřiče. Pokud potřebujete přesnost 0,1 % a můžete si dovolit cenu, vyhrávají Coriolisovy měřiče. Měří hmotnostní průtok přímo, ignorují rychlostní profily a do značné míry je neovlivňuje teplota. Nevýhodou je cena, velikost a pokles tlaku,-ale za převod produktů s vysokou hodnotou-do správy se platí samy.

U vodivých kapalin s vysoce narušeným průtokem mohou magnetické průtokoměry překonat ultrazvukové. Jsou necitlivé na tvar profilu, pokud je profil osově symetrický (což mohou kolena a ventily narušit, ale méně vážně než u ultrazvuku).

U velkých potrubí, plynárenských aplikací, dodatečných instalací, kde nelze potrubí přeříznout, nebo v situacích, kdy je pokles tlaku nepřijatelný,-ultrazvuk často zůstává jedinou praktickou možností. Znát jejich omezení a pracovat kolem nich.

Přesnost ultrazvukového průtokoměru v reálném světě závisí na pochopení rozdílu mezi laboratorními podmínkami a vaší skutečnou instalací. Účinky rychlostního profilu, změny teploty, charakteristiky převodníku, stav potrubí-to vše přispívá. Uvedená přesnost ±1 % může být ±3 % nebo horší, pokud tyto faktory ignorujete.

Dobrá zpráva: většina těchto problémů má známá řešení nebo alespoň známá zástupná řešení. Správné instalační postupy, vhodné korekční faktory, dobrá teplotní kompenzace, více{1}}návrhy cest tam, kde to rozpočet dovoluje, a realistická kalibrace ve skutečných podmínkách mohou přiblížit skutečný-výkon mnohem blíže teoretickým limitům.

Nevěřte slepě specifikacím. Pochopte, co ovlivňuje váš měřič, měřte, co můžete, opravte to, co víte, a udržujte vhodné meze nejistoty pro to, co zůstává neznámé. To není pesimismus,-to je metrologie.

A pokud se někdo zeptá, zda je váš ultrazvukový měřič přesný, upřímná odpověď zní: záleží. Ale teď už víte na čem.