Presnosť ultrazvukového prietokomeru a zlepšenie korekcie prietoku

Ak ste s ním strávili skutočný časultrazvukové prietokomery, už poznáte podstatu: neinvazívne, bez pohyblivých častí, funguje takmer na všetko. A pozri, to je väčšinou pravda. Ale konverzácia o presnosti? Tu sú veci zaujímavé-a občas aj frustrujúce. Pretože ultrazvukový merač, ktorý je presný v laboratóriu, sa môže správať úplne inak, keď ho priskrutkujete na skutočné potrubie s kolenami, teplotnými výkyvmi a čímkoľvek iným, čo naň váš proces vrhá.

Toto vás nemá odstrašiť od technológie. Ultrazvukové merače zostávajú jednou z najlepších možností pre mnohé aplikácie. Ide o to, aby ste pochopili, čo ovplyvňuje ich presnosť, a -čo je ešte dôležitejšie{3}}, čo s tým môžete skutočne urobiť.

Ultrazvukové prietokomery-prechodového času fungujú tak, že vysielajú akustické impulzy medzi dvoma prevodníkmi-jeden proti prúdu a druhý po prúde. Pulz putujúci s prúdom prichádza o niečo rýchlejšie ako ten, ktorý proti nemu bojuje. Tento časový rozdiel, tu hovoríme o nanosekundách, sa premení na rýchlosť prúdenia.

Na papieri dosť jednoduché. Problém začína, keď si uvedomíte, že meranie rýchlosti prebieha po jedinej dráhe (alebo možno niekoľkých dráhach v lepších metroch), ale to, čo vás v skutočnosti zaujíma, jepriemerrýchlosť v celom priereze- potrubia. Kvapalina sa nepohybuje všade rovnakou rýchlosťou. Pri stenách je to pomalšie, v strede rýchlejšie. Vzťah medzi tým, čo merač vidí, a tým, čo sa skutočne deje, závisí od niečoho, čo sa nazýva rýchlostný profil-a tento profil sa mení s Reynoldsovým číslom, drsnosťou potrubia, poruchami proti prúdu a asi tuctom ďalších faktorov.

Povedzme si otvorene o hlavných zdrojoch chýb.

Ultrasonic Flow Meter Accuracy

Položte lakeť proti prúdu vášho merača a práve ste vytvorili asymetrický prietok. Distribúcia rýchlosti je skreslená, možno sa víri a vaše meranie jednej-cesty teraz predstavuje... čo presne? Výskum ukázal chyby až do 15 % zo samotných rušení proti prúdu, keď ich nezohľadníte. Merače s viacerými dráhami výrazne pomáhajú-vzorkovať rýchlosť v niekoľkých bodoch po celom priemere potrubia a používajú vážené priemery-, ale nie sú magické. Silne narušený profil ich môže ešte podraziť.

Tu je niečo, čo ľudí zaskočí. Tvar vášho rýchlostného profilu nie je pevný-mení sa podľa Reynoldsovho čísla. Pri nízkych prietokoch (laminárny režim, Re pod cca 2300) získate parabolický profil. Stredová rýchlosť môže byť dvojnásobkom priemeru. Pri vysokých prietokoch (turbulentné, Re nad 4000) sa profil značne splošťuje; stredová rýchlosť je možno 1,1 až 1,2 násobok priemeru.

Čo to znamená prakticky? Korekčný faktor, ktorý váš merač používa pri jednom prietoku, môže byť pri inom nesprávny. Väčšina výrobcov používa určitú kompenzáciu, ale predpoklady, ktoré sú za tým, nemusia zodpovedať vašim skutočným podmienkam.

Na tento model sa už desaťročia používajú rýchlostné profily-výkonového zákona. Nikuradseova práca z 30. rokov-áno, tá stará-stále tvorí základ mnohých opravných algoritmov. Profil sa riadi rovnicou u/u_max=(1 - r/R)^(1/n), kde n sa mení podľa Reynoldsovho čísla. Keď je n okolo 7, pozeráte sa na pomerne plochý turbulentný profil. Keď n klesne smerom k 4, veci budú ostrejšie. Korekčný faktor pre jednu dráhu stredovej čiary sa môže pohybovať od 0,75 do 0,95 v závislosti od podmienok.

Ultrasonic Flow Meter Accuracy

Hrubé rúry robia profil plochejším. Nové hladké potrubia v porovnaní so starými skorodovanými môžu časom znamenať 0,5 až 1 % rozdiel v údajoch-a pravdepodobne si to nevšimnete, kým sa nebudete čudovať, prečo sa váš glukomer posunul.

Toto si zaslúži svoju vlastnú časť, pretože teplota ovplyvňuje ultrazvukové meranie spôsobmi, ktoré nie sú okamžite zrejmé.

Po prvé, rýchlosť zvuku vo vašej tekutine sa mení s teplotou. Vo vode sa rýchlosť zvuku zvyšuje približne o 2,4 m/s na každý stupeň Celzia. Výpočet doby prechodu merača predpokladá určitú rýchlosť zvuku; pomýlite si to a vaše čítanie toku sa posunie. Moderné merače obsahujú teplotné senzory a kompenzačné algoritmy a tie dobré dokážu znížiť chyby spôsobené teplotou-z 1,5 % na približne 0,2 %. Ale lacnejšie jednotky so zlou kompenzáciou? Budú blúdiť.

Po druhé,-a tento je jemný-samotné prevodníky menia charakteristiky s teplotou. Ich elektromechanická odozva sa posúva. Načasovanie, kedy skutočne strieľajú, v porovnaní s tým, kedy tvrdia, že strieľajú. Ak sa vaše prevodníky pred a po prúde nezhodujú dokonale (a nikdy sa nezhodujú, dokonca ani z rovnakej výrobnej šarže), dostanete odchýlku, ktorá sa mení s teplotou. Niektoré články uvádzajú posun časovania prevodníka rádovo v pikosekundách na stupeň, čo znie triviálne, kým si nespomeniete, že meriate nanosekundové-rozdiely.

Po tretie, samotné potrubie sa rozširuje a zmršťuje. Dĺžka dráhy sa mení. Zvyčajne malý efekt, ale kumuluje sa so všetkým ostatným.

Dobre, dosť problémov. čo môžeš robiť?

Správna inštalácia

Nudná odpoveď, ale najpôsobivejšia. Dôležité sú priame vedenia potrubia. Staré pravidlo bolo 10-20 priemerov potrubia pred meračom, 5 po prúde. To je rozumné pre merače s jednou-cestou; viac{8}}cestné návrhy sú zhovievavejšie, no stále ťažia z čistého toku. Ak nemôžete dosiahnuť dobré priame trasy, môžu vám pomôcť kondicionéry toku-zväzky rúrok, perforované platne, lopatkové zariadenia. Rozsekajú narušený profil a dajú mu šancu na reorganizáciu.

Jedna štúdia zistila, že pri 2 priemeroch potrubia po prúde od poruchy môžu byť ultrazvukové merače vypnuté o 15 % s 21 % neistotou. O 10 priemerov sa to dramaticky zmenší. Pri 50 priemeroch ste v podstate v ideálnych podmienkach. Väčšina skutočných inštalácií spadá niekde medzi, takže praktická otázka znie: koľko chýb dokážete tolerovať a akú dĺžku potrubia môžete prideliť?

Správne aplikujte korekčné faktory

Ak poznáte Reynoldsovo číslo svojho prietoku (a mali by ste ho vedieť vypočítať z rýchlosti, priemeru potrubia a kinematickej viskozity), môžete použiť korekčné faktory profilu. Pre jednu diametrálnu dráhu korekčný faktor K dáva do vzťahu -priemernú rýchlosť dráhy a prierezovú-priemernú rýchlosť-. K sa pohybuje od možno 0,75 pri laminárnom prúdení do približne 0,94 pri plne rozvinutom turbulentnom prúdení.

Niektoré novšie merače to robia automaticky pomocou vstavaných-algoritmov. Iné vám umožňujú manuálne upraviť faktor. Iní predpokladajú pevnú hodnotu, ktorá je „dostatočne blízko“ ich očakávanému prevádzkovému rozsahu. Zistite, aký typ máte.

Pre narušené toky, kde je profil asymetrický, boli vyvinuté{0}}násobiče korekcie odchýlky. Závisia od typu rušenia (jedno koleno, dvojité koleno von-z-roviny, ventil atď.) a vzdialenosti od neho. Nie sú dokonalé-sú založené na spriemerovaných experimentálnych údajoch-, ale ich použitie je lepšie ignorovať problém.

Viac{0}}konfigurácie ciest

Prechod z jednej ultrazvukovej dráhy na štyri alebo päť výrazne zlepšuje presnosť v reálnych podmienkach. Dráhy sú umiestnené v špecifických vzdialenostiach od stredu potrubia, vážené podľa integračných schém (Gaussova kvadratúra a podobné metódy), ktoré aproximujú skutočný prierezový-priemer.

British Gas navrhol 4-geometriu trás už v ten deň, ktorý sa stal široko používaným v aplikáciách prevodu úschovy. Dosahuje presnosť v rozsahu 0,2 % skutočného prietoku bez ohľadu na orientáciu profilu-aspoň vtedy, keď profil sleduje očakávané vzory. Porovnajte to s jednocestnými meračmi, ktoré sa môžu vychýliť o 1,4 % len pri otáčaní roviny merania vzhľadom na poruchu. Veľký rozdiel pre fiškálne meranie.

Multi-merače ciest poskytujú aj vstavanú-diagnostiku. Môžete porovnávať rýchlosti z rôznych ciest. Ak sa rýchlosti dráhy nezhodujú v očakávaných pomeroch, niečo nie je v poriadku s profilom prúdenia a viete to preskúmať.

Kompenzácia teploty vykonaná správne

Nespoliehajte sa na jediný snímač teploty ďaleko od bodu merania. Zmerajte teplotu na snímačoch alebo v ich blízkosti. Použite nameranú teplotu na výpočet rýchlosti zvuku, ak to váš merač nerobí automaticky. Pre kvapaliny so známymi vlastnosťami existujú tabuľky; pre vlastné kvapaliny možno budete potrebovať charakterizačné údaje.

Pri aplikáciách s vysokou{0}}presnosťou je kompenzácia meniča väčšia. Tento prístup zahŕňa meranie periódy oscilácií prijímaných signálov a používanie periódy aj teploty ako vstupov do dvojbodového lineárneho kompenzačného algoritmu. Znie to zložito, pretože to tak je, ale výrobcovia integrovaných obvodov to začali začleňovať do času venovaného-na-čipy digitálnych prevodníkov.

Upna-na konkrétne problémy

Svorka-na metroch pridáva ďalšiu vrstvu zložitosti: stenu potrubia. Zvuk prechádza stenou, láme sa na rozhraniach a zachytáva oneskorenia. Presné meranie hrúbky steny je kritické-použite samostatný hrúbkomer, kolmo na povrch, so spojovacím gélom. Korózia alebo usadeniny vodného kameňa odstraňujú hrúbku steny aj vnútorný priemer. Štúdia z roku 2016 testujúca deväť prenosných svoriek-na meracích prístrojoch zistila priemerné chyby od -12,8 % do +1.2 %, pričom väčšina z nich bola podhodnotená. Osem z deviatich metrov bolo nízko.

Časový rozdiel, ktorý sa pokúšate zmerať, môže byť desiatky nanosekúnd. Extrakcia zo zašumených signálov vyžaduje dobré algoritmy.

Detekcia nulového{0}}prekročenia je tradičná metóda: nájdite miesto, kde prijímaný priebeh pretína nulovú amplitúdu, použite toto načasovanie. Jednoduché a rýchle, ale citlivé na šum a zmeny amplitúdy.

Krížová-korelácia ponúka lepšiu odolnosť voči hluku. Porovnáva celý upstream a downstream priebehy, pričom nájde časový posun, ktorý maximalizuje ich koreláciu. Matematika je ťažšia, ale FPGA to teraz zvládajú jednoducho. Niektoré implementácie dosahujú sub-nanosekundové rozlíšenie.

Nedávno sa prístupy hlbokého učenia ukázali ako sľubné pre odhad prietoku v zložitých podmienkach. Trénujte neurónovú sieť na CFD-simulovaných tokových poliach a ich zodpovedajúcich ultrazvukových podpisoch; nech sa naučí vzorce, ktoré ľuďom môžu uniknúť. Stále experimentuje s komerčnými produktmi, ale akademické práce sú povzbudivé.

Ultrasonic Flow Meter Accuracy

Továrenská kalibrácia využíva ideálne podmienky: dlhé rovné potrubia, stabilný prietok, známe tekutiny, kontrolovaná teplota. Vaša inštalácia nemá nič z toho. To neznamená, že kalibrácia nie je zbytočná, ale znamená to, že uvedená presnosť (často ±0,5 % až ±1 % hodnoty) predstavuje najlepší-výkon.

In situ kalibrácia alebo overenie pomocou referenčného meracieho prístroja pomáha dosiahnuť skutočný{1}}výkon. Coriolisove merače sú vynikajúcimi referenciami, ak ich môžete nainštalovať; sú imúnne voči väčšine profilových efektov, ktoré trápia ultrazvuk. Niektoré prevádzky používajú hlavný ultrazvukový merač s výrazne vyššou presnosťou (viac dráh, lepšie spracovanie) na kontrolu ťažných jednotiek.

Kalibrácia pri viacerých prietokoch v rámci vášho očakávaného prevádzkového rozsahu stojí za námahu. Merač môže byť na mieste-na 50 % kapacity, ale môže byť posunutý o 10 % alebo 90 %. Získajte dátové body, v prípade potreby zostavte korekčnú krivku.

Úprimná reč: niekedy dáva väčší zmysel iná technológia merača. Ak potrebujete presnosť 0,1% a môžete si dovoliť cenu, vyhrávajú Coriolisove merače. Meria hmotnostný prietok priamo, ignorujú rýchlostné profily a do značnej miery ich neovplyvňuje teplota. Nevýhodou je cena, veľkosť a pokles tlaku,-ale za prevody produktov s vysokou hodnotou-do správy platia samy.

Pre vodivé kvapaliny s veľmi narušeným prietokom môžu magnetické prietokomery prekonať ultrazvuk. Sú necitlivé na tvar profilu, pokiaľ je profil osovo symetrický (čo môžu kolená a ventily narušiť, ale menej vážne ako pri ultrazvuku).

Ale v prípade veľkých potrubí, plynových aplikácií, dodatočných inštalácií, kde nemôžete potrubie prerezať, alebo v situáciách, kde je pokles tlaku neprijateľný,-ultrazvuk často zostáva jedinou praktickou možnosťou. Poznajte ich obmedzenia a pracujte okolo nich.

Presnosť ultrazvukového prietokomeru v reálnom svete závisí od pochopenia rozdielu medzi laboratórnymi podmienkami a vašou skutočnou inštaláciou. Účinky rýchlostného profilu, zmeny teploty, charakteristiky prevodníka, stav potrubia-to všetko prispieva. Uvedená presnosť ±1 % môže byť ±3 % alebo horšia, ak tieto faktory ignorujete.

Dobrá správa: väčšina z týchto problémov má známe riešenia alebo aspoň známe riešenia. Správne inštalačné postupy, vhodné korekčné faktory, dobrá teplotná kompenzácia, viac{1}}cestné návrhy tam, kde to rozpočet dovoľuje, a realistická kalibrácia v skutočných podmienkach môžu priniesť skutočný-výkon oveľa bližšie k teoretickým limitom.

Neverte slepo špecifikáciám. Pochopte, čo ovplyvňuje váš glukomer, zmerajte, čo môžete, opravte to, čo viete, a udržujte primerané rozpätia neistoty pre to, čo zostáva neznáme. To nie je pesimizmus,-to je metrológia.

A ak sa niekto spýta, či je váš ultrazvukový merač presný, úprimná odpoveď znie: záleží. Ale teraz už viete na čom.