Ultrasonik Akış Ölçer Doğruluğu ve Akış Hızı Düzeltme İyileştirmesi

Eğer onunla gerçek zaman geçirdiysenizultrasonik akış ölçerler, işin püf noktasını zaten biliyorsunuz:-invaziv değil, hareketli parça yok, hemen hemen her şey üzerinde çalışıyor. Ve bakın, bu çoğunlukla doğru. Ama doğruluk konuşması? İşte bu noktada işler ilginçleşiyor-ve bazen de sinir bozucu oluyor. Çünkü laboratuarda doğru sonuç veren bir ultrasonik ölçüm cihazı, onu dirsekler, sıcaklık dalgalanmaları ve prosesinizin karşı karşıya bıraktığı diğer şeylerle birlikte gerçek bir boru hattına cıvataladığınızda oldukça farklı davranabilir.

Bu sizi teknolojiden korkutmak anlamına gelmiyor. Ultrasonik sayaçlar birçok uygulama için en iyi seçeneklerden biri olmaya devam etmektedir. Önemli olan bunların doğruluğunu neyin etkilediğini ve-daha da önemlisi-bu konuda gerçekte ne yapabileceğinizi anlamaktır.

Geçiş-zamanlı ultrasonik akış ölçerler, biri yukarı yönde, diğeri aşağı yönde olmak üzere iki dönüştürücü arasında akustik darbeler göndererek çalışır. Akışla birlikte hareket eden darbe, ona karşı savaşan darbeden biraz daha hızlı ulaşır. Bu zaman farkı, burada nanosaniyelerden bahsediyoruz, akış hızına dönüştürülüyor.

Kağıt üzerinde yeterince basit. Sorun, hız ölçümünün tek bir yol (ya da belki daha ince metrelerde birkaç yol) boyunca gerçekleştiğini fark ettiğinizde başlar, ancak asıl umursadığınız şey, hız ölçümüdür.ortalamatüm boru kesiti boyunca-hız. Sıvı her yerde aynı hızla hareket etmez. Duvarların yakınında daha yavaş, ortada daha hızlıdır. Sayacın gördüğü ile gerçekte olan arasındaki ilişki, hız profili adı verilen bir şeye bağlıdır-ve bu profil Reynolds sayısı, boru pürüzlülüğü, yukarı akış bozuklukları ve bir düzine kadar başka faktöre göre değişir.

Hatanın ana kaynakları konusunda açık konuşalım.

Ultrasonic Flow Meter Accuracy

Ölçüm cihazınızın akış yukarısına bir dirsek koyun ve asimetrik akış oluşturdunuz. Hız dağılımı çarpıklaşıyor, belki de dönüyor ve tek-yol ölçümünüz artık şunu gösteriyor... tam olarak ne? Araştırmalar, bunları hesaba katmadığınızda yalnızca yukarı akış bozukluklarından kaynaklanan hataların %15'e kadar olduğunu göstermiştir. Çoklu-yol ölçerler önemli ölçüde yardımcı olur-boru çapı boyunca çeşitli noktalarda hızı örneklendirirler ve ağırlıklı ortalamalar kullanırlar-ancak sihirli değildirler. Kötü şekilde bozulmuş bir profil yine de onları tuzağa düşürebilir.

İşte insanları hazırlıksız yakalayan bir şey. Hız profilinizin şekli sabit değildir-Reynolds sayısına göre değişir. Düşük akışlarda (laminer rejim, Re yaklaşık 2300'ün altında), parabolik bir profil elde edersiniz. Merkez hızı ortalamanın iki katı olabilir. Yüksek akışlarda (türbülanslı, Re 4000'in üzerinde), profil önemli ölçüde düzleşir; merkez hızı belki ortalamanın 1,1 ila 1,2 katıdır.

Bu pratikte ne anlama geliyor? Sayacınızın bir akış hızında uyguladığı düzeltme faktörü diğerinde yanlış olabilir. Çoğu üretici bir miktar telafi geliştirir, ancak bunun arkasındaki varsayımlar sizin gerçek koşullarınızla eşleşmeyebilir.

Bunu modellemek için güç-yasası hız profilleri onlarca yıldır kullanılmaktadır. Nikuradse'nin 1930'lardaki çalışması-evet, o eski-hala birçok düzeltme algoritmasının temelini oluşturuyor. Profil, u/u_max=(1 - r/R)^(1/n) denklemini takip eder; burada n, Reynolds sayısına göre değişir. N 7 civarında olduğunda oldukça düz bir türbülans profiline bakıyorsunuz. N 4'e düştüğünde işler daha da belirginleşiyor. Tek bir merkez hattı yolu için düzeltme faktörü koşullara bağlı olarak 0,75 ila 0,95 arasında değişebilir.

Ultrasonic Flow Meter Accuracy

Pürüzlü borular profili daha düz hale getirir. Yeni pürüzsüz borular ve aşınmış eski borular, zaman içinde okumalarda %0,5 ila 1 oranında bir fark anlamına gelebilir-ve ölçüm cihazınızın neden saptığını merak edene kadar muhtemelen bunu fark etmeyeceksiniz.

Bu, ayrı bir bölümü hak ediyor çünkü sıcaklık, ultrasonik ölçümü hemen fark edilemeyecek şekillerde etkiliyor.

Birincisi, akışkanınızdaki sesin hızı sıcaklıkla birlikte değişir. Suda, ses hızı santigrat derecelik her artışta yaklaşık 2,4 m/s artar. Sayacın geçiş süresi hesaplaması belirli bir ses hızını varsayar; yanlış anladığınızda akış okumanız değişir. Modern ölçüm cihazları sıcaklık sensörleri ve telafi algoritmaları içerir ve iyi olanlar sıcaklık- kaynaklı hataları %1,5'ten yaklaşık %0,2'ye düşürebilir. Ancak tazminatı düşük olan daha ucuz birimler? Dolaşacaklar.

İkincisi-ve buradaki incelik-dönüştürücülerin sıcaklıkla birlikte özelliklerini değiştirmesidir. Elektromekanik tepkileri değişiyor. Gerçekten ateş ettikleri zaman ile ateş ettiklerini iddia ettikleri zaman arasındaki zamanlama sürükleniyor. Yukarı ve aşağı yöndeki transdüserleriniz mükemmel bir şekilde eşleşmezse (ve aynı üretim partisinden olsalar bile hiçbir zaman eşleşmezlerse), sıcaklığa göre değişen bir sapma elde edersiniz. Bazı makaleler, dönüştürücü zamanlama sapmasını derece başına pikosaniye mertebesinde bildirmektedir; nanosaniyelik-ölçek farklılıklarını ölçtüğünüzü hatırlayana kadar bu size önemsiz gelebilir.

Üçüncüsü, borunun kendisi genişler ve daralır. Yol uzunluğu değişir. Genellikle küçük bir etkidir, ancak diğer her şeyle birlikte birikir.

Tamam, yeterince sorun var. Ne yapabilirsin?

Kurulumunuzu Doğru Yapın

Sıkıcı ama en etkili cevap. Düz boru hatları önemlidir. Eski genel kural, metrenin yukarısında 10-20 boru çapı, aşağısında 5 boru çapıydı. Bu, tek-yol ölçerler için makul bir durumdur; çok-yollu tasarımlar daha bağışlayıcıdır ancak yine de temiz akıştan yararlanır. İyi bir düz çalışma elde edemiyorsanız akış düzenleyiciler-tüp demetleri, delikli plakalar, kanat tipi cihazlara yardımcı olabilir. Bozulan profili kesip yeniden düzenleme şansı veriyorlar.

Bir çalışmada, bir arızanın 2 boru çapı aşağısında ultrasonik sayaçların %21 belirsizlikle %15 oranında hatalı olabileceği ortaya çıktı. 10 çapa kadar bu önemli ölçüde küçülür. 50 çapa ulaştığınızda temel olarak ideal koşullardasınız. Gerçek kurulumların çoğu bu ikisinin arasında bir yerde yer aldığından pratik soru şudur: Ne kadar hatayı tolere edebilirsiniz ve ne kadar boru uzunluğu ayırabilirsiniz?

Düzeltme Faktörlerini Doğru Şekilde Uygulayın

Akışınızın Reynolds sayısını biliyorsanız (ve bunu hız, boru çapı ve kinematik viskoziteden hesaplayabilmeniz gerekir), profil düzeltme faktörlerini uygulayabilirsiniz. Tek çaplı bir yol için, düzeltme faktörü K, yol-ortalama hızını çapraz-bölüm-ortalama hızıyla ilişkilendirir. K, laminer akışta belki 0,75'ten tam gelişmiş türbülanslı akışta yaklaşık 0,94'e kadar değişir.

Daha yeni bazı ölçüm cihazları, yerleşik algoritmaları kullanarak-bunu otomatik olarak yapar. Diğerleri, faktörü manuel olarak ayarlamanıza olanak tanır. Bazıları ise beklenen çalışma aralığına "yeterince yakın" sabit bir değer varsayarlar. Hangi türe sahip olduğunuzu bilin.

Profilin asimetrik olduğu düzensiz akışlar için önyargı-düzeltme çarpanları geliştirilmiştir. Bunlar, bozulmanın türüne (tek dirsek, düzlemin-dışarı{-çift dirsek, valf vb.) ve ondan uzaklığa bağlıdır. Bunlar mükemmel değildir-ortalama deneysel verilere dayanmaktadırlar-ancak bunları uygulamak, sorunu göz ardı etmekten daha iyidir.

Çok-Yollu Yapılandırmalar

Bir ultrasonik yoldan dört veya beşe geçmek, gerçek koşullar altında doğruluğu önemli ölçüde artırır. Yollar, borunun merkezinden belirli mesafelerde konumlandırılır ve gerçek çapraz-ortalamaya yaklaşan entegrasyon şemalarına (Gauss karelemesi ve benzer yöntemler) göre ağırlıklandırılır.

British Gas, bir zamanlar emanet transferi uygulamalarında yaygın olarak benimsenen 4-yol geometrisini önermişti. Profil yönü ne olursa olsun,-en azından profil beklenen kalıpları takip ettiğinde, gerçek akışın %0,2'si dahilinde doğruluk elde eder. Bunu, yalnızca ölçüm düzleminin bir bozulmaya göre döndürülmesi nedeniyle %1,4 oranında sallanabilecek tek yollu ölçüm cihazlarıyla karşılaştırın. Mali ölçüm için büyük fark.

Çoklu{0}yol ölçerler aynı zamanda yerleşik-teşhis olanağı da sağlar. Farklı yollardaki hızları karşılaştırabilirsiniz. Yol hızları beklenen oranlarda eşleşmiyorsa akış profilinde bir sorun var demektir ve araştırmanız gerekir.

Sıcaklık Telafisi Doğru Yapıldı

Ölçüm noktasından uzakta tek bir sıcaklık sensörüne güvenmeyin. Dönüştürücülerdeki veya yakınındaki sıcaklığı ölçün. Cihazınız bunu otomatik olarak yapmıyorsa, ses hızını hesaplamak için ölçülen sıcaklığı kullanın. Bilinen özelliklere sahip sıvılar için tablolar mevcuttur; özel sıvılar için karakterizasyon verilerine ihtiyacınız olabilir.

Yüksek-hassas uygulamalar için dönüştürücü telafisi daha fazla rol oynar. Yaklaşım, alınan sinyallerin salınım periyodunun ölçülmesini ve hem periyodun hem de sıcaklığın iki- noktalı doğrusal telafi algoritmasına girdi olarak kullanılmasını içerir. Öyle olduğu için kulağa karmaşık geliyor, ancak entegre devre üreticileri bunu dijital dönüştürücü çiplerine ayrılmış zaman-için{-oluşturmaya başladılar.

-Belirli Konularda Kelepçeleyin

Sayaçlardaki-kelepçeler başka bir karmaşıklık katmanı daha ekler: boru duvarı. Ses duvarın içinden geçer, arayüzlerde kırılır ve gecikmeleri alır. Duvar kalınlığının doğru ölçümü kritik öneme sahiptir-bağlantı jeli ile birlikte yüzeye dik ayrı bir kalınlık ölçer kullanın. Korozyon veya kireç birikintileri hem duvar kalınlığını hem de iç çapı etkiler. 2016 yılında ölçüm cihazlarında dokuz adet portatif kelepçeyi test eden- bir çalışmada -%12,8 ile %+1.2 arasında ortalama hatalar bulundu ve çoğu akış daha az tahmin edildi. Dokuz metrenin sekizi alçak okunuyor.

Ölçmeye çalıştığınız geçiş süresi farkı onlarca nanosaniye olabilir. Bunu gürültülü sinyallerden çıkarmak iyi algoritmalar gerektirir.

Sıfır-geçiş tespiti geleneksel yöntemdir: Alınan dalga biçiminin sıfır genliği nerede geçtiğini bulun ve bu zamanlamayı kullanın. Basit ve hızlıdır ancak gürültü ve genlik değişimlerine karşı duyarlıdır.

Çapraz-korelasyon daha iyi gürültü bağışıklığı sunar. Tüm yukarı ve aşağı dalga formlarını karşılaştırarak korelasyonlarını maksimuma çıkaran zaman kaymasını bulur. Matematik daha ağır, ancak FPGA'ler artık bunu kolayca hallediyor. Bazı uygulamalar nanosaniyenin altında-çözünürlüğe ulaşır.

Daha yakın zamanlarda, derin öğrenme yaklaşımları karmaşık koşullar altında akış hızı tahmini için umut vaat ediyor. Bir sinir ağını CFD-simüle edilmiş akış alanları ve bunlara karşılık gelen ultrasonik imzalar üzerinde eğitin; insanların gözden kaçırabileceği kalıpları öğrenmesine izin verin. Ticari ürünlerde hâlâ deneme aşamasındayız ancak akademik makaleler cesaret verici.

Ultrasonic Flow Meter Accuracy

Fabrika kalibrasyonu ideal koşulları kullanır: uzun düz borular, kararlı akış, bilinen akışkanlar, kontrollü sıcaklık. Kurulumunuzda bunların hiçbiri yok. Bu, kalibrasyonu işe yaramaz hale getirmez ancak belirtilen doğruluğun (çoğunlukla okumanın ±%0,5 ila ±%1'i) en iyi-durum performansını temsil ettiği anlamına gelir.

Bir referans ölçere göre{0}yerinde kalibrasyon veya doğrulama, gerçek-dünya performansının belirlenmesine yardımcı olur. Coriolis sayaçları takabiliyorsanız mükemmel referanslar sağlar; ultrasonikleri rahatsız eden profil efektlerinin çoğuna karşı bağışıktırlar. Bazı operasyonlarda, ağır birimleri kontrol etmek için önemli ölçüde daha yüksek doğruluğa (daha fazla yol, daha iyi işleme) sahip bir ana ultrasonik ölçüm cihazı kullanılır.

Beklenen çalışma aralığınız boyunca birden fazla akış hızında kalibrasyon çabaya değer. Sayaç %50 kapasitede-konumlu olabilir ancak %10 veya %90'da sürüklenebilir. Veri noktalarını alın, gerekirse bir düzeltme eğrisi uydurun.

Dürüst konuşma: Bazen farklı bir sayaç teknolojisi daha mantıklı olabilir. Eğer %0,1 doğruluğa ihtiyacınız varsa ve maliyeti karşılayabiliyorsanız Coriolis ölçüm cihazları kazanır. Kütle akışını doğrudan ölçerler, hız profillerini göz ardı ederler ve sıcaklıktan büyük ölçüde etkilenmezler. Dezavantajı ise fiyat, boyut ve baskı düşüşüdür-ancak yüksek-değere sahip ürünlerin saklama devrinde kendileri için ödeme yaparlar.

Akışı oldukça bozuk olan iletken sıvılar için manyetik akış ölçerler ultrasoniklerden daha iyi performans gösterebilir. Profil eksenel simetrik olduğu sürece profil şekline duyarsızdırlar (dirsekler ve valfler bunu bozabilir, ancak ultrasonikteki kadar ciddi değildir).

Ancak büyük borular, gaz uygulamaları, boruyu kesemediğiniz yenileme kurulumları veya basınç düşüşünün kabul edilemez olduğu durumlar için-ultrasonik genellikle tek pratik seçenek olarak kalır. Sınırlamalarını bilin ve bunların etrafında çalışın.

Gerçek dünyadaki ultrasonik debimetrenin doğruluğu, laboratuvar koşulları ile gerçek kurulumunuz arasındaki boşluğun anlaşılmasına bağlıdır. Hız profili etkileri, sıcaklık değişimleri, dönüştürücü özellikleri, boru koşulları-hepsi katkıda bulunur. Bu faktörleri göz ardı ederseniz, belirtilen ±%1 doğruluk ±%3 veya daha kötü olabilir.

İyi haber: Bu sorunların çoğunun bilinen çözümleri veya en azından bilinen geçici çözümleri var. Doğru kurulum uygulamaları, uygun düzeltme faktörleri, iyi sıcaklık telafisi, bütçenin izin verdiği çok-yollu tasarımlar ve gerçek koşullar altında gerçekçi kalibrasyon, gerçek-dünya performansını teorik sınırlara çok daha yakın hale getirebilir.

Teknik özellikler sayfasına körü körüne güvenmeyin. Ölçüm aletinizi neyin etkilediğini anlayın, yapabildiklerinizi ölçün, bildiklerinizi düzeltin ve bilinmeyenler için uygun belirsizlik marjlarını koruyun. Bu karamsarlık değil-metrolojidir.

Birisi ultrasonik ölçüm cihazınızın doğru olup olmadığını sorarsa dürüst cevap şudur: duruma bağlıdır. Ama artık ne olduğunu biliyorsun.