Βελτίωση ακρίβειας μετρητή ροής υπερήχων και διόρθωσης ρυθμού ροής

Εάν έχετε περάσει πραγματικό χρόνο μεμετρητές ροής υπερήχων, γνωρίζετε ήδη το βήμα: μη-μη επεμβατική, χωρίς κινούμενα μέρη, λειτουργεί σχεδόν σε οτιδήποτε. Και κοίτα, αυτό είναι κυρίως αλήθεια. Αλλά η κουβέντα για την ακρίβεια; Εκεί είναι που τα πράγματα γίνονται ενδιαφέροντα-και περιστασιακά απογοητευτικά. Επειδή ένας μετρητής υπερήχων που είναι ακριβής σε ένα εργαστήριο μπορεί να συμπεριφέρεται τελείως διαφορετικά όταν τον βιδώνετε σε έναν πραγματικό αγωγό με αγκώνες, εναλλαγές θερμοκρασίας και ό,τι άλλο του ρίχνει η διαδικασία σας.

Αυτό δεν έχει σκοπό να σας τρομάξει από την τεχνολογία. Οι μετρητές υπερήχων παραμένουν μια από τις καλύτερες επιλογές για πολλές εφαρμογές. Το θέμα είναι να κατανοήσετε τι επηρεάζει την ακρίβειά τους και-το πιο σημαντικό-τι μπορείτε πραγματικά να κάνετε για αυτό.

Οι μετρητές ροής υπερήχων διέλευσης-χρόνου λειτουργούν στέλνοντας ακουστικούς παλμούς μεταξύ δύο μορφοτροπέων-έναν ανάντη και έναν κατάντη. Ο παλμός που ταξιδεύει με τη ροή φτάνει ελαφρώς πιο γρήγορα από αυτόν που τον παλεύει. Αυτή η χρονική διαφορά, εδώ μιλάμε για νανοδευτερόλεπτα, μετατρέπεται σε ταχύτητα ροής.

Αρκετά απλό σε χαρτί. Το πρόβλημα ξεκινά όταν συνειδητοποιείτε ότι η μέτρηση της ταχύτητας γίνεται κατά μήκος ενός μονοπατιού (ή ίσως σε μερικά μονοπάτια σε πιο εντυπωσιακά μέτρα), αλλά αυτό που πραγματικά σας ενδιαφέρει είναι τομέσοςταχύτητα σε ολόκληρη τη διατομή-του σωλήνα. Το υγρό δεν κινείται με την ίδια ταχύτητα παντού. Είναι πιο αργά κοντά στους τοίχους, πιο γρήγορα στη μέση. Η σχέση μεταξύ αυτού που βλέπει ο μετρητής και του τι συμβαίνει στην πραγματικότητα εξαρτάται από κάτι που ονομάζεται προφίλ ταχύτητας-και αυτό το προφίλ αλλάζει με τον αριθμό Reynolds, την τραχύτητα του σωλήνα, τις διαταραχές ανάντη και περίπου δώδεκα άλλους παράγοντες.

Ας είμαστε ειλικρινείς σχετικά με τις κύριες πηγές σφαλμάτων.

Ultrasonic Flow Meter Accuracy

Βάλτε έναν αγκώνα ανάντη του μετρητή σας και μόλις δημιουργήσατε ασύμμετρη ροή. Η κατανομή της ταχύτητας γίνεται λοξή, ίσως στροβιλίζεται, και η μέτρηση της μονής-διαδρομής σας αντιπροσωπεύει τώρα... τι ακριβώς; Έρευνες έχουν δείξει σφάλματα έως και 15% μόνο από διαταραχές ανάντη όταν δεν τα υπολογίζετε. Οι μετρητές πολλαπλών-διαδρομών βοηθούν σημαντικά-να δειγματίζουν την ταχύτητα σε πολλά σημεία της διαμέτρου του σωλήνα και χρησιμοποιούν σταθμισμένους μέσους όρους-αλλά δεν είναι μαγικοί. Ένα πολύ διαταραγμένο προφίλ μπορεί ακόμα να τους σκοντάψει.

Εδώ είναι κάτι που αιχμαλωτίζει τους ανθρώπους. Το σχήμα του προφίλ ταχύτητάς σας δεν είναι σταθερό-αλλάζει με τον αριθμό Reynolds. Σε χαμηλές ροές (στρωτό καθεστώς, Re κάτω από περίπου 2300), έχετε ένα παραβολικό προφίλ. Η κεντρική ταχύτητα μπορεί να είναι διπλάσια από τη μέση. Σε υψηλές ροές (στροβιλώδης, Re πάνω από 4000), το προφίλ ισοπεδώνεται σημαντικά. η κεντρική ταχύτητα είναι ίσως 1,1 έως 1,2 φορές τη μέση.

Τι σημαίνει αυτό πρακτικά; Ο συντελεστής διόρθωσης που εφαρμόζει ο μετρητής σας σε έναν ρυθμό ροής μπορεί να είναι λάθος σε έναν άλλο. Οι περισσότεροι κατασκευαστές δημιουργούν κάποια αποζημίωση, αλλά οι υποθέσεις πίσω από αυτό μπορεί να μην ταιριάζουν με τις πραγματικές σας συνθήκες.

Τα προφίλ ταχύτητας νόμου ισχύος-χρησιμοποιούνται για τη μοντελοποίηση αυτού εδώ και δεκαετίες. Το έργο του Nikuradse από τη δεκαετία του 1930-ναι, αυτό το παλιό-ακόμα αποτελεί τη βάση για πολλούς αλγόριθμους διόρθωσης. Το προφίλ ακολουθεί την εξίσωση u/u_max=(1 - r/R)^(1/n), όπου το n ποικίλλει ανάλογα με τον αριθμό Reynolds. Όταν το n είναι γύρω στο 7, βλέπετε ένα αρκετά επίπεδο τυρβώδες προφίλ. Όταν το n πέφτει στο 4, τα πράγματα γίνονται πιο αιχμηρά. Ο συντελεστής διόρθωσης για μια διαδρομή κεντρικής γραμμής μπορεί να κυμαίνεται από 0,75 έως 0,95 ανάλογα με τις συνθήκες.

Ultrasonic Flow Meter Accuracy

Οι τραχύ σωλήνες κάνουν το προφίλ πιο επίπεδο. Οι νέοι λείοι σωλήνες έναντι των παλιών που έχουν διαβρωθεί μπορεί να σημαίνουν διαφορά 0,5 έως 1% στις ενδείξεις με την πάροδο του χρόνου-και πιθανότατα δεν θα παρατηρήσετε μέχρι να αναρωτηθείτε γιατί ο μετρητής σας μετατοπίστηκε.

Αυτό αξίζει τη δική του ενότητα επειδή η θερμοκρασία επηρεάζει τη μέτρηση με υπερήχους με τρόπους που δεν είναι αμέσως προφανείς.

Πρώτον, η ταχύτητα του ήχου στο υγρό σας αλλάζει ανάλογα με τη θερμοκρασία. Στο νερό, η ταχύτητα του ήχου αυξάνεται περίπου 2,4 m/s για κάθε βαθμό Κελσίου. Ο υπολογισμός του χρόνου διέλευσης του μετρητή προϋποθέτει μια συγκεκριμένη ταχύτητα ήχου. να το πάρεις λάθος και η ροή ανάγνωσης αλλάζει. Οι σύγχρονοι μετρητές περιλαμβάνουν αισθητήρες θερμοκρασίας και αλγόριθμους αντιστάθμισης και οι καλοί μπορούν να μειώσουν τα σφάλματα που προκαλούνται από τη θερμοκρασία-από 1,5% σε περίπου 0,2%. Αλλά φθηνότερες μονάδες με κακή αποζημίωση; Θα περιπλανηθούν.

Δεύτερον-και αυτό το λεπτό-οι ίδιοι οι μετατροπείς αλλάζουν χαρακτηριστικά ανάλογα με τη θερμοκρασία. Η ηλεκτρομηχανική τους απόκριση μετατοπίζεται. Το χρονοδιάγραμμα του πότε πραγματικά πυροβολούν σε σχέση με το πότε ισχυρίζονται ότι πυροβολούν παρασυρόμενα. Εάν οι ανιχνευτές σας upstream και downstream δεν ταιριάζουν τέλεια (και δεν ταιριάζουν ποτέ, ακόμη και από την ίδια παρτίδα κατασκευής), έχετε μια προκατάληψη που ποικίλλει ανάλογα με τη θερμοκρασία. Ορισμένα έγγραφα αναφέρουν μετατόπιση του χρονισμού του μορφοτροπέα κατά τη σειρά των picoseconds ανά βαθμό, κάτι που ακούγεται ασήμαντο μέχρι να θυμάστε ότι μετράτε τις διαφορές κλίμακας νανοδευτερόλεπτων-.

Τρίτον, ο ίδιος ο σωλήνας διαστέλλεται και συστέλλεται. Το μήκος της διαδρομής αλλάζει. Μικρό αποτέλεσμα, συνήθως, αλλά συσσωρεύεται με όλα τα άλλα.

Εντάξει, αρκετά προβλήματα. Τι μπορείτε να κάνετε;

Κάντε την εγκατάστασή σας σωστά

Η βαρετή απάντηση, αλλά η πιο εντυπωσιακή. Ο ευθύς σωλήνας έχει θέμα. Ο παλιός εμπειρικός κανόνας ήταν 10-20 διαμέτρους σωλήνων ανάντη του μετρητή, 5 κατάντη. Αυτό είναι λογικό για μετρητές μονού-διαδρομών. Τα σχέδια πολλαπλών-διαδρομών είναι πιο επιεικής, αλλά εξακολουθούν να ωφελούνται από την καθαρή ροή. Εάν δεν μπορείτε να επιτύχετε καλές ευθείες διαδρομές, τα βελτιωτικά ροής μπορούν να βοηθήσουν-πακέτα σωλήνων, διάτρητες πλάκες, συσκευές τύπου πτερυγίου. Κόβουν το διαταραγμένο προφίλ και του δίνουν την ευκαιρία να αναδιοργανωθεί.

Σε 2 διαμέτρους σωλήνων κατάντη από μια διαταραχή, μια μελέτη διαπίστωσε ότι οι μετρητές υπερήχων θα μπορούσαν να είναι απενεργοποιημένοι κατά 15% με 21% αβεβαιότητα. Κατά 10 διαμέτρους, αυτό συρρικνώνεται δραματικά. Με 50 διαμέτρους, είστε βασικά σε ιδανικές συνθήκες. Οι περισσότερες πραγματικές εγκαταστάσεις βρίσκονται κάπου στο ενδιάμεσο, οπότε το πρακτικό ερώτημα είναι: πόσα σφάλματα μπορείτε να ανεχτείτε και πόσο μήκος σωλήνα μπορείτε να διαθέσετε;

Εφαρμόστε σωστά τους παράγοντες διόρθωσης

Εάν γνωρίζετε τον αριθμό Reynolds της ροής σας (και θα πρέπει να μπορείτε να τον υπολογίσετε από την ταχύτητα, τη διάμετρο του σωλήνα και το κινηματικό ιξώδες), μπορείτε να εφαρμόσετε συντελεστές διόρθωσης προφίλ. Για μια μεμονωμένη διαμετρική διαδρομή, ο συντελεστής διόρθωσης K συσχετίζει τη διαδρομή-μέση ταχύτητα με τη μέση-διατομή-μέση ταχύτητα. Το K ποικίλλει από ίσως 0,75 σε στρωτή ροή έως περίπου 0,94 σε πλήρως ανεπτυγμένη τυρβώδη ροή.

Ορισμένοι νεότεροι μετρητές το κάνουν αυτό αυτόματα χρησιμοποιώντας-ενσωματωμένους αλγόριθμους. Άλλοι σας δίνουν πρόσβαση για να προσαρμόσετε τον παράγοντα χειροκίνητα. Άλλοι πάλι υποθέτουν μια σταθερή τιμή που είναι "αρκετά κοντά" για το αναμενόμενο εύρος λειτουργίας τους. Μάθετε ποιον τύπο έχετε.

Για διαταραγμένες ροές όπου το προφίλ είναι ασύμμετρο, έχουν αναπτυχθεί πολλαπλασιαστές διόρθωσης μεροληψίας-. Εξαρτώνται από τον τύπο της διαταραχής (μονός αγκώνας, διπλός αγκώνας έξω-από-επίπεδο, βαλβίδα, κ.λπ.) και την απόσταση από αυτήν. Αυτά δεν είναι τέλεια-βασίζονται σε μέσο όρο πειραματικών δεδομένων-αλλά η εφαρμογή τους αγνοεί το πρόβλημα.

Πολλαπλές-Διαμορφώσεις διαδρομών

Η μετάβαση από ένα μονοπάτι υπερήχων σε τέσσερα ή πέντε βελτιώνει δραματικά την ακρίβεια υπό πραγματικές συνθήκες. Οι διαδρομές τοποθετούνται σε συγκεκριμένες αποστάσεις από το κέντρο του σωλήνα, σταθμισμένες σύμφωνα με σχήματα ολοκλήρωσης (Gaussian quadrature και παρόμοιες μέθοδοι) που προσεγγίζουν τον πραγματικό μέσο όρο διατομής-.

Η British Gas πρότεινε μια γεωμετρία 4-διαδρομών παλιά, η οποία υιοθετήθηκε ευρέως στις εφαρμογές μεταβίβασης φύλαξης. Επιτυγχάνει ακρίβεια εντός 0,2% της πραγματικής ροής ανεξάρτητα από τον προσανατολισμό του προφίλ-τουλάχιστον όταν το προφίλ ακολουθεί τα αναμενόμενα μοτίβα. Συγκρίνετε το με μετρητές μονής διαδρομής που ενδέχεται να ταλαντεύονται κατά 1,4% μόνο από την περιστροφή του επιπέδου μέτρησης σε σχέση με μια διαταραχή. Μεγάλη διαφορά για τη φορολογική μέτρηση.

Οι μετρητές πολλαπλών-διαδρομών παρέχουν επίσης ενσωματωμένα-διαγνωστικά. Μπορείτε να συγκρίνετε ταχύτητες από διαφορετικές διαδρομές. Εάν οι ταχύτητες διαδρομής δεν ταιριάζουν στις αναμενόμενες αναλογίες, κάτι δεν πάει καλά με το προφίλ ροής και ξέρετε να διερευνήσετε.

Η αντιστάθμιση θερμοκρασίας έγινε σωστά

Μην βασίζεστε σε έναν μόνο αισθητήρα θερμοκρασίας μακριά από το σημείο μέτρησης. Μετρήστε τη θερμοκρασία κοντά ή κοντά στους μορφοτροπείς. Χρησιμοποιήστε τη μετρούμενη θερμοκρασία για να υπολογίσετε την ταχύτητα του ήχου εάν ο μετρητής σας δεν το κάνει αυτόματα. Για υγρά με γνωστές ιδιότητες υπάρχουν πίνακες. για προσαρμοσμένα υγρά, μπορεί να χρειαστείτε δεδομένα χαρακτηρισμού.

Για εφαρμογές υψηλής Η προσέγγιση περιλαμβάνει τη μέτρηση της περιόδου ταλάντωσης των λαμβανόμενων σημάτων και τη χρήση τόσο της περιόδου όσο και της θερμοκρασίας ως εισόδους σε έναν αλγόριθμο γραμμικής αντιστάθμισης δύο σημείων. Ακούγεται περίπλοκο γιατί είναι, αλλά οι κατασκευαστές IC άρχισαν να το δημιουργούν σε αφιερωμένο χρόνο-σε-τσιπ ψηφιακού μετατροπέα.

Σφιγκτήρας-Σε συγκεκριμένα ζητήματα

Ο σφιγκτήρας-σε μέτρα προσθέτει ένα άλλο επίπεδο πολυπλοκότητας: το τοίχωμα του σωλήνα. Ο ήχος διασχίζει τον τοίχο, διαθλάται στις διεπαφές και ανιχνεύει καθυστερήσεις. Η ακριβής μέτρηση του πάχους του τοιχώματος είναι κρίσιμης σημασίας-χρησιμοποιήστε ξεχωριστό μετρητή πάχους, κάθετο στην επιφάνεια, με ζελέ σύζευξης. Οι εναποθέσεις διάβρωσης ή αλάτων απομακρύνουν τόσο το πάχος του τοιχώματος όσο και την εσωτερική διάμετρο. Μια μελέτη του 2016 που δοκίμασε εννέα φορητούς σφιγκτήρες-σε μετρητές βρήκε μέσα σφάλματα από -12,8% έως +1.2%, με τις περισσότερες να υποτιμούν τη ροή. Οκτώ από τα εννέα μέτρα έδειξαν χαμηλά.

Η διαφορά χρόνου διέλευσης που προσπαθείτε να μετρήσετε μπορεί να είναι δεκάδες νανοδευτερόλεπτα. Η εξαγωγή αυτού από θορυβώδη σήματα απαιτεί καλούς αλγόριθμους.

Η ανίχνευση μηδενικής διασταύρωσης-είναι η παραδοσιακή μέθοδος: βρείτε το σημείο που η λαμβανόμενη κυματομορφή διασχίζει το μηδέν πλάτος, χρησιμοποιήστε αυτόν τον χρονισμό. Απλό και γρήγορο, αλλά ευαίσθητο στο θόρυβο και τις διακυμάνσεις του πλάτους.

Ο διασταυρούμενος-συσχετισμός προσφέρει καλύτερη ανοσία στον θόρυβο. Συγκρίνει ολόκληρη την ανάντη και την κατάντη κυματομορφή, βρίσκοντας τη χρονική μετατόπιση που μεγιστοποιεί τη συσχέτισή τους. Τα μαθηματικά είναι πιο βαριά, αλλά τα FPGA τα χειρίζονται εύκολα τώρα. Ορισμένες υλοποιήσεις επιτυγχάνουν ανάλυση δευτερολέπτου-νανοδευτερόλεπτου.

Πιο πρόσφατα, οι προσεγγίσεις βαθιάς μάθησης έχουν δείξει πολλά υποσχόμενα για την εκτίμηση του ρυθμού ροής κάτω από πολύπλοκες συνθήκες. Εκπαιδεύστε ένα νευρωνικό δίκτυο σε πεδία ροής προσομοιωμένων με CFD-και στις αντίστοιχες υπερηχητικές υπογραφές τους. αφήστε το να μάθει τα μοτίβα που μπορεί να χάσουν οι άνθρωποι. Ακόμα πειραματικά σε εμπορικά προϊόντα, αλλά οι ακαδημαϊκές εργασίες είναι ενθαρρυντικές.

Ultrasonic Flow Meter Accuracy

Η εργοστασιακή βαθμονόμηση χρησιμοποιεί ιδανικές συνθήκες: μακριές ευθείες σωλήνες, σταθερή ροή, γνωστά υγρά, ελεγχόμενη θερμοκρασία. Η εγκατάστασή σας δεν έχει τίποτα από αυτά. Αυτό δεν καθιστά τη βαθμονόμηση άχρηστη, αλλά σημαίνει ότι η δηλωμένη ακρίβεια (συχνά ±0,5% έως ±1% της ανάγνωσης) αντιπροσωπεύει την καλύτερη-απόδοση.

Η επιτόπια βαθμονόμηση ή η επαλήθευση σε σχέση με έναν μετρητή αναφοράς συμβάλλει στη δημιουργία πραγματικής-παγκόσμιας απόδοσης. Οι μετρητές Coriolis κάνουν εξαιρετικές αναφορές εάν μπορείτε να εγκαταστήσετε έναν. έχουν ανοσία στα περισσότερα από τα φαινόμενα προφίλ που προβληματίζουν τους υπερήχους. Ορισμένες λειτουργίες χρησιμοποιούν έναν κύριο μετρητή υπερήχων με σημαντικά υψηλότερη ακρίβεια (περισσότερες διαδρομές, καλύτερη επεξεργασία) για τον έλεγχο των μονάδων εργασίας.

Η βαθμονόμηση σε πολλαπλούς ρυθμούς ροής στο αναμενόμενο εύρος λειτουργίας σας αξίζει τον κόπο. Ο μετρητής μπορεί να βρίσκεται σε σημείο-με χωρητικότητα 50%, αλλά να μετακινείται στο 10% ή 90%. Λάβετε σημεία δεδομένων, προσαρμόστε μια καμπύλη διόρθωσης εάν χρειάζεται.

Ειλικρινής ομιλία: μερικές φορές μια διαφορετική τεχνολογία μετρητών έχει πιο νόημα. Εάν χρειάζεστε 0,1% ακρίβεια και μπορείτε να αντέξετε οικονομικά το κόστος, τα μέτρα Coriolis κερδίζουν. Μετρούν απευθείας τη ροή μάζας, αγνοούν τα προφίλ ταχύτητας και δεν επηρεάζονται σε μεγάλο βαθμό από τη θερμοκρασία. Το μειονέκτημα είναι η τιμή, το μέγεθος και η πτώση πίεσης-αλλά για τη μεταβίβαση φύλαξης προϊόντων υψηλής-αξίας, πληρώνουν οι ίδιοι.

Για αγώγιμα υγρά με πολύ διαταραγμένη ροή, τα μαγνητικά ροόμετρα ενδέχεται να υπερτερούν των υπερήχων. Δεν είναι ευαίσθητα στο σχήμα του προφίλ, εφόσον το προφίλ είναι αξονικό συμμετρικό (το οποίο οι αγκώνες και οι βαλβίδες μπορούν να διαταράξουν, αλλά λιγότερο σοβαρά από ό,τι με τους υπερήχους).

Αλλά για μεγάλους σωλήνες, εφαρμογές αερίου, εγκαταστάσεις εκ των υστέρων όπου δεν μπορείτε να κόψετε τον σωλήνα ή καταστάσεις όπου η πτώση πίεσης είναι απαράδεκτη-οι υπερήχοι παραμένουν συχνά η μόνη πρακτική επιλογή. Γνωρίστε τους περιορισμούς τους και δουλέψτε γύρω τους.

Η ακρίβεια του μετρητή ροής υπερήχων στον πραγματικό κόσμο εξαρτάται από την κατανόηση του χάσματος μεταξύ των εργαστηριακών συνθηκών και της πραγματικής σας εγκατάστασης. Τα αποτελέσματα του προφίλ ταχύτητας, οι διακυμάνσεις της θερμοκρασίας, τα χαρακτηριστικά του μορφοτροπέα, οι συνθήκες του σωλήνα-συμβάλλουν όλα αυτά. Η δηλωμένη ακρίβεια ±1% μπορεί να γίνει ±3% ή χειρότερη εάν αγνοήσετε αυτούς τους παράγοντες.

Τα καλά νέα: τα περισσότερα από αυτά τα ζητήματα έχουν γνωστές λύσεις ή τουλάχιστον γνωστές λύσεις. Οι κατάλληλες πρακτικές εγκατάστασης, οι κατάλληλοι συντελεστές διόρθωσης, η καλή αντιστάθμιση θερμοκρασίας, ο σχεδιασμός πολλαπλών-διαδρομών όπου το επιτρέπει ο προϋπολογισμός και η ρεαλιστική βαθμονόμηση υπό πραγματικές συνθήκες μπορούν να φέρουν την πραγματική-παγκόσμια απόδοση πολύ πιο κοντά στα θεωρητικά όρια.

Μην εμπιστεύεστε τυφλά το φύλλο προδιαγραφών. Κατανοήστε τι επηρεάζει τον μετρητή σας, μετρήστε ό,τι μπορείτε, διορθώστε αυτά που γνωρίζετε και διατηρήστε τα κατάλληλα περιθώρια αβεβαιότητας για ό,τι παραμένει άγνωστο. Αυτό δεν είναι απαισιοδοξία-είναι μετρολογία.

Και αν κάποιος ρωτήσει εάν ο μετρητής υπερήχων σας είναι ακριβής, η ειλικρινής απάντηση είναι: εξαρτάται. Αλλά τώρα ξέρετε σε τι.