Покращення точності ультразвукового витратоміра та корекції швидкості потоку

Якщо ви провели якийсь реальний час ізультразвукові витратоміри, ви вже знаєте суть: не-інвазивний, без рухомих частин, працює майже на всьому. І подивіться, це здебільшого правда. Але точність розмови? Ось де все стає цікавим-і іноді засмучує. Тому що ультразвуковий вимірювальний прилад, який є точним у лабораторії, може поводитися зовсім по-іншому, коли ви прикріплюєте його до справжнього трубопроводу з колінами, коливаннями температури та будь-чим іншим, що кидає на нього ваш процес.

Це не має на меті відлякати вас від технології. Ультразвукові лічильники залишаються одним з найкращих варіантів для багатьох застосувань. Справа в тому, щоб зрозуміти, що впливає на їхню точність, і-що важливіше-що ви можете з цим зробити.

Ультразвукові витратоміри -часу проходження працюють, надсилаючи акустичні імпульси між двома перетворювачами-один вгорі, інший вниз. Імпульс, що йде разом з потоком, надходить трохи швидше, ніж той, що бореться з ним. Ця різниця в часі, ми говоримо тут про наносекунди, перетворюється на швидкість потоку.

На папері досить просто. Проблеми починаються, коли ви розумієте, що вимірювання швидкості відбувається вздовж одного шляху (або, можливо, кількох шляхів у модних метрах), але те, що вас насправді хвилює, цесереднійшвидкість по всьому поперечному-перерізу труби. Рідина не скрізь рухається з однаковою швидкістю. Повільніше біля стін, швидше посередині. Зв’язок між тим, що бачить лічильник, і тим, що насправді відбувається, залежить від чогось, що називається профілем швидкості-і цей профіль змінюється залежно від числа Рейнольдса, шорсткості труби, збурень вище за течією та близько десятка інших факторів.

Скажемо прямо про основні джерела помилок.

Ultrasonic Flow Meter Accuracy

Піднесіть лікоть до лічильника, і ви щойно створили асиметричний потік. Розподіл швидкості спотворюється, можливо, закручується, і ваше вимірювання одного-шляху тепер представляє... що саме? Дослідження показали, що помилки досягають 15% лише від збурень вище за течією, якщо їх не враховувати. Багатопрохідні-лічильники значно допомагають-вони беруть вибірку швидкості в кількох точках по діаметру труби та використовують зважені середні значення-але це не магія. Сильно порушений профіль все ще може їх спотикати.

Ось щось, що застає людей зненацька. Форма вашого профілю швидкості не фіксована-вона змінюється відповідно до числа Рейнольдса. При низьких потоках (ламінарний режим, Re нижче приблизно 2300) ви отримуєте параболічний профіль. Центральна швидкість може бути вдвічі більшою за середню. При великих течіях (турбулентних, Re вище 4000) профіль значно вирівнюється; центральна швидкість, можливо, в 1,1-1,2 рази перевищує середню.

Що це означає практично? Коригувальний коефіцієнт, який застосовує ваш лічильник для однієї витрати, може бути неправильним для іншої. Більшість виробників встановлюють певну компенсацію, але припущення, що лежать в основі цього, можуть не відповідати вашим фактичним умовам.

Профілі швидкості-за степеневим законом використовувалися для моделювання цього протягом десятиліть. Робота Нікурадсе 1930-х років-так, ця стара-досі є основою для багатьох алгоритмів виправлення. Профіль відповідає рівнянню u/u_max=(1 - r/R)^(1/n), де n змінюється залежно від числа Рейнольдса. Коли n дорівнює приблизно 7, ви дивитесь на досить плоский турбулентний профіль. Коли n падає до 4, все стає більш гострим. Коефіцієнт поправки для однієї центральної лінії може коливатися від 0,75 до 0,95 залежно від умов.

Ultrasonic Flow Meter Accuracy

Шорсткі труби роблять профіль більш плоским. Нові гладкі труби проти корозійних старих можуть означати різницю в показаннях з часом на 0,5–1%-і, ймовірно, ви не помітите, доки не задумаєтеся, чому ваш лічильник відхилився.

Це заслуговує окремого розділу, оскільки температура впливає на ультразвукове вимірювання способами, які не відразу очевидні.

По-перше, швидкість звуку в рідині змінюється залежно від температури. У воді швидкість звуку збільшується приблизно на 2,4 м/с з кожним підвищенням градуса Цельсія. Розрахунок часу проходження лічильника передбачає певну швидкість звуку; зрозумієте це неправильно, і ваше читання потоку зміниться. Сучасні лічильники включають датчики температури та алгоритми компенсації, а хороші з них можуть зменшити температурні-похибки з 1,5% до приблизно 0,2%. Але дешевші одиниці з поганою компенсацією? Вони будуть блукати.

По-друге{0}}і це непомітно-саме перетворювачі змінюють характеристики з температурою. Їх електромеханічна реакція змінюється. Час, коли вони дійсно стріляють, і коли вони стверджують, що стріляють дрейфи. Якщо ваші вихідні та вихідні перетворювачі не збігаються ідеально (а вони ніколи не збігаються, навіть з однієї виробничої партії), ви отримаєте зсув, який змінюється залежно від температури. У деяких статтях повідомляється про дрейф синхронізації датчика порядку пікосекунд на градус, що звучить тривіально, доки ви не згадаєте, що вимірюєте різницю-в наносекундному масштабі.

По-третє, сама труба розширюється і звужується. Довжина шляху змінюється. Ефект зазвичай невеликий, але він накопичується разом з усім іншим.

Гаразд, досить проблем. що ти можеш зробити

Правильно встановіть

Нудна відповідь, але найбільш вражаюча. Прямі труби мають значення. Старе емпіричне правило було 10-20 діаметрів труби перед метром і 5 нижче за течією. Це розумно для одноканальних-лічильників; багато-дизайни більш поблажливі, але все одно виграють від чистого потоку. Якщо ви не можете досягти хороших прямих прогонів, стабілізатори потоку можуть допомогти-пучки труб, перфоровані пластини, лопастні пристрої. Вони рубають порушений профіль і дають йому можливість реорганізуватися.

Одне дослідження показало, що на 2 діаметрах труби нижче за течією від збурення ультразвукові лічильники можуть бути відхилені на 15% з похибкою 21%. На 10 діаметрів це різко зменшується. При 50 діаметрах ви в основному в ідеальних умовах. Більшість реальних інсталяцій знаходяться десь посередині, тому виникає практичне питання: скільки помилок ви можете допустити та яку довжину труби ви можете виділити?

Правильно застосовуйте поправочні коефіцієнти

Якщо ви знаєте число Рейнольдса вашого потоку (і ви повинні мати можливість розрахувати його на основі швидкості, діаметра труби та кінематичної в’язкості), ви можете застосувати коефіцієнти поправки профілю. Для одного діаметрального шляху поправочний коефіцієнт K пов’язує-середню швидкість шляху з-середньою швидкістю-перетину. K змінюється від, можливо, 0,75 у ламінарному потоці до приблизно 0,94 у повністю розвиненому турбулентному потоці.

Деякі новіші лічильники роблять це автоматично за допомогою вбудованих-алгоритмів. Інші надають вам доступ до налаштування коефіцієнта вручну. Ще інші припускають фіксоване значення, яке є «досить близьким» для очікуваного робочого діапазону. Дізнайтеся, який у вас тип.

Для збурених потоків, де профіль асиметричний, були розроблені множники-коригування зміщення. Вони залежать від типу порушення (одинарне коліно, подвійне коліно-з-площини, клапан тощо) і відстані від нього. Вони не є досконалими-вони базуються на усереднених експериментальних даних-але застосовувати їх краще, ніж ігнорувати проблему.

Багато-конфігурації шляху

Перехід від одного ультразвукового шляху до чотирьох або п’яти значно підвищує точність у реальних умовах. Шляхи розташовані на певних відстанях від центру труби, зважені відповідно до схем інтеграції (квадратура Гауса та подібні методи), які наближено до справжнього усереднення поперечного-перерізу.

Свого часу компанія British Gas запропонувала геометрію з 4-шляхами, яка набула широкого поширення в програмах передачі на зберігання. Він досягає точності в межах 0,2% від фактичного потоку незалежно від орієнтації профілю-принаймні, коли профіль відповідає очікуваним шаблонам. Порівняйте це з одноканальними лічильниками, які можуть коливатися на 1,4% лише від обертання вимірювальної площини відносно завад. Велика різниця для фіскального обліку.

Багато{0}}лічильники також забезпечують вбудовану-діагностику. Ви можете порівнювати швидкості з різних шляхів. Якщо швидкості траєкторії не збігаються в очікуваних співвідношеннях, щось не так з профілем потоку, і ви знаєте, що потрібно дослідити.

Правильна температурна компенсація

Не покладайтеся на один датчик температури далеко від точки вимірювання. Вимірюйте температуру на датчиках або поблизу них. Використовуйте виміряну температуру для обчислення швидкості звуку, якщо ваш вимірювальний прилад не робить це автоматично. Для рідин з відомими властивостями існують таблиці; для спеціальних рідин вам можуть знадобитися дані характеристик.

Для високо-точних застосувань компенсація перетворювача стає більш важливою. Цей підхід передбачає вимірювання періоду коливань отриманих сигналів і використання періоду та температури як вхідних даних для дво-точкового алгоритму лінійної компенсації. Це звучить складно, тому що це так, але виробники мікросхем почали вбудовувати це в виділені чіпи--цифрового перетворювача.

Затиск-на конкретні питання

Затискачі-на лічильниках додають ще один рівень складності: стінку труби. Звук проходить крізь стіну, заломлюється на інтерфейсах і вловлює затримки. Точне вимірювання товщини стінки має вирішальне значення-використовуйте окремий товщиномір, перпендикулярний до поверхні, із з’єднувальним гелем. Корозія або відкладення накипу змінюють товщину стінок і внутрішній діаметр. Дослідження 2016 року, під час якого тестувалося дев’ять портативних затискачів-на лічильниках, виявило середні похибки від -12,8% до +1.2%, із найбільш недооцінкою витрати. Вісім з дев'яти метрів показують низько.

Різниця в часі доставки, яку ви намагаєтеся виміряти, може становити десятки наносекунд. Для того, щоб виділити це з шумових сигналів, потрібні хороші алгоритми.

Виявлення-перетину нуля є традиційним методом: знайдіть, де отриманий сигнал перетинає нульову амплітуду, використовуйте цей час. Простий і швидкий, але чутливий до шуму і коливань амплітуди.

Перехресна-кореляція забезпечує кращу завадозахищеність. Він порівнює всі вихідні та низхідні сигнали, знаходячи часовий зсув, який максимізує їхню кореляцію. Математика складніша, але ПЛІС тепер з нею справляються легко. Деякі реалізації досягають суб-наносекундної роздільної здатності.

Зовсім недавно підходи глибокого навчання показали перспективу для оцінки швидкості потоку в складних умовах. Навчання нейронної мережі на CFD-змодельованих полях потоку та їхніх відповідних ультразвукових сигнатурах; нехай він вивчає закономірності, які люди можуть упустити. Все ще експериментує з комерційними продуктами, але наукові статті надихають.

Ultrasonic Flow Meter Accuracy

Заводське калібрування використовує ідеальні умови: довгі прямі труби, стабільний потік, відомі рідини, контрольована температура. У вашій інсталяції немає нічого з цього. Це не робить калібрування марним, але це означає, що заявлена точність (часто від ±0,5% до ±1% показань) є найкращою-продуктивністю.

Калібрування-на місці або перевірка за еталонним лічильником допомагає визначити реальну-продуктивність. Лічильники Коріоліса є чудовими довідниками, якщо ви можете їх встановити; вони несприйнятливі до більшості профільних ефектів, які заважають ультразвуку. Деякі операції використовують головний ультразвуковий вимірювач зі значно вищою точністю (більше шляхів, краща обробка) для перевірки робочих одиниць.

Калібрування при кількох витратах у очікуваному робочому діапазоні варте зусиль. Лічильник може бути точним-на 50% потужності, але дрейфувати на 10% або 90%. Отримайте точки даних, підберіть коригувальну криву, якщо потрібно.

Чесна розмова: іноді інша технологія лічильника має більше сенсу. Якщо вам потрібна точність 0,1% і ви можете дозволити собі витрати, коріолісові вимірювачі виграють. Вони безпосередньо вимірюють масовий потік, ігнорують профілі швидкості, і на них практично не впливає температура. Недоліком є ціна, розмір і падіння тиску-але за передачу високовартісної-вартісної продукції на зберігання вони платять самі.

Для провідних рідин із сильно збуреним потоком магнітні витратоміри можуть перевершити ультразвукові. Вони нечутливі до форми профілю, якщо профіль є осесиметричним (що можуть порушити коліна та клапани, але менш серйозно, ніж ультразвук).

Але для великих труб, газових установок, модернізованих установок, де ви не можете розрізати трубу, або ситуацій, коли падіння тиску є неприйнятним-ультразвук часто залишається єдиним практичним варіантом. Знайте їхні обмеження та обходьте їх.

Точність ультразвукового витратоміра в реальному світі залежить від розуміння розриву між лабораторними умовами та фактичною установкою. Вплив профілю швидкості, коливання температури, характеристики перетворювача, стан труби-всі вони впливають. Заявлена точність ±1% може стати ±3% або гірше, якщо ви ігноруєте ці фактори.

Хороша новина: для більшості цих проблем є відомі рішення або принаймні відомі обхідні шляхи. Належна практика встановлення, належні поправкові коефіцієнти, хороша температурна компенсація, багато-конструкції, де дозволяє бюджет, і реалістичне калібрування за фактичних умов можуть наблизити реальну-продуктивність до теоретичних меж.

Не довіряйте сліпо технічним характеристикам. Зрозумійте, що впливає на ваш лічильник, виміряйте те, що можете, виправте те, що вам відомо, і підтримуйте відповідні межі невизначеності для того, що залишається невідомим. Це не песимізм-це метрологія.

І якщо хтось запитає, чи точний ваш ультразвуковий глюкометр, чесна відповідь: залежить. Але тепер ви знаєте на чому.