Ako ste proveli neko stvarno vrijeme saultrazvučni mjerači protoka, već znate smisao: ne-invazivan, nema pokretnih dijelova, radi na gotovo svemu. I vidite, to je uglavnom istina. Ali tačnost razgovora? Tu stvari postaju zanimljive-i povremeno frustrirajuće. Zato što se ultrazvučni merač koji je precizan u laboratoriji može ponašati sasvim drugačije kada ga pričvrstite na pravi cevovod sa koljenima, temperaturnim kolebanjima i šta god da vam proces baci na njega.
Ovo nema za cilj da vas uplaši od tehnologije. Ultrazvučni mjerači ostaju jedna od najboljih opcija za mnoge primjene. Poenta je razumjeti šta utiče na njihovu tačnost i-što je još važnije-šta vi zapravo možete učiniti po tom pitanju.
Osnove Niko ne objašnjava kako treba
Ultrazvučni mjerači protoka{0}}prolaznog vremena rade tako što šalju akustične impulse između dva pretvarača-jedan uzvodno, drugi nizvodno. Puls koji putuje sa protokom stiže nešto brže od onog koji se bori protiv njega. Ta vremenska razlika, ovdje govorimo o nanosekundama, pretvara se u brzinu protoka.
Dovoljno jednostavno na papiru. Problem počinje kada shvatite da se mjerenje brzine odvija duž jedne putanje (ili možda nekoliko puta u modernijim metrima), ali ono do čega vam je zapravo stalo jeprosjekbrzina na cijelom poprečnom-presjeku cijevi. Tečnost se ne kreće svuda istom brzinom. Kod zidova je sporije, u sredini brže. Odnos između onoga što mjerač vidi i onoga što se zapravo dešava zavisi od nečega što se zove profil brzine-i taj profil se mijenja s Reynoldsovim brojem, hrapavostom cijevi, uzvodnim smetnjama i desetak drugih faktora.
Zašto vaš mjerač laže (ponekad)
Budimo otvoreni o glavnim izvorima grešaka.
Izobličenje profila brzine
Postavite koljeno uzvodno od merača i upravo ste stvorili asimetričan protok. Raspodjela brzine postaje iskrivljena, možda se kovitla, a vaše mjerenje jedne-pute sada predstavlja... šta tačno? Istraživanja su pokazala greške do 15% samo od uzvodnih poremećaja kada ih ne uzmete u obzir. Više{5}}metari sa više putanja značajno pomažu-oni uzorkuju brzinu na nekoliko tačaka po promjeru cijevi i koriste ponderisane prosjeke-ali nisu magični. Jako poremećen profil ih i dalje može saplesti.
Problem Reynoldsovog broja
Evo nečega što ljude zateče. Oblik vašeg profila brzine nije fiksiran-već se mijenja s Reynoldsovim brojem. Pri malim protokima (laminarni režim, Re ispod oko 2300), dobijate parabolički profil. Centralna brzina može biti dvostruko veća od prosjeka. Pri velikim proticajima (turbulentno, Re iznad 4000), profil se značajno izravnava; središnja brzina je možda 1,1 do 1,2 puta prosječna.
Šta to praktično znači? Korekcioni faktor koji vaš mjerač primjenjuje na jednu brzinu protoka može biti pogrešan na drugoj. Većina proizvođača ugrađuje određenu kompenzaciju, ali pretpostavke iza toga možda neće odgovarati vašim stvarnim uvjetima.
Profili brzine{0}}potencijskog zakona koriste se za modeliranje ovog desetljeća. Nikuradseov rad iz 1930-ih-da, to staro-još uvijek čini osnovu za mnoge algoritme korekcije. Profil prati jednačinu u/u_max=(1 - r/R)^(1/n), gdje n varira sa Reynoldsovim brojem. Kada je n oko 7, gledate u prilično ravan turbulentan profil. Kada n padne prema 4, stvari postaju oštrije. Faktor korekcije za jednu putanju središnje linije može varirati od 0,75 do 0,95 u zavisnosti od uslova.
Hrapavost zida cijevi
Grube cijevi čine profil ravnijim. Nove glatke cijevi u odnosu na korodirane stare mogu značiti 0,5 do 1% razlike u očitanjima tokom vremena-i vjerovatno nećete primijetiti sve dok se ne zapitate zašto je vaš mjerač ponio.
Temperatura: Tihi saboter
Ovo zaslužuje poseban dio jer temperatura utiče na ultrazvučno mjerenje na načine koji nisu odmah očigledni.
Prvo, brzina zvuka u vašoj tekućini mijenja se s temperaturom. U vodi se brzina zvuka povećava za otprilike 2,4 m/s za svaki stepen porasta Celzijusa. Proračun vremena prolaza mjerača pretpostavlja određenu brzinu zvuka; shvatite pogrešno i vaše očitavanje toka se pomjera. Moderni mjerači uključuju temperaturne senzore i algoritme za kompenzaciju, a oni dobri mogu smanjiti temperaturu{4}}indukovane greške sa 1,5% na oko 0,2%. Ali jeftinije jedinice sa lošom nadoknadom? Oni će lutati.
Drugo-i ovo je suptilno-sami pretvarači mijenjaju karakteristike s temperaturom. Njihov elektromehanički odgovor se mijenja. Vrijeme kada oni zapravo pucaju u odnosu na vrijeme kada tvrde da pucaju se mijenja. Ako se vaši uzvodni i nizvodni pretvarači ne poklapaju savršeno (a nikad se ne poklapaju, čak ni iz iste proizvodne serije), dobit ćete pristranost koja varira s temperaturom. Neki radovi izvještavaju o vremenskom pomaku sonde reda veličine pikosekundi po stepenu, što zvuči trivijalno dok se ne sjetite da mjerite razlike u nanosekundama-skala.
Treće, sama cijev se širi i skuplja. Dužina puta se mijenja. Obično mali efekat, ali se akumulira sa svim ostalim.
Korekcija protoka: zapravo to čini boljim
U redu, dosta problema. sta mozes da uradis
Ispravna instalacija
+
-
Dosadan odgovor, ali najuticajniji. Pravi cevovod je važan. Staro pravilo je bilo 10-20 promjera cijevi uzvodno od mjerača, 5 nizvodno. To je razumno za jedno-metare; više{8}} dizajni su popustljiviji, ali i dalje imaju koristi od čistog toka. Ako ne možete postići dobre ravne staze, stabilizatori protoka mogu pomoći-snopovi cijevi, perforirane ploče, uređaji tipa lopatica. Isjeku poremećeni profil i daju mu priliku da se reorganizira.
Na 2 promjera cijevi nizvodno od poremećaja, jedna studija je pokazala da bi ultrazvučni mjerači mogli biti isključeni za 15% sa nesigurnošću od 21%. Za 10 prečnika, to se dramatično smanjuje. Sa 50 prečnika, u osnovi ste u idealnim uslovima. Većina stvarnih instalacija je negdje između, tako da praktično pitanje postaje: koliko grešaka možete tolerisati i koliko dužine cijevi možete dodijeliti?
Pravilno primijeniti faktore korekcije
+
-
Ako znate Reynoldsov broj vašeg protoka (i trebali biste ga moći izračunati iz brzine, promjera cijevi i kinematičkog viskoziteta), možete primijeniti faktore korekcije profila. Za jednu dijametralnu putanju, faktor korekcije K povezuje-prosječnu brzinu puta sa-prosječnom{3}}prosječnom brzinom. K varira od možda 0,75 u laminarnom toku do oko 0,94 u potpuno razvijenom turbulentnom toku.
Neki noviji mjerači to rade automatski koristeći ugrađene-algoritame. Drugi vam daju pristup za ručno podešavanje faktora. Drugi pak pretpostavljaju fiksnu vrijednost koja je "dovoljno blizu" za njihov očekivani radni raspon. Znajte koji tip imate.
Za poremećene tokove gdje je profil asimetričan, razvijeni su množitelji{0}}korigirajući pristrasnost. Zavise od vrste smetnje (jednostruko koljeno, dvostruko koljeno van-iz-ravnine, ventil, itd.) i udaljenosti od njega. One nisu savršene-zasnovane su na prosječnim eksperimentalnim podacima-ali njihova primjena je bolja od ignoriranja problema.
Više{0}}konfiguracije putanja
+
-
Prelazak sa jedne ultrazvučne putanje na četiri ili pet dramatično poboljšava preciznost u stvarnim uslovima. Staze su pozicionirane na određenim udaljenostima od centra cijevi, ponderisane prema integracijskim šemama (Gaussova kvadratura i slične metode) koje aproksimiraju pravo prosječno{1}}osječenje.
British Gas je predložio geometriju 4-puta još u to vrijeme koja je postala široko prihvaćena u aplikacijama za prijenos skrbništva. Postiže tačnost unutar 0,2% stvarnog protoka bez obzira na orijentaciju profila-barem kada profil slijedi očekivane obrasce. Uporedite to sa jednoputnim meračima koji se mogu pomeriti za 1,4% samo od rotacije merne ravni u odnosu na smetnju. Velika razlika za fiskalno mjerenje.
Mjerači više-puteva također pružaju ugrađenu-dijagnostiku. Možete uporediti brzine sa različitih staza. Ako se brzine putanje ne poklapaju sa očekivanim omjerima, nešto nije u redu s profilom protoka i morate istražiti.
Temperaturna kompenzacija urađena ispravno
+
-
Nemojte se oslanjati na jedan temperaturni senzor koji je udaljen od mjerne točke. Izmjerite temperaturu na ili blizu sonde. Koristite izmjerenu temperaturu za izračunavanje brzine zvuka ako vaš mjerač to ne radi automatski. Za tečnosti sa poznatim svojstvima postoje tabele; za prilagođene fluide, možda će vam trebati podaci o karakterizaciji.
Za aplikacije visoke{0}}preciznosti, kompenzacija sonde je više uključena. Pristup uključuje mjerenje perioda oscilovanja primljenih signala i korištenje perioda i temperature kao ulaza za algoritam linearne kompenzacije u dvije-tačke. Zvuči komplikovano jer jeste, ali proizvođači IC-a su to počeli ugrađivati u čipove namijenjene{4}}za-digitalne pretvarače.
Spoj{0}}O određenim pitanjima
+
-
Stezaljka-na brojilima dodaje još jedan sloj složenosti: zid cijevi. Zvuk putuje kroz zid, lomi se na sučeljima i preuzima kašnjenja. Precizno mjerenje debljine zida je kritično-koristite poseban mjerač debljine, okomit na površinu, sa spojnim gelom. Naslage korozije ili kamenca odbacuju i debljinu zida i unutrašnji prečnik. Studija iz 2016. koja je testirala devet prijenosnih stezaljki-na mjeračima otkrila je prosječne greške od -12,8% do +1.2%, uz većinu potcjenjivanja protoka. Osam od devet metara nisko.
Napredne tehnike obrade signala
Vremenska razlika tranzita koju pokušavate izmjeriti može biti desetine nanosekundi. Izdvajanje toga iz bučnih signala zahtijeva dobre algoritme.
Detekcija{0}}prelaska nule je tradicionalna metoda: pronađite gdje primljeni talasni oblik prelazi nultu amplitudu, koristite taj tajming. Jednostavan i brz, ali osjetljiv na varijacije šuma i amplitude.
Unakrsna{0}}korelacija nudi bolju otpornost na buku. On uspoređuje cjelokupne uzvodne i nizvodne valne oblike, pronalazeći vremenski pomak koji maksimizira njihovu korelaciju. Matematika je teža, ali FPGA sada to lako nose. Neke implementacije postižu rezoluciju ispod -nanosekunde.
U skorije vreme, pristupi dubokog učenja pokazali su obećanje za procenu brzine protoka u složenim uslovima. Obučite neuronsku mrežu na CFD-simuliranim poljima protoka i njihovim odgovarajućim ultrazvučnim potpisima; neka nauči obrasce koji bi ljudima mogli nedostajati. Još uvijek eksperimentalno u komercijalnim proizvodima, ali akademski radovi su ohrabrujući.
Realnosti kalibracije
Fabrička kalibracija koristi idealne uslove: duge ravne cijevi, stabilan protok, poznate tekućine, kontrolirana temperatura. Vaša instalacija nema ništa od ovoga. To ne čini kalibraciju beskorisnom, ali znači da navedena preciznost (često ±0,5% do ±1% očitanja) predstavlja najbolje-izvođenje u slučaju.
In-kalibracija na licu mjesta ili verifikacija prema referentnom mjeraču pomaže u uspostavljanju stvarnih-svjetskih performansi. Coriolisovi mjerači su odlične reference ako ih možete instalirati; imuni su na većinu efekata profila koji ometaju ultrazvuk. Neke operacije koriste glavni ultrazvučni mjerač sa znatno većom preciznošću (više putanja, bolja obrada) za provjeru radnih jedinica.
Kalibracija pri višestrukim brzinama protoka u vašem očekivanom radnom opsegu je vrijedna truda. Mjerač može biti na mjestu-pri 50% kapaciteta, ali se pomjera na 10% ili 90%. Dobijte podatke, prilagodite krivu korekcije ako je potrebno.
Kada ultrazvuk nije odgovor
Iskreno: ponekad drugačija tehnologija brojila ima više smisla. Ako vam je potrebna tačnost od 0,1% i možete priuštiti trošak, Coriolisovi mjerači pobjeđuju. Oni direktno mjere protok mase, zanemaruju profile brzine i na njih uglavnom ne utiče temperatura. Nedostatak je cijena, veličina i pad pritiska-ali za prijenos skrbništva nad proizvodima visoke-vrijednosti oni sami plaćaju.
Za provodljive tekućine sa jako poremećenim protokom, magnetni mjerači protoka mogu nadmašiti ultrazvučne. Oni su neosjetljivi na oblik profila sve dok je profil osno simetričan (što koljena i zalisci mogu poremetiti, ali manje ozbiljno nego kod ultrazvuka).
Ali za velike cijevi, primjene plina, naknadne instalacije gdje ne možete presjeći cijev ili situacije u kojima je pad pritiska neprihvatljiv-ultrazvuk često ostaje jedina praktična opcija. Znajte njihova ograničenja i zaobiđite ih.
Povući ga zajedno
Preciznost ultrazvučnog merača protoka u stvarnom svetu zavisi od razumevanja jaza između laboratorijskih uslova i vaše stvarne instalacije. Efekti profila brzine, varijacije temperature, karakteristike pretvarača, uslovi cijevi-svi oni doprinose. Navedena tačnost od ±1% može postati ±3% ili još gore ako zanemarite ove faktore.
Dobra vijest: većina ovih problema ima poznata rješenja ili barem poznata rješenja. Odgovarajuće prakse instalacije, odgovarajući faktori korekcije, dobra temperaturna kompenzacija, više-dizajna gdje budžet dozvoljava, i realna kalibracija u stvarnim uvjetima mogu dovesti stvarne{2}}svjetske performanse mnogo bliže teorijskim granicama.
Ne verujte slepo specifikacijama. Shvatite šta utiče na vaš mjerač, izmjerite ono što možete, ispravite ono što znate i održavajte odgovarajuće margine nesigurnosti za ono što ostaje nepoznato. To nije pesimizam-to je mjeriteljstvo.
A ako neko pita da li je vaš ultrazvučni merač tačan, iskren odgovor je: zavisi. Ali sada znate na čemu.
