دقت فلومتر اولتراسونیک و بهبود اصلاح نرخ جریان

 

اگر زمان واقعی را با آن گذرانده ایدفلومتر اولتراسونیک, شما از قبل می دانید: غیر تهاجمی، بدون قطعات متحرک، تقریباً روی هر چیزی کار می کند. و ببینید، این بیشتر درست است. اما صحت مکالمه؟ اینجاست که همه چیز جالب-و گاهی اوقات خسته کننده می شود. زیرا یک متر اولتراسونیک که در آزمایشگاه دقیق است، زمانی که آن را روی یک خط لوله واقعی با زانویی، نوسانات دما و هر چیز دیگری که فرآیند شما به آن می‌اندازد، می‌پیچید، می‌تواند کاملاً متفاوت رفتار کند.

این به معنای ترساندن شما از فناوری نیست. متر التراسونیک یکی از بهترین گزینه ها برای بسیاری از کاربردها است. نکته این است که بدانید چه چیزی بر دقت آنها تأثیر می گذارد و{2}}مهمتر از آن{3}}چه کاری می توانید در مورد آن انجام دهید.

 

اصول اولیه که هیچ کس به درستی توضیح نمی دهد

ترانزیت-جریان سنج اولتراسونیک زمان با ارسال پالس های صوتی بین دو مبدل-یکی در بالادست، یکی پایین دست کار می کند. پالسی که با جریان حرکت می کند کمی سریعتر از پالسی که با آن می جنگد می رسد. این اختلاف زمانی، ما در اینجا نانوثانیه صحبت می کنیم، به سرعت جریان تبدیل می شود.

به اندازه کافی ساده روی کاغذ. مشکل زمانی شروع می‌شود که متوجه می‌شوید اندازه‌گیری سرعت در یک مسیر واحد اتفاق می‌افتد (یا شاید چند مسیر در متری زیباتر)، اما چیزی که واقعاً به آن اهمیت می‌دهید این است کهمتوسطسرعت در کل مقطع لوله-. سیال در همه جا با سرعت یکسانی حرکت نمی کند. نزدیک دیوارها کندتر و در وسط سریعتر است. رابطه بین آنچه که متر می بیند و آنچه در واقع اتفاق می افتد بستگی به چیزی به نام مشخصات سرعت دارد-و این مشخصات با عدد رینولدز، ناهمواری لوله، اختلالات بالادست و حدود ده ها عامل دیگر تغییر می کند.

چرا متر شما دروغ می گوید (گاهی اوقات)

بیایید در مورد منابع اصلی خطا صریح باشیم.

اعوجاج مشخصات سرعت

یک آرنج در بالادست کنتور خود قرار دهید و به تازگی جریان نامتقارن ایجاد کرده اید. توزیع سرعت کج می‌شود، شاید می‌چرخد، و اندازه‌گیری یک مسیر{1} شما اکنون نشان‌دهنده... دقیقاً چیست؟ تحقیقات نشان داده است که خطاها تا 15٪ از اختلالات بالادست تنها در صورتی که شما آنها را در نظر نگیرید، نشان داده است. چند{5}}مسیرهای مسیر به طور قابل توجهی کمک می‌کنند-آنها سرعت را در چندین نقطه در قطر لوله نمونه‌برداری می‌کنند و از میانگین‌های وزنی استفاده می‌کنند-اما آنها جادویی نیستند. یک نمایه به شدت مختل شده همچنان می تواند آنها را از بین ببرد.

مسئله عدد رینولدز

اینجا چیزی است که مردم را غافلگیر می کند. شکل نمایه سرعت شما ثابت نیست-با عدد رینولدز تغییر می‌کند. در جریان های کم (رژیم آرام، Re زیر حدود 2300)، شما یک نیمرخ سهموی دریافت می کنید. سرعت مرکز ممکن است دو برابر میانگین باشد. در جریان های زیاد (متلاطم، Re بالای 4000)، پروفیل به طور قابل توجهی صاف می شود. سرعت مرکز شاید 1.1 تا 1.2 برابر میانگین باشد.

این عملا به چه معناست؟ ضریب اصلاحی که کنتور شما در یک دبی اعمال می کند ممکن است در دیگری اشتباه باشد. اکثر تولید کنندگان مقداری جبران خسارت می کنند، اما فرضیات پشت آن ممکن است با شرایط واقعی شما مطابقت نداشته باشد.

نمایه‌های سرعت قانون{0}}قدرت برای دهه‌ها برای مدل‌سازی این مورد استفاده شده‌اند. کارهای نیکورادسه در دهه 1930-بله، آن قدیمی-هنوز پایه بسیاری از الگوریتم‌های تصحیح را تشکیل می‌دهد. نمایه از معادله u/u_max=(1 - r/R)^(1/n) پیروی می‌کند، که در آن n با عدد رینولدز تغییر می‌کند. وقتی n حدود 7 است، شما به یک نیمرخ آشفته نسبتا صاف نگاه می کنید. وقتی n به سمت 4 می‌افتد، همه چیز مشخص‌تر می‌شود. ضریب تصحیح برای یک مسیر خط مرکزی واحد می تواند بسته به شرایط از 0.75 تا 0.95 نوسان کند.

ناهمواری دیوار لوله

لوله های ناهموار پروفیل را صاف تر می کند. لوله‌های صاف جدید در مقابل لوله‌های قدیمی خورده‌شده می‌توانند به معنی اختلاف 0.5 تا 1٪ در قرائت‌ها در طول زمان باشند-و احتمالاً تا زمانی که تعجب نکنید که چرا کنتور شما حرکت کرده است، متوجه نخواهید شد.

دما: خرابکار خاموش

این سزاوار بخش خاص خود است زیرا دما بر اندازه‌گیری اولتراسونیک به روش‌هایی تأثیر می‌گذارد که بلافاصله مشخص نیست.

ابتدا سرعت صوت در مایع شما با دما تغییر می کند. در آب، سرعت صوت به ازای هر درجه سانتیگراد افزایش تقریباً 2.4 متر بر ثانیه افزایش می یابد. محاسبه زمان عبور کنتور سرعت صوت معینی را در نظر می گیرد. اشتباه بگیرید و جریان خواندن شما تغییر می کند. کنتورهای مدرن شامل حسگرهای دما و الگوریتم‌های جبرانی هستند و نمونه‌های خوب می‌توانند خطاهای ناشی از دما را از 1.5% به حدود 0.2% کاهش دهند. اما واحدهای ارزانتر با غرامت ضعیف؟ سرگردان خواهند شد

ثانیاً-و این مورد ظریف-خود مبدلها ویژگیها را با دما تغییر میدهند. پاسخ الکترومکانیکی آنها تغییر می کند. زمان زمانی که آنها واقعا شلیک می کنند در مقابل زمانی که ادعا می کنند شلیک می کنند. اگر مبدل‌های بالادستی و پایین‌دستی شما کاملاً با هم مطابقت ندارند (و هرگز چنین نمی‌کنند، حتی از همان دسته‌ی تولیدی)، یک سوگیری دریافت می‌کنید که با دما متفاوت است. برخی از مقالات تغییر زمان مبدل را به ترتیب پیکوثانیه در هر درجه گزارش می‌کنند، که تا زمانی که به یاد بیاورید در حال اندازه‌گیری تفاوت‌های مقیاس نانوثانیه{6}} هستید، بی‌اهمیت به نظر می‌رسد.

سوم، خود لوله منبسط و منقبض می شود. طول مسیر تغییر می کند. معمولاً تأثیر کمی دارد، اما با هر چیز دیگری جمع می شود.

اصلاح نرخ جریان: در واقع آن را بهتر می کند

تکنیک های پیشرفته پردازش سیگنال

اختلاف زمان عبوری که می‌خواهید اندازه‌گیری کنید ممکن است ده‌ها نانوثانیه باشد. استخراج آن از سیگنال های پر سر و صدا نیاز به الگوریتم های خوبی دارد.

تشخیص تلاقی صفر روش سنتی است: جایی که شکل موج دریافتی از دامنه صفر عبور می کند، از آن زمان بندی استفاده کنید. ساده و سریع، اما حساس به نویز و تغییرات دامنه.

همبستگی متقاطع ایمنی بهتری نسبت به نویز ارائه می دهد. کل شکل موج های بالادستی و پایین دستی را مقایسه می کند و تغییر زمانی را پیدا می کند که همبستگی آنها را به حداکثر می رساند. ریاضیات سنگین تر است، اما FPGA ها اکنون به راحتی آن را مدیریت می کنند. برخی از پیاده‌سازی‌ها به وضوح زیر{4} نانوثانیه می‌رسند.

اخیراً، رویکردهای یادگیری عمیق برای تخمین نرخ جریان در شرایط پیچیده نویدبخش بوده است. آموزش یک شبکه عصبی بر روی میدان‌های جریان شبیه‌سازی‌شده CFD-و امضاهای اولتراسونیک مربوط به آنها. اجازه دهید الگوهایی را که انسان ممکن است از دست بدهد بیاموزد. هنوز در محصولات تجاری تجربی است، اما مقالات دانشگاهی دلگرم کننده هستند.

واقعیت های کالیبراسیون

کالیبراسیون کارخانه از شرایط ایده آل استفاده می کند: لوله های مستقیم طولانی، جریان پایدار، سیالات شناخته شده، دمای کنترل شده. نصب شما هیچ کدام از اینها را ندارد. این کالیبراسیون را بی فایده نمی کند، اما به این معنی است که دقت بیان شده (اغلب ± 0.5٪ تا 1±٪ از خواندن) بهترین عملکرد موردی را نشان می دهد.

کالیبراسیون درجا یا تأیید در برابر یک متر مرجع به ایجاد عملکرد واقعی-جهانی کمک می‌کند. اگر بتوانید یکی از آن ها را نصب کنید، کوریولیس متر مرجع عالی است. آنها در برابر بیشتر اثرات نمایه ای که اولتراسونیک را مشکل می کنند مصون هستند. برخی از عملیات ها از یک متر اولتراسونیک اصلی با دقت بسیار بالاتر (مسیرهای بیشتر، پردازش بهتر) برای بررسی واحدهای اسب کاری استفاده می کنند.

کالیبراسیون با نرخ جریان چندگانه در محدوده عملیاتی مورد انتظار شما ارزش تلاش را دارد. متر ممکن است در 50% ظرفیت روشن باشد، اما در 10% یا 90% جابجا شود. نقاط داده را دریافت کنید، در صورت نیاز یک منحنی تصحیح را تنظیم کنید.

وقتی اولتراسونیک جوابگو نیست

صحبت صادقانه: گاهی اوقات یک فناوری اندازه گیری متفاوت منطقی تر است. اگر به دقت 0.1٪ نیاز دارید و می توانید هزینه را بپردازید، Coriolis متر برنده است. آنها جریان جرم را مستقیماً اندازه گیری می کنند، پروفیل های سرعت را نادیده می گیرند و تا حد زیادی تحت تأثیر دما نیستند. نقطه ضعف قیمت، اندازه و افت فشار است-اما برای انتقال نگهداری محصولات با ارزش-بالا، آنها هزینه خود را پرداخت می‌کنند.

برای مایعات رسانا با جریان بسیار مختل، فلومترهای مغناطیسی ممکن است از امواج فراصوت بهتر عمل کنند. تا زمانی که پروفیل متقارن باشد (که آرنج ها و دریچه ها می توانند مختل شوند، اما شدیدتر از اولتراسونیک) به شکل پروفیل حساس نیستند.

اما برای لوله‌های بزرگ، کاربردهای گاز، تاسیسات مقاوم‌سازی که نمی‌توانید لوله را برش دهید، یا موقعیت‌هایی که افت فشار غیرقابل قبول است{0}}اولتراسونیک اغلب تنها گزینه عملی باقی می‌ماند. محدودیت های آنها را بشناسید و دور آنها کار کنید.

کشیدن آن با هم

دقت فلومتر اولتراسونیک در دنیای واقعی به درک شکاف بین شرایط آزمایشگاهی و نصب واقعی شما بستگی دارد. اثرات پروفیل سرعت، تغییرات دما، ویژگی‌های مبدل، شرایط لوله{1}}همه اینها نقش دارند. اگر این عوامل را نادیده بگیرید، دقت 1±% ممکن است 3±% یا بدتر شود.

خبر خوب: بیشتر این مسائل دارای راه حل های شناخته شده یا حداقل راه حل های شناخته شده هستند. شیوه‌های نصب مناسب، فاکتورهای اصلاح مناسب، جبران دمای خوب، طراحی‌های چند مسیری که بودجه اجازه می‌دهد، و کالیبراسیون واقعی در شرایط واقعی می‌تواند عملکرد واقعی-جهانی را بسیار به محدودیت‌های نظری نزدیک‌تر کند.

کورکورانه به برگه مشخصات اعتماد نکنید. درک کنید که چه چیزی بر متر شما تأثیر می گذارد، آنچه را که می توانید اندازه گیری کنید، آنچه را که می دانید تصحیح کنید، و حاشیه های عدم قطعیت مناسب را برای موارد ناشناخته حفظ کنید. این بدبینی نیست-بلکه اندازه‌شناسی است.

و اگر کسی بپرسد که آیا متر اولتراسونیک شما دقیق است، پاسخ صادقانه این است: بستگی دارد. اما اکنون می دانید که در چه موردی است.