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Durchflussmessung

Großer Technologiesprung für clamp-on Durchflussmesstechnik

 

 

Portables Ultraschall-Durchflussmesssystem

   

Clamp-on Durchflussmesser funktionieren bei Flüssigkeitsleitungen in 90% aller industriellen Anwendungen problemlos. Gleiches gilt für 60 bis 70% der Anwendungen im Gasbereich. Es gibt also immer noch Anwendungen, die laut Spezifikation funktionieren sollten – dennoch keine oder bislang nur mit weitreichender Expertise des Anwenders zuverlässigen Messergebnisse liefern. Diese Expertise in das Gerät zu integrieren, um so den Bediener zu entlasten, gelingt mit der neuesten Generation der deltawaveC Durchflussmesser von systec Controls. Damit können aufwändige, durch externe Spezialisten vorgenommene Messstellenoptimierungen entfallen.

Die clamp-on-Technologie erspart das Trennen der Rohrleitung sowie die damit verbundenen Kosten und Stillstandszeiten. Die Sensorik erzeugt keinen Druckverlust und keine Kontamination. Negative Effekte wie Verschleiß, Korrosion oder Abrasion entfallen.

Stradivari oder Schlagbohrmaschine

Der größte Vorteil der clamp-on Technologie ist zugleich die größte technische Herausforderung: Das Durchschallen der Rohrwand. Das Durchschallen der Rohrwand nicht immer einfach. Das System Ultraschallwandler/Rohr/Fluid stellt ein komplexes Schallsystem dar, das für jede Anwendung individuell unterschiedlich „klingt“. Leider sind das nicht Nuancen wie zwischen einer Stradivari- und einer Amati-Geige, sondern eher wie zwischen einem Käferbrummen und einer Schlagbohrmaschine.

Das Schallsystem Rohr und Fluid

Musiker wissen, dass kleinste Änderungen an ihrem Instrument zu massiven Klangänderungen führen können. 2 cm Klebeband an der richtigen Stelle angebracht, bringen eine Stradivari zum Schweigen. Zwar ist eine Rohrleitung keine Stradivari, aber auch die Zwangserregung durch die Ultraschallwandler ergibt gute und weniger gute „Klangkörper“.

Bei der Durchschallung einer Rohrleitung interessieren vor allem zwei Parameter: Die nutzbare Schallenergie und die Verzerrung des Empfangssignals. Beide Parameter hängen ab erstens von der optimalen akustischen Ankopplung der Ultraschall-Wandler und zweites davon, ob das Schallsystem aus Rohr und Fluid gut zum Ultraschallwandler - besser zum Ultraschallsignal - passt.

  

 

Durch „stimmen“ der Frequenz auf die Rohrleitung funktioniert die Ein- und Auskopplung der Signale um ein Vielfaches besser

     

Eine gefüllte Rohrleitung hat ein breites Spektrum an Eigenfrequenzen und Oberwellen. Diese akustische Charakteristik bestimmt, wie gut die Einkopplung der Ultraschallsignale in die Rohrleitung funktioniert und wie stark die gesendeten Signale bei der Ein- und Auskopplung verzerrt werden. Insbesondere wenn die Frequenz des Ultraschallsignals der Eigenfrequenz des Schallsystems zuwiderläuft (Missmatching), ist die Schallenergie gering und die Verzerrung des Signals hoch. Die Verzerrung kommt maßgeblich durch die Überlagerung von Reflektionen und Eigenschwingungen der Rohrleitung mit dem Sendesignal zustande. Eine starke Verzerrung erschwert die zuverlässige Auswertung; ein geringer Schallpegel verstärkt den Einfluss von Störungen die sowohl aus der Leitung, aus dem Fluid als auch durch elektromagnetische Einstrahlung kommen können. Unzureichende Signalqualität reduziert die Genauigkeit, führt zu stärkeren Messwertschwankungen, und im schlimmsten Fall zum Nichtfunktionieren der Messung.

Gasmessungen – bislang nichts für „Laien“

Insbesondere die Clamp-On-Gasmessung ist sehr sensitiv: Durch den großen Impedanzsprung zwischen der Rohrwand und dem Gas in der Rohrleitung ist die Schallenergie um 10er-Potenzen niedriger als bei Flüssigkeiten. Nachdem die Rohrleitung und die Prozessparameter des Fluids in der Regel durch die Anwendung fix vorgegeben sind, muss also die Messtechnik auf die Messstelle optimiert werden.

   

 

 

Farbe Abschleifen ist lästig – aber effektvoll

    

Angepasste Signalfrequenz und spezielle Dämpfung sorgen für optimale Signalqualität

Ein Lösungsansatz ist oder war es, eine Vielzahl unterschiedlicher Ultraschallwandler für unterschiedliche Rohre und Rohrmaterialien anzubieten, um das gefürchtete Missmatching zu vermeiden. Dies ist für portable Systeme nicht wünschenswert, da der Benutzer nicht eine Vielzahl von Wandlern kaufen möchte. Bei festinstallierten Produkten ist der Ansatz richtig, gibt aber dennoch keine Garantie, dass sich die Rohrleitung bei der bestellten Wandlerfrequenz so verhält, wie vorher erwartet. Der Nutzen solcher „getunten“ Wandler ist in der Praxis daher eher gering.

Bei der neuen deltawaveC Gerätegeneration wurde daher ein anderer Ansatz gewählt: Die Ultraschallwandler sind breitbandig, d.h. sie beherrschen nicht nur eine Frequenz, sondern können „verstimmt“ werden. Durch das Anpassen der Signalfrequenz an die Rohrleitung, gelingt die Einkopplung deutlich besser, als dies mit einer festen Frequenz der Fall ist. Bei problematischen Anwendungen ist der Gewinn an Signalstärke oft beachtlich: Bei gleicher Verstärkung können oft die doppelten bis 8-fachen Signalamplituden erzielt werden.

Ein anderes Problem ist die „Verzerrung“ der Signale, die aus Mehrfachreflektionen und dem sog. Ringing (Nachklingen) der Rohrleitung herrühren. Eine gute aber sehr aufwändige Methode ist das mechanische Bedämpfen der Rohrleitung. Vor allem bei den schwierigen clamp-on-Gasmessungen wird diese häufig verwendet. Hierbei werden in der Umgebung der Ultraschallwandler dämpfende Elemente, z.B. dicke Klebefolien oder auch angepresste Kunststoffplatten verwendet, die das Nachklingen der Leitung reduzieren.

Auch hier geht systec Controls mit der neuen deltawave C Gerätegeneration einen komfortableren Weg: Die Sendesignale bestehen nicht nur aus einem Sendeteil, sondern zusätzlich aus einem Dämpfungsteil, bei dem gegenphasig zum Sendesignal ein Dämpfungssignal erzeugt wird, dass das Ringing in der Rohrleitung effektiv reduziert. Das Ergebnis: klarere Empfangssignale. Verzerrung und Ringing sind deutlich reduziert und damit stabilere Messwerte sowie höhere Genauigkeiten in der Auswertung.

   

 

 

Mit Montageschienen lassen sich Ultraschallwandler perfekt ausrichten und zentrieren.

  

Aufbau und Ankopplung der Ultraschallwandler

An den meisten Messstellen reicht ein ungefähres Platzieren der Ultraschallwandler auf der Rohrleitung, etwas Kontaktpaste auf dem Wandler und schon hat man eine plausible Durchflussmessung. Dennoch sollte sich der Benutzer nicht täuschen lassen: Moderne Ultraschall-Durchflussmesser können auch mit sehr schlechten Signalen umgehen und aus „schlampigen“ Installationen plausible Messwerte analysieren. Wo aber langzeitstabile und genaue Messwerte benötigt werden, muss auch die Installation mit guter Qualität erfolgen. Damit die Einkopplung der Ultraschallsignale in die Rohrleitung gut funktioniert, sind die Vorbereitung der Messstelle und die optimale Montage der Sensoren essentiell. Eine raue Rohroberfläche führt zu einem reduzierten Oberflächenkontakt zwischen Ultraschallwandler und Rohr. Farbe auf dem Rohr ist ein zusätzliches Dämpfungselement, das - wenn möglich - lokal entfernt werden sollte. An der Stelle, wo die Ultraschallwandler aufliegen empfiehlt es sich, die Rohrleitung blank zu schleifen.

Mit Hilfe der Montageschienen werden die Ultraschallwandler perfekt zentriert, der Abstand ist präzise und die Wandler sind in Rohrachse ausgerichtet. Durch die trapezförmige Auflagefläche, zentriert sich die Wandler von selbst. Die Edelstahlspannbänder sorgen für einen kräftigen und langzeitstabilen Anpressdruck. Als Kontaktmedium gibt es für die Festinstallation Kunststoffpads, die chemisch und thermisch langzeitstabil sind. Für portable Anwendungen wird in der Regel ein Kontaktfett verwendet, dass auch höhere Rohrrauigkeiten ausgleichen kann. Aus vielen Installationen ist bekannt, dass eine gute Vorbereitung der Rohrwand und ein sauberes Ausrichten der Ultraschallwandler zum Teil mehr als 400% Signalgewinn bedeuten. Bei deltawaveC kann der Benutzer an der integrierten Oszilloskop-Funktion selbst beobachten, welche Effekte das Ausrichten der Ultraschallwandler hat. Eine optimale Einkopplung und dadurch erzielte hohe Signalpegel sorgen für Reserven, wenn Störungen auf die Messung einwirken, z.B. in Form von Gasblasen, wachsenden Inkrustierungen, EMV oder Fouling in der Rohrleitung.

Automatische Signalerzeugung und Auswertung in der Elektronik

Die Variation der Signalfrequenz und die Auswahl unterschiedlicher Sendesignale mit unterschiedlichen Anregungs-/Dämpfungs-Anteilen war in deltawaveC bislang Experten vorbehalten. Diese konnten mit Hilfe der Oszilloskop-Funktion und PC-basierter Signalanalyse Messstellen optimieren. Noch relativ einfach ist die Analyse der Signalstärke bzw. des Signal-Rauschen-Verhältnisses. Kompliziert wird es aber bei der Beantwortung der Frage, welches Signal kann von der Numerik des Signalprozessor (DSP) besonders gut oder nur schlecht ausgewertet werden können. Moderne Ultraschall-Durchflussmesser nutzen DSP’s um im Kreuzkorrelationsverfahren Laufzeitdifferenzen im Bereich von Picosekunden zu ermitteln.

 

Durch die Auswahl der optimalen Kombination aus Anregungs- und Dämpfungsimpulsen, kann in der Korrelationsfunktion ein optimales Maiximum gefunden werden.

  

Bei der Kreuzkorrelation werden die Ultraschallscans der Up- und Downstreamsignale übereinandergelegt und solange verschoben, bis eine optimale „Deckung“ der Signale erreicht wird. Das geschieht ganz ähnlich wie bei Spurensicherung von Fingerabdrücken im Sonntags-Tatort. Hier spielt die oben erwähnte „Signalverzerrung“ eine wichtige Rolle: Manche Signale liefern eindeutige und relevante Korrelationsergebnisse, „verwischte“ Fingerabdrücke lassen sich hingegen nur schwer und unscharf korrelieren. Neben dem Korrelationsmaximum gibt es weitere Maxima, die die Messung massiv stören können. Das führt zu schlechteren Nullpunktstabilitäten, höheren Schwankungen der Durchflusswerte, geringerer Gas- und Partikeltoleranz und letztlich zu eingeschränkten Genauigkeiten.

Jetzt: Inbetriebnahme ohne Know-How

systec Controls ist es gelungen, dem Signalprozessor (DSP) die Expertise der Inbetriebnahme-Ingenieure einzuprogrammieren: In einem Optimierungsvorgang, der von jedem Benutzer einfach per Knopfdruck angestoßen wird, variiert deltawaveC die Sendefrequenzen sowie die Signalkodierung und analysiert die Ergebnisse hinsichtlich Amplitude, Signal-Rauschen-Verhältnis, Signalverzerrung und Signifikanz der Kreuzkorrelationsergebnisse. Diese Auswertung liefert automatisch die optimalen Einstellungen und das an dieser Messstelle bestmögliche Signalverhalten – ganz ohne Eingriff und besondere Expertise.

Automatische Signaloptimierung erleichtert „unmögliche“ Clamp-On- Messungen

Rohrleitungen möchten einfach adäquat angeregt werden (wer möchte das nicht!), damit die Signalübertragung optimal läuft. Die hier vorgestellte automatische Signaloptimierung hat das Potential hierzu und bringt dem Benutzer echte Vorteile: Die Messung hat kleinere Nullpunktfehler, besser Genauigkeiten, geringeres Messwertrauschen und mehr Reserven gegen Prozesseinflüsse wie Gasblasen oder Feststoffe im Fluid oder EMV-Störungen.

Diese Vorteile lassen sich an schweren Anwendungen am deutlichsten sehen: Messstellen wo früher massive Messwertschwankungen und Abweichungen zu beobachten waren, liefern mit der neuen Technologie stabile und genaue Ergebnisse ((Bild 6)).Aber auch an „einfachen“ Messstellen reduziert die automatische Signaloptimierung die Nullpunktfehler und erlaubt dynamischere Messungen bei geringerer Messwertvarianz.

   

 

Wickelfalzrohr, Rohabwasser, lackiert: Keine einfache Aufgabe, funktioniert nach der automatischen Signaloptimierung aber tadellos

   

Do it yourself statt teuer einkaufen

Die Clamp-on-Messung von Gasen ist - wie dargestellt - eine schwierigere Messaufgabe. Durch den großen Impedanzsprung zwischen Rohrleitung und Gas können nur sehr geringe Signalenergien übertragen werden. Besonders bei niedrigen Drücken sind durch die sehr geringen, nutzbaren Signalenergien, der Effekt der Signalverzerrung und das Überlagern der Nutzsignale mit Echos und Ringing der Rohrleitung komplexe Probleme. Bislang werden die meisten Clamp-on-Gassysteme deshalb von den Herstellerfirmen selbst in Betrieb gesetzt - mit nicht unerheblichem zeitlichem und monetärem Aufwand für den Kunden. Je niedriger der Druck in der Rohrleitung, desto schwieriger gestaltet sich diese Aufgabe selbst für ausgefuchste Profis.

deltawaveC gibt hier das Heft dem Kunden wieder in die Hand, der selbst die Optimierung durchführen kann und Dank der integrierten Oszilloskop-Funktion den Erfolg seiner Inbetriebnahme auch direkt am Gerät sehen kann. Teure Kundendiensttechniker können damit in den allermeisten Fällen entfallen.

Und sollte doch mal etwas schief gehen, lassen sich Signale in Form von wav-Dateien, die Geräteparametrierung und Datenlogs ganz einfach über USB herunterladen und dem Hersteller zur Analyse zusenden.

Autor: Dipl. Ing. Oliver Betz, Geschäftsführer systec Controls, Puchheim


07.06.2020

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