Durchflussmessung

Zuverlässig, genau und Kosten sparend

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Zuverlässig, genau und Kosten sparend

Die neue deltawaveCoG macht die  Clamp-on-Gasmessung sehr viel einfacher und zuverlässiger. Zugleich deckt  dieser Ultraschall-Durchflussmesser deutlich mehr Anwendungen ab, als bislang möglich. So kann an Stahlleitungen zwischen DN25 und DN700  bereits ab 5 bar Überdruckgemessen werden. Bei Kunststoffleitungen sind Messungen bei Umgebungsdruck möglich. Das Messsystem bietet sich vor allem für die Messung von Druckluft, Stickstoff,  Erdgas, Kohlenwasserstoffen für Messaufgaben in der Gasindustrie an. Hinzu kommt die Überwachung von  Produkten und Prozessen in der chemischen und verfahrenstechnischen Industrie. – Ohne Mediumsberührung, absolut hygienisch, ohne Druckverlust und Ein- und Umbauten an den Rohren.

Die Anwendung mit den ebenfalls neuen Ultraschall-Wandlern ist möglich bei einem Temperaturbereich von -40 bis 150°C. Die Strömungsgeschwindigkeit kann zwischen 0.01m/s und 35 m/s liegen. Mit dem neuen Auto-Optimizer,  übernimmt knifflige Anpassung der Messung an die individuelle Messstelle. Die Clamp-ON-Technologie erspart das Trennen der Rohrleitung sowie die damit verbundenen Kosten und Stillstandszeiten. Negative Effekte wie Verschleiß, Korrosion oder Abrasion am Sensor entfallen

Das Schallsystem im Griff

Der größte Vorteil der Clamp-on Technologie – die Messung von außen - ist zugleich die größte technische Herausforderung, nämlich das nicht immer einfache Durchschallen der Rohrwand. Das System Ultraschallwandler / Rohr / Fluid stellt ein komplexes Schallsystem dar, das für jede Anwendung unterschiedlich „klingt“.

Musiker wissen, dass kleinste Änderungen an ihrem Instrument zu massiven Klangänderungen führen können. Ein  zwei Zentimeter breites 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  von der optimalen  akustischen Ankopplung der Ultraschall-Wandler ab und ob das Schallsystem aus Rohr und Fluid gut zum Ultraschallwandler - besser zum Ultraschallsignal - passt.

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 starken Messwertschwankungen und im schlimmsten Fall zum Nichtfunktionieren der Messung.

Kostensenkung durch breitbandige Wandler

Für das deltawaveCoG  kommen neuartige Mehrfrequenz-Lambwave-Wandler zum Einsatz. Ein weiterer Vorteil des neuen Gas-Durchflussmesssystems liegt in der Auslegung der Ultraschall-Wandler. Um das gefürchtete Missmatching zu vermeiden waren in Vergangenheit viele unterschiedlicher Ultraschallwandler für die verschiedenen Rohre und Rohrmaterialien erforderlich. Die teure Folge: Anwender mussten zahlreiche Ultraschall-Wandler kaufen.

Die Ultraschallwandler der neuen deltawaveCoG Geräte sind breitbandig, d.h. sie beherrschen nicht nur eine Frequenz, sondern können „verstimmt“ werden und sind damit getreu dem Motto „Einer für Viele“  für ein deutlich breiteres Rohrspektrum nutzbar. Durch das Anpassen der Signalfrequenz an die Rohrleitung, gelingt die Einkopplung deutlich besser als mit einer festen Frequenz.

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 berechnen.  Wo aber langzeitstabile und genaue Messwerte benötigt werden, muss auch die Installation mit hoher 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 ((Bild 4)) 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.

Optimale Anpassung an Messsituation

Das neue deltawaveCoG nutzt die ebenfalls von systec Controls entwickelten „Auto Optimizer“-Funktionen.  Der Auto-Optimizer passt die Sendefrequenz selbständig auf die individuelle Anwendung an. Diese Technologie bekommt auch problematische Messstellen in den Griff. Der Benutzer kann dank 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 Verschmutzungen, wachsenden Inkrustierungen oder EMV in der Rohrleitung. Der Der Auto-Optimizer ermöglicht den optimalen Anbau der Ultraschallwandler. Die Signaloptimierung verbessert massiv die Signalstärke und reduziert die  Signalverzerrung. 

Angepasste Signalfrequenz und spezielle Dämpfung sorgen für optimale Signalqualität

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, es können nur sehr geringe Signalenergien übertragen werden.  Nachdem die Rohrleitung und die Prozessparameter des Fluids in der Regel durch die Anwendung fix vorgegeben sind, muss die Messtechnik auf die Messstelle optimiert werden.

Komplexe Probleme insbesondere bei niedrigen Drücken sind

  •  sehr geringe, nutzbare Signalenergien,
  • der Effekt der Signalverzerrung,
  •  das Überlagern der Nutzsignale mit Echos und das
  • Ringing der Rohrleitung.

Ein Lösungsansatz der Vergangenheit ist oder war es, eine Vielzahl unterschiedlicher Ultraschallwandler für unterschiedliche Rohre und Rohrmaterialien anzubieten, um das gefürchtete Missmatching zu vermeiden. 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. Hierbei werden in der Umgebung der Ultraschallwandler dämpfende Elemente, z.B. dicke Klebefolien oder auch angepresste Kunststoffplatten verwendet, die das Nachklingen der Leitung reduzieren.

Signalnachschwingen deutlich verringert

Auch beim Dämpfen arbeitet  deltawaveCoG komfortabler: Die Sendesignale bestehen nicht nur aus einem Sendeteil, sondern zusätzlich aus einem Dämpfungsteil, bei dem gegenphasig zum Sendesignal ein Dämpfungssignal erzeugt wird, welches das Ringing in der Rohrleitung reduziert. Das Ergebnis: Klarere Empfangssignale und damit stabilere Messwerte sowie höhere Genauigkeiten.

Die Variation der Signalfrequenz und die Auswahl der Sendesignale mit unterschiedlichen Anregung-- und Dämpfungsanteilen ist nicht länger Experten mit Hilfe eines Oszilloskops im Rahmen der Inbetriebnahme vorbehalten: Diese komplexe Aufgabe übernimmt der Auto-Optimizer. Per Knopfdruck variiert deltawaveCoG die Sendefrequenzen sowie die Signalkodierung und analysiert die Ergebnisse hinsichtlich Amplitude, Signal-Rauschen-Verhältnis, Signalverzerrung, Nachschwingung und Signifikanz der Kreuzkorrelationsergebnisse. Die Auswertung liefert die optimalen Einstellungen an dieser Messstelle. Damit hat die Messung kleinere Nullpunktfehler, bessere Genauigkeiten, geringeres Messwertrauschen und Reserven gegen Einflüsse wie EMV.

Aufgrund der geschilderten Problematik rund um die Einrichtung der  Messstelle 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 Profis.

Automatische Signalerzeugung und Auswertung

Die Variation der Signalfrequenz und die Auswahl unterschiedlicher Sendesignale mit unterschiedlichen Anregungs-/Dämpfungs-Anteilen war bislang Experten vorbehalten. Diese konnten mit Hilfe eines Oszilloskops 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.

Bei der Kreuzkorrelation werden die Ultraschallscans der Up- und Downstreamsignale übereinandergelegt und solange verschoben, bis eine optimale „Deckung“ der Signale erreicht wird ((Korrelationsmaximum, Bild 5)). 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.

Automatische Signaloptimierung erleichtert „unmögliche“ Clamp-On- Messungen

Die hier vorgestellte automatische Signaloptimierung 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 „kritischen“ Anwendungen deutlich sehen: Messstellen wo vorher massive Messwertschwankungen und Abweichungen beobachtet wurden, liefern mit der neuen Technologie stabile und genaue Ergebnisse ((Bild 6)). Aber auch an  „einfache“ Messstellen reduziert die automatische Signaloptimierung die Nullpunktfehler und erlaubt dynamischere Messungen bei geringerer Messwertvarianz.

Jetzt: Inbetriebnahme ohne Know-how

deltawaveCoG gibt das Zepter  dem Anwender wieder in die Hand. Er kann selbst die Optimierung durchführen und Dank der integrierten Oszilloskop-Funktion den Erfolg seiner Inbetriebnahme auch direkt am Gerät sehen kann. systec Controls ist es gelungen, dem Signalprozessor (DSP) die Expertise der Inbetriebnahme-Ingenieure einzuprogrammieren: In einem Optimierungsvorgang, der von jedem Benutzer einfach ausgeführt  wird, variiert deltawaveCoG 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.

Teure Kundendiensttechniker werden dafür nicht benötigt. Sollte doch mal etwas schief gehen, lassen sich Signale, die Geräteparametrierung und Datenlogs ganz einfach über USB herunterladen und dem Hersteller zur Analyse zusenden.

Die einfache Menüführung macht die Bedienung  des deltawaveCoG auch für nicht geschulte Anwender beherrschbar. Neben dem großen Grafikdisplay, bietet dieses Ultraschall Durchflussmesssystem analoge und digitale Schnittstellen, diverse Busanbindungen und einfache Kommunikation mit einem PC. Die deltawaveCoG sind als festinstalliertes ((Bild 7)) und als portables Messsystem lieferbar. Der neue Clamp-on-Gas-Durchflussmesser setzt  laut Hersteller auch bezüglich Preis-/Leistungsverhältnis Maßstäbe und ist deutlich preiswerter als herkömmliche Gas Clamp-on-Messsysteme.

Von Oliver Betz, Geschäftsführer systec Controls, Puchheim

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