29.10.2020

Automatische Signalanpassung für Clamp-on-Durchflussmesser

Selbstoptimierung

Clamp-on-Durchflussmesser funktionieren bei Flüssigkeitsleitungen in 90 Prozent aller industriellen Anwendungen problemlos. Der neuesten Generation der DeltawaveC-Durchflussmesser gelingt es, problematische Messstellen - also die restlichen 10 Prozent - weit besser in den Griff zu bekommen.


Bild: systec Controls Mess- und Regeltechnik GmbH

Das Durchschallen von Rohrwänden ist nicht immer einfach denn Ultraschallwandler, Rohr und Fluid stellen ein komplexes Schallsystem dar, das bei jeder Anwendung unterschiedlich klingt. So gibt es bei der Zwangserregung durch Ultraschallwandler gute und weniger gute Klangkörper. Eine Rohrleitung hat ein Spektrum an Frequenzen und Oberwellen. Diese akustische Charakteristik bestimmt, wie gut die Einkopplung der Ultraschallsignale in die Rohrleitung funktioniert und wie stark die gesendeten Signale verzerrt werden. Die Signalstärke bzw. -verzerrung sind entscheidend für die Genauigkeit und Zuverlässigkeit einer Clamp-On-Messung. Beide Größen lassen sich durch einen optimalen Anbau der Ultraschallwandler und eine intelligente Signaloptimierungsstrategie massiv beeinflussen. Für die Signaloptimierung braucht der DeltawaveC nun keinen Fachmann mehr vor Ort, denn sie läuft komplett automatisch.

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. Moderne Ultraschall-Durchflussmesser können auch mit sehr schlechten Signalen umgehen und aus schlechten Installationen plausible Messwerte analysieren. Wenn aber langzeitstabile und genaue Messwerte benötigt werden, muss auch die Installation mit guter Qualität erfolgen. Dafür ist die Vorbereitung des Rohres 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 lokal entfernt werden sollte. Mit Hilfe von Montageschienen werden die Ultraschallwandler perfekt zentriert, der Abstand ist präzise und die Wandler in Rohrachse ausgerichtet. Die Edelstahlspannbänder sorgen für einen dauerhaften 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 oft mehr als 400 Prozent Signalgewinn bedeuten. 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

Die Verzerrung des Empfangssignals und der erzielbare Signalpegel hängen nicht nur von der optimalen Ankopplung ab, sondern auch davon, ob die Sendefrequenz mit dem Frequenzspektrum der Rohrleitung gut harmoniert. Die Variation der Signalfrequenz und die Auswahl unterschiedlicher Sendesignale mit unterschiedlichen Anregungs-/Dämpfungsanteilen war bislang Experten vorbehalten. Diese konnten mit Hilfe eines Oszilloskops eine Signalanalyse der Messstellen durchführen. Relativ einfach ist die Analyse der Signalstärke, kompliziert wird es aber bei der Beantwortung der Frage, welches Signal vom Signalprozessor (DSP) besonders gut bzw. nur schlecht ausgewertet werden kann. In den DSPs werden im Kreuzkorrelationsverfahren Laufzeitdifferenzen im Bereich von Picosekunden ermittelt. Bei der Kreuzkorrelation werden die Ultraschallscans der Up- und Downstreamsignale übereinandergelegt und solange verschoben, bis eine optimale Deckung der Signale erreicht wird. Manche Signale liefern eindeutige Korrelationsergebnisse, verzerrte Signale lassen sich hingegen nur schlecht korrelieren. Das führt zu reduzierten Nullpunktstabilitäten, höheren Schwankungen der Durchflusswerte, geringerer Gas- und Partikeltoleranz und letztlich zu eingeschränkten Genauigkeiten.

Automatische Signaloptimierung

Systec Controls ist es gelungen, dem DSP die Expertise von Inbetriebnahme-Ingenieuren einzuprogrammieren. In einem Optimierungsvorgang, der vom Benutzer einfach per Knopfdruck angestoßen wird, variiert der DeltawaveC die Sendefrequenzen sowie die Signalkodierung und analysiert die Ergebnisse hinsichtlich Amplitude, Signal-Rauschen-Verhältnis, Signalverzerrung und Signifikanz der Kreuzkorrelationsergebnisse. Die Auswertung liefert automatisch die optimalen Einstellungen an der Messstelle, völlig ohne besondere Expertise. Aber auch an einfachen Messstellen reduziert die automatische Signaloptimierung die Nullpunktfehler und erlaubt dynamischere Messungen bei geringerer Messwertvarianz. Einen Experten, der die Messstelle vor Ort anpasst, macht das neue Gerät überflüssig. Mit der integrierten Oszilloskopfunktion kann der normale Benutzer den Erfolg seiner Inbetriebnahme auch direkt am Gerät sehen. Sollte doch mal etwas schief gehen, lassen sich in DeltawaveC die Signale in Form von WAV-Dateien, die Geräteparametrierung und Datenlogs über USB herunterladen und dem Hersteller zur Analyse zusenden.

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