Fachartikel

Durchflusssensoren

Bei 5m Rohrdurchmesser und bis 27m3/s

Bei 5m Rohrdurchmesser und bis 27m3/s

Aufgabenstellung war die Druckrohrleitungsprüfung in konischen Rohren mit XLL Durchmesser bei einer Durchflussrate von 24-27 m3/s. Die auf den Philippinen installierte, mehr als 10 Jahre alte Leitung musste mit vorhandenen Lackschichten geprüft werden. Ziel der Messung für den Systec Controls Vertriebspartner in Rizal war die Erhebung wertvoller Daten wie Durchfluss und Gesamtvolumen des vorbei strömenden Wassers. Entscheidend für die präzise Messung waren die im Deltawave C-F Ultraschall Durchflussmesser  eingesetzten neuesten Softwarefeatures. Für den Messerfolg sorgten insbesondere die Signaloptimierung und die verbesserte Signalauswertung der neuen Hardwaregeneration. 

 

Um Fehlmessungen sicher auszuschließen, sendet Deltawave einem Morsezeichen ähnliche codierte Signale. Der digitale Signalprozessor sucht anschließend im Empfangssignal nach dem gesendetem Morsecode. Findet er ein abweichendes Signal, wird das Signal verworfen. Damit sind durch Rauschen oder Lärm hervorgerufene Fehlmessungen praktisch ausgeschlossen. Möglich wird dies durch die extrem leistungsfähigen Ultraschallwandler, die derart codierte Sendesignale sauber in Ultraschallsignale umsetzen. 

Deltawave C hat dank des Auto-Optimizers auch problematische Messstellen gut im Griff. Rohr und Fluid sind ein komplexes Schallsystem. Die akustische Charakteristik bestimmt, wie gut die Einkopplung der Ultraschallsignale funktioniert und wie stark Signale verzerrt werden.  Signalstärke und -verzerrung beeinflussen die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Messung. Hohe Signalpegel sorgen für Reserven, wenn Störungen, z.B. in Form von Gasblasen, wachsenden Inkrustierungen, EMV oder Fouling in der Rohrleitung gegeben sind. Dank der Signaloptimierung konnte trotz der an der Philippinischen Messstelle gegebenen   recht kurzen Einlaufstrecke die gewünschte Genauigkeit erreicht werden. 

Exakte Messung durch automatische Signalerzeugung und Auswertung  

Die Verzerrung des Empfangssignals und der erzielbare Signalpegel hängen von der Qualität der Ankopplung ab, aber auch davon, ob die Sendefrequenz mit dem Frequenzspektrum der Rohrleitung gut harmoniert. Die Variation der Signalfrequenz und die Auswahl der Sendesignale mit unterschiedlichen Anregungs-/Dämpfungsanteilen war bislang Experten mit Hilfe eines Oszilloskops vorbehalten. Bei der Kreuzkorrelation werden die Ultraschallscans der Up- und Downstreamsignale übereinandergelegt und solange verschoben, bis eine optimale „Deckung“ der Signale erreicht wird. 

Die verbesserte Signalverarbeitung hilft die Qualität der Messdaten zu maximieren und damit präzise Messergebnisse zu erzielen. 

Die automatische Signaloptimierung erleichtert „unmögliche“ Clamp-On-Messungen, also Messungen mit außen auf der Rohrwand aufliegenden Ultraschallwandlern. Per Knopfdruck variiert DeltawaveC die Sendefrequenzen sowie die Signalkodierung und analysiert die Ergebnisse hinsichtlich Amplitude, Signal-Rauschen-Verhältnis, Signalverzerrung und Signifikanz der Kreuzkorrelationsergebnisse. Diese Auswertung liefert die optimalen Einstellungen an dieser Messstelle. Die automatische Signaloptimierung verbessert speziell bei ungünstigen Leitungs-/Sensorkombinationen die Signalqualität enorm: Die Messung hat kleinere Nullpunktfehler, bessere Genauigkeiten, geringeres Messwertrauschen und mehr Reserven gegen Einflüsse wie Gasblasen, Feststoffe oder EMV-Störungen. Auch an „einfachen“ Messstellen reduziert die Signaloptimierung die Nullpunktfehler und erlaubt dynamischere Messungen. 

Ideal für schwer erreichbare Messstellen 

Eingesetzt weitab jeder Zivilisation wird der Ultraschall-Durchflussmesser Deltawave C-P   in Kombination mit einem Solarpanel und der WakeUP-Funktion zur Ideallösung für zyklische Messvorgänge an Flüssigkeiten und zum „energieautarken“ Dauerläufer. Dank der WakeUP-Funktion (quasi ein Energiesparprogramm) lässt sich ein Messzyklus ohne zusätzliche Energieversorgung auf mehrere Tage strecken.

Im Energiesparmodus verfügt der von Systec Controls entwickelte Durchflussmesser zum Beispiel bei einer einminütigen Wachzeit pro Tag über 700 Stunden Akku-Laufzeit. Bei Messvorgängen die jeweils eine Minute pro Stunde messen sind es immer noch 450 Laufzeitstunden. Wird alle 2 min für 1 min gemessen, sorgt die WakeUP-Funktion für 37h Akku-Betriebszeit. Über die WakeUP-Funktion kann der Anwender dem DeltawaveC-P zum Beispiel sagen „Warte zwölf Stunden, Messe zwölf Stunden, Warte zwölf Stunden, Messe zwölf Stunden….“   

Der Akku des WakeUp Loggers hält zum Beispiel bei insgesamt 360 minütiger Messphase pro Tag 21 Tage durch. „Unbegrenztes“ Messen macht der Betrieb in Kombination mit einem Solarpanel möglich. 

Das Messverfahren 

Die DeltawaveC-Messsysteme nutzen das hoch genaue Ultraschall-Laufzeitdifferenzverfahren. Dazu werden zwei Ultraschallwandler von außen auf die Rohrleitung montiert und mit der Auswerteelektronik verbunden. Die Ultraschallwandler arbeiten wechselseitig als Sender und Empfänger und senden sich Ultraschallsignale zu, wobei jeweils die Signallaufzeiten des Hin- und Rücksignals (t1 , t2 ) gemessen werden. Bei diesem Verfahren wird der Durchfluss viele Male, typisch 50-150 Mal, in der Sekunde gemessen. Durch die hohe Zahl an Messungen aber auch wegen der Verwendung modernster digitaler Signalauswertung arbeitet DeltawaveC zuverlässig auch bei sehr dynamischen und schwierigen Prozessbedingungen. DeltawaveC misst die Laufzeitdifferenz der mit und gegen die Strömungsrichtung laufenden Ultraschallsignale t1 und t2 . Diese Signale werden durch die Mediumsströmung beschleunigt bzw. gebremst. Die dadurch entstehende Differenz in den beiden Signallaufzeiten ist proportional zur Fließgeschwindigkeit und wird zusammen mit der Rohrleitungsgeometrie zur präzisen Berechnung des Durchflusses genutzt. 

Durch die Verwendung mehrerer parallel arbeitender Prozessoren erreicht DeltawaveC eine sehr hohe Messrate. Die Signalauswertung findet in performanten DSP‘s statt, die extrem präzise und mit einer sehr hohen Auflösung arbeiten. Hierdurch erreicht das Gerät intern eine Auflösung von unter 0,001 m/s Fließgeschwindigkeit. Und weil die Zeitmessung rein digital arbeitet, ist die Messelektronik praktisch drift- und kalibrierfrei. 

Bilder: Sstec Controls 

Autor: Andreas Moser, Product Manager Ultraschall, Systec Controls Mess- und Regeltechnik GmbH 

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