Skrevet af Morten B. Jensen, Manager, Instrumentation, KLINGER Danmark A/S
Ultralydsflowmåling har været anvendt i industrien i mere end 25 år til volumetrisk måling af væske- og gasflow. Ultralydsflowmålere leveres både som ”traditionelle” målere til indbygning i rørstrækket og som clamp on målere til montage udenpå røret.
Clamp on flowmålere ”bygges op” på stedet, og består af et eller flere sensorpar, montagefittings, samt en transmitter til at styre det hele. Den helt store fordel er dog, at måleren monteres uden at skære i rørene, og derfor både kan anvendes til midlertidige og permanente målinger.
Se figur 1. ude til højre
For at få den optimale måling ud af en Clamp on flowmåler er der dog nogle forhold som skal tages i ed under montagen, forhold som vi vil beskrive i denne artikel.
Transit time princippet
Der findes 2 grundprincipper til ultralydsflowmåling, nemlig Dopler og Transit Time. Af disse udgør det sidstnævnte mere end 90% af alle installationer, og vi vil i det efterfølgende koncentrere os om dette princip.
Princippet er baseret på samtidig udsendelse af ét ultralydssignal medstrøms og ét modstrøms. Da modstrøms signalet vil være længere tid undervejs, vil forskellen i vandringstiderne være et udtryk for væskehastigheden, som kan beregnes rent elektronisk.
Med lidt matematik bagved kan det beskrives som:
For en ultralydspuls der bevæger sig medstrøms vil traverseringstiden være:
Den første brøk er således konstanter der er bestemt af målerens mekaniske udformning og de kan derfor samles i én kalibreringsfaktor, mens det sidste udtryk er ”rene tider”, som kan måles.
Ligningen viser også at måling af flowhastigheden, baseret på ultralyd, er:
- Uafhængig af mediets densitet
- Uafhængig af mediets viskositet
- Uafhængig af lydens hastighed i det aktuelle medie
Dette er 3 meget vigtige konklusioner, da det i praksis betyder at en ultralydsflowmåler f.eks. kan kalibreres med vand – og derefter anvendes på andre væsker uden at skulle omkalibreres!
En flowmåler efter transit time princippet vil typisk arbejde i et område mellem 0,1 og 5 MHz (høje frekvenser for væsker/lave for gasser), og det er derfor meget korte tidsintervaller, typisk i området mikrosekunder, der arbejdes med. Det stiller igen store krav til de piezokrystaller, der benyttes til at generere/opsamle signalerne.
Et typisk eksempel ved en kunne være (1 MHz målesystem):
Indvendig rørdiameter: D = 100 mm
Vinkel mellem rørvæg og sensor α = 45°
Medie: vand (lydhastighed c = 1480 m/s)
Flowhastighed v = 1 m/s
Tidsmåling, medstrøm = 95,4949 μs
Tidsmåling, modstrøm = 95,5862 μs
Differenstid ΔT = 91.3 ns
For at opnå en opløsning på 0.5% kræver det således at systemet kan detektere tidsforskelle på mindre end 500 ps (Pico sekund = 10-12 sekund) !
Flere former for montage
Clamp on målere kan fås til rør med dimensioner fra 10mm op til 4.000 mm. Det er som regel samme sensortype der anvendes uanset rørdimension, og eneste begrænsning er de aktuelle montagebeslags udformning. Derfor er det en god ide, at man, under montagen på små rør, forsøger at øge den tidsforskel der skal måles, ved at lade lydbølgerne bevæge sig over et længere stræk.
Målestrækket kan øges ved at udnytte det faktum, at lydbølgerne reflekteres indvendigt på rørets vægge.
Der arbejdes generelt med 3 monteringsmetoder:
- V-metoden er standardmetoden og kan bruges på rør med diameter fra DN25 til 400 mm. Metoden er enkel at installere og giver ofte den bedste måling, såfremt sensorerne er placeret korrekt på rørets centerlinje.
- Z-metoden bruges i applikationer, hvor V-metoden ikke fungerer på grund af dårligt signal eller intet signal registreret. Metoden udnytter ikke refleksion og sensorerne skal derfor monteres på hver sin side af røret.
Det direkte signal gør at Z-metoden generelt fungerer bedre på rør med større diameter (over DN300mm), støbejernsrør eller i applikationer med opløst tørstof i mediet.
- N-metoden lader lydbølgerne traversere 3 gange gennem røret, og metoden bruges derfor på rør med små diametre (under DN50mm).
Metoden benyttes ikke så ofte da den kan være lidt vanskeligere at montere en V-metoden.
Korrekt sensorplacering
Inden montagen skal man lige overveje hvilke rør måleren skal monteres på, da materialet skal være ”gennemsigtigt” for ultralyd, dvs. et homogent materiale uden luft. Beton og støbegods er materialer der umuliggør en måling, mens man skal være opmærksom på malede og coatede rør kan have en ”overgangszone”, hvor der kan opstå luftlommer.
Lyden bevæger sig med forskellig hastighed i forskellige materialer, og ved enhver overgangszone ændres denne. Hastighedsændringen medfører at lyden afbøjes en smule ved overgang mellem materialerne – vinklen afhænger af hvilke materialer der ”mødes”.
For at kunne beregne den korrekte placering af sensorerne, hvor lyden rammer dem begge, er det nødvendigt at kende til disse afbøjninger. At beregne denne afbøjning kræver en del erfaring, og derfor har et moderne clamp on system en transmitter, der indeholder en vidensdatabase omkring lydhastigheder, brydningsvinkler etc. som benyttes til denne at beregne den korrekte sensorplacering.
Ved opsætning skal brugeren således foretage nogle valg og indtaste basis information omkring installationen, som målemetode, rørmateriale, -dimension og -tykkelse, samt hvilket medie der måles på.
Når alle informationer er indtastet, beregnes placeringen af sensorerne for den aktuelle opgave – så er det ”blot” at finde det korrekte montagested – og foretage en opmåling.
Korrekt montage
De fleste clamp on systemer er et-spors systemer, hvilket betyder at de måler hastigheden ét sted i røret, og ”forudsætter”, at målestedet er repræsentativt for resten af målingen.
Den bedste måling opnås derfor først når de anbefalede respektafstande, til forskellige former for obstruktioner i rørføringen, overholdes. Afstanden angives som et vist antal gange lige rørføring før og efter måleren, dvs. det antal gange før/efter måleren, hvor et lige rør i målerens dimension skal være monteret, for at man kan opnå et for måleprincippet veldefineret flowprofil.
Flowprofilet er det hastighedsprofil mediet vil have i røret, og det varierer afhængig af hvad der sidder i rørstækningen, hvordan denne er udformet og hvor hurtigt mediet bevæger sig i røret.
Det værste man kan gøre for en flowmåling er at placere måleren efter elementer, der danner hvirvler i røret. Hvirvler svarer til at produktet står og kører frem og tilbage i røret, således at samme ”punkt” vil passere aftasteren flere gange. I sådanne tilfælde vil målingen kunne være endog meget langt fra den korrekte værdi.
Du skal derfor passe på de mest almindelige ”hvirveldannere”, som:
- Regulerings- og skydeventiler.
- Flere bøjninger i efter hinanden i forskellige planer.
- Et lille rør, der sprøjter produkt ind i et stort rør, placeret excentrisk på det store rør.
Sluttelig skal man være opmærksom på der kan samles luft i toppen af røret, og slam/snavs i bunden – hvilket betyder at den optimale montering af sensorerne er på siden af røret, hvor lydbølgerne kan passere uhindret mellem rørvæg og medie.
Af gode grunde kan et clamp on system ikke fabriks kalibreres, og den aktuelle målenøjagtighed vil afhænge af kvaliteten af de data brugeren opgiver under installationen – typisk vil det endelige resultat ligge i området +/-1-2% af målt værdi.
Begrænsninger i anvendelsen
Princippet anvendes primært til rene væsker/gasser, da ultralydssignalet skal kunne løbe uhindret mellem sensorerne. Luftbobler/fugt og partikler kan virke dæmpende på lydsignalet, i visse tilfælde kan det endog give falske refleksioner.
Det er ikke muligt at angive eksakte værdier for hvor ”snavset” mediet kan være, det afhænger af hvilket materiale forureningskilden er lavet af, men som håndregel gælder:
- Gas/luftbobler i væske < 1% vol
- Faste partikler i mediet < 5% vol
Selvom princippet er uafhængigt af mediets viskositet er der dog en begrænsning for hvor viskose væsker man kan måle på. Det bunder i måden hvorved lyd udbreder sig.
Lydbølger er i bund og grund trykbølger. I væsker vil disse skabe mekaniske bølger ved at komprimere mediet – er mediet meget viskost vil det ikke kunne komprimeres og måling vil være umuliggjort.
Grænsen for hvornår dette sker, afhænger både af lydkildens styrke og af væskens viskositet, men værdier i nærheden (og over) 100cP/m er kritiske.
Læs mere om clamp on ultralydsflowmåling her
