초음파 유량계 정확도 및 유량 보정 개선

실시간으로 함께 시간을 보냈다면초음파 유량계, 여러분은 이미 내용을 알고 계십니다. 비침습적이며 움직이는 부품이 없고 거의 모든 작업에 작동합니다.- 그리고 보세요, 그것은 대부분 사실입니다. 하지만 정확한 대화는요? 이것이 바로 상황이 흥미로워지고-때때로 좌절감을 느끼는 부분입니다. 실험실에서 정확한 초음파 측정기는 엘보우, 온도 변화 및 공정에 영향을 미치는 기타 모든 요소가 있는 실제 파이프라인에 볼트로 고정할 때 상당히 다르게 작동할 수 있기 때문입니다.

이는 기술에 대해 겁을 주려는 것이 아닙니다. 초음파 측정기는 여전히 많은 응용 분야에 가장 적합한 옵션 중 하나입니다. 요점은 무엇이 정확성에 영향을 미치는지, 그리고-더 중요하게는-이에 대해 실제로 무엇을 할 수 있는지 이해하는 것입니다.

이동 시간-초음파 유량계는 두 개의 변환기({1}}업스트림 하나, 다운스트림 하나) 사이에 음향 펄스를 보내는 방식으로 작동합니다. 흐름과 함께 이동하는 맥박은 흐름에 맞서 싸우는 맥박보다 약간 더 빠르게 도달합니다. 여기서는 나노초 단위의 시간 차이가 유속으로 변환됩니다.

종이에 충분히 간단합니다. 문제는 속도 측정이 단일 경로(또는 고급 미터의 경우 몇 가지 경로)를 따라 발생한다는 사실을 인식할 때 시작됩니다.평균전체 파이프 단면-에 걸친 속도. 유체는 모든 곳에서 같은 속도로 움직이지 않습니다. 벽 근처에서는 느리고 중앙에서는 빠릅니다. 계기가 보는 것과 실제로 일어나는 일 사이의 관계는 속도 프로필이라는 것에 따라 달라지며-이 프로필은 레이놀즈 수, 파이프 거칠기, 상류 교란 및 기타 약 12가지 요인에 따라 변경됩니다.

오류의 주요 원인에 대해 솔직하게 살펴보겠습니다.

Ultrasonic Flow Meter Accuracy

미터의 상류에 팔꿈치를 놓으면 비대칭 흐름이 생성됩니다. 속도 분포가 왜곡되거나 소용돌이칠 수 있으며 이제 단일-경로 측정이 표시됩니다... 정확히 무엇입니까? 연구에 따르면 상류 교란을 고려하지 않을 경우에만 최대 15%의 오류가 발생하는 것으로 나타났습니다. 다중-경로 측정기는 상당한 도움이 됩니다.-파이프 직경 전체의 여러 지점에서 속도를 샘플링하고 가중 평균을 사용하지만-마법은 아닙니다. 프로필이 심하게 방해를 받으면 여전히 넘어질 수 있습니다.

여기에 사람들의 시선을 사로잡는 것이 있습니다. 속도 프로필의 모양은 고정되어 있지 않습니다.-레이놀즈 수에 따라 변경됩니다. 낮은 흐름(층류 영역, Re 약 2300 미만)에서는 포물선 프로필을 얻습니다. 중심 속도는 평균의 두 배일 수 있습니다. 높은 유량(난류, Re 4000 이상)에서는 프로파일이 상당히 평평해집니다. 중심 속도는 평균 1.1~1.2배일 수 있습니다.

이것이 실제로 무엇을 의미합니까? 계기가 한 유량에 적용하는 보정 계수가 다른 유량에서는 틀릴 수도 있습니다. 대부분의 제조업체는 일부 보상을 제공하지만 그 이면에 있는 가정은 실제 조건과 일치하지 않을 수 있습니다.

수십 년 동안 이를 모델링하기 위해 거듭제곱-법칙 속도 프로파일이 사용되었습니다. 1930년대 Nikuradse의 작업-예, 그 오래된-작업은 여전히 많은 수정 알고리즘의 기초를 형성하고 있습니다. 프로필은 u/u_max=(1 - r/R)^(1/n) 방정식을 따릅니다. 여기서 n은 레이놀즈 수에 따라 달라집니다. n이 약 7이면 상당히 평평한 난류 프로필을 보고 있는 것입니다. n이 4로 떨어지면 상황이 더욱 명확해집니다. 단일 중심선 경로에 대한 수정 계수는 조건에 따라 0.75에서 0.95까지 변동될 수 있습니다.

Ultrasonic Flow Meter Accuracy

거친 파이프는 프로필을 더 평평하게 만듭니다. 매끄러운 새 파이프와 부식된 오래된 파이프는 시간이 지남에 따라 판독값에 0.5~1% 차이가 있을 수 있으며{3}}미터가 왜 표류하는지 궁금해지기 전에는 아마 알아차리지 못할 것입니다.

온도가 즉각적으로 명확하지 않은 방식으로 초음파 측정에 영향을 미치기 때문에 이 부분은 별도의 섹션으로 다룰 가치가 있습니다.

첫째, 유체의 소리 속도는 온도에 따라 변합니다. 수중에서는 섭씨 1도 상승할 때마다 음속이 약 2.4m/s 증가합니다. 미터의 이동 시간 계산은 특정 사운드 속도를 가정합니다. 잘못하면 흐름 읽기가 바뀌게 됩니다. 최신 계량기에는 온도 센서와 보상 알고리즘이 포함되어 있으며 좋은 계량기는 온도{4}}로 인한 오류를 1.5%에서 약 0.2%로 줄일 수 있습니다. 하지만 보상이 좋지 않은 저렴한 유닛은요? 그들은 방황할 것이다.

둘째,-이것은 미묘하게-트랜스듀서 자체가 온도에 따라 특성을 변경합니다. 그들의 전기기계적 반응은 변화합니다. 실제로 발사하는 시점과 발사한다고 주장하는 시점은 다릅니다. 업스트림 및 다운스트림 변환기가 완벽하게 일치하지 않는 경우(동일한 제조 배치에서도 절대 일치하지 않는 경우) 온도에 따라 달라지는 편향이 발생합니다. 일부 논문에서는 도당 피코초 단위로 변환기 타이밍 드리프트를 보고하는데, 이는 나노초-규모 차이를 측정한다는 사실을 기억하기 전까지는 사소한 것처럼 들립니다.

셋째, 파이프 자체가 팽창하고 수축합니다. 경로 길이가 변경됩니다. 일반적으로 효과는 작지만 다른 모든 것과 함께 누적됩니다.

좋아요, 문제는 충분해요. 당신은 무엇을 할 수 있나요?

올바른 설치를 받으세요

지루한 답변이지만 가장 영향력이 컸습니다. 직선 파이프가 중요합니다. 기존의 경험 법칙은 미터 상류의 파이프 직경이 10{5}}20이고 하류의 직경이 5였습니다. 이는 단일-경로 측정기에 적합합니다. 다중-경로 디자인은 더 관대하지만 여전히 깔끔한 흐름의 이점을 누릴 수 있습니다. 좋은 직선 주행을 달성할 수 없는 경우 흐름 조절기가-튜브 묶음, 천공판, 베인형 장치에 도움이 될 수 있습니다. 그들은 혼란스러운 프로필을 잘라내어 재구성할 기회를 제공합니다.

한 연구에서는 교란이 발생한 하류의 파이프 직경 2개에서 초음파 계측기가 21%의 불확실성으로 15% 정도 오차가 있을 수 있음을 발견했습니다. 직경이 10배 커지면 극적으로 줄어듭니다. 직경이 50이면 기본적으로 이상적인 조건에 있습니다. 대부분의 실제 설치는 그 사이 어딘가에 있으므로 실질적인 질문은 다음과 같습니다. 얼마나 많은 오류를 허용할 수 있으며 얼마나 많은 파이프 길이를 할당할 수 있습니까?

교정 계수를 적절하게 적용하십시오.

흐름의 레이놀즈 수를 알고 있는 경우(그리고 속도, 파이프 직경 및 동점도로부터 이를 계산할 수 있어야 함) 프로파일 수정 계수를 적용할 수 있습니다. 단일 직경 경로의 경우 보정 계수 K는 경로-평균 속도를 단면-평균 속도와 관련시킵니다.{3}} K는 층류 흐름에서 약 0.75에서 완전히 발달된 난류 흐름에서 약 0.94까지 다양합니다.

일부 최신 측정기는 내장된-알고리즘을 사용하여 이 작업을 자동으로 수행합니다. 다른 것들은 계수를 수동으로 조정할 수 있는 액세스를 제공합니다. 또 다른 사람들은 예상 작동 범위에 "충분히 가까운" 고정 값을 가정합니다. 당신이 어떤 유형인지 알아보세요.

프로필이 비대칭인 교란된 흐름의 경우 편향-보정 승수가 개발되었습니다. 장애 유형(단일 엘보우, -평면 외부의 이중 엘보우,-밸브 등)과 그로부터의 거리에 따라 달라집니다. 이는 완벽하지는 않지만-평균 실험 데이터를 기반으로 하지만-이를 적용하는 것이 문제를 무시하는 것보다 낫습니다.

다중-경로 구성

하나의 초음파 경로를 4개 또는 5개로 늘리면 실제 조건에서 정확도가 크게 향상됩니다. 경로는 실제 단면 평균에 가까운 통합 방식(가우스 구적법 및 유사한 방법)에 따라 가중치가 적용되어 파이프 중심으로부터 특정 거리에 위치합니다.

British Gas는 예전에 상거래용 애플리케이션에 널리 채택된 4-경로 구조를 제안했습니다. 프로필 방향에 관계없이-적어도 프로필이 예상 패턴을 따르는 경우에는 실제 흐름의 0.2% 이내의 정확도를 달성합니다. 이를 교란에 따라 측정 평면을 회전시키는 것만으로도 1.4% 변동할 수 있는 단일 경로 측정기와 비교해 보십시오. 재정 측정에 있어 큰 차이가 있습니다.

다중-경로 측정기는 내장된 진단 기능도 제공합니다.- 다양한 경로의 속도를 비교할 수 있습니다. 경로 속도가 예상 비율과 일치하지 않으면 흐름 프로필에 문제가 있는 것이므로 조사해야 합니다.

올바른 온도 보상 완료

측정 지점에서 멀리 떨어진 단일 온도 센서에 의존하지 마십시오. 변환기 또는 근처의 온도를 측정합니다. 미터가 자동으로 계산하지 않는 경우 측정된 온도를 사용하여 소리의 속도를 계산합니다. 알려진 특성을 가진 액체의 경우 테이블이 존재합니다. 맞춤형 유체의 경우 특성화 데이터가 필요할 수 있습니다.

고정밀-애플리케이션의 경우 변환기 보상이 더 많이 관련됩니다. 이 접근 방식에는 수신된 신호의 진동 주기를 측정하고 주기와 온도를 모두 2-점 선형 보상 알고리즘에 대한 입력으로 사용하는 것이 포함됩니다. 복잡해 보이기 때문에 IC 제조업체에서는 이를 디지털 변환기 칩에 대한 전용 시간--에 구축하기 시작했습니다.

특정 문제에 대한 클램프-

미터에 고정하면 파이프 벽이라는 또 다른 복잡성이 추가됩니다. 소리는 벽을 통해 이동하고 인터페이스에서 굴절되며 지연을 포착합니다. 정확한 벽 두께 측정이 중요합니다.{3}}커플링 젤과 함께 표면에 수직인 별도의 두께 게이지를 사용하세요. 부식이나 스케일 침전물로 인해 벽 두께와 내부 직경이 모두 손상됩니다. 미터에 있는 9개의 휴대용 클램프를 테스트한 2016년 연구에서는-평균 오류가 -12.8%에서 +1.2%까지 발견되었으며 가장 과소평가된 흐름이 있었습니다. 9미터 중 8미터가 낮게 읽혔습니다.

측정하려는 이동 시간 차이는 수십 나노초일 수 있습니다. 시끄러운 신호에서 이를 추출하려면 좋은 알고리즘이 필요합니다.

제로{0}}교차 감지는 전통적인 방법입니다. 즉, 수신된 파형이 진폭이 0과 교차하는 위치를 찾고 해당 타이밍을 사용합니다. 간단하고 빠르지만 노이즈와 진폭 변화에 민감합니다.

상호{0}}상관은 더 나은 잡음 내성을 제공합니다. 전체 업스트림 및 다운스트림 파형을 비교하여 상관 관계를 최대화하는 시간 이동을 찾습니다. 수학은 더 무겁지만 이제 FPGA는 이를 쉽게 처리합니다. 일부 구현에서는 -나노초 미만의 분해능을 달성합니다.

최근에는 딥러닝 접근 방식이 복잡한 조건에서 유속 추정에 대한 가능성을 보여주었습니다. CFD-시뮬레이션된 흐름장과 해당 초음파 신호에 대해 신경망을 훈련합니다. 인간이 놓칠 수 있는 패턴을 배우도록 하세요. 상용 제품에서는 아직 실험적이지만 학술 논문은 고무적입니다.

Ultrasonic Flow Meter Accuracy

공장 교정에서는 긴 직선 파이프, 안정적인 흐름, 알려진 유체, 제어된 온도 등 이상적인 조건을 사용합니다. 귀하의 설치에는 이러한 항목이 없습니다. 이것이 보정을 쓸모없게 만드는 것은 아니지만 명시된 정확도(보통 판독값의 ±0.5% ~ ±1%)가 최상의-경우 성능을 나타냄을 의미합니다.

참조 측정기에 대한 현장 교정 또는 검증은 -실제 성능을 확립하는 데 도움이 됩니다. 코리올리스 미터를 설치할 수 있다면 훌륭한 참고 자료가 될 것입니다. 초음파에 문제를 일으키는 대부분의 프로필 효과에 면역입니다. 일부 작업에서는 훨씬 더 높은 정확도(더 많은 경로, 더 나은 처리)를 갖춘 마스터 초음파 측정기를 사용하여 주력 장치를 확인합니다.

예상 작동 범위 전체에 걸쳐 다양한 유속으로 교정하는 것은 그만한 가치가 있습니다. 측정기는{1}}용량의 50%에서는 정상이지만 10% 또는 90%에서는 드리프트할 수 있습니다. 데이터 포인트를 얻고 필요한 경우 수정 곡선을 맞춥니다.

솔직한 이야기: 때로는 다른 미터 기술이 더 합리적일 때도 있습니다. 0.1%의 정확도가 필요하고 비용을 감당할 수 있다면 코리올리스 미터가 승리합니다. 이는 질량 흐름을 직접 측정하고 속도 프로파일을 무시하며 온도의 영향을 거의 받지 않습니다. 단점은 가격, 크기 및 압력 저하입니다.-고가치 제품의 보관 양도의 경우-자체 비용을 지불합니다.

흐름이 크게 방해받는 전도성 액체의 경우 전자 유량계가 초음파보다 성능이 뛰어날 수 있습니다. 프로파일이 축대칭인 한 프로파일 모양에 둔감합니다(엘보와 밸브가 파손될 수 있지만 초음파보다 덜 심각함).

그러나 대형 파이프, 가스 응용 분야, 파이프를 절단할 수 없는 개조 설치 또는 압력 강하가 허용되지 않는 상황의 경우{0}}초음파가 유일한 실용적인 옵션으로 남아 있는 경우가 많습니다. 한계를 알고 이를 해결하십시오.

실제 세계의 초음파 유량계 정확도는 실험실 조건과 실제 설치 사이의 차이를 이해하는 데 달려 있습니다. 속도 프로필 효과, 온도 변화, 변환기 특성, 파이프 상태-모두 영향을 미칩니다. 이러한 요소를 무시하면 명시된 ±1%의 정확도가 ±3% 또는 그보다 더 나빠질 수 있습니다.

좋은 소식은 이러한 문제의 대부분에는 알려진 해결책이 있거나 적어도 알려진 해결 방법이 있다는 것입니다. 적절한 설치 방법, 적절한 교정 계수, 우수한 온도 보상, 예산이 허용하는 다중 경로 설계, 실제 조건에서의 현실적인 보정을 통해 실제 성능은 이론적 한계에 훨씬 더 가까워질 수 있습니다.-

사양서를 맹목적으로 신뢰하지 마십시오. 미터에 영향을 미치는 것이 무엇인지 이해하고, 가능한 것을 측정하고, 알고 있는 것을 수정하고, 아직 알려지지 않은 것에 대해서는 적절한 불확실성 여유를 유지하십시오. 그것은 비관론이 아닙니다.-그것은 계측입니다.

그리고 누군가 초음파 측정기가 정확한지 묻는다면 솔직한 대답은 '상황에 따라 다르다'입니다. 하지만 이제 당신은 무엇을 알고 있습니다.