Panicke - ematem.org
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Ultraschall-Clamp-On Messtechnik
Funktionsprinzip<br />
w<br />
d i<br />
α<br />
β<br />
γ<br />
c α<br />
c γ<br />
Fluid<br />
Geräteformel<br />
∆t<br />
vl<br />
= kα<br />
2 t<br />
F<br />
Akustischer Kalibrierfaktor<br />
c α<br />
α<br />
k<br />
α<br />
=<br />
cα<br />
sin α<br />
multiplexer<br />
A<br />
D<br />
pulse<br />
forming<br />
DSP<br />
front panel<br />
data processing,<br />
squence control<br />
interfaces<br />
Signalerfassung<br />
Messung von Laufzeit und<br />
Laufzeitdifferenz<br />
Volumenstromberechnung
Volumenstromberechnung<br />
Q = vA<br />
⋅ A<br />
Fluidmechanischer Kalibrierfaktor<br />
Q<br />
=<br />
k<br />
Re<br />
=<br />
v<br />
v<br />
A<br />
l<br />
A k v<br />
Re<br />
l<br />
v<br />
A<br />
v<br />
1<br />
= ⋅ d<br />
A<br />
∫∫ v A<br />
l<br />
A<br />
1<br />
= ⋅d<br />
l<br />
∫ v l<br />
( l)<br />
bei ungestörtem Strömungsprofil<br />
k Re nur abhängig von der Reynoldszahl und Rauhigkeit
Vorteile Clamp-On Messung<br />
Medien und Druckunabhängig<br />
Großer Dynamikbereich<br />
Geringer Installationsaufwand ohne Rohrleitungsunterbrechung<br />
Service und Wartung ohne Anlagenstillstand<br />
Verschleißfreie Messung ohne Druckverlust<br />
Bidirektionale Messung möglich<br />
Geringe Lagererhaltungskosten (wenig Ersatzteile)<br />
Bild: GFK Rohr bei der<br />
Messung von Flusssäure bei<br />
wechselnden Konzentrationen
Transversalwellenanregung<br />
Rohrwanddurchstrahlung<br />
Mehrfachreflexion
Lamb-Wellenanregung<br />
Rohrwandresonanz
Vergleich Transversalund<br />
Lamb-Wellenanregung<br />
Lambwellenanregung<br />
Transversalwellenanregung<br />
Breiter Schallstrahl<br />
Große<br />
Sensorfehlpositionstoleranz<br />
Abstimmung auf<br />
Rohrwandresonanz<br />
erforderlich<br />
Keine Beschränkung der<br />
Rohrwandstärke<br />
nahezu alle<br />
Rohrwandmaterialen
Meßunsicherheit<br />
Geräteformel<br />
Unsicherheitsbeiträge<br />
Fluidmechanik<br />
∆t<br />
Q = KRe<br />
⋅ A⋅<br />
Kα<br />
2 t fl<br />
Geometrie<br />
Akustik<br />
Elektronik und<br />
Zeitmessung
Auslegung – Haupteinflüsse<br />
Rohrinnendurchmesser<br />
Mediendämpfung<br />
Medien- und<br />
Umgebungstemperatur<br />
Rohrwandstärke<br />
/ -<br />
material<br />
Strömungsgeschwindigkeit<br />
(Gase)<br />
Durchstrahlbarkeit<br />
Mediendämpfung bestimmt maximalen<br />
Durchmesser,<br />
Wellenlänge minimalen Durchmesser<br />
Transveralwellenanregung<br />
unbeschränkt<br />
Lambwaveanregung Abstimmung der<br />
Sensorfrequenz<br />
Strahlversatz bestimmt Messbarkeit,<br />
praktisch nur bei Gasen relevant<br />
Notwendigkeit von Sondersensoren<br />
oder -anordnungen<br />
Störstellenabstand<br />
Arbeitsfrequenz<br />
Arbeitsfrequenz<br />
Arbeitsfrequenz<br />
Wandlertyp<br />
Arbeitsfrequenz,<br />
Wandlertyp<br />
Einlaufbedingungen<br />
Sensorausführung<br />
Messanordnung<br />
Kalibrierung
Schallübertragung<br />
Einfügedämpfung an jeder Mediengrenze<br />
Transmission und Reflexion abhängig von Schallkennimpedanz<br />
Z<br />
= ρc<br />
w<br />
α<br />
β<br />
c α<br />
Ausbreitungsdämpfung im Fluid<br />
d i<br />
γ<br />
c γ<br />
Fluid<br />
α<br />
c α<br />
Gas Anwendung<br />
– großer Impedanzunterschied von Rohrwand und Gas<br />
=> geringe Transmission<br />
– Reflektierter Schall breitet sich in der Rohrwand aus<br />
=>Rohrwandsignal<br />
– Gassignal und Rohrwandsignal daher druckabhängig
Signal Amplitude<br />
w<br />
α<br />
β<br />
c α<br />
Dämpfung<br />
– Einfügedämpfung (Reflexion und<br />
Transmission an Materialübergängen)<br />
d i<br />
γ<br />
c γ<br />
Fluid<br />
• Unveränderlich für Applikation<br />
– Mediendämpfung<br />
α<br />
• Abhängig von Fluideigenschaften und<br />
deren Änderung im Prozeß<br />
c α<br />
V<br />
Kompensation durch regelbaren<br />
Verstärker<br />
– Maximale Verstärkung begrenzt<br />
Laufzeiten sind<br />
verstärkungsunabhängig<br />
Funktionsreserve:<br />
Differenz von aktueller und maximaler Verstärkung
Auslegungbeispiel Flüssig<br />
Messaufgabe: DN80; Q=10 m 3 /h;<br />
Schmieröl bei 80°C<br />
Transversalwellensensor<br />
Erwartete<br />
Mediendämpfung<br />
hoch<br />
Sensorfrequenz<br />
FSP nutzen
BP Gelsenkirchen<br />
Kühlwasser-Mengenmessung<br />
• DN 800 Stahlrohr mit Bitumen-Schutzmantel<br />
• Druck: 6,5 bar, Temp.: 25°C<br />
• Messbereich: 0 – 12.000 m³/h<br />
+ Wartungsfreundlich - kein<br />
Anlagenstillstand<br />
+ Bitumenschutzschicht<br />
wurde nicht entfernt
Ammoniumnitrat<br />
Durchflussmessung von<br />
Ammoniumnitrat, 80% - 97%<br />
DN 80 – 150, Temperatur:<br />
140° - 190°C<br />
+ Keine Lebensdauereinschränkung<br />
durch die Medientemperatur<br />
+ Umbau ohne Anlagenstillstand
Auslegungbeispiel Gas<br />
Messaufgabe: DN300; Rohrwandstärke 8 mm;<br />
Erdgas bei 20°C;<br />
Strömungsgeschwindigkeit 15 m/s (z.B aus Normvolumenstrom,<br />
Druck und Temperatur bestimmen)<br />
Lambwellensensor<br />
Sensorfrequenz<br />
GLH oder GLK
Auslegungbeispiel Gas<br />
GRH oder GRK<br />
Dmm<br />
1200<br />
1000<br />
800<br />
600<br />
400<br />
200<br />
GRH<br />
0 5 10 15 20 25 30 35 vms<br />
Dmm<br />
1200<br />
1000<br />
800<br />
600<br />
400<br />
200<br />
GRK<br />
0 5 10 15 20 25 30 35 vms<br />
GRH nutzen<br />
(größere Betriebsreserve)
Regelventil<br />
Messung stromab eines Regelventil<br />
(Erdgas)<br />
– Variation von Druck und<br />
Strömungsgeschwindigkeit<br />
– Sensor Frequenz:<br />
• GRK (500kHz)<br />
• GRH (300kHz)<br />
– SNR-Aufzeichnung<br />
1.0<br />
0.8<br />
0.6<br />
0.4<br />
0.2<br />
0.0<br />
0 200 000 400 000 600 000 800000<br />
GRK<br />
GRH
Zufällige Störung<br />
1.<br />
0.75<br />
0.5<br />
0.25<br />
0.<br />
-0.25<br />
Signal Processing<br />
-0.5<br />
-0.75<br />
-1.<br />
1060 1080 1100 1120 1140 1160<br />
1.<br />
Hohe Rauschunterdrückung<br />
durch Signalverarbeitung<br />
Maß für unkorrelierte<br />
Störung: Signal-Rausch-<br />
Verhältnis (SNR)<br />
0.75<br />
0.5<br />
0.25<br />
0.<br />
-0.25<br />
-0.5<br />
-0.75<br />
-1.<br />
1060 1080 1100 1120 1140 1160
Rohrschall<br />
Reflexion und Transmission an jedem Medienübergang<br />
Schallausbreitung ohne Fluidbeteiligung<br />
Hauptquelle korrelierter Störungen<br />
bei flüssigen Medien meist vernachlässigbar<br />
Indirekt<br />
Direkt
Korrelierte Signalstörung<br />
1.<br />
0.75<br />
0.5<br />
0.25<br />
0.<br />
-0.25<br />
-0.5<br />
-0.75<br />
-1.<br />
420 430 440 450 460<br />
Gleichartiger in jeder Signalerfassung vorhanden<br />
Unabhängig von der Strömung<br />
=>keine Laufzeitdifferenz<br />
Maß für die Größe der Störung<br />
Signal im Verhältnis zu korrelierter Störung (ScNR)<br />
Überlagerung und Verzerrung des Fluidsignals
Rohrschallunterdrückung<br />
Dämpfungsmaterial<br />
Rohrsignal wird in Dämpfungsmaterial eingekoppelt<br />
Reduktion des Rohrschalls, besseres ScNR
Erdgasspeicher<br />
Erfassung<br />
Volumenstrom des<br />
Erdgases bei Ein- und<br />
Ausspeicherung<br />
Bidirektionale Volumenstrommessung in<br />
der Zuleitung zur Speicherkaverne<br />
Druck etwa 200bar; Temperatur<br />
24…36°C<br />
20000.00<br />
504<br />
10000.00<br />
503.5<br />
0.00<br />
503<br />
11:09:35 11:11:01 11:12:28 11:13:54 11:15:21 11:16:47<br />
-10000.00<br />
502.5<br />
-20000.00<br />
-30000.00<br />
-40000.00<br />
502<br />
501.5<br />
501<br />
A<br />
B<br />
Y<br />
c A<br />
c B<br />
-50000.00<br />
500.5<br />
-60000.00<br />
500<br />
-70000.00<br />
499.5<br />
-80000.00<br />
Schließen Ventil<br />
499
Wasserstoffgemisch<br />
Volumenstrommessung eines<br />
Wasserstoffgemischs<br />
Stahlrohr DN125<br />
Druck: 180..300 bar<br />
Temperatur: 50°..120°C<br />
Messbereich: ~50..200 m³/h<br />
+ Einfache Anbringung und Inbetriebnahme ohne<br />
Rohrarbeiten und Produktionsstillstand<br />
+ Keine Mehrkosten durch die hohe Druckstufe
Hochtemperaturanwendung<br />
Erweiterung des<br />
Einsatzbereiches<br />
Thermische Entkopplung von<br />
Sensor und Rohr bei<br />
gleichzeitig guter akustischer<br />
Kopplung<br />
Einsatzbereich bis etwa 400°C<br />
Medien/Rohrtemperatur<br />
Verwendung von Standard-<br />
Clamp on Sensoren<br />
Einsatz in<br />
explosionsgefährdeten<br />
Bereichen möglich
Beispiel Salzschmelze<br />
Portable Volumenstrommessung<br />
Reaktorheizung<br />
Wärmeträger:<br />
Salzschmelze 450°C
Durchfluss von Pech<br />
Durchflussmessung von Pech<br />
• Stahlrohr DN125<br />
• Druck: 6 bar, Temp.: 280..350°C<br />
• Messbereich: 0 -100 m³/h<br />
+ Hohe Standzeit, kein Verschleiß<br />
durch das abrasive Pech<br />
+ Große Messbereichsdynamik
Gestörtes Strömungsprofil<br />
1400<br />
m 3 /h<br />
1200<br />
1000<br />
800<br />
600<br />
400<br />
200<br />
Q ChA<br />
Q ChB<br />
Q Avg<br />
c ChA<br />
c ChB<br />
412<br />
m/s<br />
410<br />
408<br />
406<br />
404<br />
402<br />
0<br />
400<br />
00:00:00 00:28:48 00:57:36 01:26:24 01:55:12 02:24:00<br />
Mehrkanal Durchstrahlungsanordnung Gasmessung
Einlaufbedingungen<br />
Arten Strömungsprofilabweichungen<br />
Nicht axiale<br />
Komponenten<br />
(Querströmung)<br />
r<br />
Unsymmetrisches<br />
Strömungsprofil<br />
Strömungsvektor<br />
V
Einlaufbedingungen<br />
Methoden zur Kompensation von Profilstörungen<br />
Querströmungskompensation:<br />
•Reflexionsanordnung<br />
•Zweifach Durchstrahlung<br />
r<br />
Kompensation von<br />
Profilunsymmetrien<br />
•Zweifach (Mehrfach)<br />
Reflexionsanordnung<br />
Strömungsvektor<br />
V<br />
Nicht vollständig<br />
kompensierbar
Profil-Vor-Ort-Vermessung<br />
Kombination mit laseroptischer Messung<br />
Vermessung des gestörten Strömungsprofil<br />
Ermittlung von Pfad- und Flächenmittelwert<br />
Meßstellenspezifischer strömungsmechanischer wird im<br />
Gerät abgelegt und verwendet
Anwendung Energieeffizienzmessung
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