Das Durchschallen von Rohrwänden ist nicht immer einfach. Denn Ultraschallwandler, Rohr und Fluid stellen ein komplexes Schallsystem dar, das bei jeder Anwendung unterschiedlich „klingt“. Und das sind keine klanglichen Nuancen, sondern eher Unterschiede wie bei einem Käferbrummen und einer Schlagbohrmaschine.
Von Instrumenten weiß man, dass kleinste Änderungen zu massiven Klangänderungen führen können. 2 cm Klebeband an der richtigen Stelle bringen eine Geige zum Schweigen. Zwar ist eine Rohrleitung keine Geige, aber auch bei der Zwangserregung durch Ultraschallwandler gibt es 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 und -verzerrung sind entscheidend für die Genauigkeit und Zuverlässigkeit einer Clamp-On-Messung.
Diese beiden Größen lassen sich durch einen optimalen Anbau der Ultraschallwandler und eine intelligente Signaloptimierungsstrategie massiv beeinflussen. Der neue Durchflussmesser deltawaveC braucht für die Signaloptimierung nun keinen Fachmann mehr vor Ort – denn sie läuft komplett automatisch.
Rohre auf die Montage vorbereiten
An den meisten Messstellen reicht ein ungefähres Platzieren der Ultraschallwandler auf der Rohrleitung und etwas Kontaktpaste auf dem Wandler – schon hat man eine plausible Durchflussmessung. Moderne Ultraschall-Durchflussmesser können auch mit sehr schlechten Signalen umgehen und aus „schlampigen“ 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 essenziell. 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.
Montageschienen können helfen, die Ultraschallwandler perfekt zu zentrieren; der Abstand ist präzise und die Wandler sind 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, zum Beispiel in Form von Gasblasen, wachsenden Inkrustierungen, EMV oder Fouling in der Rohrleitung.
Signale automatisch erzeugen und auswerten
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 mittels 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 oder nur schlecht ausgewertet werden kann. In den DSPs werden im Kreuzkorrelationsverfahren Laufzeitdifferenzen im Bereich von Picosekunden ermittelt. Die Ultraschallscans der Up- und Downstream-Signale werden übereinandergelegt und solange verschoben, bis eine optimale „Deckung“ der Signale erreicht wird. Das geschieht ganz ähnlich wie bei der Spurensicherung von Fingerabdrücken im Sonntags-Tatort.
Hier spielt die oben erwähnte „Signalverzerrung“ eine wichtige Rolle: 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.
Ohne spezielles Know-how in Betrieb nehmen
Systec ist es gelungen, dem DSP die Expertise eines erfahrenen Inbetriebnahme-Ingenieurs einzuprogrammieren: In einem Optimierungsvorgang, der vom Benutzer einfach per Knopfdruck angestoßen wird, variiert deltawaveC die Sendefrequenzen sowie die Signalkodierung und analysiert die Ergebnisse hinsichtlich Amplitude, Signal-Rauschen-Verhältnis, Signalverzerrung und Signifikanz der Kreuzkorrelationsergebnisse. Diese Auswertung liefert automatisch die optimalen Einstellungen an dieser Messstelle, ganz ohne besondere Expertise.
„Unmögliche“ Messungen erleichtern
Die automatische Signaloptimierung verbessert insbesondere bei ungünstigen Leitungs-/Sensorkombinationen die Signalqualität enorm. Weiter hat die Messung kleinere Nullpunktfehler, bessere Genauigkeiten, geringeres Messwertrauschen und mehr Reserven gegen Prozesseinflüsse wie Gasblasen, Feststoffe oder EMV-Störungen.
Messstellen, wo wir früher massive Messwertschwankungen und Abweichungen beobachteten, liefern mit der neuen Technologie perfekte Ergebnisse. Aber auch an „einfachen“ Messstellen reduziert die automatische Signaloptimierung die Nullpunktfehler und erlaubt dynamischere Messungen bei geringerer Messwertvarianz.
DIY statt teuer einkaufen
Das neue deltawaveC macht einen Experten, der die Messstelle vor Ort optimiert, überflüssig. Durch die integrierte Oszilloskop-Funktion kann der normale Benutzer den Erfolg seiner Inbetriebnahme auch direkt am Gerät sehen.
Und sollte doch mal etwas schiefgehen, lassen sich die Signale in deltawaveC in Form von wav-Dateien, die Geräteparametrierung und Datenlogs einfach über USB herunterladen und dem Hersteller zur Analyse zusenden.
