Prinzip der Laufzeitmessung

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Transcript Prinzip der Laufzeitmessung

Industrielle Durchflussmesstechnik Ultraschall-ClampOn Durchflussmesser deltawaveC

Industrielle Durchflussmesstechnik Inhalt  Übersicht Applikationen  Messprinzip  Wärmemengenrechnung  Zielmärkte  Preise  Wettbewerb  Hands-On  Zusammenfassung

Industrielle Durchflussmesstechnik

deltawaveC – Durchflussmessung für gefüllte Flüssigkeitsleitungen

Industrielle Durchflussmesstechnik Anwendungen Übersicht (1) Wasser- / Abwasser Pumpenkontrolle

Industrielle Durchflussmesstechnik Anwendungen Übersicht (1) Heizsysteme Weitere: • Kühl- / Speise- / Trinkwasser • Getränkeindustrie und Pharmazie • Petrochemie • Klimasysteme

Industrielle Durchflussmesstechnik Messprinzip – Ultraschalllaufzeit (1)

Industrielle Durchflussmesstechnik Messprinzip – Ultraschalllaufzeit (2) Piezo Element Ultraschallwandler

Prinzip der Laufzeitmessung

 T1 T2 D

v

 (

T

2

L T

1 

T

T

1 ) 2  2 cos 

Q

L

(

T

2 

T

1 )

T

1 

T

2  2 cos  

D

2 4  

Industrielle Durchflussmesstechnik Signalausbreitung Montageabstand X Schallgeschwindigkeit vs_tr V2 e.g. 2500m/s) 

Prinzip der Laufzeitmessung

 V3 e.g. 1480m/s) D > Signal wird an Materialübergängen gebrochen > Montageabstand X abhängig von Schallgeschwindigkeiten d. Materialien -> Montageabstand X wird von deltawaveC-Elektronik berechnet

Industrielle Durchflussmesstechnik Reynolds-Kompensation (1) Re 

v

 

D

 Re  Reynoldsza hl [-]

v

 Mittlere Fließgesch windigkeit [ m ] s

D

 Durchmesse   Mediumsdic r [m] hte [kg/m3]   (dynamisch ) Viskosität kg [ m  s ] > Strömungsprofil abhängig von Reynoldszahl -> Einfluss von Reynolds muss kompensiert werden Viskositäten µ (Beispiele): Wasser (25 °C): 0.00089

Öl: 2.9

Industrielle Durchflussmesstechnik Reynolds-Kompensation (2) LaminarFlow Profile (acc. to Pai) v,max in middle of pipe 1.800

1.600

1.400

1.200

1.000

0.800

0.600

0.400

0.200

0.000

0 V( r) / V,max [-] V ( r) / v,mean 0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

r / r, pipe [-]

0.7

0.8

0.9

1 1.1

Laminar Strömung Re < 2000 (i.d.R. nur bei hoch-viskosen Medien und/oder sehr geringen Geschw.

Industrielle Durchflussmesstechnik Reynolds-Compensation (3) Turbulent Flow Profile (acc. to Pai) v,max in middle of pipe 1.200

1.000

0.800

0.600

0.400

0.200

0.000

0 V( r) / V,max [-] V ( r) / v,mean 0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

r / r, pipe [-]

0.7

0.8

0.9

1 1.1

Turbulente Strömung Re > 8000 [i.d.R. gegeben Bsp.: Wasser 20 °C, v=0.04 m/s -> Re =10,000 ]

Industrielle Durchflussmesstechnik Reynolds-Kompensation (4) Durchflussmessung muss (geringfügig) kompensiert werden

Q

 (

T

2

L T

1 

T

T

1 ) 2  2 cos  

D

2 4  

Q

 (

T

2

L T

1 

T

2   2

T

1 ) cos  

D

2 4   

k

Re > In deltawaveC wird die Reynoldszahl und der zugehörige Kompensationsfaktor in Abhängigkeit in Abhängigkeit des Mediums und der Fließgeschwindigkeit ermittelt.

(k ≈ 0.94…1 )

Industrielle Durchflussmesstechnik Signalverluste (1) Ultrasonic Transducers Streuung: Richtungsänderung von Signalteilen durch Reflexionen an Gasblasen oder Partikeln. Der Effekt nimmt mit steigender Signalfrequenz zu.

Industrielle Durchflussmesstechnik Signalverluste (2) Ultraschallwandler Absorption Absorbtion: Umwandlung von akustischer Energie zu Wärme durch Reibung zwischen Wassermolekülen (Kompression und Ausdehnung durch US-Signal). Absorbtionsverluste steigen quadratisch zur Signalfrequenz

Industrielle Durchflussmesstechnik Signalverluste (3) Ultraschallwandler

Prinzip der Laufzeitmessung

Absorption Scattering > Beide Effekte nehmen exponentiell zu mit steigender Pfadlänge > Unterschiedliche Wandler / Montagearten verfügbar um optimale Signalübertragung zu garantieren

Industrielle Durchflussmesstechnik Montage – Z-Montage (1)

Prinzip der Laufzeitmessun g

D Ultraschallwandler

Prinzip der Laufzeitmessung

T1  T2 Ultraschallwandler D

Industrielle Durchflussmesstechnik Montage – Z-Montage (2)

Industrielle Durchflussmesstechnik Montage - V-Montage vs. Z-Montage Einfach, Schnell Halbe Pfadlänge >Höhere Signalstärke Empfohlen für große Rohrleitungen / belastete Medien

Industrielle Durchflussmesstechnik Ultraschallwandler 2 MHz: DN15-DN100 1 MHz: DN100-DN400 500 kHz Höchste Signalstärke DN200-DN6000

Industrielle Durchflussmesstechnik Signalübertragung – Kreuzkorrelation (1) Phasendrehung 180 ° Zeit 3 Phasendrehung 180 ° 2 2

Industrielle Durchflussmesstechnik Signalübertragung – Kreuzkorrelation (2) Reale Signale sind wegen Wandlerträgheit keine echten Rechteckimpulse.

Industrielle Durchflussmesstechnik Signalübertragung – Kreuzkorrelation (3) Sendesignal Referenzsignal Korrelationsmaximum

Industrielle Durchflussmesstechnik Signalübertragung – Kreuzkorrelation (1) -> Durch Kreuzkorrelation eindeutige Signalform > Signalerkennung auch bei „verrauschten“ Signalen möglich -> Stabile Messung unter schwierigen Bedingungen ( Gas- / Partikelbelastung / Umweltrauschen…)

Industrielle Durchflussmesstechnik Signalübertragung – Kreuzkorrelation (5) Einzelpuls Burst 4 Barker 7 (322) > In Abhängigkeit des gewählten Wandlers wird das optimale Signal automatisch ausgewählt

Industrielle Durchflussmesstechnik Einlaufstrecken (1)

v

L

(

T T

1 

T

2 

T

1 ) 2  2 cos  Ultraschallwandler

Prinzip der Laufzeitmessung

  D

Industrielle Durchflussmesstechnik Einlaufbedingungen (2)

Industrielle Durchflussmesstechnik Einlaufbedingungen (3) Ultraschallwandler v2  +∆  ∆ v1 D

v

v

1 

v

2 2 Durch Mittelwertbildung wird Einfluss von Schrägströmung kompensiert

Industrielle Durchflussmesstechnik Integrierte Wärmemengenmessung (1)

Q Rohr Q

Heizung

Industrielle Durchflussmesstechnik Integrierte Wärmemengenmessung (2) 

A

v

  

c w

 (

T hot

T cold

)

A

 Querschnit tsfläche [m 2 ]

v

 Fließgesch windigkeit [m/s] Wärmeleistung  

Dichte

[

kg

/

m

3 ]

c W

 spezifisch e Wärme [

kJ

/(

kg

( z .

B

.; c w Wasser (10  C)  4.192

 c w Wasser (50  C)  4.181)

K

)

Industrielle Durchflussmesstechnik Integrated Heat Transfer Measurement (3) 

A

v

  

c w

 (

T heiss

T kalt

) Wärmeleistung (Wärmestrom) [W, kW] > Kontinuierliches Signal (4…20mA)

Q

  

dt

> Typischerweise Zähler (Puls) Wärmemenge [J, kWh]

Industrielle Durchflussmesstechnik Messumformer (1) Anzahl Pfade Ausgangssignale Zähler Diagnoseparameter Analoge Ausgänge Digitale Ausgänge Eingänge Schnittstellen Portabel Stationär 1 1 / 2 Durchfluss, Fließgeschwindigkeit, Wärmestrom Volumen, Masse, Wärmemenge Schallgeschwindigkeit, Signalamplitude, SNR, Signalqualität, Signalscan am Gerät möglich 2x 4…20mA 2x 4…20mA 1 x Relais 1/2x Relais 2x PT100 USB 2x PT100 USB

Industrielle Durchflussmesstechnik Messumformer (2) Genauigkeit Messzyklus Dämpfung Bedienung Sprachen Gehäuse Portabel Stationär bis 1% v.M

4 Hz (250ms) (Update des Display / Ausgänge) 1…60 sec (einstellbar) (gleitender Mittelwert) Soft Keys Deutsch, Englisch, Chinesisch Aluminium, PVC PVC

Industrielle Durchflussmesstechnik Messumformer (3) Schutzklasse Display Gewicht Versorgung Betriebstemperatur Datenspeicher Speicherintervall Speicherkapazität Portabel IP 54 320x240,Backlight Stationär IP 67 320x240 Backlight Batterie (Li-Ion) 230VAC 20…60°C 230VAC Alle Ausgangssignale, Zähler und Diagnosewerte einstellbar 1sek…60min Einstellbar über integ. SD-Karte (Standard 1 GB)

Industrielle Durchflussmesstechnik Ultraschallwandler 2 MHz 1 MHz Nennweite 0.5 MHz DN10-DN100 DN40/50-DN400 DN200-DN6000 Material Montage Temperatur PEEK, Aluminium (Montagematerial) Schiene + Ketten 40…150°C Spanngurt 40…80°C (150 °C)

Industrielle Durchflussmesstechnik Hands-On

Industrielle Durchflussmesstechnik deltawaveC vs. Magnetic Flowmeter IDM U = k x B x D x v U: Induzierte Spannung, prop. zum Durchfl.

Prinzip der Laufzeitmessung

K: Kalibrierfaktor D: Elektrodenabstand (=ID) v: Mittlere Fließgeschwindigkeit + Hohe Genauigkeit (0.3% - Prozessunterbrechung / Auftrennen der Rohrleitung Nur elek. keitfähige Flüssigkeiten (VE-Wasser!) - Elektroden empfindlich ggb. Ablagerungen (Magnetit, Sielhaut

Industrielle Durchflussmesstechnik deltawaveC vs. Inline Ultraschall + Höhere Signalstärken - Auftrennen der Rohrleitung notwendig Schwer / aufwändige Montage (größere D) - Prozessunterbrechung Medienberührt (Schmutz, Ablagerungen,)

Industrielle Durchflussmesstechnik deltawaveC vs. Turbinendurchflussmesser

Prinzip der Laufzeitmessung

• Turbinendrehzahl prop. zu Durchfluss • Q = f / K • K: Kalibrierfaktor + Hohe Genauigkeit - Bohrung notwendig - Druckverlust - Bewegte Teile - Empfindlich ggb. Ablagerungen (Lagerbeiwert ändert sich)

Industrielle Durchflussmesstechnik Zielmärkte / Applikationen - Kraftwerke  Kühlwasser  Speisewasser / Kondensat  Fernwärme  Prozesswasser  ….

Industrielle Durchflussmesstechnik Zielmärkte / Applikationen – Wasser / Abwasser  Einlauf- / Auslaufmessungen  Überprüfungsmessungen  Verbrauchsmessungen / Trinkwasserverteilung  Leckagen  Klär(dünn)schlamm

Industrielle Durchflussmesstechnik Zielmärkte / Applikationen – Facility Management  (Heiß)Wasser  Energieoptimierung  Leckage

Industrielle Durchflussmesstechnik Zielmärkte / Applikationen – Öl & Gas / Chemie  Roh- / Zwischen- / Endprodukte  Chemisches Abwasser / Prozesswasser  Aggressive, giftige und korrosive Medien  Nicht leitfähige Flüssigkeiten  Wärmeträger (Thermal Öl)

Industrielle Durchflussmesstechnik Zielmärkte / Applikationen – Getränke / Nahrungsmittel  Versorgung ((Heiß(Wasser), Abwasser, Prozesswasser)  Energiemessungen  Produkte  Hygienisch einwandfreie Messungen

Industrielle Durchflussmesstechnik Zielmärkte - Anlagenbau  Überwachung hydraulischer Systeme  Schmiermittelmessungen (z.B. Getriebe)  Pumpenüberwachung

Industrielle Durchflussmesstechnik Zielmärkte / Pharmazie und Halbleiter  Berührungsfreie Messung von ultra-reinen Flüssigkeiten

Industrielle Durchflussmesstechnik Kundennutzen (1)  Hohe Messgenauigkeit (bis 1%)  Unabhängig von Druck- und Temperaturänderungen  Einfache Montage (Minuten)  Berührungsfreie Messung -> hygienisch einwandfreie Messungen  Vor ab Überprüfung an Messstelle möglich  Integrierte Wärmemengenmessung

Industrielle Durchflussmesstechnik Kundennutzen (2)  100% Anlagenverfügbarkeit (Montage unter Betrieb)  Kein Druckverlust, Keine Blockage  Leckage sicher, keine Rohrleitungsschwächung  Druckresistent, Kein Aufpreis für HD-Anwendungen  Wartungsfrei, keine Wartung z.B. wegen Abrasion, Verschmutzung, etc..

Industrielle Durchflussmesstechnik Weitere Zielmärkte - Diskussion