Setup til kalibrering af Clamp on-flowmålere

Transkript

1 Setup til klirering f Clmp on-flowmålere Decemer 2018 Rpportforftter: Anders Niemnn, Teknologisk Institut

2 Introduktion Ultrlyds-clmp-on flowmåling er en teknik, hvor mn ved hjælp f to trnsducere monteret uden på et rør kn eregne volumenflowet f fluidet fx vnd eller luft inden i røret. Grundlæggende set måles den gennemsnitlige hstighed f fluidet over rørets tværsnit og omregnes derefter til et volumenflow. Det kræver lndt ndet, t mn kender rørets dimeter og vægtykkelse. Clmp-on flow måling kn være en særdeles effektiv metode til t måle volumenflowet i et rør, hvor der ikke på forhånd er monteret en in-line flowmåler, eller mn ønsker t kontrollere en llerede monteret in-line flowmåler, der ikke kn demonteres. Metoden hr dog en række egrænsninger i forhold til nøjgtighed. Flere forskellige forhold kn påvirke en clmp-on målers nøjgtighed, hvor de vigtigste forhold er selve målerens måleevne, rørenes eskffenhed fx elægninger på indersiden og flowet i røret, der kn være forstyrret f fx øjninger, ventiler etc. opstrøms for målingen. Som det ltid forholder sig med måleinstrumenter, er det vigtigt t sikre sig, t måleinstrumentet selv er velfungerende og hr den rette nøjgtighed. I tilfældet med clmp-on måleren er det svært præcist t estemme nøjgtigheden i en on-site sitution, d der ved on-site rug er nogle prmetre, der kn påvirke nøjgtigheden, som er svære t estimere eller overhovedet få viden om. Det er vigtigt t holde sig for øje t en måling ikke hr nogen værdi, hvis mn ikke udtrykker kvntittivt, hvor nøjgtig den er. Den eneste måde mn kvntittivt kn udtrykke, hvor nøjgtig en måling er, er ved t estemme lle de usikkerhedsprmetre, der influere på den måling mn vil foretge. En usikkerhedsprmeter kn fx være rørets godstykkelse eller den indvendige rørdimeter. Indtil nu hr der ikke været sporre 1 og kkrediterede 2 lortoriefciliter i Dnmrk til klirering f Clmp-on udstyr. I forindelse med resulttkontrktperioden fr hr FLOW-lortoriet ved Teknologisk Institut, som en del f Flowcenter Dnmrk-smrejdet, etleret en klireringsfcilitet med henlik på t foredre målenøjgtigheden for clmp-on målere, smt sikre sporrhed på højeste niveu f disse. Det er reliseret ved t etlere et set-up med et stndrdiseret rørstykke til klirering f clmp onflowmålere. Setup et er testet og dokumenteret med henlik på t etlere en kkrediteret klireringsydelse. Setup et forventes kkrediteret i jnur Det nye klireringssetup er nærmere eskrevet i fsnit Klireringssetup. For t forstå setup et og de tilhørende usikkerhedskomponenter eskrives clmp-on flowmålerens virkemåde mere detljeret i næste fsnit. Måleprincippet for Clmp-on flowmålere Den her eskrevne ultrlyds clmp-on måler nvender en metode kldet trnsit time of flight ofte forkortet til TOF. Trnsducerne er monteret udenpå røret med såkldte clmps. Ultrlydsimpulsen sendes fr trncduceren, gennem rørvæggen og ned gennem fluidet i røret, se figur 1 og 2. Ved hjælp f Snells Flow lov og med kendsk til lydhstigheden i fluidet kn mn eregne vinklen på ultrlydens stråle. Med kendsk til vinklen og tiden, som lydimpulsen ruger Figur 1 1 Se mere om sporrhed på S i d e 2 5

3 for t pssere fr til og retur fr til, kn mn eregne fluidets hstighed ud fr dem grundlæggende formel, se formel 1. Figur 2 Formel 1: V = D t sin (2θ) t up t down Hvor: V = gennemsnitlig flowhstighed i rørets tværsnit D = rørdimeter Θ = vinklen mellem ultrlydens stråle og xil retning Δt = t up td own = forskellen i trnsit-tid mellem» og» Som det ses f ovenstående formel, så er hstighedsmålingen ufhængig f fluidets egensker, tryk og tempertur, ligesom lydens hstighed ikke fremgår f dette udtryk. Smmenholdt med t der ikke er nogen evægelige dele eller trykt over måleren gør dette denne type måler meget ttrktiv. Ovenstående formel viser, t målingen umiddelr er simpel, men der er dog en del fktorer, som gør en præcis måling vnskelig som fx måling f trnsittiden, et fuldt udviklet flowprofil og et godt kendsk til rørets mterile smt tykkelse osv. Volumenflowet Q kn nu udregnes ud fr følgende formel: Formel 2: Q = V A Hvor: V = gennemsnitlig flowhstighed i rørets tværsnit A = tværsnitsrelet f røret Frekvensen, som ultrlyden liver sendt med, skl også tilpsses mediet som flyder i røret. For måling i væske er det typisk i MHz-området, og for måling i gs er det typisk i området khz. Anvendelse f clmp on-flowmålere Ved montering f clmp-on-måleren er det vigtigt t plcere trnsducerne rigtigt (i dette tilfælde en clmp-on-flowmåler f mærket FLEXIM). Ved t indtste yderdimeteren og godstykkelsen f røret eregnes den indyrdes fstnd mellem trnsducerne, som de skl plceres med på røret. Desuden indtstes hvilket fluid, der løer i røret, fx vnd, smt rørmterilet fx stål. Dernæst indtstes fluidtemperturen, d denne hr etydning for lydudredelseshstigheden. Klireringssetup Rørets dimeter og godstykkelsen f røret er, som eskrevet ovenfor, essentielle prmetre t hve styr på for t opnå en nøjgtig flowmåling, men det er også to prmetre, som det kn være svært t estemme i prksis. Teknologisk Institut hr etleret en klireringsfcilitet til klirering f clmp-on-flowmålere. S i d e 3 5

4 Setup et estår f et 1 meter lngt DN100-rør, der er meknisk erejdet (drejet f) åde ind- og udvendig, således t åde den ind- og udvendige dimeter kn estemmes meget nøjgtig, og er ens i hele rørets længde. Den geometriske opmåling er foretget hos Teknologisk Instituts center Måling og kvlitet og omftter 10 dimetermålinger fordelt som vist på figur 3. Desuden lev der foretget rundhedsmåling f røret. Figur 3 Disse målinger vil indgå i usikkerhedsudgettet for selve klireringssetuppet. Ved klirering f en clmp-on-flowmåler monteres det opmålte DN100 rør i en flowprøvestnd, hvor mn enten i et lukket kredslø kn cirkulere vnd igennem en klireret referenceflowmåler og herefter igennem røret eller igennem røret og herefter i en vejetnk, se skitser nedenfor på figur 4 og 5. På Teknololgisk Instituts prøvestnd er egge dele mulig. Den sidste mulighed er en grvimetrisk metode, hvor mn fvejer den mængde vnd, der er løet igennem røret i et givent tidsrum, er den mest nøjgtige. Mn kn her måle flowet med en nøjgtighed på 0,1 %. Ved referenceflowmåling er nøjgtigheden mellem 0,3 og 0,5 %. Clmp-on-trnsducere Reference-flowmåler DN100 Klireringsrør Vndtnk Figur 4 S i d e 4 5

5 Clmp-on trnsducere DN100 Klireringsrør Vejetnk Vndtnk Figur 5 Nå klireringsrøret er monteret, og mn er egyndt t cirkulere vnd igennem det, er det ekstremt vigtig t sikre, t lt luft er ude f rørsystemet inden mn strter klireringen, så mn undgår luftlommer, der kn påvirke klireringsresulttet. Clmp-onflowmålerens trnsducere monteres på klireringsrøret efter de forskrifter, der er givet for den specifikke måler. Den udvendig dimeter og godstykkelsen, der egge er fundet ved geometrisk opmåling f klireringsrøret, ruges som inputdt. Usikkerhedsudget Opmåling f røret viste, t røret hr en gennemsnitlig udvendig dimeter på 110,139 mm ± 0,027 mm og en gennemsnitlig godstykkelse på 5,004 mm ± 0,019 mm. Den indre dimeter, som eregnes i selve flowmåleren ud fr de to ovenstående prmetre, kn ltså vriere fr 100,066 mm til 100,198 mm, hvilket medfører, t usikkerheden på det indre tværsnitsrel liver 0,26 %. Den geometriske opmåling lev udført med en nøjgtighed på ± 0,004 mm, hvilket giver nledning til en usikkerhed på 0,05 % på tværsnitsrelet. Selve prøvestnden hr en usikkerhed på 0,1 % med den grvimetriske klireringsmetode. Den smlede usikkerhed U for klireringssetup et kn nu findes således: U = (0,26 %) 2 + (0,05 %) 2 + (0,1 %) 2 = 0,29 % Under en klirering gentges hvert flowpunkt tre gnge, så der også kn tges højde for clmp onudstyrets reproducerrhed, hvilket oftest vil være det det største usikkerhedsidrg, der skl tilføjes til usikkerhedsidrget fr selve klireringssetup et. Konklusion Med det nye klireringssetup på Teknologisk Institut, er det muligt t klirere clmp on-flowmålere med en usikkerhed for selve klireringssetup et på ±0,3 %. Ved t lde et clmp on-udstyr klirere får mn et kendsk til selve udstyrets performnce, så mn i en on site-sitution kn trække den prmeter ud f ligningen og dermed minimere den smlede usikkerhed for on site-klireringen. S i d e 5 5