Precisão do medidor de vazão ultrassônico e melhoria na correção da taxa de vazão

Se você passou algum tempo real commedidores de fluxo ultrassônicos, você já conhece o argumento: não-invasivo, sem partes móveis, funciona em quase tudo. E veja, isso é principalmente verdade. Mas a conversa sobre precisão? É aí que as coisas ficam interessantes-e ocasionalmente frustrantes. Porque um medidor ultrassônico preciso em um laboratório pode se comportar de maneira bem diferente quando você o parafusa em uma tubulação real com cotovelos, oscilações de temperatura e tudo o mais que seu processo exige.

O objetivo não é assustá-lo com a tecnologia. Os medidores ultrassônicos continuam sendo uma das melhores opções para muitas aplicações. A questão é entender o que afeta sua precisão e-mais importante-o que você realmente pode fazer a respeito.

Os medidores de vazão ultrassônicos-de tempo de trânsito funcionam enviando pulsos acústicos entre dois transdutores-um a montante e outro a jusante. O pulso que acompanha o fluxo chega um pouco mais rápido do que aquele que luta contra ele. Essa diferença de tempo, estamos falando de nanossegundos aqui, é convertida em velocidade de fluxo.

Bastante simples no papel. O problema começa quando você percebe que a medição da velocidade acontece ao longo de um único caminho (ou talvez alguns caminhos em medidores mais sofisticados), mas o que realmente importa é omédiavelocidade em toda a seção-transversal do tubo. O fluido não se move na mesma velocidade em todos os lugares. É mais lento perto das paredes, mais rápido no meio. A relação entre o que o medidor vê e o que realmente está acontecendo depende de algo chamado perfil de velocidade-e esse perfil muda com o número de Reynolds, rugosidade do tubo, perturbações a montante e cerca de uma dúzia de outros fatores.

Sejamos francos sobre as principais fontes de erro.

Ultrasonic Flow Meter Accuracy

Coloque um cotovelo a montante do seu medidor e você criará um fluxo assimétrico. A distribuição de velocidade fica distorcida, talvez girando, e sua medição de-caminho único agora representa... o que exatamente? A pesquisa mostrou erros de até 15% apenas devido a distúrbios upstream, quando você não os leva em consideração. Medidores de múltiplos-percursos ajudam significativamente-eles coletam amostras de velocidade em vários pontos ao longo do diâmetro do tubo e usam médias ponderadas-mas não são mágicos. Um perfil muito perturbado ainda pode enganá-los.

Aqui está algo que pega as pessoas desprevenidas. A forma do seu perfil de velocidade não é fixa-ele muda com o número de Reynolds. Em fluxos baixos (regime laminar, Re abaixo de cerca de 2300), você obtém um perfil parabólico. A velocidade central pode ser o dobro da média. Em fluxos elevados (turbulentos, Re acima de 4.000), o perfil se achata consideravelmente; a velocidade central é talvez 1,1 a 1,2 vezes a média.

O que isso significa na prática? O fator de correção que seu medidor aplica em uma vazão pode estar errado em outra. A maioria dos fabricantes inclui alguma compensação, mas as suposições por trás disso podem não corresponder às suas condições reais.

Perfis de velocidade da lei da potência têm sido usados para modelar isso há décadas. O trabalho de Nikuradse da década de 1930-sim, aquele antigo-ainda forma a base para muitos algoritmos de correção. O perfil segue a equação u/u_max=(1 - r/R)^(1/n), onde n varia com o número de Reynolds. Quando n está em torno de 7, você está observando um perfil turbulento bastante plano. Quando n cai para 4, as coisas ficam mais nítidas. O fator de correção para um único caminho de linha central pode variar de 0,75 a 0,95 dependendo das condições.

Ultrasonic Flow Meter Accuracy

Tubos ásperos tornam o perfil mais plano. Tubos novos e lisos versus tubos antigos corroídos podem significar uma diferença de 0,5 a 1% nas leituras ao longo do tempo-e você provavelmente não notará até se perguntar por que seu medidor deslocou.

Isso merece sua própria seção porque a temperatura afeta a medição ultrassônica de maneiras que não são imediatamente óbvias.

Primeiro, a velocidade do som no seu fluido muda com a temperatura. Na água, a velocidade do som aumenta cerca de 2,4 m/s para cada aumento de grau Celsius. O cálculo do tempo de trânsito do medidor assume uma certa velocidade do som; entenda errado e sua leitura de fluxo muda. Os medidores modernos incluem sensores de temperatura e algoritmos de compensação, e os bons podem reduzir erros-induzidos pela temperatura de 1,5% para cerca de 0,2%. Mas unidades mais baratas com baixa remuneração? Eles vão vagar.

Em segundo lugar,-e este é sutil-os próprios transdutores mudam de características com a temperatura. Sua resposta eletromecânica muda. O momento em que eles realmente disparam e quando afirmam disparar varia. Se seus transdutores upstream e downstream não combinarem perfeitamente (e nunca combinam, mesmo no mesmo lote de fabricação), você obterá uma tendência que varia com a temperatura. Alguns artigos relatam desvios de tempo do transdutor na ordem de picossegundos por grau, o que parece trivial até que você se lembre de que está medindo diferenças de escala-de nanossegundos.

Terceiro, o próprio tubo se expande e contrai. Mudanças no comprimento do caminho. Efeito pequeno, geralmente, mas se acumula com todo o resto.

Tudo bem, problemas suficientes. O que você pode fazer?

Faça a instalação correta

A resposta chata, mas a mais impactante. Tubos retos são importantes. A regra antiga era 10-20 diâmetros de tubo a montante do medidor, 5 a jusante. Isso é razoável para medidores-de caminho único; projetos de-caminhos múltiplos são mais tolerantes, mas ainda se beneficiam de um fluxo limpo. Se você não conseguir bons trechos retos, os condicionadores de fluxo podem ajudar-feixes de tubos, placas perfuradas e dispositivos do tipo palhetas. Eles cortam o perfil perturbado e dão-lhe a oportunidade de se reorganizar.

A 2 diâmetros de tubo a jusante de uma perturbação, um estudo descobriu que os medidores ultrassônicos poderiam estar errados em 15% com 21% de incerteza. Em 10 diâmetros, isso diminui drasticamente. Com 50 diâmetros, você está basicamente em condições ideais. A maioria das instalações reais fica em algum ponto intermediário, então a questão prática é: quanto erro você pode tolerar e quanto comprimento de tubo você pode alocar?

Aplicar fatores de correção corretamente

Se você conhece o número de Reynolds do seu fluxo (e deve ser capaz de calculá-lo a partir da velocidade, do diâmetro do tubo e da viscosidade cinemática), poderá aplicar fatores de correção de perfil. Para um único caminho diametral, o fator de correção K relaciona a-velocidade média do caminho com a velocidade média-da seção transversal-. K varia de talvez 0,75 no fluxo laminar a cerca de 0,94 no fluxo turbulento totalmente desenvolvido.

Alguns medidores mais recentes fazem isso automaticamente usando algoritmos-integrados. Outros dão acesso para ajustar o fator manualmente. Outros ainda assumem um valor fixo “suficientemente próximo” da faixa operacional esperada. Saiba qual tipo você tem.

Para fluxos perturbados em que o perfil é assimétrico, foram desenvolvidos multiplicadores de{0}correção de polarização. Dependem do tipo de perturbação (cotovelo único, cotovelo duplo fora-do-plano, válvula, etc.) e da distância dele. Eles não são perfeitos-eles são baseados em dados experimentais médios-mas aplicá-los é melhor do que ignorar o problema.

Configurações de vários{0}}caminhos

Passar de um caminho ultrassônico para quatro ou cinco melhora drasticamente a precisão em condições reais. Os caminhos são posicionados a distâncias específicas do centro da tubulação, ponderados de acordo com esquemas de integração (quadratura gaussiana e métodos semelhantes) que se aproximam da média-verdadeira da seção transversal.

A British Gas propôs uma geometria de 4{3}}caminhos naquela época, que se tornou amplamente adotada em aplicações de transferência de custódia. Ele alcança precisão de 0,2% do fluxo real, independentemente da orientação do perfil-pelo menos quando o perfil segue os padrões esperados. Compare isso com medidores de caminho único que podem oscilar 1,4% apenas girando o plano de medição em relação a uma perturbação. Grande diferença para medição fiscal.

Os medidores de-caminhos múltiplos também fornecem diagnósticos-integrados. Você pode comparar velocidades de diferentes caminhos. Se as velocidades do caminho não corresponderem às proporções esperadas, algo está errado com o perfil do fluxo e você sabe como investigar.

Compensação de temperatura feita corretamente

Não confie em um único sensor de temperatura longe do ponto de medição. Meça a temperatura nos transdutores ou perto deles. Use a temperatura medida para calcular a velocidade do som se o seu medidor não fizer isso automaticamente. Para líquidos com propriedades conhecidas, existem tabelas; para fluidos personalizados, você pode precisar de dados de caracterização.

Para aplicações de alta-precisão, a compensação do transdutor é mais complexa. A abordagem envolve medir o período de oscilação dos sinais recebidos e usar o período e a temperatura como entradas para um algoritmo de compensação linear de dois-pontos. Parece complicado porque é, mas os fabricantes de ICs começaram a transformar isso em tempo dedicado-para-chips conversores digitais.

Restringir-questões específicas

Os medidores de fixação-adicionam outra camada de complexidade: a parede do tubo. O som viaja através da parede, refrata nas interfaces e capta atrasos. A medição precisa da espessura da parede é fundamental-use um medidor de espessura separado, perpendicular à superfície, com gel de acoplamento. Corrosão ou depósitos de incrustações prejudicam a espessura da parede e o diâmetro interno. Um estudo de 2016 testando nove pinças portáteis-em medidores encontrou erros médios de -12,8% a +1.2%, com a maioria subestimando a vazão. Oito dos nove metros têm leitura baixa.

A diferença de tempo de trânsito que você está tentando medir pode ser de dezenas de nanossegundos. Extrair isso de sinais ruidosos requer bons algoritmos.

A detecção-de cruzamento zero é o método tradicional: descubra onde a forma de onda recebida cruza a amplitude zero e use esse tempo. Simples e rápido, mas sensível a variações de ruído e amplitude.

A correlação-cruzada oferece melhor imunidade a ruídos. Ele compara todas as formas de onda upstream e downstream, encontrando a mudança de tempo que maximiza sua correlação. A matemática é mais pesada, mas os FPGAs agora lidam com isso facilmente. Algumas implementações alcançam resolução inferior a{4}}nanossegundos.

Mais recentemente, as abordagens de aprendizagem profunda mostraram-se promissoras para a estimativa da taxa de fluxo sob condições complexas. Treinar uma rede neural em campos de fluxo simulados-de CFD e suas assinaturas ultrassônicas correspondentes; deixe-o aprender os padrões que os humanos podem perder. Ainda experimental em produtos comerciais, mas os trabalhos acadêmicos são animadores.

Ultrasonic Flow Meter Accuracy

A calibração de fábrica utiliza condições ideais: tubos longos e retos, fluxo estável, fluidos conhecidos, temperatura controlada. Sua instalação não possui nada disso. Isso não torna a calibração inútil, mas significa que a precisão declarada (geralmente de ±0,5% a ±1% da leitura) representa o melhor-desempenho.

A calibração-in-situ ou a verificação em relação a um medidor de referência ajudam a estabelecer o desempenho-real. Os medidores Coriolis são excelentes referências se você puder instalar um; eles são imunes à maioria dos efeitos de perfil que perturbam o ultrassom. Algumas operações usam um medidor ultrassônico mestre com precisão significativamente maior (mais caminhos, melhor processamento) para verificar unidades robustas.

A calibração em múltiplas taxas de fluxo em toda a faixa operacional esperada vale o esforço. O medidor pode estar-acertado em 50% da capacidade, mas oscilar em 10% ou 90%. Obtenha pontos de dados e ajuste uma curva de correção, se necessário.

Conversa honesta: às vezes uma tecnologia de medição diferente faz mais sentido. Se você precisa de precisão de 0,1% e pode arcar com o custo, os medidores Coriolis vencem. Eles medem o fluxo de massa diretamente, ignoram os perfis de velocidade e não são afetados pela temperatura. A desvantagem é o preço, o tamanho e a queda de pressão,-mas para a transferência de custódia de produtos-de alto valor, eles se pagam.

Para líquidos condutores com fluxo altamente perturbado, os medidores de vazão magnéticos podem superar o ultrassônico. Eles são insensíveis ao formato do perfil, desde que o perfil seja axissimétrico (o que cotovelos e válvulas podem perturbar, mas de forma menos severa do que com ultrassom).

Mas para tubulações grandes, aplicações de gás, instalações de modernização onde não é possível cortar a tubulação ou situações em que a queda de pressão é inaceitável,-o ultrassom geralmente continua sendo a única opção prática. Conheça suas limitações e contorne-as.

A precisão do medidor de vazão ultrassônico no mundo real depende da compreensão da lacuna entre as condições do laboratório e sua instalação real. Efeitos do perfil de velocidade, variações de temperatura, características do transdutor, condições do tubo-todos contribuem. A precisão declarada de ±1% pode se tornar ±3% ou pior se você ignorar esses fatores.

A boa notícia: a maioria desses problemas tem soluções conhecidas ou pelo menos soluções alternativas conhecidas. Práticas de instalação adequadas, fatores de correção apropriados, boa compensação de temperatura, projetos de-caminhos múltiplos onde o orçamento permitir e calibração realista sob condições reais podem aproximar-o desempenho do mundo real dos limites teóricos.

Não confie cegamente na folha de especificações. Entenda o que afeta o seu medidor, meça o que puder, corrija o que você sabe e mantenha margens de incerteza adequadas para o que permanece desconhecido. Isso não é pessimismo-é metrologia.

E se alguém perguntar se o seu medidor ultrassônico é preciso, a resposta honesta é: depende. Mas agora você sabe o quê.