Ultralydsflowmåling - Clamp-on og in-line

De typiske opgaver som løses med Clamp-on er

• Kontrol af flow (Bærbar)
• Kontrol af andre flowmålere (Bærbar)
• Aggresive medier
• Sanitære forhold
• Energimålinger
• Flowmåling ved store rør (6500mm)
• Højt tryk

De typiske medier er

• Fjernvarme / Energi
• Vand / Spildevand
• Kemikalier (Syre, Lud mm.)
• Hydraulikolie
• Olie (Diesel, Dieselolie, Benzin)
• Naturgas / Gas

Hvordan fungerer en ultralydsflowmåler?

Der findes generelt set to montage typer, In-line og Clamp-on, måleprincippet er dog ens for dem begge.
Clamp-on modelen findes både i en bærbar og en stationær version. Derudover findes der to måleprincipper med ultralyd - transittid og Doppler.

Hvad er ultralyd?

Lydbølger opstår når et omgivende medium (f.eks. luft) sættes i bevægelse og vi opfatter det som vibrationer. Ultralyd er lydbølger med så høj en frekvens (svingningstal), at de ikke opfattes som lyd af det menneskelige øre, hvis overgrænse ligger ved ca. 18.000 svingninger pr. sekund (Hz). Denne grænse er dog aldersbestemt og falder jo ældre vi bliver.

Hvordan frembringes ultralyd?

Lyden frembringes ved hjælp af en piezoelektrisk krystal, skåret som en skive, hvor de to sideflader påtrykkes en spændingsforskel. Herved vil afstanden imellem fladerne øges eller mindskes (afhængig af spændingsforskellens fortegn), og anvender man en vekselspænding, vil sidefladerne svinge ud og ind i takt spændingsomslagene. Derved sættes også det omgivende medium i svingninger, og man kan på denne måde frembringe højfrekvente lydbølger.

Hvad er transittid?

Transittid er et udtryk for, hvor hurtig en genstand rejser fra A til B. Et eksempel er en flyvemaskine, der skal fra København til London. Rejsen tager 1 time og 30 min, dvs. at flyets transittid er 90 minutter. Når vi taler om en Clamp-On flowmåler, erstatter vi flyvemaskinen med en ultralyds puls.

På nedenstående billede ser vi et rørstykke som har 2 ultralydstransducere monteret på ydersiden.

1. Transducer A sender en lydpuls mod transducer B.
2. Transittiden bliver målt "T1"
3. Transducer B sender en lydpuls mod transducer A
4. Transittiden bliver målt "T2"

Hvis flowretningen er mod højre, betyder dette at lyden vil rejse hurtigere fra A til B end omvendt. Dette skyldes at vi først sender lyden med strømmen og bagefter mod strømmen. Hvis vi skal finde et udtryk for flowhastigheden, kan dette beregnes med formlen ∆T=T2-T1.

Det forholder sig sådan, at ∆T er ligefrem proportional med flowhastigheden, dvs. kender vi tidsforskellen, kan vi finde flowet i meter/sekund. Når hastigheden er kendt, kan flowcomputeren beregne volumenflowet ud fra hastighed og rørets indvendige areal i f.eks. i m³ / h.

Reflexor: (kendt som doppler måling)

Når der er tale om væsker med mange partikler eller luftbobler, kan det nogen gange være nødvendigt at måle flowet med transittid. Dette skyldes at lyden ikke længere kan trænge igennem mediet.
Derfor er det nødvendigt at anvende et alternativ som netop bruger partikler / luftbobler som reference. Princippet bygger på en ændring af lydfrekvensen.

Denne måling kræver at transducerne er monteret på samme side af røret, og at den ene transducer konstant virker som sender, og den anden som modtager. Når sendetransduceren sender en puls af sted ind i mediet, er frekvensen kendt. Denne puls vil blive reflekteret tilbage mod modtagetransduceren idet den rammer en partikel / luftboble. Ved mødet med partiklen ændrer lyden frekvens, og denne frekvensændring registreres af modtagetransduceren. Det samme kender vi fra et udrykningskøretøj, hvor lyden af sirenen ændre karakter i takt med at afstanden ændres.

Reglen siger at frekvensændringen er ligefrem proportional med partiklens hastighed. I dette princip går vi ud fra, at partikelhastigheden er den samme som væskens hastighed igennem røret. Det er et måleprincip som bruges mindre og mindre, efterhånden som transittidsmålerne overtager pga. fremskridt indenfor signal og støjbehandling. 

Clamp-on princippet

Som navnet antyder er Clamp-on princippet at transducerne monteres (eller clampes) uden på røret og sender lydbølgerne igennem rørvæggen og ind i mediet. Det indebære nogle væsentlige fordele sammenlignet med In-line ultralydsmåling, her tænkes specielt på montagen. Ved Clamp-on skal der ikke skæres og svejses i rørene og transducerne kan endda monteres under drift. Det medføre oftest store besparelser på anlægsudgifterne, især ved eftermontage. Der er også tit eksempler på applikationer, hvor systemer ikke kan lukkes ned for ved montage af en flowmåler, f.eks. køle og fjernvarmeanlæg. Her er Clamp-on særdeles attraktivt løsning.

Clamp-on målere findes i bærbare og stationære versioner. De har forskellige arbejdsområder, hvor de bærbare primært bruges til midlertidige kontrol- og verificeringsopgaver, samt indkøring ved opstart af anlæg. Så bruges de stationære til permanente opgave såsom flowmåling ved store rørdiametre.
En bærbar måler kan også bruges som reservemåler, da man med en 4...20 mA udgang hurtigt kan erstatte en defekt måler indtil denne kan repareres eller erstattes. Begge modeller kan også måle energi (se mere nedenfor).

In-line princippet

Ved et In-line princip er måleren udført som et rørstykke med indbyggede transducere ved f.eks. flange montage. Ved både Clamp-on og In-line er målingen uafhængig af ledningsevne eller andre parametre, men den store forskel er montagen, hvor en In-line måler skal monteres med f.eks. flanger som kræver en del smede arbejde. Den store fordel ved In-line måleren er dog at den kan kalibreres / indjusteres fra fabrikkens side (bestemmelse af meter faktor), hvor der med en Clamp-on efterfølgende skal ske en opmåling af rørdiameteren ved montagen.

Montage af clamp-on måler

Når transducerne skal monteres ved et Clamp-on system, er der forskellige konfigurationer du kan vælge. Transducerne kan sættes på samme side af røret eller på hver sin side. Du skal tage stilling til hvor mange lydveje du ønsker at bruge (1, 2, 3 eller flere, Softwaren hjælper til med at bestemme dette). Vælges et lige antal lydveje placeres transducerne på samme side og modsat ved ulige antal.

Antallet af lydveje er også med til at bestemme løbetiden, jo flere lydveje jo længere afstand skal tilbagelægges. Da den tidsforskel vi ønsker at måle (delta t) er i nano (10^-9) eller pico (10^-12) sekunder, opnås et mere stabilt og sandfærdigt resultat med så mange lydveje som muligt. Men jo længere løbetid kommer også større signaltab, så det er en opvejning af nøjagtighed kontra signalstyrke. Normalt vælges mellem 2-4 lydveje. Afstanden imellem transducerne bestemmes af rørdiameteren og antal lydveje bestemmes af softwaren.  Ved en In-line måler er dette fastsat fra fabrikken og kan ikke ændres.

Energimåling med ultralyd

Som billedet nedenfor angiver, så kan man måle den afsatte energi i f.eks. en varmeveksler ved at måle flowet på frem eller returløbet, samt måle frem- og returløbstemperaturen. Det er kun nødvendigt at måle enten frem eller returløbs flowet, da man forventer at flowet ind i varmeveksleren også er det samme som kommer ud på retur strengen. Den indbyggede energi-computer beregner derved energiflowet.

Clamp-on måling ved høj temperatur

Normalt vil du kunne måle på medier med temperature på op til +200 °C med et Clamp-on system. Ønsker du at måle ved højere temperaturer kan du benytte nogle specielle montagebeslag som muliggør måling op til +400 °C. Princippet er at man flytter transduceren væk fra det varme rør og laver forbindelsen til ultralyden igennem den tynde metalplade. Denne plade har en stor varmeafgivelse pga. det store areal, men ringe varmeledning til transduceren pga. det lille tværsnit.

Dette åbner op for en række applikationer, som tidligere kun kunne måles med f.eks. en måleblænde. Specielt raffinaderier har mange højtemperatursapplikationer, hvor det vil være fordelagtigt at udskifte de forældede måleblænder med Clamp-on.