Schwierige Messungen ohne Spezialwissen meistern

Clamp-on-Durchflussmesser mit automatischer Signaloptimierung

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09.07.2020 Bei schwierigen Messungen mit Aufschnall-Sensoren spielt die richtige Installation und Inbetriebnahme eine wesentliche Rolle. Hier hilft ungeübten Anwendern ein Clamp-on-Gerät, das die Signalerzeugung und Auswertung automatisch an die Gegebenheiten anpasst.

Entscheider-Facts

  • Beim Einsatz von Clamp-on-Durchflussmessern kommt es insbesondere bei schwierigen Messungen auf die korrekte Installation an.
  • Durch eine automatische Signaloptimierung liefert ein neues Gerät auch bei schlampigen Installationen plausible Messwerte.
  • Genauigkeit, Nullpunktfehler und Messwertrauschen verbessern sich dadurch.

Clamp-on-Durchflussmesser funktionieren bei Flüssigkeitsleitungen in 90 % aller industriellen Anwendungen problemlos. Es gibt also immer noch rund 10 % Anwendungen, die laut Spezifikation funktionieren sollten, aber dann doch keine zuverlässigen Messergebnisse liefern. Denn das Durchschallen von Rohrwänden ist nicht immer einfach, denn Ultraschallwandler, Rohr und Fluid stellen ein komplexes Schallsystem dar, das bei jeder Anwendung unterschiedlich „klingt“. Die 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. Beide Größen lassen sich durch einen optimalen Anbau der Ultraschallwandler und eine intelligente Signaloptimierungsstrategie massiv beeinflussen. Für die Signaloptimierung braucht der neue Durchflussmesser nun keinen Fachmann mehr vor Ort, denn sie läuft komplett automatisch.

An den meisten Messstellen reicht ein ungefähres Platzieren der Ultraschallwandler auf der Rohrleitung, etwas Kontaktpaste auf dem Aufbau und Wandler und 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 sind die Vorbereitung des Rohres und die optimale Montage der Sensoren essenziell. Mit Hilfe der Montageschienen werden die Ultraschallwandler korrekt zentriert. Aus vielen Installationen ist bekannt, dass eine gute Vorbereitung der Rohrwand und ein sauberes Ausrichten der Ultraschallwandler oft mehr als 400 % Signalgewinn bedeuten. Hohe Signalpegel sorgen für Reserven, wenn Störungen auf die Messung einwirken, z. B. in Form von Gasblasen, wachsenden Inkrustierungen, EMV oder Fouling in der Rohrleitung.

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Eine automatische Signaloptimierung vereinfacht den Einsatz dieses Clamp On-Ultraschall-Durchflussmessgeräts. Bild: Systec Controls

Automatische Signalerzeugung und Auswertung in der Elektronik

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 mit Hilfe 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 DSP werden im Kreuzkorrelationsverfahren Laufzeitdifferenzen im Bereich von Picosekunden ermittelt.

 

Bei der Kreuzkorrelation werden die Ultraschallscans der Up- und Downstreamsignale übereinandergelegt und solange verschoben, bis eine optimale „Deckung“ der Signale erreicht wird. 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.

Dem DSP des neuen Durchflussmessgeräts wurde die Expertise eines erfahrenen Inbetriebnahme-Ingenieurs einprogrammiert: In einem Optimierungsvorgang, der vom Benutzer einfach per Knopfdruck angestoßen wird, variiert der Messumformer 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. Daraus resultiert eine Messung mit kleineren Nullpunktfehlern, besseren Genauigkeiten, geringerem Messwertrauschen und mehr Reserven gegen Prozesseinflüsse wie Gasblasen, Feststoffe oder EMV-Störungen.

Eine integrierte Oszilloskop-Funktion erlaubt es normalen Benutzern, den Erfolg der Inbetriebnahme direkt am Gerät zu sehen. Und sollte doch mal etwas schiefgehen, können die Signale in Form von wav-Dateien, die Geräteparametrierung und Datenlogs via USB heruntergeladen und dem Hersteller zur Analyse zugesendet werden.

Interview mit Oliver Betz, Geschäftsführer Systec Controls

„Clamp-on kann mehr!“

Systec Controls Oliver Betz

Oliver Betz ist Geschäftsführer von Systec Controls. Bild: Systec Controls

CT: Welches sind die häufigsten Anwendungsfehler beim Betrieb von Clamp-on-Durchflussmessgeräten?
Betz: Die meisten Fehler sind früher bei der Parametrierung passiert. Aber inzwischen ist das nicht mehr schwieriger als bei anderen Durchfluss-Messprizipien: Man muss natürlich die richtigen Rohrdimensionen eingeben und auch die vorgegebenen Ein- und Auslaufstrecken einhalten. Die Messung ist in den allermeisten Fällen problemlos. Lediglich dann, wenn ein Gerät nicht nach Anleitung installiert wurde oder Störungen von außen kommen, gibt es noch einen gewissen Prozentsatz an Geräten im Feld, die weniger gut oder mit großen Schwankungen funktionieren. Da kann ein guter Ingenieur in der Inbetriebnahme noch einiges rausholen. Denn im Hintergrund verfügen die Geräte immer noch über eine ganze Menge Stellschrauben, mit denen man bei problematischen Anwendungen noch einiges herauskitzeln kann. Und das macht das Gerät jetzt selbständig – wir haben das Experten-Know-how quasi in die Software integriert.

CT: Dennoch haftet der Clamp-on-Messung häufig die Meinung an, dass die Geräte vor allem in der Inbetriebnahme kompliziert sind.
Betz: Früher haben wir mit fast jedem Clamp-on-Gerät auch noch eine Inbetriebnahme verkauft. Das ist längst nicht mehr notwendig. Unser Ziel, ein Inbetriebnahmekonzept zu entwickeln, das auf einer DIN-A4-Seite in Bildern erklärt werden kann, haben wir längst erreicht. „Keep it safe and simple“ lautet unser Ansatz. Und selbst die A4-Seite ist nicht mehr notwendig. Wenn der Anwender das Gerät startet, erfährt er über das große Display, was er machen soll. Die Tatsache, dass kaum noch Serviceanfragen kommen, bestätigt, dass das Bedienkonzept greift.

CT: Wie kommt es dann, dass die Clamp-on-Messung vor allem in der Chemie noch immer eine Randerscheinung ist? Denn als eingriffsfreie Messung ohne Medienberührung scheint das Prinzip doch perfekt für das Bilanzieren gefährlicher oder aggressiver Chemikalien?
Betz: Unsere bisher wichtigsten Märkte sind die Wasserwirtschaft und Energieversorgung. Dort ist das Prinzip gut etabliert – vor allem zur Messung von Wärmemengen. In der Chemie gibt es teilweise noch Vorbehalte aufgrund negativer Erfahrungen in der Vergangenheit. Zudem spielt auch die Lieferantenauswahl bzw. Standardisierung der großen Chemieunternehmen eine Rolle – diese kompliziert den Einsatz innovativer Produkte. Bei den mittelständischen Chemiebetrieben sehen wir steigendes Interesse und großes Potenzial für die Clamp-on-Ultraschallmessung. Denn die Vorteile bei der Messung toxischer oder korrosiver Medien liegen auf der Hand. Große Anlagenbetreiber haben Messtechnik-Aufgaben an Dienstleister ausgelagert – und die setzen häufig auf bekannte Technik, für die das Know-how schon da ist. So beobachten wir beispielsweise, dass die Durchflussmessung nach dem Differenzdruck-Prinzip eine Renaissance erlebt.

CT: Welche Vision verfolgt Systec Controls im Markt für Prozessmesstechnik?
Betz: Wir sind in den vergangenen Jahren vor allem auch in China stark gewachsen und betreiben dort ein Produktions- und Entwicklungszentrum. Aktuell werden magnetisch-induktive Durchflussmesser und Wibelzähler produziert, bald auch Gaszähler und Coriolisgeräte. In einem weiteren Schritt sollen die Geräte dann auch in Europa verkauft werden. Unser Ziel heißt: Komplettanbieter für die Durchflussmessung werden. Ich sehe die verschiedenen Mess­prinzipien komplementär: MID-Geräte sind bei kleinen und mittleren Nennweiten vergleichsweise günstig und präzise. Coriolisgeräte sind sehr präzise, werden aber bei großen Nennweiten oder korrosiven Medien sehr teuer. Clamp-on Ultraschall-Technik ist relativ günstig und funktioniert auch bei nicht leitfähigen Fluiden und bei beliebig großen Durchmessern.

Dass die Ultraschall-Clamp-on-Technik inzwischen ausgereift ist, scheint noch nicht überall bekannt zu sein – zumindest erkläre ich mir so, weshalb der Marktanteil, verglichen mit den traditionellen älteren Messverfahren, eigentlich zu niedrig ist. Das wollen wir ändern.  [as]

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Über den Autor

Oliver Betz, Geschäftsführer Systec Controls
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