6. KÖTTER Workshop Gasmengenmessung 2012

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1 6. KÖTTER Workshop Gasmengenmessung / 08. März 2012 Vortrag Nr. 7 Verschmutzung auf dem Prüfstand J.G. Drenthen, M. Kurth, M. Vermeulen, H. d. Hollander KROHNE Messtechnik GmbH Ludwig Krohne Str Duisburg 6. Kötter Workshop Gasmengenmessung KROHNE: Verschmutzung auf dem Prüfstand

2 1 Einführung Nach dem Vortrag Reduzierung von Installationseffekten auf Ultraschallzähler [6] aus dem Jahre 2010 wird im Folgenden kurz auf das Thema Installationseffekte anhand eines im Jahre 2011 stattgefundenen Vergleichs von USZ zurückgeblickt, bevor das eigentliche Thema Verschmutzung von USZ behandelt wird. Betrachtet man die technischen Datenblätter der verschiedenen Hersteller von Ultraschallgaszählern, so findet man nur leicht unterschiedliche Angaben und im Allgemeinen eine außergewöhnliche Übereinstimmung. Ein typisches Beispiel ist in der nachfolgenden Tabelle angegeben. Messungenauigkeit Messunsicherheit Wiederholungsgenauigkeit ±0.5% des Messwertes, nicht hochdruckgeprüft ±0.2% des Messwertes, hochdruckgeprüft (bezogen auf den HD-Prüfstand) ±0.1% des Messwertes, hochdruckgeprüft und linearisiert ±0.1% Aber diese Spezifikation bezieht sich auf die Einlauf- und Prozessbedingungen des Prüfstandes und ist relativ zu der Messunsicherheit des Prüfstandes selbst. Die meisten Prüfstände haben eine Messunsicherheit in der Größenordnung von 0,2%, also der Ableitung des Volumens und des Gewichts von Meter und Kilogramm in Paris. Keiner der Hersteller spezifiziert in seinem Datenblatt den Effekt der Übertragung der Eichkurve vom Hochdruck (HD)-Prüfstand (Bild 1) in die aktuelle Messanlage (Bild 2). Diesen Effekt nennt man Installationseffekt. Bild 1: Ideale Bedingungen am Prüfstand (Quelle: TCC) Bild 2: Reale Bedingungen in der Messanlage Die typische Unsicherheit in der Übertragung der Eichkurve in die aktuellen Bedingungen der Messstation liegt in der Größenordnung von 0,5 %; wesentlich höher als die geeichte Messunsicherheit des USZ selbst. (Siehe hierzu die Ergebnisse der GERG-Gruppe, Bruno Delenne, Evaluation of Flow Conditioners Ultrasonic Meters Combinations NSFMW 2004 [3] und Terence Grimley, AGA conference, Denver 2000 [4]). 6. Kötter Workshop Gasmengenmessung KROHNE: Verschmutzung auf dem Prüfstand

3 Eine andere Messunsichheit, die nicht im technischen Datenblatt der Hersteller spezifiziert ist, ist die hervorgerufene Ungenauigkeit während des Betriebes durch eine mögliche Verschmutzung. Für die HD-Prüfung ist der USZ sauber, aber während des Betriebes, ist der Zähler nach drei oder sechs Monaten möglicherweise verschmutzt. Die daraus resultierende Messunsicherheit kann leicht in der Größenordnung von 0,3 0,5% liegen und ist damit ähnlich groß wie bei den Installationseffekten. Die Verschmutzung lässt sich oftmals nicht vermeiden, aber wohl erkennen und damit die Konsequenzen korrigieren. Die Erkennung der Verschmutzung wiederum ist abhängig von der Pfadkonfiguration des USZ. Bild 3: Ein sauberer USZ nach der HD-Prüfung Bild 4: Ein verschmutzter USZ nach Ausbau Fasst man die hierfür beschriebenen Unsicherheiten zusammen, dann ist die Gesamtmessunsicherheit wesentlich größer als in den Datenblättern angegeben. Uncertainty Due to Meter: Non-linearity, Repeatability Due to Installation effects Conventional designs KROHNE V12 0.2% 0,2% 1,1% 4,5% 0,5% -1,2% -17% 0,2% Due to possible contamination 2,1% 0,9% -1,8% 0,1% Total 0,6% - (18%) 0,25% Tabelle 1: Vergleich der Messunsicherheit zwischen herkömmlichen USZ und KROHNE V12 6. Kötter Workshop Gasmengenmessung KROHNE: Verschmutzung auf dem Prüfstand

4 Tabelle 1 zeigt den Vergleich, vertikal gesehen, zwischen konventionellen USZ und dem KROHNE ALTOSONIC V12. Gleichzeitig wird, horizontal gesehen, der sichtbare Teil des Eisbergs, oder der publizierten Datenblätter der verschiedenen Hersteller, verglichen mit dem unsichtbaren Teil, der wie bekannt 90% beträgt. Oder, wie in der Ultraschallgasmesstechnik, die bisher wenig betrachteten Einflüsse der Installations- und Verschmutzungseffekte, die aber 90% der Messunsicherheit ausmachen können. Will man die Gesamtmessunsicherheit reduzieren, so müssen sowohl die Installationseffekte als auch die Verschmutzungseffekte reduziert werden. Konsequenterweise waren das die Hauptziele bei der Entwicklung des ALTOSONIC V12. Der Effekt von unerwünschten radialen Komponenten der Strömung, auch als Drall bekannt und der axialen Komponenten, auch als Geschwindigkeits-profilstörungen bekannt, wurde auf ein Minimum reduziert. Gleichzeitig wird aber die Möglichkeit, um Ablagerungen zu erkennen und damit zu diagnostizieren, auf ein völlig neues Niveau gehoben. Das Ergebnis ist ein State-of-the-Art Ultraschallgaszähler, der hochwertige Diagnosen mit bestmöglicher Genauigkeit kombiniert. 2 Rückblick Installationseffekte: Vergleichstest USZ, 2011 Ende Juli 2011 wurden Ultraschallgaszähler der Größe DN500/PN100 unterschiedlicher Hersteller auf dem Hochdruckerdgasprüfstand GL Flow Centre Bishop Auckland [7] getestet. Die Prüfungen wurden unter Aufsicht von OGS [8] durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen deutliche Unterschiede in der Genauigkeit der einzelnen Zähler. 2.1 Beschreibung der Prüfaufstellung Testbedingungen: - Nennweite DN500/20 ANSI600 - Medium: Erdgas - Temperaturbereich Medium: 2,14 C T 12,35 C - Druckbereich Medium: 38,6barg P 40,24barg ideal conditions Ideal conditions: 28D = 13.9m A 13D = 6.5m B ideal conditions ideal conditions swirl swirl Bild 5: Testaufstellung Real world conditions with swirl: A B C D K C D K A B 6. Kötter Workshop Gasmengenmessung KROHNE: Verschmutzung auf dem Prüfstand

5 Mit einer geraden Einlauflänge von 28D, typischerweise für Blendenmessungen vorgeschrieben, werden die Ultraschallzähler, wie in Bild 5 angegeben, aneinander geflanscht. Vor dem 28D langen Einlauf befindet sich entweder ein Zanker Strömungsgleichrichter, zum Test unter idealen Einlaufbedingungen, bzw. eine von der PTB entwickelte Drallplatte [10], mit einem Drallwinkel von mehr als 45, was einer sehr starken Einlaufstörung entspricht. Bild 7 zeigt zur Veranschaulichung den simulierten Strömungsverlauf in einer Gasmessstation. Zanker flow profiler Fully developed flow (ideal conditions) PTB plate, swirl angle 45 Disturbed flow due to swirling (real conditions) Bild 6: PTB Drallgenerator (links unten), Zanker Strömungsgleichrichter (links oben) und das entsprechend resultierende Strömungsprofil Courtesy: CFD: Computational Fluid Dynamics Bild 7: Beispiel eines simulierten Strömungsprofilverlaufs in einer Messanlage 6. Kötter Workshop Gasmengenmessung KROHNE: Verschmutzung auf dem Prüfstand

6 2.2 Beschreibung der Zähler im Vergleich Die getesteten Zähler unterscheiden sich unter anderem hinsichtlich der Anzahl der Messpfade und deren Anordnung, untenstehende Beschreibung von links nach rechts. - 4 horizontale Messpfade, übereinander angeordnet - 4 horizontale Messpfade, übereinander gekreuzt angeordnet - 3 horizontale Messebenen, in X-Anordnung - 4 Doppelreflektionspfade, 2 Einfachreflektionspfade - 5 horizontale Messebenen in V-Anordnung, 1 vertikale Messebene in V-Anordnung für Diagnose Out-of-plane swirl cancellation In-plane swirl cancellation Bild 8: Pfadanordnung der verwendeten USZ 6. Kötter Workshop Gasmengenmessung KROHNE: Verschmutzung auf dem Prüfstand

7 % error % error % error % error 2.3 Testergebnisse unter idealen Bedingungen (Hersteller A und B) Unter idealen Bedingungen zeigt der Zähler A, abhängig von der Tageszeit, bei gleichen Messpunkten, Abweichungen von über 0,5%. Da der Zähler B gleichzeitig stabil misst, ist der Prüfstand als mögliche Fehlerursache Baseline auszuschließen. tests RMG Sick 1 0,8 Test 1 A B 0,6 Test 2 A B 0,4 0,2 Test 2 B Test 1 B ,2-0,4 0,61% -0,6 Test 2 A 0,36% -0,8 Test 1 A -1 Bild 9: Test 1 und 2 mit Zähler A und B m3/h Baseline tests RMG 1 0,8 Test 1 A B 0,6 Test 2 A B 0,4 0,2 Test 2 A repeat afternoon ,2-0,4 Test 1 A repeat afternoon 0,61% -0,6 Test 2 A morning 0,36% -0,8 Test 1 A morning -1 m3/h Bild 10: Test 1 und 2 nur Zähler A Die Testreihen 1 und 2 wurden morgens (10.300m 3 /h, m 3 /h, m 3 /h, m 3 /h, 970 m 3 /h) und nachmittags (5.050 m 3 /h, 970 m 3 /h) durchgeführt. Betrachtet man die Kurven des Zählers B, dann sind die gemessenen Prüfpunkte morgens und nachmittags, Tag 1 und Tag 2, innerhalb von ±0,2% und damit innerhalb der Wiederholungsgenauigkeit des USZ und des Prüfstandes. 6. Kötter Workshop Gasmengenmessung KROHNE: Verschmutzung auf dem Prüfstand

8 % error % % error % Der Zähler A dagegen zeigt folgende Unregelmäßigkeiten: - eine Abweichung von > -0,5% gegenüber der Nulllinie - eine starke Nichtlinearität - eine Abweichung von 0,36% bei 7.200m3/h gegenüber Tag 1und 2 - Abweichung von 0,6% gegenüber morgens und mittags. 2.4 Testergebnisse unter idealen Bedingungen (alle Zähler) Baseline Gazprom test 1,00 0,80 0,60 0,40 0,20 C Test 2 A B Test 5 C D K K 0,00-0,20-0,40-0,60-0,80-1,00 0 B D A (rejected due to irregular base line behavior) m3/h Bild 11: Basistest: alle Hersteller (Test 2 und 5) Bild 11 zeigt den Basistest aller Hersteller unter idealen Bedingungen (28D gerader Einlauf mit davor Zanker Strömungsgleichrichter). Der leichte Abfall bei Zähler C, D und K (KROHNE) von 0,2% von 970m 3 /h nach m 3 /h kommt nachweislich vom Prüfstand. Der Zähler A fällt mit seiner starken Abweichung von der Nulllinie und Nichtlinearität aus dem Rahmen. 2.5 Testergebnisse mit Vorstörung Gazprom swirl test BA 20,00 15,00 10,00 5,00 0,00-5,00 B Test 3 A B Test 4 C D K (out-of-plane swirl correction) A K D -10,00-15,00 C (out-of-plane swirl correction) -20,00 Bild 12: Dralltest: Bereich ±20% (Test 3 und 4) m3/h 6. Kötter Workshop Gasmengenmessung KROHNE: Verschmutzung auf dem Prüfstand

9 % error % Gazprom swirl test BA 5,00 4,00 3,00 B (out-of-plane swirl correction) 2,00 1,00 0,00-1,00-2,00-3,00-4,00-5, Test 3 A B Test 4 C D K m3/h D K A Bild 13: Dralltest: Bereich ±5% (Test 3 und 4) Bild 12 zeigt den Kurvenverlauf der einzelnen Hersteller mit der PTB Drallplatte anstatt des Zanker Strömungsgleichrichters. Zähler C disqualifiziert sich mit -17%. Bild 13 zeigt den gleichen Kurvenverlauf wie Bild 12, jedoch im Bereich von ±5%. Der Zähler B zeigt eine Abweichung knapp unter 5%, Zähler A und D sind innerhalb von ±2% und Zähler K (KROHNE) bleibt als einziger USZ innerhalb der eichpflichtigen Fehlergrenzen von ±1%. 2.6 Zusammenfassung Vergleichstest swirl Flow profile scan at five levels Swirl compensation in each measuring plane Bild 14: Kompensation axialer und radialer Störungen bei KROHNE Die Pfadanordnung der Ultraschallzähler ist entscheidend für ihre Fähigkeit Strömungsprofiländerungen oder Drallstörungen zu kompensieren. Der KROHNE USZ ist der einzige Zähler, der unter diesen starken Vorstörungen innerhalb der Eichfehlergrenzen bleibt. Der Grund sind die Drallkompensation pro Messebene und die Profilabtastung auf 5 Messebenen, wodurch radiale und axiale Störungen besser kompensiert werden als bei anderen Herstellern. 6. Kötter Workshop Gasmengenmessung KROHNE: Verschmutzung auf dem Prüfstand

10 3 Verschmutzung auf dem Prüfstand (in Lintorf) Im Juli 2010 wurden auf dem Forschungsprüfstand der E-ON Ruhrgas in Lintorf zwei DN150 Ultraschallzähler künstlich verschmutzt und deren Auswirkung auf verschiedenen Parameter untersucht. Bild 15: Zwei USZ auf dem Prüfstand in Lintorf 3.1. Testprogramm Die Untersuchungen fanden Ende Juli 2010 unter heißen, aber auch wechselnden Witterungsverhältnissen statt. Daraus resultierende Strömungsschichten bei niedrigeren Geschwindigkeiten beeinflussten die Wiederholungsgenauigkeit, wodurch die Varianz größer als üblich war. Ungeachtet dessen lag die Wiederholungsgenauigkeit innerhalb der 2 Wochen Testdauer üblicherweise zwischen 0,1% und 0,15% bei Geschwindigkeiten oberhalb von 4m/s. Das Testprogramm mit zwei Zählern umfasste folgende Verschmutzungen: - auf dem Rohrboden - asymmetrisch an der Rohrwand - symmetrisch an der Rohrwand - auf der Ultraschallwandleroberfläche - in den Wandlertaschen Für den USZ zeigen sich diese Verschmutzungen als: - eine Reduzierung des Messrohrquerschnitts - eine erhöhte Wandrauheit - Signaldämpfung durch die Reduktion des Reflektionskoeffizienten 6. Kötter Workshop Gasmengenmessung KROHNE: Verschmutzung auf dem Prüfstand

11 - Absorption des Ultraschallsignals durch die Ablagerung auf der Wandleroberfläche - akustischer Kurzschluss durch Flüssigkeit in der Wandlertasche Darüber hinaus wurde ein möglicher Einfluss der Rauheitsänderung am Reflektionspunkt und der Einfluss von glatten und stark verrauten (korrodierten) Einlaufrohren untersucht Verschmutzung auf dem Gehäuseboden des USZ Bodenverschmutzung kann durch die Verwendung eines vertikalen Ultraschallpfads detektiert werden. Die Wahrscheinlichkeit eine Verschmutzung zu erkennen hängt ab von der Viskosität, der Dichte, der Schichthöhe der Flüssigkeit am Boden, dem zu messenden Gas selbst, wie auch der Gasgeschwindigkeit. Die Schichtdicke selbst hängt von den Eigenschaften der Flüssigkeit b.z.w. des Gases ab, wie auch vom Druck und der Gasgeschwindigkeit. Eine Klassifizierung der einzelnen Verschmutzungen ist in [3] nachzulesen. Das Feststellen der künstlichen Verschmutzungsschichtdicke war eine Herausforderung. Mittels Schiebelehre und dem Wiegen der verwendeten Schmiere [9] wurde eine mittlere Schichtdicke von 0,5mm mit Maximalwerten von 2mm ermittelt, siehe Bild 16. Grundsätzlich ist die Messunsicherheit, speziell der mittleren Schichtdicke, relativ hoch, da die Schmiere an der Schiebelehre hängenblieb. Benutzt man jedoch Schallgeschwindigkeit des vertikalen Pfades im vergleich zum horizontalen, ist die Messung wesentlich genauer. Aus diesem Grunde wurde für alle weiteren Messungen die Schallgeschwindigkeit zur Schichtdickenbestimmung benutzt. Bild 16: Links vorne: Einlaufstück, links hinten USZ. Rechts: Verschmutzung des Rohrbodens. Für diese Verschmutzungsart sind erwartungsgemäß folgende Diagnoseparameter wichtig: - Der Unterschied in der Schallgeschwindigkeit des vertikalen Pfads (Nr.6) - Der Reflektionskoeffizient - Der Unterschied in der Standardabweichung, sowohl der Gas- als auch der Schallgeschwindigkeit In bisherigen Veröffentlichungen über Ablagerungen auf dem Boden von USZ wurde berichtet, dass Ablagerungen durch Geschwindigkeitsprofiländerungen erkannt werden 6. Kötter Workshop Gasmengenmessung KROHNE: Verschmutzung auf dem Prüfstand

12 Gasfluss Verschmutzung könnten. Im vorliegenden Test ist dies nicht der Fall, wie in Bild 17 zu sehen ist. Grund könnte sein, dass die Schichtdicken in jenen Veröffentlichungen wesentlich dicker waren, zum Beispiel 5mm anstelle von 0,5mm, wie im vorliegenden Fall. 8.0% 6.0% 4.0% 2.0% 0.0% % sauber -4.0% verschmutzt -6.0% -8.0% -10.0% -12.0% Bild 17: Geschwindigkeitsprofil mit Verschmutzungsschicht auf der rechten Seite Betrachtet man Bild 17, so ist offensichtlich, dass die Veränderung des Profils nur minimal ist und zur Erkennung von Bodenverschmutzung unbrauchbar. Erst bei einer Faktor 10 dickeren Schicht ist eine Profiländerung zu erwarten. Der zweite Indikator ist der Reflektionskoeffizient, siehe Bild 18, der ein Maß für die Signal strength with and without bottom fouling GAINBA6 GAINBA6 GAINBA1 GAINBA2 GAINBA3 GAINBA4 GAINBA5 GAINBA Bild 18: Änderungen des Reflektionskoeffizienten 6. Kötter Workshop Gasmengenmessung KROHNE: Verschmutzung auf dem Prüfstand

13 % difference Auch hier ist die Änderung wegen der geringen Schichtdicke sehr gering, maximal 1dB. Solche Änderungen der Signalstärke ergeben sich auch bei Druckänderungen von 10% und der Reflektionskoeffizient kann deshalb auch nur in Kombination mit anderen Parameter genutzt werden. Der Unterschied in der Standardabweichung von sowohl Gasgeschwindigkeit wie auch Schallgeschwindigkeit sind wichtige Parameter für Änderungen in der hydraulischen Rauheitsänderung. Zum Beispiel bei Flüssigkeitsanhäufung am Rohrboden, wenn die Oberfläche von glatt nach wellig übergeht. In Bild 19 ist die Standardabweichung von Pfad 6 (vertikal, verschmutzt) und Pfad 3 (mittlerer Pfad horizontal, nicht verschmutzt) dargestellt Path Path 3 SDCh_SoS[3] SDCh_SoS[6] SDCh_SoS[3] SDCh_SoS[6] SDCh_SoS[1] SDCh_SoS[2] SDCh_SoS[3] SDCh_SoS[4] SDCh_SoS[5] SDCh_SoS[6] Bild 19: Standardabweichung Pfad 3 und 6 In Bild 19 ist zu erkennen, dass die Standardabweichung bei höherer Gasgeschwindigkeit beim verschmutzten Pfad 6 zunimmt. Wie schon erwähnt, ist nicht nur die Schichtdicke, sondern auch die Viskosität mitentscheidend für das Ergebnis. Auch hier gilt: als für sich alleinstehender Parameter ist die Standardabweichung unzureichend, aber in Kombination mit anderen Parametern sehr nützlich. 0.50% SOS comparison; bottom fouling 0.40% 0.30% 0.20% 0.10% 0.00% -0.10% -0.20% -0.30% Bild 20: Schallgeschwindigkeitsänderung auf Pfad 6 m/s 6. Kötter Workshop Gasmengenmessung KROHNE: Verschmutzung auf dem Prüfstand

14 % error In Bild 20 ist zu erkennen, dass die Schallgeschwindigkeit des vertikalen Pfades (Nr.6) sich um 0,2% gegenüber den horizontalen Messpfaden verschoben hat. Erfahrungsgemäß sind Abweichungen von >0,05% schon alarmierend. Berechnet man die Veränderung der Pfadlänge aufgrund der Änderung in der Geschwindigkeit, so ergibt sich eine Schichtdicke von 0,3mm, also etwas geringer als mit der Schiebelehre gemessen. Berechnet man nun aufgrund des geringeren Querschnitts den Messfehler, auf Basis einer Korrektur erster Ordnung, so ergibt sich ein Wert von 0,12%. In Bild 21 ist das Prüfstandsergebnis zu sehen: der am Rohrboden verschmutzte Zähler weicht gegenüber dem sauberen in einem Band von 0,2% ab. Der theoretisch berechnete Wert von 0,12% stimmt mit dem praktischen Ergebnis überein Bottom fouling base downstream bottem fouling 0.20 First order correction Bild 21: Bodenverschmutzung: sauber vs verschmutzt m/s 3.3. Asymmetrisch Verschmutzung an der Rohrwand Die willkürliche, asymmetrische Verschmutzung bewegt sich langsam, aufgrund des Gasflusses, vorwärts. Wie schnell, und ob überhaupt, wenn es sich um eine Ansammlung augrund der Einlaufbedingungen handelt, hängt von der Gasgeschwindigkeit und der Dichte, bzw. der Eigenschaft der Verschmutzung, selbst ab. Praktisch ist nicht vorherzusehen, wann die Verschmutzung an einer bestimmten Stelle auftritt. Aber es ist wahrscheinlich, dass jede Stelle, über die Zeit betrachtet, irgendwann verschmutzt sein wird. Für den Test wurde willkürlich Schmiere [13] aufgetragen, sowohl im USZ, wie auch im Einlaufrohr, siehe Bild 21. Bild 21: Willkürliche Verschmutzung an der Rohrwand. 6. Kötter Workshop Gasmengenmessung KROHNE: Verschmutzung auf dem Prüfstand

15 Verwendet man reflektierende Pfade, so zeigt sich bei dieser Verschmutzungsart ein irreguläres Verhalten sowohl bei den Schallgeschwindigkeiten, als auch bei den Signalverstärkungsfaktoren der verschiedenen Pfade. Auch ist die Wandrauheit beeinflusst, was sich in einem geänderten Geschwindigkeitsprofil zeigt. Für diese Verschmutzungsart sind erwartungsgemäß folgende Diagnoseparameter wichtig: - Sprunghaften Veränderungen in der Schallgeschwindigkeit im Laufe der Zeit - Schwankungen in der Signalstärke - Änderungen im Geschwindigkeitsprofil - Änderungen in der Standardabweichung verschiedener Parameter 8.0% 6.0% With fouling 4.0% 2.0% 0.0% % -4.0% -6.0% % -10.0% -12.0% Bild 22: Änderungen im Geschwindigkeitsprofil zweier Geschwindigkeiten (4m/s, 10m/s) Von Bild 22 kann man sehen, dass, wie erwartet, dass Geschwindigkeitsprofil aufgrund der Verschmutzung spitzer geworden ist. Die Änderung selbst ist unzureichend, um daraus Rückschlüsse auf eine mögliche Verschmutzung zu ziehen. Aber in Kombination mit anderen Parametern kann die Änderung wichtig sein % 0.200% 0.150% 0.100% 0.050% 0.000% % % % SOS12 SOS13 SOS14 SOS15 SOS23 SOS24 SOS25 SOS34 SOS35 SOS45 SOS16 SOS26 SOS36 SOS46 SOS % % Bild 23: Daumenabdruck der Schallgeschwindigkeiten (gestrichelt = verschmutzt) 6. Kötter Workshop Gasmengenmessung KROHNE: Verschmutzung auf dem Prüfstand

16 Eine praktische Möglichkeit die Schallgeschwindigkeiten (SOS = Speed Of Sound) zu analysieren, ist die Darstellung des sogenannten Daumenabdrucks. Dieser für jeden Zähler individuellen Daumenabdruck ergibt sich durch die Darstellung der Verhältnisse der einzelnen Pfadgeschwindigkeiten: SOS1/SOS2, SOS1/SOS3, SOS1/ SOS4, SOS1/SOS5, SOS2/SOS3 bis zu SOS5/SOS6. Beim Vergleich der sauberen Situation (durchgezogene Linien) mit der Verschmutzung (gestrichelte Linien) kann man diese Unterschiede in Bild 23 erkennen. Pfad 3 hat sich um Fouling, 0,2% intermittendly und Pfad sticking 6 um to 0,1% the pipewall verändert. 0.05% 0.04% 0.03% 0.02% 0.01% 0.00% -0.01% -0.02% -0.03% -0.04% -0.05% m/s Bild 24: Darstellung der Schallgeschwindigkeit als Funktion der Gasgeschwindigkeit Aus Bild 24 lässt sich ableiten, dass die Änderungsrate nicht stabil ist und von der Gasgeschwindigkeit abhängt. Fouling, intermittendly sticking to the wall base downstream intermittently fouling First order correction m/s Bild 25: Fehlerkurve bei asymmetrischer Verschmutzung Obwohl die Änderungen, sowohl in der Schallgeschwindigkeit, als auch im Geschwindigkeitsprofil, relativ gering sind, so ist der resultierende Messfehler in Bild 25 signifikant. Eine Abschätzung des Messfehlers, auf Basis einer Korrektur erster Ordnung, 6. Kötter Workshop Gasmengenmessung KROHNE: Verschmutzung auf dem Prüfstand

17 über einen kurzen Zeitbereich von wenigen Minuten ist unzureichend, wie in Bild 25 zu sehen ist. Es ist offensichtlich, dass Änderungen über einen größeren Zeitraum zu untersuchen sind, um Tendenzen erkennen zu können. Die Untersuchungen für diese Verschmutzungsart werden fortgesetzt Gleichmäßige (symmetrische) Verschmutzung Diese Verschmutzungsart ist schwieriger zu entdecken und eine Trenderfassung ist notwendig. Grundsätzlich ergeben sich zwei Effekte gleichzeitig: Die Rohrquerschnittsfläche wird kleiner und die Wandrauheit verändert sich. Ob glatter oder rauer, hängt von der Verschmutzung selbst ab. Da die Verschmutzungsschichtdicke gleichmäßig und somit für alle Pfade gleich ist, ist der relative Einfluss für die einzelnen Pfadlängen unterschiedlich. Bei zunehmender Schichtdicke ist ein zunehmender Unterschied in der Schallgeschwindigkeit zu erwarten. Steht ein PGC zur Verfügung, so kann die Schallgeschwindigkeit aus der Gaszusammenstellung, Druck und Temperatur, berechnet werden. Aus dem Vergleich zwischen berechneter und gemessener Schallgeschwindigkeit kann die Dicke der Verschmutzungsschicht und damit der zu erwartende Messfehler berechnet werden. Die Verschmutzung verändert auch die Wandrauheit und damit das Geschwindigkeitsprofil. Abhängig von der Pfadposition ergeben sich unterschiedliche Beeinflussungen: - Der Pfad in der Mitte ist am empfindlichsten für Profiländerungen und daher essentiell in der Erfassung - Im Gegensatz dazu sind die beiden Pfade auf der halben Radius Position (0,5R) fast unempfindlich. - Der Einfluss auf die außen liegenden Pfade hängt stark von der Position (0,8R) ab, ist aber unterschiedlich gegenüber den anderen Pfaden. Somit ergibt sich die Erfassung der Profiländerungen durch die Änderungen der äußeren Pfade und des mittleren Pfades, relativ zu den Pfaden auf dem halben Radius. Wichtige Parameter im Hinblick auf Erfassung für diese Verschmutzungsart sind: - Änderung im Geschwindigkeitsprofil - Änderung der Reflektionskoeffizienten - Änderung in der Standardabweichung von Gas- und Schallgeschwindigkeit - Das Verhältnis der Schallgeschwindigkeiten untereinander (Daumenabdruck) Bild 26: Gleichmäßige Verschmutzung im USZ (Ausschnitt) 6. Kötter Workshop Gasmengenmessung KROHNE: Verschmutzung auf dem Prüfstand

18 8.0% 6.0% 4.0% 2.0% 0.0% % -4.0% -6.0% -8.0% % -12.0% -14.0% Bild 27: Änderung des Geschwindigkeitsprofils Aus Bild 27 lässt sich die Änderung des Geschwindigkeitsprofils deutlich erkennen. Durch die Verschmutzung ist das Profil spitzer geworden. Deutlich ist, dass die Wandrauheitsänderung starken Einfluss hat, denn durch die Querschnittsverminderung erwartet man ein flacheres Profil. Am Rohrboden, in Bild 27 also auf der rechten Seite, hat die Rauheit zugenommen, was sich in der etwas niedrigeren Geschwindigkeit zeigt. Der zweite Parameter ist der Reflektionskoeffizient der Pfade 3 (Mitte horizontal) und 6 (Mitte vertikal), siehe Bild Change in signal strength on the reflecting paths GAINAB3 GAINAB6 GAINAB3 GAINAB6 GAINAB1 GAINAB2 GAINAB3 GAINAB4 GAINAB5 GAINAB Bild 28: Gleichmäßige Verschmutzung, Änderungen der Reflektionskoeffizienten 6. Kötter Workshop Gasmengenmessung KROHNE: Verschmutzung auf dem Prüfstand

19 Standard deviation Von Bild 28 ist zu sehen, dass der Unterschied im Reflektionskoeffizienten von Pfad 3 zweimal so groß ist, wie von Pfad 6. Und das, obwohl beide Pfade durch die Rohrmitte laufen und somit in der Pfadlänge identisch sind. Auch ist die berechnete Verschmutzungsschicht zweimal so groß bei Pfad 3 (0,6mm), als bei Pfad 6 (0,3mm). Eine mögliche Erklärung ist, dass Riefen bei Pfad 3 zweimal so tief sind wie bei Pfad 6. Somit müsste die Standardabweichung von Pfad 3 auch größer als von Pfad 6 sein. Eine Bestätigung findet man in Bild 29, worin zu sehen ist, dass sich die Standardabweichung von Pfad 6 sich so gut wie überhaupt nicht ändert. Nur bei einer Tendenzerfassung lässt sich vielleicht klären, wie dieses Phänomen zustande kommt Change in the SOS standard deviation of the reflecting paths SDCh_SoS[3] SDCh_SoS[6] SDCh_SoS[3] SDCh_SoS[6] SDCh_SoS[1] SDCh_SoS[2] SDCh_SoS[3] SDCh_SoS[4] SDCh_SoS[5] SDCh_SoS[6] Bild 29: Gleichmäßige Verschmutzung, Änderungen der Standardabweichung Neben der Standardabweichung der Schallgeschwindigkeit ist auch die absolute Größe ein wichtiger Parameter. Hat man keinen PGC zur Verfügung, setzt man die durchschnittliche Schallgeschwindigkeit als Referenzgröße, siehe Bild 30. Relative SOS at evenly fouling 0.20% 0.15% 0.10% 0.05% 0.00% -0.05% -0.10% Bild 30: Gleichmäßige Verschmutzung, Schallgeschwindigkeit als Funktion der Gasgeschwindigkeit m/s 6. Kötter Workshop Gasmengenmessung KROHNE: Verschmutzung auf dem Prüfstand

20 Berechnet man aufgrund des geringeren Querschnitts den Messfehler, auf Basis einer Korrektur erster Ordnung, so ergibt sich ein Wert von 0,5%. In Bild 21 ist das Prüfstandsergebnis zu sehen: der gleichmäßig verschmutzte Zähler weicht gegenüber dem sauberen in um 0,4% ab. Der theoretisch berechnete Wert stimmt fast mit dem praktischen Ergebnis überein. Evenly fouling First order correction 0.20 base downstream evenly fouling Bild 31: Fehlerkurve bei gleichmäßiger Verschmutzung 3.5. Verschmutzung auf der Wandleroberfläche Für die Untersuchungen wurden 2 Sorten von Verschmutzung durchgeführt. Zum einen wurde eine feste Schicht vor den Wandler geklebt, zum anderen wurde Schmiere [9] auf die Wandleroberfläche aufgetragen. Bild 32: feste Schicht auf dem Wandler (Pfad 1) Bild 33: Schmierschicht auf dem Wandler (Pfad 2) Wenn sich Schmutz auf der Wandleroberfläche manifestiert, sind folgende Parameter wichtig: - Änderung in der Signalstärke - Änderung in der Pfadlänge (Schallgeschwindigkeit) Für den Test wurden die Wandler für Pfad 1 und 2 verschmutzt. In Bild 34 sind die Signalstärken von Pfad 1, 2 und 3 (sauber) gezeigt. 6. Kötter Workshop Gasmengenmessung KROHNE: Verschmutzung auf dem Prüfstand

21 GAINAB1 GAINAB2 GAINAB3 GAINAB GAINAB2 GAINAB3 GAINAB1 GAINAB GAINAB3 GAINAB4 GAINAB5 GAINAB Bild 34: Wandlerverschmutzung auf Pfad 1 und 2, Verstärkungsfaktoren Deutlich ist in Bild 34 der Unterschied bei Pfad 1 und 2 zu erkennen. Die Abweichung beträgt ca. 2dB % 0.200% 0.150% 0.100% 0.050% 0.000% % % % SOS12 SOS13 SOS14 SOS15 SOS23 SOS24 SOS25 SOS34 SOS35 SOS45 SOS16 SOS26 SOS36 SOS46 SOS % % Bild 35: Wandlerverschmutzung auf Pfad 1 und 2, Schallgeschwindigkeit Richtig deutlich wird der Unterschied in der Schallgeschwindigkeit. Bild 35 zeigt den entsprechenden Daumenabdruck. Die Änderung der Pfadlänge beträgt ca. 0,2% oder 0,4mm. 6. Kötter Workshop Gasmengenmessung KROHNE: Verschmutzung auf dem Prüfstand

22 Dirt on the transducers baseline with tape anti-seize Bild 36: Fehlerkurve bei Wandlerverschmutzung In Bild 36 ist, wie erwartet, die punktuelle Verschmutzung zweier Wandler nicht in der Fehlerkurve auffindbar Flüssigkeit in den Wandlertaschen Um den Einfluss von akustischen Kurzschlüssen zu untersuchen, wurden der Spalt zwischen Wandler und Wandlertasche bei Pfad 2 verkleinert. Bild 37: Flüssigkeitsansammlung in Wandlertasche bei verminderter Spaltbreite 6. Kötter Workshop Gasmengenmessung KROHNE: Verschmutzung auf dem Prüfstand

23 % Wenn sich Flüssigkeit in der Wandlertasche ansammelt, kommt es zu akustischen Rückkopplungen über die Zählergehäusewand. Dies führt zu sogenannten Geistersignalen, welche sich mit den normalen Signalen überlagern können und somit die Signalform und damit die Signalerkennung beeinflusst. Dies resultiert in einem Offset-Fehler, vorwiegend bei niedriegen Fliessgeschwindigkeiten. Betrachtet man die Signal-Rauschabstände in Bild 38, so erkennt man deutlich die Abweichung bei Pfad Bild 38: Flüssigkeitsansammlung in Wandlertasche, Änderung des Signal-Rauschabstandes Liquid contamination of the transducer pockets baseline water spray Bild 39: Fehlerkurve bei Flüssigkeitsansammlung in Wandlertasche In Bild 39 ist der Einfluss von Flüssigkeit in den Wandlertaschen zu sehen. Mit zunehmender Gasgeschwindigkeit, ab 10m/s, wird die Flüssigkeit aus den Wandlertaschen gesaugt und die ursprüngliche Fehlerkurve wieder erreicht. m/s 6. Kötter Workshop Gasmengenmessung KROHNE: Verschmutzung auf dem Prüfstand

24 Das Testergebnis zeigt deutlich, dass die Spaltbreite für Nassgasanwendungen größer sein muss, um akustische Kurzschlüsse zu vermeiden. Bild 40 zeigt einen Wandler mit einer Verjüngung am Kopfende, womit die Gefahr akustischer Rückkopplung vermindert wird. Nachteil ist jedoch die größere Wirbelbildung und damit Beeinflussung des Strömungsprofils. Bild 40: Ultraschallwandler für Nassgasanwendungen 3.7. Reflektion auf rauen (korrodierten) Oberflächen Reflektionstechnologie bietet große Vorteile gegenüber Direkt-Pfad Zählern. Wichtige Informationen zur Diagnose werden nämlich über den Reflektionskoeffizienten gewonnen, wie schon mehrfach in diesem Vortrag erwähnt. Durch den großen Unterschied der akustischen Impedanz zwischen Gas und Stahl von 1:1000, beträgt der Reflektionskoeffizient auf glatten Oberflächen 99,9%. Ändert sich die Rauheit der Reflektionsoberfläche, so nimmt mit zunehmender Rauheit der Reflektionskoeffizient ab. Um den tatsächlichen Einfluss zu erfahren, wurden zwei der vier Reflektoren des USZ unterschiedlich aufgeraut, siehe Bild 41. Wichtig ist, dass erstmals der Rauheitseinfluss gezielt nachgewiesen werden konnte. Testergebnisse aus früheren Publikationen, wo die Rauheit des Messgehäuses verändert wurde, führten nie zu einem konkreten Ergebnis, da gleichzeitig auch das Geschwindigkeitsprofil beeinflusst wurde, was zwangsläufig zu falschen Messergebnisse führte. Bild 41: Reflektoren unterschiedlicher Rauheit Obschon der Unterschied in der Rauheit größer ist, als wahrscheinlich jemals in der Praxis vorkommend, zeigt die Fehlerkurve in Bild 42 keinen Einfluss auf die Genauigkeit. Ein Ergebnis, dass auch erwartet wurde. Sind doch seit Einführung der Reflektionstechnologie Ende der achtziger Jahre Tausende von USZ im Einsatz. Lediglich eine Verminderung der Signalstärke um 1,5dB bei der mittleren, und 3dB bei der starken Rauheit wurden festgestellt. 6. Kötter Workshop Gasmengenmessung KROHNE: Verschmutzung auf dem Prüfstand

25 % Reflector roughness base line high roughnmess reflector medium roughness reflect Bild 42: Fehlerkurve bei Reflektoren mit unterschiedlicher Rauheit m/s 3.8. Einfluss von Einlaufstrecken unterschiedlicher Rauheit Üblicherweise sind die Rauheitsanforderungen für Einlaufrohre nicht spezifiziert und so kann die Rauheit der verschiedenen Einlaufstücke stark abweichen. Speziell, wenn die Formstücke vor dem Einbau aufgrund verkehrter Lagerung korrodieren konnten. Wie aus der Praxis bekannt ist, sind Messblenden extrem empfindlich für Geschwindigkeitsprofilveränderungen, die aufgrund unterschiedlicher Rauheit entstehen. Für Ultraschallzähler scheint dies nicht der Fall zu sein. Betrachtet man die internationalen Bestimmungen wie AGA9 oder den ISO Standard 17089, so gibt es weder Angaben noch Empfehlungen für die Rauheit der Einlaufrohre. Mit ein Grund ist die Veröffentlichung von Wilsack & Dane [4], die keine Unterschiede zwischen korrodierten und glatten Einlaufrohren feststellen konnten. Da es sich bei diesen Untersuchungen um Ergebnisse aus dem Jahre 1995 handelt, wurde der Vergleich erneut durchgeführt. Bild 43: geschliffenes Einlaufrohr Bild 44: korrodiertes Einlaufrohr 6. Kötter Workshop Gasmengenmessung KROHNE: Verschmutzung auf dem Prüfstand

26 % Honed versus corroded upstream pipe base line with corroded upstream pipe base line honed upstream pipe Bild 45: Fehlerkurve bei unterschiedlicher Rauheit der Einlaufstrecke Obwohl der Unterschied der glatten und korrodierten Oberfläche des Einlaufrohres groß ist, ergibt sich kein Unterschied im Messergebnis, wie in Bild 45 dargestellt. Allerdings gelten gezeigte Ergebnisse nur für einen KROHNE USZ, da dieser Profiländerungen mit fünf Messebenen kompensieren kann. Wie aus Bild 8 ersichtlich ist, und die Ergebnisse in Bild 10 und Bild 12/13 zeigen, sind große Abweichungen der verschiedenen Zählertypen möglich. m/s 4 Weiterentwicklung KROHNE Care KROHNE hat aufgrund der in 2010 durchgeführten Untersuchungen ein Expertensystem zur Diagnose von Störeinflüssen in der Gasmesstechnik entwickelt. Das Expertensystem sucht nach Veränderungen verschiedener Muster, die für sich eine Kombination unterschiedlicher Parameter darstellen. Durch die heutzutage nahezu unbegrenzte Speichermöglichkeit kann eine Trendanalyse durchgeführt werden, die es erlaubt, zu einem beliebigen Zeitpunkt in der Zukunft einen Wert zu projizieren. Somit bekommt ereignisgesteuerte Wartung in der Gasmesstechnik eine neue Dimension. SOS Noise FAT Signal strength Evenly fouling Calibration Footprint Trending Flow profile CO2 Approval Measuring points Bottom fouling SD SOS Operating envelope Inlet conditions SD Vg Wall roughness T Flow conditioner Condensate Gas composition Materials Gunk Black powder Asymmetrical fouling Signal to noise ratio P Reflection coefficient Pulsation Bild 46: Das Expertensystem KROHNE Care, Mustererkennung und Trendanalyse 6. Kötter Workshop Gasmengenmessung KROHNE: Verschmutzung auf dem Prüfstand

27 Web user Net Ethernet HART Modbus Bild 47: KROHNE Care, integriert im USZ mit WEBserver Bild 47 zeigt das Expertensystem KROHNE Care im USZ integriert, mit Anschlussmöglichkeit von GC (MODBUS) und Druck und Temperatur (HART). Der Zugriff erfolgt über den integrierten WEBserver (ETHERNET) oder seriell über MODBUS. Bild 48 KROHNE Care Hauptmenu Das Hauptmenu von KROHNE Care wurde nach benutzerfreundlichen Gesichtspunkten entworfen. Auf der linken Seite befindet sich das Navigationsmenu des benutzten Internet Brouwsers, auf der rechten Seite die relevanten Messdaten grafisch aufbereitet mit den Signalfarben Grün, Orange und Rot. In der Mitte links oben ist das schematische Bild des USZ angegeben, indem eine Warnung oder Störung grafisch angezeigt wird. Im 6. Kötter Workshop Gasmengenmessung KROHNE: Verschmutzung auf dem Prüfstand

28 vorliegenden Fall handelt es sich um eine leichte, für die Genauigkeit nicht relevante Bodenverschmutzung. In der Mitte rechts oben ist ein einstellbares Zeitdiagramm mit dem allgemeinen Status des Zählers zu sehen. Darunter befinden sich Statusinformationen des Zählers wie Messstationsnamen, Messschiene, Seriennummer, Kalibrierdatum, Hardwareund Softwareversionen etc. Bild 49 KROHNE Care Submenu Trendanalyse Datenspeicherung ist eine Sache, aber deren Aufbereitung eine ganz andere. Bei KROHNE Care kann im oberen Balken in Bild 49 der Zeitraum und die Zeitauflösung angegeben werden. In den darunterliegenden Fenster die zu zeigenden Parameter und deren Max/Min- Werte. So wird manuelle Diagnose, wenn überhaupt erforderlich, einfach gemacht. 5 Zusammenfassung Der Unterschied bezüglich Genauigkeit zwischen den USZ verschiedener Hersteller ist größer als erwartet. Einlaufbedingungen haben einen bis dato nicht erwarteten Effekt auf USZ. Durch die patentierte Pfadkonfiguration des ALTOSONIC V12 können axiale und radiale Profilstörungen besser kompensiert werden. Durch Reflektion des Ultraschallsignals können wichtige Informationen zur Wartungsdiagnose gewonnen werden. Lange bevor es zu Auswirkungen auf die Genauigkeit kommt. Obwohl die Schallgeschwindigkeit ein wichtiger Indikator ist, ist es die Kombination aus allen Parametern, einschließlich Trendanalyse. die eine Diagnose entscheidend verbessert. Waren früher nur kundenspezifisch entwickelte Leitrechnersysteme in der Lage, intelligente Diagnose zu betreiben, so ist mit KROHNE Care ein Expertensystem im USZ integriert, mit dem Diagnose und damit ereignisgesteuerte Wartung eine neue Dimension erhält. 6. Kötter Workshop Gasmengenmessung KROHNE: Verschmutzung auf dem Prüfstand

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