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So überprüfen Sie die Genauigkeit von Ultraschall-Durchflussmessern im Feld

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Praktische Vorgehensweisen, wenn keine Standard-Durchflusskalibrierungsanlage zur Verfügung steht

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Nach der Installation eines Durchflussmessers stehen Außendiensttechniker oft vor einer wichtigen Frage: Wie genau und zuverlässig sind die Messwerte?

Ein Werkskalibrierprotokoll liefert Nachweise über die Messleistung des Geräts unter festgelegten Kalibrierbedingungen. Die tatsächlichen Einsatzbedingungen können jedoch von denen im Labor abweichen. Faktoren wie Rohrmaterial, Rohrdimensionen, Fluidbedingungen, Strömungsprofil und Einbauumgebung können die Messleistung beeinflussen. Dies gilt insbesondere für aufsteckbare Ultraschall-Durchflussmesser, bei denen die Kopplung der Wandler, die Konfiguration der Rohrparameter und die Qualität des Ultraschallsignals die endgültigen Messergebnisse beeinflussen können.

Wie können Ingenieure also feststellen, ob ein Durchflussmesser ordnungsgemäß funktioniert und ob seine Messwerte zuverlässig sind, wenn keine standardisierte Durchflusskalibrieranlage zur Verfügung steht? Für die Überprüfung vor Ort können verschiedene praktische Methoden angewendet werden, darunter Null-Durchfluss-Prüfungen, volumetrische Erfassung, gravimetrische Messung und der Vergleich mit einem Referenz-Durchflussmesser.

Es ist wichtig zu beachten, dass die in diesem Artikel behandelten Methoden für den Vergleich vor Ort und die betriebliche Überprüfung gedacht sind. Sie helfen bei der Beurteilung der Messleistung unter bestimmten Betriebsbedingungen, stellen jedoch für sich genommen weder eine messtechnische Kalibrierung noch eine gesetzliche Eichung dar und ersetzen auch nicht die Kalibrierung unter Verwendung einer rückführbaren Standard-Durchflusskalibrieranlage.

1. Warum ist eine Überprüfung vor Ort notwendig?

Die Laborkalibrierung wird in der Regel unter kontrollierten Durchfluss-, Rohrleitungs- und Einbaubedingungen durchgeführt. Rohrleitungssysteme vor Ort in industriellen Umgebungen sind jedoch oft weitaus komplexer. Langfristiger Betrieb kann zu Ablagerungen an der inneren Rohrwand führen; das Medium kann Gasblasen enthalten; und Messstellen in der Nähe von Pumpenauslässen oder Rohrbögen können starke Turbulenzen verursachen. All diese Faktoren können die Ultraschall-Durchflussmessung beeinträchtigen.

Daher ist die Durchführung einer Überprüfung vor Ort nach der Erstinstallation des Sensors ein sinnvoller Schritt, um die Zuverlässigkeit der Messung sicherzustellen. Die Überprüfung bestätigt, ob der Durchflussmesser normal funktioniert, und hilft bei der Feststellung, ob der Einbauort geeignet ist. Liegt das Vergleichsergebnis innerhalb eines akzeptablen Bereichs, dient es als Referenz für den späteren Einsatz in der Produktion.

2. Null-Durchfluss-Prüfung: Überprüfung des grundlegenden Betriebszustands des Durchflussmessers

Dies ist die schnellste Überprüfung nach der Installation und dient dazu, den grundlegenden Betriebszustand des Sensors zu bestätigen. Die Voraussetzungen sind: Die Rohrleitung muss mit Flüssigkeit gefüllt sein, Absperrventile vor und hinter dem Sensor müssen geschlossen sein, und interne Leckagen durch die Ventile müssen ausgeschlossen sein. Warten Sie ausreichend lange, bis sich die Flüssigkeit vollständig beruhigt hat. Bei Aufstecksensoren stellen Sie sicher, dass die Wandler gut an der Rohrwand anliegen. Bei Inline-Sensoren stellen Sie sicher, dass das Rohr mit dem Medium gefüllt ist und sich keine Luftblasen im Schallweg befinden.

Beobachten Sie unter diesen Bedingungen den Momentanwert. Unter normalen Umständen sollte der Durchflusswert Null oder ein sehr kleiner, stabiler Wert sein. Wenn ein fester Offset vorliegt, schließen Sie nicht sofort darauf, dass der Sensor defekt ist. Ein kleiner Nullpunkt-Offset ist bei Ultraschall-Durchflussmessgeräten mit Laufzeitmessung unter Installationsbedingungen vor Ort üblich und wird häufig durch Verzögerungen in der Elektronik oder Unterschiede bei der Montage der Wandler verursacht. Führen Sie in diesem Fall zunächst die Nullpunktkalibrierung des Messgeräts durch. Nach der Kalibrierung sollte der Momentanwert innerhalb des zulässigen Nullpunktbereichs liegen, der durch die Genauigkeitsspezifikation des Messgeräts definiert ist.

Sollte nach der Nullpunktkalibrierung weiterhin ein erheblicher Offset, eine kontinuierliche Drift oder eine starke Schwankung bestehen, sind weitere Untersuchungen erforderlich. Typische Ursachen sind: Die Messstelle befindet sich zu nahe an Pumpen, Ventilen oder Rohrbögen; Luftblasen im Schallweg; Rohrvibrationen; oder Signalstörungen.

3. Volumetrische und gravimetrische Methoden: Vergleich mit der tatsächlich gesammelten Menge
Volumetrische und gravimetrische Methoden sind einfache Ansätze zur Überprüfung vor Ort. Sie eignen sich besonders für Flüssigkeitsleitungen mit geringem Durchfluss, bei denen eine sichere Flüssigkeitsentnahme möglich ist. Das Grundprinzip lautet: Über einen definierten Zeitraum wird die durch die Rohrleitung fließende Flüssigkeit aufgefangen, das aufgefangene Volumen oder die Masse gemessen, die tatsächliche Durchflussrate berechnet und mit dem vom Durchflussmesser angezeigten Gesamtwert verglichen.

3.1 Vorgehensweise bei der volumetrischen Methode

① Bereiten Sie einen Auffangbehälter mit bekanntem Volumen vor.
② Leiten Sie den stromabwärts gelegenen Auslass des Prüfrohrs in den Behälter, um eine vollständige Entnahme zu gewährleisten.
③ Notieren Sie zu Beginn der Prüfung den Summenwert des Durchflussmessers.
④ Sammeln Sie Flüssigkeit über einen bestimmten Zeitraum und notieren Sie die Versuchsdauer genau.
⑤ Lesen Sie nach dem Versuch den Summenwert des Durchflussmessers ab und messen Sie das tatsächlich gesammelte Flüssigkeitsvolumen.
⑥ Vergleichen Sie die beiden Werte und berechnen Sie die Messabweichung.

3.2 Vorgehensweise bei der gravimetrischen Methode

Die gravimetrische Methode folgt dem gleichen Prinzip wie die volumetrische Methode, verwendet jedoch eine elektronische Waage zur Messung der Masse der gesammelten Flüssigkeit. Das Volumen wird dann berechnet, indem die Nettomasse durch die Dichte des Mediums geteilt wird.

Berechnungsformel: V = m / ρ
V = Volumen der gesammelten Flüssigkeit
m = Nettomasse der gesammelten Flüssigkeit
ρ = Dichte des Mediums bei der Prüftemperatur und den jeweiligen Druckbedingungen
Diese Methode eignet sich gut für Schläuche mit geringem Durchfluss. So lassen sich beispielsweise unsere häufig verwendeten Aufstecksensoren wie die Serien CS und CPD sowie Inline-Sensoren wie die Serie TGU in geeigneten Anwendungen bequem mit der gravimetrischen Methode überprüfen. Voraussetzungen sind: Das Medium muss sauber und frei von übermäßigen Luftblasen sein; der Auffangbehälter muss groß genug sein, um kumulative Fehler durch Wechsel während des Tests zu vermeiden; und die Prozessbedingungen sollten während der Zeitmessung und Datenerfassung stabil gehalten werden, wobei häufige Ventileinstellungen zu vermeiden sind.

Hinweis: Rohrleitungen, durch die unter Druck stehende, giftige oder stark korrosive Medien fließen, dürfen ohne Genehmigung nicht zur Umleitung von Flüssigkeiten geöffnet werden. In solchen Fällen sind andere Vergleichsmethoden vorzuziehen, und die betrieblichen Sicherheitsvorschriften vor Ort müssen stets befolgt werden.

4. Vergleich mit einem Referenzdurchflussmesser am selben Rohrabschnitt: Gegenprüfung mit einem unabhängigen Messgerät

Ist eine Flüssigkeitsentnahme vor Ort nicht möglich, stellt der Vergleich mit einem Referenzdurchflussmesser eine Alternative dar. Bei dieser Methode wird ein kalibrierter und ordnungsgemäß funktionierender Referenzdurchflussmesser am selben Rohrabschnitt wie das zu prüfende Messgerät installiert. Die Messwerte der beiden Messgeräte werden dann verglichen, um die Konsistenz des geprüften Messgeräts zu bewerten.

Bei aufsteckbaren Ultraschall-Durchflussmessgeräten bietet diese Methode einen praktischen Vorteil: Die Referenzwandler können direkt an der Außenwand des Rohrs angebracht werden, ohne dass die Rohrleitung aufgeschnitten oder der Betrieb unterbrochen werden muss. Sie eignet sich für einen vorübergehenden Vergleich an Orten, an denen die Installationsbedingungen ausreichend sind.

Beide Messstellen müssen unabhängig voneinander die Anforderungen an die geraden Rohrstrecken für Ultraschall-Durchflussmesser erfüllen. Die Wandler sollten an getrennten Stellen entlang desselben Rohrs positioniert und nicht an derselben Stelle befestigt werden, um Störungen des Strömungsfeldes zwischen den beiden Sensoren zu vermeiden.

Dieser Ansatz unterbricht die Produktion nicht, ist schnell einsetzbar und kostengünstig. Er eignet sich zur schnellen Fehlerbehebung bei Durchflussabweichungen. Allerdings weist er auch Einschränkungen auf: Jedes Messgerät hat seine eigene inhärente Messunsicherheit. Übereinstimmende Messwerte zweier Durchflussmesser deuten lediglich darauf hin, dass ihre Messtrends konsistent sind; sie beweisen nicht direkt, dass der gemessene Wert der tatsächlichen Durchflussrate entspricht. Es besteht zudem die Möglichkeit, dass beide Durchflussmesser eine gemeinsame Messabweichung aufweisen.

Zudem dauert es bei Durchflusspulsationen oder schnellen Durchflussänderungen eine gewisse Zeit, bis sich die Durchflussänderung vom stromaufwärts gelegenen Messgerät zum stromabwärts gelegenen Messgerät ausbreitet. Auch die Ansprechgeschwindigkeit, die Filterzeit und die Datenaktualisierungsrate der beiden Messgeräte können voneinander abweichen. Aus diesem Grund ist der Vergleich von Durchschnittsdurchfluss- oder Summenwerten unter stabilen Bedingungen im Allgemeinen aussagekräftiger als der direkte Vergleich von Momentanwerten.

Auch ohne eine vor Ort verfügbare Standard-Durchflusskalibrierungsanlage können Außendiensttechniker mithilfe verschiedener praktischer Methoden eine vorläufige Überprüfung eines Ultraschall-Durchflussmessers durchführen. Gleichzeitig sollten Faktoren wie Rohrparameter, Wandlerankopplung, Geradheitsbedingungen und Signalqualität bei der Gesamtbewertung berücksichtigt werden.