リアルタイムで時間を過ごしたことがあるなら超音波流量計すでにその要点はご存知でしょう。非侵襲的で可動部品がなく、ほぼあらゆるものに作用します。-そしてほら、それはほとんど真実です。しかし、正確な会話はどうですか？そこが興味深いところであり、-時にはイライラすることもあります。なぜなら、実験室では正確な超音波メーターであっても、エルボや温度変動、その他プロセスで発生するあらゆる要因がある実際のパイプラインにボルトで取り付けると、まったく異なる動作をする可能性があるからです。
これは、テクノロジーを怖がらせるためのものではありません。超音波メーターは、依然として多くの用途にとって最良の選択肢の 1 つです。重要なのは、何が精度に影響を与えるのか、そして-さらに重要なこと-それに対して実際に何ができるのかを理解することです。
誰もきちんと説明していない基本
通過時間型超音波流量計は、2 つのトランスデューサ間で音響パルスを送信することで動作します。-1 つは上流、もう 1 つは下流です。流れに乗って移動するパルスは、流れに抗うパルスよりもわずかに速く到着します。その時間差、ここではナノ秒のことを話していますが、流速に変換されます。
紙の上では十分シンプルです。問題は、速度測定が 1 つのパス (より複雑なメーターではいくつかのパス) に沿って行われることに気付いたときに始まりますが、実際に気にするのは平均パイプ断面全体の速度-。流体はどこでも同じ速度で動くわけではありません。壁近くでは遅くなり、中央では速くなります。メーターが見ている内容と実際に起こっていることとの関係は、速度プロファイルと呼ばれるものに依存します。-そのプロファイルは、レイノルズ数、パイプの粗さ、上流の外乱、その他約 12 の要因によって変化します。
メーターが嘘をつく理由（場合によっては）
エラーの主な原因について率直に言ってみましょう。
速度プロファイルの歪み
メーターの上流にエルボを置くと、非対称の流れが作成されます。速度分布は歪んでおり、おそらく渦巻いており、単一パスの測定値は…正確には何を表しているでしょうか?-研究によると、上流の障害を考慮しない場合、上流の障害だけで最大 15% のエラーが発生することがわかっています。マルチパス メーターは-非常に役立ちます。-パイプ直径のいくつかの点で速度をサンプリングし、加重平均を使用します。-しかし魔法ではありません。ひどく乱れたプロフィールは、依然として彼らをつまずかせる可能性があります。
レイノルズ数の問題
ここで人々を不意を突くものがあります。速度プロファイルの形状は固定されていません-レイノルズ数によって変化します。低流量 (層流領域、Re が約 2300 未満) では、放物線状のプロファイルが得られます。中心速度は平均の 2 倍になる可能性があります。高流量（乱流、Re 4000 以上）では、プロファイルはかなり平坦になります。中心速度は平均の1.1～1.2倍くらいでしょうか。
これは実際には何を意味するのでしょうか?メーターがある流量で適用する補正係数が、別の流量では間違っている可能性があります。ほとんどのメーカーは何らかの補償を組み込んでいますが、その背後にある前提が実際の状況と一致しない可能性があります。
これをモデル化するために、べき乗則速度プロファイルが数十年にわたって使用されてきました。{0} Nikuradse の 1930 年代の作品-そうです、その古いものです-今でも多くの補正アルゴリズムの基礎となっています。プロファイルは方程式 u/u_max=(1 - r/R)^(1/n) に従います。n はレイノルズ数に応じて変化します。 n が約 7 の場合、かなり平坦な乱流プロファイルが見られます。 n が 4 に近づくと、状況はさらに尖ります。単一の中心線パスの補正係数は、条件に応じて 0.75 から 0.95 まで変動します。
パイプ壁の粗さ
粗いパイプはプロファイルをより平らにします。新しい滑らかなパイプと腐食した古いパイプでは、時間の経過とともに測定値に 0.5 ～ 1% の違いが生じる可能性があります。-おそらく、なぜメーターがずれたのか疑問に思うまで気付かないでしょう。
温度: 沈黙の妨害者
温度はすぐには明らかではない形で超音波測定に影響を与えるため、これは別のセクションに値します。
まず、流体の音速は温度によって変化します。水中では、摂氏 1 度上昇するごとに音速が約 2.4 m/s 増加します。メーターの通過時間の計算では、特定の音速を想定しています。それを間違えると、フローの読み取りが変わります。最新のメーターには温度センサーと補償アルゴリズムが組み込まれており、優れたメーターでは温度による誤差を 1.5% から約 0.2% まで削減できます。{4}}しかし、補償が不十分な安価なユニットはどうでしょうか？彼らはさまよってしまうだろう。
2 番目に、-これは微妙ですが、-トランスデューサー自体の特性が温度によって変化します。電気機械応答が変化します。実際に発砲するタイミングと発砲すると主張するタイミングにはずれがあります。上流と下流のトランスデューサーが完全に一致しない場合 (同じ製造バッチであっても完全に一致することはありません)、温度によって変化するバイアスが発生します。一部の論文では、トランスデューサーのタイミング ドリフトが 1 度あたりピコ秒のオーダーであると報告していますが、ナノ秒-スケールの差を測定していることを思い出すまでは、このことは些細なことのように思えます。
第三に、パイプ自体が伸縮します。パスの長さが変わります。通常、効果は小さいですが、他のすべてのものとともに蓄積されます。
流量補正：実際に改善する
さて、問題は十分です。何ができるでしょうか？
インストールを正しく行う
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退屈な答えですが、最もインパクトのある答えです。直管の配管が重要です。昔の経験則では、メーターの上流でパイプの直径が 10-20、下流で 5 でした。これは単一の経路メーターでは妥当です。-マルチパス設計はより寛容ですが、それでもクリーンなフローの恩恵を受けます。良好な直流を達成できない場合は、フロー コンディショナーが役立ちます。-チューブ束、多孔板、ベーン型デバイス。彼らは乱れたプロフィールを切り刻み、再編成する機会を与えます。
ある研究では、外乱から下流のパイプ直径が 2 つある場合、超音波計は 21% の不確実性で 15% ずれている可能性があることがわかりました。直径が 10 倍になると、劇的に縮小します。直径が 50 になると、基本的には理想的な状態になります。実際の設置のほとんどはその中間に位置するため、実際的な問題は、どの程度の誤差を許容できるか、どのくらいのパイプ長を割り当てることができるかということになります。
補正係数を適切に適用する
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流れのレイノルズ数がわかっている場合 (速度、パイプ直径、動粘度から計算できるはずです)、プロファイル補正係数を適用できます。単一の直径パスの場合、補正係数 K はパス-の平均速度を断面-の平均速度-に関連付けます。 K は、層流の約 0.75 から、完全に発達した乱流の約 0.94 まで変化します。
一部の新しいメーターでは、組み込みアルゴリズムを使用してこれが自動的に行われます。{0}手動で係数を調整できるものもあります。さらに、予想される動作範囲に「十分に近い」固定値を想定している人もいます。自分がどのタイプなのかを知りましょう。
プロファイルが非対称である乱流に対しては、バイアス補正乗算器が開発されています。{0}これらは外乱の種類（シングル エルボ、面外のダブル エルボ、バルブなど）とその距離によって異なります。--これらは完璧ではありません。-平均化された実験データに基づいています-が、問題を無視して適用することはできません。
マルチパス構成-
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超音波経路を 1 つから 4 つまたは 5 つに変更すると、実際の条件下での精度が大幅に向上します。パスはパイプの中心から特定の距離に配置され、真の断面平均を近似する積分スキーム (ガウス求積法および同様の方法) に従って重み付けされます。-。
British Gas は当時、保管転送アプリケーションで広く採用される 4- パス形状を提案しました。少なくともプロファイルが予想されるパターンに従っている場合、プロファイルの向きに関係なく、実際の流れの 0.2% 以内の精度を達成します。-これを、外乱に対して測定面を回転させるだけで 1.4% 変動する可能性がある単一経路メーターと比較してください。会計メーターの場合は大きな違いがあります。
マルチパス メーターには、診断機能も組み込まれています。{0}{1}さまざまなパスからの速度を比較できます。経路速度が予想された比率と一致しない場合は、流れプロファイルに問題があるため、調査する必要があります。
温度補償は正しく行われます
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測定点から遠く離れた単一の温度センサーに依存しないでください。トランスデューサまたはその近くの温度を測定します。メーターが自動的に音速を計算しない場合は、測定された温度を使用して音速を計算します。既知の特性を持つ液体については、テーブルが存在します。カスタム流体の場合は、特性データが必要になる場合があります。
高精度アプリケーションの場合、トランスデューサの補償はより複雑になります。{0}このアプローチには、受信信号の発振周期を測定し、周期と温度の両方を 2 点線形補償アルゴリズムへの入力として使用することが含まれます。-。複雑そうに聞こえますが、IC メーカーはこれを専用の時間対デジタル コンバータ チップに組み込み始めています。-
-特定の問題に対処する
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クランプ式メーター-では、パイプ壁という複雑な層がさらに加わります。音は壁を通って伝わり、界面で屈折し、遅延が生じます。正確な肉厚測定が重要です-カップリング ゲルを備えた、表面に対して垂直な別の厚さゲージを使用します。腐食やスケールの堆積により、壁の厚さと内径の両方が損なわれます。 9 台のポータブル クランプ式メーターをテストした 2016 年の研究では、平均誤差が -12.8% から +1.2% であり、そのほとんどが流量を過小評価していることが判明しました。 9 メートル中 8 メートルの数値が低い。
高度な信号処理技術
測定しようとしている通過時間の差は、数十ナノ秒である可能性があります。ノイズの多い信号からそれを抽出するには、優れたアルゴリズムが必要です。
ゼロクロス検出は従来の方法です。受信した波形が振幅ゼロと交差する場所を見つけ、そのタイミングを使用します。シンプルで高速ですが、ノイズや振幅の変動に敏感です。
相互相関により、ノイズ耐性が向上します。{0}アップストリーム波形全体とダウンストリーム波形全体を比較し、それらの相関関係を最大化する時間シフトを見つけます。計算はより複雑ですが、現在では FPGA で簡単に処理できます。一部の実装では、-ナノ秒未満の解像度が達成されます。
最近では、深層学習アプローチが複雑な条件下での流量推定に有望であることが示されています。 CFD でシミュレートされた流れ場とそれに対応する超音波シグネチャでニューラル ネットワークをトレーニングします-。人間が見逃してしまう可能性のあるパターンを学習させましょう。商用製品ではまだ実験段階ですが、学術論文は有望です。
校正の現実
工場出荷時の校正では、長い直線パイプ、安定した流れ、既知の流体、制御された温度などの理想的な条件が使用されます。あなたのインストールにはこれらのどれもありません。だからといってキャリブレーションが無駄になるわけではありませんが、記載されている精度（多くの場合読み取り値の ±0.5% ～ ±1%）が最良の場合のパフォーマンスを表すことを意味します。-
-その場での校正や基準メーターに対する検証は、実際のパフォーマンスを確立するのに役立ちます。-設置できれば、コリオリ計は優れた参考資料になります。超音波を悩ませるほとんどのプロファイル効果の影響を受けません。一部の操作では、大幅に高い精度 (より多くのパス、より優れた処理) を備えたマスター超音波メーターを使用して、主力ユニットをチェックします。
予想される動作範囲全体にわたって複数の流量で校正することは、努力する価値があります。メーターは容量 50% では正確に表示されますが、10% または 90% では変動する場合があります。-データポイントを取得し、必要に応じて補正曲線を当てはめます。
超音波が解決策ではない場合
正直な話: 別のメーター技術の方が合理的な場合もあります。 0.1% の精度が必要で、コストに余裕がある場合は、コリオリ計が最適です。質量流量を直接測定し、速度プロファイルを無視し、温度の影響をほとんど受けません。欠点は、価格、サイズ、圧力損失です。-しかし、高価な製品の保管転送の場合は、コストがかかります。-
流れが大きく乱れた導電性液体の場合、電磁流量計の方が超音波よりも優れた性能を発揮する可能性があります。プロファイルが軸対称である限り、プロファイルの形状の影響を受けません (エルボやバルブによって破壊される可能性がありますが、超音波ほど深刻ではありません)。
しかし、大きなパイプ、ガス用途、パイプを切断できない改造設備、または圧力降下が許容できない状況では、多くの場合、超音波が唯一の実用的な選択肢となります。{0}それらの制限を理解し、回避してください。
力を合わせて
現実世界における超音波流量計の精度は、実験室の条件と実際の設置との間のギャップを理解することに依存します。速度プロファイルの影響、温度変化、トランスデューサーの特性、パイプの状態-がすべて影響します。これらの要因を無視すると、±1% の記載精度が ±3% 以上になる可能性があります。
良いニュースです。これらの問題のほとんどには既知の解決策、または少なくとも既知の回避策があります。適切な設置方法、適切な補正係数、適切な温度補償、予算が許す限りのマルチパス設計、実際の条件下での現実的なキャリブレーションにより、現実のパフォーマンスを理論上の限界に近づけることができます。-
仕様書を盲目的に信用しないでください。何がメーターに影響を与えるかを理解し、測定できるものは測定し、わかっていることは修正し、不明な部分については適切な不確実性マージンを維持します。それは悲観論ではありません-それは計測学です。
また、あなたの超音波計が正確かどうか尋ねられたら、正直に答えます。「それは状況による」です。しかし今では、それが何であるかがわかります。
