Clamp-on-Durchflussmesser funktionieren bei Flüssigkeitsleitungen in 90 % aller industriellen Anwendungen problemlos. Es gibt also immer noch etwa 10 % Anwendungen, die laut Spezifikation funktionieren sollten, aber dann doch keine zuverlässigen Messergebnisse liefern.

Das Durchschallen von Rohrwänden ist nicht immer einfach denn Ultraschallwandler, Rohr und Fluid stellen ein komplexes Schallsystem dar, das bei jeder Anwendung unterschiedlich „klingt“. Und das sind keine klanglichen Nuancen, sondern eher wie der Unterschied zwischen einem Käferbrummen und einer Schlagbohrmaschine.

Intelligente Signaloptimierungsstrategie
Von Instrumenten weiß man, dass kleinste Änderungen zu massiven Klangänderungen führen können. 2 cm Klebeband an der richtigen Stelle angebracht, bringen eine Geige zum Schweigen. 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 deltawaveC 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 ist die Vorbereitung des Rohres und die optimale Montage der Sensoren essentiell.

Mit Hilfe der Montageschienen werden die Ultraschallwandler perfekt zentriert, der Abstand ist präzise und die Wandler sind in Rohrachse ausgerichtet. 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.

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-/Dämpfungs-Anteilen 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‘s 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. Das geschieht ganz ähnlich wie bei Spurensicherung von Fingerabdrücken im Sonntags-Tatort. 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.

Inbetriebnahme ohne spezielles Know-how
Systec Controls ist es gelungen, dem DSP die Expertise eines erfahrenen Inbetriebnahme-­Ingenieurs einzuprogrammieren: In einem Optimierungsvorgang, der vom Benutzer einfach per Knopfdruck angestoßen wird, variiert delta­waveC 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 – ganz ohne besondere Expertise.

Automatische Signaloptimierung erleichtert „unmögliche“ Clamp-on- Messungen
Die automatische Signaloptimierung verbessert insbesondere bei ungünstigen Leitungs-/Sensorkombinationen die Signalqualität enorm und bringt echte Vorteile: Die Messung hat kleinere Nullpunktfehler, besser Genauigkeiten, geringeres Messwertrauschen und mehr Reserven gegen Prozesseinflüsse wie Gasblasen, Feststoffe oder EMV-Störungen.

Messstellen wo wir früher massive Messwertschwankungen und Abweichungen beobachteten, liefern mit der neuen Technologie perfekte Ergebnisse (Abb. 6). Aber auch an „einfachen“ Messstellen reduziert die automatische Signaloptimierung die Nullpunktfehler und erlaubt dynamischere Messungen bei geringerer Messwertvarianz.

Do it yourself statt teuer einkaufen
Einen Experten, der die Messstelle vor Ort optimiert, macht das neue deltawaveC überflüssig. Dank der integrierten Oszilloskop-Funktion kann der normale Benutzer den Erfolg seiner Inbetriebnahme auch direkt am Gerät sehen.

Und sollte doch mal etwas schief gehen, lassen sich in deltawaveC die Signale in Form von wav-Dateien, die Geräteparametrierung und Datenlogs ganz einfach über USB herunterladen und dem Hersteller zur Analyse zusenden.

Der Autor
Dipl.-Ing. Oliver Betz, Geschäftsführer, systec Controls