Dlaprzepływomierz ultradźwiękowy z pomiarem czasu przejściaSiła sygnału jest jednym z najprzydatniejszych parametrów diagnostycznych. Istnieje jednak powszechne nieporozumienie:

Wysoka siła sygnału nie oznacza koniecznie wysokiej dokładności pomiaru, a niska siła sygnału nie oznacza koniecznie, że przepływomierz jest uszkodzony.

Siła sygnału mówi nam przede wszystkim, jak skutecznie sygnał ultradźwiękowy przemieszcza się przez rurę i ciecz oraz jak dobrze jest odbierany przez przeciwny przetwornik.

1. Co to jest siła sygnału?

Mówiąc prościej,siła sygnału wskazuje siłę sygnału ultradźwiękowego odbieranego przez przepływomierz.

W przypadku przepływomierza ultradźwiękowego z zaciskiem, droga akustyczna wynosi w przybliżeniu:

Przetwornik → Ściana rury → Wyściółka → Ciecz → Wyściółka → Ściana rury → Przetwornik

Nadajnik generuje sygnał ultradźwiękowy, który przenika przez ściankę rury i ciecz, zanim dotrze do przetwornika odbiorczego.

Jeśli energia akustyczna jest przesyłana ze stosunkowo niewielką stratą, odebrany sygnał będzie silniejszy. Jeśli sygnał ulegnie znacznemu osłabieniu, odbiciu lub rozproszeniu, odebrany sygnał stanie się słabszy.

2. Jakie czynniki wpływają na siłę sygnału?

Na odbierany sygnał ultradźwiękowy może znacząco wpływać wiele czynników.

2.1 Materiał rury

Różne materiały, z których wykonane są rury, mają różne właściwości akustyczne.

Typowe przykłady obejmują:

• Stal węglowa
• Stal nierdzewna
• Lane żelazo
• PCV
• HDPE
• Rura wyłożona cementem

Energia ultradźwiękowa zachowuje się inaczej, przechodząc przez różne materiały. Dlatego ten sam przepływomierz może wykazywać różną siłę sygnału po zainstalowaniu na różnych typach rurociągów.

2.2 Grubość ścianki rury

Grubość ścianki rury ma szczególne znaczenie w przypadku pomiaru przepływu za pomocą zacisku ultradźwiękowego.

Zasadniczo im grubsza ścianka rury, tym większą ilość materiału musi przeniknąć sygnał ultradźwiękowy, co może zwiększyć tłumienie akustyczne.

Może to być szczególnie ważne w przypadku:

Rury o dużej średnicy i grubych ściankach

Dlatego też przy wyborze przepływomierza ultradźwiękowego nie wystarczy kierować się wyłącznie rozmiarem rury.

Na przykład zamiast podawać tylko:

Rozmiar rury: DN500

o wiele bardziej przydatne jest zapewnienie:

Materiał rury + Średnica zewnętrzna + Grubość ścianki + Materiał wykładziny

2.3 Wykładzina rurowa

Wyściółka rurociągu może mieć znaczący wpływ na siłę sygnału.

Do powszechnie stosowanych materiałów podszewkowych należą:

• PTFE
• Guma
• Cement
• Epoksyd
• Plastikowy

Sygnał ultradźwiękowy może wymagać przejścia przez:

Przetwornik → Ściana rury → Wykładzina → Ciecz

Jeżeli właściwości akustyczne wykładziny znacznie różnią się od właściwości rury i cieczy, mogą wystąpić dodatkowe straty akustyczne.

Dlatego sama świadomość, że rura jest „stalowa”, nie zawsze wystarczy. Należy również wziąć pod uwagę rodzaj i grubość wewnętrznej wykładziny.

3. Dlaczego pęcherzyki powietrza zmniejszają siłę sygnału?

Jedną z najczęstszych przyczyn osłabienia lub niestabilności sygnałów ultradźwiękowych są pęcherzyki powietrza.

Ponieważ gaz i ciecz mają zupełnie inne właściwości akustyczne, pęcherzyki mogą rozpraszać i odbijać fale ultradźwiękowe.

Bez znaczących pęcherzyków powietrza:

Sygnał ultradźwiękowy → Ciecz → Przetwornik odbiorczy

Z pęcherzykami powietrza:

Sygnał ultradźwiękowy → Bąbelki → Rozproszenie/Odbicie → Utrata energii → Słabszy odbierany sygnał

W rezultacie nadmierna ilość pęcherzyków powietrza może powodować:

• Zmniejszona siła sygnału
• Niestabilne odczyty przepływu
• Przerywana utrata sygnału
• Słaba stabilność pomiaru

Dlatego też, gdy siła sygnału nagle spada, inżynier powinien nie tylko sprawdzić przetworniki, ale także zbadać, czy w rurze nie ma powietrza.

4. Połączenie przetwornika jest również kluczowe

W przypadku przepływomierza ultradźwiękowego z zaciskiem, przetwornik nie ma bezpośredniego kontaktu z cieczą. Sygnał ultradźwiękowy musi przejść przez ściankę rury.

Ścieżkę sprzężenia można uprościć następująco:

Przetwornik → Związek sprzęgający → Ściana rury

Słabe sprzężenie może znacząco zmniejszyć siłę sygnału.

Typowe przyczyny obejmują:

• Niewystarczająca ilość związku sprzęgającego
• Nierówne sprzęganie
• Rdza lub korozja na powierzchni rury
• Gęsta farba lub powłoka
• Chropowata powierzchnia rury
• Luźne przetworniki
• Przetworniki, które zostały przesunięte względem swojej pierwotnej pozycji

Właściwe przygotowanie powierzchni i dobry kontakt mechaniczny pomiędzy przetwornikiem i rurą są zatem niezbędne do niezawodnej transmisji ultradźwięków.

5. Czy wysoka siła sygnału oznacza wysoką dokładność?

Niekoniecznie.

To jest jeden z najważniejszych punktów, które należy zrozumieć.

Siła sygnału mówi nam przede wszystkim:

„Czy przepływomierz może odbierać wystarczająco silny sygnał ultradźwiękowy?”

Dokładność pomiaru natomiast wymaga:

„Jak bardzo zmierzony przepływ różni się od rzeczywistego?”

To są dwie różne rzeczy.

Na przykład:

Przypadek A

Siła sygnału: wysoka

Jednak przetworniki są zamontowane w złym miejscu i profil przepływu jest znacznie zniekształcony.

→ Sygnał może być silny, ale pomiar nadal może być obarczony błędem.

Przypadek B

Siła sygnału: umiarkowana

Ale przetworniki są prawidłowo zainstalowane, stan rurociągów jest odpowiedni, a sygnał jest stabilny.

→ Przepływomierz może nadal osiągać dobrą wydajność pomiaru.

Dlatego:

Wysoka siła sygnału ≠ Wysoka dokładność

6. Jak nisko jest za nisko?

Nie ma uniwersalnej wartości siły sygnału, którą można by zastosować do każdego przepływomierza ultradźwiękowego.

Różni producenci mogą definiować i wyświetlać siłę sygnału w różny sposób, na przykład:

• Siła sygnału %
• Siła sygnału w dB
• Jakość sygnału
• SNR
• Poziom sygnału odebranego

Te parametry są ze sobą powiązane, ale sąniekoniecznie bezpośrednio porównywalne między różnymi producentami lub modelami.

W przypadku konkretnego przepływomierza należy kierować się instrukcją producenta oraz wewnętrzną definicją urządzenia.

7. Siła sygnału a SNR

Aby uzyskać bardziej zaawansowane zrozumienie, ważne jest również rozróżnienieSiła sygnałuzSNR (stosunek sygnału do szumu).

Siła sygnałuopisuje głównie:

Jak silny jest odbierany sygnał ultradźwiękowy.

SNRopisuje:

Siła użytecznego sygnału w stosunku do szumu tła.

Na przykład przepływomierz może odbierać stosunkowo silny sygnał, ale jeśli szum elektryczny lub mechaniczny jest również wysoki, współczynnik SNR może być nadal niski.

Dlatego też, gdy instrument dostarcza parametrów takich jak:

Siła sygnału + SNR + Jakość sygnału

najlepiej byłoby je oceniać łącznie.

8. Jak siłę sygnału można wykorzystać do rozwiązywania problemów?

Praktycznym podejściem do rozwiązywania problemów jest obserwacja obupoziom i stabilnośćsygnału.

Stabilny i stosunkowo silny sygnał

Oznacza to ogólnie, że:

• Przetworniki są dobrze sprzężone
• Ścieżka akustyczna jest akceptowalna
• Sygnał odbiorczy jest stabilny

Dokładność pomiaru nadal wymaga jednak odrębnej oceny.

Bardzo słaby sygnał

Sprawdź następujące elementy:

1. Instalacja przetwornika
2. Związek sprzęgający
3. Stan powierzchni rury
4. Grubość ścianki rury
5. Wykładzina rurowa
6. Pęcherzyki powietrza
7. Czy rura jest całkowicie pełna
8. Odległość między przetwornikami
9. Wybór przetwornika
10. Parametry rurociągu i płynu wprowadzone do przepływomierza

Siła sygnału nagle spada

Zwróć szczególną uwagę na:

• Do rury przedostają się pęcherzyki powietrza
• Luźne przetworniki
• Zniszczone sprzęgło
• Zmiany warunków eksploatacji
• Istotne zmiany temperatury płynu
• Wibracje rur

9. Siła sygnału jest raczej wskaźnikiem stanu akustycznego

Ostatecznie,siłę sygnału należy traktować jako wskaźnik diagnostyczny akustyczny, a nie bezpośredni wskaźnik dokładności.

Pomaga odpowiedzieć na pytanie:

„Czy sygnał ultradźwiękowy przemieszcza się przez rurę i ciecz i jest prawidłowo odbierany?”

Samo w sobie nie daje odpowiedzi na pytanie:

„Czy pomiar przepływu jest dokładny?”

Prawidłowa ocena powinna uwzględniać wiele czynników:

Siła sygnału + SNR/Jakość sygnału + Instalacja przetwornika + Stan rurociągu + Stan płynu + Profil przepływu + Kalibracja

Dlatego w praktycznych zastosowaniach inżynierskichsiła sygnału jest przydatna przede wszystkim do weryfikacji instalacji, rozwiązywania problemów i monitorowania stanu akustycznego systemu pomiarowego, a nie jako samodzielny parametr dokładności pomiaru.