Tekst: Rolf Skatvedt, Trainor Automation AS
Målere med tung regnekapasitet og diagnostikk, som flerstråleultralyd og coriolis, har seilt opp som gode alternativer til mekaniske målere for nøyaktige mengdemålinger.
Fiskale-, kjøp og salg- eller allokeringsbaserte mengdemålinger av råolje var fra sin spede begynnelse, og inntil for et par tiår siden, ensbetydende med turbinmeter eller fortrengningsmåler (PD-meter).
Smarte målere
Annen teknologi, eksempelvis ultralyd og coriolis, var lenge betraktet som mulige erstatter for turbinmeter (for måling av enfase-væskemengder som råolje), men det tok tid før det ble gjort noe med dette. Først da raske og robuste prosessdatamaskinbaserte løsninger (prosess computere) kom på markedet mot slutten av 1900-tallet, fikk vi løsninger som var reelle utfordrere til nøyaktige, turbinmeterbaserte mengdemålinger.
Både ultralyd- og coriolis-baserte mengdemålere er det vi omtaler som intelligente målere (sensor = hjerte og computer = hjerne). Det vil si at de gjennom sin basisteknologi og tilgang på avansert datamaskinteknologi kan gi oss mer informasjon enn bare å opplyse oss om hvilken mengde som strømmer gjennom. Tilleggsinformasjonen kan brukes i forkjellige sammenhenger blant annet når det kommer til å diagnostisere godheten til mengdemåleresultatet.
Krever prosessforståelse
All måleteknologi, også ultralyd- og coriolis-baserte mengdemålere, har sine sterke og svake sider. Av den grunn er omfattende prosesskunnskap, kombinert med teknologiforståelse, en forutsetning for valg av riktig måler til et gitt bruksområde. Det er eksempelvis behov for en kost- og nyttevurdering.
Bedre forståelse for ultralyd- og coriolis-baserte mengdemålere gir bedre muligheter for å velge riktig måler til en gitt prosess. Vi går i denne artikkelen mer inn på ultralyd, og kommer tilbake til coriolis i neste utgave.
Ulike gass- og væskemålere
Ultralyd er per definisjon lyd som ligger over det hørbare området for mennesker, normalt omtalt som lyd med en frekvens høyere enn 20 000 svingninger per sekund (20 000 Hz).
Ultralyd, som benyttes i forbindelse med mengdemåling av væsker slik som råolje, vil normalt ha en svingefrekvens i MHz-området, gjerne et sted mellom 1 og 2 MHz. Gassmengdemålere, basert på samme grunnteknologi ligger normalt i området 100 til 300 kHz. Så selv om basisteknologien er den samme for væske- og gassmengdemålere basert på ultralyd teknologi, kan de ikke brukes om hverandre.
Kombinert høyttaler og mikrofon
Transduceren, også kalt en svinger (som ekkoloddet omdbord i en båt), mottar og genererer ultralyden. Dette er en enhet som i det ene tilfellet omsetter elektrisk strøm over til en trykk eller lydbølge. I det andre tilfellet omdanner den mottatt trykk eller lydbølge til en elektrisk spenning. En transducer er med andre ord en enhet som først fungerer som en høyttaler, mens den i neste øyeblikk virker som en mikrofon.
Transduceren er montert slik at lyden den skaper brer seg longitudinelt inn i prosessvæsken, som strømmer i røret hvor mengden skal måles. Avhengig av hvilket ultralyd-måleprinsipp som benyttes, doppler eller gangtid, kan gjennomsnittshastigheten til væsken, som ligger i lydbanen, bestemmes med mer eller mindre god nøyaktighet.
Doppler måler best
Doppler-basert teknologi baserer seg på at frekvensen til utsendt ultralyd vil avvike fra lydfrekvensen som blir reflektert tilbake av partikler som følger med det strømmende prosessmediet. Dette er for øvrig det sammeprinsippet som brukes i forbindelse med politiradarer.
Når det gjelder gangtidsprinsippet (transit time), hvilket er mer nøyaktig og mest brukt, sendes det ultralyd fra en transducer over til en annen (den ene fungerer som høyttaler og den andre som mikrofon) i form av en lydbane som danner vinkel i forhold til strømningsrøret, normalt i området 45 til 60 grader. Denne vinkelen, som prosessmediets hastighet kan dekomponeres til, gjør at ultralyd som sendes i den ene eller andre retningen vil bruke forskjellig tid i sin vandring fra den ene til den andre transduceren. Tidsdifferansen er et mål for gjennomsnitthastigheten til prosessmediet som berører den gitte lydbane.
Trenger flere lydbaner
Vi kan sammenligne det med et menneske som svømmer over en strømmende elv. Nedover får svømmeren hjelp av vannstrømmen mens den blir en ekstra kraft som må overvinnes på turen tilbake, og derav gir forlenget tid for en som svømmer med samme hastighet.
Vannhastigheten i overflaten på en elv er imidlertid forskjellig i forhold til hastigheten vi finner i andre dybder av elven, eksempelvis langs bunnen av elven. Tilsvarende er også tilfelle for fluider som strømmer i rør, eksempelvis olje. Skal vi få et korrekt mål for mengden som strømmer i røret, basert på målt hastighet i en gitt bane, må det gjøres flere lydbanemålinger slik at vi kan etablere korrekt gjennomsnittshastighet for strømningsprofilen.
Vektet kalkulasjon
Nøyaktige ultralydsmålere, eksempelvis de som benyttes i fiskale oljemengdemålinger, har normalt minimum fire lydbaner, det vil si åtte transducere plassert langs rørveggen, fire og fire på hver side, forskjøvet i lengderetning, slik at vi kan oppnå ønsket vinkel.
Gjennomsnittlig hastighetsverdi beregnes i henhold til vektfaktorer som representerer arealet i strømningsrøret som lydbanen dekker opp. Det er med andre ord ikke summen av hastigheten målt av hver enkelt lydbane, dividert med antall lydbaner.
Avdekker avvik
Men hver lydbane vil være utsatt for samme prosessmedium (om turen frem og tilbake tilbakelegges tilstrekkelig raskt, opp mot hundre ganger raskere enn den raskeste forandring i prosessparametere som trykk, temperatur og densitet), og således skal lydens forplantningshastighet (Velocity of Sound = VOS eller Speed of Sound = SOS), målt av hver enkelt lydbane, være den samme hvis måleren fungerer som den skal.
Et eventuelt avvik mellom VOS målt på de forskjellige lydbanene indikerer en eller annen uregelmessighet, og kan dermed føre til feilmåling av strømningsmengde. Andre diagnostiske parametere, som man gjerne finner i en ultralydsmåler og koblet mot hver enkelt lydkanal, er signal til støyforhold (signal to noise ratio = SNR), forsterkningsfaktor (gain), swirl-faktor, og så videre. Det er imidlertid viktig å være klar over at disse faktorene ikke har noen absoluttverdier, men vil variere i forhold til størrelse på måler, prosessparametere, og så videre, og følgelig må disse verdiene trendes, det vil si logges og lagres, over tid for å angi om ting beveger seg utenfor akseptable operasjonsverdier.
Våtkalibrering med tilsvarende væske
Tidsdifferansene mellom lyd som er sendt mot eller med strømningsretningen for en væskebasert ultralydsmåler, er gjerne noen få nanosekunder, slik at oppløsningen, det vil si evnen til å oppdage små forandringer i tid, må være i pikosekunder. Dette vil si en milliondel av et milliondels sekund dersom vi skal oppnå fiskal nøyaktighet.
En nøyaktig ultralydbasert væskemåler setter store krav til tidsdifferansemålingen og statistiske håndteringer av disse for nøyaktig fremskaffelse av prosessmediets midlere hastighet (m/s). For optimal nøyaktighet bør den ”våtkalibreres” i et akkreditert strømningslaboratorium. Væsken som benyttes i lab må ha tilnærmet samme prosessverdier (densitet, viskositet, temperatur, trykk, og så videre) som dem måleren vil oppleve i sin normale driftssituasjon. En nøyaktig måler, med god robusthet overfor prosessforandringer, bør kunne vise tilnærmet samme nøyaktighet, uavhengig av hvilken vei strømningen går gjennom den.
Flere sterke sider
Midlere hastighet (m/s) multiplisert med målerens åpningsareal (m) gir volumstrømningsrate (m/s) ved aktuelle linjebetingelser, og dette igjen multiplisert med væskekorreksjonsfaktor for temperatur (Ctlm) og trykk (Cplm) gir volumstrømningsrate ved avtalte referansebetingelser, i Norge henholdsvis 15 °C og 1,01325 barA.
En ultralydbasert væskemengdemåler har mange fordeler:
- Ingen bevelige deler som slites over tid.
- Ingen obstruksjoner for strømningen og derav heller ikke ekstra trykkfall.
- Gode diagnostikkmuligheter som funksjon av flere lydbaner, avansert elektronikk, datamaskinteknologi, og så videre.
Litt malurt…
Målerne har imidlertid også en del svakheter, spesielt på væskemålinger av hydrokarboner. Det inkluderer følsomhet overfor ikke-homogent prosessmedium (olje og vann) og tofaseforhold (væske og gass). Relativt lang tidsrespons eller lav dynamikk er i en del tilfeller ikke akseptabelt. Målerne er relativt kostbare og krever oppfølging av høyt kvalifisert personell dersom de skal prestere som lovet i salgsbrosjyrer etc.
Helt til slutt. Målerne kalles ofte USM, for ultrasonisk eller ultralyd måler.
