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Jul 09, 2023

Feldkalibrierung von DP-Durchflussmessern: Best Practices

1. Oktober 2021 | Von Ned Espy und Roy Tomalino, Beamex Ein verbessertes Verständnis des Differenzdruck-Durchflussmesserbetriebs (DP) sowie bewährte Kalibrierungspraktiken reduzieren Wartungsfehler

1. Oktober 2021 | Von Ned Espy und Roy Tomalino, Beamex

Ein verbessertes Verständnis des Betriebs des Differenzdruck-Durchflussmessers (DP) sowie bewährte Kalibrierungspraktiken reduzieren Wartungsfehler

Die Verwendung einer in einem Rohr installierten Blende und die genaue Messung des Differenzdrucks (DP) zur Berechnung des Durchflusses ist eine der gebräuchlichsten Methoden in der chemischen Prozessindustrie (CPI) (Abbildung 1). Die DP-Technologie ist unter den Durchflussmesstechnologien einzigartig, da das Verhältnis zwischen der Durchflussrate der Quadratwurzel des Eingangsdrucks entspricht. Dieses Phänomen stellt sowohl die Anbieter, die DP-Sender liefern, als auch die Techniker, die diese Sender kalibrieren müssen, vor einige Herausforderungen.

Abbildung 1. Differenzdruck-Durchflussmesser (DP) messen die Geschwindigkeit von Flüssigkeiten, indem sie den Druckverlust an einer Rohrverengung ablesen, beispielsweise einer Blende wie der hier gezeigten

Während neue Technologien zur Durchflussmessung erstaunliche Ergebnisse liefern können und Differenzdruck-Durchflussmessungen in vielen Branchen weit verbreitet sind, bleibt die ordnungsgemäße Verwendung und Kalibrierung dieser Instrumente wichtig (Abbildung 2). Ein besseres Verständnis der Grundlagen der DP-Durchflussmesstechnik sowie Kenntnisse über die empfohlenen Best Practices für die Kalibrierung tragen dazu bei, Wartungsfehler und Kalibrierungsfehler vor Ort zu minimieren.

Abbildung 2. Durch die Befolgung der Best Practices für die Kalibrierung von DP-Durchflussmessern können Anlagen die Möglichkeiten neuer Durchflussmesstechnologien nutzen

Um bei der DP-Durchflussmessung ein genaues Ergebnis zu erhalten, ist mehr erforderlich als nur die Druckmessung und die Berechnung des Ausgangs. Die Genauigkeit einer DP-Durchflussmessung basiert auf dem gesamten Durchflussmesssystem, einschließlich der folgenden: gerade Strecken (aufwärts und abwärts); Strömungselement (Blende in gutem Zustand); und Sender (berücksichtigen Sie die „Abschaltung bei geringem Durchfluss“ und geeignete Testpunkte).

Für einen homogenen und stabilen Flüssigkeitsfluss durch die Platte ist ein „gerader Verlauf“ der Rohrleitungen vor der Blende erforderlich. Ebenso ist ein stromabwärts gerichteter „gerader Verlauf“ erforderlich. Die Blende selbst muss sauber sein, scharfe Kanten aufweisen und darf keine Verformungen aufweisen. Eine Inspektion des Elements sollte durchgeführt werden, um sicherzustellen, dass es in gutem Zustand ist. Die Montage der Platte selbst muss sorgfältig durchgeführt werden, um eine wiederholbare Messung zu gewährleisten. Vorausgesetzt, dass diese physikalischen Komponenten ausreichend berücksichtigt werden, kann sich der Schwerpunkt auf die Überprüfung der Kalibrierung des DP-Senders verlagern, um sicherzustellen, dass diese korrekt ist.

Normalerweise arbeitet ein Drucktransmitter in einem linearen Modus von Null bis 100 % (bei einem Eingangsdruckpegel von 50 % beträgt der Ausgang beispielsweise 50 % oder 12 mA).

Ein DP-Sender arbeitet jedoch im Quadratwurzelmodus. Eine übliche Methode, um zu überprüfen, ob ein DP-Transmitter im Quadratwurzelmodus arbeitet, besteht darin, nach einem 50 %-Ausgang (12 mA) zu suchen, wenn der Eingangsdruck 25 % des Bereichs beträgt, und zwar unter Verwendung der hier gezeigten Beziehung:

√0,25 (Eingabe) = 0,50 (Ausgabe) -oder- 0,25 (Eingabe) = 0,50 2 (Ausgabe)

Beachten Sie, dass die Quadratwurzelberechnung manchmal im DCS durchgeführt wird, wenn der Sender im linearen Modus programmiert ist. Stellen Sie daher sicher, dass die Quadratwurzel nicht zweimal gezogen wird: einmal im Sender und noch einmal im DCS. Überprüfen Sie dieses Szenario, wenn die Zahlen nicht stimmen.

Ein weiteres zu berücksichtigendes Problem sind Bedingungen mit geringem Durchfluss. Wenn die Durchflussrate unter 10 % des Ausgangsbereichs eines Senders (5,6 mA) fällt, wird der Eingangsdruck so niedrig (weniger als 1 % des Bereichs), dass jede kleine Änderung oder jedes Rauschen im Druckeingang um den Faktor 10 verstärkt wird oder mehr. Aufgrund dieser Eigenschaft ist die DP-Durchflussmessung unterhalb dieses Niveaus nicht genau (Abbildung 3). Anders ausgedrückt: Der Ausgang steigt in den anfänglichen 0 bis 1 % des Eingangs viel schneller an und das Signal ist sehr instabil. Diese Situation ist der „Feind“ des Technikers – in diesem Fall kann keine Qualitätskalibrierung durchgeführt werden.

Abbildung 3. Wenn die Durchflussrate unter 10 % des Ausgangsbereichs eines Senders fällt, wie in der Grafik hervorgehoben, ist die DP-Durchflussmessung nicht mehr genau

Ein weiterer zu beachtender Punkt ist, dass bei Verwendung der DP-Durchflussmessertechnologie die normale Durchflussrate normalerweise viel höher als 10 % ist oder es einfach überhaupt keinen Durchfluss gibt (das Ventil ist geschlossen). Hersteller von DP-Transmittern mussten sich mit diesem Problem des geringen Durchflusses auseinandersetzen und alle Anbieter führen irgendeine Art von Signalkonditionierung zwischen 4,0 und 5,6 mA durch. Wenn sich Techniker bei ihren Steuerungsingenieuren erkundigen, werden sie wahrscheinlich erfahren, dass im System ein „Low-Flow-Cut-Off“-Wert programmiert ist. Das heißt, wenn der Sender einen Durchfluss von weniger als 10 % erkennt, wird der Durchfluss auf Null gesetzt.

Basierend auf diesen Fakten gibt es bei der Kalibrierung eines DP-Transmitters keinen Grund, weniger als 1 % des Eingangsbereichs (oder 5,6 mA des Ausgangsbereichs) zu testen. Tatsächlich ist bei Anschluss an einen solchen Sendertyp deutlich zu erkennen, wie sich die Stabilität „verbessert“, sobald der Druck über 1 % des Eingangsbereichs liegt.

Die meisten DP-Durchflussanwendungen nutzen einen Niederdruckbereichseingang (normalerweise mit Zoll H2O oder mbar als Druckeinheit), der auf der Grundlage der Größe der Messblende und des Rohrdurchmessers berechnet wird. Ein typisches Beispiel könnte einen Bereich von 0 bis 145 Zoll H2O mit einem 4–20-mA-Ausgang (Quadratwurzel) haben. Eine normale Fünf-Punkte-Kalibrierung hätte Eingabetestpunkte von 0, 25, 50, 75 und 100 %. Der Umgang mit der Quadratwurzelbeziehung erschwert jedoch die Kalibrierung. Die erwarteten Ausgangssignale wären 4, 12, 15,3, 17,9 und 20 mA. Schließlich sollte eine „Abschaltung bei geringem Durchfluss“ in Betracht gezogen werden, und der anfängliche Testpunkt sollte 1 % (statt Null) mit einem erwarteten Ausgang von 5,6 mA betragen. Tabelle 1 zeigt eine zusammenfassende Reihe von Kalibrierungstestpunkten.

Beachten Sie, dass Sie als alternative Methode auch die ungeraden Drucktestpunkte berechnen können, die einen geraden Ausgabeschritt von 25 % liefern (Tabelle 2; beides ist in Ordnung).

Abbildung 4 zeigt die tatsächlichen Kalibrierungsdaten für diesen Beispieltransmitter mit einer Toleranz von ±0,5 % der Spanne.

Abbildung 4. Die Kalibrierungsdaten werden für einen Beispielsender angezeigt. mit einer Toleranz von ±0,5 % der Spanne

Diese Kalibrierung liegt deutlich innerhalb der Toleranz (±0,5 % der Spanne) mit einem maximalen Fehler von –0,127 % der Spanne, der am Nulltestpunkt auftrat. Diese leichte „Nullpunktverschiebung“ (siehe Grafik, in der der erste Testpunkt unterhalb der Linie liegt) hat nur eine 25-prozentige Signifikanz der Toleranz (0,127 % ÷ 0,5 %) und es wird keine Anpassung empfohlen. Wenn eine niedrigere Trimmung durchgeführt werden soll, sollte dies beim 1 %-Eingangs-/10 %-Ausgangsniveau (nicht bei Null) erfolgen.

Es ist möglich, dass der Nullpunkt der Kalibrierung genau bei Null lag und der Fehler an einem der Mittelpunkte der Kalibrierung oder sogar an der Spanne bei 100 % entstanden sein könnte. Die Tatsache, dass es sich um eine Nullpunktverschiebung handelt, ist für die Gesamtkalibrierung unerheblich und entscheidend ist der für jeden Punkt zulässige Gesamtfehler.

Beim Betrieb der DP-Durchflussmesser sollten die physischen Komponenten des Systems regelmäßig überprüft werden (Inspektion der Messblende) und ein ordnungsgemäßes Kalibrierungsverfahren eingeführt werden, das die Quadratwurzelbeziehung mit einem anfänglichen Testpunkt berücksichtigt, der leicht über Null liegt, um den „Niedrigwert“ auszugleichen Durchflussunterbrechung.“

Herausgegeben von Scott Jenkins

Die Autoren möchten David Spitzer, Direktor bei Spitzer and Boyes, für seine Beiträge zu diesem Artikel danken. David verfügt über mehr als 40 Jahre Erfahrung in verschiedenen Aspekten der Instrumentierung und ist ein führender Experte für Anwendungen in der Strömungstechnik. Weitere Informationen über David finden Sie unter www.spitzerandboyes.com. Um David zu zitieren, besteht das Problem darin, „Sie können nicht eine Gallone pro Minute in Ihre Tasche stecken, aufs Feld gehen und sie durch den Durchflussmesser werfen, um die Kalibrierung des gesamten Durchflussmesssystems zu überprüfen.“

Ned Espy , technischer Direktor bei Beamex (2152 Northwest Parkway, Marietta, GA 30067; Telefon: (770) 951-1927; E-Mail: [email protected]), fördert seit über 25 Jahren das Kalibrierungsmanagement mit Beamex. Espy hat dazu beigetragen, Best Practices für die Kalibrierung zu entwickeln, mit Schwerpunkt auf Druck-, Temperatur- und multivariablen Instrumenten. Er ist regelmäßiger Redakteur für führende Branchenpublikationen und hat in der Automatisierungsbranche bedeutende Anerkennung erhalten. Derzeit vermittelt Espy Best Practices für die Kalibrierung und bietet technischen Support für Endbenutzer sowie für das Beamex-Verkaufsteam in Nordamerika.

Roy Tomalino ist ein Professional Services Engineer bei Beamex (gleiche Adresse wie oben; E-Mail: [email protected]). Tomalino unterrichtet seit über 20 Jahren Kalibrierungsmanagement. Im Laufe seiner Karriere hat er auf vier verschiedenen Kontinenten Menschen aus über 40 Ländern unterrichtet. Zu seinen früheren Positionen gehörten technischer Marketingingenieur und weltweiter Trainer bei Hewlett Packard sowie Anwendungsingenieur bei Honeywell. Heute ist Tomalino ein Beamex-Kalibrierungsevangelist. Seine Hauptaufgabe besteht darin, die Kalibrierung zu entmystifizieren und Best Practices durch Beratung, Schulung, Live-Webinare und Lehrvideos zu vermitteln.