Gesamtkonzept für das automatisierte Kalibrierungssystem von Vortex-Strömungsmessern

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Dieser Beitrag wurde zuletzt von 955559 am 9.9.2018 um 12:06 bearbeitet. Messung des Durchflusses mit Wirbelstrommessgeräten 1. Methode zur Kalibrierung des Momentandurchflusses: Starten Sie die Pumpe und öffnen Sie die elektrischen Ventile 1 sowie 2 mithilfe des Steuergeräts. Regeln Sie dabei das manuelle Ventil und beobachten Sie gleichzeitig den Anzeiger des Glasrotormessgeräts. Anpassen Sie das manuelle Ventil so, dass der Durchfluss den festgelegten Wert erreicht. Sobald der Durchfluss stabil ist, werden die Anzeigen des Glasrotor-Flussmessers sowie des zu kalibrierenden Vortex-Flussmessers betrachtet. Als Referenz dient das Standardinstrument des Glasrotor-Flussmessers. Anhand dessen wird der relative Fehler zwischen den beiden Instrumenten berechnet. Der Fehler wird anschließend über die Tastatur in die Fehlertabelle des zu kalibrierenden Vortex-Flussmessers eingegeben. 2. Methode zur Kalibrierung des kumulierten Durchflusses: Zunächst wird mithilfe der Schritte zur Kalibrierung des momentanen Durchflusses ein Kalibrierwert festgelegt. Sobald der Durchfluss stabil ist, wird über den Steuercontroller der elektrischen Ventile das elektrische Ventil 1 geschlossen und das elektrische Ventil 2 geöffnet, damit das Wasser im Messbehälter für die Kalibrierung des kumulierten Durchflusses abfließen kann. Anschließend wird wieder über den Steuercontroller das elektrische Ventil 1 geöffnet und das elektrische Ventil 2 geschlossen – so beginnt die Kalibrierung des kumulierten Durchflusses. In diesem Moment wird sofort der Wert des kumulierten Durchflusses angezeigt, der vom zu kalibrierenden Vortexstrommessgerät erfasst wird. Wenn das Volumen des Wassers im Messbehälter einen bestimmten Wert erreicht hat, erscheint auf dem Skalenstab eine Wassersäule. In diesem Moment wird das elektrische Ventil 1 über den Steuercontroller geschlossen. Gleichzeitig werden der Wert auf dem Skalenstab des Messbehälters sowie der Wert des kumulierten Durchflusses, der vom zu kalibrierenden Vortexstrommessgerät erfasst wird, notiert. Der relative Fehler wird durch Vergleich des Unterschieds zwischen den beiden Werten mit dem Wert auf dem Skalenstab in das Fehlerprotokoll des zu kalibrierenden Vortexstrommessgeräts eingegeben. Die Kalibrierung des kumulierten Durchflusses dauert in der Regel einige Minuten. Was oben beschrieben wurde, ist lediglich die Kalibrierung eines einzigen Ortes für die Messung des Durchflusses. Aus dem in Abschnitt 2.1.1 beschriebenen Messprinzip geht hervor, dass eine nichtlineare Korrektur eines Vortex-Strömungsmessers erfordert, dass an insgesamt 7 verschiedenen Messstellen Kalibrierungen durchgeführt werden. Das manuelle Kalibrierungssystem steuert den Durchfluss mithilfe von Handventilen. Anschließend wird der Wert des Glasrotationsmessgeräts (Standardmessgerät) abgelesen und mit dem Wert des zu kalibrierenden Messgeräts verglichen, um den relativen Fehler zu ermitteln. Die Korrektur von nichtlinearen Fehlern erfolgt durch Einstellung der entsprechenden Fehlerparameter über die Tastatur. Die Ablesung des Glasrotationsmessers führt zu Parallaxen, was die Kalibriergenauigkeit beeinträchtigt. Bei der Kalibrierung bei geringem Durchfluss ist aufgrund der größeren Messfehler des Glaskreislaufschiebers die Methode der Kalibrierung anhand des Momentanstroms nicht anwendbar. Stattdessen muss die Methode der Kalibrierung anhand des kumulierten Stroms verwendet werden. Die Kalibrierung eines Durchflusswertes mit der Methode der kumulativen Durchflussmessung dauert mehrere Minuten. Zudem kann bei dieser Methode nur ein einziger Durchflusswert pro Messgerät kalibriert werden – die Effizienz der Kalibrierung ist daher sehr gering. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das manuelle Kalibrierungssystem Probleme wie eine geringe Kalibriergenauigkeit sowie eine niedrige Kalibrierungsleistung aufweist. Angesichts der Probleme im manuellen Kalibrierungssystem ist es notwendig, ein automatisches Kalibrierungssystem zu entwickeln, um diese Probleme zu lösen. 1. Analyse der Systemanforderungen: Ein automatisches Kalibrierungssystem stellt eine automatisierte Weiterentwicklung des bestehenden manuellen Kalibrierungssystems dar. Es dient dazu, Probleme wie geringe Kalibriergenauigkeit und niedrige Kalibrierungsleistung zu beseitigen. Ein automatisiertes Kalibriersystem besteht aus einem Computersystem zur Steuerung, das eine präzise Kalibrierung des Durchflusses ermöglicht. Zudem kann es mehrere Vortex-Flussmesser gleichzeitig kalibrieren, um die Effizienz der Kalibrierung zu erhöhen. Im Vergleich zu manuellen Kalibriersystemen wird bei automatisierten Systemen die Standardmethode zur Kalibrierung verwendet. Zu den Anforderungen an ein solches automatisiertes Kalibriersystem gehören folgende Punkte. (1) Computersteuerungsplattform Die Computersteuerungsplattform dient zur Steuerung der Durchflussregelung, zum Zugriff auf Prüfstandsmessgeräte für hochpräzise Durchflussmesser sowie auf die zu kalibrierenden Vortex-Durchflussmesser, zur Mensch-Maschine-Interaktion sowie zur Steuerung der Kalibrierungsschritte. (2) Durchflussregelungsvorrichtung Als Vorrichtung zur Regelung des Durchflusses muss die Durchflussregelungsvorrichtung in der Lage sein, mit der Recheneinheit zur Steuerung zu kommunizieren und die Steuerbefehle für die Regulierung des Durchflusses von dieser zu erhalten. (3) Präzises Messgerät als Standard für Durchflussmessung: Als Standardgerät zur Kalibrierung von Durchflussmessern muss ein präzises Messgerät in der Lage sein, mit der Computerschnittstelle zu kommunizieren und die Befehle zur Erfassung des Durchflusses von dieser Schnittstelle entgegenzunehmen. (4) gleichzeitige Kalibrierung mehrerer Geräte: Das automatisierte Kalibriersystem muss in der Lage sein, mehrere zu kalibrierende Vortex-Strömungsmesser gleichzeitig zu kalibrieren.
5) Kommunikationsprotokolle: Da die Geräte zur Eingabe der Strömungswerte sowie die Geräte zur Messung der Strömung aus dem Außenhandel bezogen werden, sollten Kommunikationsprotokolle verwendet werden, die im Industriebereich üblich sind.
2. Gesamtkonzept des Systems: Auf der Grundlage der Anforderungen des automatisierten Kalibriersystems wird das Gesamtkonzept des Systems entwickelt. Die Darstellung der Hardwareplattform des Systems ist in Abbildung 2-6 zu sehen. Das System besteht hauptsächlich aus einem τ-Steuergerät, einem Vortexstrommessgerät mit einer Genauigkeit von 0,1, dem zu kalibrierenden Vortexstrommessgerät, einem Frequenzumwandler, einer Frequenzumwälzpumpe, einem RS-232-zu-RS-485-Wandlerr, einem Speicherteich sowie Leitungen zur Wasserversorgung. Dabei verfügen sowohl die Hochpräzisionsflussmesser als auch die zu kalibrierenden Flussmesser sowie die Frequenzumwandler über eine RS-485-Verbindungsstelle mit Modbus-Protokoll. Der Computer kommuniziert über den RS-485-Bus mit den Hochpräzisionsflussmessern, den zu kalibrierenden Flussmessern sowie den Frequenzumwandlern. Als Kommunikationsprotokoll wird das weltweit in der Industrie verbreitete Modbus-Protokoll verwendet. (1) Wahl des Verfahrens zur Regulierung des Durchflusses Es gibt im Allgemeinen zwei Möglichkeiten zur Regulierung des Durchflusses: Erstens kann man eine Regelungseinheit aus einem elektrischen Regelventil und einer Gleichfrequenzpumpe verwenden, wobei der Durchfluss durch Anpassung des Öffnungsgrades des Regelventils gesteuert wird. Zweitens kann man eine Regelungseinheit aus einem Frequenzumwandler und einer Wechselfrequenzpumpe verwenden, wobei der Durchfluss durch Anpassung der eingestellten Frequenz des Frequenzumwandlers gesteuert wird. Beim Regulieren des Durchflusses mit einem Regelventil arbeitet die Wechselstrompumpe mit voller Geschwindigkeit – das heißt, der Durchfluss des Wassers, das von der Pumpe herausgepumpt wird, beträgt den maximal möglichen Wert. Das Regelventil regelt den Durchfluss, indem es den Öffnungsgrad des Ventils anpasst. Das Problem bei dieser Regelungsmethode ist folgendes: Unabhängig von der angegebenen Durchflussmenge arbeitet die Wechselstrompumpe stets mit voller Leistung. Dadurch entsteht ein hoher Energieverbrauch, was dem Prinzip der Energieeinsparung widerspricht. Wenn die Regulierventile die Öffnungsgrad der Ventile ändern, ändert sich auch der Wasserdruck in den Rohrleitungen. Dadurch kommt es zu Schwankungen im Durchfluss – etwas, was in einem kalibrierten System nicht zulässig ist. Daher wird diese Regelungsmethode nicht verwendet. Wenn man den Durchfluss mit einem Frequenzumrichter reguliert, lassen sich die Probleme bei der Regulierung des Durchflusses durch Ventile effektiv lösen. Der Frequenzumwandler kann die Durchflussmenge der Frequenzumwälzpumpe durch Anpassung der Frequenz steuern. Je geringer die Durchflussmenge ist, desto niedriger ist auch die von dem Frequenzumwandler ausgegebene Frequenz – dadurch wird der Energieverbrauch der Pumpe verringert. Zudem bleibt aufgrund dieser Art der Durchflussregelung, bei der keine Regulierventile verwendet werden, der Wasserdruck in den Leitungen relativ konstant. Dadurch bleibt auch die Durchflussmenge des Wassers stabil. Dies eignet sich zur Kalibrierung der Durchflussmenge in Systemen. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Verwendung von Frequenzumrichtern und frequenzgeregelten Pumpen zur Erstellung von Durchflussregelungseinheiten Vorteile wie Energieeinsparung und eine stabile Durchflussmenge bietet. Deshalb wird in automatisierten Kalibriersystemen diese Methode zur Regulierung des Durchflusses eingesetzt. Der Computer greift über den RS-485-Bus auf den Wechselrichter zu, um die Frequenzparameter einzustellen. Dadurch kann der Wechselrichter die Frequenz ändern, wodurch sich das Fördervolumen der Pumpe verändert. Auf diese Weise wird eine Regulierung des Durchflusses erreicht. Um Instabilitäten des Systems durch häufige Kommunikation sowie komplexe Schleifensteueralgorithmen zu vermeiden, bilden der Wechselrichter, die Wechselstrompumpe und die Standarduhr keine Schleife, sondern arbeiten im offenen Regelkreis. Dafür müssen wir im Voraus mit dem Frequenzumwandler Experimente durchführen, um die Parameter der Frequenzumwandlung sowie den Zusammenhang zwischen der Frequenz und dem momentanen Durchfluss des Pumpwassers zu ermitteln. Anhand dieses Zusammenhangs kann der Computer dann den gewünschten Durchflusswert ungefähr steuern. Die Durchflusswerte am Kalibrierungsort müssen nicht auf einen bestimmten Wert genau sein; sie können schwanken. Denn es gibt ein Standardmessgerät, das den aktuellen Durchflusswert ermittelt. Die anderen zu messenden Geräte verwenden den von dem Standardmessgerät ermittelten Durchflusswert als ihren eigenen Kalibrierungspunkt. (2) Auswahl der Kalibrierungsmethoden und Standardtabellen Die gängigen Methoden zur Kalibrierung des Flüssigkeitsflusses sind unter anderem die Methode mit Standardvolumina sowie die Methode mit Standardtabellen. Die Methode mit Standardvolumina weist eine hohe Präzision auf, doch die Kalibrierung dauert sehr lange – es benötigen sich in der Regel mehrere Minuten, um einen bestimmten Durchflusswert zu ermitteln. Zudem müssen die Standardmaßeinrichtungen je nach Durchflussspanne ständig ausgetauscht werden, was äußerst unpraktisch ist. Deshalb wird diese Kalibrierungsmethode nicht verwendet. Bei der Methode mit Standardmessgeräten wird ein hochpräzises Durchflussmessgerät als Standardinstrument verwendet, um andere zu kalibrierende Geräte zu justieren. Diese Methode ist einfacher, praktischer und kostengünstiger. Deshalb wird sie als Kalibrierungsmethode für dieses System verwendet. Das Auswahlprinzip für Standardmessgeräte ist folgendes: Der zulässige Fehler des Standardmessgeräts sollte 1/3 bis 1/5 des zulässigen Fehlers des zu prüfenden Messgeräts betragen. Auf diese Weise kann der Fehler des Standardmessgeräts vernachlässigt werden. Die von der Prüfwaage geforderte Genauigkeit beträgt die Klasse 0,5. Deshalb wird ein Hochpräzisions-Vortexstrommessgerät der Klasse 0,1 als Standardwaage verwendet. Dieses ersetzt das bisherige Glasrotorstrommessgerät und ermöglicht eine Echtzeit-Messung des aktuellen Durchflusses. Im Kalibrierungssystem dient die Standardwaage als Referenzwert, um das zu kalibrierende Vortexstrommessgerät zu justieren. Der Computer kann über den RS-485-Bus auf die Standardwaage zugreifen, um den aktuellen Durchfluss zu ermitteln – so wird die Durchflussmessung mit der Standardwaage durchgeführt. 3) gleichzeitige Kalibrierung mehrerer Messgeräte: Die Anzahl der gleichzeitig zu kalibrierenden Durchflussmesser beträgt vorerst 8 Stück. Diese 8 Vortex-Durchflussmesser werden in Reihe mit Standardmessgeräten geschaltet. Die Verbindungsform der Rohre ist S-förmig; alle Rohre liegen parallel zum Boden. Die S-förmige Anordnung dient dazu, Platz im System einzusparen. Wenn die Rohre stattdessen in gerader Linie miteinander verbunden würden, wäre die benötigte Länge des Raumes zu groß. Denn die Länge der geraden Abschnitte vor und nach den Vortex-Durchflussmessern muss bestimmten Anforderungen entsprechen – sie darf nicht zu kurz sein. (4) Mensch-Maschine-Interaktion: Die Mensch-Maschine-Interfaz ermöglicht die Einstellung der Parameter zur Kalibrierung des Durchflusses sowie den Start des Kalibrierungsprozesses. 5) Kalibrierung der Steuerung: Für die nichtlineare Korrektur von Vortex-Strömungsmessern sind insgesamt 7 Kalibrierpunkte erforderlich. An einem Kalibrierpunkt müssen die 8 zu kalibrierenden Vortex-Strömungsmesser in einer bestimmten Reihenfolge kalibriert werden.