Wie gehen Ultraschall-Wasserzähler mit Störungen durch Luftblasen oder Ablagerungen in Rohren um?

Ultraschall-Wasserzähler Mit ihrer hohen Genauigkeit, ihrem großen Bereich und ihrer wartungsfreien Leistung spielen sie eine wichtige Rolle in intelligenten Wassersystemen. Die komplexe Umgebung von Wasserversorgungsnetzen, insbesondere das Vorhandensein von Luftblasen und Ablagerungen in Rohren, stellt jedoch zwei zentrale Herausforderungen dar, die sich auf die Stabilität aller nichtmechanischen Messgeräte auswirken.

Grundsätze und Gegenmaßnahmen bei Störungen durch Luftblasen

Luftblasen haben den direktesten und dramatischsten Einfluss auf Ultraschall-Wasserzähler. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit und Dämpfungseigenschaften von Ultraschallwellen in Wasser und Luft unterscheiden sich erheblich. Selbst eine kleine Menge Luftblasen kann zu starker Streuung, Dämpfung oder sogar Unterbrechung des akustischen Signals führen, was direkt zu vorübergehenden Sprüngen in den Messdaten oder ungenauen Messwerten führt.

1. Signalverarbeitungsalgorithmen und Filtertechnologien

Die zentrale Anti-Luftblasen-Technologie moderner Ultraschall-Wasserzähler liegt in ihren leistungsstarken Signalverarbeitungsalgorithmen:

Multipuls-/Multizyklus-Probenahme: Das Messgerät verlässt sich nicht auf die Messergebnisse eines einzelnen Ultraschallsignals. Stattdessen sendet und empfängt es mehrere Impulse innerhalb eines Messzyklus und führt eine statistische Echtzeitanalyse und gewichtete Mittelung dieser Daten durch. Wenn eine Impulsgruppe durch Blasen stark gestört wird, was zu Signalverzerrungen oder Unterbrechungen führt, identifiziert das System sie als Ausreißer und entfernt sie automatisch, um die Gültigkeit und Genauigkeit der endgültigen Durchflussberechnung sicherzustellen.

Überwachung der Signalstärke und des Signal-Rausch-Verhältnisses (SNR): Das Instrument überwacht die empfangene Ultraschallsignalstärke und das SNR in Echtzeit. Wenn übermäßige Blasen dazu führen, dass die Signalstärke stark unter einen voreingestellten Schwellenwert abfällt, gibt das Gerät eine Fehlerwarnung aus und kann sogar in den Energiesparmodus oder einen Alarm für leeres Rohr wechseln, um eine fehlerhafte Datenausgabe zu verhindern.

Digitale Filterung: Fortschrittliche digitale Filtermethoden wie die Kalman-Filterung werden zur Glättung momentaner Durchflussdaten verwendet, wodurch Durchflussschwankungen und Spitzen, die durch gelegentliche Blasen verursacht werden, effektiv herausgefiltert werden, wodurch die Datenstabilität verbessert wird.

2. Optimierung der Strömungskanalstruktur

Aus physikalischer Sicht reduzieren Hersteller die Blasenretention, indem sie die interne Strömungskanalstruktur von Wasserzählern optimieren:

Geradliniges Design: Die meisten Ultraschall-Wasserzähler verwenden ein gerades Rohrdesign, das Hindernisse und Ecken im Flüssigkeitsweg reduziert, einen gleichmäßigen Wasserfluss gewährleistet und Wirbel verhindert, wodurch die Blasenansammlung im Messbereich verringert wird.

Vertikale oder abgewinkelte Wandleranordnung: Im Vergleich zu einer horizontalen Anordnung hilft die Montage des Wandlers in einem Winkel (z. B. einem 45°-Winkel) oder vertikal, dass der Schallstrahl durch die Hauptströmung gelangt, wodurch die Wahrscheinlichkeit verringert wird, dass Blasen den Schallweg blockieren.

Skalierungsinterferenzmechanismus und Lösung

Unter Ablagerungen versteht man die Bildung einer harten Ablagerungsschicht an Rohrwänden, die durch Mineralien wie Kalzium und Magnesium im Wasser verursacht wird. Bei Ultraschall-Wasserzählern äußern sich Skalenstörungen vor allem auf zwei Arten:

Reduzierung der Länge des Schallausbreitungsweges: Zunder haften an den Rohrwänden und der Innenfläche des Wandlers und verengen so den Durchmesser des Strömungskanals. Dies wiederum verändert die tatsächliche Ausbreitungsstrecke der Ultraschallwelle, was zu systematischen Abweichungen in den Messergebnissen führt.

Schallwellenenergie dämpfen: Ablagerungen, ein lockeres oder poröses Medium, absorbieren und streuen Ultraschallenergie und verringern so die Stärke des empfangenen Signals.

1. Auswahl des Wandler- und Strömungskanalmaterials

Professionelle Hersteller wählen Materialien mit hoher Korrosionsbeständigkeit und geringen Adhäsionseigenschaften aus, um der Bildung von Ablagerungen entgegenzuwirken:

Hochleistungsverbundwerkstoffe: Das Messrohr besteht aus speziellen technischen Kunststoffen oder Edelstahl, die über glatte Oberflächen und eine niedrige Oberflächenenergie verfügen und dadurch weniger anfällig für Kalkablagerungen sind.

Spezielle Oberflächenbehandlung des Wandlers: Durch Passivierung oder Auftragen einer speziellen Antifouling-Beschichtung auf die wasserberührende Oberfläche des Wandlers wird die Kalkablagerung an kritischen Messpunkten wirksam verhindert.

2. Selbstdiagnose- und Korrekturtechnologie

Um Messabweichungen zu begegnen, die durch langfristige Kalkablagerungen verursacht werden, verfügen Ultraschall-Wasserzähler über erweiterte Selbstdiagnose- und Selbstkorrekturfunktionen:

Schallgeschwindigkeitsüberwachung: Das Messgerät überwacht kontinuierlich die Schallgeschwindigkeit des Wasserflusses. Die Ansammlung von Ablagerungen verändert die Schallgeschwindigkeit von Wasser nicht wesentlich, verändert jedoch die Zeitbasis für die Schallwellenausbreitung. Durch den Vergleich der werkseitig eingestellten Basisschallgeschwindigkeit mit der aktuellen effektiven Ausbreitungszeit schätzt das System das Ausmaß der Strömungspfadänderungen ab.

Kompensations- und Kalibrierungsmodell: Einige High-End-Modelle verfügen über ein integriertes Kompensationsmodell, das die Durchflussmesswerte basierend auf der Signaldämpfung des Wandlers und Änderungen der Laufzeit automatisch anpasst, um Fehler zu kompensieren, die durch geringfügige Ablagerungen verursacht werden.

Anormale Warnung: Wenn Kalkablagerungen oder Korrosion so stark werden, dass sie die Signalqualität beeinträchtigen und sich das Signal-Rausch-Verhältnis so weit verschlechtert, dass eine wirksame Kompensation nicht mehr möglich ist, sendet das Messgerät über das Fernkommunikationsmodul eine Wartungswarnung an die Verwaltungsplattform, die darauf hinweist, dass eine physische Reinigung oder ein Austausch erforderlich ist, um eine langfristige Zuverlässigkeit der Messung zu gewährleisten.