Bij gebruik van een tijd-van-vluchtultrasone flowmeterom de stroomsnelheid te meten, is het noodzakelijk om de gemiddelde snelheid te kennen van het gas dat door de pijp stroomt. Idealiter meet de ultrasone flowmeter tegelijkertijd de vloeistofsnelheid op een oneindig aantal punten langs de dwarsdoorsnede van de pijp- en berekent vervolgens de gewogen gemiddelde snelheid om de volumegemiddelde snelheid van de vloeistof in de pijp te verkrijgen. Dit meetprincipe gaat ervan uit dat de vloeistof in de leiding onder ideale stromingsomstandigheden werkt. Experimentele resultaten tonen aan dat in een goede stromingsveldomgeving de meetnauwkeurigheid van een ultrasone debietmeter met één-kanaal 0,5% kan bereiken.
Als de ultrasone debietmeter met één- kanaal echter 19D stroomafwaarts van een enkele bocht van 90 graden wordt geïnstalleerd, zal de meetfout groter zijn dan 4%; indien 78D stroomafwaarts geïnstalleerd, kan de meetfout 2% tot 2,2% bedragen. Deze experimenten tonen aan dat veranderingen in het niet-ideale stromingsveld een aanzienlijke invloed hebben op de meetnauwkeurigheid. Zelfs als er meerdere kanalen in de ultrasone stroommeetleiding zijn aangebracht om snelheidsinformatie over de gehele stroomdoorsnede te verkrijgen, bestaat er nog steeds onvolledige snelheidsinformatie en zullen er discrepanties blijven bestaan tussen het gemeten resultaat en de werkelijke snelheid. Het verschil is klein, maar de meetnauwkeurigheid is veel beter dan die van een ultrasone flowmeter met één-kanaal. Dit boek neemt ook de meer-kanaalsmeetmethode als onderzoeksinhoud voor het oplossen van dit probleem. Daarom is het bij het ontwikkelen van ultrasone flowmeters en het gebruik van flowmeters in de praktijk noodzakelijk om aandacht te besteden aan de invloed van de installatiepositie op het daadwerkelijke stromingsveld, en te proberen ervoor te zorgen dat de vloeistof in de pijp volledig kan worden ontwikkeld wanneer deze de inlaat van de flowmeter bereikt.
Omdat de stroomtoestand de meet- en meetnauwkeurigheid van ultrasone flowmeters bepaalt, en de stroomtoestand van veel factoren afhangt, is het noodzakelijk om zorgvuldig te overwegen of de meetomstandigheden voldoen aan de ontwerpvereisten bij het ontwikkelen en gebruiken van ultrasone flowmeters [21]. De aanbevolen installatievoorwaarden zijn dat de lengte van de stroomopwaartse rechte buis van de ultrasone debietmeter niet minder is dan 10D en de lengte van de stroomafwaartse rechte buis niet minder dan 5D.
De aanwezigheid van installatie-effecten maakt het moeilijk om een stabiele vloeistofstroom te bereiken. In een rechte pijpleiding met volledig ontwikkelde stroming kunnen het snelheidsprofiel en de verdeling worden weergegeven door empirische formules. Zolang de installatieomstandigheden gegarandeerd zijn, kan daarom gemakkelijk aan de meetnauwkeurigheidseisen van ultrasone flowmeters worden voldaan, zowel in een laboratorium als in een vergelijkbaar feitelijk veld. In industriële omgevingen bestaan er echter verschillende interferentiefactoren, en de werkelijke meetfout van ultrasone flowmeters zal groter zijn dan de nominale meetfout! De gemeten waarde van de gemiddelde oppervlaktesnelheid V of V in het leidingkanaal en de berekende waarde van de gemiddelde snelheid Va in de leiding kennen beide meetonzekerheden. Turbulentie heeft betrekking op de meetonzekerheid van Va of V. Hoewel een snelheidscorrectiefactor K kan worden gebruikt om de gemiddelde snelheid in de leiding te corrigeren, zal de discrepantie tussen de werkelijke stroming en de ontwerpomstandigheden aanzienlijke meetfouten met zich meebrengen. Gelaste flenzen, flensuitsteeksels nabij de installatielocatie van de ultrasone transducer en pompen en kleppen die stroomopwaarts zijn geïnstalleerd, zijn allemaal interferentiefactoren in het stromingsveld, die aanzienlijke veranderingen in het snelheidsprofiel veroorzaken en resulteren in grote fouten in de snelheidscorrectiefactor, waardoor niet wordt voldaan aan de ontwerpdoelen en -vereisten.
De radiale snelheidscomponent die aanwezig is in de turbulentie is de belangrijkste beïnvloedende factor bij ultrasone flowmeting. De belangrijkste oorzaak van de radiale snelheidscomponent is de secundaire stroming veroorzaakt door de bocht in de buis. Wanneer de vloeistof in de pijp onder buigconditie stroomt, bevindt de stroomtoestand zich in een onstabiele toestand als gevolg van de middelpuntvliedende kracht. Dit instabiliteitsprobleem wordt het Dean-stabiliteitsprobleem genoemd [91]. De bocht die het Dean-stabiliteitsprobleem veroorzaakt, wordt weergegeven in figuur 2.5. De axiale stroming in de buis wordt de primaire stroming genoemd, en de radiale stroming die in de bocht wordt gegenereerd, wordt de secundaire stroming genoemd. De reden voor de secundaire stroming is dat de kromming van de binnen- en buitenzijde van de bocht verschillend is. Wanneer de vloeibare micro-elementen naar binnen bewegen, werkt de middelpuntvliedende kracht op de dwarsdoorsnede van de pijp en genereert een krachtveld. Dit krachtveld zal de vloeibare micro-elementen aandrijven om radiale beweging te produceren. De intensiteit van de secundaire stroom kan worden weergegeven door het Dean-nummer D, dat wil zeggen:
In de formule: Vomis de gemiddelde stroomsnelheid tussen de twee wanden; D is de binnendiameter van de buis; u is de kinematische viscositeit; en R is de buigradius van de buis. Hoe hoger de stroomsnelheid, hoe kleiner de buigradius R in de buis en hoe groter de intensiteit van de gegenereerde secundaire stroming.
Invloed van installatie-effect en geometrische fout van instrumentbehuizing
Van de verschillende factoren die de meetfout van ultrasone flowmeters beïnvloeden, zijn de belangrijkste het stromingsveldinstallatie-effect en de signaalvertraging. Tijdens de ontwikkeling en het gebruik beïnvloeden factoren zoals de buisdiameter en de azimuthoek van de installatie ook de nauwkeurigheid van de stroommeting. In werkelijke industriële omgevingen is de vloeistofstroom vanwege het installatie-effect zelden stabiel en zijn er onvermijdelijk verschillende fluctuaties in het stromingsveld. Deze fluctuaties beïnvloeden de nauwkeurigheid van de stroommeting, zoals eerder geanalyseerd.
Tijdens het meetproces moeten het ultrasone pad en het dwarsdoorsnedeoppervlak van de ultrasone flowmeterpijpmantel constant blijven. Veranderingen in temperatuur en spanning zullen overeenkomstige veranderingen in de pijpdoorsnede veroorzaken, wat leidt tot variaties in de vloeistofsnelheidsverdeling en bijgevolg tot onnauwkeurige snelheidsmetingen. De meetfout is recht evenredig met de fout in het dwarsdoorsnede-oppervlak van de pijp-. Dit geldt vooral voor samendrukbare gasvormige media, waar de effecten van temperatuur- en spanningsveranderingen nog ernstiger zijn.
Tijdens het ontwikkelingsproces is het moeilijk om de transducers te rangschikken op basis van de werkelijke buisdiameter ter plaatse. Als de ultrasone transducers echter niet nauwkeurig kunnen worden geïnstalleerd op basis van de diameterpositie, zal de nauwkeurigheid van de stroommeting ook worden beïnvloed. De positioneringsfout van de transducer heeft voornamelijk invloed op het voortplantingspad L van de ultrasone golf. Naast de moeilijkheid bij het bepalen van de installatiepositie van de transducer tijdens het ontwikkelingsproces, zal het thermische uitzettings- en samentrekkingseffect van de meetpijpmantel onder temperatuurveranderingen er ook voor zorgen dat de transducerafstand enigszins wordt verplaatst, waardoor de positioneringsfout van de transducer wordt veroorzaakt. Wanneer er afzettingen zijn op het binnenoppervlak van de buiswand van de ultrasone flowmeter, wordt het dwarsdoorsnedeoppervlak van de buis kleiner, wat resulteert in een toename van de vloeistofsnelheid, wat ook de meetfout van de stroommeetwaarde zal veroorzaken. Referentie [96] laat zien dat bij een ultrasone flowmeter met een diameter van 300 mm, als er afzettingen van 0,4 mm dik aan het binnenoppervlak van de buis worden bevestigd, dit een meetfout van ± 0,51% voor de ultrasone flowmeter met zich meebrengt.
