Якщо використовується-час-польотуультразвуковий витратомірщоб виміряти швидкість потоку, необхідно знати середню швидкість газу, що протікає по трубі. В ідеалі ультразвуковий витратомір одночасно вимірює швидкість рідини в нескінченній кількості точок уздовж-перерізу труби, а потім обчислює середньозважену швидкість, щоб отримати середню об’ємну швидкість рідини всередині труби. Цей принцип вимірювання передбачає, що рідина в трубі працює в ідеальних умовах потоку. Експериментальні результати показують, що в хорошому полі потоку точність вимірювання одно-канального ультразвукового витратоміра може досягати 0,5%.
Однак, якщо-одноканальний ультразвуковий витратомір встановлено на 19D за одним вигином на 90 градусів, похибка вимірювання перевищить 4%; якщо встановлено 78D за потоком, похибка вимірювання може досягати 2% до 2,2%. Ці експерименти демонструють, що зміни в не-ідеальному полі потоку мають значний вплив на точність вимірювань. Навіть якщо в трубі ультразвукового вимірювання потоку розташовано кілька каналів для отримання інформації про швидкість по всьому поперечному перерізу -потоку, все ще існує неповна інформація про швидкість, і залишатимуться розбіжності між виміряним результатом і фактичною швидкістю. Різниця невелика, але точність вимірювання набагато краща, ніж у одно-канального ультразвукового витратоміра. Ця книга також бере багато{14}}канальний метод вимірювання як зміст дослідження для вирішення цієї проблеми. Тому в процесі розробки ультразвукових витратомірів і використання витратомірів на практиці необхідно звернути увагу на вплив положення установки на фактичне поле потоку та намагатися забезпечити, щоб рідина в трубі могла бути повністю розроблена, коли вона досягає входу витратоміра.
Оскільки стан потоку визначає точність вимірювання та вимірювання ультразвукових витратомірів, а стан потоку залежить від багатьох факторів, необхідно ретельно розглянути, чи відповідають умови вимірювання вимогам конструкції при розробці та використанні ультразвукових витратомірів [21]. Рекомендовані умови встановлення такі, щоб довжина прямої труби перед ультразвуковим витратоміром була не менше ніж 10D, а довжина прямої труби внизу – не менше ніж 5D.
Наявність інсталяційних ефектів ускладнює досягнення стабільного потоку рідини. У прямій схемі трубопроводу з повністю розвиненим потоком профіль швидкості та розподіл можна представити емпіричними формулами. Таким чином, доки умови встановлення гарантовані, вимоги до точності вимірювання ультразвукових витратомірів можуть бути легко виконані, будь то в лабораторії чи на схожих реальних умовах. Однак у промислових умовах існують різні фактори перешкод, і фактична похибка вимірювання ультразвукових витратомірів буде більшою, ніж номінальна похибка вимірювання! Виміряне значення поверхневої середньої швидкості V або V в каналі труби та розраховане значення середньої швидкості V a в трубі обидва мають невизначеність вимірювання. Турбулентність відноситься до похибки вимірювання Va або V. Незважаючи на те, що для корекції середньої швидкості в трубі можна використовувати коефіцієнт корекції швидкості K, розбіжність між фактичним потоком і проектними умовами призведе до значних помилок вимірювання. Зварні фланці, виступи фланців поблизу місця встановлення ультразвукового перетворювача, а також насоси та клапани, встановлені вище за течією, є факторами перешкод у полі потоку, що спричиняє значні зміни в профілі швидкості та призводить до великих похибок у коефіцієнті корекції швидкості, таким чином не відповідаючи цілям і вимогам проекту.
Компонент радіальної швидкості, присутній у турбулентності, є найважливішим фактором, що впливає на ультразвукове вимірювання потоку. Основною причиною радіальної складової швидкості є вторинний потік, викликаний вигином труби. Коли рідина в трубі тече в умовах вигину, стан потоку перебуває в нестабільному стані через відцентрову силу. Ця проблема нестабільності називається проблемою стійкості Діна [91]. Вигин, який викликає проблему стабільності за Діном, показаний на малюнку 2.5. Осьовий потік у трубі називається первинним потоком, а радіальний потік, що створюється у вигині, називається вторинним потоком. Причина вторинного потоку полягає в тому, що кривизна внутрішньої та зовнішньої сторін вигину різна. Коли рідинні мікро-елементи рухаються всередині, відцентрова сила діє на поперечний переріз труби та створює силове поле. Це силове поле спонукатиме рідинні мікро{10}}елементи до радіального руху. Інтенсивність вторинного потоку можна представити числом Діна D, тобто:
У формулі: Вом– середня швидкість потоку між двома стінками; D - внутрішній діаметр труби; u – кінематична в’язкість; R - радіус вигину труби. Чим вище швидкість потоку, тим менший радіус вигину R у трубі та тим більша інтенсивність вторинного потоку.
Вплив монтажного ефекту та геометричної похибки корпусу приладу
Серед різноманітних факторів, що впливають на похибку вимірювання ультразвукових витратомірів, найважливішими є ефект встановлення поля потоку та затримка сигналу. Під час розробки та використання такі фактори, як діаметр труби та кут азимута монтажу, також впливають на точність вимірювання витрати. У реальних промислових середовищах через ефект установки потік рідини рідко буває стабільним, і в полі потоку неминуче існують різні коливання. Як було проаналізовано раніше, ці коливання впливають на точність вимірювання витрати.
У процесі вимірювання ультразвуковий шлях і площа поперечного-перерізу труби ультразвукового витратоміра мають залишатися постійними. Зміни температури та напруги призведуть до відповідних змін у-перерізі труби, що призведе до змін у розподілі швидкості рідини та, як наслідок, до неточного вимірювання швидкості. Похибка вимірювання прямо пропорційна похибці площі поперечного-перерізу труби. Це особливо вірно для стислих газоподібних середовищ, де вплив зміни температури та напруги є ще сильнішим.
У процесі розробки важко розташувати перетворювачі відповідно до фактичного діаметра труби на місці. Однак, якщо ультразвукові перетворювачі не можуть бути точно встановлені відповідно до положення діаметра, точність вимірювання потоку також вплине. Помилка позиціонування перетворювача в основному впливає на шлях поширення L ультразвукової хвилі. На додаток до труднощів у визначенні монтажного положення перетворювача під час процесу розробки, ефект теплового розширення та стиснення оболонки вимірювальної труби під впливом температурних змін також призведе до незначного зміщення відстані між датчиком, що спричинить помилку позиціонування перетворювача. Коли на внутрішній поверхні стінки труби ультразвукового витратоміра є відкладення, площа поперечного-перерізу труби стає меншою, що призводить до збільшення швидкості рідини, що також спричинить похибку вимірювання значення витрати. Посилання [96] показує, що в ультразвуковому витратомірі діаметром 300 мм, якщо на внутрішню поверхню труби нанести відкладення товщиною 0,4 мм, це призведе до похибки вимірювання ультразвукового витратоміра ±0,51%.
