Når du bruger et-flyvetidspunkt-ultralyds flowmålerfor at måle strømningshastigheden er det nødvendigt at kende den gennemsnitlige hastighed af gassen, der strømmer gennem røret. Ideelt set måler ultralydsflowmåleren samtidigt væskehastigheden ved et uendeligt antal punkter langs rørtværsnittet- og beregner derefter den vægtede gennemsnitshastighed for at opnå volumengennemsnitshastigheden af væsken i røret. Dette måleprincip forudsætter, at væsken i røret fungerer under ideelle strømningsforhold. Eksperimentelle resultater viser, at i et godt flowfeltmiljø kan målenøjagtigheden af en enkelt-kanal ultralydsflowmåler nå op på 0,5 %.
Men hvis den enkelt-kanals ultralydsflowmåler er installeret 19D nedstrøms for en enkelt 90 graders bøjning, vil målefejlen overstige 4 %; hvis installeret 78D nedstrøms, kan målefejlen nå 2% til 2,2%. Disse eksperimenter viser, at ændringer i det ikke-ideelle flowfelt har en væsentlig indflydelse på målenøjagtigheden. Selv med flere kanaler arrangeret i ultralydsflowmålerøret for at opnå hastighedsinformation på tværs af hele strømningstværsnittet, eksisterer der stadig ufuldstændig hastighedsinformation, og der vil forblive uoverensstemmelser mellem det målte resultat og den faktiske hastighed. Forskellen er lille, men målenøjagtigheden er meget bedre end en enkelt-kanals ultralydsflowmåler. Denne bog bruger også multi-kanalmålemetoden som forskningsindhold til løsning af dette problem. I processen med at udvikle ultralydsflowmålere og bruge flowmålere i praksis er det derfor nødvendigt at være opmærksom på installationspositionens indflydelse på det faktiske flowfelt, og forsøge at sikre, at væsken i røret kan være fuldt udviklet, når den når flowmålerens indløb.
Fordi flowtilstanden bestemmer måle- og målenøjagtigheden af ultralydsflowmålere, og flowtilstanden afhænger af mange faktorer, er det nødvendigt nøje at overveje, om måleforholdene opfylder designkravene ved udvikling og anvendelse af ultralydsflowmålere [21]. De anbefalede installationsbetingelser er, at længden af det opstrøms lige rør på ultralydsflowmåleren ikke er mindre end 10D og længden af det nedstrøms lige rør er ikke mindre end 5D.
Tilstedeværelsen af installationseffekter gør det vanskeligt at opnå stabil væskestrøm. I et lige rørlayout med fuldt udviklet flow kan hastighedsprofilen og fordelingen repræsenteres ved empiriske formler. Derfor, så længe installationsbetingelserne er garanteret, kan kravene til målenøjagtighed for ultralydsflowmålere let opfyldes, uanset om det er i et laboratorium eller et sammenligneligt faktisk felt. Men i industrielle omgivelser eksisterer der forskellige interferensfaktorer, og den faktiske målefejl for ultralydsflowmålere vil være større end den nominelle målefejl! Den målte værdi af overfladegennemsnitshastigheden V eller V i rørkanalen og den beregnede værdi af gennemsnitshastigheden Va i røret har begge måleusikkerheder. Turbulens refererer til måleusikkerheden for Va eller V. Selvom en hastighedskorrektionsfaktor K kan bruges til at korrigere gennemsnitshastigheden i røret, vil uoverensstemmelsen mellem faktisk flow og designforhold introducere betydelige målefejl. Svejste flanger, flangefremspring nær ultralydstransducerens installationssted og pumper og ventiler installeret opstrøms er alle interferensfaktorer i flowfeltet, hvilket forårsager betydelige ændringer i hastighedsprofilen og resulterer i store fejl i hastighedskorrektionsfaktoren, og dermed ikke opfylder designmål og krav.
Den radiale hastighedskomponent, der er til stede i turbulensen, er den vigtigste påvirkningsfaktor ved ultralydsflowmåling. Hovedårsagen til den radiale hastighedskomponent er den sekundære strømning forårsaget af bøjningen i røret. Når væsken i røret strømmer under bøjningstilstanden, er strømningstilstanden i en ustabil tilstand på grund af centrifugalkraften. Dette ustabilitetsproblem kaldes Dean-stabilitetsproblemet [91]. Bøjningen, der forårsager Dean-stabilitetsproblemet, er vist i figur 2.5. Det aksiale flow i røret kaldes det primære flow, og det radiale flow, der genereres i bøjningen, kaldes det sekundære flow. Årsagen til den sekundære strømning er, at krumningen af bøjningens indre og ydre sider er forskellig. Når de flydende mikro-elementer bevæger sig indenfor, virker centrifugalkraften på rørtværsnittet og genererer et kraftfelt. Dette kraftfelt vil drive de flydende mikro{10}}elementer til at producere radial bevægelse. Intensiteten af det sekundære flow kan repræsenteres af dekannummeret D, det vil sige:
I formlen: Vomer den gennemsnitlige strømningshastighed mellem de to vægge; D er rørets indre diameter; u er den kinematiske viskositet; og R er rørets bøjningsradius. Jo hurtigere strømningshastigheden er, jo mindre er bøjningsradius R i røret, og jo større er intensiteten af den genererede sekundære strømning.
Indflydelse af installationseffekt og geometrisk fejl af instrumenthus
Blandt de forskellige faktorer, der påvirker målefejlen for ultralydsflowmålere, er de vigtigste flowfeltinstallationseffekten og signalforsinkelsen. Under udvikling og brug påvirker faktorer såsom rørdiameter og installationsazimutvinkel også flowmålingsnøjagtigheden. I faktiske industrielle miljøer er væskestrømmen sjældent stabil på grund af installationseffekten, og der forekommer uundgåeligt forskellige fluktuationer i strømningsfeltet. Disse udsving påvirker flowmålenøjagtigheden, som analyseret tidligere.
Under måleprocessen skal ultralydsbanen og tværsnitsarealet af ultralydsflowmålerens rørskall forblive konstant. Ændringer i temperatur og spænding vil forårsage tilsvarende ændringer i rørtværsnittet, hvilket fører til variationer i væskehastighedsfordelingen og som følge heraf unøjagtig hastighedsmåling. Målefejlen er direkte proportional med fejlen i rørets-tværsnitsareal. Dette gælder især for komprimerbare gasformige medier, hvor virkningerne af temperatur- og spændingsændringer er endnu mere alvorlige.
Under udviklingsprocessen er det vanskeligt at arrangere transducerne efter den faktiske rørdiameter på stedet. Men hvis ultralydstransducerne ikke kan installeres nøjagtigt i henhold til diameterpositionen, vil nøjagtigheden af flowmåling også blive påvirket. Transducerens positioneringsfejl påvirker hovedsageligt udbredelsesvejen L for ultralydsbølgen. Ud over vanskeligheden ved at bestemme transducerens installationsposition under udviklingsprocessen, vil den termiske ekspansion og kontraktionseffekt af målerørsskallen under temperaturændringer også bevirke, at transducerafstanden forskydes en smule, og derved forårsager transducerens positioneringsfejl. Når der er aflejringer på den indvendige overflade af rørvæggen på ultralydsflowmåleren, bliver rørets tværsnitsareal mindre, hvilket resulterer i en stigning i væskehastigheden, hvilket også vil forårsage målefejlen af flowmåleværdien. Reference [96] viser, at i en 300 mm diameter ultralydsflowmåler, hvis 0,4 mm tykke aflejringer er fastgjort til den indvendige overflade af røret, vil det medføre ±0,51 % målefejl til ultralydsflowmåleren.
