Kada koristite-vrijeme-letaultrazvučni mjerač protokaza mjerenje brzine protoka potrebno je znati prosječnu brzinu plina koji teče kroz cijev. U idealnom slučaju, ultrazvučni mjerač protoka istovremeno mjeri brzinu fluida u beskonačnom broju točaka duž poprečnog-presjeka cijevi, zatim izračunava ponderiranu prosječnu brzinu kako bi se dobila prosječna volumenska brzina fluida unutar cijevi. Ovaj princip mjerenja pretpostavlja da tekućina u cijevi radi pod idealnim uvjetima protoka. Eksperimentalni rezultati pokazuju da u dobrom okruženju polja protoka, točnost mjerenja jedno-kanalnog ultrazvučnog mjerača protoka može doseći 0,5%.
Međutim, ako je jedno-kanalni ultrazvučni mjerač protoka instaliran 19D nizvodno od jednog zavoja od 90 stupnjeva, pogreška mjerenja će premašiti 4%; ako je instaliran 78D nizvodno, pogreška mjerenja može doseći 2% do 2,2%. Ovi eksperimenti pokazuju da promjene u ne-polju protoka imaju značajan utjecaj na točnost mjerenja. Čak i s višestrukim kanalima raspoređenim u ultrazvučnoj cijevi za mjerenje protoka za dobivanje informacija o brzini kroz cijeli-presjek protoka, i dalje postoje nepotpune informacije o brzini i ostat će razlike između izmjerenog rezultata i stvarne brzine. Razlika je mala, ali je točnost mjerenja mnogo bolja nego kod jedno-kanalnog ultrazvučnog mjerača protoka. Ova knjiga također uzima više{14}}kanalnu metodu mjerenja kao istraživački sadržaj za rješavanje ovog problema. Stoga je u procesu razvoja ultrazvučnih mjerača protoka i korištenja mjerača protoka u praksi potrebno obratiti pozornost na utjecaj položaja ugradnje na stvarno polje protoka, te pokušati osigurati da se tekućina u cijevi može potpuno razviti kada dođe do ulaza u mjerač protoka.
Budući da stanje protoka određuje točnost mjerenja i mjerenja ultrazvučnih mjerača protoka, a stanje protoka ovisi o mnogim čimbenicima, potrebno je pažljivo razmotriti ispunjavaju li uvjeti mjerenja projektne zahtjeve pri razvoju i korištenju ultrazvučnih mjerača protoka [21]. Preporučeni uvjeti ugradnje su da duljina uzvodne ravne cijevi ultrazvučnog mjerača protoka nije manja od 10D, a duljina nizvodne ravne cijevi nije manja od 5D.
Prisutnost instalacijskih učinaka otežava postizanje stabilnog protoka tekućine. U ravnom rasporedu cijevi s potpuno razvijenim protokom, profil brzine i distribucija mogu se prikazati empirijskim formulama. Stoga, sve dok su uvjeti ugradnje zajamčeni, zahtjevi točnosti mjerenja ultrazvučnih mjerača protoka mogu se lako ispuniti, bilo u laboratoriju ili na usporedivom stvarnom terenu. Međutim, u industrijskim uvjetima postoje različiti čimbenici smetnji, a stvarna pogreška mjerenja ultrazvučnih mjerača protoka bit će veća od nazivne pogreške mjerenja! Izmjerena vrijednost prosječne površinske brzine V ili V u kanalu cijevi i izračunata vrijednost prosječne brzine V a u cijevi imaju mjerne nesigurnosti. Turbulencija se odnosi na mjernu nesigurnost Va ili V. Iako se faktor korekcije brzine K može koristiti za korekciju prosječne brzine u cijevi, razlika između stvarnog protoka i projektiranih uvjeta dovest će do značajnih pogrešaka mjerenja. Zavarene prirubnice, izbočine prirubnice u blizini mjesta ugradnje ultrazvučnog pretvornika te crpke i ventili ugrađeni uzvodno faktori su smetnje u polju protoka, uzrokujući značajne promjene u profilu brzine i rezultirajući velikim pogreškama u faktoru korekcije brzine, čime se ne ispunjavaju projektni ciljevi i zahtjevi.
Komponenta radijalne brzine prisutna u turbulenciji je najvažniji utjecajni čimbenik u ultrazvučnom mjerenju protoka. Glavni uzrok komponente radijalne brzine je sekundarni tok uzrokovan savijanjem cijevi. Kada tekućina u cijevi teče pod uvjetima savijanja, stanje protoka je u nestabilnom stanju zbog centrifugalne sile. Ovaj problem nestabilnosti naziva se Deanov problem stabilnosti [91]. Zavoj koji uzrokuje problem stabilnosti Deana prikazan je na slici 2.5. Aksijalno strujanje u cijevi naziva se primarnim strujanjem, a radijalno strujanje koje nastaje u zavoju naziva se sekundarnim strujanjem. Razlog sekundarnog strujanja je u tome što je zakrivljenost unutarnje i vanjske strane zavoja različita. Kada se tekući mikro-elementi kreću unutra, centrifugalna sila djeluje na presjek cijevi i stvara polje sile. Ovo polje sile pokretat će fluidne mikro{10}}elemente da proizvode radijalno kretanje. Intenzitet sekundarnog toka može se prikazati Deanovim brojem D, odnosno:
U formuli: Vomje prosječna brzina strujanja između dviju stijenki; D je unutarnji promjer cijevi; u je kinematička viskoznost; a R radijus savijanja cijevi. Što je veća brzina protoka, to je manji radijus savijanja R u cijevi i veći je intenzitet generiranog sekundarnog protoka.
Utjecaj učinka instalacije i geometrijske pogreške kućišta instrumenta
Među različitim čimbenicima koji utječu na pogrešku mjerenja ultrazvučnih mjerača protoka, najvažniji su učinak instalacije polja protoka i kašnjenje signala. Tijekom razvoja i upotrebe, faktori kao što su promjer cijevi i kut azimuta instalacije također utječu na točnost mjerenja protoka. U stvarnim industrijskim okruženjima, zbog učinka instalacije, protok tekućine rijetko je stabilan, a različite fluktuacije neizbježno postoje u polju protoka. Ove fluktuacije utječu na točnost mjerenja protoka, kao što je prethodno analizirano.
Tijekom procesa mjerenja, ultrazvučni put i površina poprečnog-presjeka ovojnice cijevi ultrazvučnog mjerača protoka moraju ostati konstantni. Promjene temperature i naprezanja uzrokovat će odgovarajuće promjene u presjeku-cijevi, što dovodi do varijacija u raspodjeli brzine fluida i posljedično, netočnog mjerenja brzine. Pogreška mjerenja izravno je proporcionalna pogrešci površine poprečnog-presjeka cijevi. To posebno vrijedi za stlačive plinovite medije, gdje su učinci promjena temperature i naprezanja još teži.
Tijekom procesa razvoja, teško je rasporediti sonde prema stvarnom promjeru cijevi na licu mjesta. Međutim, ako se ultrazvučni pretvornici ne mogu točno instalirati u skladu s položajem promjera, točnost mjerenja protoka također će biti ugrožena. Pogreška pozicioniranja sonde uglavnom utječe na putanju L ultrazvučnog vala. Uz poteškoće u određivanju položaja ugradnje sonde tijekom procesa razvoja, učinak toplinskog širenja i skupljanja ljuske mjerne cijevi pod temperaturnim promjenama također će uzrokovati neznatno pomicanje udaljenosti sonde, što uzrokuje pogrešku pozicioniranja sonde. Kada postoje naslage na unutarnjoj površini stijenke cijevi ultrazvučnog mjerača protoka, površina popre-presjeka cijevi postaje manja, što rezultira povećanjem brzine fluida, što će također uzrokovati pogrešku mjerenja vrijednosti mjerenja protoka. Referenca [96] pokazuje da će u ultrazvučnom mjeraču protoka promjera 300 mm, ako se naslage debljine 0,4 mm pričvrste na unutarnju površinu cijevi, to donijeti ±0,51% pogreške mjerenja ultrazvučnom mjeraču protoka.
