Quando si utilizza un tempo-di-volomisuratore di portata ad ultrasuoniper misurare la portata è necessario conoscere la velocità media del gas che scorre nel tubo. Idealmente, il misuratore di portata a ultrasuoni misura simultaneamente la velocità del fluido in un numero infinito di punti lungo la sezione trasversale del tubo-, quindi calcola la velocità media ponderata per ottenere la velocità media del volume del fluido all'interno del tubo. Questo principio di misurazione presuppone che il fluido nel tubo funzioni in condizioni di flusso ideali. I risultati sperimentali mostrano che in un buon ambiente di campo di flusso, la precisione di misurazione di un flussometro a ultrasuoni a canale singolo-può raggiungere lo 0,5%.
Tuttavia, se il flussometro a ultrasuoni a canale singolo- è installato 19D a valle di una singola curva di 90 gradi, l'errore di misurazione supererà il 4%; se installato 78D a valle, l'errore di misurazione può raggiungere dal 2% al 2,2%. Questi esperimenti dimostrano che i cambiamenti nel campo di flusso non-ideale hanno un impatto significativo sulla precisione della misurazione. Anche con più canali disposti nel tubo di misurazione del flusso a ultrasuoni per ottenere informazioni sulla velocità attraverso l'intera sezione trasversale del flusso,-le informazioni sulla velocità continuano ad essere incomplete e rimarranno discrepanze tra il risultato misurato e la velocità effettiva. La differenza è piccola, ma la precisione della misurazione è molto migliore di quella di un flussometro a ultrasuoni a canale singolo-. Questo libro utilizza inoltre il metodo di misurazione multi-canale come contenuto di ricerca per risolvere questo problema. Pertanto, nel processo di sviluppo dei misuratori di portata a ultrasuoni e nell'utilizzo dei misuratori di portata nella pratica, è necessario prestare attenzione all'influenza della posizione di installazione sul campo di flusso effettivo e cercare di garantire che il fluido nel tubo possa essere completamente sviluppato quando raggiunge l'ingresso del flussometro.
Poiché lo stato del flusso determina la precisione di misurazione e misurazione dei misuratori di portata a ultrasuoni e dipende da molti fattori, è necessario considerare attentamente se le condizioni di misurazione soddisfano i requisiti di progettazione durante lo sviluppo e l'utilizzo dei misuratori di portata a ultrasuoni [21]. Le condizioni di installazione consigliate sono che la lunghezza del tubo diritto a monte del misuratore di portata a ultrasuoni non sia inferiore a 10D e che la lunghezza del tubo diritto a valle non sia inferiore a 5D.
La presenza di effetti di installazione rende difficile ottenere un flusso di fluido stabile. In un layout di tubazione rettilineo con flusso completamente sviluppato, il profilo e la distribuzione della velocità possono essere rappresentati da formule empiriche. Pertanto, purché le condizioni di installazione siano garantite, i requisiti di precisione di misurazione dei misuratori di portata a ultrasuoni possono essere facilmente soddisfatti, sia in laboratorio che in un campo reale comparabile. Tuttavia, negli ambienti industriali, esistono vari fattori di interferenza e l'errore di misurazione effettivo dei misuratori di portata a ultrasuoni sarà maggiore dell'errore di misurazione nominale! Il valore misurato della velocità media superficiale V o V nel canale del tubo e il valore calcolato della velocità media V a nel tubo presentano entrambi incertezze di misurazione. La turbolenza si riferisce all'incertezza di misurazione di Va o V. Sebbene sia possibile utilizzare un fattore di correzione della velocità K per correggere la velocità media nel tubo, la discrepanza tra il flusso effettivo e le condizioni di progetto introdurrà errori di misurazione significativi. Le flange saldate, le sporgenze della flangia vicino alla posizione di installazione del trasduttore a ultrasuoni e le pompe e le valvole installate a monte sono tutti fattori di interferenza nel campo di flusso, causando cambiamenti significativi nel profilo di velocità e con conseguenti grandi errori nel fattore di correzione della velocità, non riuscendo così a soddisfare gli obiettivi e i requisiti di progettazione.
La componente di velocità radiale presente nella turbolenza è il fattore d'influenza più importante nella misurazione del flusso a ultrasuoni. La causa principale della componente di velocità radiale è il flusso secondario causato dalla curvatura del tubo. Quando il fluido nel tubo scorre in condizioni di flessione, lo stato del flusso è instabile a causa della forza centrifuga. Questo problema di instabilità è chiamato problema di stabilità di Dean [91]. La curva che causa il problema di stabilità di Dean è mostrata nella Figura 2.5. Il flusso assiale nel tubo è chiamato flusso primario, mentre il flusso radiale generato nella curva è chiamato flusso secondario. Il motivo del flusso secondario è che la curvatura dei lati interno ed esterno della curvatura è diversa. Quando i microelementi del fluido-si muovono all'interno, la forza centrifuga agisce sulla sezione trasversale del tubo e genera un campo di forze. Questo campo di forza spingerà i microelementi fluidi-a produrre un movimento radiale. L'intensità del flusso secondario può essere rappresentata dal numero Dean D, ovvero:
Nella formula: Vohmè la velocità media del flusso tra le due pareti; D è il diametro interno del tubo; u è la viscosità cinematica; e R è il raggio di curvatura del tubo. Maggiore è la velocità del flusso, minore è il raggio di curvatura R nel tubo e maggiore è l'intensità del flusso secondario generato.
Influenza dell'effetto di installazione e dell'errore geometrico della custodia dello strumento
Tra i vari fattori che influenzano l'errore di misurazione dei misuratori di portata a ultrasuoni, i più importanti sono l'effetto di installazione del campo di flusso e il ritardo del segnale. Durante lo sviluppo e l'utilizzo, fattori quali il diametro del tubo e l'angolo di azimut di installazione influenzano anche la precisione della misurazione del flusso. Negli ambienti industriali reali, a causa dell'effetto di installazione, il flusso del fluido è raramente stabile e inevitabilmente esistono varie fluttuazioni nel campo del flusso. Queste fluttuazioni influiscono sulla precisione della misurazione del flusso, come analizzato in precedenza.
Durante il processo di misurazione, il percorso ultrasonico e l'area della sezione trasversale- del guscio del tubo del misuratore di portata a ultrasuoni devono rimanere costanti. I cambiamenti di temperatura e stress causeranno cambiamenti corrispondenti nella sezione trasversale del tubo-, portando a variazioni nella distribuzione della velocità del fluido e, di conseguenza, a misurazioni imprecise della velocità. L'errore di misurazione è direttamente proporzionale all'errore nell'area della sezione trasversale del tubo. Ciò è particolarmente vero per i mezzi gassosi comprimibili, dove gli effetti delle variazioni di temperatura e stress sono ancora più gravi.
Durante il processo di sviluppo è difficile disporre i trasduttori in base al diametro effettivo del tubo in loco. Tuttavia, se i trasduttori a ultrasuoni non possono essere installati con precisione in base alla posizione del diametro, anche la precisione della misurazione del flusso ne risentirà. L'errore di posizionamento del trasduttore influisce principalmente sul percorso di propagazione L dell'onda ultrasonica. Oltre alla difficoltà nel determinare la posizione di installazione del trasduttore durante il processo di sviluppo, l'effetto di espansione e contrazione termica del guscio del tubo di misura in caso di variazioni di temperatura causerà anche un leggero spostamento della distanza del trasduttore, causando così un errore di posizionamento del trasduttore. Quando sono presenti depositi sulla superficie interna della parete del tubo del misuratore di portata a ultrasuoni, l'area della sezione trasversale del tubo si riduce, con conseguente aumento della velocità del fluido, che causerà anche un errore di misurazione del valore di misurazione del flusso. Il riferimento [96] mostra che in un flussometro a ultrasuoni con diametro di 300 mm, se depositi spessi 0,4 mm sono attaccati alla superficie interna del tubo, ciò comporterà un errore di misurazione di ±0,51% sul flussometro a ultrasuoni.
