Kun käytät-lentoaikaa-ultraäänivirtausmittarivirtausnopeuden mittaamiseksi on tarpeen tietää putken läpi virtaavan kaasun keskimääräinen nopeus. Ihannetapauksessa ultraäänivirtausmittari mittaa samanaikaisesti nesteen nopeuden äärettömässä määrässä pisteitä putken poikkileikkauksella ja laskee sitten painotetun keskimääräisen nopeuden saadakseen putken sisällä olevan nesteen tilavuuden keskimääräisen nopeuden. Tämä mittausperiaate olettaa, että putkessa oleva neste toimii ihanteellisissa virtausolosuhteissa. Kokeet osoittavat, että hyvässä virtauskenttäympäristössä yksikanavaisen-ultraäänivirtausmittarin mittaustarkkuus voi olla 0,5 %.
Jos yksikanavainen-ultraäänivirtausmittari kuitenkin asennetaan 19D alavirtaan yksittäisestä 90 asteen mutkasta, mittausvirhe ylittää 4 %. jos asennetaan 78D myötävirtaan, mittausvirhe voi olla 2 % - 2,2 %. Nämä kokeet osoittavat, että muutoksilla ei--ihanteellisessa virtauskentässä on merkittävä vaikutus mittaustarkkuuteen. Vaikka ultraäänivirtauksen mittausputkeen on järjestetty useita kanavia nopeustietojen saamiseksi koko virtauksen poikkileikkaukselta, nopeustietoja on edelleen epätäydellisiä, ja mitatun tuloksen ja todellisen nopeuden välillä on eroja. Ero on pieni, mutta mittaustarkkuus on paljon parempi kuin yksikanavaisen{12}}ultraäänivirtausmittarin. Tämä kirja käyttää myös monikanavamittausmenetelmää tämän ongelman ratkaisemisen tutkimussisällöksi. Siksi ultraäänivirtausmittareita kehitettäessä ja virtausmittareita käytännössä käytettäessä on kiinnitettävä huomiota asennusasennon vaikutukseen todelliseen virtauskenttään ja pyrittävä varmistamaan, että putkessa oleva neste voi kehittyä täysin, kun se saavuttaa virtausmittarin sisääntulon.
Koska virtaustila määrää ultraäänivirtausmittareiden mittaus- ja mittaustarkkuuden ja virtaustila riippuu monista tekijöistä, on ultraäänivirtausmittareita kehitettäessä ja käytettäessä tarkkaan harkittava, täyttävätkö mittausolosuhteet suunnitteluvaatimukset [21]. Suositeltavat asennusolosuhteet ovat, että ultraäänivirtausmittarin ylävirran suoran putken pituus on vähintään 10D ja myötävirran suoran putken pituus vähintään 5D.
Asennusvaikutusten olemassaolo vaikeuttaa vakaan nestevirtauksen saavuttamista. Suorassa putken asettelussa täysin kehittyneellä virtauksella nopeusprofiili ja -jakauma voidaan esittää empiiristen kaavojen avulla. Niin kauan kuin asennusolosuhteet ovat taatut, ultraäänivirtausmittareiden mittaustarkkuusvaatimukset voidaan täyttää helposti joko laboratoriossa tai vastaavalla todellisella kentällä. Teollisissa olosuhteissa on kuitenkin olemassa erilaisia häiriötekijöitä, ja ultraäänivirtausmittarien todellinen mittausvirhe on suurempi kuin mitoitusvirhe! Putken kanavan pintakeskinopeuden V tai V mitatulla arvolla ja putken keskinopeuden V a laskennallisella arvolla on molemmilla mittausepävarmuuksia. Turbulenssi viittaa Va:n tai V:n mittausepävarmuuteen. Vaikka nopeuden korjauskerrointa K voidaan käyttää putken keskinopeuden korjaamiseen, todellisen virtauksen ja suunnitteluolosuhteiden välinen ero aiheuttaa merkittäviä mittausvirheitä. Hitsatut laipat, ultraäänianturin asennuspaikan lähellä olevat laippaulokkeet sekä ylävirtaan asennetut pumput ja venttiilit ovat kaikki virtauskentässä häiritseviä tekijöitä, jotka aiheuttavat merkittäviä muutoksia nopeusprofiilissa ja aiheuttavat suuria virheitä nopeuden korjauskertoimessa, mikä ei täytä suunnittelutavoitteita ja -vaatimuksia.
Turbulenssissa esiintyvä säteittäinen nopeuskomponentti on tärkein vaikuttava tekijä ultraäänivirtauksen mittauksessa. Säteittäisen nopeuskomponentin pääsyy on putken mutkan aiheuttama toisiovirtaus. Kun neste putkessa virtaa taivutustilan alaisena, virtaustila on epävakaassa tilassa keskipakovoiman vuoksi. Tätä epävakausongelmaa kutsutaan Deanin vakausongelmaksi [91]. Taivutus, joka aiheuttaa Deanin vakausongelman, on esitetty kuvassa 2.5. Putken aksiaalista virtausta kutsutaan primäärivirtaukseksi ja mutkassa syntyvää säteittäistä virtausta toisiovirtaukseksi. Toisiovirtauksen syynä on, että mutkan sisä- ja ulkopuolen kaarevuus on erilainen. Kun nestemäiset mikro{8}}elementit liikkuvat sisällä, keskipakovoima vaikuttaa putken poikkileikkaukseen ja muodostaa voimakentän. Tämä voimakenttä saa nestemäiset mikroelementit{10}}tuottamaan säteittäistä liikettä. Toissijaisen virtauksen intensiteetti voidaan esittää Dean-luvulla D, eli:
Kaavassa: Vomon keskimääräinen virtausnopeus kahden seinän välillä; D on putken sisähalkaisija; u on kinemaattinen viskositeetti; ja R on putken taivutussäde. Mitä suurempi virtausnopeus on, sitä pienempi on putken taivutussäde R ja sitä suurempi on syntyvän toisiovirtauksen intensiteetti.
Asennusvaikutuksen ja instrumenttikotelon geometrisen virheen vaikutus
Ultraäänivirtausmittarien mittausvirheeseen vaikuttavista eri tekijöistä tärkeimmät ovat virtauskentän asennusvaikutus ja signaalin viive. Kehityksen ja käytön aikana myös putken halkaisija ja asennuksen atsimuuttikulma vaikuttavat virtauksen mittaustarkkuuteen. Varsinaisissa teollisuusympäristöissä nestevirtaus on asennusvaikutuksesta johtuen harvoin vakaata ja virtauskentässä esiintyy väistämättä erilaisia vaihteluita. Nämä vaihtelut vaikuttavat virtauksen mittaustarkkuuteen, kuten aiemmin analysoitiin.
Mittausprosessin aikana ultraäänireitin ja ultraäänivirtausmittarin putken kuoren{0}}poikkileikkauksen on pysyttävä vakiona. Muutokset lämpötilassa ja jännityksessä aiheuttavat vastaavia muutoksia putken poikkileikkauksessa, mikä johtaa vaihteluihin nesteen nopeusjakaumassa ja siten epätarkkoihin nopeusmittauksiin. Mittausvirhe on suoraan verrannollinen putken poikki-poikkileikkausalueen virheeseen. Tämä koskee erityisesti kokoonpuristuvia kaasumaisia väliaineita, joissa lämpötilan ja jännityksen muutosten vaikutukset ovat vieläkin vakavampia.
Kehitysprosessin aikana on vaikea järjestää antureita todellisen putken halkaisijan mukaan paikan päällä. Jos ultraääniantureita ei kuitenkaan voida asentaa tarkasti halkaisijan sijainnin mukaan, myös virtausmittauksen tarkkuus vaikuttaa. Anturin paikannusvirhe vaikuttaa pääasiassa ultraääniaallon etenemispolkuun L. Sen lisäksi, että anturin asennusasennon määrittäminen kehitysprosessin aikana on vaikeaa, mittausputken vaipan lämpölaajenemis- ja supistumisvaikutus lämpötilan muutoksissa aiheuttaa myös anturin etäisyyden hieman siirtymisen, mikä aiheuttaa anturin sijoitusvirheen. Kun ultraäänivirtausmittarin putken seinämän sisäpinnalle muodostuu kerrostumia, putken poikkipinta-ala pienenee, mikä johtaa nesteen nopeuden kasvuun, mikä aiheuttaa myös virtauksen mittausarvon mittausvirheen. Viite [96] osoittaa, että halkaisijaltaan 300 mm:n ultraäänivirtausmittarissa, jos putken sisäpinnalle on kiinnitetty 0,4 mm paksuisia kerrostumia, se tuo ±0,51 % mittausvirheen ultraäänivirtausmittariin.
