Pri použití času-letu{1}}ultrazvukový prietokomerna meranie prietoku je potrebné poznať priemernú rýchlosť plynu prúdiaceho potrubím. V ideálnom prípade ultrazvukový prietokomer súčasne meria rýchlosť tekutiny v nekonečnom počte bodov pozdĺž prierezu potrubia- a potom vypočíta váženú priemernú rýchlosť, aby sa získala objemová priemerná rýchlosť tekutiny v potrubí. Tento princíp merania predpokladá, že tekutina v potrubí funguje za ideálnych prietokových podmienok. Experimentálne výsledky ukazujú, že v prostredí dobrého prietokového poľa môže presnosť merania jednokanálového ultrazvukového prietokomeru dosiahnuť 0,5 %.
Ak je však jednokanálový ultrazvukový prietokomer nainštalovaný 19 D za jedným ohybom 90 stupňov, chyba merania presiahne 4 %; ak je nainštalovaný 78D po prúde, chyba merania môže dosiahnuť 2 % až 2,2 %. Tieto experimenty ukazujú, že zmeny v poli ne-ideálneho prietoku majú významný vplyv na presnosť merania. Aj keď je v trubici ultrazvukového merania prietoku usporiadaných viacero kanálov na získanie informácií o rýchlosti v celom priereze prietoku, stále existujú neúplné informácie o rýchlosti a medzi nameraným výsledkom a skutočnou rýchlosťou zostanú nezrovnalosti. Rozdiel je malý, ale presnosť merania je oveľa lepšia ako pri jednokanálovom ultrazvukovom prietokomere. V tejto knihe sa ako výskumný obsah na riešenie tohto problému používa aj viac{14}}metóda merania. Preto je pri vývoji ultrazvukových prietokomerov a využívaní prietokomerov v praxi potrebné venovať pozornosť vplyvu montážnej polohy na skutočné prietokové pole a snažiť sa zabezpečiť, aby sa kvapalina v potrubí mohla plne rozvinúť, keď dosiahne vstup prietokomeru.
Pretože stav prietoku určuje presnosť merania a merania ultrazvukových prietokomerov a stav prietoku závisí od mnohých faktorov, je potrebné pri vývoji a používaní ultrazvukových prietokomerov dôkladne zvážiť, či podmienky merania spĺňajú konštrukčné požiadavky [21]. Odporúčané podmienky inštalácie sú, aby dĺžka priameho potrubia ultrazvukového prietokomera nebola menšia ako 10D a dĺžka priameho potrubia po prúde nebola menšia ako 5D.
Prítomnosť inštalačných účinkov sťažuje dosiahnutie stabilného prietoku tekutiny. V priamom usporiadaní potrubia s plne rozvinutým prietokom môže byť rýchlostný profil a distribúcia reprezentovaná empirickými vzorcami. Preto, pokiaľ sú zaručené inštalačné podmienky, požiadavky na presnosť merania ultrazvukových prietokomerov možno ľahko splniť, či už v laboratóriu alebo v porovnateľnej skutočnej oblasti. V priemyselnom prostredí však existujú rôzne interferenčné faktory a skutočná chyba merania ultrazvukových prietokomerov bude väčšia ako menovitá chyba merania! Nameraná hodnota priemernej povrchovej rýchlosti V alebo V v potrubnom kanáli a vypočítaná hodnota priemernej rýchlosti Va v potrubí majú neistoty merania. Turbulencia sa vzťahuje na neistotu merania Va alebo V. Hoci korekčný faktor rýchlosti K možno použiť na korekciu priemernej rýchlosti v potrubí, nesúlad medzi skutočným prietokom a konštrukčnými podmienkami spôsobí značné chyby merania. Zvarené príruby, prírubové výstupky v blízkosti miesta inštalácie ultrazvukového prevodníka a čerpadlá a ventily inštalované proti prúdu sú všetko interferenčné faktory v prietokovom poli, ktoré spôsobujú významné zmeny v rýchlostnom profile a majú za následok veľké chyby v koeficiente korekcie rýchlosti, čím nespĺňajú konštrukčné ciele a požiadavky.
Zložka radiálnej rýchlosti prítomná v turbulencii je najdôležitejším ovplyvňujúcim faktorom pri ultrazvukovom meraní prietoku. Hlavnou príčinou radiálnej zložky rýchlosti je sekundárne prúdenie spôsobené ohybom potrubia. Keď tekutina v potrubí prúdi v stave ohybu, stav prúdenia je v dôsledku odstredivej sily nestabilný. Tento problém nestability sa nazýva Deanův problém stability [91]. Ohyb, ktorý spôsobuje problém stability Deana, je znázornený na obrázku 2.5. Axiálny tok v potrubí sa nazýva primárny tok a radiálny tok generovaný v ohybe sa nazýva sekundárny tok. Dôvodom sekundárneho prúdenia je rozdielne zakrivenie vnútornej a vonkajšej strany ohybu. Keď sa mikroprvky tekutiny pohybujú vo vnútri, odstredivá sila pôsobí na prierez potrubia a vytvára silové pole. Toto silové pole poháňa mikro{10}}prvky tekutiny, aby vytvárali radiálny pohyb. Intenzitu sekundárneho toku možno znázorniť Deanovým číslom D, teda:
Vo vzorci: Vomje priemerná rýchlosť prúdenia medzi dvoma stenami; D je vnútorný priemer potrubia; u je kinematická viskozita; a R je polomer ohybu rúry. Čím vyššia je rýchlosť prúdenia, tým menší je polomer ohybu R v potrubí a tým väčšia je intenzita generovaného sekundárneho prúdu.
Vplyv inštalačného efektu a geometrickej chyby krytu prístroja
Medzi rôznymi faktormi ovplyvňujúcimi chybu merania ultrazvukových prietokomerov sú najdôležitejšie efekt inštalácie prietokového poľa a oneskorenie signálu. Počas vývoja a používania ovplyvňujú presnosť merania prietoku aj faktory, ako je priemer potrubia a uhol azimutu inštalácie. V skutočných priemyselných prostrediach je kvôli inštalačnému efektu prúdenie tekutiny zriedka stabilné a v prúdovom poli nevyhnutne existujú rôzne výkyvy. Tieto výkyvy ovplyvňujú presnosť merania prietoku, ako bolo analyzované vyššie.
Počas procesu merania musí dráha ultrazvuku a plocha prierezu plášťa ultrazvukového prietokomeru zostať konštantné. Zmeny teploty a napätia spôsobia zodpovedajúce zmeny v priereze potrubia-, čo vedie k zmenám v distribúcii rýchlosti tekutiny a následne k nepresnému meraniu rýchlosti. Chyba merania je priamo úmerná chybe v priereze potrubia-. To platí najmä pre stlačiteľné plynné médiá, kde sú účinky zmien teploty a napätia ešte výraznejšie.
Počas procesu vývoja je ťažké usporiadať prevodníky podľa skutočného priemeru potrubia na mieste. Ak však ultrazvukové prevodníky nemožno nainštalovať presne podľa polohy priemeru, bude to mať vplyv aj na presnosť merania prietoku. Chyba polohovania prevodníka ovplyvňuje hlavne dráhu šírenia L ultrazvukovej vlny. Okrem ťažkostí pri určovaní montážnej polohy prevodníka počas procesu vývoja spôsobí tepelná rozťažnosť a kontrakcia plášťa meracej rúrky pri zmenách teploty tiež mierne posunutie vzdialenosti prevodníka, čo spôsobí chybu polohovania prevodníka. Keď sa na vnútornom povrchu steny rúrky ultrazvukového prietokomeru nachádzajú usadeniny, plocha prierezu rúrky sa zmenší, čo vedie k zvýšeniu rýchlosti tekutiny, čo tiež spôsobí chybu merania hodnoty prietoku. Odkaz [96] ukazuje, že v prípade ultrazvukového prietokomeru s priemerom 300 mm, ak sa na vnútorný povrch potrubia prichytia nánosy s hrúbkou 0,4 mm, prinesie to ultrazvukovému prietokomeru chybu merania ±0,51 %.
