Quan utilitzeu un temps-de-volmesurador de cabal ultrasònicper mesurar el cabal, cal conèixer la velocitat mitjana del gas que circula per la canonada. Idealment, el mesurador de cabal ultrasònic mesura simultàniament la velocitat del fluid en un nombre infinit de punts al llarg de la secció transversal-de la canonada i després calcula la velocitat mitjana ponderada per obtenir la velocitat mitjana del volum del fluid dins de la canonada. Aquest principi de mesura suposa que el fluid de la canonada funciona en condicions de flux ideals. Els resultats experimentals mostren que en un bon entorn de camp de flux, la precisió de mesura d'un mesurador de cabal d'ultrasons d'un sol -canal pot arribar al 0,5%.
Tanmateix, si el mesurador de cabal ultrasònic d'un sol -canal s'instal·la 19D aigües avall d'un sol revolt de 90 graus, l'error de mesura superarà el 4 %; si s'instal·la 78D aigües avall, l'error de mesura pot arribar al 2% al 2,2%. Aquests experiments demostren que els canvis en el camp de flux no-ideal tenen un impacte significatiu en la precisió de la mesura. Fins i tot amb diversos canals disposats a la canonada de mesura de flux ultrasònic per obtenir informació de velocitat a tota la secció transversal del flux-, encara hi ha informació incompleta de velocitat i es mantindran discrepàncies entre el resultat mesurat i la velocitat real. La diferència és petita, però la precisió de mesura és molt millor que la d'un mesurador de cabal d'ultrasons d'un sol canal-. Aquest llibre també utilitza el mètode de mesurament multi-canal com a contingut de recerca per resoldre aquest problema. Per tant, en el procés de desenvolupament de mesuradors de cabal ultrasònic i d'ús de mesuradors de cabal a la pràctica, cal parar atenció a la influència de la posició d'instal·lació en el camp de flux real i intentar assegurar-se que el fluid de la canonada es pugui desenvolupar completament quan arribi a l'entrada del mesurador de cabal.
Com que l'estat del flux determina la precisió de mesura i mesura dels mesuradors de cabal ultrasònic, i l'estat del flux depèn de molts factors, cal considerar acuradament si les condicions de mesura compleixen els requisits de disseny quan es desenvolupen i utilitzen mesuradors de cabal ultrasònics [21]. Les condicions d'instal·lació recomanades són que la longitud de la canonada recta aigües avall del mesurador de cabal ultrasònic no sigui inferior a 10D i la longitud de la canonada recta aigües avall no sigui inferior a 5D.
La presència d'efectes d'instal·lació fa que sigui difícil aconseguir un flux de fluid estable. En un traçat de canonades rectes amb flux totalment desenvolupat, el perfil de velocitat i la distribució es poden representar mitjançant fórmules empíriques. Per tant, sempre que es garanteixin les condicions d'instal·lació, els requisits de precisió de mesura dels mesuradors de cabal ultrasònics es poden complir fàcilment, ja sigui en un laboratori o en un camp real comparable. Tanmateix, en entorns industrials, existeixen diversos factors d'interferència i l'error de mesura real dels mesuradors de cabal ultrasònic serà més gran que l'error de mesura nominal! El valor mesurat de la velocitat mitjana superficial V o V al canal de la canonada i el valor calculat de la velocitat mitjana V a a la canonada tenen incerteses de mesura. La turbulència fa referència a la incertesa de mesura de Va o V. Encara que es pot utilitzar un factor de correcció de velocitat K per corregir la velocitat mitjana a la canonada, la discrepància entre el flux real i les condicions de disseny introduirà errors de mesura importants. Les brides soldades, els sortints de la brida a prop de la ubicació d'instal·lació del transductor d'ultrasons i les bombes i vàlvules instal·lades aigües amunt són factors d'interferència en el camp de flux, que provoquen canvis significatius en el perfil de velocitat i produeixen grans errors en el factor de correcció de velocitat, per la qual cosa no compleixen els objectius i requisits de disseny.
El component de velocitat radial present a la turbulència és el factor d'influència més important en la mesura del flux ultrasònic. La causa principal del component de velocitat radial és el flux secundari causat per la corba de la canonada. Quan el fluid de la canonada flueix en condicions de flexió, l'estat de flux es troba en un estat inestable a causa de la força centrífuga. Aquest problema d'inestabilitat s'anomena problema d'estabilitat de Dean [91]. La corba que causa el problema d'estabilitat de Dean es mostra a la figura 2.5. El flux axial de la canonada s'anomena flux primari i el flux radial generat a la corba s'anomena flux secundari. El motiu del flux secundari és que la curvatura dels costats interior i exterior de la corba és diferent. Quan els micro-elements fluids es mouen a l'interior, la força centrífuga actua sobre la secció transversal del tub i genera un camp de força. Aquest camp de força impulsarà els micro-elements fluids per produir moviment radial. La intensitat del flux secundari es pot representar amb el número de degà D, és a dir:
En la fórmula: Vomés la velocitat mitjana del flux entre les dues parets; D és el diàmetre interior de la canonada; u és la viscositat cinemàtica; i R és el radi de flexió de la canonada. Com més ràpida sigui la velocitat del flux, més petit serà el radi de flexió R de la canonada i més gran serà la intensitat del flux secundari generat.
Influència de l'efecte d'instal·lació i error geomètric de la carcassa de l'instrument
Entre els diferents factors que afecten l'error de mesura dels mesuradors de cabal ultrasònic, els més importants són l'efecte d'instal·lació del camp de flux i el retard del senyal. Durant el desenvolupament i l'ús, factors com el diàmetre de la canonada i l'angle d'azimut d'instal·lació també influeixen en la precisió de la mesura del flux. En entorns industrials reals, a causa de l'efecte d'instal·lació, el flux de fluids rarament és estable i, inevitablement, hi ha diverses fluctuacions en el camp de flux. Aquestes fluctuacions afecten la precisió de la mesura del cabal, tal com s'ha analitzat anteriorment.
Durant el procés de mesura, la trajectòria ultrasònica i l'àrea de la secció transversal -de la carcassa de la canonada del mesurador de cabal ultrasònic han de romandre constants. Els canvis de temperatura i de tensió provocaran els canvis corresponents en la secció transversal-de la canonada, provocant variacions en la distribució de la velocitat del fluid i, en conseqüència, mesuraments de velocitat inexacts. L'error de mesura és directament proporcional a l'error de l'àrea de la secció transversal-de la canonada. Això és especialment cert per als medis gasosos compressibles, on els efectes dels canvis de temperatura i tensió són encara més greus.
Durant el procés de desenvolupament, és difícil organitzar els transductors segons el diàmetre real de la canonada al lloc. Tanmateix, si els transductors ultrasònics no es poden instal·lar amb precisió segons la posició del diàmetre, la precisió de la mesura del flux també es veurà afectada. L'error de posicionament del transductor afecta principalment el camí de propagació L de l'ona ultrasònica. A més de la dificultat per determinar la posició d'instal·lació del transductor durant el procés de desenvolupament, l'efecte d'expansió i contracció tèrmica de la carcassa de la canonada de mesura sota canvis de temperatura també farà que la distància del transductor es desplaça lleugerament, provocant així l'error de posicionament del transductor. Quan hi ha dipòsits a la superfície interior de la paret de la canonada del mesurador de cabal ultrasònic, l'àrea de la secció transversal -de la canonada es fa més petita, donant lloc a un augment de la velocitat del fluid, que també provocarà l'error de mesura del valor de mesura de flux. La referència [96] mostra que en un mesurador de cabal ultrasònic de 300 mm de diàmetre, si s'uneixen dipòsits de 0,4 mm de gruix a la superfície interior de la canonada, provocarà un error de mesura de ± 0,51% al mesurador de cabal ultrasònic.
