Cuando se utiliza una hora-de-vuelomedidor de flujo ultrasónicoPara medir el caudal, es necesario conocer la velocidad promedio del gas que fluye a través de la tubería. Idealmente, el medidor de flujo ultrasónico mide simultáneamente la velocidad del fluido en un número infinito de puntos a lo largo de la sección transversal de la tubería, luego calcula la velocidad promedio ponderada para obtener la velocidad promedio en volumen del fluido dentro de la tubería. Este principio de medición supone que el fluido en la tubería funciona en condiciones de flujo ideales. Los resultados experimentales muestran que en un buen entorno de campo de flujo, la precisión de la medición de un medidor de flujo ultrasónico de un solo-canal puede alcanzar el 0,5 %.
Sin embargo, si el medidor de flujo ultrasónico de un solo-canal se instala 19D aguas abajo de una única curva de 90 grados, el error de medición excederá el 4 %; Si se instala 78D aguas abajo, el error de medición puede alcanzar del 2% al 2,2%. Estos experimentos demuestran que los cambios en el campo de flujo no-ideal tienen un impacto significativo en la precisión de la medición. Incluso con múltiples canales dispuestos en la tubería de medición de flujo ultrasónica para obtener información de velocidad en toda la sección transversal del flujo, todavía existe información de velocidad incompleta y permanecerán discrepancias entre el resultado medido y la velocidad real. La diferencia es pequeña, pero la precisión de la medición es mucho mejor que la de un medidor de flujo ultrasónico de un solo-canal. Este libro también toma el método de medición multi-canal como contenido de investigación para resolver este problema. Por lo tanto, en el proceso de desarrollo de medidores de flujo ultrasónicos y su uso en la práctica, es necesario prestar atención a la influencia de la posición de instalación en el campo de flujo real y tratar de garantizar que el fluido en la tubería pueda desarrollarse completamente cuando llegue a la entrada del medidor de flujo.
Debido a que el estado del flujo determina la precisión de medición y medición de los medidores de flujo ultrasónicos, y el estado del flujo depende de muchos factores, es necesario considerar cuidadosamente si las condiciones de medición cumplen con los requisitos de diseño al desarrollar y utilizar medidores de flujo ultrasónicos [21]. Las condiciones de instalación recomendadas son que la longitud de la tubería recta aguas arriba del medidor de flujo ultrasónico no sea inferior a 10D y la longitud de la tubería recta aguas abajo no sea inferior a 5D.
La presencia de efectos de instalación dificulta lograr un flujo de fluido estable. En un diseño de tubería recta con flujo completamente desarrollado, el perfil y la distribución de velocidades se pueden representar mediante fórmulas empíricas. Por lo tanto, siempre que se garanticen las condiciones de instalación, los requisitos de precisión de medición de los caudalímetros ultrasónicos se pueden cumplir fácilmente, ya sea en un laboratorio o en un campo real comparable. Sin embargo, en entornos industriales, existen varios factores de interferencia y el error de medición real de los caudalímetros ultrasónicos será mayor que el error de medición nominal. Tanto el valor medido de la velocidad media superficial V o V en el canal de tubería como el valor calculado de la velocidad promedio V a en la tubería tienen incertidumbres de medición. La turbulencia se refiere a la incertidumbre de medición de Va o V. Aunque se puede usar un factor de corrección de velocidad K para corregir la velocidad promedio en la tubería, la discrepancia entre el flujo real y las condiciones de diseño introducirá errores de medición significativos. Las bridas soldadas, las protuberancias de las bridas cerca de la ubicación de instalación del transductor ultrasónico y las bombas y válvulas instaladas aguas arriba son factores de interferencia en el campo de flujo, lo que provoca cambios significativos en el perfil de velocidad y genera grandes errores en el factor de corrección de velocidad, por lo que no cumple con los objetivos y requisitos de diseño.
El componente de velocidad radial presente en la turbulencia es el factor que influye más importante en la medición del flujo por ultrasonidos. La causa principal del componente de velocidad radial es el flujo secundario causado por la curvatura de la tubería. Cuando el fluido en la tubería fluye en condiciones de flexión, el estado de flujo es inestable debido a la fuerza centrífuga. Este problema de inestabilidad se denomina problema de estabilidad de Dean [91]. La curva que causa el problema de estabilidad de Dean se muestra en la Figura 2.5. El flujo axial en la tubería se llama flujo primario y el flujo radial generado en el codo se llama flujo secundario. La razón del flujo secundario es que la curvatura de los lados interior y exterior del codo es diferente. Cuando los micro-fluidos se mueven hacia el interior, la fuerza centrífuga actúa sobre la sección transversal de la tubería y genera un campo de fuerza. Este campo de fuerza impulsará los micro-elementos fluidos para producir un movimiento radial. La intensidad del flujo secundario se puede representar por el número de Dean D, es decir:
En la fórmula: Vomes la velocidad promedio del flujo entre las dos paredes; D es el diámetro interior de la tubería; u es la viscosidad cinemática; y R es el radio de curvatura de la tubería. Cuanto más rápida sea la velocidad del flujo, menor será el radio de curvatura R en la tubería y mayor será la intensidad del flujo secundario generado.
Influencia del efecto de instalación y error geométrico de la carcasa del instrumento.
Entre los diversos factores que afectan el error de medición de los medidores de flujo ultrasónicos, los más importantes son el efecto de instalación del campo de flujo y el retraso de la señal. Durante el desarrollo y uso, factores como el diámetro de la tubería y el ángulo de acimut de la instalación también influyen en la precisión de la medición del flujo. En entornos industriales reales, debido al efecto de instalación, el flujo de fluido rara vez es estable e inevitablemente existen diversas fluctuaciones en el campo de flujo. Estas fluctuaciones afectan la precisión de la medición del flujo, como se analizó anteriormente.
Durante el proceso de medición, la trayectoria ultrasónica y el área de la sección transversal-de la carcasa del tubo del caudalímetro ultrasónico deben permanecer constantes. Los cambios de temperatura y tensión provocarán cambios correspondientes en la sección transversal-de la tubería, lo que provocará variaciones en la distribución de la velocidad del fluido y, en consecuencia, una medición de velocidad inexacta. El error de medición es directamente proporcional al error en el área de la sección transversal-de la tubería. Esto es especialmente cierto para los medios gaseosos compresibles, donde los efectos de los cambios de temperatura y tensión son aún más severos.
Durante el proceso de desarrollo, es difícil disponer los transductores de acuerdo con el diámetro real de la tubería en el sitio. Sin embargo, si los transductores ultrasónicos no se pueden instalar con precisión según la posición del diámetro, la precisión de la medición del flujo también se verá afectada. El error de posicionamiento del transductor afecta principalmente a la ruta de propagación L de la onda ultrasónica. Además de la dificultad para determinar la posición de instalación del transductor durante el proceso de desarrollo, el efecto de expansión y contracción térmica de la carcasa del tubo de medición bajo cambios de temperatura también hará que la distancia del transductor se desplace ligeramente, provocando así un error de posicionamiento del transductor. Cuando hay depósitos en la superficie interna de la pared de la tubería del medidor de flujo ultrasónico, el área de la sección transversal-de la tubería se vuelve más pequeña, lo que resulta en un aumento en la velocidad del fluido, lo que también causará el error de medición del valor de medición del flujo. La referencia [96] muestra que en un medidor de flujo ultrasónico de 300 mm de diámetro, si se adhieren depósitos de 0,4 mm de espesor a la superficie interna de la tubería, se producirá un error de medición de ±0,51% en el medidor de flujo ultrasónico.
