Bei Verwendung einer Laufzeit--Ultraschall-DurchflussmesserUm die Durchflussrate zu messen, muss die durchschnittliche Geschwindigkeit des durch das Rohr strömenden Gases bekannt sein. Im Idealfall misst der Ultraschall-Durchflussmesser gleichzeitig die Flüssigkeitsgeschwindigkeit an einer unendlichen Anzahl von Punkten entlang des Rohrquerschnitts und berechnet dann die gewichtete Durchschnittsgeschwindigkeit, um die volumendurchschnittliche Geschwindigkeit der Flüssigkeit im Rohr zu erhalten. Bei diesem Messprinzip wird davon ausgegangen, dass die Flüssigkeit im Rohr unter idealen Strömungsbedingungen arbeitet. Experimentelle Ergebnisse zeigen, dass in einer guten Strömungsfeldumgebung die Messgenauigkeit eines Einzelkanal-Ultraschalldurchflussmessers 0,5 % erreichen kann.
Wenn der Einkanal-Ultraschall-Durchflussmesser jedoch 19D hinter einem einzelnen 90-Grad-Bogen installiert wird, beträgt der Messfehler mehr als 4 %. Bei stromabwärts installiertem 78D kann der Messfehler 2 % bis 2,2 % erreichen. Diese Experimente zeigen, dass Änderungen im nicht-idealen Strömungsfeld einen erheblichen Einfluss auf die Messgenauigkeit haben. Auch wenn im Ultraschall-Durchflussmessrohr mehrere Kanäle angeordnet sind, um Geschwindigkeitsinformationen über den gesamten Strömungsquerschnitt zu erhalten, sind immer noch unvollständige Geschwindigkeitsinformationen vorhanden und es bestehen weiterhin Diskrepanzen zwischen dem gemessenen Ergebnis und der tatsächlichen Geschwindigkeit. Der Unterschied ist gering, aber die Messgenauigkeit ist viel besser als die eines Einkanal-Ultraschall-Durchflussmessers. Dieses Buch verwendet auch die Mehrkanal-Messmethode als Forschungsinhalt zur Lösung dieses Problems. Daher ist es bei der Entwicklung von Ultraschall-Durchflussmessern und dem praktischen Einsatz von Durchflussmessern notwendig, auf den Einfluss der Einbaulage auf das tatsächliche Strömungsfeld zu achten und sicherzustellen, dass sich die Flüssigkeit im Rohr vollständig entwickeln kann, wenn sie den Einlass des Durchflussmessers erreicht.
Da der Strömungszustand die Mess- und Dosiergenauigkeit von Ultraschall-Durchflussmessern bestimmt und der Strömungszustand von vielen Faktoren abhängt, muss bei der Entwicklung und Verwendung von Ultraschall-Durchflussmessern sorgfältig geprüft werden, ob die Messbedingungen den Designanforderungen entsprechen [21]. Die empfohlenen Installationsbedingungen lauten, dass die Länge des vorgeschalteten geraden Rohrs des Ultraschall-Durchflussmessers nicht weniger als 10D und die Länge des nachgeschalteten geraden Rohres nicht weniger als 5D beträgt.
Das Vorhandensein von Installationseffekten macht es schwierig, einen stabilen Flüssigkeitsfluss zu erreichen. Bei einer geraden Rohrführung mit voll entwickelter Strömung können Geschwindigkeitsprofil und -verteilung durch empirische Formeln dargestellt werden. Solange die Installationsbedingungen gewährleistet sind, können daher die Anforderungen an die Messgenauigkeit von Ultraschall-Durchflussmessern problemlos erfüllt werden, sei es im Labor oder in einem vergleichbaren Praxisbereich. In industriellen Umgebungen gibt es jedoch verschiedene Störfaktoren und der tatsächliche Messfehler von Ultraschall-Durchflussmessern ist größer als der Nennmessfehler! Der gemessene Wert der Oberflächendurchschnittsgeschwindigkeit V oder V im Rohrkanal und der berechnete Wert der Durchschnittsgeschwindigkeit V a im Rohr weisen beide Messunsicherheiten auf. Turbulenz bezieht sich auf die Messunsicherheit von Va oder V. Obwohl ein Geschwindigkeitskorrekturfaktor K zur Korrektur der Durchschnittsgeschwindigkeit im Rohr verwendet werden kann, führt die Diskrepanz zwischen tatsächlicher Strömung und Auslegungsbedingungen zu erheblichen Messfehlern. Geschweißte Flansche, Flanschvorsprünge in der Nähe des Installationsorts des Ultraschallwandlers sowie stromaufwärts installierte Pumpen und Ventile sind allesamt Störfaktoren im Strömungsfeld, die zu erheblichen Änderungen im Geschwindigkeitsprofil und großen Fehlern beim Geschwindigkeitskorrekturfaktor führen und somit die Konstruktionsziele und -anforderungen nicht erfüllen.
Die in der Turbulenz vorhandene Radialgeschwindigkeitskomponente ist der wichtigste Einflussfaktor bei der Ultraschall-Durchflussmessung. Die Hauptursache für die Radialgeschwindigkeitskomponente ist die durch die Rohrbiegung verursachte Sekundärströmung. Wenn die Flüssigkeit im Rohr unter Biegebedingungen fließt, befindet sich der Strömungszustand aufgrund der Zentrifugalkraft in einem instabilen Zustand. Dieses Instabilitätsproblem wird Dean-Stabilitätsproblem genannt [91]. Die Biegung, die das Dean-Stabilitätsproblem verursacht, ist in Abbildung 2.5 dargestellt. Die axiale Strömung im Rohr wird als Primärströmung bezeichnet, die im Rohrbogen erzeugte radiale Strömung als Sekundärströmung. Der Grund für die Sekundärströmung liegt darin, dass die Krümmung der Innen- und Außenseite des Bogens unterschiedlich ist. Wenn sich die flüssigen Mikroelemente im Inneren bewegen, wirkt die Zentrifugalkraft auf den Rohrquerschnitt und erzeugt ein Kraftfeld. Dieses Kraftfeld treibt die flüssigen Mikroelemente an, um eine radiale Bewegung zu erzeugen. Die Intensität des Sekundärstroms kann durch die Dean-Zahl D dargestellt werden, das heißt:
In der Formel: Vomist die durchschnittliche Strömungsgeschwindigkeit zwischen den beiden Wänden; D ist der Rohrinnendurchmesser; u ist die kinematische Viskosität; und R ist der Rohrbiegeradius. Je höher die Strömungsgeschwindigkeit, desto kleiner ist der Biegeradius R im Rohr und desto größer ist die Intensität der erzeugten Sekundärströmung.
Einfluss von Installationseffekten und geometrischen Fehlern des Instrumentengehäuses
Unter den verschiedenen Faktoren, die den Messfehler von Ultraschall-Durchflussmessern beeinflussen, sind der Installationseffekt des Strömungsfelds und die Signalverzögerung die wichtigsten. Bei der Entwicklung und Nutzung beeinflussen auch Faktoren wie Rohrdurchmesser und Installationsazimutwinkel die Genauigkeit der Durchflussmessung. In tatsächlichen Industrieumgebungen ist der Flüssigkeitsfluss aufgrund des Installationseffekts selten stabil und es treten zwangsläufig verschiedene Schwankungen im Strömungsfeld auf. Diese Schwankungen beeinträchtigen die Genauigkeit der Durchflussmessung, wie zuvor analysiert.
Während des Messvorgangs müssen die Ultraschallstrecke und die Querschnittsfläche des Rohrmantels des Ultraschall-Durchflussmessers konstant bleiben. Temperatur- und Spannungsänderungen führen zu entsprechenden Änderungen im Rohrquerschnitt, was zu Schwankungen in der Flüssigkeitsgeschwindigkeitsverteilung und folglich zu ungenauen Geschwindigkeitsmessungen führt. Der Messfehler ist direkt proportional zum Fehler in der Querschnittsfläche des Rohrs. Dies gilt insbesondere für kompressible gasförmige Medien, bei denen die Auswirkungen von Temperatur- und Spannungsänderungen noch gravierender sind.
Während des Entwicklungsprozesses ist es schwierig, die Aufnehmer entsprechend dem tatsächlichen Rohrdurchmesser vor Ort anzuordnen. Wenn die Ultraschallwandler jedoch nicht genau entsprechend der Durchmesserposition installiert werden können, wird auch die Genauigkeit der Durchflussmessung beeinträchtigt. Der Positionierungsfehler des Wandlers beeinflusst hauptsächlich den Ausbreitungsweg L der Ultraschallwelle. Zusätzlich zu der Schwierigkeit, die Einbauposition des Wandlers während des Entwicklungsprozesses zu bestimmen, führt der thermische Ausdehnungs- und Kontraktionseffekt des Messrohrmantels bei Temperaturänderungen auch dazu, dass sich der Wandlerabstand leicht verschiebt, was zu einem Positionierungsfehler des Wandlers führt. Wenn sich Ablagerungen auf der Innenfläche der Rohrwand des Ultraschall-Durchflussmessers bilden, wird die Querschnittsfläche des Rohrs kleiner, was zu einer Erhöhung der Flüssigkeitsgeschwindigkeit führt, was auch zu einem Messfehler des Durchflussmesswerts führt. Referenz [96] zeigt, dass bei einem Ultraschall-Durchflussmesser mit 300 mm Durchmesser 0,4 mm dicke Ablagerungen an der Innenfläche des Rohrs anhaften, was zu einem Messfehler des Ultraschall-Durchflussmessers von ±0,51 % führt.
