Uçuş-zamanını-kullanırkenultrasonik akış ölçerAkış hızını ölçmek için borudan akan gazın ortalama hızının bilinmesi gerekir. İdeal durumda, ultrasonik akış ölçer, boru kesiti boyunca sonsuz sayıda noktada sıvı hızını eşzamanlı olarak ölçer-, ardından boru içindeki sıvının hacimsel ortalama hızını elde etmek için ağırlıklı ortalama hızı hesaplar. Bu ölçüm prensibi, borudaki akışkanın ideal akış koşullarında çalıştığını varsayar. Deneysel sonuçlar, iyi bir akış alanı ortamında, tek-kanallı bir ultrasonik akış ölçerin ölçüm doğruluğunun %0,5'e ulaşabileceğini göstermektedir.
Bununla birlikte, tek-kanallı ultrasonik akış ölçer tek bir 90 derecelik kıvrımın 19D aşağısına monte edilirse ölçüm hatası %4'ü aşacaktır; 78D aşağı yönde kurulursa ölçüm hatası %2 ila %2,2'ye ulaşabilir. Bu deneyler, ideal olmayan- akış alanındaki değişikliklerin ölçüm doğruluğu üzerinde önemli bir etkiye sahip olduğunu göstermektedir. Tüm akış kesiti boyunca hız bilgisi elde etmek için ultrasonik akış ölçüm borusunda birden fazla kanal düzenlenmiş olsa bile, eksik hız bilgisi hâlâ mevcuttur ve ölçülen sonuç ile gerçek hız arasında tutarsızlıklar kalacaktır. Fark küçüktür ancak ölçüm doğruluğu tek{12}}kanallı ultrasonik akış ölçere göre çok daha iyidir. Bu kitap aynı zamanda bu sorunun çözümüne yönelik araştırma içeriği olarak çok-kanallı ölçüm yöntemini de ele alıyor. Bu nedenle ultrasonik debimetrelerin geliştirilmesi ve debimetrelerin pratikte kullanılması sürecinde, kurulum pozisyonunun gerçek akış alanına etkisine dikkat etmek ve borudaki akışkanın debimetre girişine ulaştığında tam olarak gelişebilmesini sağlamaya çalışmak gerekir.
Akış durumu, ultrasonik akış ölçerlerin ölçüm ve ölçüm doğruluğunu belirlediğinden ve akış durumu birçok faktöre bağlı olduğundan, ultrasonik akış ölçerleri geliştirirken ve kullanırken ölçüm koşullarının tasarım gereksinimlerini karşılayıp karşılamadığını dikkatle değerlendirmek gerekir [21]. Önerilen kurulum koşulları, ultrasonik debimetrenin yukarı yöndeki düz borusunun uzunluğunun 10D'den az olmaması ve aşağı yöndeki düz borunun uzunluğunun 5D'den az olmamasıdır.
Kurulum etkilerinin varlığı, kararlı sıvı akışının elde edilmesini zorlaştırır. Tam gelişmiş akışa sahip düz bir boru düzeninde hız profili ve dağılım ampirik formüllerle temsil edilebilir. Bu nedenle, kurulum koşulları garanti edildiği sürece ultrasonik debimetrelerin ölçüm doğruluğu gereksinimleri, ister laboratuvarda ister benzer bir gerçek alanda kolaylıkla karşılanabilir. Ancak endüstriyel ortamlarda çeşitli girişim faktörleri mevcuttur ve ultrasonik debimetrelerin gerçek ölçüm hatası, nominal ölçüm hatasından daha büyük olacaktır! Boru kanalındaki yüzey ortalama hızı V veya V'nin ölçülen değeri ve borudaki ortalama hız Va'nın hesaplanan değerinin her ikisi de ölçüm belirsizliklerine sahiptir. Türbülans, Va veya V'nin ölçüm belirsizliğini ifade eder. Borudaki ortalama hızı düzeltmek için hız düzeltme faktörü K kullanılabilse de, gerçek akış ile tasarım koşulları arasındaki tutarsızlık önemli ölçüm hatalarına neden olacaktır. Kaynaklı flanşlar, ultrasonik transdüser kurulum yerinin yakınındaki flanş çıkıntıları ve yukarı akışa monte edilen pompalar ve vanaların tümü akış alanındaki girişim faktörleridir; hız profilinde önemli değişikliklere neden olur ve hız düzeltme faktöründe büyük hatalara neden olur, dolayısıyla tasarım hedeflerini ve gerekliliklerini karşılayamaz.
Türbülansta mevcut olan radyal hız bileşeni, ultrasonik akış ölçümünde en önemli etkileyici faktördür. Radyal hız bileşeninin ana nedeni borudaki bükülmenin neden olduğu ikincil akıştır. Borudaki akışkan bükülme koşulu altında aktığında, merkezkaç kuvveti nedeniyle akış durumu kararsız bir durumdadır. Bu kararsızlık problemine Dean stabilite problemi denir [91]. Dean stabilite problemine neden olan bükülme Şekil 2.5'te gösterilmektedir. Borudaki eksenel akışa birincil akış, dirsekte oluşturulan radyal akışa ise ikincil akış adı verilir. İkincil akışın nedeni ise virajın iç ve dış taraflarının eğriliğinin farklı olmasıdır. Akışkan mikro-elemanları içeri doğru hareket ettiğinde, merkezkaç kuvveti boru kesitine etki eder ve bir kuvvet alanı oluşturur. Bu kuvvet alanı, akışkan mikro{10}elementlerin radyal hareket üretmesini sağlayacaktır. İkincil akışın yoğunluğu Dean sayısı D ile temsil edilebilir, yani:
Formülde: Vomiki duvar arasındaki ortalama akış hızıdır; D borunun iç çapıdır; u kinematik viskozitedir; ve R borunun bükülme yarıçapıdır. Akış hızı ne kadar hızlı olursa, borudaki bükülme yarıçapı (R) o kadar küçük olur ve üretilen ikincil akışın yoğunluğu da o kadar büyük olur.
Kurulum etkisinin etkisi ve cihaz gövdesindeki geometrik hata
Ultrasonik debimetrelerin ölçüm hatasını etkileyen çeşitli faktörler arasında en önemlileri akış alanı kurulum etkisi ve sinyal gecikmesidir. Geliştirme ve kullanım sırasında boru çapı ve kurulum azimut açısı gibi faktörler de akış ölçüm doğruluğunu etkiler. Gerçek endüstriyel ortamlarda, kurulum etkisinden dolayı sıvı akışı nadiren stabildir ve akış alanında kaçınılmaz olarak çeşitli dalgalanmalar meydana gelir. Bu dalgalanmalar daha önce analiz edildiği gibi akış ölçüm doğruluğunu etkiler.
Ölçüm işlemi sırasında ultrasonik yol ve ultrasonik debimetre boru kabuğunun-kesit alanı sabit kalmalıdır. Sıcaklık ve gerilimdeki değişiklikler, boru kesitinde karşılık gelen değişikliklere- neden olacak, bu da sıvı hızı dağılımında değişikliklere ve dolayısıyla yanlış hız ölçümüne yol açacaktır. Ölçüm hatası, borunun kesit alanındaki hatayla doğru orantılıdır-. Bu özellikle sıcaklık ve stres değişikliklerinin etkilerinin daha da şiddetli olduğu sıkıştırılabilir gazlı ortamlar için geçerlidir.
Geliştirme süreci sırasında dönüştürücüleri sahadaki gerçek boru çapına göre düzenlemek zordur. Ancak ultrasonik transdüserler çap konumuna göre doğru şekilde monte edilemezse akış ölçümünün doğruluğu da etkilenecektir. Dönüştürücünün konumlandırma hatası esas olarak ultrasonik dalganın L yayılma yolunu etkiler. Geliştirme süreci sırasında dönüştürücünün montaj pozisyonunun belirlenmesindeki zorluğa ek olarak, ölçüm borusu kabuğunun sıcaklık değişimleri altında termal genleşme ve büzülme etkisi de dönüştürücü mesafesinin hafifçe yer değiştirmesine neden olacak ve dolayısıyla dönüştürücünün konumlandırma hatasına neden olacaktır. Ultrasonik debimetrenin boru duvarının iç yüzeyinde birikintiler olduğunda borunun kesit alanı küçülür, bu da sıvı hızının artmasına neden olur, bu da akış ölçüm değerinin ölçüm hatasına neden olur. Referans [96], 300 mm çapındaki bir ultrasonik debimetrede, borunun iç yüzeyine 0,4 mm kalınlığında birikintilerin eklenmesi durumunda, ultrasonik debimetreye ±%0,51 ölçüm hatası getireceğini göstermektedir.
