Ao usar um horário-de-voomedidor de fluxo ultrassônicopara medir a vazão, é necessário conhecer a velocidade média do gás que flui pela tubulação. Idealmente, o medidor de vazão ultrassônico mede simultaneamente a velocidade do fluido em um número infinito de pontos ao longo da seção transversal-do tubo e, em seguida, calcula a velocidade média ponderada para obter a velocidade média volumétrica do fluido dentro do tubo. Este princípio de medição pressupõe que o fluido no tubo esteja operando em condições de vazão ideais. Resultados experimentais mostram que, em um bom ambiente de campo de vazão, a precisão da medição de um medidor de vazão ultrassônico de{4}canal único pode chegar a 0,5%.
No entanto, se o medidor de vazão ultrassônico-de canal único for instalado 19D a jusante de uma única curva de 90 graus, o erro de medição excederá 4%; se instalado 78D downstream, o erro de medição pode chegar a 2% a 2,2%. Esses experimentos demonstram que mudanças no campo de fluxo não{8}}ideal têm um impacto significativo na precisão da medição. Mesmo com vários canais organizados no tubo de medição de vazão ultrassônico para obter informações de velocidade em toda a seção transversal do fluxo, ainda existem informações de velocidade incompletas e permanecerão discrepâncias entre o resultado medido e a velocidade real. A diferença é pequena, mas a precisão da medição é muito melhor do que a de um medidor de vazão ultrassônico-de canal único. Este livro também usa o método de medição multi{14}}canal como conteúdo de pesquisa para resolver esse problema. Portanto, no processo de desenvolvimento de medidores de vazão ultrassônicos e utilização de medidores de vazão na prática, é necessário prestar atenção à influência da posição de instalação no campo de vazão real e tentar garantir que o fluido no tubo possa ser totalmente desenvolvido quando atinge a entrada do medidor de vazão.
Como o estado do fluxo determina a precisão da medição e medição dos medidores de vazão ultrassônicos, e o estado do fluxo depende de muitos fatores, é necessário considerar cuidadosamente se as condições de medição atendem aos requisitos de projeto ao desenvolver e usar medidores de vazão ultrassônicos [21]. As condições de instalação recomendadas são que o comprimento do tubo reto a montante do medidor de vazão ultrassônico não seja inferior a 10D e o comprimento do tubo reto a jusante não seja inferior a 5D.
A presença de efeitos de instalação dificulta a obtenção de um fluxo de fluido estável. Em um layout de tubo reto com fluxo totalmente desenvolvido, o perfil e distribuição de velocidade podem ser representados por fórmulas empíricas. Portanto, desde que as condições de instalação sejam garantidas, os requisitos de precisão de medição dos medidores de vazão ultrassônicos podem ser facilmente atendidos, seja em laboratório ou em campo real comparável. No entanto, em ambientes industriais, existem vários fatores de interferência, e o erro de medição real dos medidores de vazão ultrassônicos será maior do que o erro de medição nominal! O valor medido da velocidade média superficial V ou V no canal do tubo e o valor calculado da velocidade média V a no tubo possuem incertezas de medição. Turbulência refere-se à incerteza de medição de Va ou V. Embora um fator de correção de velocidade K possa ser usado para corrigir a velocidade média no tubo, a discrepância entre o fluxo real e as condições de projeto introduzirá erros de medição significativos. Flanges soldados, saliências de flange próximas ao local de instalação do transdutor ultrassônico e bombas e válvulas instaladas a montante são todos fatores de interferência no campo de fluxo, causando alterações significativas no perfil de velocidade e resultando em grandes erros no fator de correção de velocidade, falhando assim em atender aos objetivos e requisitos do projeto.
O componente da velocidade radial presente na turbulência é o fator de influência mais importante na medição de vazão ultrassônica. A principal causa da componente da velocidade radial é o fluxo secundário causado pela curvatura do tubo. Quando o fluido no tubo flui sob a condição de flexão, o estado do fluxo fica instável devido à força centrífuga. Este problema de instabilidade é chamado de problema de estabilidade de Dean [91]. A curvatura que causa o problema de estabilidade de Dean é mostrada na Figura 2.5. O fluxo axial no tubo é chamado de fluxo primário, e o fluxo radial gerado na curva é chamado de fluxo secundário. A razão para o fluxo secundário é que a curvatura dos lados interno e externo da curva é diferente. Quando os micro{8}elementos fluidos se movem para dentro, a força centrífuga atua na seção transversal do tubo e gera um campo de força. Esse campo de força acionará os micro{10}elementos fluidos para produzir movimento radial. A intensidade do fluxo secundário pode ser representada pelo número Dean D, ou seja:
Na fórmula: Vahé a velocidade média do fluxo entre as duas paredes; D é o diâmetro interno do tubo; u é a viscosidade cinemática; e R é o raio de curvatura do tubo. Quanto mais rápida for a velocidade do fluxo, menor será o raio de curvatura R no tubo e maior será a intensidade do fluxo secundário gerado.
Influência do efeito de instalação e erro geométrico da caixa do instrumento
Entre os vários fatores que afetam o erro de medição dos medidores de vazão ultrassônicos, os mais importantes são o efeito de instalação do campo de fluxo e o atraso do sinal. Durante o desenvolvimento e uso, fatores como o diâmetro do tubo e o ângulo de azimute da instalação também influenciam a precisão da medição de vazão. Em ambientes industriais reais, devido ao efeito de instalação, o fluxo de fluido raramente é estável e existem inevitavelmente várias flutuações no campo de fluxo. Essas flutuações afetam a precisão da medição da vazão, conforme analisado anteriormente.
Durante o processo de medição, o caminho ultrassônico e a área da seção-transversal do invólucro do tubo do medidor de vazão ultrassônico devem permanecer constantes. Mudanças na temperatura e na tensão causarão alterações correspondentes na seção transversal-do tubo, levando a variações na distribuição da velocidade do fluido e, consequentemente, a medições imprecisas da velocidade. O erro de medição é diretamente proporcional ao erro na área da seção-transversal do tubo. Isto é especialmente verdadeiro para meios gasosos compressíveis, onde os efeitos das mudanças de temperatura e tensão são ainda mais severos.
Durante o processo de desenvolvimento, é difícil organizar os transdutores de acordo com o diâmetro real do tubo no local. No entanto, se os transdutores ultrassônicos não puderem ser instalados com precisão de acordo com a posição do diâmetro, a precisão da medição da vazão também será afetada. O erro de posicionamento do transdutor afeta principalmente o caminho de propagação L da onda ultrassônica. Além da dificuldade em determinar a posição de instalação do transdutor durante o processo de desenvolvimento, o efeito de expansão e contração térmica do invólucro do tubo de medição sob mudanças de temperatura também fará com que a distância do transdutor seja ligeiramente deslocada, causando assim o erro de posicionamento do transdutor. Quando há depósitos na superfície interna da parede do tubo do medidor de vazão ultrassônico, a área da seção transversal-do tubo se torna menor, resultando em um aumento na velocidade do fluido, o que também causará o erro de medição do valor de medição de vazão. A referência [96] mostra que em um medidor de vazão ultrassônico de 300 mm de diâmetro, se depósitos de 0,4 mm de espessura forem fixados na superfície interna do tubo, isso trará um erro de medição de ± 0,51% para o medidor de vazão ultrassônico.
