Lors de l'utilisation d'un-temps de-voldébitmètre à ultrasonspour mesurer le débit, il est nécessaire de connaître la vitesse moyenne du gaz circulant dans le tuyau. Idéalement, le débitmètre à ultrasons mesure simultanément la vitesse du fluide en un nombre infini de points le long de la section transversale du tuyau-, puis calcule la vitesse moyenne pondérée pour obtenir la vitesse moyenne volumique du fluide dans le tuyau. Ce principe de mesure suppose que le fluide présent dans le tuyau fonctionne dans des conditions d'écoulement idéales. Les résultats expérimentaux montrent que dans un bon environnement de champ d'écoulement, la précision de mesure d'un débitmètre à ultrasons à canal unique peut atteindre 0,5 %.
Cependant, si le débitmètre à ultrasons à canal unique-est installé 19D en aval d'un seul coude à 90 degrés, l'erreur de mesure dépassera 4 % ; si le 78D est installé en aval, l'erreur de mesure peut atteindre 2 % à 2,2 %. Ces expériences démontrent que les changements dans le champ d'écoulement non idéal - ont un impact significatif sur la précision des mesures. Même avec plusieurs canaux disposés dans le tuyau de mesure de débit ultrasonique pour obtenir des informations sur la vitesse sur toute la section transversale du flux-, des informations de vitesse incomplètes existent toujours et des écarts subsisteront entre le résultat mesuré et la vitesse réelle. La différence est faible, mais la précision de la mesure est bien meilleure que celle d'un débitmètre à ultrasons à canal unique. Ce livre utilise également la méthode de mesure multi-canal comme contenu de recherche pour résoudre ce problème. Par conséquent, lors du développement de débitmètres à ultrasons et de l'utilisation pratique de débitmètres, il est nécessaire de prêter attention à l'influence de la position d'installation sur le champ d'écoulement réel et d'essayer de garantir que le fluide dans le tuyau peut être entièrement développé lorsqu'il atteint l'entrée du débitmètre.
Étant donné que l’état du débit détermine la précision de mesure et de dosage des débitmètres à ultrasons et que l’état du débit dépend de nombreux facteurs, il est nécessaire d’examiner attentivement si les conditions de mesure répondent aux exigences de conception lors du développement et de l’utilisation de débitmètres à ultrasons [21]. Les conditions d'installation recommandées sont que la longueur du tuyau droit en amont du débitmètre à ultrasons ne soit pas inférieure à 10D et que la longueur du tuyau droit en aval ne soit pas inférieure à 5D.
La présence d'effets d'installation rend difficile l'obtention d'un écoulement de fluide stable. Dans un tracé de conduites droites avec un écoulement pleinement développé, le profil et la distribution des vitesses peuvent être représentés par des formules empiriques. Par conséquent, tant que les conditions d'installation sont garanties, les exigences de précision de mesure des débitmètres à ultrasons peuvent être facilement satisfaites, que ce soit en laboratoire ou sur un terrain réel comparable. Cependant, dans les environnements industriels, divers facteurs d'interférence existent et l'erreur de mesure réelle des débitmètres à ultrasons sera supérieure à l'erreur de mesure nominale ! La valeur mesurée de la vitesse moyenne de surface V ou V dans le canal du tuyau et la valeur calculée de la vitesse moyenne V a dans le tuyau présentent toutes deux des incertitudes de mesure. La turbulence fait référence à l'incertitude de mesure de Va ou V. Bien qu'un facteur de correction de vitesse K puisse être utilisé pour corriger la vitesse moyenne dans la conduite, l'écart entre le débit réel et les conditions de conception introduira des erreurs de mesure importantes. Les brides soudées, les saillies de bride à proximité de l'emplacement d'installation du transducteur ultrasonique et les pompes et vannes installées en amont sont tous des facteurs d'interférence dans le champ d'écoulement, provoquant des changements significatifs dans le profil de vitesse et entraînant de grandes erreurs dans le facteur de correction de vitesse, ne parvenant ainsi pas à répondre aux objectifs et aux exigences de conception.
La composante de vitesse radiale présente dans la turbulence est le facteur d’influence le plus important dans la mesure du débit par ultrasons. La cause principale de la composante de vitesse radiale est l’écoulement secondaire provoqué par le coude du tuyau. Lorsque le fluide dans le tuyau s'écoule dans des conditions de flexion, l'état d'écoulement est dans un état instable en raison de la force centrifuge. Ce problème d’instabilité est appelé problème de stabilité de Dean [91]. Le virage à l'origine du problème de stabilité de Dean est illustré à la figure 2.5. Le flux axial dans le tuyau est appelé flux primaire et le flux radial généré dans le coude est appelé flux secondaire. La raison de l'écoulement secondaire est que la courbure des côtés intérieur et extérieur du coude est différente. Lorsque les microéléments fluides-se déplacent à l'intérieur, la force centrifuge agit sur la section transversale du tuyau et génère un champ de force. Ce champ de force amènera les micro-éléments fluides à produire un mouvement radial. L'intensité du flux secondaire peut être représentée par le nombre de Dean D, soit :
Dans la formule : Vohest la vitesse moyenne d'écoulement entre les deux parois ; D est le diamètre intérieur du tuyau ; u est la viscosité cinématique ; et R est le rayon de courbure du tuyau. Plus la vitesse d'écoulement est rapide, plus le rayon de courbure R du tuyau est petit et plus l'intensité du flux secondaire généré est grande.
Influence de l'effet d'installation et de l'erreur géométrique du boîtier de l'instrument
Parmi les différents facteurs affectant l'erreur de mesure des débitmètres à ultrasons, les plus importants sont l'effet d'installation du champ d'écoulement et le retard du signal. Lors du développement et de l'utilisation, des facteurs tels que le diamètre du tuyau et l'angle d'azimut de l'installation influencent également la précision de la mesure du débit. Dans les environnements industriels réels, en raison de l'effet d'installation, le débit de fluide est rarement stable et diverses fluctuations existent inévitablement dans le champ d'écoulement. Ces fluctuations affectent la précision de la mesure du débit, comme analysé précédemment.
Pendant le processus de mesure, le trajet des ultrasons et la-section transversale de l'enveloppe du tuyau du débitmètre à ultrasons doivent rester constants. Les changements de température et de contrainte entraîneront des changements correspondants dans la section transversale du tuyau-, entraînant des variations dans la distribution de la vitesse du fluide et, par conséquent, une mesure de vitesse inexacte. L'erreur de mesure est directement proportionnelle à l'erreur dans la section transversale du tuyau-. Cela est particulièrement vrai pour les milieux gazeux compressibles, où les effets des changements de température et de contrainte sont encore plus sévères.
Au cours du processus de développement, il est difficile de disposer les transducteurs en fonction du diamètre réel du tuyau sur site. Cependant, si les transducteurs ultrasoniques ne peuvent pas être installés avec précision en fonction de la position du diamètre, la précision de la mesure du débit sera également affectée. L'erreur de positionnement du transducteur affecte principalement le chemin de propagation L de l'onde ultrasonore. En plus de la difficulté de déterminer la position d'installation du transducteur pendant le processus de développement, l'effet de dilatation et de contraction thermique de l'enveloppe du tuyau de mesure sous les changements de température entraînera également un léger déplacement de la distance du transducteur, provoquant ainsi une erreur de positionnement du transducteur. Lorsqu'il y a des dépôts sur la surface intérieure de la paroi du tuyau du débitmètre à ultrasons, la section transversale du tuyau devient plus petite, ce qui entraîne une augmentation de la vitesse du fluide, ce qui entraînera également une erreur de mesure de la valeur de mesure du débit. La référence [96] montre que dans un débitmètre à ultrasons de 300 mm de diamètre, si des dépôts de 0,4 mm d'épaisseur sont fixés sur la surface intérieure du tuyau, cela entraînera une erreur de mesure de ± 0,51 % au débitmètre à ultrasons.
