Det tekniske hjørne – Flowmåling med ultralyd – Inline
Skrevet af Morten B. Jensen, Manager, Instrumentation, KLINGER Danmark
Der findes 2 grundprincipper, nemlig Dopler og Transit Time – af disse udgør det sidstnævnte mere end 90% af alle inline installationer.
Transit time princippet
Princippet er baseret på samtidig udsendelse af ét ultralydssignal medstrøms og ét modstrøms. Da modstrøms signalet vil være længere tid undervejs, vil forskellen i vandringstiderne være et udtryk for væskehastigheden, som kan beregnes rent elektronisk, idet det viser sig at måling af flowhastigheden, baseret på ultralyd, er:
- Uafhængig af mediets densitet
- Uafhængig af mediets viskositet
- Uafhængig af lydens hastighed i det aktuelle medie
Dette er 3 meget vigtige konklusioner, da det i praksis betyder at en ultralydsflowmåler f.eks. kan kalibreres med vand – og derefter anvendes på andre væsker uden at skulle omkalibreres!
En flowmåler efter transit time princippet vil typisk arbejde i et område mellem 0,1 og 5 MHz (høje frekvenser for væsker/lave for gasser), og det er derfor meget korte tidsintervaller, typisk i området mikrosekunder, der arbejdes med. Det stiller igen store krav til de piezokrystaller, der benyttes til at generere/opsamle signalerne.
Et typisk eksempel ved en kunne være (1 MHz målesystem):
Indvendig rørdiameter: D = 100 mm
Vinkel mellem rørvæg og sensor α = 45°
Medie: vand (lydhastighed c = 1480 m/s)
Flowhastighed v = 1 m/s
Tidsmåling, medstrøm = 95,4949 μs
Tidsmåling, modstrøm = 95,5862 μs
Differenstid ΔT = 91.3 ns
For at opnå en opløsning på 0.5% kræver det således at systemet kan detektere tidsforskelle på mindre end 500 ps (Pico sekund = 10-12 sekund)!
Flere spor i samme måler øger nøjagtigheden
Ikke alle flowmålere kan installeres under ideelle betingelser, og som de fleste andre måleprincipper påvirkes målenøjagtigheden i ultralydsmålere af flowprofilet på målestedet.
Da lydbølger kun kan udbrede sig i rette linjer, betyder det at flowmåleren kun kan måle på det som ultralydssporet ”skyder” igennem – og målesystemet vil opfatte den målte flowhastighed som et gennemsnit for hele rørets areal, hvilket kan vise sig at give endog meget store afvigelser fra ”den virkelig verden”. Derfor er der udviklet ultralydsmålere med flere sensorpar, som placeres så de samtidig kan måle væskehastigheden flere steder i målerøret. Det endelig flowsignal kan derefter udregnes i transmitteren, som en vægtet middelværdi af de målte værdier – i praksis kan dette betyde temmelig meget:
Med udgangspunkt i 2 veldefinerede tilstande, nemlig laminart flow (Reynolds tal < 2.500) og turbulent flow (Reynolds tal > 20.000), kan vi kigge på 3 repræsentative udgaver af ultralydsflowmålere:
1-spors måleren måler hastigheden ét sted i røret og ”forudsætter” at målestedet er repræsentativt for resten af målingen. Ved måling i de 2 tilstande konstateres en forskel på næsten 30% i resultatet.
3-spors måleren måler hastigheden 3 steder i røret og midler værdien for at kompensere for ulineariteten. Fornuftig placering af sensorer og midling af måleresultaterne giver en væsentlig forbedring i udlæsningen, og forskellen er kun omkring 0,5% under de samme konditioner.
5-spors måleren måler hastigheden hele 5 steder, hvilket kortlægger hastighedsprofilet endnu bedre. Med de mange spor kan opnås målenøjagtigheder på bedre end +/- 0,15% af måleværdien, hvilket gør denne type af målere attraktive til afregningsformål.
Ovenstående er baseret på målinger med et symmetrisk flowprofil – altså under ideelle forhold. Ændres disse forhold, f.eks. ved at placere måleren umiddelbart efter en bøjning, vil der fremkomme andre værdier for afvigelserne. Alligevel gælder det at jo flere spor der måles i, desto bedre ”billede” får man af hastighedsprofilet, hvilket alt andet lige giver mulighed for en mere nøjagtig måling af flowet.
Begrænsninger i anvendelsen
Transit time princippet anvendes primært til rene væsker/gasser, da ultralydssignalet skal kunne løbe uhindret mellem sensorerne.
Luftbobler/fugt og partikler kan virke dæmpende på lydsignalet, i visse tilfælde kan det endog give falske refleksioner. Det er ikke muligt at angive eksakte værdier for hvor ”snavset” mediet kan være, det afhænger af hvilket materiale forureningskilden er lavet af, men som håndregel gælder:
- Gas/luftbobler i væske < 1% vol
- Faste partikler i mediet < 5% vol
Selvom princippet er uafhængigt af mediets viskositet er der dog en begrænsning for hvor viskose væsker man kan måle på. Det bunder i måden hvorved lyd udbreder sig på. Lydbølger er i bund og grund trykbølger. I væsker vil disse skabe mekaniske bølger ved at komprimere mediet – er mediet meget viskost vil det ikke kunne komprimeres og måling vil være umuliggjort. Grænsen for hvornår dette sker, afhænger både af lydkildens styrke og af væskens viskositet – en vejledende værdi der angiver maks. viskositet pr. meter mellem sensorerne, værdien er 100cP/m, men er der mistanke om opgaven kan volde problemer, kan den verificeres ved en forudgående beregning.
