Clamp-on ultraäänivirtausmittareilla tehtävät mittaukset pienissä vesiputkissa

Transkriptio

1 Clamp-on ultraäänivirtausmittareilla tehtävät mittaukset pienissä vesiputkissa VESTA Loppuraportti Sami Asikainen Tampere

2 Sisällysluettelo Merkinnät ja symbolit 3 1 Johdanto 4 Nesteen virtaus ja virtauksen ominaisuuksia 4.1 Laminaarinen ja turbulenttinen virtaus Nopeus profiili erilaisissa häiriötilanteissa Ääni ja sen ominaisuuksia Pitkittäis- ja poikittaisaallot Äänen etenemisnopeus vedessä Ääniaallon taittuminen ja heijastuminen Ääniaallon muita ominaisuuksia Erilaiset ultraäänimittarit Kulkuaikaeroon perustuva menetelmä Doppleriin perustuva virtausmittaus Taajuuseromenetelmä Mittaukset ultraäänivirtausmittareilla 5.1 Mittaukset DN5 ruostumattomassa teräsputkessa Mittaukset DN5 putkissa Yhteenveto 47 Lähdeluettelo

3 3 Merkinnät ja symbolit h θ m n r r o A B s c d i E f G k L n Q v r r i Re t T v,v V u v v l v t v(r) v max Dynaaminen viskositeetti Päävirtaussuunnan ja ultraäänen etenemissuunnan välinen kulma Poissonin luku Kinemaattinen viskositeetti Nesteen tiheys Tiheys lepotilassa Putken poikkipinta-ala Adiabaattinen kokoonpuristuvuus Äänen nopeus väliaineessa Putken sisähalkaisija Kimmomoduuli Taajuus Liukumoduuli Profiilin korjauskerroin Äänen kulkema matka Funktio Reynoldsin luvusta Tilavuusvirta Etäisyys putken keskiakselilta Putken sisäsäde Reynoldsin luku Kulkuaika Lämpötila Keskimääräinen virtausnopeus Ultraäänivirtausmittarin mittaama keskimääräinen virtausnopeus Virtausnopeus Pitkittäisaallon etenemisnopeus Poikittaisaallon etenemisnopeus Virtausnopeus etäisyydellä r putken keskiakselilta Maksimi virtausnopeus

4 4 1. Johdanto Tässä raportissa on esitetty ultraäänivirtausmittaukseen liittyvää perusteoriaa sekä tutkimustuloksia liittyen putken päälle asetettavien clamp on ultraäänivirtausmittarien toimintaa pienissä putkissa. Tämä työ on jatkoa diplomityöhön vesimittarien tarkastustoiminta ja sen kehittäminen ja työssä tutkittiin mahdollisuuksia käyttää clamp on ultraäänivirtausmittareita vesimittareiden tarkistuksiin. Raportissa esitetyt mittaukset tehtiin Tampereen teknillisen korkeakoulun Mittaus- ja informaatiotekniikan laitoksen virtausmittauslaboratoriossa. Mittauksissa käytettiin kaupallisia Panametricsin PT868 ja Controlotron 11 clamp on ultraäänivirtausmittareita. Referenssimittarina oli Fortum Power and Heat Oyn kalibroima Micromotion massavirtamittari.. Nesteen virtaus ja sen ominaisuudet Nesteen virtauksen käyttäytymistä putkessa kuvataan Reynoldsin luvulla Re. Reynoldsin luku on rvdi vdi Re = = h n missä Re = Reynoldsin luku ρ = nesteen tiheys v = keskimääräinen virtausnopeus d i η = putken sisähalkaisija = dynaaminen viskositeetti (.1) ν = kinemaattinen viskositeetti

5 5.1 Laminaarinen ja turbulenttinen virtaus Neste voi edetä putkessa kahdella täysin erilaisella tavalla. Virtaus on laminaarista silloin kuin Reynoldsin luku on alle. Laminaarisessa virtauksessa virtausnopeus vaihtelee putken eri osissa. Nopeimmillaan virtausnopeus on putken keskiosassa ja hitaimmillaan putken seinämän läheisyydessä. Maksimi virtausnopeus on *v. Täysin kehittyneen laminaarisen virtauksen nopeusprofiili voidaan laskea analyyttisesti virtausyhtälöistä. r r (.) v( r) = v max ( 1- ( )) = v( 1-( )) r r i i missä v(r) = nopeus etäisyydellä r putken keskiakselilta v max r r i v = Maksimi virtausnopeus = etäisyys putken keskiakselilta = putken sisäsäde = keskimääräinen virtausnopeus tällöin Q v = v missä max Q v A A = tilavuusvirta = putken poikkipinta-ala (.3)

6 6 Laminaarisessa virtauksessa partikkelit kulkevat suoria kulkuratoja, mutta ne saattavat kuitenkin vaihtaa kulkuratojaan ja tätä ilmiötä kutsutaan sekundääriseksi virtaukseksi. Turbulenttinen virtaus on yleisin virtausmuoto ja se esiintyy yleensä silloin, kun Reynoldsin luku on yli 4. Näiden kahden virtausalueen väliin jäävällä siirtymäalueella virtaus vaihtelee laminaarisen ja turbulenttisen virtauksen välillä satunnaisesti. Turbulenttisessa virtauksessa itse virtaus menee suoraan, mutta yksittäiset partikkelit sinkoilevat sinne tänne, joten turbulenttisen virtauksen nopeus riippuu sekä ajasta että paikasta. Hetkellinen nopeuskomponentti voidaan ilmaista sen aikakeskiarvon ja ajasta riippuvan heilahtelukomponentin summana. Turbulenttisessa virtauksessa eri nopeuskomponentteja kutsutaan aksiaali-, radiaali- ja tangentiaalikomponentiksi. Täysin kehittyneessä virtauksessa ainoastaan aksiaalikomponentin aikakeskiarvo poikkeaa nollasta. Turbulenttisen virtauksen virtausyhtälöitä joudutaan ratkaisemaan numeerisesti, kuitenkin profiilimittausten perusteella on myös täysin kehittyneelle turbulenttiselle virtaukselle kehitetty analyyttisiä laskentamalleja. Kuten yhtälö (.4) 1 r vr () = vmax ( 1- ) n R n voidaan laskea ainakin kahdella eri yhtälöllä: (.4) (.5) n =, -, lg(re) n = 166, lg(re) (.6)

7 7 Turbulenttisessa virtauksessa maksimi virtausnopeuden ja keskimääräisen virtausnopeuden suhde on suurimmillaan noin 1, Reynoldsin luvun ollessa 1 5. Reynoldsin luvun kasvaessa suhde lähenee arvoa 1. Turbulenttisen virtauksen nopeusprofiili on tasaisempi kuin laminaarisen virtauksen (kuvat.1-.). Tästä johtuen piste, jossa virtauksen nopeus on sama kuin keskimääräinen virtausnopeus on turbulenttisessa virtauksessa lähempänä putken seinämää kuin laminaarisessa virtauksessa. Kuva.1. Laminaarinen virtaus. Kuva.. Turbulenttinen virtaus. Kuvissa.1 ja. on esitetty täysin kehittyneen laminaarisen sekä turbulenttisen virtauksen nopeusprofiili. Tunnusomaista täysin kehittyneelle virtauksen nopeusprofiilille on, että se on pyörähdyssymmetrinen putken keskiakselin suhteen.. Nopeusprofiili eri häiriötilanteissa Virtauksen nopeusprofiili on häiriöllinen, silloin kun se poikkeaa täysin kehittyneestä nopeusprofiilista. Erilaiset häiriöt, kuten putkimutkat, supistukset jne. aiheuttavat muutoksia nopeusprofiilissa. Kuvissa.3.4 on esitetty nopeusprofiilin kehittyminen samassa tasossa olevien erilaisten häiriötilanteiden jälkeen.

8 8 Kuva.3. Nopeusprofiilin kehittyminen yhden 9 o putkimutkan jälkeen. Kuva.4. Nopeusprofiilin kehittyminen putkessa olevan supistuksen jälkeen. Kuvassa.5 on esitetty lähteessä [7] olevat mitatut aksiaalinopeusprofiilit yhden 9 o mutkan jälkeen sekä pystysuorassa tasossa (x), että samassa tasossa (y) mutkaan nähden. Kuvassa.6 on vastaavasti esitetty mitatut vertikaalinopeusprofiilit. Kuva.5. Mitattu aksiaalinopeusprofiili yhden 9 o mutkan jälkeen. [7].

9 9 Kuva.6. Mitattu vertikaalinopeusprofiili yhden 9 o mutkan jälkeen. [7]. Kuvassa.7 on esitetty aksiaalinopeusjakauma yhden 9 o mutkan jälkeen. Kuva.7. Mitattu aksiaalinopeusjakauma yhden 9 o mutkan jälkeen. [7].

10 1 3. Ääni ja sen ominaisuudet 3.1 Pitkittäis- ja poikittaisaallot Ultraäänivirtausmittauksissa käytettään hyväksi sekä äänen pitkittäis- että poikittaisaallon nopeuksia käyttökohteesta riippuen. Aineissa, joissa ei esiinny leikkausjännityksiä (viskositeetti pieni) ääni etenee vain pitkittäisaaltona. Pitkittäisaallossa partikkelien etenemissuunta on vain akustisen aallon etenemissuunta. Väliaineissa esiintyy tällöin sekä paine- että tiheysaaltoja. Tällaisia aineita ovat kaasut, vesi ja vedenkaltaiset aineet. Pitkittäisaallon etenemisnopeus nesteissä v l Bs = r o (3.1) missä B s r o = adiabaattinen kokoonpuristuvuus = tiheys lepotilassa Sekä vastaavasti kiinteissä aineissa v l = E( 1- m) r( 1+ m)( 1-m) (3.) missä E r m = kimmomoduuli = aineen tiheys = Poissonin luku

11 11 Poikittaisaalloissa hiukkaspoikkeamat tapahtuvat kohtisuorassa tasossa äänen etenemissuuntaan nähden. Väliaineessa ei esiinny paine- ja tiheysmuutoksia, joten äänen etenemistä voidaan pitää leikkausjännitysaallon etenemisenä. Ideaalisessa nesteessä poikittaisaalto ei etene ja muissakin nesteissä se vaimenee nopeasti, joten poikittaisaaltoa voidaan käyttää vain kiinteissä aineissa. Poikittaisaallon etenemisnopeus v t = E G = r 1 ( + m) r (3.3) missä G = liukumoduuli Ideaalinesteillä G =, josta on seurauksena, että v l =. Liukumoduulin ja kimmomoduulin välinen yhteys on E G = 1+ ( m) (3.4) Tätä kautta saadaan laskettua pitkittäis- ja pokittaisaaltojen välinen suhde v v l t = 1 ( - m) 1- m (3.5)

12 1 Taulukossa 3.1 on esitetty äänten pitkittäis- sekä poikittaisaallon etenemisnopeuksia sekä materiaalien muita ominaisuuksia. Taulukko 3.1. Materiaalien akustisia ominaisuuksia. [1, 1] Materiaali V t V l r ( o C) E [m/s] [m/s] [g/cm 3 ] [Gpa] Poissonin luku Hapon kestävä teräs Kevyt teräs Ruostumaton teräs 7, , Alumiini 31 63,7 7,19,34 Kupari ,96 1,5,34 Karkaistu kupari 35 Valssattu kupari 7 51,37 Messinki ,4 1,5 Rauta (electrolytic) ,9 Valurauta Nylon ,1 Nylon, ,4 Polyeteeni (HD) 31 ~,94 Polyeteeni (LD) ,9,458 PVC ,4 4,34 Akryyli , m

13 13 3. Äänen etenemisnopeus vedessä Koska kaikki tässä raportissa esiintyvät mittaukset on tehty vedessä, tarkastellaan ultraäänen käyttäytymistä vedessä hieman tarkemmin. Kuvassa 3.1 on esitetty äänen nopeuden lämpötilariippuvuus paineessa 1 bar. Syynä tällaiseen lämpötilariippuvuuteen on se, että vesimolekyylien välillä esiintyy vetymolekyylien vaikutuksesta keskinäisiä vuorovaikutuksia. Suurissa lämpötiloissa molekyylien vuorovaikutuksen vaikutus vähenee ja niiden terminen liike tulee vallitsevaksi. Tällöin äänen nopeuden lämpötilariippuvuus tulee ns normaaliksi, jolloin äänen nopeus pienenee lämpötilan kasvaessa. Muita tällaisia assosioituneita nesteitä ovat mm. primäärialkoholit ja glyserolit Äänen nopeus Veden lämpötila Kuva 3.1. Äänen nopeuden lämpötilariippuvuus vedessä

14 14 Lämpötilariippuvuuden lisäksi H O molekyyli on epäsymmetrinen, joten veden akustisille ominaisuuksia ei ole pystytty kuvaamaan tarkalla matemaattisella lausekkeella. Pitkittäisaallon etenemisnopeudelle on kuitenkin saatu kokeellinen lauseke. v l = 5 Â i= kt i i (3.6) missä T = lämpötila [ o C] k o =, *1 4 [m/s] k 1 =, *1 1 [m/s o C] k = -, *1-1 [m/s o C ] k 3 =, *1-3 [m/s o C 3 ] k 4 = -, *1-5 [m/s o C 4 ] k 5 =, *1-8 [m/s o C 5 ] 3.3 Ääniaallon taittuminen ja heijastuminen Ääniaallon osuessa kahden isotrooppisen kiinteän aineen tai kiinteän aineen ja nesteen väliseen rajapintaan, tapahtuu aallossa sekä taittumista että heijastumista. Kuvassa 3. on esitetty aallon taittuminen ja heijastuminen kiinteän aineen A 1 ja nesteen A rajapinnassa. Eli toisin sanoen aallon osuessa kahden aineen rajapintaan osa siitä heijastuu takaisin väliaineeseen 1 ja osa siitä tunkeutuu väliaineeseen. Tätä aallon taittumista rajapinnasta käytetään hyväksi putken päälle asetettavissa clamp-on ultraääniantureissa, joissa ääni kulkee putkessa poikittaisaaltona ja sen osuessa kiinteän aineen ja nesteen rajapintaan se muuttuu pitkittäisaalloksi. Nesteessä aalto jatkaa kulkuaan pitkittäisaaltona, koska poikittaisaalto ei etene nesteessä. Aallon kulkukulma saadaan laskettua Snellin lailla (kaava 3.7), jos tiedetään äänen nopeus kummassakin väliaineessa ja tiedetään aallon kulkukulma ensimmäisessä väliaineessa.

15 15 C 1 θ 1 A 1 θ c A Kuva 3.. Aallon taittuminen ja heijastuminen kiinteän aineen ja nesteen välisessä rajapinnassa Taittumista kahden väliaineen rajapinnassa kuvaa Snellin laki c1 sinq 1 c = sinq (3.7) missä, c 1 = äänen nopeus ensimmäisessä väliaineessa. c q 1 = äänen nopeus toisessa väliaineessa. = äänen suunnan ja pystyakselin välinen kulma ensimmäisessä väliaineessa. q = äänen suunnan ja pystyakselin välinen kulma toisessa väliaineessa. 3.4 Ääniaallon muita ominaisuuksia Ääniaallon muihin ominaisuuksiin kuuluvat sen vaimeneminen sekä absorptio. Ääniaalto vaimenee edetessään väliaineessa ja siihen vaikuttuvat aallon sironta epäjatkuvuuskohdista sekä väliaineen absorptio. Aallon sirontaa aiheuttavat äänen aallonpituuden mittaiset sekä pienemmät epäjatkuvuuskohdat, kuten erilaiset partikkelit sekä kaasukuplat. Absorptioon vaikuttavat väliaineen viskositeetti, lämmön johtuminen ja molekyylien relaksaatioilmiöt.

16 16 4. Erilaiset ultraäänimittarit Ultraäänivirtausmittareita on kahdenlaisia. Perinteisessä ultraäänivirtausmittarissa anturit ovat kosketuksissa mitattavaan nesteeseen eli mittarit tarvitsevat valmiin asennuspaikan. Clamp on ultraäänivirtausmittareissa anturit asetetaan putken päälle mistä johtuen ei tarvita mitään valmista mittauspaikkaa vaan ne voidaan käytännössä asettaa melkein mihin vaan. Kuvassa 4.1 on esitetty perinteinen ja clamp on asennustapa. Kuva 4.1. Perinteinen ja clamp-on ultraäänivirtausmittari Clamp on ultraäänimittarissa voidaan käyttää hyväksi myös leveäkeilatekniikkaa. Menetelmässä ultraäänipulssi sovitetaan taajuudeltaan putkeen niin, että putki alkaa resonoida. Täten äänikeila kulkee ensin putken seinämää pitkin, mistä seurauksena muodostuu leveä äänikeila putken läpi kuten kuvassa 4. on esitetty. Kuva 4.. Leveäkeilatekniikkaa käyttävä clamp on mittari

17 17 Itse mittausmenetelmiä on erilaisia. Yleisin mittausmenetelmä on kulkuaikaeroon perustuva menetelmä. Muita mittausmenetelmiä ovat Doppler sekä taajuuseroon perustuva menetelmä. Näiden lisäksi mittarien valmistajilla on omia menetelmiä, kuten Panametricsin Transflection menetelmä. 4.1 Kulkuaikaeroon perustuva menetelmä Kulkuaikaeromenetelmässä mitataan ultraäänen kulkuaika sekä myötä- että vastavirtaan sekä lasketaan näiden kahden ajan välinen kulkuaikaero. Kuvassa 4.3 on esitetty kulkuaikaeroon perustuva ultraäänimittari. Lähetin 1 V θ c d i Lähetin Kuva 4.3. Kulkuaikaeroon perustuva ultraäänimittari Kuvassa V on keskimääräinen virtausnopeus, c on äänen nopeus, d I on putken sisähalkaisija ja θ on virtausnopeuden ja ultraäänen etenemissuunnan välinen kulma. Kulkuaika myötävirtaan t 1 = d ( c+ Vcos q)sinq Ja vastavirtaan (4.1) t 1 = d ( c-vcos q)sinq (4.)

18 18 Koska d/sinθ on äänen kulkema matka L ja c >> Vcosθ, saadaan kulkuaikaeroksi t: Dt = t t L V 1-1 = ( )cosq c (4.3) Virtausnopeudeksi saadaan V c = t Lcosq D (4.4) Täten virtausnopeus olisi suoraan verrannollinen kulkuaikaeroon. Lämpötilan vaikutus äänen nopeuteen eliminoidaan, jolloin c = L( t + t ) (4.5) 1 1 ja kun tämä sijoitetaan (4.4):een, saadaan V L Dt D t (4.6) = = K cos q ( t + t ) ( t + t ) nyt V on virtauksen keskinopeus mittaustiellä V 1z = L vdl L (4.7) Tilavuusvirran määrityksessä tarvitaan poikkipinnan yli integroitua keskinopeutta, joten V täytyy kertoa nopeusprofiilin korjauskertoimella k.

19 19 Profiilin korjauskerroin k Kulkuaikaeron mittaamiseen perustuva yksisäteinen ultraäänimittari antaa tulokseksi keskimääräisen nopeuden anturien välisellä akustisella radalla eikä koko putken poikkileikkauksessa. Näin ollen mitattu nopeus on suurempi kuin keskimääräinen nopeus poikkileikkauksessa. Jos mitatun nopeuden ja todellisen keskimääräisen nopeuden suhde tunnetaan saadaan tulos oikeaksi kertomalla mitattu nopeus korjauskertoimella k. Kertoimen arvoon vaikuttaa profiilin muoto, joka täysin kehittyneessä virtauksessa määräytyy pääasiallisesti Reynoldsin luvun perusteella. Q VA V r V d i = = p i = p = kvu A 4 missä, Q = tilavuusvirta V = keskimääräinen virtausnopeus A = putken poikkipinta-ala r i d i V u Kaavasta (4.8) saadaan (4.8) = putken sisäsäde = putken sisähalkaisija = ultraäänivirtausmittarin mittaama keskimääräinen virtausnopeus 1zz vrda () V A A k = = r = i Vu 1 z vrdr () r i zr i i z ri 1 ri r vrrdr () vrdr () z z ri vrrdr () = r 1 i ri vrdr () (4.9) Eli yksinkertaisesti k on poikkileikkauksessa ja akustisella radalla olevien keskimääräisten virtausnopeuksien välinen suhde. Laminaarisessa virtauksessa saadaan keskinopeudeksi ultraäänen akustisella radalla

20 v = v 3 max (4.1) kun taas keskinopeus poikkileikkauksessa on ½v max, saadaan k:n arvoksi ¾. Turbulenttisen virtauksen korjauskertoimen laskemisessa käytetään usein yhtälöä (.4). Näin ollen keskimääräiseksi nopeudeksi poikkileikkauksessa saadaan (4.11) n V = vmax ( n+ 1)( n+ 1) ja keskimääräiseksi nopeudeksi mittausradalla v n (4.1) = vmax n +1 Korjauskertoimen arvoksi saadaan siten n k = n + 1 (4.13) Yleisesti k:n laskemisessa käytetään yhtälöä 1 k = 1119, -, 11lgRe (4.14) Lisäksi k:n arvon laskemiseksi on esitetty muitakin yhtälöitä 1 k = , Re, 1 (4.15)

21 1 1 (4.16) k = , 1 6, 5 431Re, k =, , 9lg Re +, 1(lg Re) (4.17) Kaikki nämä edellä mainitut yhtälöt antavat k:lle lähes samanlaisia numeroarvoja. 4. Doppler virtausmittaus Doppler -virtausmittaus perustuu virtauksessa kulkevista epähomogeenisuuksista tapahtuvaan ääniaaltojen sirontaan. Tällöin saadaan lähetetylle ja epähomogeenisuuksista sironneelle signaaleille doppler-ilmiön mukainen taajuusero f - f = D f = ( vf / c)cosq (4.18) 1 1 missä, f 1 = lähetetyn ultraäänen taajuus f v c = vastaanotetun ultraäänen taajuus = paikallinen virtausnopeus = ultraäänen etenemisnopeus väliaineessa = päävirtaussuunnan ja lähetyssuunnan välinen kulma Taajuussiirtymä on verrannollinen virtausnopeuteen, mutta tulos on riippuvainen äänen etenemisnopeudesta väliaineessa. Doppler virtausmittari on herkkä virtausprofiilin sekä epähomogeenisuusjakauman muutoksille. 4.3 Taajuuseromenetelmä (Sing around) Taajuuseromenetelmä on samankaltainen kuin kulkuaikaeromenetelmä. Taajuuseromenetelmässä käytettään myös vastakkain asetettua anturiparia, joista toinen lähettää äänipulsseja myötävirtaan ja toinen lähettää samaa mittaustietä pitkin vastavirtaan. Vastaanotettu pulssi liipaisee anturilla uuden lähetyspulssin.

22 Pulssitaajuus myötävirtaan c V f = ( + cos q) 1 L ja vastavirtaan c V f = ( - cos q) L Kaavoista (4.19) ja (4.) saadaan pulssitaajuuksien eroksi Df V = cosq L Tästä saadaan keskimääräiseksi virtausnopeudeksi V L = D f cosq (4.19) (4.) (4.1) (4.) Menetelmän ongelmia ovat mm. taajuuseron pienuus sekä mahdolliset puuttuvat pulssit. Näiden syiden takia joudutaan pitkiin integroimisaikoihin ja siten huonompaan dynamiikkaan. Koska menetelmässä ei voida odottaa kaikujen vaimenemista, saattaa saapuvassa pulssissa olla useamman pulssin kaikuja ja kerrannaistaajuuksia. Näin ollen tarkan pulssin saapumisajankohdan määritys saattaa olla vaikeaa. 5. Mittaukset ultraäänivirtausmittareilla Mittaukset tehtiin kahdella erilaisella kaupallisella ultraäänivirtausmittarilla Tampereen Teknillisen korkeakoulun Mittaus- ja informaatiotekniikan laitoksella olevassa testauslaitteistossa. Käytetyt mittarit olivat Controlotron 11 ja Panametrics Pt868. Tuloksissa käytetään yleisesti Controlotronin mittarista merkintää c ja Panametricsin mittarista lmerkintää p. Referenssimittarina toimi MicroMotionin massavirtamittari, joka on kalibroitu Fortumilla. Mittauksissa käytettiin seuraavia anturipareja. Controlotron: B3, anturipari putkikoot mm.

23 3 C, anturipari putkikoot mm. Panametrics: #4, 4 MHz:n anturipari putkikoot 1 5mm. #114, MHz: anturipari putkikoot >Dn5. Molemmissa mittareissa on automaattinen profiilinkorjaus. Panametricsin mittarissa voidaan kuitenkin olla käyttämättä automaattista profiilinkorjausta, joten osa mittauksista on tehty siten, että profiilinkorjaus on tehty vasta mittausten jälkeen. Näissä tapauksissa keskimääräinen virtausnopeus on saatu laskettua jakamalla tilavuusvirta putken poikkipinta-alalla. Laskuissa ei ole kuitenkaan otettu huomioon putken lämpölaajenemista. Mittausten aikana veden lämpötila on ollut 3-4 o C ja mittauspaikan lämpötila noin 5 o C. Mittausviestin talteenotto tapahtui lähes kokonaan käsin start-stop menetelmällä eli aloittamalla ja lopettamalla talteenotto tietyillä ajanhetkillä. Massavirtamittarilta mittausviesti otettiin talteen pulssimuodossa käyttäen pulssilaskuria, Controlotronin mittarilta lukemat otettiin mittarin näytöltä ja Panametricsin mittarilta lukemat otettiin RS3 kaapelia pitkin tietokoneelle. Panametricsin mittausviesti saatiin tilavuusvirtana, kun taas massavirtamittarin ja Controlotronin mittausviestit saatiin tilavuuden virtausmääränä. Virtausmäärä muutettiin tilavuusvirraksi jakamalla se käytetyllä mittausajalla. 5.1 Mittaukset Dn5 teräsputkessa Ensimmäiset mittaukset tehtiin Dn5 teräsputkessa. Ulkohalkaisijaltaan putki oli 6,5 mm ja seinämän paksuudeltaan 1,45 mm. Teräsputkessa tehdyissä mittauksissa tutkittiin erilaisten mittaustapojen, anturityyppien sekä anturien asentojen vaikutuksia mittaustuloksiin. Lisäksi mittauksissa käytettiin eri etäisyyksiä 9 o mutkasta. Kuvassa 5.1 on esitetty Dn5 mittauksissa käytetty putkisto.

24 4 D 15D 1D 5D Kuva 5.1. Käytetty putkisto DN5 mittauksissa. Mittauksissa käytettyjä mittaustapoja olivat suora, yhden sekä kolmen heijastuksen menetelmät. Tavat ovat kuvassa 5.. Suora 1 heijastus heijastusta 3 heijastusta Ylävirta Kuva 5.. Erilaiset mittaustavat. Alavirta Suorassa ja kahden heijastuksen menetelmässä anturit ovat putken vastakkaisilla puolilla, kun kahdessa muussa mittausmenetelmässä anturit asetetaan putken samalle puolelle. Controlotronin mittarissa oli mahdollista valita vain suora ja yhden heijastuksen mittaustavat, kun taas Panametricsin mittarissa oli mahdollista valita kaikki neljä mittaustapaa. Panametricsin mittarilla kaikkia mahdollisia mittaustapoja ei kuitenkaan voitu käyttää antureiden rakenteista ja kiinnitystavoista johtuen. Esimerkiksi anturiparia #4 voidaan kiinnitystavan vuoksi käyttää vain yhden ja kolmen heijastuksen menetelmissä.

25 5 Mittauksissa käytettiin myös neljää eri asennuskulmaa. Käytetyt kulmat on esitetty kuvassa Kuva 5.3. Anturien asennuskulmat katsottaessa ylävirran suuntaan. Asennustekniikan vaikutus sekä toistuvuus DN5 putkessa. DN5 teräsputkessa mitattiin asennustekniikan vaikutus siten, että pidettiin virtaus vakiona ja irrotettiin anturit putken pinnalta ja asetettiin uudelleen samaan paikkaan. Toistuvuus mitattiin samassa paikassa, samanlaisissa olosuhteissa irrottamatta antureita putken pinnalta mittausten välillä. Mittaukset tehtiin kuutena kuuden mittauksen sarjoina käyttäen erilaisia anturipareja ja mittaustapoja. Kuvassa 5.4 on esitetty asennustekniikan vaikutus tuloksiin suhteellisen virheen ja tilavuusvirran funktiona.

26 6 a) b) 3 3 % 1 1 % c) l/s l/s % % l/s l/s Kuva 5.4. Asennustekniikan vaikutus käyttäen erilaisia anturipareja ja mittaustapoja. A) Kohdassa on esitetty asennustekniikan vaikutus mittaustulokseen käytettäessä erilaisia mittaustapoja. on Controlotronin anturipari C käyttäen suoraa mittaustapaa, x on sama anturipari käyttäen yhden heijastuksen mittaustapaa sekä o on Panametricsin anturipari #114 käyttäen kolmen heijastuksen mittaustapaa. B) Kohdassa on esitetty asennustekniikan vaikutus mittaustulokseen käytettäessä erilaisia anturipareja yhden heijastuksen tavalla. Kohdassa o on anturipari C, * on Controlotronin anturipari B3 sekä x on Panametricsin anturipari #4. Panametricsin anturiparia #114 ei voitu käyttää, sillä putken ulkohalkaisija on liian pieni tälle anturiparille käytettäessä yhden heijastuksen menetelmää.

27 7 C) Kohdassa on esitetty asennustekniikan vaikutus, kun on käytetty automaattista sekä jälkeenpäin tehtyä profiilinkorjausta. o merkitsee jälkeenpäin tehtyä korjausta ja * automaattista profiilinkorjausta. Taulukossa 5.1 esitetty sarjojen väliset sekä sarjojen sisäiset kokeelliset keskiarvojen keskihajonnat. Taulukko 5.1 Kokeellisten keskiarvojen keskihajonnat Massavirta mittari C Suora C 1 heij. B3 1 heij. 6 eri mittaussarjan,7 %*,474 %,375 %,379 % välinen,6 %** * ** *** kokeellinen,1 %*** keskiarvon keskihajonta Yhdessä sarjassa olleen 6 eri mittauksen välinen kokeellinen keskiarvon keskihajonta #4 1 heij.,576 % * #114 3 heij.,a.,168 % ** #114 3 heij.,j.,7 % ***,74 %,18 %,75 %,111 %,59 %,174 %,36 % Taulukossa * määrä kertoo, mitkä mittauksista tehtiin samalla kertaa. Yhdellä *:llä merkityt mittaukset tehtiin ensimmäiseksi jne. Koska mittaukset tehtiin kolmena eri kertana on massavirtamittarin kohdalla kolme eri sarjojen välistä kokeellista keskiarvon keskihajontaa. Kuten taulukosta 5.1 nähdään keskihajonta on suoralla mittaustavalla suurempi kuin yhden tai kahden heijastuksen mittaustavalla. Panametricsin anturiparilla #4 keskihajonta on selvästi suurin koko joukosta. Syynä voidaan pitää sitä, että Dn5 putkikoko on anturiparin toiminta-alueen ylärajalla. Muuten Controlotronin mittarilla keskihajonta on mittauksissa suurempi kuin Panametricsin mittarilla. Sillä, tehdäänkö profiilinkorjaus automaattisesti vai tehdäänkö korjaus jälkeenpäin, ei näyttäisi olevan suurta vaikutusta mittausten keskihajontaan.

28 8 Kuvassa 5.5 on esitetty toistuvuutta mitattaessa saadut suhteelliset virheet tilavuusvirran funktiona. a) b) %.5 % c) 6 l/s d).8 l/s % % l/s l/s Kuva 5.5. Toistuvuusmittauksissa saadut suhteelliset virheet A) o:lla on merkitty Controlotronin B3 anturipari yhdellä heijastuksella ja *:llä Panametricsin #114 anturipari kolmella heijastuksella, käyttäen tilavuusvirtana noin 8 l/s. B) o:lla on merkitty anturiparia Controlotronin B3 asennuskulman ollessa o. *:llä on merkitty samaa anturiparia asennuskulman ollessa 9 o. Mittaustapana 1 heijastus.

29 9 C) o:lla on merkitty anturiparia Panametricsin #114 automaattisella profiilin korjauksella ja *:llä samaa anturiparia ilman profiilin korjausta. Mittaustapana 3 heijastusta. D) Tässä kohdassa on mitattu toistuvuutta mittaamalla noin 1 l/s tilavuusvirtaa Panametricsin anturiparilla #114. Mittaustapana 3 heijastusta. Taulukossa 5. esitetty mittaussarjojen sekä sarjoihin sisältyvien kuuden eri mittausten väliset kokeelliset keskiarvojen keskihajonnat. Taulukko 5.. Kokeellisten keskiarvojen keskihajonnat. Massavirt B3 pääll. B3 siv. #114 #114 #114 amittari 1 heij. 1 heij. 3 heij.,k. 3 heij.,ei 3 heij.,1l/s. k. 6 eri mittaussarjan välinen kokeellinen,1 %*,5 %**,131 % *,3 % **,18 % *,117% **,148 % *** keskiarvon keskihajonta,5 %*** Yhdessä sarjassa,9 %*,44 %,7 %,87 %,74 %,153 % olleen 6 eri mittauksen välinen kokeellinen,45 %**,5 %*** keskiar- von keskihajonta Taulukossa * määrä kertoo, mitkä mittauksista tehtiin samalla kertaa. Yhdellä *:llä merkityt mittaukset tehtiin ensimmäiseksi jne. Taulukosta 5. nähdään sarjojen välisten kokeellisten keskiarvojen keskihajontojen olevan huomattavasti pienempiä kuin mitattaessa asennustekniikan vaikutusta. Näin on varsinkin Controlotronin mittarin tapauksessa, joten tässä tapauksessa se näyttäisi olevan herkempi anturien asennukselle. Anturien ollessa sijoitettuna putken sivulle, mittauksen hajonta on hieman suurempi kuin putken päälle asennettuna. Lisäksi mitattaessa pienempää virtausta, hajonta kasvaa. Itse mittarien välillä ei näyttäisi toistuvuudessa olevan mitään suurempia eroja.

30 3 Mittaukset 9 o mutkan jälkeen käyttäen erilaisia asennuskulmia Asennustekniikka- ja toistuvuusmittausten jälkeen tehtiin mittauksia käyttäen neljää eri etäisyyttä häiriölähteenä toimivasta 9 o kulmasta. Lisäksi käytettiin o, 3 o 9 o ja 33 o asennuskulmia. Mittauksissa käytettiin Panametricsin anturiparia #114 kolmen heijastuksen mittaustavalla sekä Controlotronin anturiparin B3 yhden heijastuksen mittaustavalla. Tilavuusvirtoina käytettiin,,,5, 1,6 ja 5,7 l/s, jotka vastaavat Reynoldsin lukuja 45, 15, 5 ja 115. Vastaavat profiilinkorjauskertoimet olivat: K, l/s =,97 K,5 l/s =,931 K 1,6 l/s =,934 K 5,7 l/s =,941 Kuvissa on esitetty eri asennuskulmien vaikutus mittaustuloksiin eri etäisyyksillä häiriölähteenä toimivasta mutkasta. Kuvaajat on piirretty suhteellisen virheen ja Reynoldsin luvun funktioina.

31 Etäisyys mutkasta 5*Di x 1 4 Etäisyys mutkasta 15*Di Suhteellinen virhe [%] Etäisyys mutkasta *Di o Controlotron, anturipari B3 x Panametrics, anturipari # x 1 4 Etäisyys mutkasta 1*Di o Controlotron, anturipari B3 8 6 x Panametrics, anturipari #114 4 o Controlotron, anturipari B3 x Panametrics, anturipari #114 o Controlotron, anturipari B3 x Panametrics, anturipari # Reynoldsin luku x 1 4 Kuva 5.6. Mittaukset eri etäisyyksillä mutkasta, kun anturit ovat asetettu putken päälle. Kuten kuvista nähdään suhteellinen virhe on negatiivisin antureiden ollessa lähellä mutkaa. Etäisyyden kasvaessa mutkasta suhteellinen virhe muuttuu positiivisemmaksi ja samalla sen itseisarvo pienenee, lukuunottamatta pienintä virtausta. Suhteellinen virhe on lähes samansuuruinen Reynoldsin luvun ollessa Reynoldsin luvun pienetessä alle 1, suhteellinen virhe x 1 4

32 3 muuttuu selvästi positiivisemmaksi. Controlotronin mittarin suhteellinen virhe on kuvaajissa hieman alempana kuin Panametricsin mittarin x 1 4 Etäisyys mutkasta 1*Di o Controlotron, anturipari B3 6 x Panametrics, anturipari # x 1 4 Etäisyys mutkasta 15*Di o Controlotron, anturipari B3 6 4 x Panametrics, anturipari # x 1 4 Etäisyys mutkasta *Di o Controlotron, anturipari B3 6 4 x Panametrics, anturipari # Reynoldsin luku x 1 4 Suhteellinen virhe [%] Etäisyys mutkasta 5*Di o Controlotron, anturipari B3 x Panametrics, anturipari #114 Kuva 5.7. Mittaukset eri etäisyyksillä mutkasta, kun anturit ovat asetettu putken sivulle 9 o kulmassa suhteessa putken poikkihalkaisijan keskipisteeseen.

33 33 9 o asteen asennuskulmaa käytettäessä suhteellisen virheen itseisarvo on suurempi lähempänä mutkaa kuin antureiden ollessa asennettuna putken päälle. Etäisyyden kasvaessa suhteellinen virhe on samansuuruinen kuin antureiden ollessa asennettuna putken päälle x 1 4 Asento 33 astetta, etäisyys mutkasta *Di o Controlotron, anturipari B3 6 x Panametrics, anturipari #114 4 Suhteellinen virhe [%] Asento 33 astetta, etäisyys mutkasta 5*Di o Controlotron, anturipari B3 x Panametrics, anturipari # Asento 3 astetta, etäisyys mutkasta 5*Di x 1 4 o Controlotron, anturipari B3 x Panametrics, anturipari # Asento 3 astetta, etäisyys mutkasta *Di x 1 4 o Controlotron, anturipari B3 x Panametrics, anturipari # Reynoldsin luku x 1 4 Kuva 5.8. Mittaukset eri etäisyyksillä mutkasta, kun anturit ovat asennettuina käyttäen asennuskulmina 33 o sekä 3 o.

34 34 Mitattaessa lähellä mutkaa ja käytettäessä 33 o kulmaa suhteellinen virhe on keskimääräisesti negatiivisin verrattuna muihin asennuskulmiin. 3 o asennuskulmalla mitattaessa suhteellinen virhe on itseisarvoltaan pienempi kun mitataan Controlotronin mittaria. Panametricsin mittarilla mitattaessa suhteellisen virheen itseisarvo on todella suuri, joten oletettavasti tulokseen on vaikuttanut joku muu tekijä kuin mutka. Etäisyyden ollessa *Di suhteellinen virhe on samankaltainen kummassakin mittausasennossa. 15 Etäisyys 5*Di Suhteellinen virhe [%] p p9 p33 p3 c c9 c33 c Reynoldsin luku x Etäisyys *Di Suhteellinen virhe [%] p p9 p33 p3 c c9 c33 c Reynoldsin luku x 1 4 Kuva 5.9. Kaikki asennot 5*Di ja *Di etäisyydellä putkimutkasta. Kuten kuvasta 5.9 nähdään mitattaessa lähellä mutkaa eri asennuskulmat vaikuttavat huomattavasti enemmän mittaustulokseen kuin mitattaessa huomattavasti kauempana mutkasta. Virtausnopeuden sekä etäisyyden kasvaessa vähenee mittausasennon vaikutus mittaustulokseen.

35 35 B3 B3 #114 #114 Taulukko 5.3. Kokeellisen keskiarvon keskihajonta eri asennoissa, etäisyyksillä ja virtauksilla. Anturi ja asento Controlotron Panametrics B3 B3 #114 #114 o 3 o 9 o 33 o o 3 o 9 o 33 o Etäisyys Re Kokeellisen keskiarvon keskihajonta % 5*Di *Di 45,14,53,5,19,76,73,59,1 15,9,5,,9,17,36,18,38 5,8,5,4,9,17,8,5, 115,3,7,6,3,16,,,3 45,1,1,7,45,1,19,48,14 15,6,15,19,7,8,7,7,1 5,5,4,19,3,5,9,13,8 115,6,8,6,4,4,9,5,6 Taulukosta 5.3 nähdään, että tilavuusvirran pienetessä mittauksen hajonta kasvaa. Samoin käy, kun etäisyys häiriölähteestä pienenee. Muuten ei asennolla ole mitään systemaattista vaikutusta hajontaan. 5. Mittaukset Dn5 putkissa Mittaukset tehtiin Dn5 putkissa käyttäen kuvassa 5.1 olevaa putkikonfiguraatiota. Mittauksissa käytettiin ruostumattomasta teräksestä, raudasta, kuparista sekä polyetyleenistä valmistettuja putkia. 75 mm 75 mm DN5 DN5 Kuva 5.1. DN5 mittauksissa käytetty putkikonfiguraatio Kuvassa 5.1 esiintyvät mitat ovat senttimetreinä. Pienemmässä putkessa 15 cm vastaa noin 5*Di.

36 36 Mittaustuloksiin vaikuttavia tekijöitä. Dn5 putkissa ei voitu käyttää kuin Controlotonin anturiparia B3 ja Panametricsin anturiparia #4. Mittaukset olivat heti alusta alkaen ongelmallisia. Ensimmäisen ja suurimman ongelman aiheutti seinämän paksuus. Dn5 teräsputkessa oli tehty useita mittauksia, kunnes huomattiin käytetyn seinämän paksuuden olevan väärä. Pienien putkien seinämän paksuuden mittaaminen on vaikeaa sillä käytettävän ultraäänipaksuusmittarin mittausosan keskikohdan keskittäminen putken seinämää kohden on hankalaa putken pyöreän muodon vuoksi. Yleensä paksuusmittari ilmoittaa, jos mittausosa on huonosti putkea vasten. Kuitenkin on tiettyjä putken seinämän ja mittausosan välisiä kulmia, joissa mittari ei huomaa huonoa asentoa ja näin ollen saatu mittausviesti on väärä. Väärää seinämän paksuutta ei huomattu ajoissa, sillä se oli lähes sama kuin putken kyljessä ilmoitettu nimellinen seinämän paksuus. Loppujen lopuksi eroa oikean ja nimellisen paksuuden välillä oli,6 mm eli melkein %. Tästä syystä virtausmittaukset, jotka tehtiin ruostumattomasta teräksestä valmistetusta putkesta olivat epäonnistuneita. Toinen tekijä, joka vaikutti mittaustuloksiin oli materiaali. Esimerkiksi Controlotronin mittarissa on vain yksi vaihtoehto ruostumattomalle teräkselle vaikka eri teräslaatuja on useita (Taulukko 3.1). Äänten nopeudet eri teräslaaduissa vaihtelevat jonkin verran ja näin ollen väärää teräslaatua käytettäessä syntyy ylimääräisiä virheitä mittaustuloksiin. Näistä kahdesta ongelmasta johtuen mitattiin seinämän paksuudesta ja väärästä materiaalin valinnasta olevien virheiden vaikutusta itse virtausmittaustulokseen. Seinämän paksuudessa olevan virheen vaikutus virtausmittaustulokseen Seinämän paksuudessa olevan virheen vaikutus mitattiin ensin ruostumattomassa teräksestä valmistetussa putkessa käyttäen Panametricsin mittaria. Mittaus suoritettiin kahdella eri tilavuusvirralla.,1 mm virhe seinämän

37 37 paksuudessa on 3, % oikeasta seinämän paksuudesta. Tulokset on esitettynä kuvassa Re=35 kulmakerroin Suhteellinen virhe [%] Re=155 kulmakerroin Virhe paksuudessa [mm] Kuva Teräsputken seinämän paksuudessa olevan virheen vaikutus mittaustulokseen. Kuvassa alemmat pallot kuvaavat suuremman tilavuusvirran mittauksia ja ylemmät pallot pienemmän tilavuusvirran mittauksia. Mittaussarjojen tuloksiin on sovitettu sitomattomat suorat käyttäen pienimmän neliösumman menetelmää. Suoran kulmakertoimen avulla saadaan selville paljonko yhden millimetrin virhe seinämän paksuudessa vaikuttaa virtausmittaukseen. Suuremmalla tilavuusvirralla,1 mm virhe aiheuttaa noin 1, % virheen ja pienemmällä tilavuusvirralla noin 1,3 % virheen. Samat mittaukset tehtiin myös kupari putkessa käyttäen sekä Controlotronin että Panametricsin mittareita. Kupariputkessa,1 mm vastaa noin 6, % seinämän

38 38 paksuudesta. Kuvissa 5.1 ja 5.13 on esitetty kupariputkessa tehtyjen mittausten tulokset. 1 Re=35 kulmakerroin Suhteellinen virhe [%] Re=155 kulmakerroin Virhe paksuudessa [mm] Kuva 5.1. Kupariputken seinämän paksuudessa olevan virheen vaikutus mittaustul okseenkäytettäessä Panametricsin mittaria. Kuvaan on vastaavasti kuten aikaisemminkin, sovitettu sitomaton suora saatuihin mittaustuloksiin. Näin ollen kupariputkessa,1 mm virhe paksuudessa aiheuttaa noin 1,1 % virheen virtausmittaustulokseen. Se, että kulmakerroin eroaa teräsputkessa mitatusta vastaavasta kulmakertoimesta johtuu putkien pienestä kokoerosta sekä kuparin pienemmästä äänen nopeudesta. Kuvassa 5.13 on esitetty sama mittaus kuin edellä, mutta näissä mittauksissa on käytetty Controlotronin mittaria.

39 Re=35 kulmakerroin Suhteellinen virhe [%] 4 Re=155 kulmakerroin Virhe paksuudessa [mm] Kuva Kupariputken seinämän paksuudessa olevan virheen vaikutus mittaustulokseen käytettäessä Controlotronin mittaria. Virhe ei kasva niin lineaarisesti kuin Panametricsin mittarilla. Mittaustuloksiin on kuitenkin sovitettu suorat ja näin nähdään, että,1 mm virhe paksuudessa aiheuttaa noin 1, % virheen virtausmittaustulokseen. Se, että virhe ei kasva niin lineaarisesti johtunee Controlotronin käyttämästä leveäkeilatekniikasta, jossa Ultraääni sovitetaan ensin akustisesti putken kanssa. Kuten edellä mainitut kuvat osoittavat, melko pieni virhe seinämän paksuudessa aiheuttaa suhteellisen suuren virheen itse virtausmittaukseen. Varsinkin tilanteissa, joissa seinämän paksuuden osuus koko putken paksuudesta on suuri. Käytetyssä ruostumattomassa teräsputkessa tämä osuus on noin 18 % ja kupariputkessa noin 11 %. Asiaa vielä mutkistaa se, että näissä pienissä putkissa

40 4 on huomattavasti vielä toleranssia, jolloin seinämän paksuus vaihtelee melko paljon. Väärän materiaalin valinta syöttäessä mittarille putken parametrejä Koska erilaisia teräslaatuja on monia ja varsinkin, kun äänen nopeudet niissä ovat vielä erilaisia, on mahdollisuus valita virtausmittareissa väärä materiaali. Näin ollen mitattiin virtausta ruostumattomassa teräsputkessa syöttäen väärien teräslaatujen parametrejä Panametricsin virtausmittariin. Controlotronin mittarilla ei vastaavia mittauksia voitu tehdä, koska käyttäjä ei voi itse syöttää mittarille uusia materiaaleja ja mittarissa oli vain yksi ruostumaton teräsmateriaali valmiina. Kuvassa 5.14 on väärien teräslaatujen käytön vaikutus mittaustulokseen m/s Suhteellinen virhe m/s mittarin vakio asetus 375 m/s oikea äänen nopeus 99 m/s Tilavuusvirta Kuva Väärän teräslaadun valinnan vaikutus mittaustulokseen

41 41 Kuten kuvasta 5.14 nähdään, väärän teräslaadun valinta ultraäänivirtausmittarin parametrejä aseteltaessa vaikuttaa mittaustulokseen. Jokainen kuvaaja kuvaa eri ruostumattomia teräslaatuja. Kuvaajista voidaan nähdä, että oikea ja panametricsin mittarin perusasetuksena oleva teräslaatu ovat aika lähellä toisiaan. Tuloksesta nähdään kuitenkin se, että tällä putkikoolla 1 m/s virhe äänen nopeudessa putken materiaalissa aiheuttaa noin 1 % virheen virtausmittauksessa. Dn5 rautaputkessa mitattiin kontaktia parantavan rasvan käytön sekä anturien pidempi aikaisen paikallaan olon vaikutusta mittaustuloksiin. Kaikki mittaukset tehtiin samassa mittauskohdassa. Taulukossa 5.4 on esitetty mittausten tulokset. Taulukko 5.4. Rasvan käytön vaikutukset mittaustuloksiin. Controlotron Panametrics O,7 l/s 3,8 l/s,7 l/s 3,8 l/s Sv % Kk % Sv % Kk % Sv % Kk % Sv % Kk % 1 mittaus 3,,5-3.48,3 3 tuntia myöhemmin 3,89,3 -,76,6 Uusi asettelu 3,73,4-3,5,4 3 vrk myöhemmin,43,1-3,,11 Sama asettelu,, -,89,3 Uusi asettelu 1,6,8-3,81,18 1 vrk myöhemmin 1,73, -4,11, Uusi asettelu, c ilman 1,,1-4,36, rasvaa Uusi asettelu, paljon 1,47,17-5,,16 rasvaa Sama asettelu -,35,6-6,41,6 Uusi asettelu, c ilman -,64,7-4,,4 rasvaa 1 vrk myöhemmin -3,63,7-3,75,4 Uusi asettelu,65,4-3,1,4 18 tuntia myöhemmin 1,8, -4,17,3 Taulukossa lyhenne Sv tarkoittaa suhteellista virhettä ja Kk kokeellisen keskiarvon keskihajontaa.

42 4 Kuten taulukosta nähdään ei rasvan käytöllä ja pidempi aikaisella paikallaan ololla ole kovinkaan suurta vaikutusta mittauksen epävarmuuteen. Ilman rasvaa mitattaessa ja käyttäessä paljon rasvaa mittauksen epävarmuus on hieman suurempi. Samoin silloin, kun anturit ovat olleet paikoillaan pidemmän aikaa. Paremmin rasvan vaikutus näkyy itse suhteellisessa virheessä. Suhteellisen virheen suuruus vaihtelee suurestikin rasvan määrästä riippuen. Huonoin tulos saadaan joko silloin, kun rasvaa on liikaa tai sitä on liian vähän. Dn5 putkessa oli tarkoitus mitata erilaisten häiriöiden vaikutusta mittaustulokseen. Näitä häiriöitä mitattiinkin käyttäen rautaputkea. Edellä mainittujen mittausten jälkeen ilmeni rautaputkesta sellainen asia, ettei Panametricsin mittari saanut oikein minkäänlaista kontaktia mitattavaan virtaukseen. Asia ilmeni siten, että mittarin sai kontaktin jossain putken kohdassa, mutta menetti sen antureita siirrettäessä vaikkapa 1 mm verran. Hyvän mittauskohdan löytäminen oli lopulta melko mahdotonta. Syynä tähän voidaan pitää raudan epähomogeenista luonnetta, sekä anturiparin huonoa läpäisykykyä. Asiaan vaikutti myös se, että rautaputkien ollessa käytössä ne alkoivat ruostua, jolloin ruostetta alkoi kerääntyä putken sisäpintaan. Näin ollen mittaukset tehtiin Controlotronin mittarilla, jonka anturiparilla B3 on parempi läpäisykyky kuin Panametricsin anturiparilla #4. Kuvassa 5.15 on esitetty supistuksen ja U mutkan vaikutus mittaustulokseen käytettäessä eri anturien asennuskulmia. Kuvaajat ovat suhteellisen virheen ja etäisyyden funktioina.

43 43,71 l/s supistuksen jälkeen 3,7 l/s [%] [%] [cm] [cm] 5 3,71 l/s u mutkan jälkeen 3,7 l/s [%] [%] [cm] [cm] 5 3 Kuva U-mutkan ja supistuksen vaikutus mittaustulokseen käytettäessä eri asennuskulmia. Kuvassa o:t ovat asennuskulman 3 o, x:t 33 o, *:t 9 o sekä v:t o tuloksia. X akselilla arvot ovat senttimetrejä eli 15 cm on noin 5*Di. Kuten kuvasta nähdään on asennuskulmana joko 3 o tai o parempi häiriölähteestä riippuen. Muut asennuskulmat ovat selvästi huonompia. Kummassakin häiriölähde tapauksessa suhteellinen virhe muuttuu positiivisemmaksi ja samalla sen itseisarvo pienenee etäisyyden kasvaessa.

44 44 Kuvassa 5.16 on esitetty mittaukset suhteellisen virheen ja Reynoldsin luvun funktioina * di supistuksen jälkeen x 1 4 1* di supistuksen jälkeen 15 1 Suhteellinen virhe [%] x 1 4 5* di U mutkan jälkeen x 1 4 1* di U mutkan jälkeen Reynoldsin luku x 1 4 Kuva Suhteellinen virhe reynoldsin luvun funktiona eri häiriölähteiden jälkeen. Kuvassa o:t ovat asennuskulman 3 o, x:t 33 o, *:t 9 o sekä v:t o tuloksia.

45 45 Suhteellinen virhe muuttuu huomattavasti positiivisemmaksi ja sen itseisarvo kasvaa virtauksen pienentyessä. Kuvista nähdään, että etäisyyden muuttuminen kummastakaan häiriölähteestä ei aiheutu suuria muutoksia suhteelliseen virheeseen käytettäessä asennuskulmana 33 o. Lisäksi nähdään, että asentojen väliset eroavaisuudet ovat paljon pienempiä U-mutkan kuin supistuksen jälkeen. Kuvassa 5.17 on kahden eri asennuskulman eroja suhteellisessa virheessä, kun mitataan sekä supistuksen että U-mutkan jälkeen. 5 5*Di supistuksen ja U mutkan jälkeen [%] Re x 1 4 1*Di supistuksen ja U mutkan jälkeen [%] Re x 1 4 Kuva Suhteellinen virhe Reynoldsin luvun funktiona asennuskulmina o ja 3 o.

46 46 Kuvassa on katkoviivalla kuvattu mittaus U-mutkan jälkeen ja kiinteällä viivalla mittaus supistuksen jälkeen. Kuvasta nähdään suhteellisen virheen olevan hyvin samankaltainen kummankin häiriölähteen jälkeen, kun käytetään 3 o asennuskulmaa. o asennuskulmalla on selvästi enemmän eroa tuloksissa. Kuvassa 5.18 on esitetty mittaustulokset suoraosuuden ollessa 4*Di putkessa olevasta supistuksesta. 6,65 6,41 Re = Suhteellinen virhe [%] Reynoldsin luku x 1 4 Kuva Mittaukset DN5 suorassa putkessa. Mittaukset tehtiin käyttämällä kahta eri asennus kulmaa. Kuten kuvasta nähdään ei asennuskulmalla ole suurta merkitystä mittaustulokseen silloin kun mittausta ennen oleva suoraosuus on tarpeeksi pitkä. Asennuskulmien o ja 33 o välinen ero suurimmillaan vain noin,3% yksikköä. Mittauksesta käy hyvin ilmi suhteellisen virheen huomattava suureneminen Reynoldsin luvun pienetessä. Samoja mittauksia oli tarkoitus tehdä myös muoviputkessa. Muoviputken materiaali oli HD polyetyleeniä, eikä sen parametrejä voitu ohjelmoida kumpaakaan virtausmittariin. Molemmissa mittareissa oli valmiina parametrit

47 47 polyetyleenille, mutta kyseessä oli LD polyetyleeni. Käyttäen tämän sisäänrakennetun polyetyleenin parametrejä mittareissa saatiin suhteellisen virheen suuruudeksi 5-1 %. Näin ollen mittauksia ei tehty. 6. Yhteenveto Tehdyt mittaukset osoittavat monien seikkojen vaikuttavan clamp-on ultraäänivirtausmittarin mittaustulokseen. Mittaustuloksista onkin nähtävissä, että kokeellinen keskihajonta saattaa olla hyvinkin pientä, mutta silti mittarin suhteellinen virhe saattaa olla suuri. Lisäksi suhteellisen virheen suuruus saattaa olla aivan erilainen eri asennuksilla. Tästä antaa hyvän kuvan taulukossa 6.1 Fortum Power and Heat Oy:ssä kalibroidut Controlotronin ja Panametricsin mittarit välisenä aikana. Taulukko 6.1. Kalibroinnit välisenä aikana. Mittari Panametrics PT868 Controlotron Putkik oko Til.v. 5 l/s -,94 1 l/s -,14-3,84 -,58 1,91 3,89 15 l/s -,97,61 1,81,74,99 l/s -,64 -,1,6,6 4,35 -,11 3 l/s -,84,57 -,73 -,37 1,18 1,39 1,7 4 l/s 1,86 4,47 -,3 5 l/s -,51,7 -,19 -,17 1, 1,9 1,83 6 l/s 1,7 4,49 -,57 7 l/s -,46 1,34 8 l/s,34.4 1,7 -,7 9 l/s -,84 1 l/s -,71,75 1,3 1,73 4,7 1,99 1,31

48 48 Taulukosta on hyvin huomattavissa osassa kalibroinneissa suhteellisen virheen suuruudessa tapahtuvat muutokset, vaikka käytetyt virtaukset ovat olleet suuria, putkiston suoraosuudet pitkiä eikä putkikokokaan ole ollut kovinkaan pieni. Se, että vähän isommissa putkissa on noin suuria vaihteluja, niin pienemmissä putkissa ja pienemmissä virtauksissa vaihtelut ovat vielä suurempia. Suurena syynä tähän on seinämän paksuuden osuuden kasvaminen suhteessa putken ulkohalkaisijaan. Lähteessä [13] on esitetty Cairneyn huomaama seikka, että putken ulkohalkaisijan ja seinämän paksuuden suhteen ollessa noin 1%, suhteellinen virhe kasvaa huomattavasti. Koska seinämän paksuuden osuus koko putken ulkohalkaisijasta on suuri, pienikin virhe seinämänpaksuuden mittauksessa aiheuttaa suuren virheen itse virtausmittaustulokseen. Tehdyissä mittauksissa huomattiin, että DN5 putkessa,1 mm virhe seinämän paksuudessa aiheutti yli 1 % virheen virtausmittaustulokseen. Seinämän paksuus ei ollut ainoa tekijä, joka vaikutti mittaustulokseen. Käytetyissä Clamp on ultraäänivirtausmittareissa oli valmiiksi asennettuina melkoinen määrä eri materiaalien parametrejä. Lisäksi Panametricsin mittarille oli mahdollisuus syöttää omia materiaaleja, kuitenkin poikkeuksiakin löytyi (Polyetyleeni). Controlotronin mittariin ei omia materiaaleja voinut lisätä. Koska mm. eri teräslajeja on useita erilaisia ja äänen nopeus on eri lajeissa erilainen. Näin ollen testattiin mikä vaikutus on tilanteella, jossa ultraäänivirtausmittarille parametrejä syötettäessä on valittu väärä putkimateriaali. Mittauksista huomattiin tämänkin vaikuttavan virtausmittaustulokseen siten, että käytetyssä putkessa 1 m/s virhe äänen nopeudessa aiheutti noin 1 % virheen virtausmittaustulokseen. Myös anturin asennuksella oli vaikutusta mittaustulokseen. Se, että miten paljon laittoi kontaktia parantavaa rasvaa anturille, asennuskulma ja etäisyys häiriölähteistä vaikuttivat kaikki enemmän tai vähemmän itse mittaustulokseen.

49 49 Ongelma on, että mistä tietää onko joku parametri, asennus jne. väärä? Tästä syystä mittareissa on muita mittauksia, joista tärkein on veden äänen nopeuden mittaaminen. Eli, kun anturit on asennettu putken päälle, mittari mittaa kulkuajan. Ja kun putken materiaali, paksuus, antureiden välinen etäisyys sekä ultraäänen lähetyskulma on tiedossa, saa mittari laskettua putkessa virtaavalle aineelle sen äänen nopeuden. Tätä äänen nopeutta verrataan putkessa virtaavan aineen oikeaan äänen nopeuteen ja jos näiden kahden äänen nopeuden välinen erotus on liian suuri (pienellä putkella,1 mm virhe seinämän paksuudessa vaikutti alle 5 m/s äänen nopeuteen), niin asennuksessa tai jossain muussa on jotain vialla. Tästä seurauksena on se, että parhaimman mahdollisen mittaustuloksen saamiseksi on tiedettävä mitattavan aineen oikea äänen nopeus! Seuraavalla sivulla olevassa kuvassa 6.1 on kuvattu clamp on ultraäänivirtausmittarilla ennen mittauksen aloittamista tehtävät toimenpiteet. Pienissä putkissa koko mittauksen onnistumiseen vaikuttaa putkessa olevan mitattavan nesteen oikean lämpötilan tietäminen, koska tämän tiedon kautta voidaan tarkistaa onko asennus muuten onnistunut. Poikkeuksiakin aina on. Kuitenkin pitää ottaa huomioon, että kaikkien näiden mittauksiin vaikuttavien parametrien vaikutus pienenee sitä mukaan mitä suuremmaksi putkikoko muuttuu. Ja luonnollisesti pitää ottaa myös huomioon minkälaisessa paikassa mittaukset tehdään. Mittauspaikassa virtausprofiilin pitää olla mahdollisimman kehittynyt.

50 5 Virtaus 1 Vaihe Nesteen lämpötilan mittaaminen ο v Epäluotettava mittaus Vaihe Putken materiaalin valinta ο v Lisää virhettä 3 Vaihe Putken dimensioiden mittaaminen ο v Lisää virhettä 4 Vaihe Antureiden asentaminen ο v Lisää virhettä 5 Vaihe Asennuksen onnistumisen tarkastaminen ο v Parametrien tarkastus Kuva 6.1. Ennen mittausta tehtävät toimenpiteet. Kuten kuvasta 6.1 nähdään on ennen virtausmittauksen aloittamista käytävä läpi viisi eri vaihetta. Vaihe 1 vaikuttaa siihen kuinka hyvin yleensä saadaan onnistumaan koko mittaus, koska mitatun lämpötilan avulla määritetään äänennopeus mitattavassa väliaineessa ja tätä tietoa käytetään hyväksi vaiheessa 5 asennuksen onnistumisen tarkastamisessa. Vaiheissa -4 tapahtuneet virheet voidaan korjata vaiheen 5 kautta, mutta jos vaihe 1 on

51 51 virheellinen, on tästä seurauksena myös se, ettei mahdollista virhettä vaiheissa -4 voida korjata. Edellä mainittujen asioiden perusteella Clamp on ultraäänimittarit ja niiden asennustekniikka eivät ole vielä tarpeeksi kehittyneitä, jotta niistä olisi vesimittarien mittauspaikalla kalibrointeihin. Pienissä vesiputkissa mittaustarkkuuteen vaikuttaa niin moni asia, ettei luotettavaa tulosta saa mitattua.