Σε μια τυπική διάταξη, η ηχητική δέσμη εκπέμπεται σε γωνία περίπου 45 μοιρών ως προς τον άξονα του σωλήνα. Υπάρχουν δυο γωνιακές κεφαλές εκπομπής και λήψεως υπερήχων, οι οποίες είναι στερεωμένες στο εξωτερικό του σωλήνα και σε απόσταση που καθορίζεται από το όργανο ή υπολογίζεται με τη βοήθεια νομογραφήματος (Considine 1993).
Κάθε κεφαλή (transducer) εκπέμπει εναλλάξ και την ίδια στιγμή η άλλη λειτουργεί ως δέκτης (σχήμα 1).
Η διαφορά του χρόνου διάδοσης προς τις δυο κατευθύνσεις δίνει την ταχύτητα ροής με βάση την ακόλουθη εξίσωση:
όπου: V: Μέση ταχύτητα του ρευστού. K: Σταθερά. D: Εσωτερική διάμετρος σωλήνα. θ: Γωνία πρόσπτωσης ηχητικής δέσμης. T0: Χρόνος μετάδοσης παλμού με το ρευστό σε ακινησία.
Επίσης:
ΔT = T2-T1, και συγκεκριμένα:
T1: Χρόνος μετάδοσης του παλμού κατά την διεύθυνση της ροής.
T2: Χρόνος μετάδοσης του παλμού αντίθετα από τη διεύθυνση της ροής.
τ: Νεκρός χρόνος όδευσης του παλμού μέσα από το τοίχωμα του σωλήνα και τις τυχόν επικαλύψεις.
Η εξίσωση δίνει την ταχύτητα ροής V ως μια γραμμική συνάρτηση της διαφοράς χρόνου ΔT. Επειδή η εσωτερική διάμετρος (και επομένως η διατομή) είναι γνωστή, τα όργανα υπολογίζουν αυτόματα και την ογκομετρική παροχή.
Η μέθοδος είναι αποτελεσματική σε υγρά με μικρή απόσβεση των ηχητικών κυμάτων. Σωματίδια και φυσαλίδες στο υγρό είναι ανεπιθύμητα, διότι προκαλούν εξασθένηση, διασπορά και ανακλάσεις της δέσμης, δυσκολεύοντας τη χρονομέτρηση των παλμών. Επίσης είναι απαραίτητο ο σωλήνας να είναι πλήρης, δηλαδή να μην υπάρχει θύλακος αέρα ή φαινόμενα διφασικής ροής.
Οι περισσότεροι κατασκευαστές εξοπλισμού συνιστούν η μέτρηση να γίνεται σε θέση με πλήρες ανεπτυγμένο προφίλ ταχύτητας, δηλαδή σε ευθύγραμμο τμήμα μακριά από καμπύλες και εξαρτήματα όπως είναι βάνες, φίλτρα κλπ. Επίσης, ορισμένοι κατασκευαστές συνιστούν το πάχος του τοιχώματος να μην υπερβαίνει το 10% της διαμέτρου του σωλήνα, πράγμα που δεν επιτυγχάνεται πάντα σε σωλήνες μικρών διαμέτρων.
Ένας πρόσθετος περιορισμός που υφίσταται είναι η αδυναμία μέτρησης σε σωλήνες υψηλής θερμοκρασίας, επειδή οι κεφαλές υπερήχων είναι εγκλεισμένες σε σφήνες από Perspex για επίτευξη της αναγκαίας γωνίας εκπομπής (παρόμοιας διαμόρφωσης με τις κεφαλές εντοπισμού ασυνεχειών σε συγκολλήσεις).
Όσον αφορά την ακρίβεια της μεθόδου, τα διαθέσιμα στοιχεία είναι ακόμα περιορισμένα, τουλάχιστον για βιομηχανικές χρήσεις, με αποτέλεσμα να μην είναι εύκολη η σύγκριση με πρότυπες μεθόδους.
Επίσης δεν είναι γνωστή η ευαισθησία της μεθόδου σε αβεβαιότητες των εισαγομένων δεδομένων (όπως είναι η θερμοκρασία ρευστού και τοιχώματος, οι διαστάσεις σωλήνα, η απόσταση κεφαλών εκπομπής – λήψης, παρόλο που μερικά από αυτά μπορούν να υπολογισθούν από την εξίσωση), καθώς και στις αλληλεπιδράσεις τους.
Ωστόσο έχει διερευνηθεί η επίδραση του προφίλ ταχύτητας στην ακρίβεια της ένδειξης (Moore, 2000). Το μεγάλο πλεονέκτημα της μεθόδου παραμένει η δυνατότητα μέτρησης παροχής ακόμα και σε σωληνώσεις μεγάλης διαμέτρου χωρίς να χρειασθεί οποιαδήποτε τεχνική παρέμβαση για εγκατάσταση μετρητικής διάταξης.
Η συγγραφική ομάδα διαθέτει ένα φορητό όργανο μέτρησης παροχής κατασκευής GE Panametrics και τύπου TransPort PT-878, το οποίο χρησιμοποιεί την τεχνική ψηφιακής επεξεργασίας σήματος “Correlation Transit-Time” για βελτίωση της ακρίβειας ανάγνωσης του χρόνου μετάδοσης της ηχητικής δέσμης, ακόμα και σε συνθήκες παρουσίας περιορισμένης διφασικής ροής ή φυσαλίδων.
Η τυπική ακρίβεια του οργάνου δίνεται από τον κατασκευαστή ως +/-1 – 2% για σωλήνες διαμέτρου μεγαλύτερης των 150 mm ή 6 in, και +/-2 – 5% για σωλήνες μικρότερων διαμέτρων.
Μεθοδολογία
Το όργανο PT-878 εγκαταστάθηκε στο δοκιμαστήριο αντλιών και κυκλοφορητών της Wilo στην Άνοιξη Αττικής, το οποίο δοκιμαστήριο αποτελείται από δυο συλλέκτες παράλληλους ονομαστικής διαμέτρου NPS 3½ in, schedule 5 (Φ101,6 x 2,1 mm) από ανοξείδωτο χάλυβα ANSI 304.
Ανάμεσα στους συλλέκτες είναι εγκατεστημένοι διάφοροι κυκλοφορητές και αντλίες, με σκοπό την επίδειξη των χαρακτηριστικών καμπυλών τους Q-h σε εκπαιδευόμενους τεχνικούς και ενδιαφερόμενους αγοραστές και μεταπωλητές.
Το κύκλωμα του δοκιμαστηρίου κλείνει με την παρεμβολή ρυθμιζόμενης βάνας και μετρητή ροής ηλεκτρομαγνητικού τύπου Siemens Sitrans FM MAG 5100W. Ο μετρητής αυτός λειτουργεί με βάση την επαγωγή ηλεκτρικής τάσης όταν το υγρό ρέει μέσα από μαγνητικό πεδίο.
Ο μετρητής MAG 5100W χρησιμοποιήθηκε ως συγκριτικό όργανο αναφοράς, με βάση το οποίο συγκρίνονται οι ενδείξεις του PT-878 ώστε να απαλειφθούν οι διακυμάνσεις της ροής μέσα στη σωλήνωση. Η συγκριτική βαθμονόμηση των δύο οργάνων φαίνεται στον πίνακα 1.
Πρόγραμμα δοκιμών
Το προσωπικό του Εργαστηρίου διεξήγαγε ένα σύντομο πρόγραμμα διερεύνησης της ευαισθησίας της ενδείξεως του οργάνου σε εισαγωγή εσφαλμένων στοιχείων από τον χειριστή.
Διεξήχθη σειρά τριών δοκιμών, κατά τις οποίες εισήχθησαν ορθές και “λανθασμένες” τιμές για τη θερμοκρασία του ρευστού (η οποία επηρεάζει την ταχύτητα του ήχου και επομένως το T0), για το πάχος του τοιχώματος (το οποίο επηρεάζει το “τ”) και για την εξωτερική διάμετρο (που εισέρχεται άμεσα στον υπολογισμό και επιπλέον επηρεάζει το T0). Σε κάθε περίπτωση καταγράφηκαν οι ενδείξεις παροχών και των δυο οργάνων.
Επειδή δεν είναι δυνατό να διατηρείται η παροχή απόλυτα σταθερή, η παράμετρος ελέγχου είναι ο λόγος της ένδειξης παροχής του μετρητή PT-878 προς την ένδειξη του μετρητή Siemens MAG 5100W, στον οποίο δεν έγινε καμιά επέμβαση κατά τη διάρκεια των δοκιμών. Σε κάθε θέση ελήφθησαν 5-7 ζεύγη μετρήσεων, των οποίων ελήφθησαν οι μέσοι όροι.
Τα συνοπτικά αποτελέσματα των δοκιμών παραθέτονται στον πίνακα 2, όπου:
T: Εισαχθείσα θερμοκρασία ρευστού. t: Εισαχθέν πάχος τοιχώματος. D: Εισαχθείσα διάμετρος σωλήνα. d: Απόσταση κεφαλών, συνιστώμενη από όργανο PT-878. QS: Ένδειξη οργάνου Siemens MAG 5100W. QG: Ένδειξη οργάνου GE Panametrics PT-878. Ratio: Λόγος QG/QS. StDev: Τυπική απόκλιση του λόγου QG/QS.
Συμπεράσματα
Από την παραμετρική διερεύνηση προέκυψε ότι υπάρχει σχετικά ασθενής εξάρτηση των ενδείξεων από την εισαγόμενη θερμοκρασία, μέτρια εξάρτηση από το εισαγόμενο πάχος τοιχώματος και έντονη εξάρτηση από την εισαγόμενη διάμετρο. Με βάση τα αποτελέσματα αυτά, κατά τη χρήση του οργάνου πρέπει να εισάγονται με μεγάλη ακρίβεια η διάμετρος και το πάχος τοιχώματος του σωλήνα, ενώ για τη θερμοκρασία αρκεί μια καλή εκτίμησή της.
- Δείτε τα σχήματα και την βιβλιογραφία στην έντυπη έκδοση του περιοδικού, τεύχος Ιουλίου-Αυγούστου 2020 (κάντε κλικ δεξιά στη σελίδα).
O κ. Κων/νος Ι. Κράλλης είναι χημικός μηχανικός ΕΜΠ, NDT Level II, Welding Inspector, συνεργάτης του Εργαστηρίου Μελέτης, Σχεδιασμού, Επίβλεψης και Μέτρησης Ενεργειακής Απόδοσης Θερμικών & Συναφών Περιβαλλοντικών Εγκαταστάσεων».
Ο κ. Νίκος Ορφανουδάκης είναι μηχανολόγος μηχανικός ΕΜΠ, NDT Level II, Welding Engineer, καθηγητής Πανεπιστημίου Αθηνών και διευθυντής στο παραπάνω εργαστήριο.
