Ultrasonic Flowmeter and Energy Monitoring for Water-Based Heating Systems

Abstract

Denne masteroppgaven studerer muligheten for å bruke rimelige lavfrekvente transdusere for en rimelig ultralydstrømningsmåler med clamp-on-teknologi for å måle strømning og total energi levert av vannbaserte varmesystemer i hjem. I sammenheng med å forbedre energieffektiviteten i eksisterende hjem blir nødvendigheten av ultralydstrømningsmålere med clamp-on-teknologi avgjørende. Disse enhetene reduserer risikoen for under- eller overoppvarming, noe som forbedrer energieffektiviteten. Denne ultralydstrømningsmåleren bruker transit-time-metoden, og reisetidene mot og med strømmen skal deretter brukes til å beregne strømningshastighet og temperatur.

Impulsresponser og FFT-er ble målt for å karakterisere de tilgjengelige transduserne. Fysiske forsøk med to innledende referansehastigheter avvek betydelig i hastighet og var urealistiske for rørstørrelsen. Valget av frekvens- og tidsområde påvirket de målte hastighetene betydelig og forskjellene mellom referansehastighetene var inkonsekvente. Dette indikerer at feilen vedvarte uavhengig av endringer i hastighet. Simuleringer i COMSOL ble deretter utført som belyste flere feil med systemet. Transduserholderne er laget av et materiale med en lydhastighet som lignet på rørveggene. Bunnen og den indre delen av toppen av holderne skapte et ideelt rom for trykksignalet å reflektere flere ganger før det når mottakeren. I tillegg ble det gjort simuleringer med både 58 kHz og 500 kHz som frekvens på trykksignalet. Dette bekreftet at bølgelengden til trykksignalet på 58 kHz var for lang for rørstørrelsen, og forklarte hvorfor høye frekvenser foretrekkes i ultralydstrømningsmålere for deres korte bølgelengder. Det viste også at den korte luftavstanden mellom holderne gjorde at brytninger i den øvre rørveggen nådde mottakeren før signalet passerer vannet.

Denne masteroppgaven ga verdifull innsikt i bruken av lavfrekvente transdusere i ultralydstrømningsmålere som er rimelige på markedet i dag. Fremtidig arbeid bør fokuseres på å forbedre oppsettet og begrense antagelser gjort i målingene med ytterlige simuleringer og fysiske forsøk med strømmende vann.

This thesis studies the feasibility of using affordable low-frequency transducers for an inexpensive ultrasonic flowmeter with clamp-on technology to measure the flow and total energy delivered by water-based heating systems in homes. In the context of improving energy efficiency in existing homes, the importance of ultrasonic flowmeters with clamp-on technology becomes essential. These devices reduce the risks of under- or overheating which improves energy efficiency. This ultrasonic flowmeter uses the transit-time method and the travel times of the downstream and upstream shall then be used to compute the flow rate and temperature.

Impulse responses and FFTs were measured to characterize the available transducers. Physical experiments with two preliminary reference velocities significantly deviated in velocity and were not feasible for the pipe size. The choice of the frequency range and time range significantly affected the measured velocities, and the differences between the different reference velocities were inconsistent. This indicates that the error persisted regardless of changes in velocity. Simulations in COMSOL were then made and shed light on several flaws with the system. The transducers' holders are made of a material with a sound speed similar to the pipe walls. The bottom and inner top holders created an ideal space for the pressure signal to reflect numerous times before reaching the receiver. In addition to this, simulations were carried out with both 58 kHz and 500 kHz as the signal frequencies. This confirmed that the 58 kHz pressure signal's wavelength was too long for the pipe size, explaining why high frequencies are favored in ultrasonic flowmeters for their short wavelengths. It also showed that the short air distance between holders caused refractions in the upper pipe wall to reach the receiver before the signal passed through the water.

This thesis provided valuable insights into the usage of low-frequency transducers in ultrasonic flowmeters as what is affordable in the market today. Future work should be focused on improving the setup and limiting assumptions made in the measurements with further simulations and physical experiments with flowing water.