TELKOM NIKA , Vol. 11, No. 10, Octobe r 2013, pp. 5 669 ~ 5 674   ISSN: 2302-4 046           5669      Re cei v ed Ap ril 13, 2013; Revi sed  Jun e  29, 2013; Accepted July 1 3 ,  2013   A Curve -fitting Calibration Method applied for  Ultrasonic Flow-meter       Yong Luo 1 , Rang ding Wang * 1 , Ling Yao 2   1 School of Infor m ation Sci enc e and En gi neer ing,  Ni ngb o Un iversit y , N i n g b o  315 21 1, Chin a   2 Ning bo W a ter Meter CO. L T D, Ningb o, 315 0 00, Chi n a   *Corres p o ndi n g  author, e-ma i l w a ngr ang di n g @n bu.ed u.cn       A b st r a ct     As the influe n c e of fluid d i stributi on in th e  in terna l  pi pe,  the me asur e m e n t characte ristics of  theory an d pra c tice exist sign ificant differe nc es in  Ultraso ni c F l ow -meter (USF ). T h rough  analysis  of flui d   state, the meth od of curve-fitti ng is  ap pli ed f o r the cali brati on of USF .   Experi m e n tal res u lts show  that the   USF  can ach i e v e leve l-1 acc u racy w i th  just a  correction  of 5  flow  points a nd this  meth od  perfor m s a l o computati o n a compl e xity and  strong practic a lity.    Ke y w ords Cu rve-fitting, Cal i b ratio n , Ultraso nic F l ow -met er, R e y n o l d s   n u m b e r         Copy right  ©  2013 Un ive r sita s Ah mad  Dah l an . All rig h t s r ese rved .       1. Introduc tion  USF u s e s  the propa gati on ch ar acte ristics of ultraso n ic  wave  in fluid to get the   informatio n a bout fluid velocity. Due to  the ultra s oni c signal i s  se n s itive to external facto r s, a n d   the law of diff erent velo city in clo s ed  co nduits  i s  com p licate d . The  measurement  cha r a c teri stics  of theory an d pra c tice  exist signifi cant  differen c es i n  USF, whi c h woul d se ri ously affect the  accuracy   of USF  [1 -2].  At present, based on the IS O standa rd o f  <With the USF of time-transit  method to  measure the  fluid flow i n  clo s e d  pip e >a nd the  Chin ese sta ndard <JJG1 030- 2007 USF > , many re sea r che r s h a ve studied the  problem cau s e d  by the heavy workl oad  of  calib ration, b u t these meth ods  still can’t  adapt to the mass produ ct ion [3-4].   In this pa per,  the cu rve-fitting metho d  i s  ad opted fo r the  calib rati on of USF  after the   analysi s  of flu i d state. Thi s   method  not o n ly can   acqui re a  better  accuracy  of US F, but also  ca redu ce the  workl oad of cal i bration a nd p r omote e n terprise produ cti on.      2. The Rea s on of Calibra tion in USF   2.1. The Principle of USF   In study of USF, the time  differen c e me t hod po ssesses a majo rity, and who s e p r inci ple   of mea s u r e i s   sho w n i n  F i gure  1. Th ultrasoni c tra n sd ucer1  ( U 1 )  an d ultraso n ic tran sdu c e r ( U 2 )  alternat ely transmit or re ceive ul t r asoni c pul se s (with a n  incide nt angle ). Because the  ultrasoni c vel o city in the d o wn stre am a nd up stre am  i s  differe nt, the time for the  ultrasoni c si gnal   to  r e ac h  th e tw o  u l tr as on ic  tr an sd uce r s  is  different, with a time difference T . The linea averag e velo city  v L  is obtai ned by ca pturing this time differen c e     2 2t a n L C VT D   (1)     max 0 1 max 1 ) ( 1 ) ( 1 V n n dr R r R V R dl r V L V R n L L  (2)     Whe r C  is  the veloc i ty of ultras onic   wav e  in fluid,  D  is the diameter  of this pipe.   Becau s e vel o city from E q .(1) i s  line a r  avera ge ve locity, the volume flow  sh ould be  comp uted u s i ng profile av erag e velocit y . The fl ow of fluid in the  pipe present s a non-unifo r m   distrib u tion,  so, the mea s u r ed lin ea r vel o city diffe re ntiates the  profile velocity.   Some sch o la rs  have rai s ed  method of measure by mu lti-cha nnel  so  that the measured data  ca n be better cl ose   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046   TELKOM NIKA  Vol. 11, No . 10, Octobe r 2013 : 566 9 –  5674   5670 to the real values. But it still needs to be   amende d by software co mpen sation,  and will b r ing  on  the com p lexity of design a nd incre a se the co s t. To fully unde rsta nd the chara c teri stics of the   media me asured i s  the  premi s e of  accurate  me asu r em ent. Hen c e, the  analysi s  of fluid   characteri stics is an essent ial link in  imp r oving the accura cy of USF [5-6].    2.2. The Ana l y s is of Flo w  Fluid Chara c teris t ics   Und e r th e ide a l co ndition of that the pi pe wa ll i s  sm ooth an d the  fluid viscosity  is  zero,  the flow  rate  of fluid in pi pe is in u n ifo r m di strib u tio n , as  sh own  in Figu re 2 ( a ) . The  adja c e n particl e of fluid has  sh ear  stre ss be cau s e of the ex i s ten c e of viscou s effe ct in the actual fl uid.   Whe n  the fluid flows, the velocity  is ze ro  at the wall,  which in crea se s while a w ay  from the wall  to   the axis, and  is shown in  Figure 2(b).  Whe n  the fl ui d is in the  st ate of full de velopment of  flow,  the velocity  distrib u tion  o f  fluid ch ang es al ong   wit h  the in crea se of velo city, mean whil e, the   Reynol ds numbers  incr ease. Velocity will go  through three stat es  l a mina r, transie nt a nd  turbule n t, whi c h will di re ctly lead to the diffe ren c e s  b e twee n profil e-line a r velo city [7-8]          Figure 1. Flow mea s u r em ent prin ciple  of the USF                  (a T he  id ea state         (b)  T he  a c tu al  state     Figu re 2. T he  Di stri buti on  of Flui d Vel o city      Reyn ol d s  n u m b e r  i s  a  unit to  de scri be t h e f l ui d flo w   by  the th eo ry  of flui mechani c s.  R s e VD , where  v S   is the profile velocity,  D  is the diamete r   of the pipe,  is the  kinem atic visco s ity. From the Reyn old s  numbe expe riment s, it can be co ncl u d ed that [9-12]  Whe n   Re < 230 0  lamin a r,  the parti cle  has a li nea motion sm oot hly along the  pipe axis in  parall e l. Rela tionshi p of v e locity bet we en the  par ti cle and  axis i s   sho w ed  in  the follo win g 2 ma x [1 ( ) ] r r VV R  , the c o rrec tion c oeffic i ent is   a co nsta nt at this situatio n.   Whe n   Re >3 750 turbule n t, the fluid d oesn’t remai n  stratified flow any mo re, but in all  dire ction s . Relation ship  o f  velocity be tween  the  p a rticle  an axis i s   sho w ed  a s  follo w:   1 ma x (1 ) n r r VV R  n  is a function relate d to Reynol ds nu mber, r is the  distance fro m  axis of  the pipe, R is the diamet er of the pip e . T he linear average vel o city and the  profile average  veloc i ty c an be c a lc ulated res p ec tively as  follow:    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046       A Curve-fittin g  Calib ration  Method ap pli ed for Ultraso n ic Flo w -m eter (Ran gding  Wan g 5671 max 2 1 max ) 1 )( 1 2 ( 2 2 ) ( 1 ) ( 1 ) ( V n n n rdr R r R V s ds r V s t V s n s s  (3)     () 2 21 () s L Vt n K n Vt   (4)     So the coefficient of corre c tion ca n be ob tained from th e above two  equatio n sh o w n in Eq.(4 )   10 () 1 1. 12 0. 011 * l o g R e () s L Vt K Vt   (5)     max 0 2 2 max 3 2 ) 1 ( 1 ) ( 1 V dr R r V R dl r V L V R L L  (6)      w h en   23 0 0 < Re <37 5 0   transi ent, th e rel a tion shi p  of p r ofile -linear velo city has not  con c lu ded up  to now. The chief re ason i s  that this  sta t e isn’t stable  and the velocity distributio is extremely compli cate d. The relatio n ship of prof ile-linear velo cit y  is difficult to expre ss u s i ng  definite functi ons, which ca n only be obt ained from  ex perim ental eq uation. One  commonly u s e d   equatio n is a s  Eq.(5 ) For the turb u l ent and tran sient flow, the theor eti c al  equatio n of correctio n  is h a rd to  impleme n t du e to its  com p l e xity. In this pape r, t he  cu rve-fitting of l east-sq ua re i s  ap plied t o  the  calibration.       3. The Calibr a tion Me tho d   We all  kn ow  that the fluid  exists three  stat es, lamina r, transie nt an d turbul ent flow by  previou s  an al ysis. Beca use the law of fluid move me nt varies wid e ly in each fluid state, this  pape r intend s to calibrate t he USF in ea ch fluid state  respe c tively.    Lamina r , the distrib u tion of  fluid velocity likes  a pa ra bolic  curve  shown in Figu re 3. As is  dedu ce d fro m  [9], the rel a tionship  of p r ofile ave r a g e  velocity a nd  maximum vel o city is a s  foll ow:  ma x 1 2 s VV . The linear a v erage velo ci ty can be cal c ulated by inte gral a s  follow.      ma x m a x 12 3 / 23 4 S L V KV V V   (7)     2 1 1 [( , , ) ] n Li n S i i D fx a a x  ……  (8)     So the corre c tion coeffici en t can be com puted a s  (7   Turb ulent  an d tra n si ent,  who s e  velo ci ty distrib u tion  is so  compli cated  that  n o  con c lu sion  coul d be d r a w n ab out the  relation shi p  of profile-l i n e a r velo city, and the velo ci ty distribution  is  s h ow n in  F i gu r e   3 .  T o  th is p r ob le m, th e p o l yn o m ia l i s  used to  cali b r ate the  e rro r of profile-lin e a r   veloc i ty.  If to c a librate n+ 1 flow points , s u c h   as (x Li x Si ), where i = 0 1 2 n, and  x L  is  linear velo cit y , x S  is profile velocity. The functio n  f(x Li ) is deman ded to match  the real dat a of  flow poi nts a s  cl ose a s  po ssi ble. In ind u strial   appli c ation, the fun c tional  relatio n shi p  bet wee n  x L   and x S  i s  ofte n obtai ned  th roug h a  lot of  experi m ental  data  su ch  a s   x L1 , x S1 ,……,(x Ln , x Sn ).  Thro ugh p r o c essing of ex perim ental d a ta, the f unctional eq uatio n can b e  de scribe d like t h is:  x S =f (x L ,a 1 ,a 2 ,…… a n ). T hes e p a ra met e rs  (i.e.  a 1 ,a 2 ,…… a n ) det ermin ed by  the  lea s t squa res  method  are  sele cted  to  make  the  su m of  squ a re s of  deviatio n  to mi nimu m, as de scri bed i n   Eq.(8):   The nu mbe r   D  can reflect  the deg ree  of fitting betwe en fun c tion  x S =f ( x L , a 1 , a 2 ,…… a n and experi m e n tal  data  ( x Li x Si ). Th e v a lue  of  D  is smaller, th co nsi s ten c y bet wee n  the  val u e   of function an d the data of  experim ent is better.  These pa ram e ters i n  fitting cu rve are  obtai ne d by the followi ng  mean s: assu ming the  got data of these m  sampli ng point s are  sho w n Ta ble 1 Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046   TELKOM NIKA  Vol. 11, No . 10, Octobe r 2013 : 566 9 –  5674   5672 Table 1. sa m p le point x L  x L1  x L2  x L3  ……   x Lm   f(x L ) x S1  x S2  x S3  ……   x Sm           Figure 3. The  distributio n o f  velocity in pipe       The polyno m ial is used to  interpolate, i f   p n ( x L )= a 0 + a 1 x L +… …+ a n x L n , and enabl ing the   equatio n p n (x Li )=f(x Li )(i= 1 ,2,…… m), then,    1 01 1 1 01 2 2 2 01 L m n Ln S n L nL S n L mn L S m aa x a x x aa x a x x aa x a x x    …… …… …… ……   (9)     Setting an auxiliary function calle d error  function as Eq.(10),  whi c h is a mu ltivariate function related to   a 0 , a 1 ,…… a n . To get the minimum of  , method s of  extreme valu e of multivariate function a r ado pted. Partial de rivative to each in depe ndent  variable i s  set  to zero a s  sh own in e q .(10   01 1 0 01 1 1 01 1 2[ ] 0 2[ ] 0 2[ ] 0 i m n Li n L i S i i m n Li n L i S i L i i m nn Li n L S i Li i n aa x a x x a aa x a x x x a aa x a x x x a    …… …… …… ……  (10 )     Eq.(10) i s  written a s  lin ear e quation  gro up  relating  to the   unkno wn  c h ar ac te r( a 0 ,a 1 ,…… a n ).     01 21 01 12 01 1 n Li n L i L i n L i L i n Li Li Si nn n n L i L i n Li Li S i aa x a x x ax a x a x x x ax a x a x x x       …… …… …… ……  (11 )     2 23 1 12 2 1 n L i Li Li n Li Li L i Li nn n n Li Li Li Li xx x xx x x xx x x             (12 )   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046       A Curve-fittin g  Calib ration  Method ap pli ed for Ultraso n ic Flo w -m eter (Ran gding  Wan g 5673 Whi c h can be  written a s   u= C ,  wh e r   22 01 0 1 11 (, , , ) [ ] [ ( ) ] mm n nL i n L i S i n L i S i ii aa a a a x a x x p x x       (10)         02 [, , , ] T n ua a a , [, , , ] nT S i Li Si Li Si C x xx xx   (11 )     It is easy to get the solutio n  of equation,  from  whi c h the cu rve equ ation fitted ca n be acquired .   If taking the  worklo ad of  calibratio n  an d  accuracy int o  acco unt, he re we take  m =3,   n =2,  and the n  we  have  p n ( x L )= a 0 + a 1 x L + a 2 x L 2 . There exist s   the com m on  flow point s b e twee n lamin a flow and tran sient flow, turbulent flow  a nd tran sie n t flow, su ch  as  sampli ng poi nt1 and p o int 3 So, the entire  pro c e s s of  calibratio n  onl y need sa mpling  points. Based  on t he expe rime ntal  platform of DN10 0 USF, the field samp li ng data obtai ned are sh own in TABLE 2.        Figure 4. Sch e me of calib ration       Table 2. Data  Sheet of Field Sampling   sampling  points  point1 point2  point3  point4  point5  v L   0.0447  0.0581   0.0727   0.1299   0.1823   V S   0.0335  0.0512   0.0683   0.1123   0.1745       By sampling  flow point1, p o int2 and  poi nt3,  the fittin g  cu rve obtai ned is  as foll ow:  v S =- 0.0394 +1.8 7 0 3 v L -5.353 4 v L 2 . By sampl i ng flow poi nt3, poi nt4 and poi nt5, the fitting curve  obtaine d is a s  follow:  v S =0 .0116-0.285 1 v L +3 4.717 4 v L 2   4. Analy s is o f  Experimen t al Results   To test the p e rform a n c e o f  the sche m e ,  t he samplin g data of three addition al  point of  flow is  obtain ed in e a ch fluid state. T h e re sult s are  sho w e d  a s  T able 3 - 5. By the cu rve fitting  method for  USF, calibratio n  results fro m  the above t ables  can p r op erly refle c t the true situatio n.       Table 3. Lami nar  Flow-points   (m/s )   0.02010  0.02470   0.03650   Average       accur a c y   Repeat-a bility   Measured value  v S (m/s )   0.02016  0.02485   0.03668   accurac y  0.3%   0.64%   0.51%   0.48%   0.17%     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046   TELKOM NIKA  Vol. 11, No . 10, Octobe r 2013 : 566 9 –  5674   5674 Table 4. Tran sient   Flow-points   (m/s )   0.04860  0.06260   0.07140   Average       accur a c y   Repeat-a bility   Measured value  v S (m/s )   0.04855  0.06277   0.07152   accurac y  -0.09%   0.28%   0.17%   0.12%   0.19%       Table 5.Tu rb ulent   Flow-points   (m/s )   0.09520  0.15830   0.17970   Average       accur a c y   Repeat-a bility   Measured value  v S (m/s )   0.09551  0.15823   0.18005   accurac y  0.33%   -0.04%   0.20%   0.16%   0.18%       Accuracy, repeatability,  respectively within  the range  of ±1% ±0.2 %, can meet  the requi rem ent  of Level-1 set by the National Metrol ogi cal Bureau.       5. Conclusio n   In this pa pe r, the nonli nea model i s  g e n e rated   by an alysis  of fluid  state an d test  of field  calib ration,  a nd the  cu rve-fitting method  is a pplie d  to  the process  of calib ratio n . As the  re sul t   sho w s, this  method n o t only can  gua rantee th e a c cura cy of USF, but also  can  redu ce  the  worklo ad of  calibratio n  an d  perfo rm lo comp utationa l compl e xity.  Also, the a c tual ap plicatio ability is improved.      Ackn o w l e dg ments   This work is supp orted  by the key indu stri al proj ect of priorit y  theme in Zhejian g   Province (2 0 10C110 25), t he majo r sci entific and  t e ch nolo g ical  resea r ch proj ect in Zh ejia ng   Province (Z D20 090 12),  the  sche me of  “ten der  grass” talents  i n  Zhejian g   Province  (201 1R405 05 6).       Referen ces   [1]    Q Liu, RD W ang, Y Z hu and  CT  Du.  An algorith m  to el i m inate stoch a sti c  jump meas ur ement of USF   with tim e  difference  m e thod . Manufactur i ng S y stems  a nd  Industr y App lic ation. 20 10: 41 4-42 1.  [2]    MW Li, GS Lv , YG Hu.  Research o n  i m pr ovin g the accu racy of the ultr ason ic flow -me t er w i th time   differenc e met hod . 2 0 1 0  Inte rnatio nal c onfe r ence  on e l ect r ical a nd co ntr o l en gi neer in g. 201 0: 256- 259.   [3]    JJG 1030- 200 7 < V erificatio n  Regu lati on of  Ultraso nic F l o w m e t e rs> ·  Beij ing: T he Metro l og y Press  of   Chin a, 20 07.   [4]    ISO/T  4060-2: 200 5 < M easur ement of  w a ter  flo w  i n  full y ch arge d close d  c ond uits> .  ISO,  200 5.  [5]    DI Marco, C   Mauro,  D Mat t eo. Meas ure m ent of  hig h - p ressur e  n a tur a gas fl o w   u s ing  ultras onic   flo w meters.  Me asure m ent . 19 97: 20(2): 6 9 -7 3.  [6]    J Berrebi, PE  Martinsso n, M Willatzen, J D e lsing. U l tr aso n i c  flo w  meteri ng  errors du e to p u lsati ng flo w .   F l ow  Measure m e n t and Instr u ment . 200 4: 1 5 (1): 179- 18 5.  [7]    YH Liu, GS Du.  T he calcul a t ion of the pr ofile -l in ear ave r age ve locit y  i n  the transitio n regi on fo r   ultraso n ic he at meter base d  o n  the metho d  o f  LES.  Journal of  Hydrody na mics . 2011: 2 3 (1 ): 89-94.   [8]    Ding   Xi- bo,  Li ang  Jia- yi,  L i u  Jia n , Guo  C hao.  M eas ure m ent Al gorit h m  of T w o- Dim ensi ona l W i nd   Vector usi ng  Ultraso nic T r ansduc ers.  T E LKOMNIKA Indones ian J our n a l of  El ectrical  Engi ne erin g 201 3; 11(1): 51 7-52 4.  [9]    C Li u, JJ  Hua n g . Sever a impr oveme n t of fl o w   meas urem e n t metho d Jo u r nal of  Sh eny a ng Univ ersity  of technol ogy.   200 2; 24(2): 11 3-11 5.  [10]    M Bao. Stud on ma in factor s affecting th accu rac y   of ga s Ultraso nic F l o w meter. Z h e j i ang  Univ ersit y .   200 4.  [11]    L Yao. T he el ectronic s enso r  of  w a t e r met e an d sig nal  process i ng tec hno log y . Be iji n g : T he qualit and i n sp ection  press of Chi na;  2011.   [12]    H Yan g , C W a ng. Simu latio n  Rese arch o n   Ult raso nic Gui ded W a v e s De tection of Met a l Rod  Buffer   S y stem B o n d i ng Qu alit y.  T E LKOMNIKA In don esia n J our nal  of El ectrical En gi neer in g . 201 3; 11( 3):  125 1-12 57.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.