Ultraschalldurchflusssensor

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Ultraschalldurchflusssensoren messen die Geschwindigkeit eines strömenden Mediums (Gas, Flüssigkeit) mit Hilfe akustischer Wellen.

Die akustische Durchflussmessung bietet einige Vorzüge gegenüber anderen Messverfahren. Die Messung ist weitgehend unabhängig von den Eigenschaften der verwendeten Medien wie elektrische Leitfähigkeit, Dichte, Temperatur und Viskosität. Das Fehlen bewegter mecha­nischer Teile verringert den Wartungsaufwand und ein Druckverlust durch Querschnitts­ver­engung entsteht nicht. Ein großer Messbereich zählt zu den weiteren positiven Eigenschaften dieses Verfahrens. Für die akustische Strömungsmessung mittels Ultraschall kommen in industriellen Anlagen zwei Messprinzipien zum Einsatz.

[Bearbeiten] Dopplereffekt

Das Doppler-Effekt-Verfahren ist für die Messung von Flüssig­keiten mit schallstreuenden Teilchen geeignet. Gemessen wird hier die Strömungs­geschwin­digkeit im Schnittvolumen zweier Schallstrahlen. Anwendung findet der akustische Dopplereffekt z.B. bei Ultraschalluntersuchungen in der Medizin bei der Messung der Blutstromgeschwindigkeit.

[Bearbeiten] Mitführeffekt, auch Laufzeitverfahren oder Time-of-Flight-Verfahren

Ultraschall-Mitführeffekt

Die Ausnutzung des Mitführeffektes ist für Flüssigkeiten oder Gase geeignet die nur geringfügig verschmutzt bzw. mehrphasig sind. Zu hohe Feststoff- bzw. Gasbeladungen (bei Flüssigkeitsmessungen) führen zu Störungen der Ultraschallsignale und können zu einem Versagen der Messtechnik führen. Gemessen wird die mittlere Strömungsgeschwindigkeit über einen Pfad des Ultraschallstrahls im Fluid. Beim Mitführeffekt werden mindestens zwei Ultraschallwandler verwendet, die strömungsauf- bzw. abwärts montiert werden (Siehe Bild "Ultraschallmitführeffekt"). Die Anordnung der Ultraschallwandler kann, wie im Bild "Ultraschallmitführeffekt" dargestellt, axial zur Strömungsrichtung sein. Häufig werden die Ultraschallwandler aber auch Diagonal zur Strömungsrichtung angeordnet (siehe Bild „Wandleranordnung zur Durchflussmessung in Rohrleitungen“)

Wandleranordnung zur Durchflussmessung in Rohrleitungen

[Bearbeiten] Berechnunggrundlagen

Die Berechnung der Fließgeschwindigkeit nach dem Laufzeitverfahren funktioniert nach folgender Formel:

Hierin sind:

• v – Mittlere Fließgeschwindigkeit des Mediums
• T₁ – Laufzeit des Ultraschallsignals mit der Strömung
• T₂ – Laufzeit des Ultraschallsignals gegen die Strömung
• L – Länge des Ultraschallpfades
• alpha – Winkel des Ultraschallsignals zur Strömung

Laufzeitmessung

Erwähnenswert ist, dass der Schall am Empfangswandler mit der gleichen Frequenz ankommt wie der vom Sender abgesendete Schall. Sehr oft wird die Meinung geäußert, es müsse zwischen Sende- und Empfangswandler ein von der Strömungsgeschwindigkeit abhängiger Frequenzunterschied auftreten. Dies ist jedoch nicht der Fall, eine Frequenzverschiebung tritt nur beim Dopplereffekt auf, bei dem sich die Schallquelle relativ zum Empfänger bewegt.

Bei der Nutzung des Mitführeffektes müssen Ultraschalllaufzeitendifferenzen T2-T1 mit Genauigkeiten im 10e-6 bis 10e-12 sek-Bereich gemessen werden. Die eigentlichen Schalllaufzeiten T1 bzw T2 sind typisch im Bereich von 10e-2 bis 10e-6 Sekunden. Die Laufzeitdifferenz und Schalllaufzeit sind abhängig von der Schallgeschwindigkeit des Mediums, dem Wandlerabstand und der Fließgeschwindigkeit.

In modernen Durchflussmessgeräten werden die Schalllaufzeiten und die Laufzeitdifferenzen heute mit digitalen Signalprozessoren (DSP) bestimmt. Übliche Verfahren sind die Flankenauswertungen First-Negative und das Kreuzkorrelationsverfahren.

[Bearbeiten] Clamp-On Durchflussmesser

Diese Messgeräte sind in erster Linie für saubere Flüssigkeiten geeignet, aber es werden auch Modelle zur Messung von Gasen angeboten. Da diese Art Sensoren nicht auf einer Kalibrieranlage kalibriert werden können, spricht man von einer Trockenkalibrierung, welche im Wesentlichen die Angaben über die Geometrie der Messtelle (Rohrdurchmesser und Wandstärke) sowie die Schallgeschwindigkeit des Rohrwerkstoffs und des zu messenden Fluids beinhaltet. Aus diesen Angaben wird die ideale Position der Sensoren errechnet. Nachdem die Sensoren in der korrekten Position angebracht sind, ist die Messtelle messbereit. Um die Dämpfung des Ultraschall Pulses zu minimieren, wird der Luftspalt zwischen Sensor und Rohrwand mit einem Koppelmedium gefüllt.

[Bearbeiten] Vorteile

Die Messung erfolgt ohne Kontakt mit dem Fluid und ist deshalb von Korrosion, Druck, Verunreinigung des Messstoffs, etc. nicht betroffen. Das Messgerät kann ohne Unterbrechung des Prozesses installiert und in Betrieb genommen werden. Es existieren portable, batteriebetriebene Handgeräte, die besonders zu Wartungs- und Testzwecken verwendet werden.

[Bearbeiten] Nachteile

Die Rohrleitung muss aus akustisch leitendem Material sein (Metall, die meisten Kunststoffe, Glas sind geeignet, insbesondere armierte Betonrohre sind nur in Ausnahmefällen messbar Inhomogene, hochviskose und Feststoff enthaltende Fluide sind nicht oder nur sehr beschränkt messbar.).

Ein weiterer grundlegender Nachteil ist das (für gute Geräte) immer noch hohe Preisniveau. Gerade für kleine Unternehmer, die gelegentlich eine mobile Ultraschall-Messung durchführen müssen,ist die Anschaffung nicht wirtschaftlich. Daher bieten manche Unternehmen auch die Miete eines solchen Gerätes an.

[Bearbeiten] In-Line Durchflussmesser

Diese Bauform von Ultraschalldurchflussmessern wird in die Rohrleitung eingebaut. Die Geräte können im Werk kalibriert werden und erreichen daher eine bedeutend höhere Genauigkeit, welche auch im Feld erreichbar bleibt. Durch mehrpfadige Sensoranordnung kann die Genauigkeit weiter erhöht und die Beeinflussung durch ein asymmetrisches Durchflussprofil minimiert werden.

[Bearbeiten] Vorteile

Hohe Genauigkeit möglich durch nachweisbare Kalibrierung.

[Bearbeiten] Nachteile

Prozess muss unterbrochen und Rohrleitung angepasst werden.

[Bearbeiten] Literatur

• DIN EN ISO 6416, Hydrometrie - Messung des Abflusses mit dem Ultraschallverfahren, Beuth Verlag Berlin