mini| Ultraschall-Durchflussmesser
Ultraschall-Durchflussmesser (USD oder UDM) messen die Geschwindigkeit eines strömenden Mediums (Gas, Flüssigkeit) mit Hilfe akustischer Wellen. Diese Durchflussmesseinrichtung besteht gemäß der grundlegenden DIN-Norm 1319DIN 1319-1:1995-01, Grundlagen der Meßtechnik – Teil 1: Grundbegriffe, Beuth Verlag, Berlin. aus zwei Teilen: dem eigentlichen Messaufnehmer (Ultraschallsensor) sowie einem Auswerte- und Speiseteil (Transmitter oder Messumformer).
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 wesentliche Messprinzipien zum Einsatz: Das Ultraschall-Doppler-Verfahren und Ultraschall-Laufzeit-Verfahren. Die Messverfahren der Ultraschalldurchflussmessung können in folgende vier unterschiedlichen Messprinzipien unterteilt werden:
Doppler-Verfahren Bei der Doppler-Ultraschallmessung, welche nach dem Doppler-Effekt arbeitet, wird die Frequenzverschiebung des ausgesendeten Signales aufgrund der Fließgeschwindigkeit der (inhomogenen) Partikel im Medium erfasst. Hierzu werden im Medium Reflexionspunkte (Verschmutzung, Luftbläschen) benötigt. In teilgefüllten Rohren muss zusätzlich zur Fließgeschwindigkeit die Füllhöhe bestimmt werden, um den Durchfluss berechnen zu können.
Klassische Doppelgeschwindigkeitsmessungen arbeiten nach dem Continuous-Wave-Verfahren (CW-Doppler). Hierbei wird üblicherweise über einen Piezokristall eine kontinuierliche Ultraschallfrequenz ausgestrahlt (Sender), während der zweite Piezokristall die von den Gasblasen und Partikeln im Erfassungsbereich des Strahls reflektierten Ultraschallfrequenzen erfasst. Bedingt durch die Aufweitung des Ultraschallstrahls, auch Ultraschallkeule genannt, trifft die Frequenz in unterschiedlichen Winkeln auf die im Medium mitgeführten Partikel. Allein schon dadurch ergibt sich bei gleicher Geschwindigkeit aller Partikel ein Frequenzgemisch mit höheren und geringeren berechneten Einzelgeschwindigkeiten. Dieser Effekt wird durch die in Rohren und Kanälen herrschende unterschiedliche Strömungsgeschwindigkeit (Strömungsprofil) verstärkt.
Die reflektierende Schallenergie nimmt bei gleicher Partikelgröße mit zunehmender Entfernung quadratisch ab. Bei verstärkter Verschmutzung im Medium erhöht sich zusätzlich die Dämpfung durch Streuung und Absorption der Schallenergie. Die Summe dieser Effekte führt zu einer begrenzten, nicht spezifizierbaren und dynamischen Messtiefe des Systems, sowie zu einem empfangenen Frequenzgemisch mit unterschiedlichen Einzelgeschwindigkeiten.
Mathematische Auswerteverfahren gestatten den Einsatz von Frequenzfiltern, die einen Hauptpeak mit mehreren Seitengruppen bestimmen und Störfrequenzen ausfiltern. Aus den verwendeten Frequenzgruppen wird ein statistischer Mittelwert gebildet, der aber nicht die mittlere Fließgeschwindigkeit darstellt. Zu deren Berechnung ist es erforderlich, diese mit einem zu kalibrierenden Faktor zu versehen.
Bei offenen Kanälen entstehen durch Wind häufig Oberflächenwellen. Ist das zu messende Medium relativ sauber und partikelarm, so kann es vor allem bei geringeren Füllständen vorkommen, dass der ausgesendete Ultraschall ungehindert bis zur Wasseroberfläche vordringt. Die durch den Wind erzeugten Wellen reflektieren durch den starken Dichtesprung an der Grenzfläche zwischen Wasser und Luft das Ultraschallsignal sehr stark. Die Wellengeschwindigkeit erzeugt durch den Doppler-Effekt die Frequenzverschiebung des Signals und das Dopplermesssystem erfasst in dem Fall statt der Partikelfließgeschwindigkeit die stark abweichende Wellengeschwindigkeit der Oberfläche. Das führt häufig zu unerklärlichen falschen Messwerten oder Messwertsprüngen.
Die räumliche Bestimmung der einzelnen Einzelgeschwindigkeiten in Bezug auf die Fließhöhe ist mit dem CW-Dopplerverfahren nicht möglich. Deshalb sind in der Praxis immer Einzelkalibrierungen an der Messstelle nötig. Diese sollten möglichst mehrfach bei verschiedenen Fließhöhen durchgeführt werden und in einer höhenbezogenen Kalibriertabelle im Messumformer hinterlegt werden.
Kreuzkorrelations-Verfahren Das Ultraschall Kreuzkorrelations-Verfahren, funktioniert nach folgendem Prinzip: Ein kurzer Ultraschallimpuls wird in das Messmedium eingestrahlt bzw. eingekoppelt. Die im Medium vorhandenen Teilchen, Partikel oder Gaseinschlüsse reflektieren den Ultraschallpuls.
Der Kreuzkorrelationssensor arbeitet nach dem Puls-Echobetrieb, d. h. der Ultraschallwandler schaltet kurz nach dem Senden des Ultraschallpulses auf das Empfangen eines Ultraschallpulses um. Das empfangene Ultraschallecho wird als charakteristisches Muster gespeichert. 0,5 bis 4 Milisekunden später wird erneut ein Ultraschallpuls ausgesenden und die ankommenden Echo-Muster ebenfalls gespeichert. Durch die Laufzeitdifferenz zwischen Sende- und Empfangszeitpunkt kann die Position der Teilchen im Fließquerschnitt bestimmt werden. Mittels einer Kreuzkorrelation werden nun die Echomuster innerhalb 16 verschiedener Zeitfenster auf Übereinstimmung geprüft. Neben der Übereinstimmung liefert die Kreuzkorrelation auch die zeitliche Verschiebung des charakteristischen Musters im zweiten Ultraschallecho gegenüber dem ersten Ultraschallecho. Die Korrelation der gleichen Zeitraumfenster wird entsprechend mit folgender Grundgleichung korreliert:
bzw. in digitalisierter Form berechnet:
mit
Diese zeitliche Verschiebung des Musters lässt sich unter Berücksichtigung des Einstrahlwinkels direkt in die Fließgeschwindigkeit umrechnen. Einzelgeschwindigkeiten in verschiedenen Entfernungen werden so in Echtzeit berechnet. Ein mit dem Sensor verbundener Messumformer zeigt die vertikale Geschwindigkeitsverteilung nahezu bis zur Mediumsoberfläche an.
Die Bestimmung des Geschwindigkeitsprofils hat den Vorteil, dass nicht nur ein Durchflusswert angezeigt wird, dem man Glauben schenkt oder ihn anzweifelt, sondern dass durch die Messung und das Anzeigen des Geschwindigkeitsprofils eine Einschätzung der Qualität der Messung ermöglicht wird. Weist die Form des Geschwindigkeitsprofils einen erwarteten Verlauf auf, dann kann auch von einer hohen Genauigkeit der Volumenstrommessung ausgegangen werden. Messungen nach dem Verfahren der Ultraschallkreuzkorrelation bedarfen anders als Durchflussmesser, welche die Geschwindigkeit an einem Punkt messen, keinen Korrekturfaktor, um die durchschnittliche Geschwindigkeit über das gesamte Fließprofil hinweg zu berechnen. Eine Kalibrierung vor Ort ist somit nicht nötig.
Stroboskop-Verfahren Das Stroboskop-Messverfahren ist ähnlich dem Dopplerverfahren mit reflektierten Schallsignalen von bewegten Partikeln. Es wird dabei, im Gegensatz zum Dopplerverfahren nicht die Frequenzverschiebung des Schallsignals ausgewertet, sondern die Zeit gemessen, die ein Partikel zum Durchlaufen einer definierten Wegstrecke in einem Schallkegel benötigt. Die Ultraschallimpulse werden in kurzer und schneller Folge hintereinander ausgestrahlt (ähnlich wie bei Stroboskopaufnahmen mit Licht).
Driftverfahren Beim sogenannten Driftverfahren wird senkrecht zur Strömung des zu messenden Mediums ein kontinuierliches Ultraschallsignal abgestrahlt. Es wird die Intensitätsverteilung durch das Medium entsprechend der Strömungsrichtung abgelenkt. Aus der relativen Intensitätsverteilung des Ultraschallsignals auf die gegenüberliegenden Empfänger kann die relative Strömungsgeschwindigkeit ermittelt werden.
Laufzeitdifferenzmessung mini| Sensoranordnung Für diese Messmethode muss das Medium möglichst homogen und nur mit geringem Feststoffanteil belegt sein.
Vereinfacht dargestellt betrachtet man zwei Boote, die einen Fluss auf derselben Linie diagonal durchqueren, das eine in Strömungsrichtung und das andere entgegengesetzt. Das Boot, welches sich in Strömungsrichtung bewegt, benötigt eine wesentlich kürzere Zeit, um das gegenüberliegende Ufer zu erreichen. Genauso verhalten sich die Ultraschallwellen. Eine Schallwelle breitet sich in Fließrichtung des Messmediums schneller aus, als die Schallwelle in entgegengesetzter Richtung.
Die Laufzeiten werden kontinuierlich gemessen. Die Laufzeitdifferenz der beiden Ultraschallwellen ist somit direkt proportional zur mittleren Fließgeschwindigkeit. Das Durchflussvolumen pro Zeitspanne ist das Ergebnis aus der mittleren Fließgeschwindigkeit multipliziert mit dem jeweiligen Rohrquerschnitt des Messwertaufnehmers.
Die Identifizierung eines Messstoffes kann auch direkt über die Laufzeitmessung von Ultraschallwellen bestimmt werden. Die Schalllaufzeit zum Beispiel in Wasser ist kürzer als in Heizöl.
Berechnungsgrundlagen mini|Laufzeitmessung Die Berechnung der Fließgeschwindigkeit nach dem Laufzeitverfahren erfolgt nach folgender Gleichung:
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 α – Winkel des Ultraschallsignals zur Strömung
Messwerterfassung mini|Mehrkanalverfahren In modernen Auswertegeräten werden die Schalllaufzeiten und die Laufzeitdifferenzen heute mit digitalen Signalprozessoren (DSP) bestimmt. Übliche Verfahren sind die Flankenauswertungen First-Negative und das Kreuzkorrelationsverfahren.
Mehrkanalverfahren Die Auswerteelektronik wird meist im Mehrkanalverfahren betrieben, die somit auch unter schwierigen Bedingungen die tatsächlichen Strömungsgegebenheiten sicher und präzise erfassen kann.
Prinzip Mehrkanal Ein Ultraschall-Durchflussmesser misst die Durchflussgeschwindigkeit im Messrohr mittels zweier sich gegenüber liegender Sensoren-Anordnungen. Diese sind in einem Winkel so angeordnet, dass ein Sensor etwas weiter stromabwärts montiert ist als der andere. Das Durchflusssignal wird durch abwechselndes Messen der Laufzeit eines akustischen Signals von einem Sensor zum anderen ermittelt, wobei der Effekt genutzt wird, dass Schall schneller mit der Durchflussrichtung übertragen wird als gegen die Durchflussrichtung. Der Volumenstrom wird durch sequentielles Messen zwischen allen Sensorpaaren in der Anordnung ermittelt. Diese Anordnung gewährleistet, dass nach typischen Durchflussbehinderungen wie zum Beispiel durch einen Rohrbogen in einer oder zwei Ebenen nur ein kurzer gerader Rohrverlauf vor dem Messgerät benötigt wird. Die digitale Signalverarbeitung garantiert die konstante Bewertung der Durchflussmessung und reduziert die Empfindlichkeit hinsichtlich mehrphasiger Durchflussbedingungen und erhöht somit die Verlässlichkeit der Messung erheblich.
Clamp-On-Durchflussmesser mini Als eine Sonderform der Ultraschalldurchflussmessung gibt es eine Messanordnung die von außen am Rohr angebracht wird, keine Eingriffe in das Rohr selbst benötigt, und somit die Menge bzw. die Fließgeschwindigkeit bestimmt werden kann. Einsatzbereich ab Nennweiten DN 5 bis DN 6000. Gerade bei großen Nennweiten ist diese Clamp-On-Methode eine preisgünstige Lösung.
Die wesentlichen Vorteile von Clamp-On: einsetzbar für alle homogenen Medien in schalldurchlässigen Rohren, auch mit Auskleidung; Chemie- oder Prozessapplikationen; großer Messstofftemperaturbereich −160 °C bis +600 °C ideal für Nachrüstungen; Installation ohne Prozessunterbrechung.
Spezielle Clamp-On Durchflussmesser sind auch für die Messung von Gasen verfügbar