Ultraschall-Durchflussmesser, eine Art von Volumenstrommessern, sind nicht-invasive Durchfluss-Sensoren, die akustische Schwingungen nutzen, um die Durchflussrate einer Flüssigkeit zu messen. Es gibt zwei Arten: Doppler- und Laufzeitmessgeräte.
Ultraschallmessgeräte eignen sich ideal für automatisierte Abwasseranwendungen oder für alle schmutzigen Flüssigkeiten, die leitfähig oder wasserbasiert sind – sie funktionieren jedoch in der Regel nicht mit destilliertem Wasser oder Trinkwasser. Diese Durchflussmesser sind auch ideal für Anwendungen, bei denen ein geringer Druckabfall, chemische Verträglichkeit und geringer Wartungsaufwand erforderlich sind.
Im Jahr 1842 entdeckte Christian Doppler, dass ein stationärer Beobachter einen Ton mit kürzeren Wellenlängen wahrnimmt, wenn sich dessen Quelle nähert, und mit längeren Wellenlängen, wenn sich die Quelle entfernt.
Dies wurde als Doppler-Effekt bekannt und erklärt, warum man die Tonhöhe der Hupe eines sich nähernden Autos ansteigen hört. Wenn das Auto davonfährt, scheint die Tonhöhe zu sinken. Ultraschall-Doppler-Durchflussmesser nutzen diese Frequenzverschiebung in sogenannten schmutzigen Flüssigkeiten, die akustische Diskontinuitäten enthalten – also Schwebeteilchen, mitgerissene Gasblasen oder Turbulenzwirbel.
Wie funktioniert ein Ultraschall-Durchflussmesser?
Die Ultraschall-Durchflussmesstechnik ist ein berührungsloses Verfahren zur Messung der Geschwindigkeit einer Flüssigkeit. Es handelt sich um Aufsteckgeräte, die an der Außenseite des Rohrs angebracht werden (und für eine Vielzahl von Rohrgrößen geeignet sind) und die Messung korrosiver Flüssigkeiten ohne Beschädigung des Ultraschallsensors ermöglichen. Für industrielle Anwendungen sind tragbare Ultraschall-Durchflussmesser erhältlich.
Die beiden Arten von Ultraschall-Durchflussmessern, Doppler und Laufzeit, funktionieren jeweils mit zwei unterschiedlichen Technologien. Der Doppler-Ultraschall-Durchflussmesser benötigt Partikel oder Blasen, um die Ultraschallsignale zu reflektieren. Dabei müssen die unteren Grenzwerte für Konzentrationen und Größen von Feststoffen oder Blasen berücksichtigt werden, und die Flüssigkeit muss mit einer ausreichend hohen Geschwindigkeit fließen, um die Feststoffe in Suspension zu halten.
Wenn ein Ultraschallimpuls oder -strahl in ein Rohr mit einer solchen Flüssigkeit übertragen wird, wird er von diesen Unebenheiten mit einer Frequenzänderung reflektiert, die direkt proportional zur Durchflussrate der Flüssigkeit ist. Somit berechnet der Doppler-Ultraschall-Durchflussmesser die Durchflussrate der Flüssigkeit anhand der Geschwindigkeit der Unebenheiten und nicht anhand der Geschwindigkeit der Flüssigkeit.
Betrieb von Ultraschall
Das Grundprinzip des Betriebs nutzt die Frequenzverschiebung (Doppler-Effekt) eines Ultraschallsignals, wenn es von bewegten Schwebeteilchen oder Gasblasen (Diskontinuitäten) reflektiert wird. Diese Messtechnik nutzt das physikalische Phänomen einer Schallwelle, die ihre Frequenz ändert, wenn sie von sich bewegenden Diskontinuitäten in einer fließenden Flüssigkeit reflektiert wird. Ultraschall wird in ein Rohr mit fließenden Flüssigkeiten übertragen, und die Diskontinuitäten reflektieren die Ultraschallwelle mit einer leicht unterschiedlichen Frequenz, die direkt proportional zur Fließgeschwindigkeit der Flüssigkeit ist. Die derzeitige Technologie erfordert, dass die Flüssigkeit mindestens 100 Teile pro Million (PPM) suspendierte Partikel oder Blasen mit einer Größe von 100 Mikrometern oder mehr enthält.
Der Doppler-Ultraschall-Durchflussmesser arbeitet nach dem Prinzip des Doppler-Effekts, einem physikalischen Phänomen, bei dem sich die Frequenz einer Schallwelle ändert. Bei Ultraschall-Durchflussmessern ändert sich die Frequenz eines Ultraschallsignals (Doppler-Effekt) direkt proportional zur Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit, wenn es von bewegten Schwebeteilchen oder Gasblasen (Diskontinuitäten) reflektiert wird.
In der Regel besteht ein Ultraschall-Doppler-Durchflussmesser aus einem Transmitter/Anzeigegerät/Zählwerk und einem Wandler. Der Anwender wählt eine für die Anwendung geeignete Konfiguration aus – unter Berücksichtigung der Flüssigkeit, der Größe und Konzentration von Feststoffen oder Blasen, der Abmessungen des Rohres und der Rohrbeschichtung. Der Signalschwellenwert des Transmitters wird in der Regel so eingestellt, dass mechanische und elektrische Störgeräusche herausgefiltert werden.
Ein Hochfrequenzoszillator im Sender steuert den Wandler an, der bei der gängigen Clamp-On-Ausführung an der Außenseite des Rohrs angebracht wird. Der Wandler erzeugt ein Ultraschallsignal, das durch die Rohrwand in die strömende Flüssigkeit gelangt; der Transmitter wandelt die Differenz zwischen seiner Ausgangs- und Eingangsfrequenz in elektronische Impulse um. Die verarbeiteten, skalierten und summierten Impulse liefern einen Messwert für den Durchfluss.
Ultraschall-Doppler-Durchflussmesser, die an der Außenseite eines Rohrs befestigt werden, arbeiten nicht-invasiv und ohne bewegliche Teile. Sie verursachen keinen Druckabfall, sind nicht durch die Prozessflüssigkeit gefährdet und erfordern nur wenig Wartung. Bei korrekter Kalibrierung können sie eine Genauigkeit von ±1 % erreichen – allerdings können die Rohrwand und der Luftraum zwischen der Wand und der Flüssigkeit Signalstörungen verursachen. Darüber hinaus kann eine Rohrwand aus Edelstahl das gesendete Signal so stark leiten, dass das reflektierte Signal eine erhebliche Verschiebung zu erfahren scheint.
Laufzeit-Ultraschall-Durchflussmesser messen die Zeitdifferenz zwischen dem Zeitpunkt, zu dem ein Ultraschallsignal vom ersten Wandler gesendet wird, und dem Zeitpunkt, zu dem es vom zweiten Wandler empfangen wird. Es wird ein Differentialvergleich zwischen den Messungen stromaufwärts und stromabwärts durchgeführt. Wenn kein Durchfluss vorhanden ist, ist die Laufzeit in beide Richtungen gleich. Bei vorhandenem Durchfluss bewegt sich der Schall schneller, wenn er in die gleiche Richtung läuft, und langsamer, wenn er sich entgegen der Richtung bewegt.
Ein dritter Ultraschall-Durchflussmesser verwendet die Kreuzkorrelation zwischen stromaufwärts und stromabwärts gelegenen Wandlerpaaren, um den Durchfluss zu berechnen. Einige Durchflussmesser dieser Bauart verwenden Mikroprozessoren, um anhand von Korrelationsfaktoren automatisch zwischen den Modi „sauber” und „verschmutzt” umzuschalten. Ein einzelner Hybrid-Durchflussmesser mit Kreuzkorrelation könnte beispielsweise den Durchfluss von aktiviertem oder ausgefaultem Schlamm überwachen. Sorgfältig entwickelte Anwendungen mit solchen Durchflussmessern haben eine installierte Genauigkeit von innerhalb von 0,5 % des Messwerts erzielt.
Auswahl des richtigen Ultraschall-Durchflussmessers
Ultraschall-Durchflussmesser eignen sich auch ideal für Anwendungen, bei denen ein geringer Druckabfall und ein geringer Aufwand für die Wartung erforderlich sind. Ein Ultraschall-Doppler-Durchflussmesser ist ein volumetrischer Durchflussmesser, der sich ideal für belüftete Flüssigkeiten wie Abwasser oder Schlämme eignet. Laufzeit-Ultraschall-Durchflussmesser sind ideal für Anwendungen mit sauberen Flüssigkeiten wie Wasser und Öl.
Es gibt drei Haupttypen von Ultraschall-Durchflussmessern. Faktoren wie die Art der Ausgabe (analog oder digital), die Größe der Rohrleitung, die minimale und maximale Prozesstemperatur, der Druck und die Durchflussrate können Einfluss darauf haben, welcher Ultraschall-Durchflussmesser für Ihre Anwendung geeignet ist.
Varianten des Ultraschall-Designs
Clamp-on-Ultraschall-Durchflussmesser sind in Versionen mit einem oder zwei Sensoren erhältlich. Bei der Version mit einem Sensor sind der Sende- und der Empfangskristall in denselben Sensorkörper eingegossen, der an einer einzigen Stelle der Rohroberfläche festgeklemmt wird. Der Sensor wird mit einer Kupplungsmasse ultraschalltechnisch mit dem Rohr verbunden. Bei der Version mit zwei Sensoren befindet sich der Sendekristall in einem Sensorkörper und der Empfangskristall in einem anderen. Anklemmbare Doppler-Durchflussmesser unterliegen Störungen durch die Rohrwand selbst sowie durch den Luftraum zwischen dem Sensor und der Wand. Wenn die Rohrwand aus Edelstahl besteht, kann sie das Sendesignal so weit leiten, dass das zurückkommende Echo so stark verschoben wird, dass es die Messung stört. Außerdem gibt es in Kupfer-, betonausgekleideten, kunststoffausgekleideten und glasfaserverstärkten Rohren eingebaute akustische Diskontinuitäten. Diese sind so bedeutend, dass sie entweder das gesendete Signal vollständig streuen oder das Rücksignal dämpfen. Dies verringert die Genauigkeit des Durchflussmessers drastisch (auf nur ±20 %) und in den meisten Fällen funktionieren Clamp-On-Messgeräte überhaupt nicht, wenn das Rohr ausgekleidet ist.
So installieren Sie einen Ultraschall-Durchflussmesser
Sowohl Doppler- als auch Laufzeit-Durchflussmesser sind so konzipiert, dass sie an der Außenseite eines Rohrs befestigt werden können, ohne die Leitung zu unterbrechen oder den Durchfluss zu stören. Dadurch werden auch Druckverluste vermieden und Leckagen verhindert, die bei Inline-Durchflussmessern häufig auftreten.
Die Genauigkeit eines Ultraschall-Durchflussmessers hängt von der richtigen Montage ab. Große Temperaturschwankungen im Rohr oder starke Vibrationen können die Ausrichtung der Wandler und die akustische Kopplung an das Rohr beeinträchtigen. In den meisten Fällen funktionieren Ultraschall-Durchflussmesser überhaupt nicht, wenn das Rohr mit Materialien wie Kupfer, Beton, Kunststoff oder Glasfaser ausgekleidet ist. Diese Faktoren müssen bei der Installation berücksichtigt werden. Darüber hinaus erfordern alle Ultraschall-Durchflussmesser volle Rohre, um einen genauen Volumenstrom zu liefern.
Anwendungen von Ultraschall in der Industrie
Ultraschall-Durchflussmesser werden in einer Vielzahl von industriellen Anwendungen eingesetzt – und sind für viele Anwendungen ideal, da sie den Durchfluss mit Hilfe von Schall messen und nicht-invasiv sind. Ultraschall-Durchflussmesser werden vor allem in der Öl- und Gasindustrie eingesetzt. Sie kommen auch in der Chemie-, Pharma-, Lebensmittel- und Getränkeindustrie, in der Metallindustrie, im Bergbau, in der Zellstoff- und Papierindustrie sowie in der Abwasserindustrie zum Einsatz.
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