Ultraschall-Durchflussmesser

Funktionsprinzip

Vom Grundprinzip her greift das Gerät auf die Frequenzverschiebung (Doppler-Effekt) eines von bewegten Gasblasen oder Schwebeteilchen (Diskontinuitäten) reflektierten Ultraschallsignals zurück. Diese Messtechnik nutzt das bei der Reflektion von Schallwellen auftretende physikalische Phänomen einer Frequenzänderung aus, die bei der Reflektion von in einer fließenden Flüssigkeit vorhandenen bewegten Diskontinuitäten entsteht.

Ultraschall-Dopplerdurchflusssensor

Durch ein von Flüssigkeit durchströmtes Rohr wird Ultraschall geleitet. Die in der Flüssigkeit enthaltenen Diskontinuitäten reflektieren die Ultraschallwellen mit einer zur Ausgangsfrequenz leicht unterschiedlichen Frequenz. Dieser Frequenzunterschied ist direkt proportional zum Volumenstrom der Messflüssigkeit (Abbildung 1). Der derzeitige Stand der Technik erfordert einen Mindestanteil von 100 ppm für Bläschen oder Schwebepartikel, die mindestens 100 µm groß sind.

Auswählen eines geeigneten Ultraschall-Durchflussmessers

Wesentliche Fragen, die bei der Auswahl eines Ultraschall-Durchflussmessers bzw. Dopplerdurchflussmessers zu beantworten sind:

• Beträgt der Mindestanteil der in der Flüssigkeit enthaltenen Partikel, die mindestens 100 µm groß sind, 100 ppm?
• Wird ein tragbares Messgerät oder eine kontinuierliche Prozessüberwachung benötigt?
• Wird ein analoger Messausgang benötigt?
• Wie hoch sind der minimale und maximale vom Durchflussmesser zu erfassende Durchfluss?
• Wie hoch sind die minimale und maximale Prozesstemperatur?
• Wie hoch sind der minimale und maximale Prozessdruck?
• Wie groß ist die Rohrleitung?
• Ist die Rohrleitung kontinuierlich gefüllt?

Unterschiedliche Ausführungen

Clamp-On-Ultraschall-Durchflussmesser stehen in Einzel- bzw. Dual-Sensortechnik zur Verfügung. In der Einzelsensor-Ausführung befinden sich die Sende- und Empfängerkristalle im selben Sensorgehäuse. Das Sensorgehäuse wird an einer bestimmten Stelle auf die Rohrleitungsoberfläche aufgeklemmt. Zwischen Sensor und Rohrleitung muss ein Kontaktmedium aufgetragen werden, das für eine Übertragung der Ultraschallwellen sorgt. In der Dual-Sensorausführung sind Sende- und Empfängerkristall getrennt voneinander in zwei Sensorgehäusen untergebracht. Clamp-On-Dopplerdurchflussmesser sind neben den von der Rohrwandung selbst ausgehenden Interferenzen auch den Störeinflüssen der zwischen Sensor und Rohrwandung befindlichen Luft unterworfen. Rohrwandungen aus Edelstahl können das Sendesignal so weit leiten, dass sich eine die Messung beeinträchtigende Verschiebung des Echosignals ergibt. Solche Verfälschungseffekte können auch durch die akustischen Diskontinuitäten von Kupferrohren oder beton- sowie kunststoffbeschichteten und glasfaserverstärkten Rohrleitungen auftreten. Ihr Einfluss ist so groß, dass entweder das Sendesignal vollständig zerstreut oder das Echosignal abgeschwächt wird. Hierdurch wird die Genauigkeit des Durchflussmessers auf nur noch ± 20 % herabgesetzt. Für innenbeschichtete Rohrleitungen sind Clamp-On-Durchflussmesser bis auf wenige Ausnahmefälle ungeeignet.

Ultraschall-Durchflussmesser mit Summierung
Die Ultraschall-Durchflussmesser dieser Serie eignen sich für Anwendungen mit Flüssigkeiten, die einen Mindestanteil von 100 ppm an Bläschen oder Partikeln mit einer Größe von mindestens 100 µm aufweisen. Sie erfordern Rohrdimensionen zwischen 6,5 mm und 3.000 mm (1/4" und 120"). Diese Durchflussmesser werden für Strömungsgeschwindigkeiten zwischen 0,03 m/s und 9,1 m/s (0,1 und 30 ft/s) verwendet. Die Serie FD-400 ist optional mit einem Display erhältlich, verfügt über einen Analogausgang 4 bis 20 mA, über Ausgangsrelais und optionale 12-V-Impulsausgänge. Die Ultraschall-Durchflussmesser der Serie FD-400 werden dort eingesetzt, wo kein Sensoreinbau im Prozess möglich ist. Standardmodelle und erweiterte Versionen sind für partikel- oder luftblasenhaltige Flüssigkeiten verfügbar. Erhältlich in berührungsloser Ausführung mit fest einstellbarer Position. Die Modelle der Serie FD-400 sind die ideale Lösung für Dopplerdurchflussmessungen. Sie sind bestens geeignet für die Messung von in vollständig gefüllten Rohren fließenden Flüssigkeiten, die entweder Gasbläschen oder einen Partikelgehalt von mindestens 100 ppm (Partikelgröße mind. 100 µm) enthalten: Diese dienen als Schallreflektoren und sind für den Messbetrieb unerlässlich. Ideale Einsatzgebiete sind u. a.: Durchflussmessung von Schmutzwasser, Abwasser, Primärschlamm, Belebtschlamm, Rücklaufschlamm, Überschussschlamm, Flüssigschlamm, Rohöl, Kalkschlamm sowie Phosphate und Zellstoff.

Tragbarer Ultraschall-Durchflussmesser
Die Ultraschall-Durchflussmesser der Serie FD610 sind mit einer erweiterten Phasenübergangs-Messtechnik ausgestattet, die eine präzise und zuverlässige Messung der Strömungsgeschwindigkeit in geschlossenen Leitungssystemen ermöglicht. Die FD610-Serie ist mit einem beschädigungsfrei montierbaren Klemmsensor ausgestattet, der auf die Außenseite einer Rohrleitung aufgeklemmt wird. Das 18 mm große LCD-Display liefert innerhalb nur weniger Sekunden stabile Durchflusswerte in den Einheiten m/s bzw. ft/s. Das Gerät misst in Metall- bzw. Kunststoffrohren fließende Flüssigkeiten, die entweder Gasbläschen oder einen Partikelgehalt von mindestens 100 ppm (Partikelgröße mind. 100 µm) enthalten.

Kombiniertes Ultraschall-Durchflussmessgerät
Das Dopplerverfahren wird verwendet zur Messung der Durchflussrate von Flüssigkeiten, die Partikel oder Bläschen enthalten. Das Laufzeitverfahren wird bei reinen Flüssigkeiten eingesetzt. Die Serie FDH-1 von OMEGA bietet in einem Gerät die Wahlmöglichkeit zwischen dem Doppler- und dem Laufzeitverfahren. Im Lieferumfang enthalten sind ein galvanisch getrennter Analogausgang, ein Frequenzausgang und die Möglichkeit der Datenaufzeichnung auf SD-Karte. Das FDH-1 ist mit einer menügeführten Programmierschnittstelle mit 5 Tasten und einem QVGA-LCD-Display ausgestattet.