Ultraschalldurchflussmessung

Die Ultraschalldurchflussmessung bezeichnet ein Verfahren um die Geschwindigkeit eines strömenden Mediums mit Hilfe akustischer Wellen zu ermitteln. Die Ultraschalldurchflussmessung arbeitet nach dem Prinzip der Impuls-Laufzeitmessung. Die Messeinrichtung besteht im Wesentlichen aus einem Ultraschallsensor, einem Transmitter und einem Messumformer. Die Messung der Strömungsgeschwindigkeit dient meist zur Bestimmung des Volumenstroms. Dazu muss zusätzlich zur Strömungsgeschwindigkeit auch die Strömungsquerschnittsfläche bekannt sein. In vollgefüllten Leitungen ist dies die Rohrleitungsquerschnittsfläche. Die Rohrquerschnittsfläche lässt sich als statischer Wert einfach aus der Nennweite der Rohrleitung berechnen. In teilgefüllten Rohren muss zusätzlich die Füllhöhe bestimmt werden, um den Volumenstrom berechnen zu können. Soll eine Wärmeleistung gemessen werden müssen neben dem Volumenstrom auch die Systemtemperaturen über Temperaturfühler erfasst werden.

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. Ultraschalldurchflussmessung kann auch im laufenden Betrieb installiert werden, da kein Eingriff in die Rohrleitung notwendig ist.

Für die akustische Strömungsmessung mittels Ultraschall kommen im wesentlichen zwei Messprinzipien zum Einsatz: Das Ultraschall-Doppler-Verfahren und Ultraschall-Laufzeit-Verfahren. Für das Ultraschall-Laufzeit-Verfahren muss das Medium möglichst homogen und nur mit geringem Feststoffanteil belegt sein. Es wird die Zeit die das Signal beim Durchqueren des Fluids benötigt wird in Strömungsrichtung und gegen die Strömungsrichtung gemessen. Aus der Differenz berechnet sich die Strömungsgeschwindigkeit. Die Laufzeiten werden kontinuierlich gemessen. Die Laufzeitdifferenz der beiden Ultraschallwellen ist somit direkt proportional zur mittleren Fließgeschwindigkeit. 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. Bei der Doppler-Ultraschallmessung wird die Frequenzverschiebung des ausgesendeten Signales aufgrund der Fließgeschwindigkeit der Partikel im Medium erfasst. Hierzu werden im Medium Reflexionspunkte benötigt. Reflexionspunkte können z. B. Verschmutzung oder Luftbläschen sein.

Weitere Verfahren sind das Stroboskop-Messverfahren und das Driftverfahren. Das Stroboskop-Messverfahren ist ähnlich dem Dopplerverfahren mit reflektierten Schallsignalen von bewegten Partikeln. Beim Stroboskop-Messverfahren wird 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. 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.

Synonym(e):

Ultraschall-Durchflussmessung, USD, UDM, akustische Durchflussmessung

Englische Übersetzung(en):

ultrasonic flow measurement