Ultraschall Durchflussmessprinzip

Dieses Verfahren wird zur Messung von Flüssigkeiten und Gasen verwendet und nutzt die Tatsache, dass die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Schallwellen in einer Flüssigkeit direkt von der Geschwindigkeit dieser Flüssigkeit beeinflusst wird. Einfach ausgedrückt erfordert das Schwimmen gegen den Strom mehr Kraft und Zeit als das Schwimmen mit dem Strom. Die Ultraschall-Durchflussmessung unter Ausnutzung des Laufzeitdifferenzeffekts basiert auf dieser einfachen physikalischen Tatsache (siehe Abbildung 1).

Bei diesem Verfahren arbeiten die Sensoren paarweise. Ein oder mehrere Sensorpaare werden am Rohr angebracht und senden und empfangen nacheinander Ultraschallimpulse (in der folgenden Abbildung mit den Signalen t₁ und t₂ gekennzeichnet). Bei „Nullfluss“ ist Signal t₁ ähnlich wie t₂, d. h. ohne Laufzeitverzögerung. Bei einer fließenden Flüssigkeit benötigen die Ultraschallwellen jedoch durchflussabhängig unterschiedlich lange, um den anderen Sensor zu erreichen. Daraus ergibt sich eine Laufzeit (t₂- t₁). Wenn der Abstand zwischen den beiden Sensoren bekannt ist, ist die gemessene Laufzeitdifferenz direkt proportional zur Strömungsgeschwindigkeit. Beide Sensoren sind mit einem Messumformer verbunden. Der Messumformer regt die Sensoren zur Erzeugung von Schallwellen an und misst die Laufzeit dieser Wellen, die sich von einem Sensor zum anderen ausbreiten:

Ein Doppler-Durchflussmesser nutzt den Dopplereffekt (manchmal auch als Dopplerverschiebung bezeichnet), um den Durchfluss zu messen. Dieses physikalische Phänomen ist uns allen aus dem Alltag bekannt. Es handelt sich um die Reflexion von Schallwellen von sich bewegenden Objekten. Die Tonfrequenz einer Krankenwagensirene beispielsweise fällt deutlich ab, sobald sie vorbeigefahren ist. Eine Dopplerverschiebung ist also eine Zunahme (oder Abnahme) der Frequenz von Schallwellen, wenn der Abstand zwischen Schallquelle und Empfänger zunimmt oder abnimmt.

Dopplermessgeräte funktionieren nur, wenn eine Flüssigkeit Partikel, Gasblasen oder Ähnliches enthält, die die eingespeisten Schallwellen reflektieren. Ein Dopplermessgerät benötigt einen Sensor, der sowohl als Sender als auch als Empfänger fungiert (Abbildung 2).

Neben dem Doppler- und dem Laufzeitdifferenzverfahren kann der Durchfluss auch mithilfe eines Kreuzkorrelationsverfahrens gemessen werden. Bei diesem Verfahren wird der Durchfluss gemessen, indem an einem Messpunkt die Passage einer Störung oder eines Strömungsprofilmusters im Durchfluss erfasst wird und ermittelt wird, wie viel Zeit (Durchlaufzeit) diese Störung benötigt, um zum nächsten Messpunkt zu gelangen. Der Abstand der beiden Messpunkte (Δx) ist bekannt und die Laufzeit wird gemessen. Auf dieser Grundlage lässt sich die Strömungsgeschwindigkeit und der Volumenstrom berechnen.

Dieses Verfahren kann für Messungen mit sehr hohen Strömungsgeschwindigkeiten und/oder hohen Anteilen an mitgeführten Gasblasen oder Partikeln verwendet werden. Es benötigt eine leistungsstarke Signalverarbeitung und Hardware, um die vielen erforderlichen Berechnungen und Vergleiche von Störungen und/oder Mustern zu verarbeiten.