Ultraschall-Durchflussmesser

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 1319 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:

$\varphi _{f,g}(\tau )=\lim _{T\to \infty }{\frac {1}{T}}\int _{-T/2}^{T/2}f(t)\cdot g(t+\tau )\,\mathrm {d} t$

bzw. in digitalisierter Form berechnet:

$\varphi (\Delta T)={\frac {\displaystyle \sum _{i=1}^{N}f_{i}\cdot g_{i}(\Delta T)}{\sqrt {\displaystyle \left(\sum _{i=1}^{N}f_{i}^{2}\right)\left(\sum _{i=1}^{N}g_{i}^{2}\right)}}}={\frac {\displaystyle \sum _{i=1}^{N}f_{i}\cdot g_{i}(\Delta T)}{N^{2}}}$

mit

${\textstyle f={\text{erster digitaler Ultraschallpuls}}\qquad }$

$g={\text{zweiter digitaler Ultraschallpuls}}$

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

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

Laufzeitmessung

Die Berechnung der Fließgeschwindigkeit nach dem Laufzeitverfahren erfolgt nach folgender Gleichung:

$v={\frac {t_{2}-t_{1}}{t_{1}\cdot t_{2}}}\cdot {\frac {L}{2\cos \alpha }}$

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

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

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

Clamp-On-Sonden gibt es auch für die Durchflussmessung an Schläuchen. Auch diese Methode ist nicht-invasiv und kann wahlweise mit Blasendetektion kombiniert werden. Um eine optimale Messgenauigkeit zu erreichen, wird die Sonde in der Regel auf das spezifische Schlauch-Material kalibriert. Diese Clamp-On-Sonden werden vor allem auch im medizinischen Bereich verwendet. So wird beispielsweise beim Einsatz der Herz-Lungen-Maschine, die während der Operation am offenen Herzen die Funktion von Herz und Lunge übernimmt, der genaue Blutfluss im Schlauchsystem des extrakorporalen Kreislaufs ermittelt. Auch bei der ECMO-Anwendung (Extrakorporale Membranoxygenierung) wird der Blutfluss standardmäßig mit einem Clamp-On-Sensor überwacht, meist in Kombination mit Blasendetektion.

In-Line-Durchflussmesser

In-Line-Messstrecken

In-Line Durchflussmesser

Diese Bauform von Ultraschalldurchflussmessern wird in die Rohrleitung eingebaut. Die Geräte können im Werk kalibriert werden und erreichen daher eine bedeutend höhere Genauigkeit, welche auch im Feld erreichbar bleibt. Durch mehrpfadige Sensoranordnung kann die Genauigkeit weiter erhöht und die Beeinflussung durch ein asymmetrisches Durchflussprofil minimiert werden.

Die Messaufnehmer eignen sich für zahlreiche Aufgaben der Prozesssteuerung und Versorgungsanwendungen in nahezu allen Industriebranchen. Die Vorteile der Inlineausführung sind:

• kalibrierte Durchflussmessung für leitende und nichtleitende Flüssigkeiten, wie zum Beispiel Lösungsmittel und Kohlenwasserstoff;
• Diagnosefähigkeit und Datensicherung für eine erhöhte Prozessqualität;
• permanente Selbstüberwachung von Messumformer und Sensor;
• geringere Anforderungen an vorgelagerte Rohrleitungen bei der Bauform mit vier Strahlen nur noch Einlaufstrecken (Rohrdurchmesser ≤ 5) erforderlich;
• kein Druckverlust;
• wartungsfrei, keine beweglichen Teile.

Typische Anwendungen liegen im Bereich von Wasser und Abwasser, Energie und Wärme und im Bereich der Chemie.

In-Line-Einbaumessungen

In-Line-Einbaumessung

Neben der Bauform der In-Line-Messstrecken gibt es auch In-Line-Einbaumessungen, bei denen die Sensoren in existierende Rohrleitungen eingebaut werden. Vorteile hier sind die Nachrüstbarkeit und die einfache Wartungsmöglichkeit der Messungen. Solche Messungen bieten sich insbesondere bei größeren Rohrleitungen an, da In-Line-Messstrecken dann schwer herstellbar und untransportabel werden. Auch der Einsatz in offenen Gerinnen, Kanälen und Flüssen ist hiermit möglich, die Ultraschallwandler werden dann an der Gerinnewand montiert.

Anwendungen

• Turbinenabnahmemessungen in Wasserkraftwerken nach IEC 60041 oder ASME PTC 18
• Rohrbruchüberwachung an Speicherkraftwerken
• Kühlwassermessungen in thermischen Kraftwerken
• Zu- und Ablaufmessungen in Klärwerken nach EKVo
• Hydrologische Überwachung und Flutwellenprognosen in Flüssen und Bächen
• Überwachung von Bewässerungskanälen
• Überwachung von Entwässerungskanäle

Durchflussmesser für offene Gerinne und teilgefüllte Leitungen

Laufzeit-Durchflusssensoren in einer Mehrebenenanlage im teilgefüllten Kanal

Neben den oben beschriebenen Ultraschalldurchflussmessersystemen für gefüllte Leitungen existieren auch solche für teilgefüllte Leitungen und offene Gerinne. Diese arbeiten ebenfalls nach dem Laufzeitprinzip mit einem oder mehreren horizontalen Messpfaden. (LDM – Laufzeitdifferenz-Durchflussmessung) Die Ultraschall-Geschwindigkeitsmessung wird für solche Anwendungen mit einem Pegel- bzw. Füllstandsmessgerät und einer Auswerteeinheit kombiniert, die aus der Querschnittsform, den Abmaßnen und dem aktuellen Füllstand den durchströmten Querschnitt errechnet. Die Auswerteeinheit errechnet dann aus mittlerer Fließgeschwindigkeit und durchströmtem Querschnitt die Durchflussmenge.

Normen

Die Durchflussmessung im offenen Gerinne mit dem Ultraschall-Laufzeitverfahren ist in der ISO 6416 beschrieben. Bekannte Verfahren zur Errechnung des Durchflusses sind das Mid-Section und das Mean-Section-Verfahren.

Reflektoranlagen

Laufzeitdifferenzmessungen arbeiten, wie weiter oben beschrieben, immer mit paarweisen Sensoren (Schallwandlern). Das bedeutet, dass sich eine gleiche Anzahl von Sensoren auf beiden Seiten des Gerinnes bzw. Kanals befindet. Die Signalübertragungskabel der Wandler müssen in diesem Fall von einer Seite auf die andere Seite des Gerinnes gezogen werden, dorthin, wo sich das Auswerteegerät befindet. Bei Kanälen mit großer Dimension kann das unter Umständen sehr teuer und aufwendig werden, wenn z. B. keine Brücken vorhanden sind, ein reger Schiffverkehr herrscht oder die eine Seite des Kanals unzugänglich ist. In diesem Fall ist es möglich, dass die Schallwandler auf einer Seite des Kanals angebracht werden und auf der anderen Seite des Kanals ein passiver Reflektor, einer Art Spiegel, angebracht wird, da die Schallwandeln reflektiert und so eine komplette Durchschallung des Kanals gewährleistet.

Die gesamte Messstrecke beträgt in diesem Fall den Abstand zwischen Wandler 1 und dem Reflektor & Abstand Wandler 2 und dem Reflektor. Diese Anordnung entspricht nicht der symmetrisch gekreuzten Messstrecke und kann so Schrägströmungen nicht zuverlässig kompensieren. Ein weiterer Nachteil besteht in der schwierigen Ausrichtung, da nicht nur die Wandler in Bezug auf den Reflektor ausgerichtet werden müssen, sondern auch der Abstand der Wandler zueinander vom Einstrahlwinkel auf den Reflektor abhängt.

Responderanlagen

Responderanlagen benötigen wie auch die oben beschriebneen Reflektoranlagen keine Signalkabel, die durch den Kanal oder Fluss verlegt werden müssen. Im Unterschied zu Reflektoren ist ein Responder ein aktives Teilsystem auf der anderen Kanalseite, welches mit Energie versorgt werden muss.

Responderanlagen arbeiten nach folgender Reihenfolge: Wandler 1 erhält vom Messumformer ein elektrisches Signal und sendet ein Ultraschallsignal aus, welches Wandler 2 erreicht. Dieser leitet das Signal zur Responderelektronik weiter. Dieser erzeugt einen neuen Impuls, der von Wandler 3 ausgesendet und von Wandler 4 empfangen und an dem Messumformer weitergeleitet wird. Anschließend wird der gesamte Vorgang in die Gegenrichtung wiederholt.

Anwendungen

• Zulauf von Wasserkraftwerken
• Gewässerhydrologie / Flutwellenüberwachung in Flüssen und Bächen
• Stadthydrologie / Kanalnetzuntersuchungen
• Abwasserabgabe an Flüsse
• Kühlwasserentnahme von Kraftwerken

Vorteile

• genaue Messung über weite Spannen möglich;
• Anzeige des Durchflusses in Betriebseinheiten;
• unempfindlich gegen Druck- und Durchfluss-Schläge, Vibrationen; Schmutzpartikel im Gasstrom;
• für den eichpflichtigen Verkehr geeignet;
• Hochtemperatur-Ausführungen bis Messstofftemperaturen von 500 Grad Celsius je nach Hersteller und Bauform

Nachteile

Schallwellen sind Druckwellen, die aufgrund der Kompressibilität des Messstoffes mechanische Wellen erzeugen. Extrem hohe Viskosität dämpft diese Bewegung und damit die Ausbreitung der Schallwellen. Deswegen gibt es Grenzen für die Viskosität. In der Regel liegt diese Grenze weit über den in der Praxis auftretenden Werten, sie spielt nur in einer sehr geringen Zahl von Einzelfällen eine Rolle. Hohe Gasanteile führen zu einer erhöhten Kompressibilität des Messstoffes und zu extrem niedriger Schallgeschwindigkeit. Beide Effekte können zum Ausfall der Messung führen.

Nicht alle Messstoffe können gemessen werden:

• Gasblasen: Reflexionen / Dämpfung, max.: 1 Vol.-%
• Feststoffpartikel (Reflexionen) Richtwert: < 5 Vol.-%
• Viskosität (Dämpfung) Richtwert: max. 100 cP / DN [m]

Literatur

• Kaspers/Küfner Messen – Steuern – Regeln Elemente der Automatisierungstechnik; Vieweg+Teubner Verlag; ISBN 3-8348-0006-6
• DIN EN ISO 6416, Hydrometrie – Messung des Abflusses mit dem Ultraschallverfahren, Beuth Verlag Berlin

Weblinks

Commons: Ultraschall-Durchflussmesser – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

• 3D-Animation des Ultraschall-Durchfluss-Messprinzips