Durchflussmessung nach dem Laufzeitdifferenzverfahren

Messung per Ultraschall auf einen Blick

Die Ultraschalldurchflussmessung nach der Laufzeitdifferenzmethode ist ein seit Jahren etabliertes und bewährtes Messverfahren. Gemessen wird zunächst die mittlere Fließgeschwindigkeit (vm) Ihres Mediums. Zusammen mit dem gegebenen Leitungsquerschnitt (A) kann dann leicht und äußerst genau der Durchfluss (Q) nach der Formel Q = vm x A ermittelt werden. Die Berechnungsgrundlagen sind in international gültigen Normen wie der ISO6416 oder der ISO60041 festgehalten. Die nachfolgende Bilderstrecke führt Sie durch Grundlagen und Vorteile dieser Präzisionsmethode anhand einer Anwendung im offenen Kanal. Das Messprinzip lässt sich 1:1 auch auf jeden anderen Gerinnetyp (Rohrleitung, Fluss) übertragen.

Generierung der Ultraschallsignale

Die Ultraschallwandler wandeln nach dem piezoelektrischen Prinzip elektrische Spannungssignale in akustische Ultraschallsignale. Die Signaleinkopplung ins Medium erfolgt über eine auf die Signalfrequenz angepasste Membran. Eine akustische Anpassungsschicht im Gehäuse des Wandlers stellt dabei sicher, dass die Signalenergie in Richtung Medium und nicht in Richtung Gehäuse emittiert wird.

Wie können die Ultraschallwandler zur Durchflussbestimmung
verwendet werden?

Im einfachsten Fall werden zwei Ultraschallwandler unter einem Winkel von 15..75° an den beiden Ufern installiert und senden sich gegenseitig Ultraschallsignale zu. Die Ultraschallwandler arbeiten hierbei wechselseitig als Empfänger und Sender und bilden einen sogenannten akustischen Pfad. Die folgende Draufsicht soll das Messprinzip verdeutlichen.

Das Übertragungsverhalten der Signale kann man sich leicht an einem Beispiel aus dem Alltag verdeutlichen.

Das Durchschwimmen eines Flusses mit der Strömung geht deutlich schneller als gegen den Strom. Genauso verhält es sich mit den Ultraschallsignalen. Das Signal, das in Richtung der Abwärtsströmung geschickt wird hat eine kürzere Laufzeit als das Signal gegen die Strömung. Aus diese Differenz zwischen Hin- und Rücksignal kann nun die Fließgeschwindigkeit des Wassers in Installationshöhe der Wandler errechnet werden, die sogenannte Pfadgeschwindigkeit.

Mehrebenenmessung - hohe Genauigkeit bei unbekanntem Strömungsprofil

Zur Bestimmung des Durchflusses wird allerdings die mittlere Fließgeschwindigkeit des gesamten durchströmten Querschnitts benötigt. Grundsätzlich kann diese mittlere Fließgeschwindigkeit mittels Kalibrierfaktoren auch aus einer einzelnen Pfadgeschwindigkeit ermittelt werden. Problem hierbei: Die Kalibrierfaktoren sind nur auf eine (theoretische) Strömungssituation angepasst. In der Praxis kann sich diese Strömungssituation aber z.B. durch Rückstau, Wandreibung oder Wind und Wellen stark ändern. Dadurch verschlechtert sich dann die Messgenauigkeit - übrigens ist dies ein generelles Problem von Einebenenmessungen.

Um auch bei unbekannten und gestörten Strömungsprofilen genaue Messungen zu ermöglichen, wird der Einbau von mehreren akustischen Pfaden empfohlen. Im Bild oben sehen Sie eine 4-Pfadinstallation. Die Bestimmung der mittleren Fließgeschwindigkeit mittels der einzelnen Pfadgeschwindigkeiten ist in der ISO 6416 (teilgefüllte Leitungen) bzw. der ISO 60041 (gefüllte Leitungen) bestimmt. Grundsätzlich gilt: Je mehr Messpfade, desto besser auch die Genauigkeit. Im offenen Gerinne sind Genauigkeiten von bis zu 1%, in gefüllten Leitungen sogar bis zu 0.5% möglich.

Im obenstehenden Bild sehen Sie eine mögliche Anordnung der Ultraschallwandler im offenen Kanal.

Die Ultraschallwandler können dabei entweder direkt auf der Kanaloberfläche montiert werden, oder über Montageschienen vom Ufer aus eingebracht werden. Vorteil: Die Wandler können somit in den allermeisten Fällen ohne Prozessunterbrechung eingebaut oder zu Revisionsarbeiten demontiert werden. deltawave ist aber weitgehend unabhängig von der Kanalgeometrie und steht Ihnen beispielsweise auch für Trapez-, Oval- oder Haubenprofile zur Verfügung.

Unter der Rubrik Applikationsbeispiele sehen Sie eine Auswahl bewährter Montagelösungen aus der Praxis.

Einbauten oder Kurven vor und nach der Messstelle können zu sogenannten Schrägströmungen führen. Das bedeutet, dass die Fließrichtung nicht mehr ausschließlich parallel zum Ufer verläuft, sondern auch “schräge” Anteile enthält. Dadurch wird, je nach Ausmaß, bei den allermeisten Messsystemen die Genauigkeit zum Teil drastisch verschlechtert.

Gerade bei größeren Gerinnedimensionen können die deswegen häufig geforderten geraden Ein- und Auslaufstrecken im Bereich von 10D aber nicht eingehalten werden. Mit deltawave müssen Sie aber auch unter diesen ungünstigen Bedingungen nicht auf Präzision verzichten. Durch die Anordnung von einem zusätzlichen Pfad in jeder Messebenen (“Überkreuzinstallation”, siehe Schemazeichnung) wird der negative Effekt der Schrägströmungen kompensiert und dadurch auch bei beengten Verhältnissen eine hoch genaue Messung ermöglicht.

Laufzeitdifferenzverfahren - Übersicht