Laufzeitdifferenzverfahren

Ultraschall-Messinstrumente (Ultrasonic Flow Meters) auf der Basis des Laufzeitdifferenzverfahrens (auch als Transit Time oder Time of Flight Verfahren bezeichnet; beschrieben in den Normen: ISO 6416:2004, DIN EN ISO 6416:2005, BS 8452:2005 - BS = British Standard) machen sich den durch ein strömendes Medium verursachten Mitführ-Effekt von Schallwellen in einem Fluid (übergeordneter Begriff für Flüssigkeiten und Gase) zu Nutze. Durch den Mitführ-Effekt wird die effektive Schallausbreitungsgeschwindigkeit im Fluid richtungsabhängig (mit oder gegen den Strom) beeinflußt. (Wer schon einmal in einem fließenden Gewässer gegen und mit dem Strom geschwommen ist, wird sich leicht vorstellen können, wie das zu verstehen ist.)

(Rechts oben im Bild sehen Sie die schematische dargestellte Anordnung einer Sensorinstallation gemäß der Z-Methode des Laufzeitdifferenzverfahrens. Hier an einer geschlossenen Rohrleitung dargestellt.)

Durchflussmessungen mit Hilfe des Ultraschall Laufzeitdifferenzverfahrens werden schon seit Jahren sehr erfolgreich durchgeführt. Gemessen wird beim Laufzeitdifferenzverfahren keinesfalls die mittlere Fließgeschwindigkeit / Strömungsgeschwindigkeit / Durchflussgeschwindigkeit eines Mediums, wie häufig fehlerhaft vermittelt wird, sondern die effektive Schallausbreitungsgeschwindigkeit stromaufwärts (durch die Strömung gebremst) und stromabwärts (durch die Strömung beschleunigt). Aus der als bekannt vorausgesetzten temperaturabhängigen Schallausbreitungsgeschwindigkeit innerhalb eines ruhenden Fluids und den gemessenen effektiven Schallausbreitungsgeschwindigkeiten stromaufwärts und stromabwärts, wird die mittlere Strömungsgeschwindigkeit des Fluids (Flüssigkeit oder Gas) berechnet.

Ultraschall-Signalgenerierung mit Hilfe von Piezokristallen (Umwandlung elektrischen Stroms in akustische Wellen, et vice versa)

Die Ultraschall-Signalgenerierung erfolgt durch in die Ultraschall-Sensoren (Messaufnehmer) integrierten Piezokristalle, die auf eine anliegende elektrische Spannung reagieren oder auf Ultraschallwellen. Liegt eine elektrische Spannung an, so dehnt sich das Kristallgitter aus und gibt einen Ton von sich. Treffen auf das Kristallgitter des Piezokristalls hingegen Ultraschallwellen, zieht es sich zusammen und erzeugt einen kleinen elektrischen Strom. Von der Beschaffenheit und Flexibilität des Kristallgitters hängt es daher ab, was es an Tönen wahrzunehmen oder zu erzeugen in der Lage ist. Piezokristalle, die auf dieser Grundlage entwickelt worden sind, sind daher sowohl als Sender wie auch als Empfänger nutzbar.

Komponenten eines Ultraschall-Durchflussmessgerätes

Für die Ermittlung einer Laufzeitdifferenz durch den Transmitter (engl. transducer, dt. Wandler u. auch Messumformer), der die Größen der Sensoren (hier elektr. Strom) in andere Werte wandelt und weiterverarbeitet, das ergibt sich schon aus dem Begriff Laufzeitdifferenzverfahren, sind mindestens 2 versetzt installierte Ultraschall-Sensoren - die Piezokristalle beinhalten - nötig, die abwechselnd jeweils als Sender und Empfänger arbeiten und so einen stromaufwärts- und stromabwärts gerichteten akustischen Pfad bilden.

Ein Ultraschall-Durchflussmessgerät nach dem Laufzeitdifferenzverfahren besteht daher aus mindestens zwei Ultraschall-Sensoren (Messaufnehmern) und einem Transmitter (Messumformer).

Schallausbreitungsgeschwindigkeiten in ruhenden Flüssigkeiten

Die Schallausbreitungsgeschwindigkeit c in einer ruhenden Flüssigkeit kann über Dichte p und Kompressionsmodul K der Flüssigkeit bestimmt werden. In den Messinstrumenten sind in der Regel eine Reihe von Schallausbreitungsgeschwindigkeiten ruhender Flüssigkeiten gespeichert, aus denen das entsprechende Medium vor der Messung selektiert wird. Falls eine solche Selektion nicht möglich ist, wird die Schallausbreitungsgeschwindigkeit des Mediums (bei gegebener Temperatur) eingegeben.

c = √ K ⁄ p

c ist temperaturabhängig, daher erfolgt im Allgemeinen eine zusätzliche Temperaturmessung oder Temperatureingabe, in Verbindung mit einer entsprechenden Korrekturrechnung, die die Laufzeitdifferenzmessinstrumente durchführen.

Bestimmung der effektiven Schallausbreitungsgeschwindigkeit (stromauf- und stromabwärts)

Die effektive Schallausbreitungsgeschwindigkeit in einem strömenden / fließenden Medium kann bestimmt werden (über die als bekannt vorausgesetzte Schallausbreitungsgeschwindigkeit in einem ruhenden Medium), wenn einmal der Winkel bekannt ist, mit dem die akustische Schallquelle auf das Medium trifft und auch die Richtung (stromabwärts, stromaufwärts) bekannt ist. (Was von Laufzeitdifferenzmessinstrumenten gemessen wird und was hingegen berechnet wird, ist also kein Geheimnis.)

Die Ausbreitung des Schalls wird durch das strömende Medium richtungsabhängig gebremst (stromaufwärts) oder beschleunigt (stromabwärts). Dieser Effekt wird durch das Laufzeitdifferenzverfahren genutzt. Hierzu werden zwei Ultraschall-Sensoren an der Außenwand der Rohrleitung versetzt befestigt oder innerhalb eines Offenen Gerinnes (Kanal, Bach, Fluss, teilgefüllte Rohrleitung, usw.) versetzt installiert. (Von den Messinstrumenten werden in der Regel verschiedene Installationsmethoden unterstützt: V-Methode, W-Methode, Z-Methode, usw.)

In Laufzeitdifferenzmessgeräten werden von den Ultraschall-Sensoren jeweils nacheinander Ultraschall-Pulse stromauf- und stromabwärts gesendet und die unterschiedlichen Laufzeiten zwischen Sender und Empfänger gemessen. Die Vektoren der Schallausbreitungsgeschwindigkeiten addieren sich jeweils zur Geschwindigkeit des Fluids. Der stromabwärts gerichtete Schall erreicht den Empfänger in kürzerer Laufzeit als der stromaufwärts gesendete Schall. Die Differenz dieser Laufzeiten verhält sich proportional zur mittleren Strömungsgeschwindigkeit.

Erhalten beide Ultraschall-Sensoren die gesendeten Ultraschall-Pulse zur gleichen Zeit - dann gibt es keine Laufzeitdifferenz - liegt keine Strömung vor.

Zur Berechnung der mittleren Strömungsgeschwindigkeit werden also die Werte:

c = Schallausbreitungsgeschwindigkeit der ruhenden Flüssigkeit
(ist durch Medium und Umgebungsbedingungen definiert)

c1= effektive Schallausbreitungsgeschwindigkeit stromabwärts
(wird durch Laufzeitdifferenzmessinstrumente gemessen)

c2= effektive Schallausbreitungsgeschwindigkeit stromaufwärts
(wird durch Laufzeitdifferenzmessinstrumente gemessen)

benötigt.

Strömungsgeschwindigkeit und Querschnittsfläche der Rohrleitung oder des Offenen Gerinnes bestimmen den Volumenstrom

Laufzeitdifferenzmessungen mit Ultraschallmessgeräten ermöglichen über die Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit die Ermittlung des Volumenstroms von sauberen und leicht verschmutzten Flüsigkeiten.

Ist die Querschnittsfläche eines Gerinnes, bzw. einer Rohrleitung bekannt, ist es möglich, an Hand der errechneten mittleren Strömungsgeschwindigkeit und der Querschnittsfläche, den Volumenfluss zu bestimmen. Ist die spezifische Dichte des Mediums bekannt, kann die transportierte Masse berechnet werden.

Die Durchflussmenge, besser der Volumenstrom V (m³/s) ergibt sich aus der Multiplikation von c (mittlere Strömungsgeschwindigkeit in m/s) * A (Querschnittsfläche in m²). Kurz:

V = c * A.

Laufzeitdifferenzverfahren und "Saubere" sowie sogenannte "Schwierige" Flüssigkeiten

Generell gilt, dass das Laufzeitdifferenzverfahren in Verbindung mit allen Gerinnetypen und sauberen bis sehr wenig mit Gasblasen und Partikeln belasteten Flüssigkeiten verwendet werden kann, nicht aber bei stärker mit Gasblasen und Partikel belasteten Flüssigkeiten. Die entsprechenden Grenzwerte entnimmt man am besten der Messinstrumentdokumentation.

Sind die Instrumente meist optional mit Temperaturfühlern ausgestattet, lassen sich Temperatur und in der Regel auch Wärmemengen berechnen.

Genauigkeit des Laufzeitdifferenzverfahrens in Verbindung mit etwaigen turbulenten Strömungsprofilen Offener Gerinne

In Offenen Gerinnen mit turbulenten Strömungsprofilen findet sehr häufig eine stärkere Durchmischung der Flüssigkeit mit Gasen (Luft) und auch Partikeln statt. Ist der Gas- und Partikelanteil zu hoch, lassen sich Laufzeitdifferenzdurchflussmessinstrumente nicht mehr sinnvoll einsetzen. Auch hier verfügen die Hersteller sicher über Erfahrungswerte, bzw. über bereits festgelegte und dokumentierte Grenzwerte.