Ultraschall-Durchflussmessungen mit Hilfe des Doppler-Effekts

Doppler-Durchflussmessgeräte messen den Durchfluss in gefüllten Rohrleitungen mit Hilfe eines außen an der Rohrleitung befestigten Sensors. In teilgefüllten Rohrleitungen wird der Sensor des Durchflussmessers auf dem Boden der Rohrleitung befestigt. Doppler-Messgeräte senden zwecks Ermittlung der Strömungsgeschwindigkeit Ultraschall hoher Frequenz (640 kHz) aus, der von Blasen oder Teilchen in der Flüssigkeit reflektiert wird. Falls die Flüssigkeit in Bewegung ist, ist die empfangene Frequenz, des ursprünglichen gesendeten Ultraschallsignals, proportional zur Durchflussgeschwindigkeit geändert. Doppler-Durchflussmesser messen diese Frequenzänderung fortlaufend, berechnen die Strömungsgeschwindigkeit und ermitteln hieraus unter Berücksichtigung der eingegebenen Rohrleitungsparameter den Durchfluss.

Es werden cw-Doppler (continouos-wave Doppler) und pw-Doppler (pulsed-wave Doppler) unterschieden. Der pw-Doppler ist Sender und Empfänger. Er kommt daher mit einem Piezokristall aus. Wenn das Piezokristall ein Ultraschallsignal ausgesendet hat, wird es auf Empfang gestellt. Ein cw-Doppler benötigt hingegen zwei Piezokristalle, von denen einer auf Empfang und der andere auf Senden eingestellt ist.

Der Doppler-Effekt wurde zuerst 1842 von dem Physiker Christian Doppler aus Österreich dokumentiert. Wir alle kennen diesen Effekt aus unserer eigenen Erfahrung. Beispiele sind näherkommende oder sich entfernende Fahrzeuggeräusche.

Die Ultraschall-Doppler-Technik funktioniert nur in Kombination mit Flüssigkeiten, welche Teilchen oder Gasblasen beinhalten (Reflektionsobjekte). Diese "schwierigen" Flüssigkeiten können andere fest eingebaute Messgeräte durch: Schlamm, Abwasser, Flüssigkeiten mit hoher Viskosität, korrosive Chemikalien und auch Flüssigkeiten belastet mit abrasiven Stoffen funktionslos machen, wenn sie überhaupt in der Lage sind, unter diesen erschwerten Bedingungen noch brauchbare Messergebnisse zu liefern.

Grundsätzlich gilt: Für saubere möglichst unbelastete Flüssigkeiten sind Laufzeitdifferenzmessgeräte zu verwenden, für schwierige belastete Flüssigkeiten hingegen sind Dopplermessgeräte zu verwenden.

Der Doppler-Sensor wird in gefüllten Rohrleitungssystemen außen montiert; daher findet auch keine Beeinflussung der Druckverhältnisse und des Durchflusses statt. In teilgefüllten Rohrleitungssystemen, sogenannten Offenen Gerinnen, wird er auf dem Grund des Systems befestigt.

Beste Messergebnisse werden erreicht, wenn der Doppler-Sensor, nicht in der Nähe von Geräten, die Turbulenzen erzeugen und auch nicht in der Nähe von Geräten, die die Geschwindigkeit beeinflussen (Rohrleitungsbögen, Stutzen, Ventile, Pumpen), an der Rohrleitung befestigt wird.

Die Genauigkeit der ermittelten Messergebnisse sind mit einer Abweichung von etwa ±2% des tatsächlichen Wertes zu beurteilen.

Jedes Doppler-Messinstrument wird mit einem sogenannten "Strap-On-Sensor", Kabel und Gehäuse geliefert. Die Geräte selber können an einem passenden Ort, optional bis 152m vom Sensor entfernt, montiert werden.

Die Sensoren können auch, durch optional erhältliche Zusatzausrüstung, nach amerikanischer Norm, durch Einbau von Stahl-Barrieren, in explosionsgefährdeten Bereichen eingesetzt werden.