Das Prinzip der Ultraschall-Durchflussmessung

Tagtäglich werden in Rohleitungen die unterschiedlichsten Stoffe transportiert und verteilt.
Dies können beispielsweise Lösungsmittel und Chemikalien, Pflanzenöle im Lebensmittelbereich, Kühlwasser in der Grundstoffindustrie oder petrochemische Erzeugnisse sein.
Die durch die Rohre strömenden Medien haben oft völlig unterschiedliche Eigenschaften. Um sie zu messen, werden deshalb unterschiedliche Prinzipien benötigt.
Ein Prinzip ist die Durchflussmessung nach dem Laufzeitdifferenzverfahren mittels Ultraschall.
Die physikalischen Grundlagen dieses Prinzips gehen auf den englischen Physiker und Nobelpreisträger Lord Rayleigh zurück.
In seinem Buch „The Theory of Sound“ – veröffentlicht 1877 – beschreibt er die Ausbreitung von Schallwellen in Festkörpern und Gasen.

Dieses Messverfahren funktioniert folgendermaßen:
In einem Ultraschall-Durchflussmessgerät werden Sensorpaare einander gegenüberliegend im Messrohr angeordnet.
Jeder einzelne Sensor kann ein Ultraschallsignal abwechselnd senden und empfangen. Gleichzeitig werden die Laufzeiten dieser Signale gemessen.
Die Ultraschallsignale werden mit piezoelektrischen Kristallen durch Anlegen einer Spannung erzeugt. Umgekehrt erzeugt ein piezoelektrischer Kristall eine Spannung, wenn ein Ultraschallsignal auf den Sensor trifft.
Durch die Erhöhung der Anzahl von Sensorpaaren ist es möglich, Störungen im Strömungsprofil über den gesamten Rohrquerschnitt genau zu erkennen und rechnerisch zu eliminieren.

Erfolgt kein Durchfluss, so ist die Laufzeit der Ultraschallsignale zunächst identisch – sowohl stromaufwärts als auch stromabwärts.
Sobald die Flüssigkeit im Messrohr zu fließen beginnt, werden die Ultraschallsignale in Strömungsrichtung beschleunigt und gegen die Strömungsrichtung verlangsamt.
Die Ultraschallsignale haben dadurch unterschiedliche Laufzeiten – mit dem Strom benötigen sie weniger Zeit, gegen den Strom mehr.
Die von den Sensoren gemessene Laufzeitdifferenz ist deshalb direkt proportional zur Fließgeschwindigkeit im Rohr.
Zusammen mit dem bekannten Rohrquerschnitt lässt sich das eigentliche Durchflussvolumen berechen.
Je größer die Durchflussgeschwindigkeit, desto größer ist die gemessene Laufzeitdifferenz zwischen den zwei Ultraschallsignalen.

Für die Durchflussmessung mittels Ultraschall brauchen die Sensoren nicht in die Rohrwand eingebaut zu werden.
Bei einer Clamp-on-Ausführung werden die Sensoren beispielsweise direkt an der Außenseite der Rohrleitung aufgeschnallt. Das bedeutet, dass sie ohne Unterbrechung des Prozesses jederzeit nachgerüstet werden können.
Bei Clamp-on-Sensoren wird das Ultraschallsignal direkt durch die Rohrwand und in das zu messende Medium geleitet. Das Signal wandert weiter durch das Medium, wird an der gegenüberliegenden Rohrwand reflektiert und dann vom zweiten Sensor gemessen – in diesem Beispiel in einer Installation mit zwei Traversen.
Einzigartig ist, dass mit dem Clamp-on-Design auch Durchflussströme in sehr großen Rohren von bis zu 4 Meter Durchmesser gemessen werden können. Dadurch eröffnen sich weitere Einsatzmöglichkeiten, beispielsweise in der Wasserindustrie oder in Wasserkraftwerken.

Flexible Montage, Prozesssicherheit und Kosteneffektivität sind die überzeugenden Vorzüge, durch die sich die Ultraschall-Durchflussmessung auszeichnet.
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