GRX-Q - Ultraschall Strömungsmessung

Bei dem Verfahren werden über die außen am Rohr angebrachten Messsonden abwechselnd Ultraschallsignale hin und her gesendet. Bei ruhenden Medien breitet sich das Signal mit Schallgeschwindigkeit c von A nach B aus. Strömt die Flüssigkeit mit der Geschwindigkeit v in gleicher Richtung wie die des Signals, dann ist die resultierende Geschwindigkeit v+c. Das bedeutet, dass das Signal die Sonde B früher erreicht als in ruhenden Medien. Dieses Prinzip funktioniert unter gleichen Voraussetzungen ebenfalls in umgekehrter Richtung. Die daraus resultierende Geschwindigkeit beträgt v-c. Das heißt, dass sich das Signal langsamer als im ruhenden Medium fortbewegt.

Daraus lässt sich ableiten, dass die Zeitdifferenzen dieser Laufzeiten ein Maß für die Geschwindigkeit v des Mediums sind.

Um die mittlere Geschwindigkeit zu ermitteln, wird das Signal in einem Winkel φ von Ort A nach B ins bewegte Medium gesendet (siehe Bild 2‑15). Mit der (Gl. 2-24) kann daraus die resultierende Schallgeschwindigkeit berechnet werden.

Die Laufzeit t_AB des Schalls, der von Ort A nach B verläuft ergibt sich die Gleichung Gl. 2 - 25 zu:

Beim Senden in umgekehrter Richtung von Messsonde B nach A folgt: Gl. 26/27

Durch Gleichsetzen und Subtrahieren der (Gl. 2-24) und (Gl. 2-26) folgt, mit Einsetzen der (Gl. 2-25) sowie (Gl. 2-27), die Mediengeschwindigkeit v:

Durch das Messen der Schalllaufzeiten t_AB, t_BA kann die Geschwindigkeit v des Mediums und somit der Volumenstrom bestimmt werden.

Für c≫v kann man sich auf die Messung der Laufdifferenz ∆t=t_AB-t_BA beschränken. Es gilt in diesem Fall näherungsweise:

Bedingung für die Anwendung des Durchschallungsprinzips ist ein „reines“ Medium. Es dürfen keine Schwebeteilchen im Fluid enthalten sein. Zudem ist zu beachten, dass die Laufzeitdifferenz ∆t stoff- und temperaturabhängig ist.

Dieses Messverfahren arbeitet nach dem Prinzip der Karman‘schen Wirbelstraße. Dabei befindet sich ein Prallkörper (Stör-, Wirbelkörper) quer zum strömenden Fluid. Hinter dem Körper bilden sich im gleichen Abstand Wirbel abwechselnd mit entgegengesetzten Drehsinn aus. Eine stabile „Straße“ kann über das Verhältnis von der Breite der Straße a zu dem Abstand L von 0,2806 (aL=0,2806) gewährleistet werden.

Durch die Ablösung der Wirbel wird im Wirbelkörper eine Biegeschwingung f (Frequenz der Wirbel je Sekunde) erzeugt. Diese Biegeschwingung ist ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit v. Eine Kennzahl zur Bestimmung der Biegeschwingung ist die Strouhal-Zahl (Gl. 2-30).

Aus der (Gl. 2-32 erkennt man, dass die Zeitabstände t umgekehrt proportional zur Strömungsgeschwindigkeit v und proportional zur Breite b sind.

Der Volumenstrom berechnet sich zu:

Dieses Verfahren wird hauptsächlich für Gase, Dämpfe und niedrigviskose oder nichtleitende Flüssigkeiten eingesetzt. Die Genauigkeit der Wirbeldurchflussmesser liegt bei ca. 1 % vom Messwert.

Die Wirbeldurchflussmesser sind wartungsarm, da keine beweglichen Teile eingesetzt werden. Jedoch sind sie nicht für kleine Durchflussmengen geeignet und erfordern eine lange Ein- und Auslaufstrecke. Zudem wird der Messbereich von der Re-Zahl und der Viskosität begrenzt.