GRX-Q - Ultraschall Strömungsmessung

Die Ultraschall-Strömungsmessung, auch Durchschallungsprinzip genannt, arbeitet auf Grundlage der Fortpflanzungsgeschwindigkeit von Schallwellen, die sich in bewegten Flüssigkeiten mit der Strömungsgeschwindigkeit des Übertragungsmediums ändert (siehe Bild 2‑15).

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 tAB des Schalls, der von Ort A nach B verläuft ergibt sich zu:

Beim Senden in umgekehrter Richtung von Messsonde B nach A folgt:

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 tAB, tBA kann die Geschwindigkeit v des Mediums und somit der Volumenstrom bestimmt werden.

Für c≫v kann man sich auf die Messung der Laufdifferenz ∆t=tAB-tBA 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.

Wirbeldurchflussmessung

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.

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