Ultraschall Laufzeitverfahren zur Anwendung in SONOFLOW Sensoren

Mit dem Streben nach effizienten und kontaminationsfreien Messverfahren zum Monitoring von Durchflüssen steigt die Nachfrage nach nicht-invasiven Messmethoden kontinuierlich. Auf Basis dessen und dem Anliegen daraus, grundlegendes Wissen zur Funktionsweise und den applikativen Vorteilen nicht-invasiver Ultraschall-Durchflusssensoren gegenüber invasiven und intrusiven Messverfahren zur Verfügung zu stellen, hat SONOTEC diesen kurzen Informationsguide zusammengestellt.

Vorteile von Clamp-On Sensoren: Nicht-invasiv & nicht-intrusiv

Nicht-invasive Messtechniken haben keinen physischen Einfluss auf die fließende Flüssigkeit. Die Sensoren werden einfach von außen an den flüssigkeitsführenden Schlauch geklemmt. Im Vergleich dazu berühren invasiv messende Geräte direkt die Flüssigkeit und sind somit nicht kontaminationsfrei. Zudem gibt es weitere Messmethoden, die auf intrusiven Messtechnologien basieren. Hierbei „ragt“ der Sensor in den Flüssigkeitskanal ein. Dieses Verfahren kann allerdings Störungen bzw. Asymmetrien des Strömungsprofils und somit entsprechenden Fehlmessungen verursachen.

SONOFLOW CO.55 Clamp-On-Sensoren bieten den großen Vorteil sowohl nicht-invasiv als auch nicht-intrusiv zu arbeiten, da sie

  • nicht in die Strömung „hineinragen“ und damit keine Turbulenzen verursachen,
  • nicht mit der Flüssigkeit in Berührung kommen und
  • keinen Druckverlust im Schlauchsystem verursachen.

Konstruktive Aspekte von Ultraschall-Durchflusssensoren

Durch Anlegen einer Wechselspannung expandiert und kontrahiert das Piezoelektrikum periodisch und sendet eine Schallwelle entsprechend der Anregungsfrequenz aus. Diese Schallwelle wird als pulsierender Ultraschallstrahl von einem Anregungswandler gesendet und von einem Empfangswandler erfasst. Das Signal wird elektronisch ausgewertet und über verschiedene Signalausgänge (Digital + Analog) ausgegeben.

Physikalische Grundlagen von Ultraschall-Durchflusssensoren mittels Laufzeitdifferenzmessung

Es gibt verschiedene Möglichkeiten Ultraschallsignale zur Berechnung von Durchflussmengen einzusetzen. Die SONOFLOW CO.55 Sensoren arbeiten auf Grundlage des Laufzeitdifferenzmessverfahrens. Diese Methode verursacht weder einen Druckabfall im Schlauch noch besteht die Gefahr von Undichtigkeiten. Zudem werden keine zusätzlichen Ionen oder Partikel in der Flüssigkeit zur Flussbestimmung benötigt. Bei entsprechender Kalibrierung kann die Bestimmung der Durchflussrate mit der Laufzeitdifferenzmessung zudem weitgehend unabhängig von Viskosität, Dichte, Farbe sowie elektromagnetischer Eigenschaften der Flüssigkeit und der Farbe des Schlauches durchgeführt werden.

Das Prinzip des Laufzeit-Differenz-Verfahrens

Die Laufzeitdifferenzmessung funktioniert folgendermaßen: Es werden die Laufzeiten in und gegen die Strömungsrichtung eines Mediums mit hoher Präzision über Zeit-Digital-Wandler gemessen. In Strömungsrichtung ist die Laufzeit einer Ultraschallwelle schneller als entgegen. Das ist wie bei einem Sportboot, das sich in und gegen die Strömungsrichtung bewegt. Eine einfache Differenzbildung beider Zeiten ermöglicht dann eine Bestimmung des Durchflusses. 

Anwendung in SONOFLOW CO.55| SEMIFLOW CO.65 Sensoren

Im Fall des SONOFLOW CO.55 | SEMIFLOW CO.65 Sensoren werden die Schallwellen schräg durch die Flüssigkeit gesendet. Zur Verbesserung des Messeffektes werden zwei Messstrecken verwendet. Vier Ultraschallwandler sind in einem X-Muster angeordnet. Die Sender emittieren pulsierende Ultraschallwellen in einer vorgegebenen Frequenz von einer Seite zur anderen. Die Laufzeitdifferenz ist entsprechend direkt proportional zur mittleren Strömungsgeschwindigkeit. Das Volumen ergibt sich wiederum aus dem Produkt der mittleren Strömungsgeschwindigkeit und der Querschnittsfläche des Schlauches.

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