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Meßgenauigkeit verbessert

Ultraschall-Durchflußmeßgeräte mit helixförmiger Schallführung
Meßgenauigkeit verbessert

Durch moderne Elektronik und mathematisch optimierte Schallführung gewinnt die Ultraschall-Laufzeitmessung den Anschluß an hochpräzise, eichfähige, zuverlässige und kostengünstige Feldgerätetechnik. Das Einsatzfeld der Ultraschalltechnik ist somit größer und vielschichtiger als bei klassischen Clamp-on-Geräten.

Dr. Alf Zips

Die Ultraschalldurchflußmessung ist vor allem bekannt durch die Clamp-on-Technik, bei der die Meßwandler nachträglich von außen auf das Meßrohr montiert werden. Diese Geräte bieten in Einzelfällen hohen Anwendernutzen aufgrund der damit verbundenen Flexibilität. Bisher mußten jedoch bei der Meßgenauigkeit deutliche Einbußen gegenüber anderen Meßverfahren und zudem deutlich höhere Einstandspreise in Kauf genommen werden.
Durch die Weiterentwicklung der Digitalelektronik stehen Chips zur Verfügung, die eine neue Generation von Ultraschalldurchflußmeßgeräten eingeläutet haben und eine Neubewertung der bisherigen Meßverfahren verlangen. Hinzu kommt beim Ultraschall-Meßgerät Sitrans F die patentierte helixförmige Schallführung, die das Gerät von Strömungsprofil und Mediumseigenschaften unabhängig macht.
Physikalisches Prinzip
Das Grundprinzip der bidirektionalen Laufzeitmessung ist seit 50 Jahren bekannt. Die Strömungsgeschwindigkeit v im Meßrohr ist proportional zu Differenz der Reziprokwerte der einzelnen Schallaufzeiten tup und tdown:
v = L / (2 cosa) (1 / tdown-1 / tup)
Wesentlich für die Leistungsfähigkeit eines Ultraschallmeßgerätes ist aber die Anordnung der Schallpfade, denn diese entscheidet über die Meßgenauigkeit bei unterschiedlichen Medien und Strömungsprofilen. Und das Verfahren zur Zeiterfassung entscheidet über die Auflösung, Reproduzierbarkeit und Meßdynamik.
In diesen beiden Punkten weist das Ultraschalldurchflußmeßgerät Sitrans F (Abb.1) Besonderheiten auf. Durch eine patentierte helixförmige Schallführung ist es gelungen, über einem Meßbereich von 1…100 unabhängig von dem Strömungsprofil und den Mediumseigenschaften (d. h. der Reynoldszahl) zu sein. Die Schallwandler senden ein Bündel von Schallwellen aus, die aufgrund ihrer Anordnung und ihrer räumlichen Ausdehnung unterschiedliche Wege vom Sender zum Schallempfänger zurücklegen und unterschiedliche Bereiche des Strömungsprofils abtasten. Bei großen Strömungsgeschwindigkeiten mit einem voll ausgebildeten turbulenten (flachen) Strömungsprofil ist die Anordnung der Schallpfade ohne Bedeutung, da jeder Schallweg identische zeitliche Laufzeitverschiebungen erfährt. Um aber sowohl bei laminaren als auch bei turbulenten Strömungsprofilen keine profilbedingten Meßfehler zu erhalten, müßte die Intensitätsverteilung der Schallwellen in Rohrwandnähe deutlich höher sein als in der Mitte des Rohres. Mathematisch formuliert müßte die Schallintensität mit größer werdendem Abstand von der Rohrmitte quadratisch zunehmen, um den Einfluß des laminaren Strömungsprofils bei niedrigem Durchfluß zu kompensieren. Die helixförmige Strahlführung stellt hierfür eine optimale Gewichtung der wandnahen Strömungsanteile dar und gewährleistet, daß der Übergang vom laminaren zum turbulenten Strömungsprofil sogar in der unkorrigierten Kennlinie nicht sichtbar wird. Bei der konventionellen Schallführung mit diagonaler Durchstrahlung treten Abweichungen bis zu 8% auf. Eine Kalibrierung mit Wasser korrigiert zunächst beide Kennlinien, doch ergeben sich hierbei deutliche Meßabweichungen bei der konventionellen Schallführung in Medien, deren Viskosität von der des Wassers abweicht (Abb. 2). Eine solche Spezialkalibrierung für Sondermedien ist demgegenüber für das Durchfluß-Meßgerät Sitrans F mit helixförmiger Durchstrahlung nicht erforderlich.
Ein zweiter technischer Vorteil ist die hochpräzise Zeitmessung mit Selbstkalibrierung. Für eine Meßgenauigkeit von 1% bei einer Strömungsgeschwindigkeit von 0,1 m/s ist eine Zeitauflösung von 60 ps erforderlich. Speziell entwickelte ASICs garantieren diese Auflösung und damit die Gewähr für sehr gute Meßeigenschaften auch bei niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten außerhalb des spezifierten Bereiches (Abb. 3).
Vorteile der Ultraschall-Durchflußmessung
Die Ultraschalldurchflußmessung ist aus Anwendersicht durch folgende Vorteile gekennzeichnet:
• kein Druckverlust, keine Einbauten,
• keine beweglichen Teile und wartungsfrei,
• Unabhängigkeit von der Leitfähigkeit des Mediums,
• großer Temperaturbereich,
• unempfindlich gegen Vibrationen der Rohrleitungen,
• geringe Installationskosten.
Hinzu kommen beim Durchflußmeßgerät Sitrans F seine Unabhängigkeit vom Strömungsprofil und vom Medium sowie ein großer Meßbereich 1…100 mit einer Meßabweichung 1% bzw. Meßbereich 1…25 mit einer Meßabweichung 0,5%.
Darüber hinaus bietet das Ultraschalldurchflußmeßgerät Sitrans F alle Vorteile eines modernen Feldgerätes mit Ex-Schutz, digitalen und analogen Ausgängen, HART- und Profibus-Kommunikation und lokaler Bedienung mit Display.
Multifunktionalität eines Feldgerätes reduziert die Installationskosten und erhöht die Anlagensicherheit durch Redundanz. Während Coriolis-Massedurchflußgeräte die Dichte als zusätzlichen Mediumsparameter liefern, berechnet der Sitrans F die Schallgeschwindigkeit und mißt die Mediumstemperatur. Die Schallgeschwindigkeit ist als Funktion der Dichte und Kompressibilität eine wichtige Kenngröße zur Beurteilung der Mediumsqualität und der Mediumsidentifikation. In wäßrigen Lösungen erreicht die Bestimmung der Schallgeschwindigkeit eine Meßgenauigkeit im Promill-Bereich.
Einsatzbereiche
Aufgrund ihrer Meßeigenschaften sind diese Ultraschalldurchfluß-Meßgeräte für die folgenden Einsatzbereiche prädestiniert:
• nichtleitende Medien wie organische Medien oder VE-Wasser, da das Meßverfahren unabhängig von der Leitfähigkeit ist,
• Batch-Prozesse – Vorteile sind hier die Medienunabhänigkeit, daß Dichte und Viskosität keinen Einfluß auf das Meßergebnis haben und eine Produktidentifikation über die Schallgeschwindigkeit möglich ist,
• die Prozeßregelung aufgrund der kurzen Ansprechzeit und der Meßrate,
• die Dosiertechnik – Vorteil ist hier die große Dynamik von 1:100 – sowie
• die Petrochemie.
Messungen mit dem Sitrans F demonstrieren das schnelle Ansprechverhalten und die hohe Reproduzierbarkeit bei dynamischen Vorgängen (Abb. 4). Wie bei den meisten Meßverfahren wird auch im Ultraschalldurchfluß-Meßgerät die Meßgenauigkeit durch Feststoffe oder Gasanteile im Medium beeinflußt. Aufgrund der hohen Meßrate werden sicher ungestörte Meßfenster gefunden, die eine blasenfreie Durchschallung der Meßstrecke ermöglichen. Über einen Fehlerindikator wird dem Bediener die Störung des homogenen Flusses quantitativ mitgeteilt. Dies kann eine wichtige Diagnose für die Qualitätskontrolle zum Beispiel bei der Befüllung von Tankwagen sein.
Interkama, Halle 14, Stand C41/C59
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