Viele vorhandene, teilgefüllte Kanalnetze oder Kläranlagen bestehen schon seit langer Zeit, sind aber ohne jegliche Messtechnik ausgeführt. Eine Nachrüstung mit stationären Durchflusssystemen ist meist kostenintensiv oder baulich gar nicht möglich. Außerdem ist häufig nur eine temporäre Messung erforderlich. Das portable Messsystem PCM Pro schafft hier Abhilfe.
Dipl.-Ing. Steffen Lucas
Das PCM Pro arbeitet mit einem Kombisensor, der gleichzeitig Fließgeschwindigkeit und Füllhöhe ermittelt. Aus der praktischen Kenntnis der problematischen Füllstanderfassung unter stark wechselnden Bedingungen von wenigen Millimetern Wasserstand bis zum Überstau von mehreren Metern wurde die Füllstandmessung 4fach redundant ausgeführt. So beinhaltet der Kombisensor neben einem integrierten hochgenauen Drucksensor eine Füllstandmessung mittels Ultraschall von unten. Die direkte Ansteuerung eines weiteren Ultraschallsensors, der den Füllstand von oben misst, und die Möglichkeit des Anschlusses eines separaten Füllstandsensors erlaubt den Einsatz des Gerätes in nahezu allen Applikationen. Durch die Mehrfachredundanz werden Füllstandmessfehler praktisch ausgeschlossen.
Messprinzip
Die Erfassung der Fließgeschwindigkeit arbeitet nach dem Ultraschall-Kreuzkorrelationsverfahren mit digitaler Mustererkennung. Dabei wird zur Messung der Fließgeschwindigkeit ein Ultraschallimpuls mit einem sehr kleinen, exakt definierten Schallwinkel von nur 2° in das Messmedium eingestrahlt. Alle in dem Messpfad befindlichen Teilchen (Gasbläschen, Schmutzpartikel etc.) reflektieren geringe Mengen des Ultraschallsignals. Je nach Größe und Form des Teilchens entsteht dabei pro Teilchen ein spezielles Reflexionssignal. Die Summe der reflektierten Signale ergibt ein gemeinsames Reflexionsmuster, das in ein äquivalentes Spannungssignal umgewandelt wird. Das Signalmuster wird anschließend in einen digitalen Signalprozessor (DSP) geladen und abgespeichert. Nach wenigen Millisekunden wird der gesamte Messvorgang wiederholt.
Abgleich von Reflexionsmustern
In verschiedenen Fließhöhen herrschen hydraulisch unterschiedliche Fließgeschwindigkeiten. Die reflektierenden Teilchen bewegen sich somit je nach Höhe unterschiedlich weit von ihrem ersten Messzeitpunkt weg. Dadurch ergibt sich ein verschobenes Bild des Reflexionsmusters. Gleichzeitig drehen sich manche Teilchen und bieten eine anders geformte Reflexionsfläche. Wieder andere Teilchen befinden sich nicht mehr im Bereich des Messfensters oder haben sich neu in das Messfenster hineinbewegt. Durch diese Bewegungen entsteht ein geringfügig anderes Reflexionsmuster.
Die beiden empfangenen Reflexionsmuster werden im digitalen Signalprozessor des PCM Pro mittels Kreuzkorrelationsverfahren auf ihre Ähnlichkeiten überprüft. Alle vorhandenen Signalunterschiede werden verworfen, so dass zwei zeitlich verschobene, einander ähnliche Signalmuster zur Geschwindigkeitsauswertung verbleiben. Über diese beiden Muster werden in Abhängigkeit von der Fließhöhe bis zu 16 Messfenster gelegt. Anschließend wird in jedem Messfenster die Zeitverschiebung Dt des Signalmusters ermittelt.
Unter Zugrundelegung des Einstrahlwinkels, des zeitlichen Abstands der beiden aufeinander folgenden Sendesignale und der Zeitverschiebung Dt des Signalmusters kann somit in jedem einzelnen Messfenster die Fließgeschwindigkeit ermittelt werden. Damit ist das PCM Pro in der Lage, eine exakte räumliche Zuordnung der gemessenen Einzelfließgeschwindigkeiten vorzunehmen.
Bis zu 2000 Mal pro Sekunde wiederholt das Messgerät diesen Vorgang und liefert so sehr exakte Einzelgeschwindigkeiten für alle Messfenster. Die Aneinanderreihung der einzelnen Fließgeschwindigkeiten ergibt das Geschwindigkeitsprofil der Messstelle. Auf Basis dieses exakt gemessenen, senkrechten Geschwindigkeitsprofils wird mit Hilfe numerischer Gleichungen und den Berechnungsalgorithmen finiter Elemente die Strömungsverteilung im Gesamtquerschnitt berechnet. Diese gestattet die genaue Bestimmung der mittleren Fließgeschwindigkeit, die, multipliziert mit der benetzten hydraulischen Fläche, den exakten momentanen Durchflusswert liefert.
Robust und bruchsicher
Der portable Messumformer wurde in einem robusten und bruchsicheren Kunststoffgehäuse IP 67 untergebracht und kann, wie auch die gesamte Sensortechnik, im Ex-Bereich eingesetzt werden. Ein Metallhybridakku versorgt die Messtechnik je nach Messintervall bis zu 365 Tage mit der erforderlichen Energie.
Der neben einem Tastaturblock mit einem großen, hintergrundbeleuchteten Vollgrafikdisplay ausgerüstete PCM Pro gewährleistet im direkten Dialog mit dem Bediener nicht nur einfachste Programmierung, sondern auch eine exakte Betrachtung des Fließprofils und aller relevanten Sensordaten. So sind hydraulische Gegebenheiten an der Messstelle sofort und unkompliziert sichtbar und gestatten eine umgehende Beurteilung der Eignung des gewählten Einbauortes. Die sonst durch falsch gewählte Einbauorte häufig erforderlichen kostenintensiven Zweitmessungen werden mit diesem System vermieden.
Für portable Geräte nicht selbstverständlich ist eine Programmiermöglichkeit auch unter Ex-Bedingungen. Die Abspeicherung der Messdaten wie auch der Parameter der Messstelle erfolgt spannungsausfallsicher auf einer bis 64 MB großen Compact-Flash-Karte. Bedingt durch das wartungs- und driftfreie Ultraschallverfahren haben Verschmutzungen wie Fette und Sielhäute keinerlei Auswirkungen auf das Messverfahren. Hoch aggressive Medien wie z. B. in der Chemie können mittels hoch resistenter Sensoren (Peek) sicher und zuverlässig gemessen werden.
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