Wellen schlagen

Durchflussmessung für Flüssigkeiten mit geringer Leitfähigkeit
Eine Vielzahl unterschiedlicher Durchflussmesssysteme sind in den verschiedensten Ausführungen am Markt erhältlich. Die meisten Systeme eignen sich aber nicht für den universellen Einsatz oder sind einfach zu kostspielig. Auf der Suche nach einem neuen Messverfahren zur Bestimmung von Durchflussströme, das ohne die Schwächen und Einschränkungen bestehender Systeme auskommt, fand man das Phänomen der Seismik.

Dieses beruht darauf, dass sich akustische Wellen an Oberflächen ausbreiten. Mit Hilfe der Laufzeiterfassung und der Auswertung von Frequenz und Amplituden solcher Wellen wurde eine zuverlässige und flexibel anwendbare Durchflussmessung realisiert, bei der sich zudem weitere Parameter, wie z.B. Temperatur und Dichte, ermitteln lassen. Mittels SAW-Technologie (Surface Acoustic Wave) ist so mit dem Flowave Typ 8098 ein kompaktes und leichtes Durchflussmessgerät entstanden, dass nicht nur vielfältig einsetzbar ist, sondern vor allem ohne Einbauten im Messrohr auskommt. Es empfiehlt sich insbesondere für Messaufgaben, bei denen bisher wegen zu geringer Leitfähigkeit statt magnetisch-induktiver Sensoren die deutlich teureren Coriolis-Geräte zum Einsatz kamen.

Ausbreitende und reflektierende Wellen

Seismische Phänomene, also das Ausbreiten von Wellen entlang von Oberflächen fester Materialien, sind u.a. bei Erdbeben zu beobachten. Ähnlich funktioniert auch die SAW-Technik: Der Hauptteil des Sensors besteht aus einem Messrohr, auf dessen Oberfläche Interdigital-Wandler angeordnet sind, die elektrisch angeregt die Wellenausbreitung starten. Die Flowave-Technologie funktioniert mit vier bis fünf solcher Wandler, die sowohl als Sender als auch Empfänger operieren. Ist einer als Sender aktiv, arbeiten die beiden am weitesten entfernten als Empfänger. Die an der Oberfläche generierten Oberflächenwellen koppeln auch in die Flüssigkeit aus. Der Einkopplungswinkel ist abhängig von der Flüssigkeit sowie deren Geschwindigkeit der sich in ihr ausbreitenden Welle. Auf der anderen Seite des Messrohrs koppeln die Wellen wieder in das Messrohr ein und laufen zum nächsten Transducer. So führt die Anregung jedes Transducers zu einer Folge von Empfangssignalen an zwei anderen. Zwei Transducer senden in Durchflussrichtung, zwei dazu entgegengesetzt. Der Volumendurchfluss ist proportional zur Zeitdifferenz der Dauer der Wellenausbreitung in Vorwärts- und Rückwärtsdurchflussrichtung. Interessant ist, dass Messwerte ermittelt werden können, die sich aus einmaligem bis mehrmaligem Durchlaufen der Flüssigkeit sowie dem Vergleich aller Empfangssignale ergeben, und so Informationen zum Fluid selbst liefern.

Bisherige Situation in der Praxis

Den Durchfluss von Füssigkeiten mit Hilfe von Schallwellen kontinuierlich zu erfassen, ist auch das Prinzip anderer Technologien. So verzeichnen Ultraschall-Durchflussmessgeräte hohe Zuwachsraten in der Prozessanalytik und lösen immer mehr mechanisch basierte Systeme wie Flügelräder, Turbinen oder Ovalräder ab. Im Gegensatz zur Flowave-Technologie verläuft bei der Ultraschallmessung jedoch ein gerichtetes Signal unter einem festen Winkel in gerader Linie vom Sender zum Empfänger. Die Schallwellen unterscheiden sich dabei in Frequenz und Art. Allgemein haben sich magnetisch-induktive Messverfahren als Standard etabliert. Diese können allerdings nicht für das Messen von Wasser mit niedriger Leitfähigkeit genutzt werden, weshalb hier auch Coriolis-Messgeräte zum Einsatz kommen. Letztere benötigen keine Ein- und Auslaufstrecken. Das Messverfahren und die aufwändige Elektronik machen sich allerdings in ihrem hohen Preis bemerkbar. Coriolis-Messgeräte weisen große Einbaulängen auf, sind schwer und haben in der Regel einen hohen Energiebedarf. Für den Anwender ist es oft nicht einfach, ein geeignetes und zuverlässiges Gerät zu finden, das sich zusätzlich durch einen geringen operativen Aufwand auszeichnet und Stillstandzeiten möglichst gering hält.

Unterscheidung von laminarer und turbulenter Strömnung

Die SAW-Technologie bietet bei der Messung von Durchflussgeschwindigkeit und Flüssigkeitseigenschaften weitreichende Vorteile. Zum einen befinden sich keinerlei Einbauten oder Verengungen im Messrohr, sodass Varianten von Sensor- und Dichtungselementen entfallen und keine messstoffberührende Elemente wie z.B. Elektroden oder Dichtungen erforderlich sind. Die Rohrinnenseite des Edelstahlrohrs zeichnet sich vielmehr durch die gleiche Oberflächengüte wie der Rest der Leitung aus und erfüllt damit höchste Ansprüche hinsichtlich Hygiene, Reinigung und Strömungsverhältnissen. Es entsteht kein Druckabfall bzw. Fluidwirkung auf die Sensorelemente. Daneben ist der Wartungs- und Diagnoseaufwand geringer als bei anderen Messsystemen, denn Materialanhaftungen können nur am Innenrohr auftreten, dessen Oberflächenrauigkeit problemlos auf höchster Stufe bearbeitet werden kann. Nicht nur das Messrohr mit dem integrierten Sensor, sondern auch die verwendeten Transducer sind von höchster hygienischer Qualität. So sind die Geräte ideal für Applikationen im Bereich Hygienic und Water. Selbst bei kleinstem Durchfluss können zuverlässige Messergebnisse ermittelt werden, denn das neuartige Messprinzip arbeitet auch bei stehenden Flüssigkeiten. Mit der Fähigkeit, sehr schnelle Durchflussveränderungen zu erkennen, eignet es sich auch für hohe Abfüllgeschwindigkeiten. Die hohe Anregungsfrequenz von 1MHz eliminiert Störungen durch Anlagenvibrationen. Elektromagnetische Effekte stören die Messung nicht. Verunreinigungen, die von Gasblasen oder Feststoffen verursacht werden, haben bei der SAW-Technologie geringere Effekte oder lassen sich gesicherter erkennen. Als einziges Messverfahren kann die SAW-Messung zwischen laminaren und turbulenten Strömungen unterscheiden. Zusätzlich zum Volumendurchfluss lassen sich Temperatur und Dichte bestimmen, woraus sich der Masseduchfluss berechnen lässt.

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Bürkert GmbH & Co. KG
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