Ultraschallsensoren Ultraschallsensoren zur Verbrauchserfassung in Gebäudetechnik und Industrie

Sogenannte „Statische Zähler“ mit Ultraschallwandlern werden beispielsweise in der Gebäudetechnik zur Verbrauchserfassung von Wasser eingesetzt. Als Ultraschallwandler kommen piezoelektrische Bauelemente in verschiedensten Ausformungen zum Einsatz - Platten, Scheiben oder Ringe. Zwei verschiedene Messprinzipien liegen zugrunde, die Messung der Laufzeit und der akustische Dopplereffekt.

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Die Messung von Durchflussmengen ist in vielen Bereichen die Basis für einen geregelten Ablauf von Prozessen. Beispiele hierfür sind die moderne Gebäudetechnik, wo der Verbrauch von Wasser, Warmwasser oder auch von Heizenergie wie in Fernwärmeleitungen erfasst werden muss, damit einerseits die korrekte Menge abgerechnet, und andererseits in ausreichendem Maß vom Versorger zur Verfügung gestellt werden kann.

Nicht minder sensibel sind die Abläufe beispielsweise in der Industrieautomation und speziell in der Chemieindustrie. Die Messung mittels Ultraschalltechnik dient hier der Erfassung von Volumenflüssen. Anstatt die Stoffmengen abzuwiegen wird also eine kontinuierliche Mengenanalyse durchgeführt zur vollständigen Prozesskontrolle. Nicht nur die Fließgeschwindigkeit, sondern auch die Konzentration bestimmter Stoffe kann erfasst werden – wichtig bei der Verfolgung chemischer Reaktionen. Prinzipiell ist sogar die Messung von Gasmengen mit Ultraschallverfahren möglich, allerdings mit erhöhtem technischen Aufwand.

Durchflussmessung mittels Ultraschall

Die Laufzeitmessung und das sogenannte Doppler-Prinzip (Phasendifferenz-Messung) sind die zwei grundlegenden Messverfahren in der Ultraschall-Durchflussmessung. Die jeweiligen verwendeten Piezoschwinger erzeugen Ultraschallwellen, die schräg zur Strömungsrichtung in die Flüssigkeit eingekoppelt werden.

Die Laufzeitmessung, auch Mitführprinzip genannt, basiert auf dem wechselseitigen Senden und Empfangen von Ultraschallimpulsen in und gegen die Strömungsrichtung. Dabei werden zwei Piezowandler, die sowohl als Sender als auch Empfänger arbeiten, in einer Schallstrecke schräg zur Strömungsrichtung angeordnet. Die Mitführung des Wellenpakets im strömenden Medium (flüssig oder gasförmig) bewirkt eine Überlagerung von Schallausbreitungsgeschwindigkeit und Strömungsgeschwindigkeit. Die Strömungsgeschwindigkeit bestimmt sich proportional zum Kehrwert der Laufzeitdifferenz mit und gegen die Strömung.

Beim Doppler-Prinzip wird die Phasen- bzw. Frequenzverschiebung der Ultraschallwellen, die von Flüssigkeitspartikeln gestreut bzw. reflektiert werden, ausgewertet. Die Frequenzverschiebung zwischen abgestrahlter und am gleichen Piezowandler empfangener (reflektierter) Wellenfront ist proportional zur Strömungsgeschwindigkeit. Für beide Methoden gilt, dass die Effizienz der Messung abhängig von den Durchmessern der Rohre und ihrer Durchlässigkeit gegenüber Schall ist.(Mehr Informationen auf der nächsten Seite)

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