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Ultraschalltechnik bei Durchflussmessern Fließraten zuverlässig messen

07.02.2018

Die Ultraschalltechnik wird seit mehr als hundert Jahren in den verschiedensten Anwendungen eingesetzt. Nahezu jeder Mensch in der zivilisierten Welt ist mit der medizinischen Ultraschalltechnik in Berührung gekommen. Die neuesten Entwicklungen finden sich jetzt in der Automatisierungstechnik für den industriellen Sektor.

Es ist beeindruckend, wie Ultraschalltechnik ihren Platz in den unterschiedlichsten Anwendungen gefunden hat. Dank ihrer nicht-invasiven (und damit nicht der Korrosion ausgesetzten) beziehungsweise kontaktlosen Eigenschaften ist sie ein hervorragender Kandidat für medizinische und pharmazeutische Anwendungen sowie für den Einsatz in Fabriken. Hinzu kommt, dass der verwendete Frequenzbereich außerhalb des für Menschen hörbaren Tonspektrums liegt.

Unter der Durchflussmessung versteht man die Quantifizierung der Fließrate von Flüssigkeiten oder Gasen, vorwiegend gemessen in der Einheit Liter pro Stunde (l/h). Man findet Durchflussmesser im privaten und gewerblichen Bereich – angefangen bei einfachen Gas-, Wasser- und Wärmezählern in Wohngebäuden bis hin zu industriellen Mess- oder Mischvorrichtungen für gefährliche Flüssigkeiten oder Gase wie Kraftstoffe, Abwässer, Farben und Chemikalien. Von seinem Aufbau her besteht ein Durchflussmesser aus drei Teilen: eine Sensoreinheit, eine Messeinheit und eine Kommunikationseinheit. Jeder dieser drei Funktionsabschnitte kann mechanisch oder elektronisch ausgeführt sein.

Probleme bei der Messung

Verschiedene Konstruktionen von Durchflussmessern erfassen die Messgröße auf mechanischem Weg, also mit beweglichen Teilen. Sensoren auf LC-Basis (Induktivität und Kapazität) oder auf Basis des GMR-Effekts (Giant Magnetoresistance), des TMR-Effekts (Tunnel Magnetoresistance) oder des Hall-Effekts erfassen dabei die Bewegung eines Propellers oder Impellers, die sich abhängig von der Durchflussrate verändert, und wandeln sie in Daten um, die an die Messeinheit weitergeleitet werden. Wegen der beteiligten beweglichen Teile kann es zu Verschleiß und Ungenauigkeiten kommen.

Verunreinigungen durch das zu messende Medium, Schmutzansammlungen sowie das Skalieren und Altern der Bauteile sind weitere Faktoren, die die Genauigkeit beeinträchtigen und das regelmäßige Neukalibrieren eines Durchflussmessers erforderlich machen können. Hinzu kommt das Risiko, dass Manipulationen vorgenommen werden, als deren Folge der Sensor unrichtige Ergebnisse liefert. Zähler dieser Art haben eine kurze Lebensdauer von weniger als sieben Jahren und sind außerdem nicht in der Lage, geringe Durchflussraten (beispielsweise bei Leckagen) zu erfassen. Die zweite Abbildung zeigt den Querschnitt eines auf einem drehenden Element basierenden Wasserzählers mit LC-Sensoren.

Per Ultraschall messen

Die Erfassung per Ultraschall mildert eine Vielzahl der oben erwähnten Probleme. Diese Erfassungstechnik zeichnet sich nicht nur durch sehr hohe Genauigkeit (<±1 Prozent) und eine lange Lebensdauer von mehr als zehn Jahren aus, sondern kann auch eine Vielzahl von Materialien problemlos erkennen und sich auf die Auswirkungen von Verschmutzungen in den Medien und Korrosion im Rohr einstellen. Ultraschallzähler besitzen keine beweglichen Teile und kommen daher ohne Neukalibrierung aus.

Auch Schmutzansammlungen und Alterung stellen kein Problem dar. Bei der Durchflussmessung per Ultraschall wird die Laufzeit von Schallwellen im Frequenzbereich zwischen 100 kHz und 4 MHz gemessen. Elektronische Impulse regen Schallwandler an, die dadurch Schallwellen in beziehungsweise entgegen der Fließrichtung aussenden. Die Differenz zwischen der Laufzeit stromaufwärts und stromabwärts gibt Auskunft über die Durchflussrate. Eines oder mehrere Ultraschallsensorpaare, die im Rohr oder an seiner Außenseite angebracht sind, detektieren die Geschwindigkeit beziehungsweise die Durchflussrate anhand der gemessenen Laufzeit. Welche Ultraschallsensoren im Einzelfall gewählt werden, richtet sich nach der Art des Mediums, dessen Durchflussrate gemessen werden soll. In der Regel verwendet man zum Erfassen von Flüssigkeiten Sensoren, die im höheren Bereich des Frequenzspektrums (>1 MHz) arbeiten, während man bei gasförmigen Medien die unteren Frequenzen (<500 kHz) bevorzugt.

Standardisierte Genauigkeit

Die Genauigkeit, mit der die Schalllaufzeit gemessen wird, hat direkten Einfluss auf die Genauigkeit und Auflösung der Durchflussratenmessung, die normalerweise in Pikosekunden (ps) oder Nanosekunden (ns) erfolgt. Weitere wichtige Kennzahlen sind ZFD (Zero-Flow-Drift, Drift bei einer Durchflussrate von null), STD (Single-Shot Standard Deviation, Standardabweichung einer Einzelmessung), die minimale und die maximale feststellbare Durchflussrate, das Volumen sowie die absolute Laufzeit (Abs) und die Laufzeitdifferenz (Δ).

Für die Genauigkeit gelten mehrere Normen. Die gängigsten Standards sind die ISO 4064 der International Organization for Standardization, die OIML R49 der Organisation Internationale de Métrologie Légale und die Europa-Norm (EN) 1434. Das Erreichen einer normgerechten Genauigkeit setzt ein hohes Maß an Präzision voraus. Zur Bestimmung der Laufzeit bieten sich mehrere Methoden an, wie die Zeit-Digital-Wandlung, die Nulldurchgangs-Erkennung und die Querkorrelation per Wellenform-Erfassung.

Mit dem Mikrocontroller (MCU) MSP430FR6047 bietet Texas Instruments ein hochintegriertes System-on-Chip (SoC) für die Wasser-Durchflussmessung. Der Baustein ist für die präzise Laufzeitmessung mithilfe der Ultraschalltechnik ausgelegt. Die Wellenform-Erfassung erfolgt dabei auf der Basis eines neuartigen A/D-Wandlers (ADC).

Ausgeklügeltes Systemdesign

Ein Ultraschallwandler-Paar wird direkt an die integrierte Ultraschallsensor-Peripheriefunktion des Mikrocontrollers MSP430FR6047 angeschlossen. Flexible Optionen ermöglichen die unabhängige Anregungs- und Reaktionserfassung für jeden Wandler mithilfe eines schnellen Sigma-Delta-(oder Delta-Sigma-)A/D-Wandlers mit einer Abtastrate von acht Megasamples/s. Zu den weiteren Verarbeitungsschritten, die das erfasste Signal durchläuft, gehört eine Kombination aus mehreren digitalen Signalverarbeitungs-Algorithmen und -Funktionen. Die Wellenform-Erfassungsmethode im Mikrocontroller MSP430FR6047 sorgt für eine Auflösung von unter 5 ps und stellt ein Systemdesign für die Durchflussratenmessung an gasförmigen und flüssigen Medien in privaten und gewerblichen Anwendungen dar.

Die Mehrzahl der Ultraschall-Wasserzähler arbeitet im Batteriebetrieb. Der Ultra-Low-Power-Mikrocontroller MSP430FR6047 ist deshalb durch seine durchschnittliche Stromaufnahme von circa 3 µA für eine lange Batterielebensdauer von zehn Jahren und mehr ausgelegt. Die beschriebene Architektur kann problemlos für die Verwendung in Wärmezählern erweitert werden, die das Produkt aus der Durchflussrate des flüssigen Mediums und der Temperaturdifferenz zwischen Vor- und Rücklaufleitung bilden. Die Nutzung der Ultraschalltechnik für die Durchflussmessung vereint in sich die Vorteile kleinerer Abmessungen, niedrigerer Kosten, verbesserter Genauigkeit und Robustheit, verlängerter Produktlebensdauern sowie der Möglichkeit zur Anbindung an ein Smart Grid.

Bildergalerie

  • Rotationsbasierter Durchflussmesser mit LC-Sensoren.

  • Beispiel für die Ultraschall-Messung in Durchflussmessern und gängige Topologien zur Positionierung in einem Rohr.

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