Ultraschall Durchflussmesser – Messprinzip, Einsatzgebiete und Auswahl

Ein Ultraschall-Durchflussmesser misst die Geschwindigkeit und damit die Menge eines strömenden Mediums (z. B. Wasser, Gas oder Öl), indem er Schallwellen im Ultraschallbereich nutzt.
Dazu werden piezoelektrische Ultraschallwandler an oder in der Rohrleitung angeordnet. Die Wandler senden und empfangen Ultraschallsignale, die sich durch das strömende Medium ausbreiten.
Das Grundprinzip basiert darauf, dass wenn sich das Medium bewegt:

• der Schall mit der Strömung schneller wird
• und gegen die Strömung langsamer wird

Ein Schwimmer in einem Fluß kennt diesen Effekt, dass man mit der Strömung schneller und gegen die Strömung langsamer schwimmt.
Diese Unterschiede werden gemessen und daraus die Fließgeschwindigkeit berechnet.

Messprinzip

Für die Durchflussmessung sind insbesondere zwei Messverfahren von Bedeutung:

• Laufzeitdifferenzverfahren (Transit-Time-Verfahren)
• Dopplerverfahren

Laufzeitdifferenzverfahren – Transit-Time-Verfahren

Das Laufzeitdifferenzverfahren ist eines der wichtigsten Messverfahren für Ultraschall-Durchflussmesser. Dabei werden mindestens zwei Ultraschallwandler an der Rohrleitung angeordnet. Die Wandler senden und empfangen abwechselnd Ultraschallsignale.
Ein Ultraschallsignal wird mit der Strömung und ein zweites Signal gegen die Strömung durch das Medium übertragen.
Da die Strömung die Ausbreitung des Ultraschalls beeinflusst, benötigt das Signal in Strömungsrichtung weniger Zeit als das Signal entgegen der Strömungsrichtung. Die Differenz zwischen den beiden Laufzeiten ist sehr klein, enthält aber die Information über die Strömungsgeschwindigkeit.
Die Elektronik des Durchflussmessers erfasst diese Laufzeitdifferenz und berechnet daraus die mittlere Geschwindigkeit des Mediums. Je größer die Strömungsgeschwindigkeit ist, desto größer wird die Differenz zwischen den beiden gemessenen Laufzeiten.
Zusammen mit dem Rohrquerschnitt lässt sich daraus der Volumenstrom bestimmen:
Volumenstrom = Strömungsgeschwindigkeit × Rohrquerschnitt
Das Transit-Time-Verfahren eignet sich insbesondere für saubere und weitgehend homogene Flüssigkeiten und Gase, da die Ultraschallsignale möglichst ungestört durch das Medium übertragen werden müssen.

Dopplerverfahren

Beim Dopplerverfahren nutzt der Ultraschall-Durchflussmesser einen anderen physikalischen Effekt.
Ein Ultraschallwandler sendet ein Signal in das strömende Medium. Befinden sich darin Partikel, Schwebstoffe oder Gasblasen, wird ein Teil des Ultraschalls an diesen Streuzentren reflektiert.
Da sich die reflektierenden Partikel mit der Strömung bewegen, verändert sich die Frequenz des empfangenen Signals. Diese Doppler-Frequenzverschiebung ist abhängig von der Geschwindigkeit der reflektierenden Partikel.
Aus der Frequenzverschiebung kann die Strömungsgeschwindigkeit und anschließend der Volumenstrom bestimmt werden.
Das Dopplerverfahren eignet sich deshalb besonders für verschmutzte oder partikelhaltige Flüssigkeiten, beispielsweise Abwasser, Schlämme oder Prozessmedien mit Schwebstoffen.

Vorteile und Nachteile

Vorteile:

• Clamp-on-Messung ohne Eingriff in die Rohrleitung für stationäre und temporäre Messungen geeignet
• Kein Druckverlust (keine Einbauten im Rohr)
• Kein Verschleiß (keine beweglichen Teile)
• Auch für aggressive Medien geeignet
• Einfache Nachrüstung (Clamp-On)
• Geringe Wartungskosten
• hohe Messdynamik
• für viele Flüssigkeiten und Gase geeignet
• Messung auch bei großen Rohrdurchmessern möglich

Nachteile:

• Genauigkeit abhängig von:
  • Temperatur
  • Mediumseigenschaften
• Doppler benötigt Partikel oder Luftblasen im Medium
• Höhere Kosten als mechanische Zähle

Einsatzbereiche

• Wasserversorgung
• Chemische Industrie
• Lebensmittel
• Öl- und Gasleitungen
• Heiz- und Kühlsysteme

Typische Probleme und Fehlerquellen

Bei Ultraschall-Durchflussmessern liegen die häufigsten Probleme nicht am eigentlichen Messgerät, sondern bei der Messstelle, der Rohrleitung, dem Medium und der Montage der Ultraschallsensoren.
Besonders bei Clamp-on-Geräten können schon kleine Montagefehler deutliche Messabweichungen verursachen.

Die 5 häufigsten Fehler:

1. Ungünstige Ein- und Auslaufstrecken

Eine der häufigsten Fehlerquellen ist ein gestörtes Strömungsprofil.
Direkt hinter Rohrbögen, T-Stücken, Ventilen, Pumpen, Reduzierungen/Erweiterungen oder Einmündungen ist die Strömung häufig verwirbelt oder unsymmetrisch.
Da der Ultraschall-Durchflussmesser die Geschwindigkeit nicht an jedem Punkt des Rohrquerschnitts misst, sondern aus einem oder mehreren Messpfaden auf die mittlere Strömungsgeschwindigkeit schließt, kann ein gestörtes Strömungsprofil zu erheblichen Messfehlern führen.
Abhilfe:
Möglichst lange gerade Rohrstrecken vor und nach der Messstelle einhalten und die Einbauvorschriften des Herstellers beachten.

2. Rohrleitung nicht vollständig gefüllt

Ein Ultraschall-Durchflussmesser benötigt bei vielen Anwendungen eine vollständig gefüllte Rohrleitung.
Teilgefüllte Rohre können zu erheblichen Messfehlern führen, weil sich die tatsächliche Geometrie des durchströmten Querschnitts verändert. Besonders kritisch sind:

• Gefälleleitungen
• Ablaufleitungen
• Rohrleitungen mit freiem Auslauf
• Hochpunkte
• schlecht positionierte Pumpen

Wichtig:
Ein angezeigter Messwert bedeutet nicht automatisch, dass die Messung korrekt ist.

3. Falsche Montage der Ultraschallsensoren

Bei **Clamp-on-Ultraschall-Durchflussmessern** ist die korrekte Positionierung der Sensoren besonders wichtig. Entscheidend sind beispielsweise Sensorabstand, Winkel, Ausrichtung, Rohrdurchmesser, Rohrwanddicke und Wandmaterial. Schon ein kleiner Fehler beim Sensorabstand kann dazu führen, dass der Ultraschallstrahl nicht den vorgesehenen Messweg durch das Rohr nimmt.
Abhilfe:
Rohrdaten exakt bestimmen und den vom Messgerät berechneten Sensorabstand verwenden.

4. Schlechte akustische Ankopplung

Bei Clamp-on-Systemen muss der Ultraschall zuverlässig vom Sensor durch die Rohrwand in das Medium übertragen werden.
Eine schlechte Ankopplung kann entstehen durch:

• verschmutzte Rohroberfläche
• Rost
• Lack
• Beschichtungen
• Unebenheiten
• ungeeignetes Koppelgel
• falschen Anpressdruck

Das Ergebnis ist ein zu schwaches Ultraschallsignal. Abhilfe:
Kontaktfläche sorgfältig vorbereiten und ein geeignetes Koppelmittel verwenden.

5. Falsche Parameter im Messgerät

Ein Ultraschall-Durchflussmesser benötigt verschiedene Rohr- und Mediendaten.
Dazu können gehören:

• Rohrinnendurchmesser
• Rohrwanddicke
• Rohrmaterial
• Auskleidung
• Medium
• Schallgeschwindigkeit
• Sensoranordnung

Werden diese Werte falsch eingegeben, kann das Gerät zwar einen stabilen Messwert anzeigen – dieser kann aber trotzdem falsch sein.
Das ist eine besonders gefährliche Fehlerquelle, weil ein stabiler Messwert häufig fälschlicherweise als korrekter Messwert interpretiert wird.

Weiter Fehlerquellen

Rohrwand und Rohrmaterial

Die Ultraschallwellen müssen die Rohrwand passieren. Deshalb beeinflussen Material und Zustand der Rohrwand die Messung.
Problematisch können beispielsweise sein:

• sehr dicke Rohrwände
• mehrschichtige Rohrleitungen
• starke Innenbeschichtungen
• Kunststoffrohre mit ungünstigen akustischen Eigenschaften
• ausgeprägte Korrosion
• Ablagerungen an der Rohrinnenwand

Die tatsächliche Rohrwanddicke sollte deshalb möglichst nicht nur aus Konstruktionsdaten übernommen, sondern bei kritischen Anwendungen überprüft werden.

Ablagerungen im Rohr

Ablagerungen können den Messquerschnitt und das Strömungsprofil verändern.
Beispiele: Kalk, Rost, Schlamm, Fett, Biofilm
Besonders problematisch sind Ablagerungen, wenn sie nicht gleichmäßig über den Rohrquerschnitt verteilt sind. Dadurch stimmen der vom Messgerät angenommene Rohrdurchmesser und die tatsächliche hydraulische Situation möglicherweise nicht mehr überein.

Falsche Schallgeschwindigkeit

Beim Ultraschall-Durchflussmesser spielt die **Schallgeschwindigkeit im Medium** eine wichtige Rolle.
Sie hängt unter anderem von Temperatur, Druck, Dichte und Zusammensetzung des Mediums ab.
Bei Flüssigkeiten mit veränderlicher Zusammensetzung oder Temperatur kann eine falsche Annahme der Schallgeschwindigkeit die Messung beeinflussen.

Nicht geeignete Messstoffbedingungen

Nicht jedes Medium eignet sich gleich gut für jedes Ultraschallverfahren. Das Laufzeitdifferenzverfahren funktioniert besonders gut bei sauberen Flüssigkeiten und Gasen.
Das Dopplerverfahren benötigt dagegen reflektierende Strukturen, beispielsweise:

• Feststoffpartikel
• Schwebstoffe
• Gasblasen

Eine vollkommen klare Flüssigkeit kann daher für einen Doppler-Durchflussmesser problematisch sein. Umgekehrt können zu viele Partikel oder Gasblasen beim Transit-Time-Verfahren die Ultraschallübertragung stören.

Luftblasen oder Gasblasen im Medium beim Laufzeitverfahren

Beim Laufzeitdifferenzverfahren müssen sich die Ultraschallwellen möglichst ungestört durch das Medium ausbreiten können. Luft- oder Gasblasen können die Ultraschallwellen stark streuen oder absorbieren.
Dadurch kann das Empfangssignal schwächer werden oder vollständig ausfallen.
Typische Symptome sind:

• schwankender Messwert
• Signalverlust
• Fehlermeldung
• plötzlich unrealistische Durchflusswerte

Besonders problematisch sind Messstellen, an denen sich Luft im oberen Bereich des Rohres sammeln kann. Abhilfe:
Eine vollständig gefüllte Rohrleitung sicherstellen und die Messstelle möglichst nicht an einem Hochpunkt der Rohrleitung installieren.

Zu geringe Strömungsgeschwindigkeit

Bei sehr kleinen Durchflüssen wird die zu messende Laufzeitdifferenz beziehungsweise Doppler-Frequenzverschiebung sehr klein. Das Signal kann dann nahe an der Messgrenze des Gerätes liegen.
Typische Folgen:

• unruhiger Messwert
• hohe relative Messabweichung
• Nullpunktprobleme
• wechselnde Anzeige

Hier sollte geprüft werden, ob der verwendete Durchflussmesser für den tatsächlich vorhandenen Messbereich geeignet ist.

Pulsierende oder stark schwankende Strömung

Eine Pumpe kann beispielsweise eine **pulsierende Strömung** erzeugen. Der Ultraschall-Durchflussmesser misst dann einen zeitlich veränderlichen Durchfluss. Je nach Signalverarbeitung kann die Anzeige schwanken oder einen geglätteten Mittelwert anzeigen.
Das kann zu scheinbaren Abweichungen gegenüber einer anderen Messmethode führen.

Falsche Fließrichtung

Bei manchen Geräten muss die Fließrichtung korrekt konfiguriert werden. Eine falsch eingestellte Fließrichtung kann beispielsweise zu einem negativen Durchflusswert oder einer falschen Auswertung führen.
Bei bidirektionalen Ultraschall-Durchflussmessern ist dagegen gerade die Messung in beide Richtungen eine vorgesehene Funktion.

Besonderheiten beim Dopplerverfahren

Beim Dopplerverfahren gibt es eine zusätzliche wichtige Fehlerquelle:
Die Partikelgeschwindigkeit muss repräsentativ für die Strömungsgeschwindigkeit sein. Nicht alle Partikel bewegen sich zwangsläufig mit exakt derselben Geschwindigkeit wie das Medium. Größe, Dichte und Verteilung der Partikel können das Messergebnis beeinflussen. Außerdem kann die Konzentration der reflektierenden Partikel über den Rohrquerschnitt unterschiedlich sein. Deshalb ist die Doppler-Messung besonders abhängig von den Eigenschaften des Mediums.

Typische Fehlersymptome und mögliche Ursachen