Durchflussmessung mittels Fließgeschwindigkeitsmessverfahren

In Rohren und offenen Kanälen ergibt sich die zu bestimmende Durchflussmenge aus dem Mittel der Geschwindigkeiten, d.h. aus der Integration aller lokalen Geschwindigkeiten über die Profilfläche, multipliziert mit dem durchflossenen Profilquerschnitt (Kontinuitätsgleichung).
Es werden physikalische Phänomene genutzt, bei denen ein eindeutiger Zusammenhang zwischen Geschwindigkeit und Messgröße besteht.
Zu den Fließgeschwindigkeitsmessverfahren gehören magnetisch-induktive Geräte (MIDs), Ultraschall-Laufzeitdifferenz – sowie Ultraschall-Doppler-Messgeräte.
In vollgefüllten Rohrleitungen werden zumeist magnetisch-induktive Messgeräte eingesetzt, aber auch Ultraschall-Laufzeit-Messgeräte kommen vor. MIDs berücksichtigen die Geschwindigkeit im gesamten Fließquerschnitt, während US-Laufzeitdifferenzgeräte eine Geschwindigkeit erfassen, die über eine oder mehreren Messgeraden gemittelt ist.

Für teilgefüllte Rohrleitungen und Gerinne werden zwar auch induktive Messgeräte angeboten, von größerer Bedeutung sind aber Ultraschallgeräte.

In der Praxis wird die Zahl der Geschwindigkeitsmessstellen im Messprofil des offenen Gerinnes auf wenige oder gar eine reduziert. Der vom Sensor gelieferte Geschwindigkeitswert sollte repräsentativ für die mittlere Geschwindigkeit im Profil sein. Der Wasserstand wird mit einem zweiten Sensor gemessen (siehe Wasserstandsmessung).
Bei Kenntnis des Rohr- oder Kanalprofils wird dann aus der durchströmten Fläche und der mittleren Fließgeschwindigkeit der Durchfluss bestimmt.

  1. Ultraschallverfahren (Dopplerverfahren)
  2. Bei dem Dopplerverfahren wird eine konstante Frequenz ins Medium ausgesendet. Bewegen sich die Streukörper im Medium, so ist die Frequenz seines reflektierten Signals gegenüber der des Sendesignals verschoben. Diese Frequenzverschiebung ist proportional zur Streukörpergeschwindigkeit.
    Das einfache Dopplerverfahren kann keine entfernungsselektive Geschwindigkeitsmessung durchführen, sondern liefert einen einzigen Wert aus dem ganzen Profil.

    Puls-Dopplerverfahren
    Das Verfahren arbeitet mit periodischen Sendesignalfolgen. Eine Sendeperiode besteht aus einem Sendesignalfenster und einer Anzahl gleich langer Empfangsfenster. Im Betrieb ist ein Empfangsfenster eingeschaltet, das eine bestimmte Echolaufzeit (Entfernungszelle) repräsentiert. Das Dopplersignal wird nun gewonnen, indem man aus diesem Empfangsfenster die Abtastwerte Periode für Periode aneinanderreiht, abspeichert und mittels der Spektralmethode (Fuzzy Logik) auswertet.
    Anschließend wird auf das nächste Empfangsfenster (Entfernungszelle) umgeschaltet.
    Vorteil: Mit dem Puls–Dopplerverfahren können entfernungsselektive Dopplerspektren bestimmt und ausgewertet werden. Das Verfahren funktioniert bei Flüssigkeiten mit einem Kleinststreukörperanteil. Der gemessene Geschwindigkeitswert ist mit hoher Genauigkeit repräsentativ für das Gesamtmittel.
    Als Signalauswertung wird bei dem W.A.S. Ultrasonic-Flow-Observer (W.A.S. UFO) das klassische Puls–Dopplerverfahren verwendet. Dieses Verfahren liefert eine entfernungsabhängige Geschwindigkeitsmessung, also ein Geschwindigkeitsprofil bei beliebiger Streukörperverteilung im Medium. Die Entfernungsreichweite für die Geschwindigkeitsmessung ist abhängig von der Klarheit des Wassers und kann bis zu mehreren Metern betragen.
    Das Puls-Dopplerverfahren findet Anwendung zur Erfassung von Fließgeschwindigkeiten in Entwässerungssystemen.

  3. Ultraschallverfahren (Laufzeit-Korrelationsverfahren)
  4. Bei dem Laufzeit-Korrelationsverfahren wird mittels des Puls-Echoprinzips das Echobild der in der Flüssigkeit befindlichen Streukörper empfangen und abgespeichert. Bei wiederholter Aussendung verschiebt sich dieses Echobild auf der Zeitachse, wenn sich die Streukörper relativ zum Sensor bewegen. Das Maß der Zeitverschiebung lässt sich durch Korrelationsmethoden der Echomuster zueinander bestimmen. Diese Zeitverschiebung ist proportional zur Streukörper- also zur Strömungsgeschwindigkeit.
    Das gelieferte Geschwindigkeitsprofil liefert einen Mittelwert, der repräsentativ für das Gesamtmittel ist.
    Bei Flüssigkeiten mit homogener Streukörperverteilung (z.B. bei hohem Fremdwasseranteil oder Niederschlagswasser), die einzeln im Echobild nicht mehr sichtbar sind, bestehen kaum noch markante Korrelationsmuster in den Echobildern. Das Echosignal gleicht einem statistischen Rauschen.

  5. Ultraschallverfahren (Laufzeitdifferenzprinzip)
  6. Bei dem Laufzeitdifferenzprinzip werden zwei Ultraschallwandler auf einer Strecke diagonal zur Strömung installiert. Mittels Ultraschallsignale wird die Differenzlaufzeit zwischen Hin- und Rücklauf des Ultraschalls bestimmt.
    Bewegt sich eine Schallwelle in einem Medium entgegen der Strömungsrichtung, benötigt sie eine größere Laufzeit, als eine Schallwelle, die sich mit der Strömungsrichtung bewegt.
    Die Differenz dieser beiden Laufzeiten in einem Messpfad ist proportional zur Fließgeschwindigkeit.
    Über die Geometrie des durchflossenen Querschnitts kann somit der Durchfluss berechnet werden.
    Anwendung findet dieses Prinzip in Oberflächengewässern sowie in großen Kanälen.

  7. Magnetisch-induktives Verfahren
  8. Magnetisch induktive Durchflussmesser (MID) sind Messgeräte zur linearen Durchflussmessung flüssiger Messstoffe. Sie sind ausschließlich zur Messung des Volumendurchflusses elektrisch leitfähiger Flüssigkeiten geeignet.
    Das Funktionsprinzip des MID beruht darauf, dass das Messgut durch ein Magnetfeld strömt und die dadurch erzeugte Spannung, die direkt proportional von der mittleren Fließgeschwindigkeit abhängt, mit zwei Elektroden erfasst wird.
    In der Praxis finden diese Systeme hauptsächlich als stationäre Durchflussmesseinrichtung in vollgefüllten oder auch teilgefüllten Rohrleitung als „Ring-MID“ Verwendung.
    Die Bedeutung von mobilen „Kanalmäusen“ mit magnetisch-induktivem Fließgeschwindigkeitsmessverfahren tritt immer mehr in den Hintergrund.




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