Bestimmung kleiner Volumenströme mit Ultraschallwellen - Der neue ES-FLOW™

Immer mehr Firmen in verschiedensten Industriebereichen gehen in Richtung kleiner Durchflüsse. Insbesondere in der chemischen Industrie, in der Lebensmittel- und in der Pharmabranche geht der Trend in Richtung kontinuierlicher Produktionsprozesse, Vermeidung von Abfällen, geringerer Standzeiten und höherer Flexibilität. Dies erfordert die Messung und Regelung kleiner Durchflüsse.

Auf dem Markt gibt es eine Vielzahl von Ultraschall-Messgeräten für größere Durchflüsse mit Rohrquerschnitten ab etwa 1 Zoll bzw. 25 mm. Es ist allerdings ungleich schwieriger, einen Ultraschall Durchflussmesser für kleinere Rohrdurchmesser zu bekommen. Herkömmliche Ultraschall-Durchflussmesser arbeiten entweder auf Basis des Doppler-Effektes oder über eine Transitzeit-Messmethode. Beide Methoden sind geeignet für große Rohrquerschnitte, stoßen aber bei kleineren Durchmessern an ihre Grenzen.

Wie sieht es aus mit Ultraschall-Durchflussmessungen bis 1500 ml/min oder weniger?

Aufgrund der Komplexität von Physik und Technik gibt es in diesem speziellen Strömungsbereich nicht viele Messprinzipien, insbesondere keine Ultraschall-Durchflussmesser. Die große Herausforderung bestand also darin, eine Lösung für Ultraschall in Rohren mit sehr kleinen Durchmessern zu finden. In enger Zusammenarbeit mit TNO (niederländische Organisation für angewandte wissenschaftliche Forschung) konnte Bronkhorst mit der Ultraschallwellentechnik ein innovatives Instrument entwickeln. Diese Technologie wird in der neuen ES-FLOW™ -Serie zur Messung von Flüssigkeitsvolumenströmen zwischen 4 bis 1500 ml/min unabhängig von Flüssigkeitsdichte, Temperatur und Viskosität mit einer Genauigkeit von 1% v.M. ± 1 ml/min angewendet.

Transducer Disc und Sensorrohr

Wie arbeitet der neue Ultraschall-Durchflussmesser?

Der ES-FLOW™ basiert auf Ultraschalltechnologie. Die Messung erfolgt in einem geraden Edelstahlrohr mit einem Innendurchmesser von 1,3 mm, ohne Hindernisse oder Totvolumina. An der Außenseite des Sensorrohres befinden sich mehrere Ultraschall-Sensoren (Transducer Discs), die durch radiale Oszillation Ultraschallwellen erzeugen. Jeder Messumformer kann senden und empfangen, daher werden alle Up- und Downstream-Kombinationen aufgezeichnet und verarbeitet. Durch genaues Messen der Zeitdifferenz zwischen den Aufnahmen (Nanosekundenbereich) werden die Strömungsgeschwindigkeit und die Geschwindigkeit des Schalls berechnet.

Bei der Kenntnis dieser Parameter und des exakten Röhrenquerschnitts ist der ES-FLOW™ in der Lage, Flüssigkeitsvolumen zu messen. Das Alleinstellungsmerkmal dieses Instrumentes ist dessen Fähigkeit, die aktuelle Schallgeschwindigkeit zu messen. Das heißt, die Technologie ist unabhängig vom Medium und eine Kalibrierung auf das aktuelle Fluid ist nicht nötig. Dazu kann die Schallgeschwindigkeit als Indikator für die im Strömungsmesser vorhandene Flüssigkeitsart verwendet werden.

Vier Gründe für die Verwendung des ES-FLOW™ Ultraschall-Durchflussmessers:

Ein Sensor für mehrere Flüssigkeiten: Viele Unternehmen haben wechselnde Prozessbedingungen und nutzen verschiedene Flüssigkeiten wie Additive oder Lösungsmittel. Da die ES-FLOW™ -Technik fluidunabhängig ist, wird bei Flüssigkeitswechsel keine Rekalibrierung benötigt. Auch nicht leitfähige Flüssigkeiten wie z.B. destilliertes bzw. demineralisiertes Wasser oder Lösemittel können gemessen werden.
Einfache Reinigung, geringes Verstopfungsrisiko: Reinigungsprozesse sind häufig sehr zeitraubend. Auf Grund des geraden Sensordesigns ohne Totvolumina haben Partikel und Verschmutzungen nur geringe Möglichkeiten, Ablagerungen zu bilden oder das Gerät zu verstopfen. Daher kann der Reinigungsprozess in wenigen Minuten durchgeführt werden, Ausfallzeiten werden so auf ein Mindestmaß limitiert.
Unempfindlich gegenüber Vibrationen: Die Ultraschallmessung ist unempfindlich gegenüber Vibrationen, weil er nicht mit Schwingungsfrequenzen oder Rotation arbeitet. Außerdem hat es keinen Einfluss, ob die Strömung laminar oder turbulent ist.
Integrierte PID-Regelung und schnelle Reaktionszeit: Die integrierte PID-Regelung kann zur Ansteuerung einer Pumpe oder eines Ventils benutzt werden. Der Anwender ist damit in der Lage, einen kompletten Regelkreis mit kurzen Reaktionszeiten aufzubauen.