Bronkhorst

Ultraschall-Durchflussmesser: Wie funktionieren sie?

Schall, insbesondere Ultraschall, dessen Frequenz über dem Hörbereich des menschlichen Ohres liegt, ermöglicht die Messung des Durchflusses von Flüssigkeiten. Es gibt einige Ultraschall-Durchflussmessprinzipien, und daher ist ein Ultraschall-Durchflussmesser sehr vielseitig. Wir können Ultraschall-Durchflussmesser basierend auf Ultraschallwellentechnologie und den konventionelleren Messprinzipien wie dem Doppler-Effekt und dem Laufzeitprinzip unterscheiden. Nicht alle diese Messprinzipien eignen sich für geringe Flüsse reiner Flüssigkeiten.

Tauchen wir tiefer in dieses Thema ein: Wie funktionieren Ultraschall-Durchflussmesser?

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1. Konventionelle Ultraschall-Durchflussmessprinzipien

In der medizinischen Welt ist die Ultraschallbildgebung eine Möglichkeit, in den menschlichen Körper zu schauen und Organe sichtbar zu machen. Eine Weiterführung der Ultraschallbildgebung kann auf diese Weise auch die Fließgeschwindigkeit des Blutes in Arterien oder Venen gemessen werden, was nützlich ist, um Verengungen in diesen Blutgefäßen zu erkennen. Hier wird der konventionelle Doppler-Effekt angewendet, um die Durchflussrate zu messen.

Doppler-Effekt Prinzip
Ultraschall-Durchflussmesser Funktionsprinzip - Doppler-Effekt

Ultraschall-Durchflussmesser Funktionsprinzip - Doppler-Effekt

Der Doppler-Effekt ist ein allgemein bekanntes Phänomen, das jeder erlebt, wenn er den vorbeifahrenden Rettungswagen mit heulenden Sirenen hört. Ihnen ist vielleicht aufgefallen, dass der Ton der Sirene höher erscheint, wenn der Rettungswagen sich Ihnen nähert und tiefer, wenn er sich von Ihnen entfernt. Dies erklärt sich dadurch, dass Schallwellen in gewissem Maße komprimiert werden, wenn sich der "Sender" mit einer bestimmten Geschwindigkeit auf Sie zubewegt, was zu einer höheren Frequenz und damit zu einem höheren Ton führt. Ähnlich dehnen sich Schallwellen aus, wenn sich der Sender entfernt, was zu einem niedrigeren Ton führt.

Etwas Vergleichbares tritt auf, wenn die Fließgeschwindigkeit des Blutes in der Ultraschallbildgebung gemessen wird: Die Frequenz der Ultraschallwelle ändert sich, wenn sich bewegende Partikel wie rote Blutkörperchen in den Blutgefäßen diese Wellen reflektieren. Da die Änderung der Frequenz direkt mit der Geschwindigkeit der sich bewegenden (und reflektierenden) Partikel verknüpft ist, ist diese Frequenzverschiebung ein Maß für die Fließgeschwindigkeit der reflektierenden (und sich bewegenden) Partikel und damit der Flüssigkeit, die diese Partikel enthält. Dies zeigt die Begrenzung des Doppler-Effekts für die Messung des Flüssigkeitsdurchflusses: Die Flüssigkeit muss Partikel - feste Partikel oder mitgeführte Luftblasen - enthalten, die die Ultraschallwellen reflektieren. Diese Technik eignet sich daher nicht für Flüssigkeiten ohne Partikel.

Laufzeitprinzip
Ultraschall-Durchflussmesser Funktionsprinzip - Laufzeitprinzip

Ultraschall-Durchflussmesser Funktionsprinzip - Laufzeitprinzip

Eine weitere konventionelle Möglichkeit, Ultraschall zur Durchflussmessung zu verwenden, die nicht auf Partikeln in der fließenden Flüssigkeit beruht, besteht darin, einen Ultraschallsender an einer Seite eines Flüssigkeitsrohrs zu positionieren und einen Sensor diagonal gegenüber. Bei einem Flüssigkeitsfluss durch das Rohr ist der Unterschied in der Laufzeit der Ultraschallwelle vom Sender zum Sensor in aufwärts und abwärts gerichteter Richtung ein direktes Maß für die Fließgeschwindigkeit der Flüssigkeit. In Kombination mit dem bekannten Querschnitt des Rohrs wird der Volumenstrom berechnet.

Die Durchflussmessung basierend auf Laufzeiten funktioniert am besten für Rohre mit großem Durchmesser und hohen Durchflussbereichen mit praktisch messbaren Laufzeitunterschieden, nicht jedoch für Rohre mit kleinem Durchmesser und geringe Durchflüsse. Der Schall, der sich in einem Rohr mit kleinem Durchmesser vom Sender zum Empfänger bewegt, hat eine entsprechend kurze Laufzeit und das zu messende Zeitfenster wird schwieriger zu messen. 

Obwohl dies zeigt, dass (Ultra)Schall zur Durchflussmessung verwendet werden kann, sind Prinzipien, die den Doppler-Effekt oder konventionelle Laufzeiten anwenden, nicht für reine Flüssigkeiten oder geringe Durchflüsse geeignet. Zu diesem Zweck steht eine andere Lösung zur Verfügung: Ultraschallwellentechnologie.


Ultraschall-Durchflussmesser mit Ultraschallwellentechnologie
Ultraschallwellentechnologie

2. Ultraschall-Durchflussmesser mit Ultraschallwellentechnologie

Wie kann man die Durchflussmessung für reine (sowie nicht reine) Flüssigkeiten mit einem geringen Durchfluss von bis zu 0,4 Litern pro Minute ermöglichen? Für diesen Zweck eignet sich eine Technik, die auf der Ausbreitung von Ultraschallwellen in einem sehr kleinen, geraden Sensorrohr ohne Hindernisse oder tote Bereiche basiert und somit geringe Flüsse ermöglicht.

In der Praxis funktioniert dies folgendermaßen: Die Flüssigkeit fließt durch den Sensor. Auf der Außenfläche des Sensors sind mehrere Ultraschallwandlerringe radial entlang des Rohrs positioniert, die durch Schwingungen Ultraschallwellen erzeugen. Jeder Wandlerring kann senden und empfangen - alle Kombinationen mit und gegen den Strom werden aufgezeichnet und verarbeitet. Durch ausreichend großen Abstand zwischen den Wandlern sind die Laufzeitunterschiede zwischen den Aufzeichnungen ausreichend groß (im Nanosekundenbereich), um eine zuverlässige Fließgeschwindigkeit der Flüssigkeit zu berechnen. Dieser Effekt wird durch eine intelligente Filterung störender Schallwellen weiter verbessert.


3. Ultraschall-Durchflussmesser von Bronkhorst basieren auf der Ultraschall-Durchflussmessung

Ultraschall-Durchflussmesser der ES-FLOW-Serie von Bronkhorst können Volumenströme von 0,4 bis 1500 ml/min mithilfe von Ultraschall messen und regeln. Sie bestimmen effektiv die Fließgeschwindigkeit, die, wenn sie mit dem bekannten Rohrquerschnitt im Gerät multipliziert wird, zu volumetrischen ausgegebenen Flüssigkeitsströmen führt. Weitere Informationen zum Massendurchfluss versus Volumendurchfluss finden Sie in unserem Knowledge Base.

Die robusten und vielseitigen Ultraschall-Durchflussmesser der ES-FLOW-Serie sind unempfindlich gegen externe Vibrationen und können grundsätzlich mit Flüssigkeiten arbeiten, die kleine Partikel und gelöstes Gas enthalten. Darüber hinaus kann die in diesem Gerät verwendete Ultraschallwellentechnologie automatisch die Mediums-Schallgeschwindigkeit selbst ermitteln und verwenden, sodass die Technologie unabhängig vom Medium ist und beim Wechsel dessen keine Nuekalibrierung benötigt.
 

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Wie können Sie vom ES-FLOW Ultraschall-Durchflussmesser profitieren?

  1. Ein vielseitiger Durchflussmesser für alle Flüssigkeiten: Haben Sie 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.
  2. Kompaktes, hygienisches Design: 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.
  3. Erweiterte Signalverarbeitung: Die integrierte PID-Regelung kann zur Ansteuerung einer Pumpe oder eines Ventils genutzt werden. Der Anwender ist damit in der Lage, einen kompletten Regelkreis mit kurzen Reaktionszeiten aufzubauen. Der ES-FLOW kann auch als eigenständiges Dosiergerät betrieben werden.

Unsere Ultraschall-Geräte

ES-FLOW zum thermischen Spritzen

4. Anwendungen, in denen Ultraschall-Durchflussmesser eine gute Wahl sind

In einem Bonbonherstellungsprozess 

Das gerade Sensorrohr ohne Hindernisse oder Totbereiche sowie die Selbstentleerbarkeit erfüllen die hygienischen Standards, die für die Lebensmittel- und Getränkeverarbeitung erforderlich sind. Daher wird der ES-FLOW-Ultraschall-Durchflussmesser in diesem Anwendungsbereich eingesetzt. Diese Instrumente werden beispielsweise verwendet, um die Menge an Farbstoff, Aromastoff und Säure zu messen, die als Zusatzstoffe in einem Bonbonherstellungsprozess zugeführt werden, um die Qualitätssicherung des Prozesses zu verbessern.
 

Ultraschall-Durchflussmesser in HVOF-Sprühverfahren

Die ES-FLOW-Ultraschall-Durchflussmesser-Serie wird in HVOF-Sprühverfahren eingesetzt, um Beschichtungen aufzubringen, die Verschleiß, Korrosion und Temperaturbeständigkeit verbessern. In dieser Anwendung ermöglicht der ES-FLOW eine bessere Kontrolle der Beschichtungsqualität und -dicke, indem er eine Pumpe steuert, um den gewünschten Prozessdruck zu erreichen. 
 

ES-FLOW Ultraschall-Durchflussmesser in der mRNA-Impfstoffherstellung

Bei Mischsystemen zur mRNA-Impfstoffherstellung werden ES-FLOW-Ultraschall-Durchflussmesser für CIP (Reinigung an Ort und Stelle) verwendet, um zwischen verschiedenen Chargen die Prozessleitungen mit flüssigen Reinigungsmitteln spülen zu können.

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