Workshop "Meßtechnik für stationäre und transiente ...

ULTRASCHALL-DOPPLER-MESSTECHNIK ZUR DIAGNOSE
INSTATIONÄRER MEHRPHASEN-STRÖMUNGSVORGÄNGE
1. Einleitung
Olaf Specht, Otto Fiedler
UniversitZit Rostock, FB Elektrotechnik
Olaf Skerl
Bad Doberan
In vielen Bereichen der Technik und in der Industrie besteht zunehmend die
Forderung nach einer flexiblen, nichtinvasiven Meßtechnik für Strömungs-
geschwindigkeiten und Durchflüsse. Die Ultraschall-Clamp-On-Meßtechnik kann
diese Anforderungen erfüllen und wird in wachsendem Umfang eingesetzt. Die
Anwendung dieser Technik setzt nur die akustische Transparenz der Rohrwand vor-
aus, was für die meisten Materialien wie Metalle, Kunststoffe und Glas der Fall ist.
Bei überwiegend einphasigen Fluiden wird das Ultraschall-Laufzeit-Verfahren
gegenüber dem Doppler-Verfahren bevorzugt. Das Ultraschall-Doppler-Verfahren ist
nach seinem Wirkprinzip auf mehrphasige Fluide angewiesen, denn es nutzt die
Frequenzverschiebung der an den Phasengrenzen rückgestreuten Schallwellen als
Meßgröße für die Strömungsgeschwindigkeit [I].
2. Meßpnnzip der CW-Ultraschall-Doppler-Durchflußmessung
Das Bild 1 zeigt den typischen Aufbau einer Meßanordnung zur Durchflußmessung
mit Hilfe von Ultraschallwellen nach dem Doppler-Prinzip. Diese Anordnung arbeitet
nach dem CIamp-On-Verfahren. Das heißt, die Ultraschallschwinger (Sender S und
Empfänger E) werden auf der Oberfläche der Rohrwand positioni&.
Bei der Ultraschall-Doppler-Durchfiuß-
messung werden von einem Schall-
wandler (Sender S) ständig Ultraschall-
wellen bekannter Frequenz unter einem
bestimmten Winkel a in das fließende
Medium eingestrahlt. Feststoffteilchen,
kleinste Luftblasen oder Inhomogenitäten
wie zum Beispiel kleine Wirbel, die sich
mit der Strömung mitbewegen, wirken als
Streuteilchen für die Ultraschallwellen
und streuen diese unter anderem auch in
die Richtung des Empfangsschaf I-
wandlers E unter einem Winkel P. Am Bitd 1
Empfänger E werden die Rückstreu-
signafe afl der Streuteilchen summieren, die sich zur gleichen Zeit im Meßvolumen V
befinden. Da sich die Teilchen gegenüber dem Ultraschallsender wie auch gegen-
über dem Empfänger bewegen, erfahren die auf dem Empfangsschallwandler
registrierten Schallweflen eine zweifache Frequenzverschiebung Af nach dem
Doppler-Effekt gegenüber der Sendefrequenz fs. Unter der Voraussetzung, da8 die
Fließgeschwindigkeit v sehr viel kleiner ist als die Schallgeschwindigkeit c im Fluid
beschreibt die Gleichung I diesen Doppler-Effekt:
Af = fi (cosa + cosp) (1 ).
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