Scherwellen und Lambwellen

Die Ultraschall-Durchflussmessung an Gasen beruht auf demselben Grundprinzip wie die Messung an Flüssigkeiten (mehr).

Die "klassische" Clamp-On-Ultraschall-Durchflussmessung von Flüssigkeiten verwendet Scherwellensensoren. Die Ausbreitung von Scherwellen kann auf ähnliche Weise beschrieben werden wie die Ausbreitung von Lichtstrahlen: Ein bestimmter Anteil des Ultraschallsignals, das von einem auf der Außenwand einer Rohrleitung montierten Ultraschallsender emittiert wird, durchquert die Grenzschicht zwischen Wandmaterial und Flüssigkeit und dringt in das Flüssigkeitsvolumen ein, der Rest wird in das Rohrmaterial zurück reflektiert.

Arbeitet man mit Scherwellen in Gasen, so kann nur ein kleiner Teil des emittierten Signals in das Gasvolumen eindringen und den Empfänger auf der anderen Seite des Rohres erreichen. Der Grund für die starke Reflexion an der Grenzschicht zwischen Rohrwandung und Gas ist der große Dichteunterschied zwischen dem Rohrmaterial und dem zu messenden Gas. Weiterhin ist die Dämpfung des Signals in einem Gas wesentlich höher als in einer Flüssigkeit, so dass nur ein sehr kleiner Teil des emittierten Signals den Empfänger erreicht. Eine ausgeklügelte Signalverarbeitung und eine Menge Erfahrung sind deshalb nötig, um das Nutzsignal vom Störsignal zu trennen.

Alternativ kann man jedoch einen anderen Typ von Schallwellen zur Messung nutzen, die Lambwellen. Lambwellen sind sog. Plattenwellen, die sich parallel zur Rohrwandung ausbreiten. Diese Lambwellen dringen über eine vergleichsweise große Distanz in das Gasvolumen ein und transportieren daher im Vergleich zu den Scherwellen wesentlich mehr Ultraschallenergie in das Gas. Man kann in diesem Fall die Rohrwandung selbst als einen Ultraschallsender betrachten.

Verwendet man Lambwellensensoren für die Durchflussmessung, so muss die Wellenlänge des verwendeten Ultraschallsignals - innerhalb einer gewissen Toleranz - in einem bestimmten Verhältnis zur Rohrwandstärke stehen, so dass ein Lambwellensensor mit einer bestimmten Sensorfrequenz nur innerhalb eines gewissen Wandstärkenbereichs verwendbar ist.

Für Scherwellensensoren gibt es dagegen keine obere Grenze für die Rohrwandstärke: Sie arbeiten einwandfrei auch an Rohren mit sehr großen Wandstärken, beispielsweise an Hochdruckleitungen. Bei niedrigen Drücken sind die Lambwellensensoren vorzuziehen, da die Scherwellensensoren in diesem Falle aufgrund der niedrigen Gasdichte nur schwache Signale liefern.

Jeder Sensortyp hat somit seinen charakteristischen Einsatzbereich. Sämtliche Messumformer von FLEXIM sind mit beiden Sensortypen kompatibel, so dass das Messsystem der jeweilige Messaufgabe optimal angepasst werden kann.