23.07.2014

Akustischer Fingerabdruck

Mit der Surface-Acoustic-Wave-Technologie (SAW) der FloWave-Durchflussmessgeräte nutzt Bürkert als erstes Unternehmen weltweit mikroakustische Wellen in einer Wellenleiter-Konfiguration, um innerhalb eines Messrohrs und in Echtzeit den Mediumsdurchfluss und dessen Temperatur in Rohrleitungen zu bestimmen. Dank SAW eröffnet sich auch das Potenzial, das Produkt bis hin zum Multiparametergerät mit Messwerten wie Dichte und Massendurchfluss zu nutzen.

Autor: Volker Erbe, Product Manager Sensors, Bürkert Fluid Control Systems


Bild 1: Mit dem Durchflussmesser FloWave wird eine neu konzipierte Gerätelinie auf Oberflächenwellen-Basis vorgestellt.
Bild: Bürkert Werke GmbH

Mit der Produktreihe FloWave wird eine rundum neu konzipierte Gerätelinie auf SAW-Basis vorgestellt. Die Technologie führt zu einer kompakten Bauweise und einem geringen Gewicht der Messgeräte. Der SAW-Sensor als fester Bestandteil des Messrohrs ist mit einem Transmitter verbunden, der sowohl das Bedieninterface beinhaltet als auch die nötigen Ausgangssignale erzeugt. Der Aufbau ist modular und bietet so die Vielfachnutzung der Einzelkomponenten. Das Messgerät kann ohne Einschränkungen in horizontaler und vertikaler Einbaulage betrieben werden und arbeitet auch bei stehenden Flüssigkeiten, so dass selbst bei kleinstem Durchfluss Messergebnisse vorliegen. Die Verbindung der elektrischen Baugruppen ist nicht wie in der Vergangenheit analog, sondern voll digital angelegt. Das System setzt auf die neue Efficient Device Integration Plattform (EDIP) von Bürkert, die zukünftig von allen Geräten genutzt wird.

SAW-Funktionsprinzip

Für die SAW-Technologie wird eine Wellenausbreitung wie bei seismischen Aktivitäten genutzt. In den Sensoren werden die akustischen Oberflächenwellen durch einen speziell entwickelten piezoelektrischen Interdigitalwandler auf einer Rohroberfläche angeregt. Ähnlich wie beim optischen Wellenleiter (z.B. Glasfaserkabel) werden beim akustischen Wellenleiter Wellen auf einem Zick-Zack-Pfad durch das Messmedium (Flüssigkeit) geschickt (Bild 2). Der Rayleigh-Winkel, unter dem die Schallwellen in die Flüssigkeit ausgekoppelt werden, ist für jede Ausbreitungsgeschwindigkeit der Wellen individuell. Somit entsteht in Verbindung mit den zeitlichen Abläufen und den Empfangssignal-Charaktristiken sowie in Abhängigkeit davon, ob die Signale einfach oder mehrfach das Medium durchlaufen haben, ein 'akustischer Fingerabdruck' des Mediums, anhand dessen die Durchflussgeschwindigkeit, Dichte und Temperatur bestimmt werden kann und zusätzlich Aussagen über das Medium selbst ableitbar sind. Die fächerförmige Abstrahlung der Oberflächenwellen in das Medium und der Vielfach-Empfang der Signale machen das Messergebnis vom Strömungsprofil unabhängig und störungsresistent. Da das Verfahren ohne jegliche Elemente in der Rohrleitung auskommt, werden der Querschnitt und damit der Strömungswiderstand nicht verändert.

Viele Vorteile vereint

Ein großer Pluspunkt der patentierten Inline-Durchflussmessung in Flüssigkeiten mittels SAW-Technologie ist, dass es keinerlei Einbauten oder Verengungen im Messrohr gibt. Die Rohrinnenseite kann mit der gleichen Oberflächengüte hergestellt werden wie der Rest der Leitung und unterscheidet sich hinsichtlich Hygiene, Reinigung und Strömungsverhältnissen nicht von jedem anderen geraden Rohrstück. Es entstehen weder Druckabfälle noch Fluideinwirkungen auf Sensorelemente. Lediglich die Wahl der Sensorgröße und der Prozessanschlüsse ist anzugeben, um einen Sensor zu spezifizieren, was sich bei der Reduzierung der Geräteauswahl vorteilhaft auswirkt. Zusätzlich zum Volumendurchfluss können Temperatur und Dichte gemessen werden. Daraus lässt sich der Massendurchfluss ermitteln. Schnelle Durchflussveränderungen werden zuverlässig erkannt, weshalb das Gerät auch für hohe Abfüllgeschwindigkeiten geeignet ist. Störungen durch Anlagenvibrationen werden durch die Anregungsfrequenz von >1MHz ausgeschlossen. Auch magnetische und elektrische Effekte beeinflussen die Messung nicht. Die Unabhängigkeit von der Leitfähigkeit der Flüssigkeit erweitert den Einsatzbereich erheblich. Effekte, wie sie durch im Medium enthaltene Gasblasen oder bei Feststoffanteilen auftreten, sind bei der SAW-Technologie geringer oder lassen sich gesicherter erkennen. Als einziges Messverfahren kann die SAW-Technologie zudem zwischen laminaren und turbulenten Strömungen unterscheiden.

Portfolio und modulares Konzept

Das Kompaktgerät ist komplett aus Edelstahl gefertigt und wird zur Markteinführung in den Rohrnennweiten DN15, DN25, DN40 und DN50 mit Clamp-Anschlüssen konform zu verschiedenen Normen angeboten. Nenndrücke zunächst bis PN40 decken den Großteil der in Anlagen realisierten Druckstufen ab. Es kann mit oder ohne Display genutzt werden. Das Display als eigenes Modul kann seitlich oder oberhalb des Transmitters angeordnet und zusätzlich jeweils in 90°-Schritten gedreht werden. Die Spannungsversorgung erfolgt mit 24VDC. Zwei Kabeldurchführungen in M20 und eine dritte Durchführung mit einem M12-Stecker bilden die elektrischen Anschlüsse am Transmitter. Als Ausgangs-Signale stehen zunächst ein Analogausgang (AO, 4...20mA) sowie ein digitaler Ausgang (DO) zur Verfügung. Ein weiteres Signal kann per Parametrierung zwischen AO und DO umgeschaltet werden.

Empfehlungen der Redaktion

Einsatzgebiete

Die neuen Durchflussmessgeräte sind vorerst speziell auf Applikationen im Bereich Hygienic und für die Durchflussmessung von Wasser mit niedriger Leitfähigkeit qualifiziert. Bereits seit einiger Zeit zeigen umfangreiche Feldtests, welche Möglichkeiten sich mit der neuen Technologie eröffnen. In weiteren Entwicklungs- und Ausbauschritten wird die Technologie dann auch auf alle anderen relevanten Applikationen ausgebaut. Des Weiteren erfolgt eine Weiterentwicklung der Linie hinsichtlich Einsatzbreite und Funktionalität bis hin zum Multiparametergerät mit High-End-Funktionalität und Performance.

Anzeige