Prinsipp for ultralyd-mengdemåling

Denne metoden brukes for måling av både væsker og gasser og utnytter det faktum at forplantningshastigheten til lydbølger i et fluid påvirkes direkte av fluidets egen hastighet. Enkelt forklart: å svømme mot strømmen krever mer energi og tar lengre tid enn å svømme med strømmen. Ultralyd-mengdemåling basert på transittidseffekten bygger på dette enkle fysiske prinsippet (se figur 1).

I denne metoden arbeider sensorene i par. Ett eller flere sensorpar monteres på røret, og de sender og mottar ultralydbølger i rekkefølge (betegnet som signal t1 og t2 i figuren nedenfor). Ved “nullstrømning” er signal t1 likt t2, altså uten transittidsforskjell. Men når fluidet er i bevegelse, krever ultralydbølgene ulik tid (strømningsavhengig) for å nå den andre sensoren. Dette resulterer i en transittidsforskjell (t2 – t1).

Dersom avstanden mellom de to sensorene er kjent, er den målte transittidsdifferansen direkte proporsjonal med strømningshastigheten. Begge sensorene er koblet til en transmitter. Transmitteren eksiterer sensorene slik at de genererer lydbølger og måler transittiden til disse bølgene når de forplanter seg fra en sensor til den andre:

Q=K⋅|t1−t2|t1⋅t2

Q: Mengde (flow rate)
K: K = f (lengde på akustisk bane, forhold mellom radial og aksial sensoravstand, hastighetsfordeling (strømningsprofil), tverrsnitt)
t₁: Transittid t₁ (med strømningen)
t₂: Transittid t₂ (mot strømningen)

En Doppler-flowmåler bruker Doppler-effekten (noen ganger kalt Doppler-skiftet) for å måle flow. Dette fysiske fenomenet kjenner vi igjen fra hverdagen. Det innebærer refleksjon av bølger fra objekter i bevegelse. For eksempel faller lydfrekvensen fra en ambulansesirene tydelig når den har passert. Et Doppler-skift er altså en økning (eller reduksjon) i frekvensen til lydbølger når avstanden mellom lydkilden og mottakeren minker eller øker.

Doppler-målere fungerer bare dersom fluidet inneholder partikler, gassbobler eller lignende som kan reflektere de innsendte lydbølgene. En Doppler-måler krever kun én sensor, som fungerer både som sender og mottaker (Fig. 2).

I tillegg til Doppler‑ og transittidsdifferansemetoden kan flow også måles ved hjelp av krysskorrelasjonsmetoden. Denne metoden måler flow ved å registrere passeringen av en forstyrrelse eller et mønster i strømningsprofilen ved ett målepunkt, og deretter måle hvor lang tid (transittid) det tar for den samme forstyrrelsen å nå det neste målepunktet. Avstanden mellom de to målepunktene (Δx) er kjent, og reisetiden måles. Basert på dette kan flowhastigheten og volumflowen beregnes.

Denne metoden kan brukes ved svært høye flowhastigheter og/eller høyt innhold av innblandede gassbobler eller partikler. Den krever kraftig signalprosessering og maskinvare for å kunne utføre de mange nødvendige beregningene og sammenligningene av forstyrrelser og/eller mønstre.