Nicht-invasive Sensoretchnologie auf Basis geführter akustischer Wellen für eine eichfähige Bestimmung des Durchflusses von Flüssigwasserstoff sowie anderer kryogener Flüssigkeiten und Energieträger

In dieser Arbeit wird ein Ansatz zur ultraschallbasierten Durchflussmessung unter Verwendung von Zylindermoden vorgestellt. Im Gegensatz zu etablierten Verfahren wie der diagonalen Durchschallung oder Lambwellen wird hierbei das gesamte Rohr samt Fluid zum Schwingen angeregt, wodurch eine nicht-invasive Messung über die Rohrwand ermöglicht wird. Zur gezielten Sensorauslegung wurde ein Berechnungsansatz entwickelt, der auf der Analyse von Dispersionsdiagrammen mit und ohne Hintergrundströmung basiert. Dadurch lässt sich der zu erwartende Messeffekt aus der Änderung der Phasen- und Gruppengeschwindigkeit bestimmen. Die Simulationen wurden mit COMSOL Multiphysics unter Berücksichtigung turbulenter Strömungsprofile durchgeführt und dienten der Identifikation eines optimalen Arbeitspunktes, der bei 280 kHz gefunden wurde. Darauf aufbauend wurde ein Sensor mit ringförmig angeordneten Piezokeramiken entwickelt und experimentell an einem Wasserprüfstand validiert. Die Messergebnisse zeigen eine gute Übereinstimmung der berechneten und experimentell bestimmten Signallaufzeitverschiebungen. Insgesamt demonstriert die Arbeit, dass die Berechnung von Dispersionsdiagrammen mit Hintergrundströmung eine effiziente und zielgerichtete Entwicklung von Ultraschalldurchflusssensoren ermöglicht und großes Potenzial für zukünftige Anwendungen bietet.

This paper explores an alternative approach to ultrasonic flow measurement using guided acoustic waves in cylindrical modes. Unlike conventional methods with diagonal sound propagation, the entire pipe including the fluid is excited to vibrate, reducing path-dependent correction factors. A ring-shaped sensor was developed for a DN15 steel pipe. Results show a signal time shift 2.5 times greater than with Lamb wave-based sensors, adjustable over distance. This approach enables precise, non-invasive flow measurement across various pipe diameters.