Ultraäänivirtausmittausperiaate

Tätä menetelmää käytetään nesteiden ja kaasujen mittaamiseen ja se hyödyntää sitä tosiasiaa, että nesteen nopeus vaikuttaa suoraan nesteen ääniaaltojen etenemisnopeuteen. Yksinkertaisesti: vastavirtaan uiminen vaatii enemmän voimaa ja aikaa kuin myötävirtaan uiminen. Ultraäänivirtausmittaus kulkuaikavaikutusta hyödyntäen perustuu tähän yksinkertaiseen fyysiseen faktaan (katso kuva 1).

Tässä menetelmässä anturit toimivat pareittain. Yksi tai useampi anturipari on asennettu putkeen, ja ne lähettävät ja vastaanottavat ultraäänipulsseja jaksoissa (merkitty signaalilla t₁ ja t₂ alla olevassa kuvassa). "Nollavirtauksessa" signaali t₁ on samanlainen kuin t₂:ssa, esim. ilman kulkuajan viivettä. Mutta virtaavassa nesteessä ultraääniaallot edellyttävät erilaisia ajanpituuksia (virtauksesta riippuvaisia) toisen anturin saavuttamiseksi. Tämä aikaan saa kulkuajan (t₂ – t₁). Jos kahden anturin välinen etäisyys tunnetaan, mitattu kulkuaikaero on suoraan verrannollinen virtausnopeuteen. Molemmat anturit on kytketty lähettimeen. Lähetin kiihdyttää antureita tuottamaan ääniaaltoja ja mittaa näiden aaltojen kulkuajan, joka etenee anturista toiseen:

Doppler-virtausmittari käyttää Dopplerin vaikutusta (jota joskus kutsutaan myös Dopplerin ilmiöksi) virtauksen mittaamiseksi. Tämä fysiikan ilmiö on meille kaikille arkielämästä. Siihen sisältyy aaltojen heijastuminen liikkuvista esineistä. Esimerkiksi ambulanssisireenin äänitaajuus putoaa selvästi, kun se on ajanut ohi. Siten Dopplerin ilmiö on ääniaaltojen taajuuden lisääntyminen (tai vähenemistä), kun äänilähteen ja reseptorin välinen etäisyys kasvaa tai lyhenee.

Doppler-mittarit toimivat vain, jos neste sisältää hiukkasia, kaasukuplia tai vastaavia, jotka heijastavat injektoituja ääniaaltoja. Doppler-mittari edellyttää yhtä anturia, joka toimii sekä lähettimenä että vastaanottimena. (Kuva 2).

Dopplerin ja kulkuajan differentiaalimenetelmän lisäksi virtaus voidaan mitata myös ristikorrelaatiomenetelmällä. Tämä menetelmä mittaa virtausta tunnistamalla häiriöiden tai virtausprofiilikuvion kulun virtauksessa yhdessä mittauskohdassa. Se havaitsee miten pitkän aikaa (kulkuaika) häiriöiden on kuljettava seuraavaan mittauspisteeseen. Kahden mittauspisteen etäisyys (AX) tunnetaan ja kulkuaika mitataan. Tämän perusteella voidaan laskea virtausnopeus ja tilavuusvirta.

Tätä menetelmää voidaan käyttää mittauksiin, joissa on erittäin suuret virtausnopeudet ja/tai korkeat pitoisuudet kiinnittyneitä kaasukuplia tai hiukkasia. Se edellyttää voimakasta signaalinkäsittelyä ja laitteistoa, jolla voidaan käsitellä monia tarvittavia häiriöiden ja/tai kuvioiden laskelmia ja vertailuja.