WHITEPAPER – ULTRASCHALLSENSOREN ZUR VERBRAUCHSERFASSUNG
Dipl.-Phys. Birgit Schulze

Ultraschallsensoren zur Verbrauchserfassung inGebäudetechnik und Industrie
Höher integrierte Piezokeramik

Physik Instrumente (PI) GmbH & Co. KG_Auf der Römerstraße 1_76228 Karlsruhe
Tel. +49 721 4846-0, Fax +49 721 4846-1019 E-Mail info@pi.ws, www.pi.de

Seite 1 von 4

WHITEPAPER – ULTRASCHALLSENSOREN ZUR VERBRAUCHSERFASSUNG
Dipl.-Phys. Birgit Schulze

Sogenannte „Statische Zähler“ mit Ultraschallwandlern

Reaktionen. Prinzipiell ist sogar die Messung vonwerden beispielsweise in der Gebäudetechnik zur

Gasmengen mit Ultraschallverfahren möglich, allerdings

Verbrauchserfassung von Wasser eingesetzt (Abb. 1).

mit erhöhtem technischen Aufwand.

Aber auch Gasmengen können so erfasst werden. Als
Ultraschallwandler

kommenpiezoelektrische

Bauelemente in verschiedensten Ausformungen zum
Einsatz-Platten,

verschiedene

ScheibenMessprinzipien

oderliegen

Ringe.

Zwei

zugrunde,

dieMessung der Laufzeit und der akustische Dopplereffekt.

Durchflussmessung mittelsUltraschall
Die Laufzeitmessung und das sogenannte DopplerPrinzip(Phasendifferenz-Messung)grundlegenden

Messverfahren

Durchflussmessung.

DieinsinddiederUltraschall-jeweiligen

zwei

verwendetenPiezoschwinger erzeugen Ultraschallwellen, die schräg
zur Strömungsrichtung in die Flüssigkeit eingekoppelt
werden.
Die Laufzeitmessung, auch Mitführprinzip genannt,
basiertaufdem

wechselseitigen

SendenundEmpfangen von Ultraschallimpulsen in und gegen dieStrömungsrichtung. Dabei werden zwei Piezowandler,die sowohl als Sender als auch Empfänger arbeiten, ineiner

Schallstrecke

schrägzur

Strömungsrichtung

angeordnet (Abb. 2).

Abb. 1 Ein klassischer Flügelrad-Zähler erfasst imHaushalt die verbrauchte Wassermenge – dieVerbrauchs- und Durchflussmessung im industriellen
Maßstab erfolgt allerdings immer häufiger mit Hilfe vonUltraschallmessgebern
Die Messung von Durchflussmengen ist in vielen
Bereichen die Basis für einen geregelten Ablauf vonProzessen.

Beispiele

Gebäudetechnik,
Warmwasser

woderoder auchFernwärmeleitungeneinerseits

hierfürdiesinddiemoderneVerbrauch

vonWasser,vonerfasstkorrekte

Heizenergie

werdenMenge

wiemuss,

abgerechnet,

in

damit
undAbb. 2 Prinzip der Laufzeitmessung mit UltraschallDie

Mitführung

Medium(flüssigÜberlagerung
undVerfügung gestellt werden kann.

geschwindigkeit

derIndustrieautomation

undspeziellinderodervonandererseits in ausreichendem Maß vom Versorger zur

Nicht minder sensibel sind die Abläufe beispielsweise in

des Wellenpakets

imgasförmig)

strömenden

bewirkt

eine

Schallausbreitungsgeschwindigkeit

Strömungsgeschwindigkeit.
bestimmt

sichDie

Strömungs-proportional

zumKehrwert der Laufzeitdifferenz mit und gegen dieStrömung.

Chemieindustrie. Die Messung mittels Ultraschalltechnik

Beim

dient hier der Erfassung von Volumenflüssen. Anstatt die

Frequenzverschiebung der Ultraschallwellen, die vonStoffmengen abzuwiegen wird also eine kontinuierliche

Flüssigkeitspartikeln gestreut bzw. reflektiert werden,

Mengenanalyseausgewertet

durchgeführt

zurvollständigen

Doppler-Prinzip

(Abb.

3).

wirdDiediePhasen-bzw.

Frequenzverschiebung

Prozesskontrolle. Nicht nur die Fließgeschwindigkeit,

zwischen abgestrahlter und am gleichen Piezowandler

sondern auch die Konzentration bestimmter Stoffe kannempfangener (reflektierter) Wellenfront ist proportional

erfasst werden – wichtig bei der Verfolgung chemischerzur Strömungsgeschwindigkeit.

Physik Instrumente (PI) GmbH & Co. KG_Auf der Römerstraße 1_76228 Karlsruhe
Tel. +49 721 4846-0, Fax +49 721 4846-1019 E-Mail info@pi.ws, www.pi.de

Seite 2 von 4

WHITEPAPER – ULTRASCHALLSENSOREN ZUR VERBRAUCHSERFASSUNG
Dipl.-Phys. Birgit Schulze

Dies ist wichtig, wenn beispielsweise Flüssigkeiten unterhohem Druck geführt werden, wenn diese aggressiv sindoder wenn besondere hygienische Auflagen erfüllt
werdenmüssen.

Abnutzungseffekte

Außerdem

gibt

fürMesseinrichtung.

dieessokeinerlei
Die

Installation der Clamp-On-Sensoren selbst ist einfach,der Prozess wird nicht unterbrochen.
Nachträglich angebrachte Sensoren sind auch ideal fürAbb. 3 Doppler-Prinzip (Phasendifferenz-Messung)die Überwachung bereits bestehender Systeme, oder die
Durchführung zeitlich begrenzter Messungen mit wenig

Für beide Methoden gilt, dass die Effizienz der Messung

Aufwand.

abhängig von den Durchmessern der Rohre und ihrer

Alternativ können die Ultraschallsensoren natürlich auch

Durchlässigkeit gegenüber Schall ist.

Messgeräte nachträglich installierenoder im-Fluss-messen

in den Fluss eingebracht werden (Abb. 5). Dies ist
insbesondere dann nötig, wenn das Wandungsmaterial
schlecht schalldurchlässig ist. Die Messgenauigkeit ist
der Messung von außen überlegen.

Sogenannte Clamp-On-Sensoren können störungsfrei
nachträglich auf ein bestehendes System aufgebracht
werden. Der Sensor hat keinen Einfluss auf den
Mengenfluss und kommt nicht mit den strömenden
Materialien in Kontakt, alle Leitungen bleiben intakt.

Abb. 5 Messzelle zur Durchflussmessung per Ultraschall(Bild: Hydrometer GmbH)

Ultraschallsensoren von PI Ceramic
Die PI Ceramic GmbH ist als Hersteller kundenspezifischangepasster Piezokeramiken etabliert. Die Entwicklung
Hand in Hand mit dem Kunden bis zur Serienreife ist
dabei selbstverständlich, wobei die unterschiedlichsten
Geometrien möglich sind, seien es Platten, Scheiben,
Rohre oder Ringe, oder nahezu beliebige andereFormen. Sowohl die sensorische als auch die aktorische
Nutzung der Piezokomponenenten wird hierbei realisiert.
Abb. 4 Verschiedene OEM-Piezo-Ultraschallwandler(oben), unten ist die Piezokeramik im Sensor integriert
und bereits mit elektrischen Anschlüssen versehen

Auch die Piezoelemente, die in großen Stückzahlen zum
Bau von Durchflussmessgeräten verwendet werden,
stammen von PI Ceramic.

Physik Instrumente (PI) GmbH & Co. KG_Auf der Römerstraße 1_76228 Karlsruhe
Tel. +49 721 4846-0, Fax +49 721 4846-1019 E-Mail info@pi.ws, www.pi.de

Seite 3 von 4

WHITEPAPER – ULTRASCHALLSENSOREN ZUR VERBRAUCHSERFASSUNG
Dipl.-Phys. Birgit Schulze

Die Leistung der Piezospezialisten ist dabei nicht nur auf
das Bauelement des Ultraschallwandlers beschränkt,Über die PI Gruppe

sondern PI Ceramic sorgt auch für die Integration in das

In den letzten vier Jahrzehnten hat sich Physik

Kundenprodukt.

Instrumente (PI) mit Stammsitz in Karlsruhe zumDazu

gehörensowohl

dieElektrodierung der Elemente nach Kundenvorgaben als

führenden

Hersteller

vonPositioniersystemenmitauch die Montage in beigestellte Bauelemente, dasGenauigkeiten im Nanometerbereich entwickelt. DasVerkleben oder der Verguss der Piezokeramiken.

privat geführte Unternehmen ist mit vier Sitzen in

Zusätzlich kann PI Ceramic selbstverständlich auch

Deutschland und zehn ausländischen Vertriebs- undgeeignete Elektroniken bereitstellen.

Serviceniederlassungen international vertreten.
führendenÜber 700 hochqualifizierte Mitarbeiter rund um die WeltUnternehmen auf dem Gebiet der Piezokeramik. Unter

versetzen die PI Gruppe in die Lage, fast jedeanderem

Anforderung

PI Ceramic

iststammt

eines
diederweltweit

fürIhreZuverlässigkeit®

ausdemBereichausgezeichnete PICMA Multilayer Aktortechnologie aus

Präzisionspositioniertechnik

dem Hause PI Ceramic. Seit 1992 entwickelt undSchlüsseltechnologien

produziert PI Ceramic piezokeramische Materialien undentwickelt. Dadurch kann jede Phase vom Design bis hin

Bauelemente

zur

fürStandard-undOEM

Lösungen:

Auslieferungzuinnovativerwerdenimkontrolliert

erfüllen.

Alleeigenen

Hauswerden:diePiezokomponenten, Ultraschallwandler, Aktoren undPräzisionsmechanik und Elektronik ebenso wie dieSystemlösungen. PI Ceramic, ein Tochterunternehmen

Positionssensorik.

der Physik Instrumente (PI) GmbH & Co. KG, hat seinenSitz in Lederhose, Thüringen.

AutorinDie

dafürbenötigten

piezokeramischen

Elemente

werden bei der Tochterfirma PI Ceramic in Lederhosegefertigt, einem der weltweit führenden Unternehmen auf
dem Gebiet aktorischer und sensorischer Piezoprodukte.
Die PI miCos GmbH in Eschbach bei Freiburg ist
spezialisiert

aufflexible

Positioniersysteme

Ultrahochvakuum-Anwendungenkinematische

sowie

Positioniersysteme

Freiheitsgraden und Sonderanfertigungen.

Dipl.-Phys. Birgit Schulze, Produktmanagerin bei Physik
Instrumente (PI) GmbH & Co. KG

Physik Instrumente (PI) GmbH & Co. KG_Auf der Römerstraße 1_76228 Karlsruhe
Tel. +49 721 4846-0, Fax +49 721 4846-1019 E-Mail info@pi.ws, www.pi.deSeite 4 von 4

mitfürparallelsechs