Elastodynamic quasi-guided waves for transit-time ultrasonic flow metering

A non-invasive ultrasonic flow meter is studied for which the pipe remains unperforated and without obstructions in its interior. Elastic waves that are excited inside the pipe wall interact with the adjacent fluid to form quasi-guided waves. These can be either of leaky or trapped kind. The radiation of the leaky waves is exploited to insonify the pipe‘s interior. The quasi-guided waves are studied in-depth with particular emphasis on their radiation behavior. Highly reliable and efficient computational methods are developed for this purpose. The ultrasonic transit time in the flow meter is modeled systematically based on the aforementioned waves. Thereby, the effects of fluid flow and temperature are included explicitly in an analytical manner. Compared to conventional ultrasonic flow meters, we find that devices based on quasi-guided waves exhibit a strongly reduced cross-sensitivity to temperature, which is also confirmed experimentally. The developed
analytical and numerical techniques enable a systematic optimization of such devices with regard to their temperature-dependent behavior, geometrical uncertainties, material aging, as well as scaling and deposition of other layers. Es wird ein nicht-invasives Ultraschall-Durchflussmesssystem untersucht, dessen Rohrwand nicht perforiert ist und das keine Einbauten im Inneren aufweist. Elastische Wellen die in der Rohrwand angeregt werden, interagieren mit dem angrenzenden Fluid und führen zur Ausbildung von quasi-geführten Wellen. Diese stellen sowohl Leckwellen als auch Grenzschichtwellen dar. Die Abstrahlung der Leckwellen wird ausgenutzt, um das Innere des Rohres zu beschallen. Die quasi-geführten Wellen werden im Detail analysiert, insbesondere bezüglich deren Abstrahlverhalten. Hierfür werden hoch zuverlässige und effiziente Berechnungsmethoden entwickelt. Die Ultraschall-Laufzeit durch das Durchflussmessgerät wird systematisch mittels der zuvor genannten Wellen modelliert. Dabei wird der Einfluss des fließenden Mediums sowie der Temperatur explizit in analytischer Form berücksichtigt. Im Vergleich zu konventionellen Ultraschall-Durchflussmessern kann für Geräte basierend auf quasi-geführten Wellen eine deutlich geringere Querempfindlichkeit zur Temperatur festgestellt werden, was auch experimentell bestätigt wird. Die entwickelten analytischen und numerischen Methoden ermöglichen eine systematische Optimierung solcher Geräte hinsichtlich Temperaturverhalten, geometrischer Unsicherheiten, Alterung der Materialien sowie Verkalkung oder auch Bildung anderer Ablagerungen.