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Messgerät zur Ultraschall-Strömungsmessung in Gasen und Flüssigkeiten

Bernhard Uhl

Die von Zügen verursachten Druckstöße innerhalb von Tunneln können sich negativ auf die Tunnelentwässerung auswirken. Insbesondere kann es zu einer kritischen Richtungsumkehr der Strömung von Luft und Wasser kommen. Um diesen Effekt zu untersuchen, wurde ein Messsystem entwickelt, welches in der Lage ist, die Strömungsgeschwindigkeit und -richtung von Luft und Wasser innerhalb der Drainagerohre simultan und vorzeichenrichtig zu erfassen. Die daraus folgenden Anforderungen an das Messsystem beinhalten sowohl eine kleine Messunsicherheit bei niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten im Bereich weniger cm/s als auch einen großen Messbereich von einigen m/s. Weiters müssen die Daten mit einer Messrate von mindestens 1 Hz erfasst werden, um eine ausreichend hohe zeitliche Auflösung zu erreichen. Der entsprechende Sensor muss direkt im Drainagerohr positioniert werden können. Daher muss er robust und wasserfest sein, gleichzeitig aber die Strömung so wenig wie möglich beeinflussen.

Abbildung 1: Messkoffer

Zunächst wurden verschiedene Sensorprinzipien evaluiert. Dabei stellte sich ein Sensor auf Basis des Ultraschall-Mitführeffekts als am besten geeignet heraus. Zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit wurde das Ultraschall-Impulslaufzeitdifferenz-Verfahren eingesetzt. Die dafür notwendige Genauigkeit der Zeitmessung konnte durch Einsatz eines Time-to-Digital-Converter mit einer statistischen Unsicherheit von 55 ps erreicht werden. Für die Messung in Luft wurde zusätzlich ein Verstärker eingesetzt, welcher Anregeamplituden von bis zu 35 V ermöglicht. Zusätzlich zur Geschwindigkeitsmessung wurde das Messsystem mit Sensoren zur Füllstandmessung sowie der Erfassung von Feuchtigkeit, Temperatur und Druck in Luft ausgestattet. Die gesamte Elektronik sowie ein Akku zur Spannungsversorgung wurden in einem wasserdichten Messkoffer verbaut (Abbildung 1). Die Ultraschallwandler können mit wasserdichten Steckern außen an dem Messkoffer angeschlossen werden.

Zur Kalibrierung des Messsystems müsste eine konstante Strömung erzeugt und zugleich von einer Referenz gemessen werden. Da die Erzeugung einer konstanten und laminaren Strömung aufgrund verschiedener hydromechanischer Effekte äußerst schwierig wäre, wurde stattdessen ein Messaufbau gewählt, welcher die Ultraschallwandler innerhalb des ruhenden Mediums bewegt (Abbildung 2). Dadurch konnte eine annähernd konstante Strömung zwischen den Ultraschallwandlern erzeugt werden. Jeweils zwei Ultraschallwandler wurden in einem definierten Abstand zueinander und unter einem definierten Winkel zur Strömungsrichtung positioniert. Mittels einer Linearachse konnten verschiedene Strömungsgeschwindigkeiten von bis zu 5 cm/s vorgegeben werden. Als Referenz diente hierbei ein Vibrometer. Die durchgeführten Messungen zeigten, dass eine Messunsicherheit von 0,1 cm/s sowohl für die Messung in Luft als auch in Wasser für verschiedene Strömungsgeschwindigkeiten erreicht werden konnte. Auch für Strömungsgeschwindigkeiten im Bereich einiger m/s wurde die Richtigkeit der Messergebnisse qualitativ bestätigt.

Abbildung 2: Ausschnitt des Messaufbaus (1: Ultraschallwandler Luft, 2: Linearführung, 3: Ultraschallwandler Wasser, 4: Wasserbecken, 5: Vibrometer, 6: Verbindung, 7: Reflektor)

Die Arbeit ist gesperrt ab 15.11.2018 für die Dauer von 5 Jahren.

Schlagwörter: Ultraschall, Strömungsmessung, Anemometrie, Laufzeitdifferenzverfahren

31. Oktober 2018