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Masterarbeiten.

Ultraschallbasierte Geschwindigkeitsmessung nach dem Sing-around-Verfahren
 

Franz Huber

Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Messsystem zur Messung sehr kleiner Strömungsgeschwindigkeiten im Bereich von 50 µm/s zur Leckageerkennung in Wasserleitungen in Haushalten aufgebaut und untersucht. Dafür wird das Prinzip des Ultraschall-Laufzeitverfahrens verwendet. Diese Methode beruht auf durch die Strömung bedingten unterschiedlichen Ausbreitungsgeschwindigkeiten und demzufolge verschiedenen Ausbreitungszeiten der Schallwellen mit und entgegen der Strömungsrichtung. Dieses Verfahren erfordert zur Messung kleiner Strömungsgeschwindigkeiten eine sehr hohe Zeitauflösung, da sich die Laufzeiten in den entgegengesetzten Richtungen nur minimal unterscheiden.

Eine Möglichkeit die Anforderung an die Zeitauflösung zu verringern bzw. die Messung von kleineren Fließgeschwindigkeiten für eine gegebene Zeitauflösung zu ermöglichen, ist die Verwendung des sogenannten Sing-around-Verfahrens. Die Eignung dieser Methode wird in der vorliegenden Arbeit untersucht. Bei diesem Verfahren wird die Länge des Ausbreitungsweges virtuell verlängert, indem unmittelbar nach Empfang eines Ultraschallimpulses ein neuer Impuls in dieselbe Richtung ausgesendet wird. Dies geschieht N Mal für beide Ausbreitungsrichtungen, wodurch sich die Laufzeitdifferenz um diesen Faktor erhöht. Aus der Zeitdifferenz wird die unbekannte Strömungsgeschwindigkeit berechnet.

Abbildung 1: 3D-gedruckte Messstrecke mit schwarzen Ultraschallwandlern (1, 2, 3, 4) und zwei Messpfaden (1-4, 2-3).

In dieser Arbeit wurde das realisierte Sing-around-System invasiv aufgebaut, das heißt, dass die zur Messung verwendeten Ultraschallwandler in direkten Kontakt mit dem strömenden Medium sind. Dazu wurde mit einem 3D-Drucker eine geeignete Messstrecke, in der die Ultraschallwandler montiert sind, angefertigt (Abbildung 1). Die Signale der Wandler werden durch die entworfene und aufgebaute Elektronik verarbeitet (Abbildung 2). Des Weiteren wurde eine Charakterisierung des gesamten Systems und seiner Komponenten vorgenommen. Dabei wurden die Zeitschwankungen aller Bestandteile und ihr Einfluss auf die Genauigkeit des Messsystems untersucht.

Bei der Charakterisierung des aufgebauten Systems hat sich im Laufe der Arbeit herausgestellt, dass die vorgegebene Komponente, die für die Anregung des Systems verwendet wird, großen Einfluss auf die Zeitauflösung des Systems hat. Aufgrund ihrer Taktung ergibt sich für die Zeitmessung eine Auflösung von etwa 25 ns. Damit ist eine Messung der Strömungsgeschwindigkeit zwar grundsätzlich möglich, allerdings nicht mit der gewünschten Genauigkeit. Abschließend wird diskutiert, wie in möglichen zukünftigen Arbeiten die Zeitauflösung des Systems erhöht werden kann, um damit kleinere Fließgeschwindigkeiten messen zu können.

Abbildung 2: Verwendete Messelektronik.

Keywords: Sing-around-Verfahren, Schallgeschwindigkeit, Geschwindigkeitsmessung, Ultraschall

13. Mai 2020