Mennicke, Lukas (2022)
Hochpräzise ultraschallbasierte Reinheitsanalyse von Fluiden mittels Resonanzsprungverfahren.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00022948
Dissertation, Erstveröffentlichung, Verlagsversion

Kurzbeschreibung (Abstract)

In dieser Arbeit wird ein neuartiges, hochpräzises Messsystem zur ultraschallbasierten Analyse von Fluiden vorgestellt, das die Reinheit des Fluids quasi in Echtzeit kostengünstig und kompakt während des Medienflusses in der Rohrleitung überwachen kann. Hierzu werden die drei Messgrößen Temperatur, Druck und Schallgeschwindigkeit zur Charakterisierung herangezogen. Für eine schnelle und präzise Temperaturbestimmung des Fluids wurde ein geometrisch optimierter Platin-Temperatursensor entwickelt und kalibriert. Die mit Abstand größte Herausforderung stellt die Schallgeschwindigkeitsanalyse auf einer sehr kurzen Messstrecke von nur ca. 50 mm im Fluidistor dar. Der Fluidistor ist eine Struktur, die den Fluidstrom in einem Seitenkanal in eine strömungsabhängige Schwingung umwandelt. Dies ermöglicht die hier erstmalig vorgestellte ultraschallbasierte Schallgeschwindigkeitsanalyse, bei der vorteilhaft nicht abwechselnd mit und gegen den Fluidstrom geschallt werden muss. Zunächst beschäftigt sich die Arbeit mit der Einbringung der verschiedenen Sensoren. Hierfür wurde der Fluidistor durch seine sinusförmige Schwingung im Ausgleichsrohr ausgewählt. Damit kann für die Messung immer in eine Richtung geschallt werden, so dass keine Messfehler durch eine Konzentrationsänderung während der Messung entstehen können. Für die Messtechnische Anwendung ist lediglich ein Ultraschallsender und ein Ultraschallempfänger nötig. Anschließend wird die Laufzeitanalyse näher beleuchtet. Hierfür wurde die Phasendifferenzmessung ausgewählt, da diese hervorragend präzise vermessen werden kann, ohne dass teure elektronische Komponenten notwendig sind. Um die Mehrdeutigkeiten eliminieren zu können und damit eine hochpräzise absolute Messung durchführen zu können, wurde die Phasendifferenzmessung mit dem Resonanzsprungverfahren erweitert. Dabei wurde genauer beleuchtet, wie diese Mehrdeutigkeiten zustande kommen und mathematisch beschrieben werden können. Das Resonanzsprungverfahren nutzt dabei die oftmals nachteilige Trägheit des piezoelektrischen Ultraschallwandlers technisch aus um eine sehr einfach umsetzbare Modulation zu ermöglichen. Damit ist die gesamte Laufzeit und damit Schallgeschwindigkeitsmessung auf keinen teuren Analog zu Digital Wandler (ADC) angewiesen. Zusätzlich wird das Problem der Reflexionen beim dauerhaften Senden von Schall adressiert und mit Hilfe von 3D-Druck Aufsätzen für die hier vorgestellte Anwendung gelöst. Nachdem die Laufzeitanalyse hinreichend genau beleuchtet wurde und sich mit einem Messaufbau deren Funktion replizieren und überprüfen lässt, wurde im nächsten Teil die Temperaturmessung behandelt. Hierfür wurde der genaue Aufbau und die Funktionsweise des neu entwickelten Temperatursensors vorgestellt und eine entsprechende Messschaltung gezeigt. Zur Auswertung aller Sensordaten und der entsprechenden notwendigen mathematischen Algorithmen wurde ein Field Programmable Gate Array (FPGA) verwendet. Die wichtigsten Algorithmen, wie der Medianfilter für "modulo behaftete" Systeme, oder die Laufzeitberechnung mittels Kreuzkorrelation werden genau beschrieben und erläutert. Abschließend wird der Messaufbau des Gasanalysesystems zur Evaluierung und Verifikation des gesamten Messsystems vorgestellt. Hierfür werden zuerst die theoretischen Unsicherheiten für das Messsystem beleuchtet und anschließend messtechnisch überprüft. Auf dem Gasmessstand werden diverse Messungen mit Helium, Stockstoff, Luft und Argon durchgeführt, welche im Kapitel Messergebnisse genau analysiert werden. Hier konnte gezeigt werden, dass bereits geringste Verunreinigungen von 0.1 % Argon in Stickstoff mit einer Änderung von lediglich 0.05 m/s detektiert werden können. Es können zudem auch sehr dynamische Änderungen gemessen werden, z.B. die Änderung vom Medium Stickstoff hin zu Helium mit einer Schallgeschwindigkeitsänderung von ca. 650 m/s. Die Arbeit beschreibt präzise den Aufbau und die Funktionsweise des Messsystems und deren einzelne Bestandteile. Mit Hilfe eines Gasmessstands und hochgenauen Messungen wird das neu entwickelte Messsystem evaluiert und mit bereits bestehenden Systemen verglichen, sowie diskutiert.

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