Niemann, Mathias:

Signalverarbeitung in der Ultraschall-Durchflußmessung

Essen (2002)
Dissertation / Fach: Maschinenbau
Fakultät für Ingenieurwissenschaften » Maschinenbau und Verfahrenstechnik » Institut für Energie- und Umweltverfahrenstechnik
Dissertation
Abstract:
Im strömenden Fluid kommen natürliche Strukturen wie Dichte-, Temperatur- oder Geschwindigkeitsschwankungen vor, die einen Ultraschallträger sowohl in der Phase als auch in der Amplitude modulieren. Jeweils zwei in Strömungsrichtung versetzte Ultraschallwandlerpaare erfassen diese Strukturen. Nach einer Demodulation der Empfangssignale kann über eine weiterführende Signalverarbeitung die Laufzeit der Strukturen zwischen beiden Sensorschranken bestimmt werden. Mit Hilfe des bekannten Schrankenabstands läßt sich daraus die Durchflußgeschwindigkeit bestimmen. Die Informationen über das strömende Fluid befinden sich im Seitenband des modulierten Trägersignals. Mittels Unterabtastung wird die Trägerfrequenz im Spektrum zu Null verschoben, und das Seitenband mit einer Bandbreite von wenigen kHz kann direkt weiterverarbeitet werden. Die Demodulation der Phase und Amplitude erfolgt mittels komplexer Bandpaßabtastung. Messungen haben gezeigt, daß die Phaseninformation für die Signalverarbeitung zu den besseren Ergebnissen führt als die Amplitudeniformation. Probleme traten bisher bei der Phasenrekonstruktion auf. Unterschiedliche Nullphasenlagen der Empfangssensoren führen zu einer Überlagerung des demodulierten Phasenverlaufs mit einem Offset. Die bisher angewandte Phasenrekonstruktion großer Phasensprünge versagt bei hohen Modulationsgraden. Abhilfe schafft ein neuartiges Verfahren zur Bestimmung der Nullphasenlage der Empfangssensoren. Sie läßt sich als Position des Maximums der Häufigkeitsverteilungsfunktion bestimmen. So ist es möglich, die demodulierten Phasenverläufe zu rekonstruieren. Die Bestimmung der Laufzeit zwischen beiden Schranken kann auf zweierlei Art erfolgen. Zum einen kann die Kreuzkorrelationsfunktion der Signale beider Schranken berechnet werden. Die Position des Maximums läßt sich eindeutig detektieren und beschreibt die gesuchte Laufzeit. Eine andere Möglichkeit besteht in der Addition beider Signale. Basierend auf dem Prinzip der Interferenzmessung ist dem Betragsspektrum eine Kosinusschwingung überlagert, deren Frequenz proportional zur gesuchten Laufzeit ist. Mit Hilfe geeigneter Filter läßt sich diese Frequenz ermitteln und daraus die Durchflußgeschwindigkeit bestimmen. Beide Verfahren bestimmen allerdings nicht den Mittelwert aller im Fluid vorhandenen Geschwindigkeitskomponenten, sondern deren Modalwert. Der Unterschied zwischen Mittel- und Modalwert ist sowohl von der Durchflußgeschwindigkeit als auch von der gewählten Trägerfrequenz der Ultraschallsignale abhängig. Aus diesem Grund kann auf eine Kalibrierung der Meßergebnisse nicht verzichtet werden. Sowohl für Messungen am ungestörten Profil als auch für Messungen hinter Einbauten, wie Einfach- und Raumkrümmer, führt die vorgestellte Signalverarbeitung der Meßsignale zu sehr guten Ergebnissen.