Hrg. Franz Huber,
"Ultraschallbasierte Geschwindigkeitsmessung nach dem Sing-around-Verfahren"
, 5-2020
Original Titel:
Ultraschallbasierte Geschwindigkeitsmessung nach dem Sing-around-Verfahren
Sprache des Titels:
Deutsch
Original Kurzfassung:
In 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 Nutzung des sogenannten Sing-around-Verfahrens. 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, aus welcher die unbekannte Strömungsgeschwindigkeit berechnet wird, um diesen Faktor erhöht.
In dieser Arbeit wurde das Sing-around-System aufgebaut. Dazu wurden eine Messstrecke und eine verarbeitende Elektronik entworfen und aufgebaut. Des Weiteren wurde das gesamte System mit seinen Komponenten charakterisiert. Dabei hat sich im Laufe der Arbeit herausgestellt, dass die für die Anregung verwendete vorgegebene Komponente, aufgrund ihrer Taktung die Auflösung der Zeitmessung auf etwa 25 ns beschränkt. Damit ist eine Messung der Strömungsgeschwindigkeit mit der gewünschten Genauigkeit nicht möglich.
Sprache der Kurzfassung:
Deutsch
Englischer Titel:
Ultrasound-based Velocity Measurement using the Sing-around-technique
Englische Kurzfassung:
In this thesis, a measuring system for very low flow velocities in the range of 50 µm/s for leakage detection in household water mains was set up and examined. For this purpose, the ultrasonic time-of-flight principle is exploited. This method is based on different propagation velocities caused by the flow and thus different propagation times of the ultrasonic waves with and against the flow direction. This method requires a very high time resolution for measuring low flow velocities, since the propagation times differ only minimally for the opposing directions.
A method to reduce the resolution requirement of the time measurement or to increase the accuracy of the measurement of the flow velocity for a given temporal resolution is the so-called sing-around technique. In this method, the length of the propagation path is virtually lengthened by sending a new ultrasonic pulse in the same direction immediately after receiving one at the end of the propagation path. This is done N times for both directions, which increases the propagation time difference by this factor. The unknown flow velocity is calculated from the time difference.
In this work, the implemented sing-around-system was built up. For this purpose, a suitable measuring section and an electronic circuit were designed and built-up. Furthermore, the entire system and its components were characterized. In the course of the work it turned out that the given component, which is used for the excitation of the system, limits the resolution of the time measurement to approximately 25 ns, because of it?s clock. A flow velocity measurement with the desired accuracy is therefore not possible.