Dominik Exel, Bernhard Zagar,
"Systemdesign und Fehlerabschätzung der radio?akustischen Temperaturmessung"
, in TM - Technisches Messen, Walter de Gruyter GmbH, 1-2021, ISSN: 2196-7113
Original Titel:
Systemdesign und Fehlerabschätzung der radio?akustischen Temperaturmessung
Sprache des Titels:
Deutsch
Original Kurzfassung:
Berührungslose Temperatur- und Strömungsgeschwindigkeitsmessung ist von enormer Wichtigkeit, sowohl in der Klimaforschung aber auch bei industriellen Anwendungen. Dabei ist es für die Optimierung der Systeme entscheidend, die zu erwartenden Messfehler abschätzen zu können. In diesem Beitrag wird eine dieser Methoden basierend auf dem radio-akustischen Prinzip (RASS) umfassend untersucht. Messsysteme nach dieser Methode nützen die akustisch-elektromagnetische Wechselwirkung um aus der lokal ermittelten Schallgeschwindigkeit auf die vorherrschende Gastemperatur, aber gegebenenfalls auch auf eine lokale wirkende Komponente der Strömungsgeschwindigkeit in Messrichtung zu schließen. Um das Ziel zu erreichen, das Messsystem in seiner Gesamtheit zu analysieren, wird zunächst die sogenannte RASS-Gleichung sowie die notwendige Kollokation der Quellen diskutiert. Anhand des Ausdrucks der Empfangsleistung wird gezeigt, welche Faktoren maßgeblich das Systemverhalten beeinflussen. Eine entsprechende Abstimmung der Schall- bzw. Radar?Wellenlängen und eine perfekte Kollokation deren Quellen sind essentiell für eine ausreichend genaue Schätzung der von der Temperatur abhängigen Doppler-Frequenz. Anschließend wird, nach Wissen der Autoren erstmalig anhand der Cramér-Rao Schranke ein optimales Systemdesign abgeleitet. Dabei zeigt sich, dass sich die Varianz der Temperaturschätzung verkehrt proportional zur 4. Potenz der Anzahl der wechselwirkenden Schallzyklen verhält. Weiters wird demonstriert, dass die Temperatur und die Strömungsgeschwindigkeit nicht unabhängig voneinander geschätzt werden können. Es wird in diesem Beitrag ein Aufbau präsentiert, der es erlaubt die Temperaturen mit einer Standardabweichung von etwa 0,2°C zu messen. Zur Demonstration wird eine Temperaturprofilmessung vorgestellt.
Sprache der Kurzfassung:
Deutsch
Englischer Titel:
System?s design and error limits of radio-acoustic temperature measurement
Englische Kurzfassung:
Contactless temperature and flow velocity measurement is of enormous importance, both in climate research and in industrial applications. It is crucial for the optimization of the systems to be able to estimate the expected measurement errors. In this article, one of the methods the radio-acoustic sounding system (RASS) is extensively investigated. Measurement systems operating on this method use the acoustic-electromagnetic interaction to infer the prevailing gas temperature from the spatially resolved speed of sound, but also, if necessary, to infer the spatially acting component of the flow velocity in the measurement direction. In order to achieve the goal of analyzing the measurement system in its entirety, the so-called RASS equation and the necessary collocation condition of the sources are discussed first. The expression of the backscattered power indicates which factors have a decisive influence on the system behavior. Appropriate matching of the sound and Radar wavelengths and perfect collocation of their sources are essential for a sufficiently accurate estimate of the temperature-dependent Doppler frequency. Afterwards, to the best knowledge of the authors, an optimal system design is derived for the first time based on the Cramér-Rao lower bound. It can be seen that the variance of the temperature estimate is inversely proportional to the 4th power of the number of interacting sound cycles. It is also demonstrated that the temperature and the flow velocity cannot be estimated independently of one another. In this article a setup is presented that allows the temperatures to be measured with a standard deviation of about ±0,2 °C. A temperature profile measurement is presented as a demonstration.