Die Messung der Laufzeit von Schallwellen bietet unzählige Anwendungsmöglichkeiten in der Messtechnik. Es kann unter anderem die Transmissionszeit, also die Laufzeit, die eine Schallwelle von einem Sendewandler durch ein bestimmtes Medium zu einem gegenüberliegenden Empfangswandler benötigt, gemessen werden. Die Laufzeit hängt neben der Strömung auch von der Schallgeschwindigkeit und damit der Temperatur ab, wodurch auch eine Temperaturmessung implementiert werden kann. Durch den Ausbreitungspfad der Schallwelle besitzt diese zudem eine räumliche Abhängigkeit. Im Zuge dieser Arbeit wurde ein Messsystem zur Messung von Temperaturen an verschiedenen Positionen in einem mit Wasser gefüllten Behälter realisiert.
Der Messaufbau besteht aus einem PVC-Rohr, in dessen Rohrwand sechs Messstrecken in Form von gegenüberliegenden Ultraschallwandlern montiert wurden. Die Messstrecken sind parallel zueinander und befinden sich in unterschiedlichen Höhen. Unterhalb und ebenfalls parallel zu den Messstrecken ist eine Heizwendel angebracht. Diese ermöglicht durch das Einbringen von Wärme in das Volumen die Erzeugung eines zeitlich und örtlich dynamischen Temperaturprofils. Dies entsteht durch Konvektion der wärmeren Wassermassen und Diffusion der Wärme in das Volumen. Die Laufzeitmessung wird mit einem Evaluationsboard, das eigentlich speziell zur Durchflussmessung gedacht ist, durchgeführt. Da an dieses Evaluationsboard jedoch nur ein Transducerpaar angeschlossen werden kann, wurde eine aufsteckbare Platine mit Multiplexer-Bausteinen gefertigt.
Durch statistische Analyse einer Serie von Messwerten, bei der 1000 voneinander unabhängige Messungen bei ruhendem Aufbau durchgeführt wurden, konnte eine Standardabweichung der normalverteilten Messwerte von 355 ps ermittelt werden. Bei den dynamischen Messungen wurden nach Einbringen eines Wärmeimpulses die Temperaturverläufe in unterschiedlichen Höhen aufgenommen.
Sprache der Kurzfassung:
Deutsch
Englischer Titel:
Ultrasonic Temperature Measurement
Englische Kurzfassung:
Measuring the time of flight of sound waves offers innumerable application possibilities in measurement technology. One measuring method is detect the transmission time, meaning the time that a sound wave needs from a transmitting transducer through a certain medium to an opposing receiving transducer. Since the transit time depends not only on the flow velocity but also on the speed of sound, which in turn depends on the temperature, a temperature measurement can also be implemented. Due to the propagation path of the sound wave, it also has a spatial dependency. In the course of this thesis, a measuring system for measuring temperatures at different positions in a tank filled with water was implemented.
The measurement setup consists of a PVC pipe with six measuring sections in the form of opposing ultrasonic transducers mounted in the pipe wall. The measuring sections are parallel to each other and are mounted at different heights. A heating coil is attached below and also parallel to the measuring sections. By introducing heat into the volume, this enables a temporally and spatially dynamic temperature profile to be generated. The temporal and spatial dynamics of the measured temperature arise from convection of the warmer water masses and diffusion of the heat into the volume. The transit time measurement is carried out with an evaluation board, which is actually intended specifically for flow measurement. However, since only one pair of transducers can be connected to this evaluation board, an attachable board with multiplexer modules was produced.
By analysis of a series of 1000 independent measurements with a static measurement setup standard deviation of normally distributed measured values was calculated to be 355 ps. During the dynamic measurements, the temperature curves at the different heights were recorded by sequential measurements of the measuring sections while a heat pulse was introduced.