Zur JKU Startseite
Ortsaufgelöste Temperaturmessung mittels Ultraschall
Michael Reisinger
Betreuung: Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. Bernhard Zagar
Die Messung der Laufzeit von Schallwellen bietet unzählige Anwendungsmöglichkeiten in der Messtechnik. Beim Puls-Echo-Verfahren werden durch einen piezoelektrischen Ultraschallwandler Schallwellen ausgesendet und die Laufzeit von einer oder mehreren Reflexionen an Grenzschichten mit dem gleichen Wandler gemessen. Daneben kann auch die Transmissionszeit, also die Laufzeit die eine Schallwelle von einem Sendewandler durch ein bestimmtes Medium zu einem gegenüberliegenden Empfangswandler benötigt, gemessen werden. Die wohl bedeutendste Anwendung dieser ist die Messung von Strömungsgeschwindigkeiten bzw. die Durchflussmessung in Rohren basierend auf dem Mitführeffekt. Da die Laufzeit neben der Strömung auch von der Schallgeschwindigkeit und diese wiederum von der Temperatur abhängt, kann damit auch eine Temperaturmessung implementiert werden. 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.
Abb. 1: Schematische Darstellung des Messaufbaus einer Messstrecke.
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. Die zeitliche und örtliche Dynamik der gemessenen Temperatur entsteht durch Konvektion der wärmeren Wassermassen und Diffusion der Wärme in das Volumen. Durch die Messung der Schalllaufzeit der sechs Messstrecken kann die Temperatur in den unterschiedlichen Höhen gemessen werden. 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. Dadurch können bis zu 16 Transducerpaare angeschlossen werden.
Durch statistische Analyse einer Serie von Messwerten, bei der 1000 voneinander unabhängige Messungen bei ruhendem Aufbau durchgeführt wurden, konnte die Messunsicherheit des Aufbaus ermittelt werden. Die daraus berechnete Standardabweichung der normalverteilten Messwerte liegt bei 355 ps. Bei den dynamischen Messungen wurden die Temperaturverläufe in den unterschiedlichen Höhen durch sequentielle Messung der Messstrecken aufgenommen, während ein Wärmeimpuls eingebracht wurde. Dadurch wurde der zeitliche und örtliche Temperaturverlauf der erwärmten, aufsteigenden Wassermassen dargestellt.
Abb. 2: Zeitverlauf des Heizimpulses (rot) mit einer Leistung von 500 W und Pulsdauer von 1s sowie die gemessenen Temperaturverläufe (blau) in unterschiedlichen Höhen z über der Heizwendel.
Schlagwörter: Ultraschallbasierte Temperaturmessung, Laufzeitmessung, Temperaturprofil, Temperaturabhängige Schallgeschwindigkeit
28. März 2023
