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Hochpräzise ultraschallbasierte Reinheitsanalyse von Fluiden mittels Resonanzsprungverfahren

Mennicke, Lukas (2022)
Hochpräzise ultraschallbasierte Reinheitsanalyse von Fluiden mittels Resonanzsprungverfahren.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00022948
Ph.D. Thesis, Primary publication, Publisher's Version

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Item Type: Ph.D. Thesis
Type of entry: Primary publication
Title: Hochpräzise ultraschallbasierte Reinheitsanalyse von Fluiden mittels Resonanzsprungverfahren
Language: German
Referees: Hofmann, Prof. Dr. Klaus ; Trieu, Prof. Dr. Hoc Khiem
Date: 2022
Place of Publication: Darmstadt
Collation: xix, 87 Seiten
Date of oral examination: 6 October 2022
DOI: 10.26083/tuprints-00022948
Abstract:

In dieser Arbeit wird ein neuartiges, hochpräzises Messsystem zur ultraschallbasierten Analyse von Fluiden vorgestellt, das die Reinheit des Fluids quasi in Echtzeit kostengünstig und kompakt während des Medienflusses in der Rohrleitung überwachen kann. Hierzu werden die drei Messgrößen Temperatur, Druck und Schallgeschwindigkeit zur Charakterisierung herangezogen. Für eine schnelle und präzise Temperaturbestimmung des Fluids wurde ein geometrisch optimierter Platin-Temperatursensor entwickelt und kalibriert. Die mit Abstand größte Herausforderung stellt die Schallgeschwindigkeitsanalyse auf einer sehr kurzen Messstrecke von nur ca. 50 mm im Fluidistor dar. Der Fluidistor ist eine Struktur, die den Fluidstrom in einem Seitenkanal in eine strömungsabhängige Schwingung umwandelt. Dies ermöglicht die hier erstmalig vorgestellte ultraschallbasierte Schallgeschwindigkeitsanalyse, bei der vorteilhaft nicht abwechselnd mit und gegen den Fluidstrom geschallt werden muss. Zunächst beschäftigt sich die Arbeit mit der Einbringung der verschiedenen Sensoren. Hierfür wurde der Fluidistor durch seine sinusförmige Schwingung im Ausgleichsrohr ausgewählt. Damit kann für die Messung immer in eine Richtung geschallt werden, so dass keine Messfehler durch eine Konzentrationsänderung während der Messung entstehen können. Für die Messtechnische Anwendung ist lediglich ein Ultraschallsender und ein Ultraschallempfänger nötig. Anschließend wird die Laufzeitanalyse näher beleuchtet. Hierfür wurde die Phasendifferenzmessung ausgewählt, da diese hervorragend präzise vermessen werden kann, ohne dass teure elektronische Komponenten notwendig sind. Um die Mehrdeutigkeiten eliminieren zu können und damit eine hochpräzise absolute Messung durchführen zu können, wurde die Phasendifferenzmessung mit dem Resonanzsprungverfahren erweitert. Dabei wurde genauer beleuchtet, wie diese Mehrdeutigkeiten zustande kommen und mathematisch beschrieben werden können. Das Resonanzsprungverfahren nutzt dabei die oftmals nachteilige Trägheit des piezoelektrischen Ultraschallwandlers technisch aus um eine sehr einfach umsetzbare Modulation zu ermöglichen. Damit ist die gesamte Laufzeit und damit Schallgeschwindigkeitsmessung auf keinen teuren Analog zu Digital Wandler (ADC) angewiesen. Zusätzlich wird das Problem der Reflexionen beim dauerhaften Senden von Schall adressiert und mit Hilfe von 3D-Druck Aufsätzen für die hier vorgestellte Anwendung gelöst. Nachdem die Laufzeitanalyse hinreichend genau beleuchtet wurde und sich mit einem Messaufbau deren Funktion replizieren und überprüfen lässt, wurde im nächsten Teil die Temperaturmessung behandelt. Hierfür wurde der genaue Aufbau und die Funktionsweise des neu entwickelten Temperatursensors vorgestellt und eine entsprechende Messschaltung gezeigt. Zur Auswertung aller Sensordaten und der entsprechenden notwendigen mathematischen Algorithmen wurde ein Field Programmable Gate Array (FPGA) verwendet. Die wichtigsten Algorithmen, wie der Medianfilter für "modulo behaftete" Systeme, oder die Laufzeitberechnung mittels Kreuzkorrelation werden genau beschrieben und erläutert. Abschließend wird der Messaufbau des Gasanalysesystems zur Evaluierung und Verifikation des gesamten Messsystems vorgestellt. Hierfür werden zuerst die theoretischen Unsicherheiten für das Messsystem beleuchtet und anschließend messtechnisch überprüft. Auf dem Gasmessstand werden diverse Messungen mit Helium, Stockstoff, Luft und Argon durchgeführt, welche im Kapitel Messergebnisse genau analysiert werden. Hier konnte gezeigt werden, dass bereits geringste Verunreinigungen von 0.1 % Argon in Stickstoff mit einer Änderung von lediglich 0.05 m/s detektiert werden können. Es können zudem auch sehr dynamische Änderungen gemessen werden, z.B. die Änderung vom Medium Stickstoff hin zu Helium mit einer Schallgeschwindigkeitsänderung von ca. 650 m/s. Die Arbeit beschreibt präzise den Aufbau und die Funktionsweise des Messsystems und deren einzelne Bestandteile. Mit Hilfe eines Gasmessstands und hochgenauen Messungen wird das neu entwickelte Messsystem evaluiert und mit bereits bestehenden Systemen verglichen, sowie diskutiert.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

In this paper, a novel, high-precision measurement system for ultrasound-based analysis of fluids is presented, which can monitor the purity of the fluid almost in real time in a cost-effective and compact manner during the media flow in the pipeline. For this purpose, the three measured variables temperature, pressure and sonic velocity are used for characterization. A geometrically optimized platinum temperature sensor was developed and calibrated for fast and precise temperature determination of the fluid. By far the greatest challenge is the sound velocity analysis on a very short measuring distance of only approx. 50 mm in the fluidistor. The fluidistor is a structure that converts the fluid flow in a side channel into a flow-dependent oscillation. This enables the ultrasound-based sound velocity analysis presented here for the first time, in which, advantageously, it is not necessary to alternate sounding with and against the fluid flow. First, the work deals with the insertion of the various sensors. For this the fluidistor was selected by its sinusoidal oscillation in the compensation tube. This means that sound can always be emitted in one direction for the measurement, so that no measurement errors can occur due to a change in concentration during the measurement. For the measurement application, only an ultrasonic transmitter and an ultrasonic receiver are required. Subsequently, the time-of-flight analysis is examined in more detail. Phase difference measurement was selected for this purpose because it can be measured with excellent precision without the need for expensive electronic components. In order to be able to eliminate the ambiguities and thus perform a highly precise absolute measurement, the phase difference measurement was extended with the resonance jump method. In doing so, it was examined in more detail how these ambiguities come about and how they can be described mathematically. The resonance jump method makes technical use of the often disadvantageous inertia of the piezoelectric ultrasonic transducer to enable a very simple modulation that can be implemented. This means that the entire runtime and thus sound velocity measurement does not rely on an expensive analog to digital converter (ADC). In addition, the problem of reflections during the permanent transmission of sound is addressed and solved with the help of 3D printing attachments for the application presented here. After the time-of-flight analysis was illuminated in sufficient detail and its function can be replicated and verified with a measurement setup, the temperature measurement was dealt with in the next part. For this purpose, the exact design and operation of the newly developed temperature sensor was presented and a corresponding measurement circuit was shown. A Field Programmable Gate Array (FPGA) was used to evaluate all sensor data and the corresponding necessary mathematical algorithms. The most important algorithms, like the median filter for "modulo afflicted" system, or the runtime calculation using cross correlation are described and explained in detail. Finally, the measurement setup of the gas analysis system is presented for evaluation and verification of the entire measurement system. For this purpose, the theoretical uncertainties for the measurement system are first highlighted and then verified by measurement. Various measurements with helium, nitrogen, air and argon are carried out on the gas measuring stand, which are analyzed in detail in the chapter on measurement results. It was shown here that even the slightest impurities of 0.1 % argon in nitrogen can be detected with a change of only 0.05 m/s. It is also possible to measure very dynamic changes, e.g., the change from the medium nitrogen to helium with a sound velocity change of approx. 650 m/s. The paper describes precisely the design and operation of the measurement system and its individual components. With the help of a gas measuring stand and high-precision measurements, the newly developed measuring system is evaluated and compared with already existing systems, as well as discussed.

English
Status: Publisher's Version
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-229481
Classification DDC: 600 Technology, medicine, applied sciences > 620 Engineering and machine engineering
Divisions: 18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute of Computer Engineering > Integrated Electronic Systems (IES)
Date Deposited: 16 Dec 2022 13:16
Last Modified: 21 Dec 2022 07:29
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/22948
PPN: 502761849
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