Untersuchung von Clamp-on-Ultraschalldurchflussmessgeräten im k-Raum

Die ultraschallbasierte Durchflussmesstechnik ist seit Jahren in der Prozessmesstechnik etabliert. Zur hauptsächlich genutzten Inline-Variante stellt die Clamp-on-Variante eine vielversprechende Alternative dar. Bei dieser sind die Ultraschallwandler als Winkelprüfköpfe ausgeführt und werden von außen auf ein bestehendes Rohr montiert. Bekanntermaßen existieren vielfältige Ursachen, die zu einer Messabweichung des zu erfassenden Volumenstroms führen können. Bisher ungelöst war die Erklärung und insbesondere Vorhersage des Einflusses der Rohrwand auf die Messabweichung. In der vorliegenden Arbeit wird gezeigt, dass sich der Ausbreitungswinkel des Ultraschalls im Fluid, in Abhängigkeit diverser Parameter, um wenige zehntel Grad ändert. Die Abweichung dieses Winkels vom erwarteten Wert führt unmittelbar zu einem Messfehler, da der Winkel in die Berechnung des Volumenstroms eingeht. Voraussetzung für den Nachweis der sehr kleinen Winkeländerungen sind simulierte und messtechnisch erfasste zweidimensionale Schallfelder. Diese Schalldruckverteilungen werden mit einer neuartigen modifizierten Hough-Transformation verarbeitet. Das Ergebnis dieser Analyse ist eine genaue Angabe zur Orientierung jeder einzelnen Wellenfront des in der Schalldruckverteilung erfassten Schallwellenpakets.

Ziel ist die Vorhersage der Änderung der Schallausbreitungsrichtung im Fluid (Fluid-Winkel), um darauf basierend beispielsweise eine Korrektur des Volumenstrom-Messwerts vornehmen zu können. Für die Modellierung dieses Phänomens ist es notwendig, neben der in der Literatur üblicherweise berücksichtigten Frequenzabhängigkeit, zusätzlich die Winkelabhängigkeit der Schallausbreitung zu erfassen.

Zu diesem Zweck ist die Phasengeschwindigkeit gut geeignet, die mit der Wellenzahl und somit dem k-Raum zusammenhängt. Außerdem beschreibt die Phasengeschwindigkeit die in der Rohrwand teilweise angeregten Lamb-Wellen. Das in dieser Arbeit vorgestellte Frequenz-Ortsfrequenz-Modell zeigt auf, dass die Änderung des Fluid-Winkels mit einer Beeinflussung der dominanten Frequenz der empfangenen Ultraschallsignale einhergeht. Aus dieser Erkenntnis werden neuartige Kriterien zur Wahl des optimalen Messgerät-Betriebspunkts abgeleitet. Abschließend erfolgt die Validierung des Modells durch den Abgleich mit Messungen. Dabei finden sowohl Volumenstrom-Durchflussmessungen Berücksichtigung, als auch abstrahierte Messungen der frequenzabhängigen Richtwirkung, der Schallabstrahlung der Rohrwand ins Fluid.