Hrg. Bernhard Uhl,
"Messgerät zur Ultraschall-Strömungsmessung in Gasen und Flüssigkeiten"
, 10-2018
Original Titel:
Messgerät zur Ultraschall-Strömungsmessung in Gasen und Flüssigkeiten
Sprache des Titels:
Deutsch
Original Kurzfassung:
Die von Zügen verursachten Druckstöße innerhalb von Tunneln können sich negativ auf die Tunnelentwässerung auswirken. Insbesondere kann es zu einer kritischen Richtungsumkehr der Strömung von Luft und Wasser kommen. Um diesen Effekt zu untersuchen, wurde ein Messsystem entwickelt, welches in der Lage ist, die Strömungsgeschwindigkeit und -richtung von Luft und Wasser innerhalb der Drainagerohre simultan und vorzeichenrichtig zu erfassen. Die daraus folgenden Anforderungen an das Messsystem beinhalten sowohl eine kleine Messunsicherheit bei niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten im Bereich weniger cm/s als auch einen großen Messbereich von einigen m/s.
Zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit wurde das Ultraschall-Impulslaufzeitdifferenz-Verfahren eingesetzt. Die dafür notwendige Genauigkeit der Zeitmessung konnte durch Einsatz eines Time-to-Digital-Converter mit einer statistischen Unsicherheit von 55 ps erreicht werden. Zusätzlich zur Geschwindigkeitsmessung wurde das Messsystem mit Sensoren zur Füllstandmessung sowie der Erfassung von Feuchtigkeit, Temperatur und Druck in Luft ausgestattet. Die gesamte Elektronik sowie ein Akku zur Spannungsversorgung wurden in einem wasserdichten Messkoffer verbaut.
Da die Erzeugung einer konstanten und laminaren Strömung zur Kalibrierung des Messsystems aufgrund verschiedener hydromechanischer Effekte äußerst schwierig wäre, wurde stattdessen ein Messaufbau gewählt, welcher die Ultraschallwandler innerhalb des ruhenden Mediums bewegt. Dadurch konnte eine annähernd konstante Strömung zwischen den Ultraschallwandlern erzeugt werden. Als Referenz diente hierbei ein Vibrometer. Die durchgeführten Messungen zeigten, dass eine Messunsicherheit von 0,1 cm/s sowohl für die Messung in Luft als auch in Wasser für verschiedene Strömungsgeschwindigkeiten erreicht werden konnte. Auch für Strömungsgeschwindigkeiten im Bereich einiger m/s wurde die Richtigkeit der Messergebnisse qualitativ bestätigt.
Sprache der Kurzfassung:
Deutsch
Englischer Titel:
Measuring instrument for ultrasonic flow measurement in gases and liquids
Englische Kurzfassung:
Trains passing tunnels cause pressure-waves. This can adversely affect the tunnel drainage. Under certain circumstances, the direction of flow could be reversed. For the purpose of investigation a measurement system is needed, which is able to simultaneously measure speed as well as direction for both air and water. The measurement system should be suitable for measuring small velocities of several cm/s with high precision, while having a range of several m/s.
A sensor based on the ultrasonic time-of-flight principle was chosen. For this sensor the method of ultrasonic transit-time difference was selected. The required high precision of the time measurement was achieved by a time-to-digital converter with a statistical uncertainty of 55 ps. To complete the measurement system a sensor for fill level as well as sensors for humidity, temperature, and pressure of air were added. The electronics and the battery were mounted inside a water-resistant box.
Since the generation of a constant and laminar flow for the calibration of the measurement system is very difficult due to different hydro-mechanical effects a measurement setup was chosen where the sensors are moved through a stationary medium. Thus, a nearly constant flow can be generated. A vibrometer served as reference. The performed measurements achieved an uncertainty of 0.1 cm/s. Additionally, the suitability of the system for the measurement of higher flow velocities in the range of m/s was confirmed qualitatively.
Forschungs-