Ultraschallwandler

[HansP]

Vielen Dank Ceos für die schelle Antwort.

Die Arbeit mache ich bei einer Firma.
Es soll ein Inline-Sensor werden nach dem Laufzeitdifferenz-verfahren.


Die zu messenden Medien sind Flüssigkeiten mit wenigen oder keinen Fremdkörpern/Luftblasen.
Der Innendurchmesser des Kunststoffschlauchs/rohrs soll ca. 3 mm sein.

Auf die Antwort von Herstellern bezüglich eines Piezoelements warte ich noch.

Ok danke, gut zu wissen, dass dieser MHz-Bereich richtig ist.

Ja genau ich versuche jetzt das mathematisch anzugehen und schaue wie das alles Zusammenhängt (Frequenz, Schallintensität, Eigenfrequenz des Schwingers, usw.)
Ich fühle mich etwas überrumpelt mit dem Informationsberg aus der Fachlitratur.

Ich werde berichten wenn ich weiß wie ich genauer vorgehe.

[Moppi]

Hallo HansP,

Ultraschall-Durchflussmesser sollen prinzipiell nicht für die Volumenstrommessung von destilliertem Wasser oder Trinkwasser geeignet sein. Eine Erfassung von reinen Flüssigkeiten soll nur möglich sein, wenn diese belüftet werden und Bläschen bilden.

Guckst Du bitte hier: https://www.omega.de/prodinfo/ultras...ussmesser.html

MfG
Moppi

[HansP]

Hallo Moppi,

das gilt nur für Ultraschallsensoren, die mit dem Doppler-Verfahren arbeiten, also die Frequenzverschiebung als Maß für den Durchfluss nutzen.

Bei dem Laufzeitdifferenz-Verfahren wird die unterschiedliche Laufzeit von Ultrschallsignalen verwendet. Das Signal mit dem Strom bewegt sich schneller als das Signal gegen den Strom. Partikel und Luftblasen verursachen dann eher Störsignale.

Gruß
Hans

[Moppi]

Dann ist gut. Wollte nur nicht, dass Du dich vergaloppierst.

[Ceos]

Dann ist gut. Wollte nur nicht, dass Du dich vergaloppierst.

Einer der Gründe weswegen ich vorher nach dem Ansatz gefragt habe

außerdem ist es ja seine Arbeit und ich wollte dem Lernprozess nicht zu weit vorweggreifen :P

Viel Erfolg dabei, bei uns wars bisher immer nur das Kaloriemetrische Verfahren, weil "einfacher"

[HansP]

Es ist so, dass tatsächlich auch das Kalorimetrische Verfahren zur Auswahl steht.
Ich soll mich aber jetzt 2 Wochen mit beiden Verfahren beschäftigen und erörtern welches Verfahren am vielversprechensden für das Unternehmen ist.

Noch eine Frage zum Verständnis.
Wenn ich das jetzt richtig verstanden habe, darf die Wellenlänge maximal so groß sein wie der Durchmesser des Rohres oder?
Wenn die Wellenlänge größer wäre als das Rohr würde man nichts messen?

[Ceos]

darf die Wellenlänge maximal so groß sein wie der Durchmesser des Rohres oder

Sinnvollerweise ja, da kommt es aber auch auf das Medium an wegen der Schallgeshwindigkeit durch das Medium ... bei 2Mhz sollte man aber DEUTLICH darunter liegen, hier spielt der Körperschall eher eine Rolle.

Kurzgeasgt beim Kaloriemetrischen Verfahren kannst du nur einen relativen Flow messen, du baust den Sensor ein, machst dann eine Kalibrierung für min und max und bekommst dann einen Prozentwert zwischen den Grenzen.

Beim Ultraschallverfahren bin ich mir da zwar nicht 100% sicher aber ich denke damit kann man absolute Geschwindigkeitswerte bekommen. Und bei bekanntem Querschnitt kann man dann bequem auf die Menge umrechnen ohne vorher eine Kalibirierfahrt zu machen.

[fliesskomma]

Hallo Hans,
grundsätzlich, zur Anwendung von Ultraschallsensoren, gibt es Zusammenhänge von Frequenz, Schalleistung/Wirkungsgrad und dem "Klingeln", also das Nachschwingen auf der Resonanzfrequenz.

Viele Entfernungsmessungsverfahren arbeiten nach dem Hüllkurvenverfahren. Damit ist die zeitlicheZuordnung zwischen Sende-, und Empfangssignal schwierig. Vertut sich der Hüllkurvendemodulator, gibt es Abweichungen mit einem Vielfachen einer Periode. Also bei 1MHz Transducern wären das 1, 2, n µs. Das ist auch rausrechenbar. Die billigen 40kHz Transducer beispielsweise brauchen etwa 8 Sendeimpulse, damit das Sendesignal ordentlich beim Empfanger ankommt. Der Empfangstransducer sieht dann 60-70 Schwingungen, die aussehen, wie ein gestrecktes Spermium. Die Hüllkurvenmessung erfolgt am Kopf des Spermiums für etwa 10 Perioden. Bei diesen 40kHz ist der Periodenversatz bei Fehlmessungen 25µs. Fragt sich, womit sich besser umgehen läßt...

Wählst Du Transducer, die weniger nachklingeln (kleiner Resonanz-Güte), brauchen diese mehr Sendeleistung und mehr Empfangsverstärkung. Transducer gleicher Resonanzgüte aber mit höherer Frequenz haben auf jeden fall geringere zeitliche Abweichungen.

Im Laufzeitdifferenzverfahren überlagert die Strömungsfrequenz die Schallgeschwindigkeit von 1500m/s. Strömt das Wasser mit 1 m/s, mißt Du in Hin/Rückrichtung 1499m/s und 1501m/s, also eine Diff von 2m/s, also mußt Du auf 1 Promille genau messen. Für einen Meter benötigt der Schall 1/1500 s = 6,7ms. Die auf 1 Promille aufgelöst = 6,7µs. Die max Auflösung des Arduino mit 62,5ns ist 9,3 mal besser. Das letzte Bit kippt immer, daher bleiben 4,7. Das könnte gerade so gehen. Allerdings, wenn Deine Meßstrecke 10cm und Deine Meßuntergrenze 10cm/s sein sollen, braucht Du die 100-fache Speed beim messen. Und mit dem Arduino? Selbst bei guter low level Programmierung übersteigts die physikalischen Möglichkeiten.

Die Signalerzeugung habe ich Dir im anderen Thread beschrieben. Die Auswertung,... puhh. Das Schnellste was der ATmega328p kann, funktioniert über den Input-Capture. Aber schneller als 1,25µs-Pulse messen habe ich noch nicht geschafft. Und da ist das Jitter schon so groß, wie der Impuls selbst. Vlt gehts mit einem STM32 Prozessor besser (Maple Mini). Der läuft mit 72MHz Takt, glaube ich. Und der läuft auch unter der Arduino IDE.

Wenn Du magst, halte mich auf dem Laufenden. Es interessiert mich.

Viele Grüße, Rainer

[HansP]

Hallo fliesskomma,

Danke für deine Antwort.
Ich habe schon einen Versuchsaufbau gemacht.
Auf Grund des Aufwands messe ich jetzt die Frequenzdifferenz und nicht direkt die Laufzeit. Das heißt ein Frequenzgenerator steuert den US-Sender an, das empfangene Signal am US-Empfänger wird über einen Operationsverstärker wieder zurück zum Frequenzgenerator geleitet und dient diesem als neues Triggersignal. So entsteht ein Kreislauf. Die Frequenz dieses Signaldurchlaufs befindet sich zwischen 20 kHz und 30 kHz und wird mit einem Frequenzzähler oder am Oszi erfasst.
Letztendlich ist das ja auch die Laufzeit. Denn mit steigender Strömungsgeschwindigkeit steigt die Geschwindigkeit des US-Signals und die Frequenz des Signalkreislaufs steigt. Umgekehrt sinkt sie.

Also die Physik dahinter habe ich bereits nachgewiesen, allerdings gibt es starke Schwankungen, deren Ursache noch nicht geklärt ist. Mein Eindruck ist, dass der Frequenzgenerator selbst eine Kurve durchläuft. Also auch bei stehender Flüssigkeit schwankt die Frequenz des Signalskreislaufs. Hängt vielleicht auch mit der Betriebstemperatur zusammen.

Ich habe noch eine Woche Zeit um dahinter zu kommen. Um von einem Durchflussmesser sprechen zu können, müsste ich einen bestimmten Messwert einer bestimmten Durchflussmenge zuordnen können. Aber genau das, funktioniert noch nicht richtig.

Am Wochenende wollte ich das mit Arduino versuchen. Die Laufzeit möchte ich aufaddieren. Also, dass man z.B 1000 Mal das Signal in Strömungsrichtung sendet und die Gesamtzeit misst, minus 1000 Mal gegen die Strömungsrichtung.

Viele Grüße
Hans

[Ceos]

Ich überlege gerade, ob man das Signal der beiden Messunge nicht irgendwie gegeneinander schalten kann. Ob man da irgendwie das Time of Flight Prinzip enwenden könnte um mehr Auflösung zu bekommen?!

EDIT: Wie empfängst und wertest du denn im Moment das Signal aus?!

EDIT2: Oder vielleicht eine Phasenauswertung!? Aber das ist dann wieder Medienabhängig oder?!

EDIT3: Habe gerade mit einem Kollegen ein wenig theoretisiert ... Phasenauswertung wäre eine Möglichkeit zur Steigerung der Messgenauigkeit, aber technisch nur äußerst aufwendig realisierbar (die Phasendifferenz ist ja abhängig von der Schallgeschwindigkeit im Medium ... wir haben zwar einen konstanten Abstand, aber damit die Messung der Phase nicht ebenfalls von Rauschen beeinflusst werden würde, müsste man eigentlich CW messen und das ginge dann nur mit mit einem MIMO Ansatz)