Entwicklung eines Ultraschall-Messgerätes zur nicht-invasiven, simultanen Analyse von Ablagerungen, Rohrparametern und Durchfluss in Rohrleitungen mittels geführter akustischer Wellen, Untersuchung von geführten akustischen Wellen zur Bestimmung von Materialeigenschaften von Rohren und Detektion und Quantifizierung von ablagerungen und Materialeigenschaften zur automatischen Korrektur von US-Durchflussmessungen - NINAA

Untersuchung von geführten akustischen Wellen zur Bestimmung von Materialeigenschaften von Rohren und Detektion und Quantifizierung von Ablagerungen und Materialeigenschaften zur automatischen Korrektur von US-Durchflussmessungen

Die präzise Bestimmung des Durchflusses in gefüllten Rohren ist sehr wichtig für viele Produktions- und Versorgungsanlagen. Ultraschall (US)-Clamp-on-Systeme bieten viele Vorteile, da sie flexibel einsetzbar sind und nicht-invasiv arbeiten. Bislang sind US-Durchflussmessungen zu ungenau, da der exakte Querschnitt und die Materialparameter des Rohrs nicht ausreichend bekannt sind und durch Ablagerungen sowie Korrosion des Rohrs verändert sein können. Ziel des Projekts ist die Untersuchung der Eignung von geführten akustischen Wellen zur Detektion und Quantifizierung von Ablagerungen und Rohrparametern (Materialeigenschaften, Radius, Korrosion) zur automatischen Korrektur von US-Durchflussmessungen. Dazu wird basierend auf FEM-Simulationen und Messreihen ein Hybridsensor entwickelt, mit welchem die simultane Messung des Rohrquerschnitts, der Materialeigenschaften und des Durchflusses präzise erfasst und automatisch korrigiert werden kann. Hierzu werden neue Wandler zur Anregung und Detektion sowie Algorithmen zur komplexen Auswertung der Signale entwickelt. Das FuE-Projekt wird die Genauigkeit von Durchflusssystemen steigern und den Automatisierungsgrad in modernen Anlagen erhöhen.
Das FuE-Projekt wird von einem erfahrenen Konsortium in der Forschung und Entwicklung von Messtechnik für die Wasserwirtschaft durchgeführt und besteht aus dem Institut für Sensor- und Aktortechnik der Hochschule Coburg (ISAT) und der NIVUS GmbH (NIV). Im Zuge des Projekts wird das Ausbreitungsverhalten unterschiedlicher Moden geführter akustischer Wellen in Abhängigkeit von den Materialparametern des Rohres oder der Dicke der Schicht untersucht, die bislang nicht oder nur untergeordnet in der Messtechnik von Rohren verwendet werden. Zudem wird eine entsprechende Sensorik einschließlich einer effizienten Echtzeit-Datenverarbeitung und -auswertung entwickelt.

Laborprüfstand NiNAA

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Bestimmung der Materialeigenschaften von Rohren und innen liegenden Schichten mittels geführten akustischen Wellen

Backer, Alexander; Tietze, Sabrina; Drese, Klaus Stefan (2024)

Tagungsband 22. GMA/ITG-Fachtagung Sensoren und Messsysteme 2024 2024, S. 306-312.
DOI: 10.5162/sensoren2024/D1.3

Open Access

ABSTRACT

Für die nicht-invasive Durchflussmessung werden meist Ultraschallsensoren verwendet, die reversibel an das zu untersuchende Rohrsystem angebaut werden. Die Messgenauigkeit dieser Sensoren wird durch mögliche Ablagerungen im Rohrinneren beeinflusst.

In dem hier vorgestellten Forschungsvorhaben, soll es mit Hilfe eines ultraschallbasierten Messverfahren möglich sein, sowohl die Materialeigenschaften und Wandstärke des Rohres direkt zu ermitteln als auch eventuell vorhandene Schichten im Rohrinneren zu detektieren und zu charakterisieren. Mit Hilfe dieser zusätzlichen Messgrößen soll zukünftig eine präzisere Durchflussmessung von klemmbaren Ultraschalldurchflusssensoren ermöglicht werden. Um die Algorithmen zur Charakterisierung der Materialeigenschaften zu erproben, wurden zunächst Simulationen zur Wellenausbreitung der geführten akustischen Wellen und deren Interaktion mit Schichten durchgeführt. Es erfolgte die Auswertung der beiden Grundmoden, A0 und S0, in einem definierten Frequenzbereich. Im Anschluss erfolgte die experimentelle Überprüfung auf einer ebenen Platte mit definierten Schichten von 415 μm und 780 μm. Die bisherigen Messergebnisse zeigen, dass es möglich ist mit dem entwickelten Algorithmus das Material und die Schichten zu charakterisieren. Die noch vorhandene Abweichung der Materialdaten von den Literaturwerten ergibt sich u. a. aus dem Schwingungsverhalten der Piezokeramik. Zukünftig soll die Auswertung durch direkte Messung der Schwingungseigenschaften der Piezokeramik weiter optimiert werden.

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