Ultraschallwandler

[HansP]

Liebe Community,

im Rahmen meiner Bachelorarbeit beschäftige ich
mich mit der Entwicklung eines neuen Ultraschall-Durchflusssensors. Hierfür bin
ich auch auf der Suche nach einem passenden Ultraschallwandler bzw. nach
einem Piezoelement.
Ich weiß, dass man Flüssigkeiten hauptsächlich mit dem Laufzeitdifferenz-Verfahren misst und dass man Frequenzen im MHz-Bereich benutzt.
Einen Ultraschallwandler gibt es allerdings in vielen Frequenzbereichen zu kaufen.

Die Frage ist jetzt von was die Frequenz abhängt? Also benutzte ich 1 MHz oder 5 MHz?
Hängt es von der Flüssigkeit, der Eindringtiefe oder dem Rohrdurchmesser ab?

Ich verstehe diese Zusammenhänge noch nicht so ganz und konnte nichts in der Fachliteratur finden.

Viele Grüße
Hans

[Ceos]

ich weis jetzt nicht wie weit du schon vorgearbeitet hast in deiner Arbeit und welche Methode zum messen du verwenden willst, aber die Frequenz die du verwendest ist doch bestenfalls zweitrangig oder?

Je höher die Frequenz, um so schneller kannst du messen, effektiv könntest du auch 2 Mikrofone und einen Hammer nehmen um die flow geschwindigkeit beim üblichen verfahren zu messen oder?

Hauptsache dein ADC ist schnell genug damit du den Schall komplett abtasten kannst.

Machst du die Arbeit bei einer Firma? Dann solltest du erstmal Hersteller für Piezowandler raussuchen, einen wählen der ein relativ breites Programm hat und von dem auch Samples einfach zu beziehen sind. Dann kannst du deinen Chef bitten Samples zu bestellen und herausfinden welcher Wandler dir die besten Signale liefert.

Aber wie gesagt keine Ahnung wie weit du bist und welchen Ansatz du verfolgst, also kann ich nur rumraten

PS: Mit zweitrangig meine ich nciht unwichtig, klar kommt es auf das Material an das du durchschallen willst um beste ERgebnisse zu bekommen, daher rate ich dazu einfach zu probieren oder mathematisch ranzugehen (Dichte und Dicke des Rohrmaterial, Dichte der Flüssigkeit ... ich geh mal von Flüssigkeit aus ... Auslöschungseffekte, stehende Welle etc.)

Und vll. gibt es noch bessere Ansätze von denen ich noch nicht gehört habe bei denen die Freuqenz tatsächlich eine Rolle spielt

PPS: Da ich der Informatiker in unserem Team bin habe ich mal meine Kollegen mit mehr Fachwissen gefragt .... mit 2Mhz liegst du schon gut, Argument hier war dass Körperschall bei höherer Frequenz besser gedämpft wird und der Wandler damit auch weniger Nachschwingt bzw. du weniger Schall über das Rohr als durch das Medium transportierst

Aber jetzt komm doch erstmal mit deiner geplanten Messmethode um die Ecke

[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