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Robuste Ultraschallmesstechnik basierend auf Zeit-Frequenz-Darstellungen

Robuste Ultraschallmesstechnik basierend auf Zeit-Frequenz-Darstellungen
Ansprechpartner:

Matthias Bächle

Projektgruppe:

Signalverarbeitung

Die Durchlufssmessung stellt seit langer Zeit eine typische Aufgabe der Messtechnik dar. Dazu werden verschiedene Effekte wie z.B. die Corioliskraft, Druckunterschiede, Induktion oder akustische Übertragungen verwendet.

Ein energieeffizientes Prinzip zur Durchflussmessung in Rohren besteht in der Verwendung von ultraschallbasierten Verfahren. Wenn der Ultraschall aufgrund der Homogenität des Medium nicht gestreut oder reflektiert, kann keine Auswertung über den Doppler-Effekt verwendet werden. In diesem Fall findet das Ultraschalllaufzeitverfahren seine Anwendung.

Dazu wird die Laufzeitdifferenz zwischen Signalen stromaufwärts und stromabwärts verwendet. Herkömmliche Signalverarbeitungsalgorithmen schätzen die Laufzeitdifferenz mithilfe der Hilbert-Transformation.  Diese Algorithmen zeichnen sich durch eine hohe Robustheit gegenüber Rauschen und einer feinen Zeitauflösung aus. Allerding wird die geschätzte Laufzeitdifferenz bei additiven Störanteilen im selben Frequenzband stark beeinflusst.

Bei einem neuartigen Verfahren soll die Ultraschallwelle über die Rohrwand ins Medium eingeprägt werden. Daraus ergeben sich eine Ausbreitung des Schalls im Medium und eine Ausbreitung in der Rohrwand als Körperschall. Aufgrund der Mehrwegeausbreitung wird im Empfänger eine additive Überlagerung von Signalen gemessen. Die Signale, die das Medium durchlaufen, tragen einen Messeffekt, der in Form einer zeitlichen Verschiebung der Signale vorliegt. Signale, die rein über die Rohrwand übertragen werden, tragen keinen Messeffekt, liegen aber im gleichen Frequenzband. Aufgrund der Superposition im gleichen Zeit- und Frequenzbereich handelt es sich um ein inverses Problem.

Ziel der Forschung ist die Extraktion der  Messeffekt-tragenden Signalanteile, indem über Regularisierungen die möglichen Körperschallsignale gefiltert werden. Die zusätzlichen Randbedingungen, die an die Identifikationsaufgabe gestellt werden müssen, sollen dabei aus einem physikalischen Verständnis des Messsystems und des Messprozesses gewonnen werden. Zur Separation sollen Zeit-Frequenz-Analyse-Techniken erforscht werden, die sich zur nichtstationären Filterung eignen. Die Verfahren müssen aufgrund der Prozessbedingungen robust gegenüber Temperaturschwankungen, Dichte- und Viskositätsänderungen des Mediums sein.

Wellenausbreitung bei Strömung