Ultraschall-Füllstandsmessung nach dem Impulslaufzeit-Meßprinzip mit verbesserter Echoimpulserkennung:
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| Format: | Abschlussarbeit Buch |
| Sprache: | German |
| Veröffentlicht: |
Aachen
Shaker
2000
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| Ausgabe: | Als Ms. gedr. |
| Schriftenreihe: | Berichte aus der Elektrotechnik
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Symbolverzeichnis und Abkürzungen
1 Einleitung 1
1.1 Thema und Problemstellung 1
1.2 Zielsetzung und Konzeption der Dissertation 2
2 Anwendungsorientierte Theorie zur Ultraschall-Füllstandsinessung S
2.1 Meßprinzip 5
2.2 Ultraschallwandler im Einsatz zur Füllstandsmessung 6
2.3 Ultraschallwandler 8
2.3.1 Prinzipverhalten eines piezoelektrischen Körpers 8
2.3.2 Elektrisch-mechanische Analogien und Ersatzschaltbilder von 10
Ultraschallwandlern
2.3.3 Anpassung eines Piezowandlers an den elektrischen Sender 18
2.3.4 Piezoelektrischer Wandler bei Impulsanregung 22
2.3.5 Richtcharakteristik 34
2.3.6 Blockdistanz 35
2.4 Einflüsse des Mediums oberhalb des Füllgutes im Behälter 36
2.4.1 Schallgeschwindigkeit 36
2.4.2 Schallabsorption 39
2.4.3 Reflexionsbedingungen 42
2.5 Reflexionsmodelle 43
2.5.1 Zylinderbehälter 46
2.5.2 Kugelbehälter 54
2.6 Methode zur MeBwerterfassung 62
2.6.1 Abtasten eines Analogsinais 63
2.6.2 Verwendete Methode zur Aufnahme von Echosignalen 64
3 Neues Verfahren zur Füllstandsechoerkennung 67
3.1 Impulsdetektion 68
3.2 Schwellwertbildung 69
3.3 Bildung einer Schwellwertkurve mit arithmetischem Mittelwert und 71
Fuzzy-Logik-Operatoren
3.3.1 Begriffe und Elemente der Operatoren in der Fuzzy-Sets-Theorie 73
(unscharfe Menge)
3.3.2 Bildung einer Schwellwertkurve mit Hilfe eines Fuzzy-Min- 75
Operators (die minimierte Mittelwertkurve: erstes neues Verfahren)
3.3.3 Bildung einer monoton fallenden Schwellwertkurve mit Hilfe 77
von Fuzzy-Max-Min-Operaioren (die maximierte monoton
fallende Mittelwertkurve : zweites neues Verfahren)
3.4 Darstellungsmodelle von Echoimpulsen 80
3.5 Methode zur Erkennung von Füllstandsechos 81
4 Realisierung des Meßsystems (Aufbau des Meßsystems) 84
4.1 Funktionsprinzip des realisierten Meßsystems 84
4.2 Behälterkonstruktion und Anordnung des Ultraschallwandlers 85
4.3 Prinzip der Signalsendung und des Signalempfangs 87
4.4 Meßsignalempfänger 91
4.4.1 Meßsignalverstärkung 92
4.4.2 Hüllkurvendetektor 93
4.5 Systemsteuerung zur Meßwerterfassung 95
4.5.1 Systemübersicht 95
4.5.2 Eigenschaften des Mikrocontrollers SAB 80C517/80C517A 96
4.5.3 Schnittstelle zwischen PC und MC 99
4.6 Programm zur Meßwerterfassung 99
4.7 Programm zur Meßweitverarbeitung 103
4.8 Verwendete Ultraschallwandler 115
4.9 Verwendeter Temperatursensor 118
5 Praktische Versuchsergcbnissc und Echoanalyse und -crkennung 119
5.1 Meßaufbau 119
5.2 Meßprogramm zur Unterstützung der Experimente 120
5.3 Variationen der Meßwertaufnahme 124
5.3.1 Leerer Behälter 124
5.3.2 Variation der Sendeimpulsdauer 125
5.3.3 Variation der Ultraschallwandlerposition 126
5.4 Bildung einer Schwellwertkurve aus ihrem eigenen Echoprofil unter 127
Verwendung von Fuzzy-Logik-Operatoren
5.4.1 Schrittweise Bildung einer minimierten Mittelwertkurve unter 127
Verwendung eines Fuzzy-Min-Operators
5.4.2 Schrittweise Bildung einer maximierten monoton fallenden Mittel- 131
wertkurve unter Verwendung von Fuzzy-Max-Min-Operatoren
5.5 Echoprofil in unterschiedlichen Versuchen 135
5.5.1 Behälter mit Wasser 135
5.5.2 Behälter mit mit Schaum bedecktem Wasser 140
5.6 Zeitmessung unter Verwendung des Impulsdetektors 141
6 Maßnahmen zur Minimierung der Meßunsicherheit 144
6.1 Prinzip des Mittelwertverfahrens 144
6.2 Praktischer Einsatz des Mittelwertverfahrens für die Verarbeitung 146
der Meßergebnisse des Impulsdetektors
7 Praktische Meßergebnisse 148
7.1 Variation der Distanz zwischen Sensor und Füllgut 148
7.2 Horizontale Variation der Sensorposition 150
7.3 Vergleich zwischen dem größten Echo (dem Maximum) und 152
dem ersten großen Echo (dessen Nebenmaximum)
7.4 Vergleich zwischen den Auswertungsverfahren 157
7.5 Zusammenfassung 160
8 Betrachtungen zur Impulslaufzeitmessung 161
8.1 Problematik der Impulslaufzeitmessung bei der Füllstandsmessung 161
8.1.1 Impulslaufzeitmessung nach dem Ein-Pegel-Verfahren 162
8.1.2 Impulslaufzeitmessung nach dem Schwerpunktverfahren 163
8.2 Zusammenfassung 168
9 Zusammenfassung 169
Literaturverzeichnis 171
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