Verarbeitung komplex modulierter Ultraschallsignale bei Wirbelfrequenz- und Korrelationsverfahren zur Durchflussmessung:
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Aachen
Shaker
2007
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| adam_text | Verarbeitung komplex modulierter Ultraschallsignale
bei Wirbelfrequenz- und Korrelationsverfahren zur
Durchflussmessung
Von der Fakultät für Ingenieurwissenschaften
Abteilung Maschinenwesen (Campus Essen)
an der Universität Duisburg - Essen
zur Erlangung des akademischen Grades
Doktor-Ingenieur
genehmigte Dissertation
Vorgelegt von
Dipl -Ing Oliver Ricken
geboren in Mülheim an der Ruhr
Datum der mündlichen Prüfung: 19 Dezember 2006
Vorsitzender: Prof Dr -Ing I Romey
Gutachter: Prof Dr -Ing V Hans
Prof Dr -Ing E von Lavante
Prof Dr -Ing R Tracht
Berichte aus der Strömungstechnik
Oliver Ricken
Verarbeitung komplex modulierter Ultraschallsignale
bei Wirbelfrequenz- und Korrelationsverfahren zur
Durchflussmessung
^chncMer technische Bibliothek
TUD
tnv -Nr :
ly 9,12
05 ÄUG 2008
Shaker Verlag
Aachen 2007
Inhaltsverzeichnis
I
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung 1
2 Stand der Technik 4
2 1 Mechanisch-volumetrische Durchflussmessverfahren 4
211 Volumenzähler mit festen Kammerwänden (Auslaufzähler) 4
212 Volumenzähler mit beweglichen Kammerwänden (Verdrängungszähler) 5
213 Volumenzähler mit Messflügeln 6
2 2 Wirkdruck-Durchflussmessverfahren 6
221 Physikalische Grundlagen 6
222 Drosselverfahren 7
223 Staudruckverfahren 7
2 3 Akustische Strömungsmessverfahren 7
231 Wirbelfrequenzzähler 8
232 Ultraschall-Laufzeitverfahren 8
233 Korrelatives Ultraschalldurchflussmessverfahren 9
3 Übersicht der bisher zur Wirbelfrequenzmessung und zur
Korrelationstechnik auf Basis von Ultraschall durchgeführten Arbeiten 11
4 Modulationstechnik 13
4 1 Amplitudenmodulation 13
4 2 Winkelmodulation 16
421 Phasenmodulation 16
422 Frequenzmodulation 16
4 3 Komplexe Modulation 17
4 4 Das analytische Signal 18
5 Demodulation durch synchrone Unterabtastung 21
5 1 Komplexe Bandpassabtastung 24
5 2 Elektronische Hilber-Transformation 24
6 Unterabgetastete elektronische Hilbert-Transformation 26
6 1 Auswirkungen auf die Wirbelfrequenzmessung 29
II
Inhaltsverzeichnis
6 2 Auswirkungen auf die korrelative Durchflussmessung 29
7 Phasenrekonstruktionstechniken 31
7 1 Erweiterung des Arcustangens-Wertebereichs 32
7 2 Nullphasenkorrektur 32
7 3 Phasenrekonstruktion durch Auswertung der Häufigkeitsverteilung 33
7 4 Differentialrekonstruktion 34
741 Funktionsbeschreibung 34
742 Detektion abnormer Steigungen 35
743 Rekonstruktion abnormer Steigungen 37
744 Hochpassfilterung durch Ausgleichspolynom 38
745 Hochpassfilterung durch spektrale Dämpfungsfunktion 41
746 Vereinfachte Differentialrekonstruktion 44
747 Differenzielle Kreuzkorrelation bei der korrelativen
Ultraschalldurchflussmessung 47
748 Auswirkungen der Differentialkorrektur auf das Korrelationsmaximum 47
8 Parametereinflüsse 49
8 1 Wirkung akustischer Einkopplungen in die Messstrecke 49
8 2 Einfluss einer Signalfilterung auf korrelativ ermittelte Messergebnisse 52
821 Anwendung eines Hochpassfilters 53
822 Geschwindigkeitsbestimmung durch den Verlauf der Korrelationsmaxima in
Abhängigkeit von der unteren Grenzfrequenz eines Hochpassfilters 56
823 Anwendung eines Tiefpassfilters 57
8 3 Einfluss des Anstellwinkels eines Störkörpers auf die
Geschwindigkeitsmessung beim Wirbelkörpermessverfahren 59
831 Messaufbau 60
832 Theoretischer Ansatz und Interpretation der Messergebnisse 62
9 Entstehung der Phasen und der Amplitudenmodulation 69
9 1 Einfluss der Empfangscharakteristik des Ultraschallempfängers auf das
demodullerte Amplitudensignal 69
9 2 Erklärungsmodelle für das Auftreten einer doppelten Wirbelfrequenz bei
hohen Geschwindigkeiten 71
921 Erklärungsmodell mittels Übermodulation 72
922 Erklärungsmodell mittels Zeigerdiagramm 76
Inhaltsverzeichnis
III
10 Gegenüberstellung der Versuchsergebnisse der
Wirbelkörperfrequenzmessungen 77
10 1 Messungen an ausgebildeten Strömungen 78
10 1 1 Dreieckiger Störkörper mit einer Länge und Breite von 4 mm 79
10 1 2 Dreieckiger Störkörper mit einer Länge und Breite von 12 mm 84
10 2 Messungen an gestörten Strömungen 89
10 2 1 Messung hinter einem 90“-Rohrkrümmer 91
10 2 2 Messung hintereinem Raumkrümmer 94
11 Kombination des Wirbelkörperverfahrens mit der kreuzkorrelativen
Geschwindigkeitsmessung 96
11 1 Redundanz 97
11 2 Selbstüberwachung 97
11 3 Selbstkalibrierung 99
11 4 Versuchsaufbau 99
11 5 Gegenseitige Beeinflussung der Messprinzipien 100
11 6 Widerspruch von Periodizität der Wirbel und der Anwendungsmöglichkeit
des kreuzkorrelativen Verfahrens 105
12 Zusammenfassung und Ausblick 109
Literatur
|
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Verarbeitung komplex modulierter Ultraschallsignale
bei Wirbelfrequenz- und Korrelationsverfahren zur
Durchflussmessung
Von der Fakultät für Ingenieurwissenschaften
Abteilung Maschinenwesen (Campus Essen)
an der Universität Duisburg - Essen
zur Erlangung des akademischen Grades
Doktor-Ingenieur
genehmigte Dissertation
Vorgelegt von
Dipl -Ing Oliver Ricken
geboren in Mülheim an der Ruhr
Datum der mündlichen Prüfung: 19 Dezember 2006
Vorsitzender: Prof Dr -Ing I Romey
Gutachter: Prof Dr -Ing V Hans
Prof Dr -Ing E von Lavante
Prof Dr -Ing R Tracht
Berichte aus der Strömungstechnik
Oliver Ricken
Verarbeitung komplex modulierter Ultraschallsignale
bei Wirbelfrequenz- und Korrelationsverfahren zur
Durchflussmessung
^chncMer technische Bibliothek
TUD
tnv -Nr :
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05 ÄUG 2008
Shaker Verlag
Aachen 2007
Inhaltsverzeichnis
I
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung 1
2 Stand der Technik 4
2 1 Mechanisch-volumetrische Durchflussmessverfahren 4
211 Volumenzähler mit festen Kammerwänden (Auslaufzähler) 4
212 Volumenzähler mit beweglichen Kammerwänden (Verdrängungszähler) 5
213 Volumenzähler mit Messflügeln 6
2 2 Wirkdruck-Durchflussmessverfahren 6
221 Physikalische Grundlagen 6
222 Drosselverfahren 7
223 Staudruckverfahren 7
2 3 Akustische Strömungsmessverfahren 7
231 Wirbelfrequenzzähler 8
232 Ultraschall-Laufzeitverfahren 8
233 Korrelatives Ultraschalldurchflussmessverfahren 9
3 Übersicht der bisher zur Wirbelfrequenzmessung und zur
Korrelationstechnik auf Basis von Ultraschall durchgeführten Arbeiten 11
4 Modulationstechnik 13
4 1 Amplitudenmodulation 13
4 2 Winkelmodulation 16
421 Phasenmodulation 16
422 Frequenzmodulation 16
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4 4 Das analytische Signal 18
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5 1 Komplexe Bandpassabtastung 24
5 2 Elektronische Hilber-Transformation 24
6 Unterabgetastete elektronische Hilbert-Transformation 26
6 1 Auswirkungen auf die Wirbelfrequenzmessung 29
II
Inhaltsverzeichnis
6 2 Auswirkungen auf die korrelative Durchflussmessung 29
7 Phasenrekonstruktionstechniken 31
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7 2 Nullphasenkorrektur 32
7 3 Phasenrekonstruktion durch Auswertung der Häufigkeitsverteilung 33
7 4 Differentialrekonstruktion 34
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742 Detektion abnormer Steigungen 35
743 Rekonstruktion abnormer Steigungen 37
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745 Hochpassfilterung durch spektrale Dämpfungsfunktion 41
746 Vereinfachte Differentialrekonstruktion 44
747 Differenzielle Kreuzkorrelation bei der korrelativen
Ultraschalldurchflussmessung 47
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Abhängigkeit von der unteren Grenzfrequenz eines Hochpassfilters 56
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Geschwindigkeitsmessung beim Wirbelkörpermessverfahren 59
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9 Entstehung der Phasen und der Amplitudenmodulation 69
9 1 Einfluss der Empfangscharakteristik des Ultraschallempfängers auf das
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hohen Geschwindigkeiten 71
921 Erklärungsmodell mittels Übermodulation 72
922 Erklärungsmodell mittels Zeigerdiagramm 76
Inhaltsverzeichnis
III
10 Gegenüberstellung der Versuchsergebnisse der
Wirbelkörperfrequenzmessungen 77
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11 5 Gegenseitige Beeinflussung der Messprinzipien 100
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