Schmalbandige Ultraschallwandler versprechen durch ihre Anpassung an Gase deutlich höhere Schalldrücke und eine bessere Sensitivität und somit für den Einsatz in Gasultraschalldurchflussmesssystemen einen alternativen Ansatz. Insbesondere die, für die Verwendung in Gasen neuen, Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducers (CMUTs) bieten sich an, da sie auch in rauen Umweltbedingungen eingesetzt werden können. Damit bieten sie einen neuen Ansatz zur Verwendung in Ultraschalldurchflussmessgeräten für Gase. Bisher wird beim Einsatz von Ultraschallwandlern mit breitbandigen Typen gearbeitet und mittels Impulsen und Korrelation die Laufzeit bestimmt. Diese Verfahren sind nicht für schmalbandige Wandler geeignet.
Zur optimalen Umsetzung der Analyse wird eine Bestimmung der Richtcharakteristik der Ultraschallwandler, der Schallausbreitung im Flowmeter und möglicher Störgeräusche durchgeführt. Aus diesen Ergebnissen wird unter anderem ein mehrkanaliges Durchflussmessgerät aufgebaut, welches eine optimale Schallausbreitung ohne eine Beeinflussung der Strömung ermöglicht und nur einen Ultraschallsender benötigt.
Anhand von Simulationen und Messungen an zwei aufgebauten Durchflussmessern werden im Rahmen dieser Arbeit verschiedene Verfahren untersucht, die es ermöglichen, bei extrem schmalbandigen Wandlern die Laufzeit zu bestimmen.
Es kristallisieren sich zwei Continuous Wave (CW)-Verfahren heraus, die einen Einsatz dieser Wandler ermöglichen.
Die Phasenbestimmung mittels 6-Tor-Methode sowie ein in einem Field Programmable Gate Array (FPGA) umgesetztes Zählverfahren liefert kontinuierlich die Phasenverschiebung bzw. Laufzeit der Signale, aus der die Strömungsgeschwindigkeit bestimmt werden kann. Im Vergleich zu einem Strömungsmesser mit einer Prandtlsonde zeigen beide Verfahren qualitative ebenbürtige Ergebnisse bei signifikant höherer Effizienz.
Diffraction loss calculation based on boundary element method for an air-coupled phased array
(2015)
We introduce the possibility of improving a single-cell capacitive micromachined ultrasonic transducer (CMUT) for air-coupled ultrasound by simply adding a hollow conical-shaped structure (horn) on top of the CMUT plate. The main objective is to improve both transmit and receive sensitivity by lowering the center-to-average displacement ratio, which for bending plate operated devices inherently is limited. In addition, for receive mode the force generated from the impinging sound pressure wave is concentrated to the center of the plate, resulting in larger signals and, in contrast to piston-shaped plates, the horn has the advantage of only moderately increasing the modal mass of the structure. By using finite element analysis and first sound pressure measurements of our modified CMUT, we demonstrate that this idea is feasible and promising for air-coupled CMUTs operating at frequencies below 150kHz, as it has been been proven to be successful for commercially available piezoelectric - driven bending plate devices as well.
The design of ultrasonic gas flowmeters requires a thorough three dimensional characterization of the acoustic sound field. For large pipe flowmeters, such as used for flare gas metering, the transducers are operated at frequencies ranging from 20 kHz up to 150 kHz. Thus, in this work we use a commercially available calibrated 1/8-inch microphone, mounted on a 3D positioning system for performing volumetric measurements in a volume of up to 1x1x1 m. By using proper corrections in terms of angular and free-field response of the microphone, the measurement system is efficient and delivers around 30000 measurements in about only eight hours. The data then is visualized in form of 3D figures or various slices to extract all relevant information. The system has been used to identify non-uniform velocity profiles in capacitive micromachined ultrasonic transducers (CMUTs), operating in permanent contact mode. Further, the system can be used to investigate the effect of various acoustic boundary conditions the transducers are facing when mounted inside transducer port cavities and it can be used for general model validation purpose.