Anwendung nachrichtentechnischer Methoden für die Sensorsignalauswertung am Beispiel der Erfassung von Bewegungen inhomogener Medien
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Forschungsprojekt ANTEMES befasste sich mit der "Anwendung nachrichtentechnischer Methoden für die Sensorsignalauswertung am Beispiel der Erfassung von Bewegungen inhomogener Medien". Grundlage des Projektes war der Ansatz eines neuartigen medienunabhängigen Strömungssensors beruhend auf dem thermischen Laufzeitverfahren (TTOF: Thermal Time-of-Flight). Dabei wird in einem strömenden Medium ein Hitzdraht pulsierend betrieben. Im Folgenden wird die Laufzeit der entstehenden Hitzepulse über eine definierte Strecke gemessen. Unter dem Einsatz von verschiedenen nachrichtentechnischen Verfahren sollte die Geschwindigkeitserfassung eines strömenden Fluids in einem Rohr unter verschiedenen Kriterien optimiert werden. Im Rahmen des Projektes ist es gelungen das TToF-Messprinzip in seinen Verfahrensgrenzen sowohl physikalisch als auch systemtheoretisch zu beschreiben. Dabei konnte die Funktion des gesamten Strömungssensors durch die drei Säulen aus analytischer Modellbildung, numerischer Simulation und experimenteller Messung für Luft und Wasser verifiziert werden. Zur Beschreibung des Verfahrens bestanden die größten Herausforderungen zum einen in der gegenseitigen Abstimmung zwischen dem Wiedereinstellen der Anströmgeschwindigkeit hinter dem Hitzdraht und einem ausreichenden Hitzdraht-Thermoelement-Abstand zur Temperaturdetektion (Form und Dimension des Hitzdrahtes, Viskosität des Fließmediums). Zum anderen musste die Umströmungsproblematik an Hitzdraht und Thermosensoren gelöst werden. Jeder Körper in einer Strömung führt zu einer Änderung des Strömungsprofils, da sich an ihm eine Grenzschicht in Bezug auf die Geschwindigkeit ausbildet. Bei höherer Geschwindigkeit kommt es zudem zu der Bildung von Verwirbelungen, die sich zur sogenannten Kármánschen Wirbelstraße entwickeln. Diese Wirbel überlagern sich bei turbulenter Strömung mit den induzierten Hitzsignalen und führen zu einem stochastischen Gesamtsignal. Des Weiteren sorgte die Wärmediffusion für eine asymmetrische Ausschmierung der Temperatursignale und führt somit zu einer asymmetrischen, zeitlichen Verschiebung des lokalen Maximums. Eine weitere Herausforderung, die zu Beginn vernachlässigbar schien, war die Trägheit des Systems. Vor allem bei kleinen Flussgeschwindigkeiten in Gasen sorgt dies für eine starke Minderung der Messfolgefrequenz. Die Gründe liegen in der geringen Wärmeübertragungsrate beim "Einprägen" des Hitzepulsen in das Medium, da der Hitzdraht zwischenzeitlich erst wieder herunterkühlen muss und in der Fließgeschwindigkeit selber, da die eingeprägte Information für eine Messung erst die Thermosensoren passiert haben muss. Der Vorteil des untersuchten Messverfahrens liegt im laminaren Strömungsbereich. In diesem kann mit Einzelhitzpulsen über einen großen Geschwindigkeitsbereich (min. 1:200) mit einer Genauigkeit von 5 – 10 % gemessen werden. Bei höheren Geschwindigkeiten eignet sich dann der Einsatz von z.B. PN-codierten Hitzpulsfolgen, um auch im und unterhalb des Bereichs des thermischen Rauschens messen zu können. Generell reichen für das Messprinzip Temperaturunterschiede in Abhängigkeit vom Fluid von 1 K < ∆T < 10 K. Als weiteres konnte aus der analytischen Modellierung der Temperatur am Hitzdraht ein Verfahren zur Erfassung der Fluideigenschaften abgeleitet werden. Aus intensiven Erörterungen mit verschiedenen Herstellern von Flusssensoren über mögliche zukünftige Entwicklungsschritte wurde als aussichtsreich ein kombinierter Sensor gesehen, der sich zum einen des herkömmlichen Anemometrieprinzips zur Erlangung einer hohen Messrate bedient und der zum anderen das TToF-Prinzip für die Messung bei niedrigen Geschwindigkeit und zur Erzielung einer Medienunabhängigkeit nutzt. Ein Einsatz ist z.B. in der Abfüllungsindustrie oder bei Pipelines denkbar. Die Präsentation des Messverfahrens auf der Messe Sensor&Test 2011 in Nürnberg erzielte einige Aufmerksamkeit und führte zu substantiellen Kontakten. In Presseberichten wurde hierbei auch die Anwendung "Energie und Wasser korrekt abrechnen“ thematisiert.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Evaluation on Thermocouples for the Thermal Time-of-Flight Flow Measurement. 54th Internationales Wissenschaftliches Kolloquium (IWK), id 087, 2009
Engelien, E.; Ecin, O.; Viga, R.; Hosticka, B.; Grabmaier, A.
- Modelling Thermal Time-of-Flight Sensor for Flow Velocity Measurement. COMSOL Conference Milan, 2009
Ecin, O.; Engelien, E.; Malek, M.; Viga, R.; Hosticka, B.; Grabmaier, A.
- Modellierung eines kalibrierungsfreien Volumenstrommesser für medizinische Anwendungen durch die Time-of-Flight (TOF) Methode, BMT Rostock, pp. 1-4, 2010
Engelien, E.; Ecin, O., Strathen, B.; Malek, M.; Viga, R.; Trieu, H. K.; Hosticka, B.; Kokozinski, R.; Grabmaier, A.
- Sensor Modelling for Gas Flow Measurement using Thermal Time-of-Flight Method. 15th ITG-/GMA-Fachtagung, Sensoren und Messsysteme 18.-19.05.2010, pp. 1-8, Nürnberg
Engelien, E.; Ecin, O.; Strathen, B.; Viga, R.; Hosticka, B.; Grabmaier, A.
- Thermal signal behaviour for air flow measurements as fundamentals to Time-of-Flight, ESTC 2010 3rd, 13-16 Sept., IEEE, Berlin
Ecin, O.; Engelien, E.; Strathen, B.; Malek, M.; Gu, D.; Viga, R.; Hosticka, B.; Grabmaier, A.
- Calibration-Free Volume Flow Measurement Principle Based on Thermal Time-of-Flight (TTOF) for Gases, Liquids and Mixtures, AMA-Fachtagung, Sensor&Test 7.-9.06.2011, p. 1-6
Engelien, E.; Ecin, O.; Viga, R.; Hosticka, B.; Grabmaier, A.
- Calibration-Free Volume Flow Measurement Principle Based on Thermal Time-of-Flight (TToF), Eurosensors Athen, pp. 1-4, 2011
Engelien, E.; Ecin, O.; Viga, R.; Hosticka, B.; Grabmaier, A.
- Signal Characterization of a Pulsed-Wire and Heat Flow System at a Flow Sensor, IEEE 20th Conference on Circuit Theory and Design (ECCTD), pp. 413-416, 2011
Ecin, O.; Viga, R.; Hosticka, B.; Grabmaier, A.
- System-theoretical analysis and modeling of pulsed thermal Time-of-Flight flow sensor, 7th Conference on PRIME, IEEE, pp. 149-152, 2011
Ecin, O.; Engelien, E.; Viga, R.; Hosticka, B.; Grabmaier, A.
- Thermo-Fluidic Impulse Response and TOF Analysis of a Pulsed Hot Wire, COMSOL Conference Stuttgart, 2011
Ecin, O.; Malik, I.; Malek, M.; Hosticka, B.; Grabmaier, A.
- Flow Measurement Technique for Unknown Fluids Based on Hot Wire by Self-Calibration via Thermal Time-of-Flight (TToF), Eurosensors Krakau, pp. 1-4, 2012
Engelien, E.; Kirchgaesser, H.; Viga, R.; Grabmaier, A.
- Thermo-Fluid Dynamic Time-of-Flight Flow Sensor System, 11th IEEE Sensors Conference, pp. 1444-1447, 2012
Ecin, O.; Zhao, R.; Hosticka, B.; Grabmaier, A.
