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Forschungsschwerpunkt Applikation

Übersicht

Die im Fachgebiet Elektrische Messtechnik entwickelten und verwendeten Verfahren finden häufig ihren Einsatz in prozessmesstechnischen Applikationen. Ein Schwerpunkt bildet hier die Ultraschallmesstechnik, die beispielsweise bei der Durchflussmessung oder der Flüssigkeitsanalytik angewendet wird. Der Bereich der Schallemissionsanalyse erweitert den betrachteten Frequenzbereich bis in den Hörschallbereich hinein.

Darüber hinaus werden aber auch bei vielen Anwendungen optische Komponenten appliziert. Hier sind als Beispiele die Feuchtigkeitsmessung im NIR-Bereich und die Farb- und Farbdichtemessung zu nennen.

Prozessmesstechnik und Sensorik

Auf dieser Seite sind einige ausgewählte Beispiele zur Prozessmesstechnik und Sensorik zusammengefasst. Weitere Beispiele sind anderen Kategorien zugeordnet, beispielsweise die Füllstandsmessung, die selektive Beschallung oder die Materialdatenbestimmung.

 

Durchflussmessung

Die Durchflussmessung mittels Ultraschall ist ein berührungsfreies, präzises und wartungsfreies Verfahren und hat sich zum Wachstumsträger im Bereich der Durchflussmessung entwickelt. Das Messprinzip beruht auf einer Laufzeitmessung, die sich die Tatsache zunutze macht, dass eine Rohrströmung mittlerer Geschwindigkeit v die Ausbreitungsgeschwindigkeit c von Schallwellen im fließenden Medium beeinflusst. Laufen Strömung und Schall in die gleiche Richtung, beträgt diese resultierende Geschwindigkeit c+v, bei entgegengesetzter Richtung c-v. Werden für eine definierte Strecke gleichzeitig Schalllaufzeiten in und entgegen der Strömungsrichtung gemessen, ergibt sich eine Laufzeitdifferenz, aus der die Fließgeschwindigkeit direkt berechnet werden kann.  Der Bedarf an immer präziseren, leistungsfähigeren und auch preiswerteren Durchflussmessgeräten bzw. -sensoren steigt stetig. Gerade die Ultraschalldurchflusssensoren bieten hierfür auch für die Zukunft ein großes Innovationspotential zum Beispiel für die exakte Dosierung kleinster Stoffmengen, für die simultane Überwachung und Identifikation der flüssigen Medien, um so Fehlbetankungen zu vermeiden, sowie für die gleichzeitige Dichte- und Massestrommessung und anderes mehr. 

Flüssigkeitsanalyse

Aufgrund ihrer mechanischen Robustheit und Wartungsfreundlichkeit erfreuen sich Ultraschallmesssysteme zunehmender Beliebtheit. In der Prozesstechnik werden sie deshalb vielfach zur Erfassung von Füllstand, Durchfluss und zunehmend auch zur kontinuierlichen Messung von Stoffkonzentrationen sowie zur Prozessbeobachtung eingesetzt. Dazu werden die akustischen Stoffkenngrößen Schallgeschwindigkeit, Schallkennimpedanz und Schallabsorption ermittelt und ausgewertet. Beispielsweise erlaubt die simultane Erfassung von Schallgeschwindigkeit und Schallkennimpedanz die direkte Berechnung der Ethanolkonzentration in Flüssigkeitsgemischen.

Mehrphasensysteme

Bei Vorhandensein von Gasblasen in der Flüssigkeit kommt es bei Ultraschallmessverfahren aufgrund von Dispersion und Dämpfung zu einer starken Beeinflussung der empfangenen Messsignale. Ziel der Forschungsarbeiten ist die Entwicklung neuartiger impulsbasierter Ultraschallmesssysteme, welche die akustischen Stoffkenngrößen (Schallgeschwindigkeit, Schallkennimpedanz und Schallabsorption) kontinuierlich erfassen und simultan die Charakterisierung der Gasphase (Blasengröße, Blasenvolumina) gestatten. Es lassen sich unmittelbar sowohl die Gasblasengröße als auch das Gasblasenvolumen bestimmen.

NIR-Materialfeuchtemessung

Die Kenntnis der Materialfeuchte ist bei der Verarbeitung und Lagerung schüttfähiger und fester Güter (Getreide, Fertignahrung, Sand, Papier etc.) von großer Bedeutung. Zur ihrer Bestimmung lassen sich unterschiedliche physikalische Prinzipien ausnutzen, die durch individuelle Vor- bzw. Nachteile gekennzeichnet sind. Für eine berührungslose, kontinuierliche Messung bietet sich das Infrarotreflexionsverfahren (NIR) an. Am Fachgebiet Elektrische Messtechnik wurde in Kooperation mit der Firma REMBE GmbH in Brilon das Messsystem NIROMM™ (Near Infrared Reflexion On-line Moisture Measurement) entwickelt, dessen Kernstück ein neu entwickelter Messkopf ist.

Das Messsystem weist folgende Vorzüge auf:

  • Verwendung selektiv strahlender IR-LED
  • Keine mechanisch bewegten Teile
  • Online-Messung an bewegtem Material
  • Hohe Messrate und Genauigkeit

 

 

Schallemissionsanalyse

Bei der Schallemissionsmessung handelt es sich um die Messung der Luftschalldrücke einer Schallquelle mit einem kalibrierten Mikrofon. Der hörbare Schall wird als Geräusch bezeichnet. Wie stark dieses Geräusch ist, wird durch den Schallleistungspegel angegeben.

Die DIN 45635 beschreibt die Anordnung der Mikrofonpositionen nach dem Hüllflächenverfahren und das Verfahren zur Berechnung des Schallleistungspegels. Der Schallleistungspegel LwA kennzeichnet die Höhe der Geräuschemission einer Geräuschquelle eines Gerätes unter Betriebsbedingungen. Die Messungen erfolgen in einem reflektionsarmen Raum der Genauigkeitsklasse 2, der am Fachgebiet Elektrische Messtechnik zur Verfügung steht. Eine Berechnung der Lautheit erfolgt nach DIN45631(Zwicker). Sie gibt Auskunft über die Lärmbelästigung am Arbeitsplatz. Die zusätzliche Angabe eines Terz-Spektrums zeigt die dominanten Frequenzanteile. Diese Angaben ermöglichen eine spektrale Analyse der verursachenden Geräuschquelle.

Körperschallemission

Die Körperschallemission entsteht häufig durch Vibrationen im Gehäuse eines technischen Gerätes. Diese Vibrationen im Innern des Gerätes erzeugen Körperschall, der sich über Festkörper (Rohrleitungen, Armaturen, Wände) oder über die Flüssigkeiten in der Rohrleitung ausbreitet, sowie Luftschall (Geräusch). Je nach spektraler Zusammensetzung und Höhe des Schallwechseldruckpegels des Körper- bzw. Luftschalls können die Gesundheit bzw. das Wohlbefinden von Personen als auch die Funktion und die Zuverlässigkeit des technischen Gerätes negativ beeinflusst werden.

Starke Schallemissionen sind bekanntermaßen ein deutliches Indiz für Verschleiß oder einen Defekt am Gerät. Eine detaillierte Analyse des emittierten Körper- oder Luftschalls mittels Beschleunigungsaufnehmer und Messmikrofonen kann helfen, die Ursachen detailliert festzustellen. Sind die Vibrationen durch die konstruktive Gestaltung begünstig, können unmittelbar wirksame Maßnahmen zur Reduktion der unerwünschten Schallemission abgeleitet werden. Natürlich können diese Sensoren auch von vornherein in ein technisches System (Pumpen, Antriebe …) integriert werden, wenn zum Beispiel eine hohe Zuverlässigkeit des zu überwachenden Systems gefordert wird. Hierbei ist es wichtig, geeignete Typen von Schwingungssensoren auszuwählen und an geeigneter Stelle zu positionieren.

Farb- und Farbdichtemessung

Für die Bewertung von Druckprozessen ist die optische Dichte von Bedeutung. Bei Graustufen­drucken ist dies die visuelle optische Dichte, bei Farbdrucken sind dies die optischen Dichten in den jeweiligen Farbkanälen (CMYK, optische Dichte Status E) Die messtechnische Erfassung von Farbwerten erfolgt entweder im Dreibereichsmessverfahren oder im Spektralverfahren mit einer Normlichtart.

Die Universität der Informationsgesellschaft