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Systemtheoretische Modellbildung und Simulation eines thermofluiddynamischen Time-of-Flight-Strömungssensors

Ecin, Okan

Die Überwachung der Strömungsmessung ist zu einem unver-zichtbaren Bestandteil in der industriellen Messtechnik geworden, da die Strömung in einem technischen Prozess einen gezielten Einfluss auf weitere physikalische Größen wie u.a. Temperatur, Druck, Füllstand und Stoffmenge hat. Die Anwendungsbereiche von Strömungsmessungen sind zahlreich in der Prozesstechnik vertreten. Beispiele hierfür sind in der Chemie, Petrochemie, Medizintechnik, Automotive, Pharmazie, Lebensmittelherstellung, Brauereien, Molkereien, Abwasserbehandlungen sowie in Abfüll- und Dosieranlagen zu finden. Ein neuartiges thermisches Prinzip zur medienunabhängigen Bestimmung einer Strömungsgeschwindigkeit mittels des Laufzeitverfahrens (TOF: Time-of-Flight) ist Gegenstand der Untersuchung. Die Wärme fungiert hierbei als ein identifizierbarer Marker und ist als eine thermische Energie- und Transportgröße bei dem TOF-Verfahren die grundlegende Prozessgröße, die auf ein breites Spektrum an Fluiden anwendbar ist. In dieser Arbeit werden ein systemtheoretisches Modell des gesamten Sensors, ein Abgleich der simulativen und experimentellen Ergebnisse sowie die Ermittlung der Strömungsgeschwindigkeit von unterschiedlichen Medien vorgestellt. Die Modellbildung erfolgt durch die Unterteilung des gesamten Systems in drei Subsysteme: Das Wärmeerzeugungssystem mittels Hitzdraht, das Wärmeströmungssystem im Fluidgebiet und die Wärmedetek-tion stromabwärts durch Temperatursensoren. Anhand elektrischer, thermodynamischer und strömungsmechanischer Parameter werden die Subsysteme als lineare, zeitinvariante Systeme (LZI) charakterisiert. Mit dem Korrelationsverfahren wird die thermofluiddynamische Laufzeit und somit die Strömungsgeschwindigkeit ermittelt. Es wird insgesamt gezeigt, dass sowohl die betrachtete Modellbildung eine gute Übereinstimmung mit dem realen Verhalten des Sensors zeigt, als auch dass die Anwendbarkeit des Sensorprinzips gleichermaßen auf Gase und Flüssigkeiten besondere Vorteile bietet.

Flow meters are widely employed in several industrial, automotive and medical areas primarily for controlling the volumetric or mass pipe flow rates of fluids i.e., gases and liquids, for various purposes. Different flow measurement principles are considered, since the amount of flow of a certain fluid influences many other relevant process parameters such as temperature, level, pressure, chemical composition and dose, depending on the fluid characteristics, like viscosity, density, electrical conductivity etc., and the velocity range. In this work the modelling and simulation of a flow sensor system with the thermal TOF method is accomplished. In particular, the pulsed thermal TOF method deploys the measurement concept of injecting a heat pulse by means of a hot wire into the flowing fluid, which is treated as the system’s input signal. The heat pulse is carried along the fluid by heat flow (in particular convective and diffusive heat transfer) and detected not only temporally after a certain TOF but also spatially at a certain flight distance with respect to the pulse generation point. One or more thermal sensors can be positioned downstream to sense the heat pulses from the heat flow and to measure the thermal time variable signals, which are treated as the system’s output signals. Regarding the flight distance of the heat pulse in this specific pipe area (region of interest, ROI) as an LTI system the input and output signals are described as conventional time-dependent signals. Hence, these signals can be analyzed and processed both in the time and frequency domain. The aim and the novelty of this work are to characterize and to verify the thermal TOF flow sensor as an LTI system. It is shown for the flow sensor system that the modelling theory is in good agreement with practical experiences for gases as well as for liquids.

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Ecin, Okan: Systemtheoretische Modellbildung und Simulation eines thermofluiddynamischen Time-of-Flight-Strömungssensors. 2013.

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