Ultraschall-Dichtesensor für Flüssigkeiten

Die Dichtemessung von Flüssigkeiten kann mittels Ultraschall erfolgen. Dafür werden die Schallgeschwindigkeit und die akustische Impedanz der Flüssigkeit bestimmt. Diese Arbeit stellt einen neuenUltraschall-Dichtesensor vor, der den Schallreflexionskoeffizienten bestimmt, um die akustische Impedanz zu messen. Durch die Verbindung einer hohen Meßgenauigkeit mit gleichzeitiger hoher mechanischer und chemischer Beständigkeit zielt der Sensor auf industrielle Einsatzgebiete. Die hohe Genauigkeit wird durch eine zusätzliche Referenzmessung innerhalb des Sensors erreicht. Die hohe chemische Beständigkeit ist durch eine sorgfältige Auswahl des Sensormaterials möglich, wobei das Material die Meßgenauigkeit mitbestimmt.Die Meßgenauigkeit hängt vom Signal-Rausch-Verhältnis des Meßsignals ab. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich schwerpunktmäßig mit einer detaillierten Analyse von verschiedenen Effekten, die Rauschenim Sensor erzeugen. Es wird gezeigt, wie Rauschen bzw. seine Auswirkungen auf die Messung minimiert werden können. Die untersuchten Effekte umfassen Radialschwingungen von piezoelektrischen Materialien, Beugung, dünne Schichten auf der Sensoroberfläche, Elektroden- und Koppelschichten, Effekte der Schallwandleranregung sowie thermische Effekte. Zur Untersuchung dieser Effekte wurden Modelle entwickelt bzw. auf die spezifischen Bedingungen des Sensors angepaßt.Eine genaue Messung ist nur mit einer genauen Sensorelektronik möglich. Ein digitales Prinzip der Amplitudenmessung kurzer Impulse wird vorgestellt und mit klassischen analogen Techniken verglichen.Experimentelle Untersuchungen demonstrieren die Genauigkeit des Sensors. Mögliche Anwendungen liegen in den Bereichen der Ultraschall-Massenflußmessung oder der Konzentrationsmessung von Zwei-oder Mehrstoffgemischen.