Sensor-Technologien

Band 2: Geschwindigkeit, Durchfluss, Strömungsfeld

Marcus Wolff

• Verlag: De Gruyter Oldenbourg
• Jahr: 2017
• ISBN drucken: 9783110477825
• eBook-ISBN: 9783110477917
• Auflage: 1
• Thema: Technik & Maschinenbau
• Thema: Elektrotechnik & Telekommunikation

Das Gebiet der Sensorik ist zurzeit einem auffälligen Wandel unterworfen. Viele neue Verfahren werden zur Marktreife geführt und verdrängen bis dato etablierte ältere Techniken. Neue Anforderungen, unter anderem durch die notwendige Automatisierungs- und Vernetzungstechnik im Zuge von »Industrie 4.0«, beschleunigen diese Veränderungen zusätzlich. Hier ist es schwierig den Überblick zu behalten.

Welche Wirkprinzipien werden aktuell für die Messung eingesetzt? Für welche Anwendungen sind diese geeignet? Wie sieht eine typische industrielle Umsetzung aus? Welche Spezifi kationen haben exemplarische kommerzielle Produkte? Das vorliegende Buch beantwortet die Fragen in verständlicher Form. Es behandelt Sensor-Technologien für die Größen »Geschwindigkeit«, »Strömungsfeld« und »Durchfl uss«. Die Sensoren werden dafür nach dem Wirkprinzip geordnet präsentiert.

Neben den physikalischen Grundlagen und dem Funktionsprinzip werden auch noch Anwendungen und kommerzielle Produkte vorgestellt. Durch diese Strukturierung eignet sich das Buch gleichermaßen als Lehrbuch für Studierende (Bachelor und Master) und Ratgeber für Praktiker. Das Spektrum reicht dabei von Lichtschrankensystemen für die Weg-Zeit-Messung basierte Geschwindigkeitsmessung in der Verkehrstechnik bis zur Particle-Image-Velocimetrie für die Aufnahme komplexer, dreidimensionaler Strömungsfelder.

Prof. Dr.-Ing. Marcus Wolff ist Professor an der Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg und leitet dort das Heinrich-Blasius-Institut für Physikalische Technologien. Er lehrte Sensorik und Experimentalphysik.

Teil III:Doppler-Effekt basierte Sensoren

Doppler-Effekt basierte Geschwindigkeits- und Strömungssensoren existieren in großer Vielfalt. Sie basieren auf der Veränderung der Trägerfrequenz einer Welle durch die Reflexion an einem bewegten Objekt oder Fluid. Der Doppler-Effekt ist nach dem österreichischen Mathematiker und Physiker Christian Doppler (1803–1853) benannt. Seine 1842 veröffentlichte Theorie erklärt ein Phänomen, das bei Sternen zu beobachten ist, die sehr nahe beieinander stehen und um ihren gemeinsamen Schwerpunkt rotieren (sogenannte Doppelsterne). Doppler führte die Farbunterschiede der Partnersterne auf ihre Relativbewegung während der Lichtaussendung zurück [109].

Für Schallwellen wurde der Doppler-Effekt erstmals im Jahr 1845 von dem niederländischen Naturwissenschaftler Christoph Buys Ballot nachgewiesen. Nach der Entdeckung des direkten Piezoeffekts im Jahr 1880 durch die Brüder Jacques und Pierre Curiewurde der Doppler-Effekt für Schallwellen in der Ultraschalltechnik anwendbar. Das erste aktive Sonar wurde 1915 von dem französischen Physiker Paul Langevin und dem Elektrotechniker Constantin Chilowski entwickelt.

Die ersten Experimente zur Reflexion elektromagnetischer Wellen an metallischen Gegenständen wurden 1886 von dem deutschen Physiker Heinrich Hertz durchgeführt. Es gelang ihm so, den Effekt aus den Grundgleichungen des Elektromagnetismus von James Clerk Maxwell herzuleiten. Die erste technische Anwendung des Doppler-Effekts elektromagnetischer Wellen erfolgte im Jahr 1904 [109].

Kapitel 6 beschäftigt sich mit den physikalischen Grundlagen des Doppler-Effekts. Es wird dabei separat auf den Effekt für akustische und für elektromagnetische Wellen eingegangen. Die nachfolgenden Kapitel 7 und 8 behandeln dann Doppler-Effektbasierte Geschwindigkeits- bzw. Strömungssensoren.

6Physikalische Grundlagen

Unter Mitwirkung von Julian Allin, Sander Vervoort und Thomas Zölder

Nach einer kurzen Einführung in die physikalischen Grundlagen der Schallwellen und der elektromagnetischen Wellen wird die Doppler-Verschiebung für beide Wellenarten beschrieben. Weitere Details zu Wellen sowie zur Wellenausbreitung und zu Dämpfungsmechanismen im Medium finden sich im ersten Band dieser Reihe [3].

6.1Schallwellen

Sich ausbreitende Druckänderungen in Fluiden oder mechanische Deformationen von Festkörpern werden als Schallwellen oder akustische Wellen bezeichnet. Im Vakuum können keine Schallwellen existieren, denn im Gegensatz zu elektromagnetischen Wellen sind diese auf ein Übertragungsmedium angewiesen. Schallwellen in ruhenden Fluiden sind Longitudinalwellen, da die Parameteränderung in Ausbreitungsrichtung der Welle erfolgt. Die eindimensionale Wellenfunktion der Schallwelle beschreibt den Schalldruck ps als Funktion des Orts und der Zeit:

$p_s\left(x,t\right)=\widehat{p}\cdot \sin \left(2\pi f\cdot t\pm \frac{2\pi }{\lambda }\cdot x\right).\left(6.1\right)$

Dabei ist p̂ die Amplitude des Schalldrucks. Die Frequenz f beschreibt die zeitliche Periodizität und die Wellenlänge λ die räumliche. Alternativ kann eine Schallwelle auch durch die sogenannte Schallschnelle, also die Geschwindigkeit, mit der sich die Teilchen des Übertragungsmediums um ihre mittlere Position bewegen, durch die Dichte des Mediums oder den mittleren Partikelabstand beschrieben werden.

Die Frequenz und die Wellenlänge stehen über die Ausbreitungsgeschwindigkeit c (Schallgeschwindigkeit) in Beziehung zueinander:...

Inhaltsverzeichnis

• Cover
• Titelseite
• Impressum
• Vorwort
• Inhalt
• Abbildungsverzeichnis
• Tabellenverzeichnis
• Teil I: Einleitung
• Teil II: Weg-Zeit-Messung basierte Sensoren
• Teil III: Doppler-Effekt basierte Sensoren
• Teil IV: Andersartige Sensoren
• Literatur
• Stichwortverzeichnis