Mikromechanischer Ultraschallwandler

Wirbelfreie Ultraschalldurchflussmessung mit beamshapingfähigen, kapazitiven mikromechanischen Ultraschallwandlern (CMUTs)

Mitarbeiter / Kontakt:

Sebastian Peller, B. Sc.

Tobias Zankl, M. Eng.

Christoph Fischer, Dipl. Ing. (FH)

Andreas Wittmann, B. Sc.

Thiemo Schönfelder

Paul Koperski, B. Sc.

Förderung

Förderprojekt: PUltraB

 

Phased Ultrasonic transducer array for Beamshaping

 

Projektträger: VDI/VDE-IT GmbH

Fördermittelgeber: Staatsministerium für Wirtschaft, Landesentwicklung und Energie (StMWi)

Projektbeschreibung / Motivation:

Etablierte günstige Technologien zur Durchflussmessung basieren überwiegend auf wirbelbehaftete Messverfahren (Prandtl-Sonden, etc.). Daneben gibt es Möglichkeiten, die zwar ein wirbelfreies Messen von Fluiden ermöglichen (z. B. LDA), aber sehr kostspielig und aufwendig sind. Die einfache Methode des Ultraschall-Laufzeitdifferenz-Prinzips kann durch die Implementierung von beamshapingfähigen CMUTs beide Vorteile vereinen.

 

Daher wird im Rahmen des Förderprojekts "PUltraB" die Erforschung solcher miniaturisierten Systeme angestrebt. Diese können in zahlreichen Anwendungen bestehende Lösungen ersetzen. Die Felder erstrecken sich über die Medizintechnik im Bereich der Lungenfunktionsdiagnostik (Pneumologie) über automobile Systeme zur Überwachung von Abgasen oder als Luftmassenmesser.

 

Funktionsprinzip:

CMUTs sind mikro-elektro-mechanische Systeme (MEMS), die elektrische und akustische Signale ineinander umwandeln können. Dabei bestehen diese prinzipiell lediglich aus einer schwingfähigen dünnen Siliziummembran mit einer entsprechenden Gegenelektrode zur Bildung einer Kapazität.

 

Durch Anlegen einer Spannung werden Verschiebungsladungen erzeugt, die eine elektrostatische Kraft auf die Membran ausüben und diese zum Schwingen bringen. Das darüber liegende Medium (hier: Luft) wird dabei ebenfalls in Schwingung versetzt – Schall entsteht. Durch Anordnung mehrerer unabhängiger Zellen auf einem einzelnen CMUT lassen sich Anwendungen wie das akustische Beamshaping ermöglichen.

 

Das Prinzip des Beamshaping entspricht dem selben physikalischen Effekt, den eine Linse auf optische Wellen ausübt. Eine konvexe Linse verzögert die Wellenfronten in der dickeren Mitte stärker als am Rand der Linse mit der Folge eines Fokuspunkts, der umso weiter von der Linsenhauptebene entfernt ist, je größer das Verhältnis von Außen- zu Innendicke der Linse ist. Dabei stellt die nebenstehende Abbildung eine konvexe "akustische" Linse in Analogie zur optischen Linse dar. Durch andere Phasenmuster (s. g. phase patterns in einem phased array) lassen sich auch Effekte wie Beamsteering ermöglichen (siehe rechtes Bild in nebenstehender Abbildung).

 

 

 

Die Ultraschall-Durchflussmessung nach dem Laufzeitdifferenzprinzip bedient sich der Gegebenheit unterschiedlicher Laufzeiten (Time of Flight, ToF) des Ultraschalls stromaufwärts (upwind) und stromabwärts (downwind) im strömenden Medium. Der Unterschied ist umso größer, je schneller das Fluid strömt. Daraus ergibt sich eine Proportionalität aus Laufzeitdifferenz und Strömungsgeschwindigkeit, die eine Berechnung letzterer ermöglicht.

 

Die beiden Ultraschallwandler stehen sich hierbei diagonal gegenüber oder sind auf der selben Ebene in der Rohrwand integriert und der Schall wird über einen gegenüberliegenden Reflektor umgelenkt.

 

Dabei kann man sich die Möglichkeiten des Beamsteerings zunutze machen. So können Verwehungseffekte aufgrund sich ändernder Strömungsgeschwindigkeiten –wie in nebenstehender Abbildung von (a) auf (b) visualisiert – durch einen veränderten Abstrahlwinkel ausgeglichen werden (c).