Ultraschallbasiertes Sensorprinzip für die eingriffsfreie Messung des hydrostatischen Drucks

In dieser Arbeit wird ein Sensorprinzip zur Messung der statischen mechanischen Spannung in der Rohrwand und damit des hydrostatischen Drucks basierend auf geführten elastischen Wellen entwickelt. Dabei wird auf die Verwendbarkeit von parasitär in der Rohrwand laufender Signalanteile in neuen Durchflusssensoren abgezielt, die auf der gezielten Anregung geführter elastischer Wellen in der Rohrwand basieren. Idealerweise ist so der Einbau weiterer Sensorik verzichtbar. Zur Modellierung des Messprinzips wurde eine effiziente Methode zur Lösung des linearen Randwertproblems der geführten Wellenausbreitung implementiert und der Einfluss der statischen mechanischen Spannung basierend auf dem akustoelastischen Effekt integriert. Ein weiterer Schwerpunkt der Arbeit ist die messtechnische Verifikation der implementierten Modelle und der empirische Nachweis der Verwendbarkeit des Effekts zur Messung des hydrostatischen Drucks. Sowohl Sende-Empfänger-Messungen, wie sie das entwickelte Sensorprinzip vorsieht, als auch Mehrkanalmessungen an verteilten Empfangsorten mittels eines Laser-Doppler-Vibrometers wurden durchgeführt. Die Genauigkeit der Modelle konnte durch eine eigens entwickelte inverse Materialcharakterisierungsmethode verbessert werden. Es wurde außerdem ein neuer Ansatz zur inversen Charakterisierung der Elastizitätskonstanten dritter Ordnung entwickelt. Das neue Sensorprinzip konnte anhand eines Versuchsstands demonstriert werden. In this work, a sensor principle for measuring the static mechanical stress in the pipe wall and thus the hydrostatic pressure based on guided elastic waves is developed. The aim is to use signal components running parasitically in the pipe wall in new flow sensors that are based on the targeted excitation of guided elastic waves in the pipe wall. Ideally, this would eliminate the need to install additional sensors. To model the measuring principle, an efficient method for solving the linear boundary value problem of guided wave propagation was implemented and the influence of static mechanical stress based on the acoustoelastic effect was integrated. Another focus of the work is the metrological verification of the implemented models and the empirical proof of the usability of the effect for measuring the hydrostatic pressure. Both transmitter-receiver measurements, as envisaged by the developed sensor principle, and multi-channel measurements at distributed receiver locations using a laser Doppler vibrometer were carried out. The accuracy of the models was improved by a specially developed inverse material characterization method. A new approach for the inverse characterization of third-order elasticity constants was also developed. The new sensor principle was successfully demonstrated.