Ultraschallbasierte Messung und tomographische Rekonstruktion von Temperaturverteilungen

Dieser Beitrag behandelt die hochgenaue Temperaturmessung mittels Ultraschall sowie Möglichkeiten zur tomographischen Rekonstruktion von Temperaturverteilungen bei Messungen entlang mehrerer Messstrecken. Da die Schallgeschwindigkeit eines Mediums von seiner Temperatur abhängt, kann die Temperatur bei bekannter Länge des Ausbreitungswegs aus der Laufzeit von Ultraschallpulsen bestimmt werden. Der Zusammenhang zwischen Schallgeschwindigkeit und Temperatur ist beispielsweise für Wasser nichtlinear, es existieren allerdings verschiedene empirische Zusammenhänge für relevante Temperaturbereiche. Durch hochaufgelöste Messung der Laufzeit mit einer Standardabweichung von weniger als 500 ps ist es somit möglich, die mittlere Schallgeschwindigkeit entlang des Ausbreitungspfads und daraus die Temperatur mit einer Auflösung von wenigen Tausendstel Kelvin zu ermitteln. Durch Messung der Laufzeit in beiden Richtungen können zudem Strömungseinflüsse korrigiert werden. Wir gehen in diesem Beitrag auf verschiedene Einflussfaktoren ein, die für Messungen mit dieser Auflösung berücksichtigt werden müssen und präsentieren einen Versuchsaufbau, bei dem die Temperatur entlang mehrerer übereinanderliegender Pfade ultraschallbasiert gemessen wird. Dies ermöglicht unter anderem aufsteigende Wärme zeitlich zu verfolgen. Wird die Temperatur über mehrere Pfade in einer Ebene gemessen, ist außerdem die Rekonstruktion einer Temperaturverteilung möglich. Dies erfordert die Lösung eines inversen Problems. Wir zeigen Herausforderungen und mögliche Lösungsansätze für die Rekonstruktion der Temperaturverteilung aus Messungen mit hochfrequentem Ultraschall in Wasser.