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Eckhard Schleicher
Senior Scientist, Building Responsible Experimental Hall 771
Experimental Thermal Fluid Dynamics
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Fax: +49 351 260 - 13230

Heiko Pietruske
Experimental Thermal Fluid Dynamics
h.pietruskeAthzdr.de
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Gittersensoren

Gittersensoren gehören zu den bildgebenden Messverfahren und ermöglichen die Untersuchung von Mehrphasenströmungen mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung. Das Gittersensorprinzip basiert auf einer matrixförmigen Anordnung von Messpunkten. Der Sensor besteht aus einem Elektrodengitter bei dem Draht- oder Stabelektroden in zwei zur Strömung senkrechten Ebenen orthogonal zueinander in einem Abstand von wenigen Millimetern angeordnet sind (untenstehende Abbildung).


(links) Prinzip eines Gittersensors mit 2 x 8 Elektroden. (rechts) Gittersensoren für die Untersuchungen von Mehrphasenströmungen in Rohrleitungen und dazugehörige Elektronik.

Die einzelnen Sendeelektroden werden sequentiell angeregt während die Empfängerelektroden parallel abgetastet werden, um die elektrische Eigenschaft (Leitfähigkeit oder Permittivität) jedes einzelnen Kreuzungspunkts zu bestimmen. Der Sensor ist damit in der Lage, komplette Bilder der Fluidverteilung in einem Strömungsquerschnitt - etwa einer Rohrleitung - darzustellen. Folgende Bilder zeigen die dreidimensionale Darstellung einer Schwallströmung und die Ergebnisse der Visualisierung von verschiedenen Strömungsregime einer Luft-Wasser-Rohrströmung.


Horizontale Schwallströmung von Silikonöl in Luft aufgezeichnet mit einem Kapazitäts-Gittersensor in einem rechteckigen Kanal


3D-Visualisierung von Gittersensormessdaten einer vertikalen Gas-Wasser-Rohrströmung gemessene bei TOPFLOW. Durch die Änderung der Luft-Leerrohrgeschwindigkeit Jair bei konstanter Wasser-Leerrohrgeschwindigkeit Jwater = 1 m/s wir das Strömungsregime beeinflusst. Zu sehen sind Blasenströmung, Pfrofenströmung und Churn-Turbulentströmung (ganz rechts).

Sensortypen

Zur Untersuchung von Flüssigkeitsströmungen wurden zunächst Leitfähigkeits-Gittersensoren entwickelt, die eine Messung der lokalen Leitfähigkeit einer Flüssigkeit im Querschnitt eines Untersuchungsvolumens ermöglichen. Sie sind geeignet zur Untersuchung von Gemischen mit einer elektrisch leitfähigen Komponente, wie das bei Wasser und Dampf der Fall ist. Solche Sensoren kamen bereits vielfältig zur Anwendung und werden weltweit vertrieben.
Zur weiteren Informationen über Leitfähigkeits-Gittersensoren.

Der Einsatzbereich der Leitfähigkeits-Gittersensoren ist jedoch dadurch begrenzt, dass mindestens eine Phase der zu vermessenden Strömung eine elektrische Leitfähigkeit von κ > 0,5 μS/cm haben muss. Aus diesem Grund wurde das Prinzip des Gittersensors auf die Anwendung in nichtleitfähigen Fluiden erweitert. Entscheidend war dabei die Entwicklung und Einbindung von Permittivitäts- bzw. Kapazitätsmesstechniken in das Prinzip des Gittersensors. Der Kapazitäts-Gittersensor ist somit auch in Strömungen mit Öl oder anderen organischen und elektrisch nicht leitenden Flüssigkeiten einsetzbar. Damit erschließt dieser Sensor eine Vielzahl neuer Anwendungsfelder, zum Beispiel in der Verfahrenstechnik und in der Öl- & Gasindustrie.
Zur weiteren Informationen über Kapazitäts-Gittersensoren.

Gittersensoren können je nach Anwendung mit verschiedenen Querschnittsgeometrien und Betriebsparametern gefertigt werden. Neuste Gittersensoren können im Betriebsbereich von 286 °C und 7 MPa eingesetzt werden. Die dazugehörige Elektronik zur Erfassung der Messsignale erreicht eine maximale zeitliche Auflösung von 10.000 Bildern/Sekunde.
Zur weiteren Informationen über Gittersensortypen.

Ausgewählte Publikationen

Da Silva, M. J.; Schleicher, E.; Hampel, U.
Capacitance wire-mesh sensor for fast measurement of phase fraction distributions
Measurement Science and Technology 18(2007)7, 2245-2251

Pietruske, H.; Prasser, H.-M.
Wire-mesh sensors for high-resolving two-phase flow studies at high pressures and temperatures
Flow Measurement and Instrumentation 18(2007)2, 87-94

Manera, A.; Prasser, H.-M.; Lucas, D.; van der Hagen, T. H. J. J.
Three-dimensional flow pattern visualization and bubble size distributions in stationary and transient upward flashing flow
International Journal of Multiphase Flow 32(2006), 996-1016

Prasser, H.-M.; Misawa, M.; Tiseanu, I.
Comparison between wire-mesh sensor and ultra-fast X-ray tomograph for an air-water flow in a vertical pipe
Flow Measurement and Instrumentation 16(2005), 73-83

Rohde, U.; Kliem, S.; Höhne, T.; Karlsson, R.; Hemström, B.; Lillington, J.; Toppila, T.; Elter, J.; Bezrukov, Y.
Fluid mixing and flow distribution in the reactor circuit, measurement data base
Nuclear Engineering and Design, 235(2005), 421-443

Prasser, H.-M.; Beyer, M.; Böttger, A.; Carl, H.; Lucas, D.; Schaffrath, A.; Schütz, P.; Weiß, F.-P.; Zschau, J.
Influence of the pipe diameter on the structure of the gas-liquid interface in a vertical two-phase pipe flow
Nuclear Technology 152(2005)1, 3-22

Prasser, H.-M.; Scholz, D.; Zippe, C.
Bubble size measurement using wire-mesh sensors
Flow Measurement and Instrumentation 12/4 (2001) 299-312

Prasser, H.-M.; Böttger, A.; Zschau, J.
A New Electrode-Mesh Tomograph for Gas-Liquid Flows
Flow Measurement and Instrumentation 9 (1998) 111-119

Weitere Publikationen zur Gittersensoren

Patente

Da Silva, M.J.; Schleicher, E.; Hampel, U.; Prasser, H.-M.
Gittersensor zur zweidimensionalen Messung von verschiedenen Komponenten im Querschnitt einer Mehrphasenströmung
WO 2007 121708, DE 10 2006 019178

Pietruske, H.; Sühnel, T.; Prasser, H.-M.
Grid sensor.
DE 10 2004 019739, WO 2006 114081

Prasser, H.-M.; Zschau, J.; Böttger, A.
Grid sensor for determining the conductivity distribution in flow media and process for generating measurement signals.
DE 196 49 011, WO 1998 23947, EP 941472, US 6314373


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