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Eckhard Schleicher
Senior Scientist, Building Responsible Experimental Hall 771
Experimental Thermal Fluid Dynamics
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Prof. Dr. Uwe Hampel
Head Experimental Thermal Fluid Dynamics
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Leitfähigkeits-Gittersensoren

Zielstellung

Zur Untersuchung von Flüssigkeitsströmungen mit und ohne Gasanteil wurden Leitfähigkeits-Gittersensoren entwickelt, die eine Messung der lokalen Leitfähigkeit einer Flüssigkeit im Querschnitt eines Untersuchungsvolumens (Pipeline, Reaktionsgefäß) mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung ermöglichen. Die Einsatzmöglichkeiten solcher Sensoren sind vielseitig. Derzeitiges Hauptanwendungsgebiet sind experimentelle Grundlagenuntersuchungen zur Analyse von Strömungsformen von Gas-Wasser-Gemischen in sicherheitsrelevanten thermohydraulischen Anlagenkomponenten von Kernkraftwerken. Solche Untersuchungen dienen der Analyse von Störfallszenarien sowie der Evaluierung und Weiterentwicklung thermohydraulischer Simulationscodes, wie CFX, für Probleme mehrphasiger Strömungsmedien. Mit Hilfe thermohydraulischer Versuchanlagen, wie TOPFLOW, werden mit Hilfe von Gittersensoren Strömungskarten für vertikale und horizontale Rohrströmungen erstellt. Durch Auswertung von Geschwindigkeitsprofilen und Gasgehaltsverteilungen können generalisierbare Modelle für das Verhalten von Zweiphasenströmungen unter gegebenen geometrischen und thermodynamischen Randbedingungen abgeleitet werden. Weitere aktuelle Einsatzgebiete von Gittersensoren sind die Untersuchung von Stoffvermischungsproblemen in verfahrenstechnischen Anlagen und Kernreaktormodellen, von Kavitations- und Druckschlagphänomenen in Rohrleitungssystemen sowie des Wassertransports in Böden.

Funktionsprinzip

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. Die Messung der Leitfähigkeit des Fluides erfolgt an den Kreuzungspunkten der Elektroden. Dazu werden durch die Steuerelektronik die Senderelektroden nacheinander auf ein definiertes Potential in Bezug zur Umgebung (Metallrohr, Flüssigkeit) gelegt und der Stromfluss zu den Empfängerelektroden gemessen. Zur Eliminierung von DC-Offsets und zur Vermeidung von elektrolytischen Potentialen an der Sendeelektrode, werden bipolare Sendepulse appliziert und das Differenzsignal an der Empfangselektrode erfasst. Der Empfängerstrom wird durch eine Transimpedanzverstärkerschaltung in ein Spannungssignal gewandelt, dieses durch eine nachfolgende parallele A/D-Wandlung mit integrierter Sample&Hold-Stufe digitalisiert und über eine Spezialelektronik über den Bus des Mess-PCs zum rechnerinternen Speicher transferiert. Besonderes Augenmerk beim Design der Sensorelektronik wurde auf geringe Leitungskapazitäten (hohe Messfrequenzen) sowie geringe Ein- und Ausgangsimpedanzen der Empfänger- bzw. Transmitterelektronik (Unterdrückung von Signalübersprechen zwischen den Elektroden) gelegt. Der Leitfähigkeitsmessbereich liegt zwischen 0,1 µS/cm (entspricht destilliertem Wasser) und 1000 µS/cm (entspricht etwa Leitungswasser). Bei der Untersuchung Wasser-Gas-Gemischen wird der relativ hohe Leitfähigkeitsunterschied der beiden Phasen direkt erfasst. Bei Einphasenströmungen bzw. Mehrphasensystemen mit geringen Leitfähigkeitsdifferenzen können Leitfähigkeitstracer, wie NaCl, eingesetzt werden, um Fluidteilvolumina zu markieren.

Typen

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 detalierten Informationen über Fertigungstechnologien von Gittersensoren.

Datenauswertung und Ergebnisse

Die Datenvolumina repräsentieren binär codierte Leitfähigkeitswerte für jeden Gitterpunkt und Messzeitpunkt. Der erste Schritt der Datenverarbeitung besteht in der Bestimmung absoluter Leitfähigkeitswerte bzw. der Zuordnung der relativen Leitfähigkeitswerte zu den an der Strömung beteiligten Phasen. Im Ergebniss der Rohdatenverarbeitung lässt sich die momentane Leitfähigkeitsverteilung als Funktion der Zeit sowie des Messortes in der Messebene darstellen. Es lassen sich axiale und radiale Gasgehaltsprofile ebenso wie der integrale Gasgehalt aus den Daten durch Integration der gemessenen lokalen Gasgehalte über entsprechende Teilvolumina bestimmen. Zur Bestimmung von Blasengrößenverteilungen aus Gittersensordaten wurden spezielle Auswertealgorithmen implementiert. Diese identifizieren zunächst alle Einzelblasen innerhalb des Datenvolumens über einen Füllalgorithmus und berechen danach für die identifizierten Einzelblasen deren Volumen und den effektiven Blasendurchmesser. Eine weitere Möglichkeit der Strömungsanalyse besteht in der Messung von Geschwindigkeitsprofilen der Gasphase mit zwei in geringem axialen Abstand hintereinander angeordneten Gittersensoren. Da die Leitfähigkeitsverteilung nach Passage des ersten Sensors mit nur geringfügiger räumlicher Strukturmodifikation und einer der Gasgeschwindigkeit entsprechenden zeitlichen Verschiebung am zweiten Sensor aufgezeichnet wird, kann durch ein spezielles punktweises Kreuzkorrelationsanalyseverfahren deren Geschwindigkeitsprofil bestimmt werden.
Snapshot der Auswertesoftware

Ausgewählte Publikationen

Dudlik, A.; Prasser, H.-M.; Apostolidis, A.; Bergant, A.
Water hammer induced by fast acting valves - experimental studies at Pilot Plant Pipework
Multiphase Science and Technology (2007) submitted

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

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.; 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


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