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Dr. Sebastian Reinecke
Experimental Thermal Fluid Dynamics
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Head Experimental Thermal Fluid Dynamics
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Oberflächensensoren

Mit Oberflächensensoren wird die Untersuchung mehrphasiger, tangentialer Randströmungen, wie z. B. an Rohr- und Behälterwänden, mit einer hohen zeitlichen Auflösung ermöglicht. Die Oberflächensensoren sind aus einer Matrix aus koplanaren, interdigitalen Elektrodenpaaren aufgebaut. Der Begriff „interdigital“ bezeichnet dünne, streifenförmige Elektroden, die im Abstand unter einem Millimeter parallel zueinander liegen und ein fächerförmiges Elektrodenpaar bilden. Durch die Anregung einer Elektrode mit der Anregungsspannung wird zwischen den benachbarten Elektrodenstreifen ein elektrisches Feld aufgebaut, welches das zu untersuchende Medium durchdringt. Über den resultierenden elektrischen Strom zwischen der Anregungs- und der Empfangselektrode lassen sich entweder die elektrische Leitfähigkeit oder die relative Permittivität des Mediums analysieren.


Blockschaltbild mit zwei Kanälen des Oberflächenmesssystems und den interdigitalen Elektrodenpaaren

Auf einem Oberflächensensor zur bildgebenden Prozessdiagnostik sind diese Elektrodenpaare wiederum in einem periodischen Muster flächig angeordnet. Die Anregungselektroden werden sequentiell angeregt und die Ströme an den Empfangselektroden parallel abgetastet. Auf diese Weise können Strömungsprozesse über zeitlich hoch aufgelöste Bildsequenzen mit einer Bildrate von bis zu 10000 Bilder/s visualisiert werden.

Typen

Das erste Messsystem auf der Basis eines Oberflächensensors wurde zur Untersuchung elektrisch leitender Fluide konzipiert. Aus diesem Grund erfolgt die Anregung mit einem bipolaren Rechtecksignal. In einem zweiphasigen Gemisch muss deshalb eine der beiden Phasen elektrisch leitend sein, um eine Unterscheidung zu ermöglichen, z.B. zwischen Wasser und Luft. Dieser Sensortyp wurde bereits erfolgreich in einem Projekt mit der Firma Voith Turbo eigesetzt. Dabei wurde die Flüssigkeitsverteilung innerhlab eine Turbokupplung untersucht.

Der Einsatzbereich der Oberflächenleitfähigkeitssensoren ist jedoch dadurch begrenzt, da mindestens eine Phase der zu vermessenden Strömung elektrische leitend sein muss. Aus diesem Grund wurde das Prinzip für die Anwendung in nichtleitfähigen Fluiden erweitert. Entscheidend war dabei die Entwicklung und Einbindung von Permittivitäts- bzw. Kapazitätsmesstechniken in das Konzept des Messsystems. Der kapazitive Oberflächensensor ist somit auch in Strömungen mit Öl oder anderen organischen und elektrisch nicht leitenden Flüssigkeiten einsetzbar. Damit wird das Anwendungsspektrum des Messsystems z.B. auf Applikationen in der Chemieverfahrenstechnik oder in Öl- & Gasindustrie erweitert.

Die Oberflächensensoren werden derzeit auf Basis von herkommliche Leiterplatten gefertigt. Damit sind die unterschiedlichsten Elektroden- und Sensorformen realisierbar. Folgende Bilder zeigen zwei angefertige Oberflächensensoren.


Oberflächensensor mit 32 x 32 Sensorzellen (links) und Oberflächensensor für den Einsatz in der Schaufel einer hydraulischen Turbokupplung (rechts). Die Rasterweite der interdigitalen Sensorzellen sind in Millimeter angegeben.

Ausgewählte Ergebnisse

Die nachfolgenden Bilder sind Ausschnitte einer Bildsequenz eines dreiphasigen Vermischungsexperimentes, das mit dem kapazitiven Oberflächenmesssystem vermessen wurde.


Ausgewählte Bilder aus einer gemessenen Bildsequenz eines dreiphasigen Vermischungsexperimentes


Publikationen

Da Silva, M. J.; Sühnel, T.; Schleicher, E.; Lucas, D.; Vaibar, R.; Hampel, U.
Planar array sensor for high-speed component distribution imaging in fluid flow applications
Sensors 7(2007), 2430-2445.

Thiele, S.; Da Silva, M. J.; Hampel, U.
Development of a high-speed capacitive surface sensor for fluid distribution imaging
IEEE SENSORS 2007 Conference, IEEE, 28.-31.10.2007, Atlanta, USA
Proceedings of the 6th Annual IEEE Conference on Sensors 2007 Atlanta

Da Silva, M. J.; Sühnel, T.; Thiele, S.; Schleicher, E.; Hampel, U.; Kernchen, R.
Electrical conductivity surface sensor for two-phase flow imaging in a hydrodynamic coupling
Proceedings of 6th International Conference on Multiphase Flow, paper PS7_12, 978-3-86010-913-7




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