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 prinzipielle Aufbau eines Leitfähigkeits-Gittersensors für die Untersuchung von Strömungen in einem Rohrquerschnitt ist in nebenstehendem Bild dargestellt. 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

Leitfähigkeits-Gittersensoren können je nach Anwendung mit verschiedenen Querschnittsgeometrien und Betriebsparametern gefertigt werden. Der typische Betriebsbereich der Sensoren liegt bei Temperaturen bis 100 °C (kurzzeitige Belastung bis 150 °C) und einem maximalen Druck von 7 MPa. Die neuesten Sensoren erreichen dabei eine maximale zeitliche Auflösung von 10.000 Bildern/Sekunde. Für die Untersuchung von Strömungen in Rohrleitungen bis 200 mm Durchmesser und Gemischgeschwindigkeiten von bis zu 10 m/s werden Gittersensoren mit einer Auflösung von bis zu 64 x 64 Elektroden eingesetzt. Dabei ist eine räumliche Auflösung in der Messebene (Elektrodenabstand) von bis zu 2 mm möglich. Zukünftig wird eine Entwicklung solcher Sensoren für den Hochtemperaturbereich von bis zu 300 °C angestrebt.

Fotogalerie

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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.

Publikationen

• Prasser, H.-M.; Böttger, A.; Zschau, J.
  A New Electrode-Mesh Tomograph for Gas-Liquid Flows
  Flow Measurement and Instrumentation 9 (1998) 111-119.
• 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.; Krepper, E.; Lucas, D.s
  Evolution of the Two-Phase Flow in a Vertical Tube - Decomposition of Gas Fraction Profiles according to Bubble Size Classes using Wire-Mesh Sensor
  International Journal of Thermal Sciences 41 (2002) pp. 17-28.
• Lucas, D.; Krepper, E.; Prasser, H.-M.
  Experimental investigation and modeling of air/water flows in vertical pipes
  Heat and Mass Transfer, Springer-Verlag (eingereicht)
• Höhne, T.; Grunwald, G.; Prasser, H.-M.
  Experimental Investigations on the Four-Loop Test Facility ROCOM
  Kerntechnik 65/5-6, S. 212-215.
• Prasser, H.-M.; Böttger, A.; Zschau, J.
  Hochauflösende Gittersensoren für Gas-Flüssig-Strömungen
  MSR Magazin (1998)H. 1-2, S. 12-15.
• Misawa, M.; Tiseanu, I.; Prasser, H.-M.; Ichikawa, N.; Akai, M.
  Ultra-fast x-ray tomography for multi-phase flow interface dynamic studies
  Kerntechnik 68 (2003) 3, pp. 85-90.
• Grunwald, G.; Höhne, T.; Kliem, S.; Prasser, H.-M.; Richter, K.-H.; Rohde, U.; Weiß, F.-P.
  Versuchsanlage ROCOM zur Untersuchung der Kühlmittelvermischung in Druckwasserreaktoren - Ergebnisse quasistationärer Vermischungsexperimente
  Wissenschaftlich-Technische Berichte / Forschungszentrum Rossendorf; FZR-348 Juli 2002.