Leitfähigkeits- und Thermonadelsonden

Zielstellung

Zur Untersuchung von Mehrphasenströmungen mit Gas- und Flüssigphasen wurden Leitfähigkeitsnadelsonden entwickelt, die unter extremen Einsatzbedingungen (Wasser/Wasserdampf bis 300 °C und 160 Bar) eine Messung der lokalen Leitfähigkeit im Untersuchungsvolumen (Rohrleitungen, Reaktionsgefäße) mit hoher zeitlicher Auflösung ermöglichen. Mit Hilfe dieser Sonden können mittlere lokale Gasgehalte, Strömungsgeschwindigkeiten sowie Blasenanzahl und -größen mit einer Zeitauflösung von bis zu 10 kS/s erfasst werden. Eine Besonderheit der Entwicklung ist die kombinierte Leitfähigkeits-Thermo-Nadelsonde, bei der die Sondenspitze als Mikrothermoelement ausgeführt ist, was die synchrone Messung von Leitfähigkeit und Phasentemperatur an einem Messort im Medium gestattet. Nadelsonden und die dazugehörige Auswerteelektronik werden im Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf seit vielen Jahren gefertigt und befinden sich in Forschungseinrichtungen weltweit im Einsatz. Das derzeitige Hauptanwendungsgebiet der Nadelsonden sind experimentelle Grundlagenuntersuchungen 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.

Aufbau und Funktionsprinzip

Die bisher gefertigten Nadelsonden sind je nach Anwendungsfall konstruktiv sehr vielgestaltig. Der prinzipielle Aufbau ist eine koaxiale Struktur von drei V2A-Elektroden. Um einem V2A-Draht als zentrale Elektrode werden abgestuft zwei weitere V2A Röhrchen angeordnet. Die einzelnen Elektroden werden gegeneinander jeweils durch eine nichtleitende Schicht, meist Keramik, isoliert. An die zentrale Messelektrode wird eine bipolare Messpannung angelegt. Abhängig vom Widerstand des umgebenden Untersuchungsmediums fließt ein Messtrom zur äußere Bezugselektrode. Die mittlere Schirmelektrode eliminiert den Einfluss von Flüssigkeitsfilmen zwischen der Mess- und Bezugselektrode bei der Messung. Die Bezugselektrode ist konstruktiv so ausgeführt, dass sie als äußere Hülle den Anschluss an die jeweilige Versuchseinrichtung darstellt, die auf die Sonde wirkenden äußeren Kräfte aufnehmen kann und die Befestigung des Steckverbinders, über den die Elektroden kontaktiert werden, ermöglicht.
		Sondenspitze einer Leitfähigkeits-Thermonadelsonde

Eine neue Qualität der Nadelsonden wurde mit der Entwicklung der Thermosonde geschaffen. Hierbei ersetzt ein Mantelthermoelement den V2A-Draht als zentrale Messelektrode. Das Mantelrohr des Thermoelementes dient als Messelektrode für die Leitfähigkeitsmessung und das vom Mantelrohr isolierte Thermopaar der Temperaturmessung.

In den letzten Jahren wurde im HZDR eine Vielzahl von Nadelsondentypen entwickelt und mit immer weiter verbesserter Fertigungstechnologie hergestellt. Inzwischen werden einige Standardsonden von einem externen Kooperartionspartner, dem Feinmechanischen Fertigungszentrum Glashütte, gefertigt.

Datenerfassung

Bei bislang eingesetzten Elektronikvarianten können aus Gründen der niedrigen Datenübertragungsrate über die RS232-Schnittstelle nicht die mit 10 kS/s aufgezeichneten Rohdaten sondern nur die zeitlichen Mittelwerte und die Anzahl der Phasenübergänge zum Auswerterechner übertragen werden, was eine elektronische Datenvorverarbeitung erforderlich macht. Dabei werden über einen bestimmten Zeitabschnitt (meist 1 s) die zeitlichen Mittelwerte der maximalen und minimalen Leitfähigkeitswerte ermittelt. Vom Maximalwert ausgehend wird eine obere und untere Schwelle festgelegt, deren Über- bzw. Unterschreitung den Indikatoren für den Wechsel vom Medium mit niederer zu hoher Leitfähigkeit oder umgekehrt zum Zeitpunkt der Messung im Bereich der Sondenspitze darstellt. Bei der neuen, in Zusammenarbeit mit der Firma teletronic Rossendorf GmbH entwickelten Elektronikvariante handelt es sich um ein modular aufgebautes System mit einer Vorverstärkerelektronik pro Sonde, die sowohl das Leitfähigkeits- als auch das Temperatursignal verstärkt und über eine optische Verbindung pulslängenmoduliert an eine Datenerfassungseinheit übergibt. An eine solche Einheit können bis zu acht Vorverstärker angeschlossen und zeitsynchron ausgelesen werden. Das Datenerfassungsmodul ist über eine 10 MBit-Ethernetverbindung mit einem beliebigen Mess-PC verbunden, der die empfangenen Datenpakete auf die Festplatte speichert. Bei einem genügend schnellen Rechner können über einen Switch bis zu drei Module mit je acht Kanälen an einen PC angeschlossen werden, was die synchrone Erfassung von bis zu 18 Temperatur- und Leitfähigkeitssignalen mit einer Datenrate von je 10 kHz ermöglicht.
		Vorverstärkermodul
		Datenerfassungsmodul

Auswertung und Visualisierung

		Die aufgezeichneten Datensätze können mit der zugehörigen Visualisierungs- und Auswertesoftware verarbeitet und zur Anzeige gebracht werden. Aus dem Datenmassiv werden Parameter wie mittlere lokale Gasgehalte über beliebige Integrationszeiten sowie Blasenanzahl und Phasentemperaturen ermittelt, visualisiert und für weitere Auswertung im ASCII-Format abspeichert. Für die Auswertung werden zunächst die Rohdaten geglättet und Maxima und Minima (respektive Gas- und Flüssigkeitswerte) bestimmt. Aus diesen Werten lassen sich Schwellwerte ableiten bei deren Unter- bzw. Überschreiten das analoge Messsignal in Gas- und Flüssigphase binarisiert wird. Als günstige Schwellwerte haben sich die 35 % bzw. 65 % Level des Signalhubes zwischen Maximum und Minimum erwiesen. Der lokale Gasgehalt wird als Verhältnis der Summe von Zeiten mit Gasphase und der Gesamtmesszeit bestimmt. Eine globale Schwelle und die Festsetzung eines minimal zulässigen Abstandes zwischen Gas- und Flüssigkeitslevel gestatten eine sichere Bestimmung der Phase bei einphasigen Strömungsabschnitten.
Visualisierungs- und Auswertesoftware

Publikationen

• Baldauf, D.; Prasser, H.-M.; Zschau, J.
  Anordnung zur Messung der lokalen elektrischen Leitfähigkeit und Temperatur in Fluiden
• Prasser, H.-M.; Zschau, J.; Böttger, A.
  Anordnung zur Messung der elektrischen Leitfähigkeit mittels Sonden sowie zur Sonden-Funktionskontrolle
• Prasser, H.-M.; Zschau, J.; Böttger, A.
  Anordnung zur Messung der lokalen elektrischen Leitfähigkeit in Fluiden
• Prasser, H.-M.; Böttger, A.; Schütz, P.; Zschau, J.; Fleischer, S.; Gocht, T.; Hampel, R.
  Füllstandswächter zur diversitären Grenzwertmeldung an Siedewasserreaktoren - Entwicklung und Erprobung
  Vortrag und Beitrag zu Sammelwerken (Proc., etc.): Jahrestagung Kerntechnik 2002, Stuttgart, 14.-16. Mai 2002.
• Li, W.; Hicken, Enno F.; David, Paul H.; Prasser, H.-M.; Baldauf, D.; Zschau, J.
  Messung der Kondensatfilmdicken in einem dampfdurchströmten horizontalen Rohr
  Vortrag und Beitrag zu Sammelwerken (Proc., etc.): Jahrestagung Kerntechnik 2001, Dresden, 15./17. Mai 2001, Tagungsbericht S. 103-106.
• Baldauf, D.; Prasser, H.-M.; Tamme, G.; Zippe, W.
  Nadelsonde zur Messung der Leitfähigkeit in Flüssigkeiten oder Mehrphasengemischen
• Schäfer, F.; Krepper, E.
  Rechnungen zum 1%-Leck an der Versuchsanlage PMK-2 mit dem Code ATHLET
  Vortrag und Beitrag zu Sammelwerken (Proc., etc.): Proc. Jahrestagung Kerntechnik, Nürnberg, 16. - 18. Mai 1995, S. 79 - 82
• Prasser, H.-M.; Böttger, A.; Schaffrath, A.
  Strömungsformen bei Kondensationsvorgängen im Notkondensator-Versuchsstand
  Wissenschaftlich-Technische Berichte / Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf; HZDR-186 Juli 1997
• Böttger, A.; Gocht, T.; Prasser, H.-M.; Zschau, J.
  Transiente Kondensationsversuche an einem Notkondensator - Einzelrohr
  Wissenschaftlich-Technische Berichte / Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf; HZDR-383, Juli 2003
• Weber, P.; Kusch, S.; Prasser, H.-M.
  Analysis of two-Phase Flow Phenomena with Conductivity Probes in Integral Reactor Safety Experiments
  Contribution to foreign collected edition (Proceeding ...): European Two-Phase Flow Group Meeting, Piacenca, Italy, June 6 - 8, 1994,
  Other report: Erlangen: Siemens AG, Power Generation Group (KWU), Paper I.1, 1994
• Prasser, H.-M.; Küppers, L.; Mai, M.
  Conductivity Probes for Two-Phase Flow Pattern Determination During Emergency Core Cooling (EEC) Injection Experiments at the COCO Facility (PHDR)
  Contribution to foreign collected edition (Proceeding ...): Held on: OECD (NEA) CSNI SPECIALIST MEETING ON INSTRUMENTATION TO MANAGE SERVERE ACCIDENTS GRS, Cologne, Germany, 16th - 17th March 1992, Proceedings of the 1. OECD (NEA) CSNI-Specialist Meeting o ...
• Aszodi, A.; Krepper, E.; Prasser, H.-M.
  Experimental and numerical investigation of one and two phase natural convection in storage tanks
  Heat and Mass Transfer 36 (2000) 6, 497-504
• Gaschenko, M. P.; Prasser, H.-M.; Zippe, W.; et. al.
  Experimental Investigation of Accidental Thermohydraulic Processes under Circuit Depressurization at ISB-VVER Safety Integral Test Facility
  Contribution to foreign collected edition (Proceeding ...): International Symposium on Two-Phase Flow Modelling and Experimentation, Rom, Italy, October 09 - 11, 1995, p. 537
  Lecture (Conference): International Symposium on Two-Phase Flow Modelling and Experimentation, Rom, Italy, October 09 - 11, 1995
• Maroti, L.; Prasser, H.-M.; Windberg, P.
  Investigation of two-phase flow phenomena at integral test facilities using needle conductivity probes
  Lecture (Conference): 8th International Conference on Thermal Engineering and Thermogrammetry, Budapest, 2.-4.6.93
  Contribution to foreign collected edition (Proceeding ...): 8th International Conference on Thermal Engineering and Thermogrammetry, Budapest, 2.-4.6.93, p. 275 - 280
• Ezsöl, G.; Szabados, L.; Prasser, H.-M.
  Local void measurements in integral-type experiments simulating nuclear power plant transients
  Vortrag und Beitrag zu Sammelwerken (Proc., etc.): 5th World Conference on Experimental Heat Transfer, Fluid Mechanics and Thermodynamics, Thessalonoki, Greece, 24-28 September 2001, Vol. 2, pp. 1637 - 1641.
• Prasser, H.-M.; Böttger, A.; Zschau, J.; Gocht, T.
  Needle shaped conductivity probes with integrated micro-thermocouple and their application in rapid condensation experiments with non-condensable gases
  Kerntechnik 68 (2003) 3, pp. 114-120.
• Szabados, L.; Ézsöl, Gy.; Perneczky, L.; Krepper, E.; Prasser, H.-M.; Schäfer, F.
  Two-phase flow behaviour during a medium size cold leg LOCA test on PMK-2 (IAEA - SPE-4)
  Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf; HZDR-101 August 1995
• Prasser, H.-M.; Zippe, W.; Baldauf, D.; Szabados, L.; Ézsöl, Gy.; Baranyai, G.; Nagy, I.
  Two-phase flow behaviour during a medium size cold leg test on PMK-II (SPE-4)
  Lecture (Conference): Jahrestagung Kerntechnik 1994, Stuttgart, 17.-19.5.1994
  Contribution to foreign collected edition (Proceeding ...): Jahrestagung Kerntechnik 1994, 17.-19. Mai 1994, Stuttgart, Tagungsbericht, ISSN 0720-9207, S. 77-80
• Kern, T.
  Void fraction measurement in foams using needle shaped conductivity probes
  Poster und Beitrag zu Sammelwerken (Proc., etc.): The Second European Congress on Chemical Engineering: "Chemical Engineering for competitiveness and employment in process industries", 5-7 October 1999, Montpellier, France, proceedings on CD-ROM, 09010004.pdf.
• Prasser, H.-M.; Schlenkrich, C.
  Void Fraction Measurements in Transient Bubble Columns by Needle-Shaped Conductivity Probes
  ·Lecture (Conference): 33rd European Two Phase Flow Group Meeting, Hertogenbosch, The Nederlands, 30 May - 02 June 1995
  ·Contribution to foreign collected edition (Proceeding ...): 33rd European Two Phase Flow Group Meeting, Hertogenbosch, The Nederlands, 30 May - 02 June 1995, paper F2
• Prasser, H.-M. (Editor)
  4. Workshop "Measurement techniques for stationary and transient multiphase flows", Rossendorf, November 16 - 17, 2000
  Wissenschaftlich-Technische Berichte / Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf, HZDR-320 Mai 2001.