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).

 

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.

 

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Stand der Technik

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.

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.

Gittersensoren können je nach Anwendung mit verschiedenen Querschnittsgeometrien und Betriebsparametern gefertigt werden. Gittersensoren für hohe Temperaturen und Drücke können mittlerweile für Betriebsbereiche von bis zu 400 °C und 10 MPa gefertigt werden. Die zugehörigen Elektroniksysteme zur Erfassung der Messsignale erreichen eine maximale zeitliche Auflösung von 10.000 Bildern/Sekunde und können maximal bis zu 128 x 128 Elektroden erfassen. Die möglichen Gittersensortypen, Sensorgrößen und Fertigungstechnologien sind ebenso vielfältig wie deren Einsatzgebiete. Für die Verarbeitung und Visualisierung der Rohdaten stehen vielfältige Auswertealgorithmen zur Berechnung von Phasenverteilungen, Gasgehaltsprofilen, Blasengrößenverteilungen, Geschwindigkeitsprofilen usw. zur Verfügung, die in einem "Wire-Mesh Sensor Data Analysis FrameWork" gebündelt sind. Die Gittersensormesstechnik wird als Gesamtpaket aus Elektronik, Sensoren und Auswertesoftware mittlerweile sehr erfolgreich über die HZDR-Innovation GmbH weltweit vermarktet.

Die derzeit laufen Forschungsarbeiten auf dem Gebiet der Gittersensormesstechnik beschäftigen sich mit der Weiterentwicklung hin zu einem Online-Messsystem für den industriellen Einsatz, sowie der Erweiterung des Einsatzbereichs beispielsweise auf dreiphasige Medien – auch im Beisein von hochleitfähigen Phasenanteilen wie Salzwasser aber auch für den Einsatz in Ex-Zonen. Darüber hinaus ist die Kopplung der örtlich hochsaufgelösten Gittersensorik mit Durchflussmesstechnik, mit dem Ziel eines genauen Mehrphasendurchmessers, von großem Interesse. Das Prinzip der Gittersensormesstechnik kann aber auch zur ortsaufgelösten Temperatur und Geschwindigkeitsmessung (Anemometrie) eingesetzt werden.

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Ausgewählte Publikationen

• Wiedemann, P.; de Assis Dias, F.; Trepte, M.; Schleicher, E.; Hampel, U.
  Towards Real-Time Analysis of Gas-Liquid Pipe Flow: A Wire-Mesh Sensor for Industrial Applications
  Sensors 23 (2023) 4067, [DOI: 10.3390/s23084067]
• Wiedemann, P.; de Assis Dias, F.; Schleicher, E.; Hampel, U.
  Temperature Compensation for Conductivity-Based Phase Fraction Measurements with Wire-Mesh Sensors in Gas-Liquid Flows of Dilute Aqueous Solutions
  Sensors 20 (2020) 7114, [DOI: 10.3390/s20247114]
• Wiedemann, P.; Döß, A.; Schleicher, E.; Hampel, U.
  Fuzzy flow pattern identification in horizontal air-water two-phase flow based on wire-mesh sensor data
  International Journal of Multiphase Flow 117 (2019) 153-162 [DOI: 10.1016/j.ijmultiphaseflow.2019.05.004]
• Hoffmann, A.; Schleicher, E.; Keller, L.; Leon Alonso, J.; Pitz-Paal, R.
  Application of a single wire-mesh sensor in a parabolic trough facility with direct steam generation
  Solar Energy 159 (2018) 1016-1030 [DOI: 10.1016/j.solener.2017.09.041]
• Kesana, N. R.; Parsi, M.; Vieira, R. E.; Azzopardi, B.; Schleicher, E.; Mclaury, B. S.; Shirazi, S. A.; Hampel, U.
  Visualization of gas-liquid multiphase pseudo-slug flow using Wire-Mesh Sensor
  Journal of Natural Gas Science and Engineering 46 (2017) 477-490 [DOI: 10.1016/j.jngse.2017.08.010]
• Kipping, R.; Kryk, H.; Schleicher, E.; Gustke, M.; Hampel, U.
  Application of wire-mesh sensor for the study of chemical species conversion in a bubble column during chemical absorption of carbon dioxide in sodium hydroxide
  Chemical Engineering & Technology 40 (2017) 1425-1433 [DOI: 10.1002/ceat.201700005]
• Kipping, R.; Brito, R.; Schleicher, E.; Hampel, U.
  Developments for the application of the Wire-Mesh Sensor in industries
  International Journal of Multiphase Flow 85 (2016) 86-95 [DOI: 10.1016/j.ijmultiphaseflow.2016.05.017]
• Dos Santos, E. N.; Schleicher, E.; Reinecke, S.; Hampel, U.; Da Silva, M. J.
  Quantitative cross-sectional measurement of solid concentration distribution in slurries using wire-mesh sensor
  Measurement Science and Technology 27 (2016) 015301 [DOI: 10.1088/0957-0233/27/1/015301]
• Parsi, M.; Vieira, R. E.; Torres, C. F.; Kesana, N. R.; Mclaury, B. S.; Shirazi, S. A.; Schleicher, E.; Hampel, U.
  Experimental investigation of interfacial structures within churn flow using a dual wire-mesh sensor
  International Journal of Multiphase Flow 73 (2015) 155-170 [DOI: 10.1016/j.ijmultiphaseflow.2015.03.019]
• Vieira, R. E.; Parsi, M.; Mclaury, B. S.; Shirazi, S. A.; Torres, C. F.; Schleicher, E.; Hampel, U.
  Experimental Characterization of Vertical Downward Two-Phase Annular Flows Using Wire-Mesh Sensor
  Chemical Engineering Science 134 (2015) 324-339 [DOI: 10.1016/j.ces.2015.05.013]
• Parsi, M.; Vieira, R. E.; Torres, C. F.; Kesana, N. R.; Mclaury, B. S.; Shirazi, S. A.; Schleicher, E.; Hampel, U.
  On the effect of liquid viscosity on interfacial structures within churn flow: experimental study using Wire Mesh Sensor
  Chemical Engineering Science 130 (2015) 221-238 [DOI: 10.1016/j.ces.2015.03.033]
• Vieira, R. E.; Kesana, N. R.; Torres, C. F.; McLaury, B. S.; Shirazi, S. A.; Schleicher, E.; Hampel, U.
  Experimental Investigation of Horizontal Gas–Liquid Stratified and Annular Flow Using Wire-Mesh Sensor
  Journal of Fluids Engineering - Transactions of the ASME 136 (2014) FE-13-1571 [DOI: 10.1115/1.4027799]
• Vieira, R. E.; Kesana, N. R.; Torres, C. F.; Mclaury, B. S.; Shirazi, S. A.; Schleicher, E.; Hampel, U.
  Experimental Investigation of the Effect of 90 Degrees Standard Elbow on Horizontal Gas-Liquid Stratified and Annular Flow Characteristics using Dual Wire Mesh Sensors
  Experimental Thermal and Fluid Science 59 (2014) 72-87 [DOI: 10.1016/j.expthermflusci.2014.08.001]
• Vieira, R. E.; Kesana, N. R.; Torres, C. F.; Mclaury, B. S.; Shirazi, S. A.; Schleicher, E.; Hampel, U.
  Experimental Investigation of Horizontal Gas-Liquid Stratified and Annular Flow using Wire Mesh Sensor
  Journal of Fluids Engineering - Transactions of the ASME 136 (2014) 121301 [DOI: 10.1115/1.4027799]
• Hampel, U.; Otahal, J.; Boden, S.; Beyer, M.; Schleicher, E.; Zimmermann, W.; Jícha, M.
  Miniature conductivity wire mesh sensor for gas-liquid two-phase flow measurement
  Flow Measurement and Instrumentation 20 (2009) 15-21 [DOI: 10.1016/j.flowmeasinst.2008.09.001]
• 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) 87-94
• Prasser, H.-M.; Krepper, E.; Lucas, D.
  Evolution of the Two-Phase Flow in a Vertical Tube - Decomposition of Gas Fraction Profiles according to Bubble Size Classes using Wire-Mesh Sensors
  International Journal of Thermal Sciences 41 (2002) 17-28
• 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

• Schleicher, E.; Tschofen, M.; Pietruske, H.
  Gittersensor-System zum Charakterisieren einer Fluidströmung
  DE 102015117084, PCT/DE2016/100397
• Schleicher, E.; Löschau, M.; Van Campen, L.
  Anordnung zur Bestimmung der Phasenverteilung in mehr-phasigen Medien mit mindestens einer hochleitfähigen Phase
  DE102013203437; BR112015020248-9; CA 2,899,997; EP 14708229.1; RU 2015 132 223; US 14/771,070
• Schleicher, E.; Sühnel, T.; Boden, D.; Fischer, F.; Futterschneider, H.
  Grid Sensor
  DE 102007019926 (Gittersensor), US 000008159237
• Da Silva, M.J.; Schleicher, E.; Hampel, U.; Prasser, H.-M.
  Grid sensor for the two-dimensional measurement of different components in the cross section of a multiphase flow
  WO 2007 121708, DE 10 2006 019178, US000007940038
• Pietruske, H.; Sühnel, T.; Prasser, H.-M.
  Grid sensor.
  DE 10 2004 019739, WO 2006 114081