Kapazitäts-Gittersensor

Leitfähigkeits-Gittersensoren wurden bereits erfolgreich in der Untersuchung von Zweiphasenströmungen eingesetzt worden. Da aber das Messprinzip mindestens eine elektrisch leitende Flüssigkeit erfordert, sind Leitfähigkeits-Gittersensoren fast ausschließlich für die Untersuchung von Luft-Wasser oder Dampf-Wasserströmungen benutzt worden. Dennoch treten nichtleitende Flüssigkeiten wie öl oder organische Flüssigkeiten häufig in den industriellen Anwendungen, etwa in der chemischen und petrochemischen Industrie, auf. Die experimentelle Untersuchung der Mehrphasenströmungen, die nichtleitende Flüssigkeiten beinhalten, ist folglich vom großen Interesse. Aus diesem Grund wurde der Kapazitäts-Gittersensor entwickelt, welcher auf der Messung der elektrischen Permittivität (Kapazität) basiert ist und für die Untersuchung von nichtleitenden Flüssigkeiten eignet.

Der Grundlage des Leitfähigkeits-Gittersensors ist beibehalten worden. Eine Elektrodenebene wird als Sender und die andere eine als Empfänger benutzt. Während des Messzyklus werden die Senderelektroden sequentiell aktiviert, während alle Senderelektroden auf Grundpotential gehalten werden. Für jede Takteinheit werden die Empfängerelektroden parallel abgetastet. Jedoch während im Leitfähigkeits-Gittersensor eine bipolar Anregungspannung und ein DC Messprinzip eingesetzt wird, musste für die Kapazitätsmessung eine Wechselstromanregung und -messung verwendet werden. Folglich wird eine sinusförmig Wechselspannung für die Anregung und ein Demodulationsschema in Empfänger verwendet. Für die Kapazitätsmessung jeder einzelnen Kreuzungspunkts die Wechselspannungsmessmethode zugrunde gelegt, welche auch erfolgreich in der elektrischen Kapazitanztomographie verwendet worden ist.

Ausgewählte Ergebnisse

Das System wurde auf Genauigkeit mit referenz Messungen gestestet. Dafür wurden ausgewählten Flüssigkeiten und Luft in einer relativen Permittivitätsbereich (ε_r) von eins (für Luft) bis 80 (für Wasser). Die maximale Abweichung im Vergleich zu den Referenzwerten lag bei 10%. Es wurde ein Rauschpegel von 0.27% bzw. 0.9 fF wurde gemesse. So haben die gemessenen Kapazitäten gute Linearität, Genauigkeit und Reproduzierbarkeit gezeigt. Auf diese Weise, ist das System in der Lage Permitivitätswerte von bis eins zu unterccheiden (Δε_r = 1), das entspricht, zum Beispiel, einen Zweiphasengemisch aus Luft und Öl (ε_r = 2). Außerdem haben Vergleichsmessungen mit dem Leitfähigkeits-Gittersensor eine sehr gute Übereinstimmung gezeigt. Die folgende Abbildung zeigt das Ergebnis einer Messung von einer Silikonöl-Luft-Blasenströmung, welches mit dem Kapazitäts-Gittersensor aufgezeichnet wurde. Der neuentwickelte Sensor erweitert das Spektrum von Substanzen, welche mit Gittersensoren untersucht werden können. Damit erschließt dieser Sensor eine Vielzahl neuer Anwendungsfelder, zum Beispiel in der Verfahrenstechnik und im Strömungsmaschinenbau.

Bilder einer Blasenströmung von Wasser in Silikonöl aufgezeichnet mit einem Kapazitäts-Gittersensor. Vier ausgewählte Frames werden angezeigt. Das linke Bild ist ein axiales Schnittbild von der mittlere Elektrode, der entlang einer zentralen Sehne der Strömung genommen wird.

Die Eignung des Kapazitäts-Gittersensors für die Bilgebung einer Dreiphasenströmung wird momentan untersucht. Die folgende Abbildung stellt das Ergebnis einer Messung von einer Dreiphasenströmung aus Luft, Silikonöl und Wasser dar. Neben der richtigen Visualisierung von jeder der drei Phasen wird auch die Emulsionsbildung, gekennzeichnet durch relative Permittivitätswerten zwischen 2 (für Öl) und 80 (für Wasser) richtig durch den Sensor aufgenommen.

Messung einer Dreiphasenströmung. Oben: Schnittbild der stratifizierten Struktur Luft/Öl/Wasser. Unten: Zeitverlauf des Separation-Prozesses. Das Bild zeigt die zentrale Sehne der Strömung.

Publikationen

Da Silva, M. J., Schleicher, E.; Hampel, U.
Capacitance wire-mesh sensor for fast measurement of phase fraction distributions
Measurement Science and Technology 18(2007)7, 2245-2251
doi:10.1088/0957-0233/18/7/059

Da Silva, M. J.; Schleicher, E.; Hampel, U.
Novel wire-mesh sensor for the investigation of non-conducting fluids
Proceedings of 6th International Conference on Multiphase Flow, paper S7_Thu_B_51, 978-3-86010-913-7

Da Silva, M. J.; Schleicher, E.; Hampel, U.
Capacitance wire-mesh tomograph for multiphase flow applications
Proceedings of 5th World Congress on Industrial Process Tomography, pp. 624-629, 03.-06.09.2007, Bergen, Norway