Innovative Sensortechnologie

Ein neuartiger Kapazitäts-Gittersensor kann erstmalig komplexe Strömungen in beliebigen Stoffgemischen sichtbar machen.

In vielen Bereichen der Industrie bestimmen Mehrphasenströmungen die Effizienz und Sicherheit von technischen Verfahren und Prozessen. Jeder kennt solche Strömungen von kohlesäurehaltigen Getränken, wo nach dem Öffnen der Flasche Gasbläschen in der Flüssigkeit zur Oberfläche steigen. In der Industrie trifft man auf solche Stoffgemische etwa in Chemiereaktoren, Kraftwerksanlagen und Strömungsmaschinen. Im Forschungszentrum Dresden-Rossendorf wurde vor kurzem ein neuartiger Sensor entwickelt, der mehrphasige Strömungen mit sehr hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung misst. Erstmalig können damit komplexe Strömungen in beliebigen Stoffgemischen sichtbar gemacht werden.

Industrielle Prozesse mit Methoden der experimentellen und theoretischen Thermofluiddynamik zu analysieren und zu modellieren ist Aufgabe des Instituts für Sicherheitsforschung im Forschungszentrum Dresden-Rossendorf (FZD). Im Rahmen dieser Arbeiten wurde der neuartige Kapazitäts-Gittersensor entwickelt. Bisherige Gittersensoren, die im FZD entwickelt wurden und weltweit vertrieben werden, sind nur zur Untersuchung von Gemischen mit einer elektrisch leitfähigen Komponente geeignet, wie das bei Wasser und Dampf der Fall ist. Der neue Kapazitäts-Gittersensor ist in der Lage, in beliebigen Stoffgemischen, also auch in Strömungen von Gasen und organischen Fluiden, zu messen. Damit erschließt dieser Sensor eine Vielzahl neuer Anwendungsfelder, zum Beispiel in der Verfahrenstechnik und im Strömungsmaschinenbau.

Abb. 1: Kapazitäts-Gittersensor mit 2 x 32 Elektrodendrähten. (Quelle: FZD)

Der neue Kapazitäts-Gittersensor besteht aus einem Elektrodengitter, bei dem Drahtelektroden in zwei zur Strömung senkrechten Ebenen und orthogonal zueinander in einem Abstand von wenigen Millimetern angeordnet sind (Abb. 1). Gemessen wird die elektrische Kapazität in den Kreuzungspunkten der Elektroden, welche ein Maß für die Dielektrizitätszahl des Mediums im Kreuzungsbereich ist (die Dielektrizitätszahl gibt die Durchlässigkeit von Materie für elektrische Felder an). Dazu wurde eine Spezialelektronik entwickelt, mit der die winzige elektrische Kapazität der Kreuzungspunkte im Bereich von nur wenigen Femtofarad sehr schnell erfasst werden kann. Der Sensor ist damit in der Lage, komplette Bilder der Fluidverteilung in einem Strömungsquerschnitt – etwa einer Rohrleitung – mit einer Bildrate von ca. 10 kHz darzustellen. Abbildung 2 zeigt eine Schwallströmung aus Luft mit einer Dielektrizitätszahl von 1 und Silikonöl mit einem Wert von 2,7 in einem Rohr. Obwohl die beiden Substanzen über sehr eng benachbarte Dielektrizitätszahlen verfügen, werden sie mithilfe des Kapazitäts-Gittersensors schnell und sicher voneinander getrennt dargestellt.

Abb. 2: Längsschnitt durch eine Öl-Luft-Schwallströmung. (Quelle: FZD)

So kann dieser Kapazitäts-Gittersensor in der Industrie immer dort sinnvoll eingesetzt werden, wo komplexe Vermischungs- und Strömungsverhältnisse untersucht oder optimiert werden sollen. Dabei spielt es auch keine Rolle, dass die Mehrphasengemische durch undurchsichtige Leitungen strömen.

Quelle: FZD

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  Da Silva, M. J.; Schleicher, E.; Hampel, U., Capacitance wire-mesh sensor for fast measurement of phase fraction distributions, Measurement Science and Technology 18, 2245-2251 (2007).
  http://dx.doi.org/10.1088/0957-0233/18/7/059
• Forschungszentrum Dresden - Rossendorf e.V. (FZD):
  http://www.fzd.de
• Institut für Sicherheitsforschung am FZD:
  http://www.fzd.de/db/Cms?pNid=131