Zweiphasenmesstechnik

Gittersensor für Strömungsmessung

Wenn Flüssigkeiten wie Wasser oder Öl über Rohrleitungen transportiert werden, können sich in dem Volumenstrom Blasen bilden. Diese Blasen entstehen durch Ansaugen von Luft oder durch Siedevorgänge im geschlossenen Kreislauf.

Mithilfe des Gittersensorsystems lässt sich genau ermitteln, an welcher Stelle eines Rohrquerschnitts zu einer bestimmten Zeit Gas oder Flüssigkeit vorhanden ist , bzw.  wie hoch der aktuelle Gasgehalt in der Rohrleitung  ist. Da diese Messung sehr schnell und wiederholt erfolgt, kann aus den Messwerten die komplette Strömung im Rohr rekonstruiert und in Echtzeit dargestellt werden. Vor allem Forschungslabore nutzen dieses Sensorsystem, um die Dynamik der Strömung im Rohr zu visualisieren.

Dies ist besonders wichtig für die Forschung an komplexen, sicherheitsrelevanten Rohrleitungssystemen, für die sichergestellt werden muss, dass die Blasenkonzentration oder der Gasgehalt einen gewissen Schwellenwert nicht überschreitet. An solchen Rohrleitungssystemen für die Energiewirtschaft, die Chemieindustrie, die Erdölexploration usw. wird wegen des großen Bedarfs weltweit geforscht. Gittersensoren sind aus diesem Grund bereits rund um den Globus im Einsatz.

Funktionsweise

Der Sensor nutzt die unterschiedliche elektrische Leitfähigkeit und Kapazität von Flüssigkeiten und Gasen. Dazu wird ein den ganzen Rohrquerschnitt einnehmender Gittersensor in die Rohrleitung eingebracht. Die Elektroden des Gittersensors sind matrixförmig auf zwei Ebenen angeordnet. In jedem so entstehenden Kreuzungspunkte, wird die Leitfähigkeit bzw. Kapazität des Mediums gemessen.

Da jede Elektrode einzeln ausgelesen wird, kann zunächst die flächenhafte Verteilung von Gas und Flüssigkeit über dem Rohrquerschnitt bestimmt werden. Diese Auswertung erfolgt bis zu 10.000 mal pro Sekunde, sodass auf die Dynamik der Blasenverteilung geschlossen werden kann; damit lässt sich die Bewegung der Blasen in der Rohrleitung visualisieren.

Die Gittersensoren können nicht an handelsübliche Datenerfassungssysteme angeschlossen werden. Zur Auswertung der riesigen pro Zeiteinheit anfallenden Datenmengen hat daher Teletronic eine Hardware zur Datenerfasseung entwickelt, die über Standardinterfaces (z.B. USB) an Messrechner angeschlossen werden kann.

Das Gittersensorsystem, bestehend aus Gittersensor,Datenerfassungshardware und Messsoftware können Sie bei unserem Partner HZDRinnovation >>  beziehen.

Messprinzip

Das Gittersensorprinzip basiert auf der Messung der lokalen elektrischen Leitfähigkeit oder der elektrischen Kapazität eines strömenden Mediums. Durch eine matrixförmige Anordnung von Elektroden (Gittersensor) wird die jeweilige Messgröße als Verteilung über den Querschnitt des Untersuchungsvolumens dargestellt.

Der Sender und der Empfänger des Gittersensors bestehen jeweils aus mehreren Drahtelektroden, welche in einer Ebene parallel zu einander ausgerichtet sind. Der Abstand der Ebenen der Sende- und Empfangselektroden beträgt wenige Millimeter. Die Ebenen sind orthogonal zu einander ausgerichtet und bilden dadurch die Sensormatrix.

Während des Messzyklus werden die einzelnen Elektroden der ersten Ebene (Senderebene) nacheinander durch eine Multiplexschaltung angesprochen. Die Datenaufnahme erfolgt durch Auswertung des elektrischen Stroms, der an den Elektroden der zweiten Ebene (Empfangselektroden) auftritt. Nach der AD-Wandlung werden die Signale für jede Empfängerelektrode individuell gespeichert. Diese Prozedur wird für jede der Sendeelektroden wiederholt. Auf diese Weise wird die Verteilung der elektrischen Leitfähigkeit oder Kapazität über dem Rohrleitungsquerschnitt zeilenweise ermittelt. Nachdem die letzte Sendeelektrode aktiviert wurde, liegt eine zweidimensionale Matrix von Stromwerten vor, welche die lokalen Leitfähigkeiten oder Kapazitäten an allen Kreuzungspunkten der Elektroden von Sende- und Empfängerebene widerspiegelt. Je nach Einsatzfall können die Leitfähigkeitsverteilungen in momentane volumetrische Gas- bzw. Dampfgehaltsverteilungen oder in Konzentrationsverteilungen des gelösten Stoffs umgerechnet werden.

Messwerterfassung

Die Messwerterfassung WMS200 besteht aus Basiseinheit, Sendeverstärker und Empfangsverstärker. Die Verstärker werden in der Nähe des Sensors platziert. Das System ist modular aufgebaut und in Schritten von je 16 Elektroden bis auf 128 Sende- und 128 Empfangselektroden erweiterbar. Die Abtastfrequenz ist abhängig von der Anzahl der verwendeten Sendeelektroden. Bei Verwendung von 16 Sendeelektroden ist eine Abtastfrequenz von 10kHz möglich. Durch Verdoppelung der Sendeelektrodenanzahl halbiert sich die mögliche Abtastfrequenz entsprechend. Die maximale Aufzeichnungsdauer beträgt bei der höchsten Abtastfrequenz 30 Minuten. Die Verbindung zum PC erfolgt über eine USB Schnittstelle. Das Gerät wird mit Datenerfassungssoftware für Windows™ PC geliefert.

Technische Daten

• Max. Druck: 7 MPa
• Max. Temperatur: 286 °C
• Leitfähigkeitsbereich: 0.05-500 µS/cm
• Max. Abtastfrequenz: 10 kHz
• USB-Schnittstelle

Kundenspezifische Gittersensoren

Die Gittersensoren werden nach der jeweiligen kundenspezifischen Applikation gefertigt. Es können rechteckige oder quadratische Querschnitte,  sowie Sensoren mit mehreren Elektrodenebenen zur Messung der räumlichen Verteilung und zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit hergestellt werden. Als Material des Sensorkörpers können nicht rostender Stahl oder verschiedene Kunststoffe verwendet werden.