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Innovative Sensortechnologie für den industriellen Einsatz

09.08.2007
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.

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 (Bild 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 (10-15 F) 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. Bild 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 mit Hilfe des Kapazitäts-Gittersensors schnell und sicher voneinander getrennt dargestellt.

So kann der Kapazitäts-Gittersensor aus dem Forschungszentrum Dresden-Rossendorf 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. Die Forschungsergebnisse wurden kürzlich in der Fachzeitschrift "Measurement Science and Technology" veröffentlicht.

Veröffentlichung:
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.
Weitere Informationen:
Dr. Uwe Hampel
Institut für Sicherheitsforschung
Forschungszentrum Dresden-Rossendorf (FZD)
Tel.: 0351 260 - 2772
u.hampel@fzd.de
Pressekontakt:
Dr. Christine Bohnet
Presse- und Öffentlichkeitsarbeit, Forschungszentrum Dresden-Rossendorf (FZD)
Bautzner Landstr. 128, 01328 Dresden
Tel.: 0351 260 - 2450 oder 0160 969 288 56
Fax: 0351 260 - 2700
c.bohnet@fzd.de
Information:
Das FZD erbringt wesentliche Beiträge der Grundlagenforschung sowie der anwendungsorientierten Forschung und Entwicklung zu folgenden Fragestellungen:
o Wie verhält sich Materie unter dem Einfluss hoher Felder und in winzigen Dimensionen?
o Wie können Tumorerkrankungen frühzeitig erkannt und wirksam behandelt werden?
o Wie schützt man Mensch und Umwelt vor technischen Risiken?
Dazu werden 6 Großgeräte eingesetzt, die europaweit einzigartige Untersuchungsmöglichkeiten auch für auswärtige Nutzer bieten.

Das FZD ist mit ca. 700 Mitarbeitern das größte Institut der Leibniz-Gemeinschaft (www.wgl.de) und verfügt über ein jährliches Budget von rund 57 Mill (Stand: 12/2006). Euro. Hinzu kommen etwa 10 Mill. Euro aus nationalen und europäischen Förderprojekten sowie aus Verträgen mit der Industrie. Zur Leibniz-Gemeinschaft gehören 83 außeruniversitäre Forschungsinstitute und Serviceeinrichtungen für die Forschung. Leibniz-Institute arbeiten interdisziplinär und verbinden Grundlagenforschung mit Anwendungsnähe. Jedes Leibniz-Institut hat eine Aufgabe von gesamtstaatlicher Bedeutung, weshalb sie von Bund und Länder gemeinsam gefördert werden. Die Leibniz-Institute verfügen über ein Gesamtbudget von gut 1 Milliarde Euro und beschäftigen rund 13.500 Mitarbeiter.

Dr. Christine Bohnet | idw
Weitere Informationen:
http://www.fzd.de

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