DE102018124501B3

DE102018124501B3 - Sensor zur Vermessung von Strömungsprofilen in großen Kolonnen und Apparaten

Info

Publication number: DE102018124501B3
Application number: DE102018124501.7A
Authority: DE
Inventors: Vineet Vishwakarma; Eckhard Schleicher; Markus Schubert; Martin Tschofen; Martin Löschau
Original assignee: Helmholtz Zentrum Dresden Rossendorf eV
Current assignee: Helmholtz Zentrum Dresden Rossendorf eV
Priority date: 2018-10-04
Filing date: 2018-10-04
Publication date: 2020-02-13
Anticipated expiration: 2038-10-05

Abstract

Vorrichtung zur Bestimmung des Strömungsprofils von Mehrphasenströmungen mit mindestens einer Flüssigkeitskomponente mit vorgegebener Strömungsrichtung, aufweisend eine Mehrzahl von stabförmigen Sonden, eine elektrisch isolierende Trägerplatte für die Sonden, eine Justiervorrichtung zur Einstellung der Eintauchtiefe der Sonden in die Mehrphasenströmung und eine Auswerteeinheit zur Verarbeitung der Messwerte der Sonden, wobei- jede der Sonden zwei parallel verlaufende Elektroden aufweist, die ausgehend von der Trägerplatte bis zu den freiliegenden Elektrodenspitzen in einer gemeinsamen elektrisch isolierenden Umhüllung angeordnet sind,- jede Sonde zur elektrischen Abschirmung mindestens eine Abschirmelektrode aufweist, die sich über die Länge der Sonde mit Ausnahme der freiliegenden Elektrodenspitzen erstreckt,- die Verbindungslinie zwischen den Elektrodenspitzen der Elektroden einer jeden Sonde senkrecht zur Strömungsrichtung ausgerichtet ist,- eine Elektrode jeder Sonde als Transmitter (Sender) und die zweite Elektrode jeder Sonde als Receiver(Empfänger) fungiert,- die Auswerteeinheit dazu eingerichtet ist, die Transmitterelektrode jeder Sonde mit elektrischer Spannung als Messspannung zu beaufschlagen,- die Auswerteeinheit dazu eingerichtet ist, das Messsignal, das in Ergebnis der Beaufschlagung der Transmitterelektrode mit elektrischer Spannung entsteht, an der Receiverelektrode derselben Sonde zu erfassen,- mindestens zwei Sonden zu einer Gruppe zusammengefasst sind, wobei die Auswerteeinheit zum gleichzeitigen Beaufschlagen der Sonden dieser Gruppe mit der Messspannung ausgebildet ist, und- die Justiervorrichtung zum Verstellen der Lage der Trägerplatte mit den Sonden ausgebildet ist, sodass mittels der Justiervorrichtung die Eintauchtiefe der Sonden in die Mehrphasenströmung einstellbar ist.

Description

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung zur Erfassung und quantitativen Vermessung von Strömungsprofilen in großen Kolonnen und Apparaten. Insbesondere ist die Vorrichtung geeignet, dreidimensionale Strömungsprofile in komplexen Mehrphasenströmungen, vorzugsweise Zweiphasenströmungen, wie sie in Destillationskolonnen und ähnlichen Anwendungen auftreten, zu erfassen. Aus den Messdaten können lokale, instantane Parameter wie Fluidgeschwindigkeiten, Verweilzeiten, Gasgehalte und Vermischungsparameter bestimmt werden.
Aus dem Stand der Technik ist eine Reihe von Methoden bekannt, die versuchen die komplexen Strömungsprofile messtechnisch zu erfassen. Diese Methoden sind meist nur für Rohrleitungen und kleinere Kanäle geeignet.
So schlägt die DE 10 2006 019178 A1 für Stoffgemische auch nichtleitender Art eine Messung der komplexen elektrischen Admittanz vorzunehmen. Dazu soll ein Elektrodennetz zum Einsatz kommen. Das Elektrodennetz weist Sendeelektroden und Empfängerelektroden auf. An die Sendeelektroden wird eine sinusförmige Wechselspannung angelegt und an den Empfängerelektroden der anfallende Strom verstärkt gewandelt und gemessen. Das Elektrodennetz verbleibt in der in einem rohrförmigen Kanal geführten Strömung.
Die WO 2010/069307 beschreibt eine Messvorrichtung, die vorsieht, das in einer Rohrleitung strömende Mehrphasengemisch durch eine Vielzahl von parallel verlaufenden Kanälen aufzuteilen und in den einzelnen Kanälen Messungen mittels dort angeordneter Sensoren vorzunehmen. Insbesondere soll bei diesem Vorgehen eine Unterscheidbarkeit der beiden Phasen gewährleistet sein. Dies soll erreicht werden, indem die Sensoren für eine Phase (die flüssige Phase) sensitiv sind. Die Messwerte sind jedoch aufgrund der umfangreichen Störung des natürlichen Strömungsverlaufs für das Strömungsprofil wenig aussagekräftig.
Die US 5 675 259 B beschreibt eine Vorrichtung zur Messung an Flüssigkeiten unter Ausnutzung der komplexen Permeabilität. Dazu wird eine Mikrowellensonde in das Fluid eingebracht. Die Impedanz der Sonde ist durch die komplexe Dielektrizitätskonstante des Fluides bestimmt. Zur Messung werden elektromagnetische Signale zurSonde gesandt und Phasenlage und Amplitude des reflektierten Signals in kurzen Abständen bestimmt.
Die CN 101 915 788 A offenbart einen kapazitiven Sensor mit einer Flüssigkeitselektrode zum Messen des Flüssigkeitsanteils einer Mehrphasenströmung. Der Sensor weist mehre Metallplatten mit einer isolierenden Materialbeschichtung auf, wobei jede Metallplatte in Kontakt mit der leitenden Flüssigkeit der gemessenen Mehrphasenströmung steht Die leitende Flüssigkeit dient als Kathode des kapazitiv arbeitenden Sensors, und die Metallplatten mit den Isoliermaterialbeschichtungen bilden die Anode.
Die US 4 402 230 A nutzt zwei Sonden, die in Strömungsrichtung einer Mehrphasenströmung hintereinander angeordnet sind. Ein eingespeistes Signal wird in Abhängigkeit von den Charakteristika der Strömungskomponenten verändert. Die von den Sonden erfassten Signale werden mittels geeigneter Filter so reduziert, dass für die einzelnen Strömungskomponenten charakteristische Signale einer Auswertung zugeführt und die individuellen Strömungsgeschwindigkeiten der Komponenten bestimmt werden können,
Diese Vorgehensweisen sind für große Kolonnen nicht geeignet. Deshalb wurden im Stand der Technik Versuche zu anderen Messverfahren durchgeführt.
So werden beispielsweise einem strömenden Medium Prüfkörper (bspw. Tischtennisbälle oder Korkpartikel), Farb- oder andere Zusätze (z. B. auch Heißwasser) als Tracer hinzufügt und das Strömungsprofil dann mittels geeigneter Aufnahmetechniken (z. B. Kameraaufnahmen, ggf. unter Beleuchtung mittels UV-Licht, Thermometer, faseroptische Sonden) beobachtet. Andere Vorgehensweisen sehen die Verwendung von Hitzedrahtanemometern oder Sonden mit Dehnungsmessstreifen vor, um lokal die Strömungsgeschwindigkeit zu messen.
Schubert et. al. verwendeten einen Drahtgittersensor um die Verweilzeitverteilung und die Geschwindigkeitsverteilung auf einem begasten Boden einer Trennkolonne durch Zugabe von Tracer mit erhöhter Leitfähigkeit zu messen. Der relativ hohe Drahtwiderstand verursachte jedoch Übersprechen zwischen den Drähten durch die hohe Leitfähigkeit und große Elektrodenstrukturen. Eine komplexe Kalibrierung und eine umfangreiche Datennachbearbeitung beim Einsatz in einer Mehrphasenströmung sind einige der Einschränkungen dieser Drahtgittersensoren für die Anwendung in Mehrphasenströmungen von Kolonnen und großen Apparaten.
Es stellt sich somit die Aufgabe, eine Vorrichtung vorzuschlagen, die einige der Nachteile des Standes der Technik überwindet und eine unkomplizierte zuverlässige Bestimmung des Strömungsprofils in Mehrphasenströmungen in größeren Anwendungen ermöglicht. Die Vorrichtung soll insbesondere für Kolonnen im industriellen Maßstab bzw. für Kolonnen, die für die Forschung an industriell genutzten Verfahren eingesetzt werden, geeignet sein.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einer Vorrichtung nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung sind in den rückbezogenen Unteransprüchen offenbart.
Unter Mehrphasenströmung werden im Folgenden Strömungen verstanden, in denen Stoffe unterschiedlicher Aggregatzustände oder unterschiedlicher Strömungseigenschaften gemeinsam strömen. Einer der Stoffe ist eine Flüssigkeit (Flüssigkeitskomponente der Mehrphasenströmung) mit einer Leitfähigkeit, die zwischen der Messgrenze und unterhalb einer Kurzschlussleitfähigkeit liegt. Diese Stoffe vermischen sich untereinander nicht bzw. kaum. Dies schließt insbesondere strömende Flüssigkeiten mit in diesen mitfließenden Feststoffpartikeln oder Gasbläschen (Schaum) ein. Auch Feststoffpartikel oder Flüssigkeitströpfchen (Aerosole) in Gasströmungen sind umfasst. Darüber hinaus sind auch Flüssigkeitströpfchen, die in Flüssigkeiten mitströmen, mit denen sie keine Mischung eingehen, gemeint. Dies sind bspw. Öltröpfchen in Wasser. Typische Beispiele sind Dampf-Wasser-Strömungen in Kraftwerken oder dreiphasige Strömungen aus Öl, Gas und Wasser wie sie typischerweise in der Erdölgewinnung und -verarbeitung auftreten. Auch in großen Apparaten der chemischen Verfahrenstechnik spielen mehrphasige Strömungen eine bedeutende Rolle. Viele standardisierte Sensoren, wie Durchflussmesser zur Bestimmung von Masse- oder Volumenströmen u. ä. sind jedoch nur für einphasige Medien definiert und nur dort einsetzbar.
Flüssigkeiten mit sehr geringen Leitwerten können durch den Zusatz von leitfähigkeitserhöhenden Substanzen (insbesondere leitfähigen Flüssigkeiten) dem erfindungsgemäßen Messverfahren zugänglich gemacht werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung des Strömungsprofils von Mehrphasenströmungen weist eine Mehrzahl von stabförmigen Sonden, eine aus elektrisch isolierendem Material bestehende Trägerplatte für die Sonden, eine Justiervorrichtung zur Einstellung der Eintauchtiefe der Sonden in die Mehrphasenströmung und eine Auswerteeinheit zur Verarbeitung der Messwerte der Sonden auf. Die Sonden weisen zwei parallel verlaufende Elektroden auf. Ausgehend von der Trägerplatte bis zu den freiliegenden Spitzen der Elektroden sind diese Elektroden von einer elektrisch isolierenden Umhüllung umgeben. Eine Elektrode fungiert als Transmitter (Sender) und die zweite Elektrode als Receiver (Empfänger). Die Zuordnung der Funktion als Receiver bzw. Transmitter kann optional zwischen den beiden Elektroden vertauscht werden. Diese Vertauschung würde optional durch die Auswerteeinheit berücksichtigt.
Die stabförmigen Sonden sind beliebig angeordnet. Bevorzugt ist die Anordnung der Sonden der Messaufgabe angepasst. Dies heißt, dass sie so angeordnet sind, dass der gesamte zu untersuchende Strömungsquerschnitt durch Sonden erfasst bzw. abgetastet werden kann. Die Erfassbarkeit schließt dabei die Höhenverstellung der Sonden mittels der Justiervorrichtung ein.
Mindestens eine Teilmenge der Sonden ist dabei in mindestens einer Gruppe, die mindestens zwei Sonden aufweist, zusammengefasst. Bevorzugt sind mehrere Gruppen, die jeweils mindestens zwei Sonden aufweisen. In einer bevorzugten Ausführungsform sind in der erfindungsgemäßen Vorrichtung neben einer oder mehreren Gruppen von Sonden auch einzelne Sonden enthalten. Besonders bevorzugt sind alle Sonden Gruppen zugeordnet. Jede Sonde ist maximal einer Gruppe zugeordnet.
Eine Gruppe von Sonden zeichnet sich dadurch aus, dass alle Transmitter der Sonden dieser Gruppe gleichzeitig mit Messspannung beaufschlagt werden, wobei vorzugsweise ein gemeinsamer Leiter zur Spannungszuführung zum Einsatz kommt. Die Receiver dieser Gruppe können dann, gesteuert von der Auswerteeinheit, abgefragt und die Messwerte von der Auswerteeinheit erfasst werden.
Vorzugsweise sind die Receiver unterschiedlicher Gruppen ebenfalls über einen gemeinsamen Leiter verbunden. Auf diese Weise kann die Verkabelung der Sonden vereinfacht werden, da die Transmitter der N Sonden einer Gruppe über einen gemeinsamen Leiter mit Messspannung versorgt und jeweils ein Receiver der Sonden der M Gruppen eine gemeinsame Messleitung aufweist. So lassen sich vorteilhaft die Messwerte von N mal M Sonden erfassen, indem nacheinander der gemeinsame Leiter der Transmitter einer Gruppe mit Messspannung beaufschlagt und an den Leitern der Receiver aller M Gruppen die Messsignale erfasst werden. Anschließend wird der gemeinsame Leiter der N Transmitter der nächsten Gruppe mit Messspannung beaufschlagt und erneut die M Leiter der Receiver angefragt.
Die Zusammenfassung von Sonden zu Gruppen wird bevorzugt entsprechend der anstehenden Messaufgabe vorgenommen. Da die Sonden einer Gruppe zeitgleich mit Spannung beaufschlagt werden, liegen die Messwerte für diese Sonden ohne zeitlichen Versatz vor. Vorteilhaft werden daher Sonden zu einer Gruppe zusammengefasst, deren Messwerte zur Beurteilung des momentanen Strömungsprofils zeitgleich bzw. möglichst zeitnah vorliegen sollen.
Die Auswerteeinheit kann die Transmitter-Elektrode einer Sonde mit elektrischer Spannung beaufschlagen und das an der Receiver-Elektrode derselben Sonde eintreffende Signal verarbeiten. Das Verarbeiten schließt das Verstärken und Digitalisieren des Signals ein. Die Abstände der Elektroden einer Sonde zueinander und die Sondenabstände sind so gewählt, dass eine gegenseitige elektrische Beeinflussung der einzelnen Sonden ausgeschlossen wird. Die Messung wird somit stets zwischen Transmitter und Receiver derselben Sonde vorgenommen.
Die elektrische Spannung, die am Transmitter angelegt wird, kann als Gleichspannung oder als modulierte Gleichspannung, als Wechselspannung oder beliebig modulierte Spannung anliegen. Zur Vermeidung von Elektrolyse-Effekten wird jedoch eine bipolare Wechselspannung bevorzugt.
Jede stabförmige Sonde ist längserstreckt, rohrartig ausgebildet. Ein erstes Ende der stabförmigen Sonde ist in der Trägerplatte befestigt. Diese Befestigung kann unlösbar (z. B. eingeklebt) oder lösbar (eingesteckt optional mit Dichtung, eingeschraubt, etc.) sein. Das zweite Ende der stabförmigen Sonde weist die freiliegenden Enden der beiden Elektroden (Transmitter, Receiver) als Messspitzen auf. Die Elektroden bestehen bevorzugt aus einem gut leitfähigen, vorzugsweise metallischen Material. Optional weisen die freiliegenden Enden der Elektroden eine leitfähige Beschichtung auf, die gegen die strömenden Medien beständig ist wie zum Beispiel Gold, Silber oder Platin oder die Elektroden bestehen in Gänze aus einem leitfähigem, nicht korrosivem Material (z. B. Edelstahl). Die Elektroden sind als längserstreckte Leiter mit der Messaufgabe angepassten Querschnittsformen möglich. Bevorzugt sind die Elektroden als Drähte oder Leiterstreifen ausgeführt. Die Drähte können dabei neben einem kreisförmigen Querschnitt z. B. auch einen ellipsenförmigen oder polygonalen Querschnitt aufweisen. Die freiliegenden Enden der Elektroden einer Sonde liegen vorzugsweise in einer Ebene, die senkrecht zur Strömungsrichtung der Mehrphasenströmung ausgerichtet ist.
Zwischen den beiden Enden der stabförmigen Sonde weist diese vorzugsweise einen konstanten Querschnitt auf. Dieser Querschnitt kann rund oder oval oder vorzugsweise auch tropfenförmig, zur Ausbildung eines möglichst ungestörten Strömungsprofils um die Sonde herum, geformt sein. Weitere Querschnittsformen sind möglich. In einer bevorzugten Weiterbildung der Sondenform ist der Querschnitt symmetrisch zur Ebene in der die Elektroden angeordnet sind. Diese Weiterbildung ist insbesondere bei einer zu erwartenden Umkehr der Strömungsrichtung von Vorteil, da sich in beide Strömungsrichtungen ein identisches Umströmungsprofil um die Sonden ausbildet. Zwischen dem ersten Ende der Sonde und den freiliegenden Enden der Elektroden sind diese Elektroden mit einer isolierenden Umhüllung versehen, die die Elektroden von den strömenden Medien elektrisch und physisch isoliert. Diese isolierende Umhüllung ist gegen die strömenden Medien beständig und verhindert einen Stromfluss zwischen den beiden Elektroden außerhalb der freiliegenden Enden. Dies gewährleistet, dass die Messung an einer definierten Stelle in der Strömung erfolgt- nämlich dort, wo die freiliegenden Enden positioniert werden. Die isolierende Umhüllung besteht vorzugsweise aus Kunststoff, Silikon, Kautschuk oder einem anderen elektrisch isolierenden Material.
Jede der stabförmigen Sonden weist optional neben der elektrisch isolierenden Umhüllung auch eine elektromagnetische Abschirmung auf. Diese ist vorzugsweise als Abschirmelektrode in Form eines koaxialen Leiters um jede einzelne und/oder beide Elektroden ausgeführt. Ebenfalls möglich ist als Abschirmelektrode ein Abschirmungsstreifen aus einem elektrisch leitfähigen Material der zwischen den Elektroden verläuft. Optional ist zur Abschirmung einer oder beider Elektroden zusätzlich ein Abschirmungsstreifen zwischen den Elektroden möglich. Die elektromagnetische Abschirmung (Abschirmelektrode) ist in einer ersten Ausführungsform vollständig von der elektrisch isolierenden Umhüllung umgeben (derart eingehüllt, dass kein Kontakt zu den strömenden Medien besteht). Bevorzugt wird die Abschirmung durch eine entsprechende elektrische Kontaktierung durch die Trägerplatte hindurch auf Massepotential gelegt. In einer zweiten Ausführungsform reicht die Abschirmung bis zum strömenden Medium und liegt somit auf dessen Potential als Masse. Hierbei ist wesentlich, dass die Verbindungslinie zwischen den freiliegenden Spitzen der Elektroden nicht durch die Abschirmung unterbrochen ist.
Die Trägerplatte ist bevorzugt flüssigkeits- und gasdurchlässig ausgeführt. Vorteilhaft können Gitterplatten oder ähnliches genutzt werden. Die Trägerplatte kann als durchbrochenes Gestell ausgeführt sein, bei dem die Sonden an entsprechenden Verstrebungen in einem vorzugsweise horizontal ausgerichteten Rahmen angeordnet sind. Die Elektroden und optional die elektromagnetische Abschirmung, sind auf der von der zu vermessenden flüssigen Phase der Mehrphasenströmung abgewandten Seite der Trägerplatte elektrisch kontaktiert und mit der Auswerteeinheit verbunden. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Elektroden an ihrem ersten Ende durch die Trägerplatte hindurchgeführt und werden auf der der Mehrphasenströmung abgewandten Seite der Trägerplatte mit Abdeckkappen verschlossen, die die Verbindung der Elektroden, und optional der elektromagnetische Abschirmung, mit den Zuleitungsdrähten abdecken. Diese Abdeckkappen sind bevorzugt von den Enden der Sonden abnehmbar und gas- bzw. flüssigkeitsdicht ausgeführt. Dies isoliert die freiliegenden Verbindungen elektrisch und schützt sie gegen Korrosion. Die Verbindungen zu den Elektroden, und optional der elektromagnetischen Abschirmung, ist vorzugsweise lösbar, als Steckverbindung nach dem Stand der Technik, oder unlösbar (Lötverbindung) ausgeführt. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Verbindung durch eine geeignete Beschichtung oder Lackierung gas- bzw. flüssigkeitsdicht ausgeführt.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Sonden in mindestens einer ersten Reihe angeordnet. Diese erste Reihe ist vorzugsweise senkrecht zur Strömungsrichtung der zu vermessenden flüssigen Komponente der Mehrphasenströmung ausgerichtet. Genauer gesagt, liegen die stabförmigen Sonden in ihrer Längserstreckung parallel zueinander in einer Ebene, die vorzugsweise senkrecht zur Richtung der Flüssigkeitskomponente der zu untersuchenden Strömung ausgerichtet ist. Mittels der Justiervorrichtung kann die Lage der Trägerplatte mit den Sonden gegenüber der Mehrphasenströmung verstellt werden. Dies ermöglicht es, die Eintauchtiefe der Sonden in die Mehrphasenströmung einzustellen. Die Einstellung kann bei Bedarf fixiert und wieder gelöst werden. Bevorzugt sind die Sonden der ersten Reihe zu einer Gruppe zusammengefasst.
Optional sind an der Trägerplatte weitere Reihen von Sonden parallel zu der ersten Reihe von Sonden und mit identischer Länge von der Trägerplatte bis zu den Enden der freiliegenden Elektrodenspitzen angeordnet. Diese Reihen weiterer Sonden liegen vorzugsweise in ihrer Längserstreckung in einer Ebene, die parallel zur Ebene ist, in der die Sonden der ersten Reihe angeordnet sind. Die stabförmigen Sonden aller Reihen sind somit in ihrer Längserstreckung parallel zueinander angeordnet. Bevorzugt sind die weiteren Reihen von Sonden so angeordnet, dass die Sonden in Strömungsrichtung jeweils fluchtend und voneinander sowie zur ersten Reihe von Sonden beabstandet, hinter der entsprechenden Sonde der ersten Reihe liegen. Somit ergeben sich Reihen (nebeneinander) und Spalten (hintereinander) von Sonden. Vorzugsweise sind dabei die Sonden jeder Reihe zu einer Gruppe zusammengefasst.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass die Sonden jeder zweiten Reihe in Strömungsrichtung fluchtend hintereinander liegen, während die Sonden der dazwischen liegenden Reihen in ihrer Ebene um einen halben Sondenabstand zur vorhergehenden Reihe versetzt sind. Dies ermöglicht, dass sich das Strömungsprofil nach dem Umströmen der Sonden wiederherstellt, bevor in der übernächsten Reihe (in Strömungsrichtung) eine erneute Messung erfolgt.
Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass alle Sonden aller Reihen eine identische Länge aufweisen und bevorzugt zu einer Gruppe gehören. Sie tauchen somit alle mit der gleichen Tiefe in die Mehrphasenströmung ein. Eine weitere bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass die Sonden jeder Reihe eine unterschiedliche Länge und damit eine unterschiedliche Eintauchtiefe aufweisen. So ist es insbesondere bevorzugt, dass die erste Reihe (in Strömungsrichtung gesehen) die geringste Eintauchtiefe, also die geringste Länge aufweist. Die hinter der ersten Reihe liegenden Reihen weisen Sonden mit jeweils zunehmender Länge auf. Durch diese Konstruktion messen die Elektrodenspitzen jeweils in einem Bereich relativ ungestörter Mehrphasenströmung. Selbstverständlich sind auch andere variierende Sondenlängen möglich. Auch hier ist es bevorzugt, die Sonden jeder Reihe als Gruppe zusammenzufassen.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass die Sonden auf konzentrischen Kreisen um einen Mittelpunkt herum angeordnet sind. Diese Konfiguration ist besonders vorteilhaft, wenn ein Eintrittspunkt einer Komponente der Mehrphasenströmung im Mittelpunkt dieser kreisförmigen Anordnung vorgesehen ist. Weiterhin bevorzugt ist die Anordnung der Sonden auf konzentrischen Kreisabschnitten, bevorzugt mit einem Winkel zwischen 180° und 30° wobei die Winkelhalbierende in Strömungsrichtung der zu untersuchenden Flüssigkeitskomponente der Mehrphasenströmung ausgerichtet ist. Diese Konfiguration ist bspw. vorteilhaft, um die laterale Ausbreitung von Tracern zu untersuchen, die durch einen Eintrittspunkt im Scheitel des zum Kreisabschnitt gehörigen Winkels zugegeben werden. Vorzugsweise werden die Sonden, die auf einem Kreis oder einem Kreisabschnitt liegen, zu einer Gruppe zusammengefasst.
Die Trägerplatte weist eine höhenverstellbare Halterung auf. Mittels der höhenverstellbaren Halterung kann die Eintauchtiefe der Sonden in die Mehrphasenströmung eingestellt werden. Auch ein völliges Anheben über die Mehrphasenströmung ist optional möglich. In einer ersten besonders einfachen Ausführungsform wird die höhenverstellbare Halterung durch Unterlegelemente unter die Trägerplatte realisiert. Eine weitere einfache Ausführungsform sieht eine manuell oder mechanisch bzw. elektromechanisch verstellbare Aufhängung der Trägerplatte vor.
Die Trägerplatte weist in einer fortgeschrittenen Ausführungsform als höhenverstellbare Halterung mindestens einen Führungsstab, vorzugsweise zwei zueinander parallele Führungsstäbe auf, von denen sie gehalten wird und an denen sie senkrecht zur Strömungsrichtung der zu untersuchenden Flüssigkeitskomponente der Mehrphasenströmung verschoben werden kann. Dazu ist es bspw. möglich, dass einer der Stäbe in Längsrichtung eine Zahnung aufweist und die Trägerplatte über einen entsprechenden Schneckentrieb verfügt, mit dem es möglich ist, die Trägerplatte entlang der Führungsstäbe zu verschieben. Vorteil eines solchen Schneckentriebes ist es, dass dieser selbsthemmend ist und die eingestellte Position der Trägerplatte an den Führungsstäben so automatisch gehalten wird. Als einfachste Maßnahme ist es jedoch auch möglich, eine Feststellschraube an der Trägerplatte vorzusehen, die diese in der gewünschten Messposition durch Klemmen an einem Führungsstab fixiert. Optional erfolgt die Höhenverstellung mittels der Führungsstäbe motorgetrieben, vorzugsweise angesteuert durch die Auswerteeinheit. Dies ermöglicht eine automatisierte Messung in verschiedenen Eintauchtiefen und eine gemeinsame Auswertung der Messergebnisse.
Bevorzugt weist die Trägerplatte als höhenverstellbare Halterung drei oder vier Führungsstäbe auf. Die Trägerplatte besteht vorzugsweise aus elektrisch nichtleitendem Material, vorzugsweise PCB oder einem anderen Kunststoff. Wenn die Trägerplatte mit der Mehrphasenströmung in Berührung kommen könnte, ist es wesentlich, dass diese aus einem Material besteht, das von den Komponenten der Mehrphasenströmung nicht angegriffen wird. Dem Fachmann sind die entsprechenden Stoffeigenschaften bekannt und er kann das Material der Trägerplatte entsprechend auswählen.
In einer bevorzugten Weiterentwicklung strömt die Mehrphasenströmung in einem abgedeckten Kanal, der an der Messstelle eine Abdeckung mit Öffnungen aufweist, durch die die Elektroden dichtend in die Mehrphasenströmung hineingeführt sind.
Die Auswerteeinheit ist dazu ausgelegt, jeden Sonden-Transmitter mit einer vorgegebenen Spannung zu belegen. Dazu sind die Sonden an die Auswerteeinheit angeschlossen. Diese weist vorzugsweise eine Datenverarbeitungseinheit auf, die programmgesteuert die Transmitter der Sonden in vorgegebener Abfolge oder gleichzeitig mit einer Spannung mit festgelegter Dauer und Form des Spannungsverlaufs beaufschlagt Dazu können der Datenverarbeitungseinheit verschiedene Gerätebestandteile nachgeschaltet sein, bspw. D/A-Wandler, Verstärker etc.
Von den angeregten Transmittern der Sonden fließt nun ein entsprechender Strom, dessen Stromstärke von den sich im elektrischen Feld befindlichen Medien und deren physikalischen Eigenschaften wie Leitfähigkeit oder Permittivität abhängt.
Das vorteilhafte Vorgehen bei einer Sondenverschaltung, die N Reihen von Sonden, die in M Spalten angeordnet sind, sieht bspw. vor, dass jede Reihe eine Gruppe bildet. Um die Anzahl der Transmitter- und Receiverkanäle der Datenverarbeitungseinheit zu reduzieren, werden bevorzugt jeweils die Transmitterelektroden der Sonden einer Reihe elektrisch miteinander verbunden und auch die Receiverelektroden der Sonden einer Spalte elektrisch miteinander verbunden. Werden nun die Transmitter reihenweise nacheinander mit der Anregungsspannung beaufschlagt und die Receiver der Spalten gleichzeitig gemessen, entsteht ein Multiplexingverfahren, das es erlaubt, durch zyklisches Durchschalten der Transmitterkanäle den gesamten Messquerschnitt mit N x M Sonden zu erfassen und dafür lediglich N Transmitter- und M Receiverkanäle bereitzustellen.
Das jeweils am Receiver der Sonde empfangene Stromsignal wird von der Auswerteeinheit weiterverarbeitet. Bevorzugt wird hier die Datenverarbeitungseinheit eingesetzt, um die empfangenen Daten zu speichern, weiterzugeben und ggf. auf einem Anzeigegerät (Monitor) darzustellen. Bei der Datenverarbeitungseinheit handelt es sich beispielsweise um einen handelsüblichen Personalcomputer, vorzugsweise um ein entsprechend programmiertes FPGA. Der Datenverarbeitungseinheit vorgeschaltet können weitere Gerätebestandteile wie bspw. Verstärker, Signalumformer und A/D-Wandler sein. Die Gerätebestandteile sind bevorzugt Teil der Auswerteeinheit.
In einer besonders einfachen Ausführungsform ist die Auswerteeinheit dazu eingerichtet, eine Sonde zu aktivieren, indem die Elektrode dieser Sonde, die als Transmitter fungiert, mit einer Gleichspannung beaufschlagt und das Signal, das an der Elektrode, die als Receiver funktioniert, anlangt, verstärkt und verarbeitet wird.
Vorzugsweise ist die Auswerteeinheit dazu eingerichtet, je Zeiteinheit genau eine Sonde zu aktivieren.
Da eine Mehrzahl von Sonden als Sondenfeld ausgeführt sein kann, kann die Auswerteeinheit dazu eingerichtet sein, alle Sonden oder Gruppen von Sonden sequentiell zu aktivieren.
Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten und beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern umfasst auch alle im Sinne der Erfindung gleich wirkenden Ausführungsformen. Ferner ist die Erfindung auch nicht auf die speziell beschriebenen Merkmalskombinationen beschränkt, sondern kann auch durch jede beliebige andere Kombination von bestimmten Merkmalen aller insgesamt offenbarten Einzelmerkmale definiert sein, sofern sich die Einzelmerkmale nicht gegenseitig ausschließen, oder eine spezifische Kombination von Einzelmerkmalen nicht explizit ausgeschlossen ist.
Die vorliegende Erfindung bietet eine Anzahl von Vorteilen gegenüber dem Stand der Technik: Die erfindungsgemäße Vorrichtung verursacht geringere Störungen im Strömungsfeld; insbesondere in dem Bereich, in dem die Messung erfolgt.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht die Strömungsvisualisierung in 3D durch die Bereitstellung von Trägerplatte, vertikalen Sonden und Höhenverstellung. Während die bekannten kamerabasierten Techniken nur planare Aufnahmen von der Oberfläche des zweiphasigen Flusses ermöglichen.
Die bekannten Drahtgittersensoren leiden unter Übersprechen, während die aktuelle Erfindung dieses Phänomen durch eine entsprechende Isolierung und Abschirmung vermeidet.
Bei Drahtgittersensoren treten an den virtuellen Kreuzungspunkten großvolumige Einflussbereiche auf, die die Genauigkeit dieser Technik begrenzen. Dies trifft insbesondere für große Vorrichtungen zu. Demgegenüber reduziert die erfindungsgemäße Vorrichtung diesen Nachteil durch kurze aktive Messelemente (Spitzen der Elektroden) und begünstigt somit eine präzise lokale Messung.
In der erfindungsgemäßen Vorrichtung erfolgt ein geringerer Kapazitätsaufbau in den parallel angeordneten, elektrisch abgeschirmten und isolierten Elektroden. Dies führt zu einem klaren Signal, das eine weitere Kalibrierung oder Nachkalibrierung nicht zwangsläufig erforderlich macht und eine einfachere Verarbeitung ermöglicht. Die bisherigen Lösungen (Drahtgittersensoren) leiden unter diesem Problem vor allem aufgrund der koaxialen oder orthogonalen Anordnung der Elektroden.
Die vorliegende Erfindung ist durch ihre Fähigkeit, Leitwertänderungen in Flüssigkeitsströmen problemlos zu messen, vielseitig einsetzbar. Die bisher bekannten Techniken (sowohl Partikel als auch Kamera) sind nicht geeignet für Gasgehaltsmessungen, insbesondere auf Kolonnenböden und offenen Kanäle.
Alle punktuell messenden Systeme leiden entweder unter einem sehr hohen Aufwand bei der Probennahme bzw. bei der Messung an verschiedenen Positionen, da diese einzeln angefahren werden müssen oder der elektronische Aufwand ist sehr hoch. Für eine größere Anzahl von Einpunktsonden, z. B. um für eine quadratische oder rechteckige Fläche von einem Quadratmeter eine räumliche Auflösung von 5 cm zu erreichen, würden entweder 400 Positioniervorgänge oder die gleiche große Anzahl von elektronischen Systemen benötigt. Zusätzlich können mit Einzelsonden nur Konzentrationsprofile erstellt werden, wobei keine lokalen Geschwindigkeiten durch Kreuzkorrelation erreicht werden können. Die erfindungsgemäße Vorrichtung löst dieses Problem durch die gleichzeitige Messung unter Einsatz eines ausgeklügelten Multiplexverfahrens, das den elektronischen und mechanischen Aufwand minimiert.
Die Erfindung kann zur Untersuchung der Fluiddynamik, insbesondere von Strömungsprofilen, in großen Kolonnen und Apparaten, aber auch in offenen bzw. zugänglichen Strömungskanälen eingesetzt werden. Jede denkbare Strömungskonfiguration (Gleichstrom, Querstrom oder Gegenstrom zweier oder mehrerer Phasen) kann mit der vorliegenden Erfindung untersucht werden.
Auf die Anbringung von Schraffuren in den Elektroden 1 wurde aus Gründen der Übersichtlichkeit verzichtet.

1 zeigt schematisch den Aufbau einer Sonde 1 für den Einsatz in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Die Sonde 1 weist eine Transmitterelektrode (Senderelektrode) 12 und eine Receiverelektrode (Empfängerelektrode) 13 auf. Die Transmitterelektrode 12 wird über den Anschluss 121 und die Receiverelektrode 13 über den Anschluss 131 elektrisch kontaktiert. Jede der beiden Elektroden 12, 13 ist von einer Abschirmung (Abschirmelektroden) 122, 132 umgeben. Die Abschirmung 122, 132 wird über die jeweiligen Kontakte 123, 133 auf Masse gelegt. Dabei kontaktiert der Anschluss 123 die Abschirmung 122 der Transmitterelektrode 12 und der Anschluss 133 die Abschirmung 132 der Receiverelektrode 13. Die elektrisch isolierende Umhüllung 11 umschließt die Elektroden mit Ausnahme der Messspitzen 124, 134 und der Anschlüsse 121, 131 zur Auswerteeinheit sowie die Abschirmung 122 vollständig. Die Elektroden 12, 13 sind durch die Durchführungen (Vias) 125, 135 zu dem Lot-Bereichen 14 geführt, wo sich die Messspitzen 124, 134 anschließen. Die Messspitzen 124 (Transmittermessspitze) und 134 (Receivermessspitze) sind die einzigen Bestandteile der Elektroden 12, 13, die mit der zu messenden Mehrphasenströmung in elektrisch leitenden Kontakt treten. Dazu sind die Elektroden durch die elektrische Isolierung 15 bis zu den Messspitzen 124, 134 von der Mehrphasenströmung getrennt.
2 zeigt schematisch eine zweite Sondenbauform für den Einsatz in der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Die Sonde 1 weist zwischen den Elektroden 12, 13 als Abschirmelektrode einen Abschirmungsstreifen 16 auf. Dieser Abschirmungsstreifen 16 wird über den Anschluss 161 elektrisch kontaktiert und auf Massepotential gelegt. Die Elektroden 12, 13 weisen dabei keine eigene Abschirmung auf. Der weitere Aufbau entspricht dem der in 1 gezeigten Sonde 1.
3 zeigt schematisch eine dritte Sondenbauform für den Einsatz in der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Die Sonde 1 weist lediglich an der Receiverelektrode 13 eine Abschirmung 132 auf. Diese Abschirmung 132 wird über den Anschluss 133 elektrisch kontaktiert und auf Massepotential gelegt. Die Elektrode 12 weist dabei keine eigene Abschirmung auf. Der weitere Aufbau entspricht dem der in 1 gezeigten Sonde 1.
4 zeigt schematisch den Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist dabei auf einer dafür vorgesehenen Anschlussöffnung der Kanalwand 3 aufgesetzt. Die Strömungsrichtung 5 der zu untersuchenden Flüssigkeitskomponente verläuft hier senkrecht zur Darstellungsebene, in diese hinein. Die Sonden 1 sind an der Trägerplatte 2 angeordnet. Mittels der verstellbaren Führungsstäbe 21 kann die Eintauchtiefe der Sonden 1 und damit die Position der Messspitzen 122, 132 in der Mehrphasenströmung 5 festgelegt werden. Die Sonden 1 sind in der vorliegenden Ausführungsform durch die Trägerplatte 2 hindurchgeführt und werden auf der von der zu untersuchenden Flüssigkeitskomponente der Mehrphasenströmung 5 abgewandten Seite mittels der Elektroden 43 elektrisch kontaktiert. Die Kontaktstellen sind durch die Kappen 22 abgedeckt und vor Umwelteinflüssen geschützt. Die Auswerteeinheit 4 weist eine Sensorelektronik 41 auf, die D/A-Wandlung der Signale der Datenverarbeitungseinheit 42, Signalformung und -anpassung für die Transmitterelektroden (nicht dargestellt), die Verstärkung, A/D-Wandlung und Anpassung der Receiversignale an die Datenverarbeitungseinheit 42 sowie die elektrische Massebasis für die Abschirmung zur Verfügung stellt. In der Datenverarbeitungseinheit 42 werden Computerprogramme für die Messung ausgeführt. So werden die Signalformen, die Abfolge zur Ansteuerung der Elektroden, der Empfang der aufbereiteten Receiversignale, deren Abspeicherung, Verarbeitung und Darstellung etc. in der Datenverarbeitungseinheit 42 vorgenommen. Da es sich bei der Datenverarbeitungseinheit 42 vorzugsweise um eine frei programmierbare Computereinheit handelt, kann der Aufgabenumfang, der durch diese erledigt wird, nach Bedarf angepasst werden.
5 zeigt schematisch eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung in der Seitenansicht. Analog zu 4 sitzt die Vorrichtung auf dem Kanal 3 auf. Die Trägerplatte 2 sitzt wieder auf dem Rand des Kanals 3 auf. Diesmal ist die Trägerplatte 2 mit vier Führungsstäben 21 (zwei dargestellt) ausgestattet, die lediglich eine Führungsfunktion übernehmen. Die beiden Führungsstäbe 21 mit Gewinde und Drehknebel (Mitte - nur einer dargestellt) dienen der Einstellung der Eintauchtiefe, indem die Trägerplatte 2 angehoben oder abgesenkt wird. Diese Vorrichtung ist mit vier Reihen R1...R4 von Sonden 1 versehen, die in Strömungsrichtung 5 gesehen, eine zunehmende Länge aufweisen. Während in der ersten Reihe R1 die kürzesten Sonden 1 angeordnet sind, enthält die vierte Reihe R4 die längsten Sonden 1. So wird mit zunehmender Reihenzahl in zunehmender Eintauchtiefe gemessen. Die Beschaltung entspricht der in 3 gezeigten.
6 zeigt schematisch eine Anordnung von Sonden 1 in der Trägerplatte 2 in der Draufsicht. In dieser Ausführungsform sind die Öffnungen 211 für die Führungsstäbe in den Ecken der Trägerplatte 2 angeordnet. Die Sonden 1 sind in 4 Reihen R1... R4 angeordnet. Die Sonden sind mit einem ellipsenförmigen Querschnitt dargestellt, um die strömungsgünstige Form der Sonden zu veranschaulichen. In Strömungsrichtung gesehen sind die Sonden 1 aller vier Reihen R1... R4 fluchtend hintereinander angeordnet. Erkennbar liegen die Messspitzen 122, 132 jeder der Sonden 1 auf Verbindungslinien, die senkrecht zur Strömungsrichtung 5 der zu untersuchenden Flüssigkeitskomponente der Mehrphasenströmung ausgerichtet sind. Die Transmitter 12 jeder Reihe R1..R4 sind mittels eines gemeinsamen elektrischen Leiters an die Auswerteeinheit angeschlossen. Die Sonden jeder Reihe bilden dabei jeweils eine Gruppe. Die Receiver der Sonden 1 der Reihen R1..R4 sind in ihrer Reihenfolge jeweils mit einem gemeinsamen elektrischen Leiter zur Erfassung der Messsignale an die Auswerteeinheit angeschlossen, d. h. der erste elektrische Leiter verbindet die Receiver der ersten Sonden jeder Gruppe mit der Auswerteeinheit und der zweite elektrische Leiter verbindet die Receiver der zweiten Sonden jeder Gruppe mit der Auswerteeinheit etc. Durch Beaufschlagen einer Gruppe nach der anderen mit einem Messsignal und dem sequentiellen Auslesen des Ergebnissignals an den Receiverleitungen werden die Messergebnisse durch die Auswerteeinheit 42 erfasst, gespeichert und verarbeitet.
7 zeigt schematisch eine weitere Anordnung von Sonden 1 in der Trägerplatte 2 in der Draufsicht. In dieser Anordnung sind die Sonden jeder zweiten Reihe R1 und R3 bzw. R2 und R4 fluchtend hintereinander angeordnet. Die Sonden unmittelbar hintereinanderliegender Reihen (R1 und R2 bzw. R2 und R3 etc.) sind um einen halben Sondenabstand gegeneinander versetzt. Aus Platzgründen sind in den Reihen R2 und R4 lediglich drei Sonden 1 dargestellt. Auch hier ist eine Bildung von Sondengruppen und die Ansteuerung sowie Auswertung analog zu 6 möglich.
8 zeigt schematisch eine spezielle Sondenanordnung. Die Sonden 1 sind dabei auf konzentrischen Kreisen um die Eintrittsöffnung der Mehrphasenströmung angeordnet, die sich im Punkt M, im Mittelpunkt der konzentrischen Kreise, auf denen die Sonden 1 angeordnet sind, befindet. In der dargestellten Sondenanordnung kommen Sonden mit einem kreisförmigen Querschnitt zum Einsatz. Die Strömung 5 ist hier radial nach außen, vom Punkt M weg, gerichtet. Die Verbindungslinien zwischen den Messspitzen 122, 132 jeder der Sonden 1 sind auch hier senkrecht zur Strömungsrichtung 5 der zu untersuchenden Flüssigkeitskomponente der Mehrphasenströmung ausgerichtet. Die Sonden mit Transmittern gleicher Nummerierung (bspw. T1R1..T1R4) bilden dabei jeweils eine Gruppe.

Ausführungsbeispiel
Das folgende Ausführungsbeispiel soll die Erfindung anhand einer speziellen Ausführungsform näher erläutern.
Versuchsaufbau:
Eine Kolonne mit 800 mm Durchmesser ist mit zwei identischen Siebböden ausgestattet. 70 % der Siebbodenfläche ist dabei jeweils mit 5 mm großen Sieblöchern in einer Dreiecksanordnung versehen. Die Anzahl der Löcher beträgt 1024, so dass sich bezogen auf die perforierte Fläche ein Anteil der Gesamtlochfläche (Öffnung) von ca. 5 % ergibt. Aus einem Vorlagebehälter wird die Flüssigkeit über den Zulaufschacht seitlich zum nichtperforierten Teil des Bodens geführt. Danach strömt die Flüssigkeit horizontal über den perforierten Teil des Bodens bis zum gegenüberliegenden Ablaufschacht, der die Flüssigkeit zum darunterliegenden Boden führt.
Durch die Sieblöcher des perforierten Bodenteils strömt das Gas aufwärts. Mit dieser Kreuzstromfahrweise werden Gas und Flüssigkeit kontaktiert und bilden eine disperse Zweiphasenströmung, die fluiddynamisch in ihrer dreidimensionalen Ausprägung untersucht werden soll. Die Flüssigkeitsbelastung ist zwischen 2 und 3 m³/h und die Gasbelastung ist 900 m³/h.
Beschreibung der erfindungsgemäßen Anordnung:
In dem Raum oberhalb des ersten Bodens ist der Sensor installiert. Dabei sind 28 mal 32 PCB-Platten orthogonal angeordnet und bilden die Rahmenkonstruktion für die Sonden mit den Receiver- und Transmitterelektroden. Die 30 mm hohen Platten sind mit isolierten Nuten ausgestattet, mit deren Hilfe die Transmitter- und Receiverplatten orthogonal verbunden werden. Dies resultiert in einer gitterähnlichen Rahmenanordnung, die als Halter für die Sonden dient.
Aufgrund der Krümmung der Kolonnenwand wurden einige der orthogonalen Verbindungen an den Ecken des Rahmens entfernt. Die Distanz zwischen zwei benachbarten PCB-Transmitterplatten und zwei benachbarten PCB-Receiverplatten beträgt 21 mm respektive 28 mm.
Die Gitteranordnung beinhaltet insgesamt 776 Sonden, die jeweils 120 mm hoch, 2,7 mm breit und 1,6 mm dick sind. Die für die elektrische Verbindung sind die Sonden mit den PCB-Platten verlötet. Diese Verbindungen sind darüber hinaus mit einer Isolationsschicht beschichtet. Die Sonden sind an den PCB-Platten mit Muttern und Schrauben fixiert.
2 zeigt schematisch eine Sonde 1, die aus mehreren Schichten besteht. In der Sonde 1 sind sehr dünne Kupferbahnen mit kleinem Abstand nebeneinander als Transmitter 12, Receiver 13 und Abschirmung 16 angeordnet. Der Raum zwischen den Bahnen ist durch elektrisch isolierende Umhüllungen 11 aus Epoxidharz gefüllt. Die Elektrodenspitzen 124, 134 sind 10 mm lang und haben einen Durchmesser von 1 mm. Die Elektrodenspitzen sind mit den Transmitter-12 und Receiverelektroden 13 in den Sonden 1 verlötet. Nur 2 mm der Elektrodenspitzen 124, 134 ragen in die zu untersuchende Strömung 5, während der Rest der Elektroden 12, 13 mit einer Teflonbeschichtung 15 ummantelt ist. Die Elektroden 12, 13 sind so zur Strömung ausgerichtet, dass die kleinere Abmessung (in dem Fall die Dicke) der Strömung ausgesetzt ist, um den geringsten Strömungswiderstand sicherzustellen. Durch Modifikationen der PBC-Rahmenkonstruktion und der Sondenanordnung kann die Mehrphasenströmung 5 ebenfalls in komplexen Geometrien untersucht werden.
Der PCB-Rahmen ist mit einem Halterahmen aus Aluminiumprofilstangen mit Kabeldraht verbunden. Der Halterahmen und der Sensor sind oberhalb des Siebbodens derart ausgerichtet, dass alle Elektrodenspitzen in die Mehrphasenströmung eintauchen. Danach ist der Halterahmen derart fixiert, dass er nur auf- und abwärts traversiert werden kann. Ein Lineal ist am oberen Kolonnenende zur Positionskalibrierung installiert. In der untersten Position (markiert als NullPosition) des Rahmens bzw. des Sensors sind die Elektrodenspitzen direkt oberhalb des Bodens positioniert. Der Rahmen mit dem Sensor kann in 5-mm-Schritten vertikal positioniert werden. Dabei kann anhand des Lineals die Position der Elektrodenspitzen zum Siebboden bestimmt werden. Ein kalibrierter Gewindemechanismus mit Führungsstäben kann ebenso zum Traversieren des Sensors genutzt werden.
Entsprechend dem in der Datenverarbeitungseinheit der Auswerteeinheit hinterlegten Programm werden die Transmitterelektroden der Sonden der ersten Gruppe, die mit der ersten Sondenreihe identisch ist, mit einer Anregungsspannung (z. B. bipolares Rechteck) beaufschlagt und gleichzeitig die an den Receiverelektroden der ersten Sondenreihe anliegenden Signale voll parallel erfasst. Nacheinander werden alle Gruppen (jeweils eine Sondenreihe bildet eine Gruppe) mit Messspannung beaufschlagt und somit die Messungen der kompletten Anordnung durchgeführt.
Die Anordnung ist geeignet, die Strömungsverhältnisse innerhalb einer Ebene, die parallel zur Trägerplatte verläuft, zu erfassen. Durch die Veränderung der Eintauchtiefe der Elektroden mittels Verstellung der Führungsstäbe kann ein dreidimensionales Profil der Mehrphasenströmung erfasst werden.
Zitierte Nicht-Patentliteratur
Schubert M, Piechotta M, Beyer M, Schleicher E, Hampel U, Paschold J. An imaging technique for characterization of fluid flow pattern on industrial-scale column sieve trays. Chemical Engineering Research and Design. 2016;111:138-146.
Bezugszeichenliste

1: Sonde
11: elektrisch isolierende Umhüllung
12: Transmitterelektrode (Senderelektrode)
121: Anschluss der Transmitterelektrode
122: Abschirmung der Transmitterelektrode
123: Anschluss der Abschirmung der Transmitterelektrode
124: Messspitze der Transmitterelektrode
125: Via für die Transmitterelektrode
13: Receiverelektrode (Empfängerelektrode)
131: Anschluss der Receiverelektrode
132: Abschirmung der Receiverelektrode
133: Anschluss der Abschirmung der Receiverelektrode
134: Messspitze der Receiverelektrode
135: Via für die Receiverelektrode
14: Lot
15: Isolierende Beschichtung
16: zentrale Abschirmung
161: Anschluss der zentralen Abschirmung
2: Trägerplatte
21: Höhenverstellungsmechanismus (Gewinde)
211: Führungsstab für die Höhenverstellung
22: Abdeckungskappe der Elektrodenanschlüsse
3: Wandung des Kanals, in dem die Mehrphasenströmung fließt
4: Auswerteeinheit
41: Sensorelektronik
42: Datenverarbeitungseinheit
43: Anschlusskabel
5: Anströmrichtung der zu untersuchenden Flüssigkeitskomponente der Mehrphasenströmung
R1 ... R4: Sondenreihen 1 bis 4
Ri: Receiver (i = 1...8)
Tj: Transmitter (j = 1... 4)

Claims

Vorrichtung zur Bestimmung des Strömungsprofils von Mehrphasenströmungen mit mindestens einer Flüssigkeitskomponente mit vorgegebener Strömungsrichtung, aufweisend eine Mehrzahl von stabförmigen Sonden, eine elektrisch isolierende Trägerplatte für die Sonden, eine Justiervorrichtung zur Einstellung der Eintauchtiefe der Sonden in die Mehrphasenströmung und eine Auswerteeinheit zur Verarbeitung der Messwerte der Sonden, wobei - jede der Sonden zwei parallel verlaufende Elektroden aufweist, die ausgehend von der Trägerplatte bis zu den freiliegenden Elektrodenspitzen in einer gemeinsamen elektrisch isolierenden Umhüllung angeordnet sind, - jede Sonde zur elektrischen Abschirmung mindestens eine Abschirmelektrode aufweist, die sich über die Länge der Sonde mit Ausnahme der freiliegenden Elektrodenspitzen erstreckt, - die Verbindungslinie zwischen den Elektrodenspitzen der Elektroden einer jeden Sonde senkrecht zur Strömungsrichtung ausgerichtet ist, - eine Elektrode jeder Sonde als Transmitter (Sender) und die zweite Elektrode jeder Sonde als Receiver(Empfänger) fungiert, - die Auswerteeinheit dazu eingerichtet ist, die Transmitterelektrode jeder Sonde mit elektrischer Spannung als Messspannung zu beaufschlagen, - die Auswerteeinheit dazu eingerichtet ist, das Messsignal, das in Ergebnis der Beaufschlagung der Transmitterelektrode mit elektrischer Spannung entsteht, an der Receiverelektrode derselben Sonde zu erfassen, - mindestens zwei Sonden zu einer Gruppe zusammengefasst sind, wobei die Auswerteeinheit zum gleichzeitigen Beaufschlagen der Sonden dieser Gruppe mit der Messspannung ausgebildet ist, und - die Justiervorrichtung zum Verstellen der Lage der Trägerplatte mit den Sonden ausgebildet ist, sodass mittels der Justiervorrichtung die Eintauchtiefe der Sonden in die Mehrphasenströmung einstellbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede Elektrode der Sonden eine koaxiale Abschirmelektrode aufweist, die vor der freiliegenden Elektrodenspitze innerhalb der elektrisch isolierenden Umhüllung endet und wobei die koaxiale Abschirmelektrode bis zur Trägerplatte und durch diese hindurchgeführt ist und auf Massepotential liegt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede Elektrode der Sonden als nicht abgeschirmte Elektrode ausgeführt ist, wobei zwischen der Transmitterelektrode und der Receiverelektrode ein Abschirmungsstreifen aus elektrisch leitfähigem Material als Abschirmelektrode angeordnet ist, der vollständig innerhalb der elektrisch isolierenden Umhüllung verläuft und wobei der Abschirmungsstreifen bis zur Trägerplatte und durch diese hindurchgeführt ist und auf Massepotential liegt.
Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die koaxiale Abschirmung oder der Abschirmungsstreifen bis in die zu untersuchende Flüssigkeitskomponente der Mehrphasenströmung reichen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sonden durch die Trägerplatte hindurchgeführt sind und die Elektroden auf der der Mehrphasenströmung abgewandten Seite der Trägerplatte elektrisch kontaktiert und mit der Auswerteeinheit verbunden sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der Trägerplatte zueinander parallele Reihen von Sonden angeordnet sind, wobei jede Reihe senkrecht zur Strömungsrichtung der zu untersuchenden Flüssigkeitskomponente der Mehrphasenströmung ausgerichtet und zu einer Gruppe zusammengefasst ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Reihen von Sonden - mit identischer Länge der Sonden von der Trägerplatte bis zu den Enden der freiliegenden Elektrodenspitzen ausgeführt sind, oder - in Strömungsrichtung mit zunehmender Länge derSonden von der Trägerplatte bis zu den Enden der freiliegenden Elektrodenspitzen ausgeführt sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Reihen von Sonden so angeordnet sind, dass die Sonden in Strömungsrichtung jeweils fluchtend zu der entsprechenden Sonde der ersten Reihe und beabstandet zu dieser sowie voneinander angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit dazu eingerichtet ist, eine Sonde zu aktivieren, indem die Elektrode dieser Sonde, die als Transmitter fungiert, mit einer Spannung beaufschlagt und das Signal, das an der Elektrode die als Receiver funktioniert anlangt, verstärkt und verarbeitet wird.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit dazu eingerichtet ist, je Zeiteinheit genau eine Sonde oder eine Gruppe von Sonden zu aktivieren.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit dazu eingerichtet ist alle Sonden oder Gruppen von Sonden sequentiell zu aktivieren.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sonden zu M Gruppen mit jeweils N Sonden, zusammengefasst sind, wobei die Transmitter der Sonden jeder der M Gruppen über eine gemeinsame elektrische Zuleitung mit der Auswerteeinheit verbunden sind und die Receiver der Sonden gleicher Nummerierung aller Gruppen über eine gemeinsame elektrische Leitung mit der Auswerteeinheit verbunden sind, wobei die Auswerteeinheit dazu eingerichtet ist, die Transmitter gruppenweise nacheinander mit der Anregungsspannung zu beaufschlagen und an den Receivern der Sonden gleicher Nummerierung jeder Gruppe gleichzeitig ein Messsignal zu erfassen.