Eidg. Institut für Reaktorforschung Würenlingen Schweiz

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1 CH3^^S>^ /=? EIR-Bericht Nr. 504 Eidg. Institut für Reaktorforschung Würenlingen Schweiz Optische Reflexionssonde zur Messung von Holdup, Blasengeschwindigkeit, Blasengrösse und zur Identifikation der Strömungsform M.Berti EflP Würenlingen, November 1963

2 EIR - Bericht Nr. 504 Optische Reflexionssonde zur Messung von Holdup, Blasengeschwindigkeit, Blasengrösse und zur Identifikation der Strömungsform M. Berti Diese Arbeit wurde am Institut für Verfahrens- und Kältetechnik (IVUK) der ETH Zürich und am Eidg. Institut für Reaktorforschung (EIR) in Würenlingen im Rahmen eines gemeinsamen Forschungsprojektes, das vom Schweizerischen Schulrat finanziert wurde, durchgeführt. Sie wurde im Herbst 1983 an der Abt, für Maschineningenieurwesen der ETH Zürich mit einer Dissertation abgeschlossen, Referent: Prof. Dr. F. Widmer Korreferent: Prof. M. Steiner Würenlingen, November 1983

3 VORWORT Die vorliegende Arbeit wurde am Institut für Verfahrens- und Kältetechnik an der ETH Zürich und teils am Eidg. Institut für Reaktorforschung (EIR) in Würenlingen im Rahmen eines gemeinsamen Forschungsprojektes durchgeführt. Meinem Doktorvater, Herrn Prof. Dr. F. Widmer, danke ich sehr für sein Vertrauen und seine Unterstützung bei den vielschichtig aufgetretenen Problemen. Herrn Prof. Widmers grosse Erfahrung auf dem Gebiet der Mehrphasenströmungen war mir von grossem Nutzen. Herrn Prof. M. Steiner möchte ich für die Uebernahme des Korreferates danken sowie für die wertvollen Hinweise in bezug auf den messtechnischen Teil dieser Arbeit. Für die finanzielle Unterstützung der Forschungsarbeit in der Zeit vom 1. Januar 1980 bis 30. April 1983 bin ich dem Schweizerischen Schulrat zu Dank verpflichtet. Dem Mitgesuchsteller dieser Arbeit, Herrn 6. Varadi (EIR), gebührt spezieller Dank für die wichtigen Impulse von seiten des EIR und die interessanten Diskussionen bezüglich Zweiphasenströmung und Messtechnik. Die Zusammenarbeit mit dem ETR und besonders die Sondenkonstruktion von Herrn Leoni, resp. die Unterstützung bei der Signalauswertung durch Herrn Dr. D.Lübbesmeyer haben diese Arbeit massgeblich gefördert. Herrn Lips von der Micro Data A6 Wallisellen sei gedankt für seinen grossen persönlichen Einsatz beim?au der massgeschneiderten Datenerfassungsanlage, durch die die aufwendigen Messungen erst ermöglicht wurden. Schliesslich bedanke ich mich bei meiner ausgezeichneten Schreibkraft für die Mithilfe bei der Gestaltung dieser Arbeit und für die tadellose Niederschrift.

4 - 1 - INHALTSVERZEICHNIS VORWORT INHALTSVERZEICHNIS 1 SYMBOLVERZEICHNIS 4 1. EINLEITUNG 8 2. MESSTECHNIK IN MEHRPHASENSTROEMUNG, UEBERSICHT Einleitung, Stand des Wissens Messverfahren für Holdup Messverfahren für Blasengeschwindigkeit Messverfahren für Blasengrösse DIE OPTISCHE REFLEXIONSSONDE Einleitung Funktionsprinzip Aufbau der optischen Reflexionssonde Stand des Wissens Prinzipieller Aufbau der ORS Spezifikation, Ausführung, Dimensionen Signal der optischen Reflexionssonde Klassifikation des Signals Signalflanke theoretisch Signalflanke gemessen Signalamplitude SIGNALAUSWERTUNG 4-> 4.1. Allgemeines/ Uebersicht Amplitudendichteverteilung Kreuzkorrelationsfunktion Diskriminator-Methode 55

5 HOLDUP Einleitung Stand des Wissens Schwellspannung, Strategie Holdup-Eiclmessung in Blasenströmung Einleitung, Vorgehen Holdup aus Differenzdruckmessung Versuchsanlage und Messeinrichtungen Versuchsparameter, Durchführung der Messungen Messresultate Zusammenfassung, Diskussion Sondenanströmwinkel Holdup-Eichmessung an Einzelblasen Einleitung Prinzip der Eichmessung an Einzelblasen Versuchsanlage und Messeinrichtungen Durchführung der Messungen, Versuchsparameter Messresultate Zusammenfassung, Diskussion BLASENGESCHWINDIGKEIT Einleitung Stand des Wissens Problematik der berührungsbehaftet fühler»i Mess Ziel der Messungen, Vorgehen Messresultate HO Eichmessungen in Blasenströmung HO Eichmessungen an Einzelblasen Signalauswertung Anströmwinkel Zusammenfassung, Diskussion 129

6 - 3 - BLASENGROESSE Einleitung, Stand des Wissens Mittlere Blasengrösse aus Mittelwertbildung Modell Messresultate, Diskussion Mittlere Blasengrösse aus Statistik Modell Messresultate, Diskussion Zusammenfassung, Beurteilung 139 IDENTIFIKATOM DER STROEMUNGSFORM Einleitung, Stand des Wissens Charakterisierung durch zeitlichen Signalverlauf Identifikation durch normierte Amplitudenhäufigkeit Zusammenfassung, Diskussion 150 ZUSAMMENFASSUNG 151 SUMMARY 154 LITERATURVERZEICHNIS 156

7 - 4 - Symbolverzeichnis A *E a B s b D s D N D S,A d B f f B f B f s Q H h h h(u) I e I 1' I 2' I 3 X K ^o *H k Ge L L S.A 1 AI N n o n g n l Fläche, Kanalquerschnitt Ellipsenfläche grosse Ellipsenhalbachse Breite der Sondenspitze kleine Ellipsenhalbachse Durchmesser der Sondenspitze Nenndurchmesser des Glasprismas opt.aktiver Durchmesser des Glasprismas kugeläquivalenter Blasendurchmesser Filmdicke, Flüssigkeit Blasenfrequenz zeitlicher Mittelwert Abtastrate Erdbeschleunigung Höhe, Flüssigkeitssäule Höhe, Gassäule diskrete Zeitverschiebung Amplitudendichte Strahlungsleistung/Raumwinkel Strahlungsleistung Kurzschlussstrom Winkel Holdup-Eichfaktor Geschwindigkeits-Eichfaktor Länge, Kanalabschnitt Länge des Glasprismas Sondenabs tand Blasendurchstichslänge Anzahl Brechungsindex Glas Brechungsindex Gas Brechungsindex Flüssigkeit [mm 2 ] r 2, [mm ] [mm] [mm] [mm] [mm] [mm] [mm] [mm] [mm] [Hz] [Hz] [khz] [m/s 2 ] [mm] [mm] [ms] [v- 1 ] [mw/sr] [mw]!ua] [deg] [-] [-] [mm] [mm] [mm] [mm] [-] [-] [-] [-]

8 - 5 - P 1 '*«P 4 A *b Ap g AP r R r S SF s T o t At U G U L u U G U S' U S1' U S2 Au V g V tot y B * V *g v w i w Aw W B D w g w 1 w go lo w glo w r (a) r. w r (a) Statischer Druck Beschleunigungsdruckabfall geodätischer Druckabfall Reibungsdruckverlust Rohrinnenradius, Plexiglasrohr Rohrradius Fläche Formfaktor, Blasen Schlupf Messintervall Zeit Blasendurchstichszeit Statische Signalspannung in Gas Statische Signalspannung in Flüssigkeit Signalspannung dynamische Signalspannung Gas S chwe11spannung Amplitudenintervall Volumen Gas Bilanzvolumen Volumen Einzelblase Volumenstrom Gas Volumenstrom Flüssigkeit Geschwindigkeit, Einzelblase Blasengeschwindigkeit, lokaler Zeitmittel wert systematischer Fehler, Geschwindigkeit Blasenaufstiegsgeschwindigkeit, Einzelblase Gasgeschwindigkeit Flüssigkei csgeschwindigkeit Gasleerrohrgeschwindigkeit Flüssigkeitsleerrohrgeschwindigkeit Geschwindigkeit der homogenen Strömung Relative Geschwindigkeit, bezogen auf gerade Sondenanströr >ng Relative Geschwindigkeit, Theorie [N/m 2 ] [N/m 2 ] IN/m 2 ] [N/m 2 ] [mm] [mm] [mm ] [-] [-] [ms] [ms] [ms] [V] [V] [V] [V] [V] [V] [mm ] r 3 i [mm ] [mm ] [1/min] [1/min] [m/s] [m/sl [m/s] [m/s] [m/s] [m/s] [m/s] [m/s] [m/s] [-] [-]

9 - 6 - z...z. Vertikale Koordinate [nun] Griechische Symbole a Sondenanströmwinkel e Holdup e lokaler Zeitmittelwert e linearer Mittelwert I Flächenmittelwert e räumlicher Mittelwert c_(a) relativer Holdup, bezogen auf Sondenanströmung gerade p Dichte o Standardabweichung o_ Verteilung, Blasenerfassung o_ Verteilung, Diskriminator-Methode T Verschiebezeit T o Laufzeit, Verschiebezeit des Max.der KKF fdegj [%] [X] [X] (XI [X] [-1 [kg/m 3 ] [m/s] fm/s] [ms] [m/s] Wichtige Indizes B Blasen E Ellipse Ge Geschwindigkeit g Gas H Holdup 1 Flüssigkeit S Sondenspitze r relativ, dimensionslos MathCTiatigglre Zeigten u.pfl Operatoren = annähernd, ungefähr gleich bis ~ lokal, Zeitmittelwert

10 - 7-1 linearer Mittelwert Flächenmittelwert räumlicher Mittelwert gemessener Wert Abkürzungen oft verwendeter Ausdrücke ORS DORS KKF Lips Leoni optische Reflexionssonde doppelte opt. Reflexionssonde, Doppelsonde Kreuzkorrelationsfunktion Sondenbauart, Geometrie und Ausführung Sondenbauart, Geometrie und Ausführung

11 EINLEITUNG Die Erforschung des Verhaltens von Mehrphasenströmungen findet seit Jahren grosse Bedeutung. Mehrphasenströmungen treten bei einer Vielzahl von Arbeitsprozessen in energetischen, chemischen und biotechnischen Anlagen auf. Allgemeine Lösungen zur rechnerischen Erfassung der Bewegungsabläufe und der damit verbundenen Stoff- und Energieaustauschvorgänge sind bisher nur unzulänglich gelungen. Als besonders kompliziert erwiesen sich die Gas-Flüssigkeitssysteme durch die zeitliche und örtliche Veränderlichkeit von Phasengrenze, -Verteilung und -geschwindigkeiten, was eine Voraussage der Bewegung der dispersen Phase erschwert. :Vi». \ o -o # * Flüssigkeit*- Blasen Pfropfen- Schaum- Ring- Tropfen- Gosströmung Strömung Strömung Strömung Strömung Strömung Strömung Abb. 1; Strömungsbilder der vertikalen RohrStrömung für Gas-Flüssigkeit mit zunehmendem Holdup der Gasphase nach Nickiin und Davidson [7]

12 - 9 - Anzahl, Grösse und Geschwindigkeit der Blasen in Gas-Flüssigkeit sströmungen sind beispielsweise zur Einschätzung des Schlupf- und Koaleszenzverhaltens wesentlich. Daher sind auch für die Ueberwachung und das Betriebsverhalten von Anlagen Messsysteme für Phasenanteile und -geschwindigkeiten bedeutsam. Das Ziel dieser Arbeit ist die Bewertung der Messmöglichkeiten von optischen Reflexionssonden in Gas-Flüssigkeitszweiphasenströmungen im Hinblick auf Holdup, Geschwindigkeiten, Blasengrösse und Identifikation der Strömungsform. Die erforderliche mechanische Stabilität der Sondenausführungen bedingt Dimensionen, die dem Schritt von qualitativem zu quantitativem Messen grosse Wichtigkeit zukommen lassen. Dabei wurden in Zusammenarbeit mit dem Eidg. Institut für Reaktorforschung (EIR) die optischen Reflexionssonden weiterentwickelt, neue Geometrien untersucht und die Konstruktion auch für höhere Temperaturen und Drücke konzipiert. Die Problematik des berührungsbehafteten Messfühlers zwingt die Anstrengungen dieser Arbeit vorwiegend in Richtung Erforschung grundlegender Phänomene der Messtechnik mit optischen Reflexionssonden und deren Eichung. Von grosser Bedeutung ist auch die Signalauswertung, die aus zeitlichen Signalverläufen lokale Zeitmittelwerte entsprechend den Zweiphasenparametern ermitteln soll. In dieser Arbeit wird abgeklärt,inwiefern Resultate mit hardwaremässigen Signalauswertegeräten una/oder Datenerfassungsanlage mit Computer realisiert werden können. Die vorliegenden Untersuchungen und Eichmessungen bezwecken grundlegende Kenntnisse in Hinsicht auf einen späteren Einsatz in verfahrenstechnischen Apparaten, in der Kernreaktortechnik

13 und Biotechnologie, mit der Möglichkeit des gleichzeitigen Erfassens von Holdup, Blasengeschwindigkeit, Blasengrösse und der Strömungsform. I

14 MESSTECHNIK IN MEHRPHASENSTRÖMUNG, ÜBERSICHT 2.1. Einleitung, Stand des Wissens Kapitel 2 zeigt die Stellung der optischen Reflexionssonde im Rahmen der verschiedenen Messverfahren unter dem primären Gesichtspunkt der messtechnischen Parameter der Blasenströmung, wobei die vorgenommenen Klassifizierungen meist auch für Kolbenströmung, Uebergangsströmung und bedingt für Ringströmung zutreffen. Auf dem Gebiet der Messtechnik in Mehrphasenströmung wurden verschiedenste Messverfahren publiziert. Die Vielfalt ist bedingt durch die verschiedenartigen M'^ssfühler und Messvolumen. Mehrheitlich sind die angewandten Messverfahren nur in einem limitierten Messbereich und unter einschränkenden Bedingungen gültig. Die Autoren Hewitt, Delhaye und Hsu ordneten die Messverfahren gemäss Klassifizierung durch Zweiphasenströmungsparameter und Messmethode (Hetsroni [8j). Mit Hilfe von Flussdiagrammen können mögliche Verfahren evaluiert werden. Kosmowski [9] erstellte eine Uebersicht von angewandten Messverfahren bei Gas-Flüssigkeitsströmungen bezüglich der Parameter Holdup, Geschwindigkeit und Blasengrösse. Eine Unterteilung nach Gesichtspunkten der Nutzungsmöglichkeiten der unterschiedlichen Eigenschaften der Phasen nahm Linneweber [10] vor. Hewitt [11] beschreibt Messverfahren und deren Anwendungsbereich, wobei die umfassende Arbeit eine grosse Anzahl von Literaturhinweisen aufweist. Gesamthaft wurde bezüglich Mehrphasenströmungen eine Mehrheit an Gas-Flüssigkeits-Zweiphasen- Strömungsmessverfahren untersucht.

15 Tabelle 1 zeigt eine eigene Zusaimnenfassung von angewandten Messverfahren für Gas-Flüssigkeitszweiphasenströmung unter Berücksichtigung von Hetsroni([8],1982), Linneweber ([10], 1981), Kosmowski ([9], 1980) und Hewitt ([11], 1978). Die Ordnungskriterien orientieren sich an den Parametern der Blasenströmung. und unter der Spalte "Bemerkungen" wird auf einschränkende Bedingungen verwiesen. Bemerkungen 1 Problematik der isokinetischen Absaugung. 2 Aufwendige Auswertung. 3 Beeinflussung der Messung durch Blasengrösse und -form. 4 Blasen nicht eindeutig erfassbar. 5 Problematik des Umgangs mit radioaktiver Strahlung. 6 Starke Strömungsbeeinflussung durch grossvolumige Sonde. 7 Konstante Anströmungsrichtung erforderlich. 8 Sonde beeinflusst Blasenform und -bewegung. 9 Abhängigkeit von Stoffwerten. 10 Strömungskanal optisch zugänglich. 11 Kontinuierliche Messung nicht möglich. a b c d Nur für geringen Holdup. Nur für kleine Blasengeschwindigkeiten. Nur für sehr kleine Blasen. Nur für mittlere bis grosse Blasen.

16 Tab. 1: Angewandte Nessverfahren bei (Us-FlüssigkeitszweiphasMStroaungen ait gasförmiger disperser Phase Messverfahren OPTISCHE VERFAHREN benützte Eigenschaftsunterschiede [101 Holdup GO *» i 2B *-?> U «ir» «* i «1 p~ «** ^ Jt L t- Oll» I * ** i - * 5 1 * t.» Blasengrosse Blasengeschwindigkeit örtlich gemitteu lokal m c o m *» 1*1 C stationifr Bemerkungen Autoren Fotographie optische abbildende Unterschiedlichkeit + (+) + + 2/10/a [42].[11],[12] [451 Holographie Dichte /a [131,[141,[15] [331,[441,i791 Durchstrahlverfahren Lichtbrechung, Reflexion + + 4/7/9/10/a [161.[171.[22] [641,[651,(751 Laser-Doppler- Anemonetrie Lichtstreuung /a/b [111,(18].[401 [38] Optische Reflexionssonde Brechungsindex + + 7/8/9/d (191. [11, [21 [3],[68].[50] [52],[53].(56J MECHANISCHE VERFAHREN Schnellschlussventile Dichte + + 4/11 [81,(201 Isokinetische Absaugung Lichtbrechung + 1/3/7/8/a (211,[231,[42] [691 Dlfferenzdruekmessung Dichte + 4/7/a [361.(33].[111 [511.(60] THERMISCHE VERFAHREN Mikrothermoelement Temperatur (24;,[25] Anemonetersonden Wärmeleitfähigkeit * 6/8/d [26J.I27J ELEKTRISCHE VERFAHREN Nadelsonde Elektrische Leitfähigkeit * + + 7/8/9/d [28],[39J.(301 [42],[51],[57] Impedanzsonde Dielektrizitätskonstante f 3/6/7/9 [311,(32] RADIOAKTIVE VERFAHREN Y -Strahlabschwächung Absorbtion 4/5/9 (341,[ 351,(43]

17 Nessverfahren für Holdup Tabelle 1 zeigt, dass eine grosse Anzahl Messverfahren sich für Holdupmessung anbieten, wobei das effektive Messvolumen die Art der Mittelung bestimmt. Dabei treten sondenspezifische Messvolumen auf, die von der ursprünglichen Holdup-Definition e = V /A«L (Wallis [74]) abweichen. Bei der Bewertung der entsprechenden Phasenverteilungen muss die Art der Mittelung berücksichtigt werden: 1. Holdup, räumlicher Mittelwert f: Der Holdup wird über ein räumlich begrenztes Kanalstück ermittelt: V (1) ""-^T A»L Das Messverfahren mit Schnellschlussventilen beispielsweise ergibt diesen räumlichen Mittelwert, unabhängig von der herrschenden Strömungsform. 2. Flächenmittelwert c: Sonden, deren Messvolumen den Strömungskanal umfassen geben Aufschluss über Flächenmittelwerte, die in Anbetracht des endlich kleinen Messvolumens als Grenzfall des räumlichen Mittelwertes bezeichnet werden können. 3. Linearer Mittelwert c: Durchlicht- und Gammastrahlabschwächungsmethode bestimmen die Phasenverteilung über eine Sehne resp. den Durchmesser des Strömungskanales. Das Messvolumen ist in der Praxis endlich klein und wird durch das Strahlvolumen im Strömungskanal bestimmt. 4. Lokaler Zeitmittelwert : Das Messvolumen ist entsprechend der sensiblen Oberfläche der Sondenspitzen klein und wird ideell als punktförmig bezeichnet. Dadurch degenerieren die Holdup-Messinstrumente zu lokalen Phasenindikatoren mit lokalen Zeitmittelwerten (Ishii [73]). Diese Messfühler werden auch als binäre Messonden bezeichnet (Linneweber [10]).Typische Beispiele sind Nadelsonden, Reflexionssonden, Mikrothermoelemente und Anemometersonden.

18 Holdup Holographie (251 [IS1.I13I Schnei I «h i usjventil* NUrothtnaoelemnte Nadelsonde (29),191,[51] [621.IZ0I.I8I ,111) (» Iape damson*»-strahlabsebwachung, ehrstrahl lg (631,1641 r-strahlabschma'chung ( (341,(351,(65 121,(11,13] 146),153] Abb. 2: Holdup-Messverfahren in Blasenströmung, Uebersicht

19 Messverfahren für Blasengeschwindigkeit Die meisten Nesssysteme ermitteln die Geschwindigkeit aus einer LaufZeitmessung zwischen zwei Messfühlern. Nur bei den lokalen Messfühlern kann die einzelne Blase eindeutig verfolgt werden, d.h. die Signale der Phasenindikatoren resp. binären Sonden können bei genügend kurzem Sondenabstand bezüglich der Geschwindigkeit der einzelnen Blasen ausgewertet werden. Problematisch ist die Aussage bei örtlich mittelnden Messfühlern, wenn sich mehrere Blasen mit verschiedenen Geschwindigkeiten im Messvolumen befinden. Die Korrelationstechnik liefert bezüglich Laufzeit der Blasen in diesem Fall eine örtlich und zeitlich gemittelte Grösse. Generell erweist sich die Korrelationstechnik als vorteilhaftes Signalauswerteverfahren, wenn aus den Signalen der beiden Messfühler die Laufzeitbestimmung mit einfachen Auswertevorschriften nicht mehr möglich ist.

20 Blasengeschwindigkeit Örtlich-zeitliche Mittelung lokal. «Uli che Mittelung ys Durchstrahlverfahren Korrelationstechnik ' 1 \ Korrelatioriitechnik Filmdcppelbelichtung Holographie Fotogr. Verfahren IBI 16.,.l", 77. Impedanzsonden. o ' >-Strahl abseh»«- Chung!43; Mikrothermoelemente 18) L41.,:28J Optische Reflexionssonde :2;.!«; Laser-Doppler Anemometer ;40;,il8i.'44; Abb. 3: Messverfahren für Blasengeschwindigkeit, Uebersicht

21 Nessverfahren für Blasengrösse In der Literatur über Nesstechnik von Tropfen- und Blasengrösse wird eine Vielzahl von Nessverfahren beschrieben (Hewitt [11], Hetsroni [8]). Wird die Blasengrösse allein betrachtet, bieten sich nur mehr wenige Verfahren an. Photographie und Film zählen zu den bewährten Nethoden, falls die optische Zugänglichkeit gewährleistet ist. Problematisch sind die Aussagen bei den binären Sonden, wobei beispielsweise von der optischen Reflexionssonde bisher praktisch keine Nessresultate publiziert worden sind. Die lokalen berührungsbehafteten Nessfühler haben zudem den Nachteil, dass sie Blasen deformieren und abweisen. Ausserdem muss die Auswertung statistisch vorgenommen werden, da die Nessung mit punktförmig lokalen Messfühlern effektiv nur Durchstichszeiten ergeben, die von der Blasenform, -grosse, -geschwindigkeit und dem Durchstichsort der Blase abhängig sind. Mit einer 4-Punkt-Leitfähigkeitssonde (Nadelsonde) untersucht Buchholz ([28],1981) mit grossem elektronischen Aufwand die Möglichkeit, alle Parameter gleichzeitig zu messen. Laser-Doppler-Messuna eignet sich nur für sehr kleine Blasen bis ca. 0,5 mm [38] und muss zusammen mit der Holographie als kompliziertes Verfahren eingestuft werden. Die folgende Graphik zeigt die Messverfahren für Blasenströmung unter Berücksichtigung der Blasengrössenverteilung. Unterschieden wird auch zwischen Verfahren, die für die Blasengrössenermittlung eine Geschwindigkeitsinformation benötigen, und den direkten Verfahren.

22 Blasengrösse ohne zusätzliche mit zusätzlicher Geschwindigkeits- Geschwindigkeits information räumlich ermittelte Blasengrbssenverteilung information X lokal, lokal, Blasengrössen- Blasengrcssenverteilung I verteilung X Nadeltondt Fotographische Verfahren IUI.112!,1421 Holographie 1131, Isokinetische "bsaugung 1231,1211.1«! laser-doppler- Anemomttrie 1381,1391 Optische Reflexionssonde (91,(281 Abb. 4: Messverfahren für Blasengrösse, Uebersicht

23 DIE OPTISCHE REFLEXIONSSONDE 3.1. Einleitung Die optische Reflexionssonde (im folgenden mit ORS abgekürzt) benützt das Detektionsrrinzip der bekannten Niveau-Messung [ 2 ]. Für den Einsatz als Messfühler in Zweiphasenströmung musste die Ausführung der Sondenspitze minimalisiert werden, um schnelle Phasenänderungen lokal detektieren zu können. Gemäss Messprinzip gehört die ORS in die gleiche Kategorie wie die Nadelsonden, Mikrothermoelemente und Anemometer-Sonden, da diese Messfühler als Phasendetektoren eingesetzt werden. Mit doppelter Sondenanordnung (Doppelte optische Reflexionssonde, im folgenden als DORS abgekürzt, Monosonde: ORS) wird die lokale Geschwindigkeitsmessung der dispersen gasförmigen Phase ermöglicht. Prinzipiell können die Parameter Holdup, Geschwindigkeit und Blasengrösse somit gleichzeitig erfasst werden Funktionsprinzip An der Spitze der Sonde b-findet sich ein Glaszylinder der prismatisch, mit einem spitzen Winkel von 90 angeschliffen ist. Das Glasprisma (Brechungsindex n =1,6) wird mit Licht axial gespeist. Befindet sich die Spitze in Flüssigkeit, erfährt der Lichtstrahl Teilbrechung, wobei das Licht unter dem Winkel i in die Flüssigkeit austritt.

24 ^ n t o n, j*bb. 5; Lichtbrechung in Flüssigkeit Wird das Glasprisma und die axiale Lichtspeisung als gegeben betrachtet, kann für Lichtbrechung in Flüssigkeit folgende Bedingung formuliert werden (Snellsches Gesetz): n sin i = - - sin i n, c < 1, i o = 4S V (1) Daraus folgt für den Brechungsindex n. der Flüssigkeit: n 2 > 1,15 (2) Befindet sich die Sondenspitze in gasförmigem Medium, wird der Lichtstrahl an der Grenzfläche Glas/Gas total reflektiert. Durch Detektion der Lichtintensität am Ausgang des Prismas kp.nn somit die Phase indiziert werden.

25 t n o et ^ ng Abb. 6: Totalreflexion in gasförmiger Phase Analog der Formulierung der Bedingung für die Flüssigkeit muss für den Brechungsindex des Gases gelten: n < 1,15 g (3) Gleichungen (1) und (2) zusammengefasst ergeben die grundsätzliche Bedingung an die Brechungsindizes der Medien, die für das Funktionieren der optischen Reflexionssonde erfüllt sein muss: n < 1,15 < n. 9 1 (4) Die meisten Flüssigkeiten und Gase genügen Beziehung (4). In der folgenden Tabelle sind beispielsweise einige Stoffwertpaare mit entsprechenden Brechungsindizes aufgeführt.

26 Tab. 2: Brechungsindizes einiger Gas-Flüssigkeitspaare Flüssigkeit n l Gas n g Wasser 1.33 Luft 1,00 Freon 1.25 Freon-Dampf 1,02 Wasser 1,33 Wasser-Dampf 1,00 Methanol Aethanol 1,33 1,36 Methanol-Dampf Aethanol-Dampf 1,00 1,00 Sauerstoff 1,22 Sauerstoff 1,00 Gülle 1,34 Methan 1,00 Gülle 1,34 Luft 1,00 Quecksilber 1,6-1,9 Luft 1, Aufbau der optischen Reflexionssonde Stand des Wissens Die Entwicklung der ORS begann ca durch Miller und Mitchie [13. Die Spitze der Sonde bestand aus einem ausgezogenen Glasstab, wobei Durchmesser von 0,3 bis 0,5 mm realisiert wurden. Mit Hilfe eines Y-förmigen Faserbündels wurde das Licht einer Quarz-Jodid-Lampe (6V, 10 W) zur Spitze geführt und zurück zum Phototransistor. Die optische Gestaltung war mit grossen Lichtverlusten behaftet, weshalb auch eine immense Lichtquelle erforderlich war (Abb. 7). Die Autoren unternahmen Messungen an Freon-Freondampf mit Blasen der Grössenordnung 0,5 mm und Geschwindigkeiten bis zu 3 m/s. Resultate bezüglich Holdup wiesen eine geringe Genauigkeit auf, so dass sie einem Vergleich mit Messungen von Galaup und Delhaye [2] nicht standhielten.

27 lasstab yo Faser bündel Abb. 7; ORS mit Glasstab (Miller und Mitchie, 1969) 1972 erschien die Arbeit von Hinata [3]. Im Unterschied zu Miller und Mitchie bestand der Scndenvorderteil aus einem zylindrischen Glasstab mit niedriger brechendem Glasmantel. Dadurch konnten interne Lichtverluste verkleinert werden, da das Licht innerhalb der sogenannten Lichtleitstäbe [4] Totalreflexion erfährt. Lampe "Lichtleitstab Phototransistor Abb. 8: ORS mit zylindrischem Lichtleitstab als Sondenspitze (Hinata, 1972). Mit dieser Sonde wurden Messungen in Quecksilber/Luft- und in Wasser/Luft-Zweiphasenströmungen durchgeführt, wobei der Holdup mit demjenigen der Differenzdruckmessmethode ver-

28 glichen wurde. Die Resultate dieser Sonde sind problematisch, bedingt durch die plan geschliffene Sondenspitze. Lichtteitstab Btase Abb. 9; Sondenspitze der ORS nach Hinata (1972) Umfangreichere Untersuchungen mit einer Mikrosonde wurden 1976 von Galaup und Delhave vorgenommen. Die Sondenspitze bestand aus einer U-förmig gebogenen Lichtleitfaser [4]: Lampe Fototransistor Abb. 10; ORS nach Delhaye mit U-förmig gebogener Lichtleitfaser (40 um;

29 Die faserinterne Lichtführung an der Spitze entspricht dem Funktionsprinzip der ORS. Ü im flüssige Phase gasförmige Phase Abb. 11; Funktionsprinzip der ORS von Delhaye (1976) Kleine Abmessungen der Sondenspitze ergeben Probleme bezüglich mechanischer Stabilität, insbesondere der ungeschützten U-förmigen Faser. Erfahrungen von Läderach [72] haben gezeigt, dass ein Einsatz dieser Sonde unter mittleren bis schweren Bedingungen nicht möglich ist. Holdup-Messungen in vertikaler Blasenströmung (Wasser/Luft) zeigten Uebereinstimmungen bezüglich Vergleichsmessungen mit Nadelsonde und Arsmometersonde im angegebenen Messbereich. Die Auswertung des Messignals erfolgte mit der Diskriminatormethode, wobei die Schwellspannung bei 40 % der Maximalspannung angelegt wurde. Die Geschwindigkeit resp. Laufzeit wurde mit einer doppelten Anordnung der CRS gemessen. Der Abstand betrug 2,3 mm. In Grenoble wurde an dieser Sonde weitergearbeitet und 1978 beschäftigte sich Panel [5] mit der Erweiterung des Messbereiches. Die Problematik von fluiddynamisehen Effekten an der Sondenspitze wurde erkannt. Mit Anwendung von zwei unab-

30 hängigen Schwellspannungen bei der Diskriminatormethode versuchte Danel [6] den Randeffekten, wie Deformation der Blase und Wasserfilm auf der Sondenspitze. Rechnung zu tragen. Die miniaturisierten Sondenspitzen erbringen prinzipiell bessere Messresultate als grösser dimensionierte Ausführungen, denn die Störung der Strömung durch den berührungsbehafteten Messfühler bedeutet ein zentrales Messproblem für die ORS Prinzipieller Aufbau der ORS Die Anordnung und Wahl der optischen und elektronischen Elemt».le beeinflusst direkt die Lichtausbeute des detektierenden Sensors und somit das Signal-Rauschverhältnis. Lichtquelle Prisma Faserbündd Fotoelement Abb. 12; Prinzipieller Aufbau der optischen Reflexionssonde (Monosonde) Der eigentliche Messfühler ist das geschliffene Glasprisma. Das angesetzte Faserbündel als Lichtübertragungselement ditnt einerseits der Lichtspeisung durch die Lichtquelle und anderseits der Rückführung des totalreflektierten Lichtes zum Fotoelement. Die beiden zusammengeführten Lichtleiterbündelstränge müssen gut vermischt werden, damit das Glasprisma gleichmassig über die gesamte Stirnfläche mit Licht gespeist wird (Kap * Bedingung für die Berechnung der Signalflanke).

31 Die Umformung der Lichtintensität in eine elektrische Grösse erfolgt durch das Fotoelement. Lichtquelle Paaerbundel Gas-VFlUaaiqphase n o pd l I II Glaapris I 2(t) Paaerbündal IjU) Fotoeleaent l K(t, Varatirkar U(t) Abb. 13; Messtechnisches Blockschema der optischen Reflexionssonde Spezifikation. Ausführung. Dimensionen Im folgenden Kapitel werden die Auswahl der optischen und elektronischen Bauteile, die Dimensionen der Sondenspitze und der konstruktive Aufbau der Sonde begründet. Dabei wurden folgende hauptsächlichen Gesichtspunkte beachtet: 1. Gute mechanische, thermische und chemische Stabilität 2. Geringe Abmessungen der Sondenspitze (kleine Störung der Strömung) 3. Einfache Anwendung: Einsatz der Sonde quer zur Strömungsrichtung 4. Geringe sondeninterne Lichtverluste 5. Kompakte Sonde Bedingt durch den berührungsbehafteten Messfühler verlaufen die Punkte 1 und 3 kontraproduktiv zu 2. Ein Kompromiss erscheint angebracht, denn Erfahrungen [72] zeigten die Unzulänglichkeiten einer sehr feinen Miniaturausführung (Abb. 11, Arbeiten von Galaup und Delhaye [2]; DISA-Sonde [46]).

32 Lichtquelle; Um Störeffekte infolge Fremdlicht zu vermeiden, empfiehlt es sich eine Lichtquelle mit einer Wellenlänge ausserhalb des sichtbaren Lichtes zu verwenden, im Hinblick auf den Einsatz der ORS in transparenten Strömungskanälen. Eine Infrarot- Lumineszenzdiode [47] erfüllt diese Anforderung und besitzt zudem eine stark gebündelte Abstrahlungscharakteristik mit hoher Strahlungsleistung, womit ein grosser Lichteintrag in das Faserbündel erreicht werden kann. Die Speisung der Lichtquelle muss stabilisiert werden, um ein mögliches Driften des resultierenden Signals klein zu halten. Faserbündel: Bei kurzen Faserbündelstrecken überwiegen die Lichtverluste bei der Dioden-Glasf?ser-Kopplung (Kopplungswirkungsgrad 148]) und beim Uebergang Glasfaser-Glasprisma. Die einzelnen Lichtleitfasern bestehen im Innern aus hochbrechendem optischem Glas, dem Kern, der von einem niedrig brechenden Mantelglas umhüllt ist. Ein eingespiesener Lichtstrahl wird durch Totalreflexion an der Grenzschicht zwischen Kern und Mantel weitergeführt bis zum Faserende. Lichtleitfasern, die nach diesem Prinzip arbeiten, werden auch Stufenindexfasern genannt (Barnoski [4]). Die optische Dämpfung der Fasern ist gering, und zudem bieten sich für unterschiedliche Wellenlängenbereiche entsprechende Stufenindexfasern an (SCHOTT Mainz, Produktinformation Lichtleitfasern). Glasprisma; Die sensible Sondenspitze wurde aus einem ausgezogenen Lichtlei tstab angefertigt. Wie die Stufenindexfaser besitzt auch der Lichtleitstab einen Mantel mit niedrigerem brechenden Glas, so dass kein mantelseitiger Lichtaustritt stattfinden kann.

33 LSA 'HOE wwwwwwwwwwwww mumm htm «BHHBBB EBB Lichtleitstab Stahlhülse Faserbündel / t Sondenanströmung Abb. 14: Geometrie und Ausführung der Sondenspitze Die Stahlhülse erfüllt die Funktion des Schutzes und der mechanischen Stabilität der Sondenspitze. Durch die dachförmig geschliffene Spitze wird das Glasprisma durch die Stahlhülse abgeschirmt, wenn die Sonde quer zur Strömungsrichtung eingesetzt wird. Für die Störung der Strömung ist der Sondendurchmesser D massgebend. Der optisch aktive Durchmesser des Glasprismas D bestimmt die Lichtausbeute (I,) gemäss Detektions- D/A prinzip der ORS. Das Glasprisma D wird mit geeignetem Kleber dicht eingeleimt, und bei Verwendung von Kovar als Hülsenmaterial kann die Konstruktion bei höheren Temperaturen (150 C) und Drücken (5 bar) eingesetzt werden. Fotoelement: Der Detektor hat die Aufgabe Strahlungsenergie in elektrische Energie umzuformen. Das verwendete Halbleiterelement ist ein Silizium-Fotoelement [47] mit einer hohen Photoempfindlichkeit