-
Die
Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren zur Bestimmung
der Phasenverteilung in strömenden
Mehrphasenmedien, wobei das Verfahren zur Auswertung der mit der
Anordnung gewonnenen Messsignale dient.
-
Die
Anordnung enthält
eine nachgeschaltete elektronische Auswerteeinheit zur Bestimmung
der Phasenverteilung in mehrphasigen Medien mit beliebiger Strömungsrichtung,
wobei sowohl die das Medium durchdringende als auch die reflektierte
Lichtintensität
der einzelnen optischen Sender-Empfänger-Strecken als Maß für die lokalen
Eigenschaften des durch den Sensorströmenden Mediums genutzt wird.
Es ist bereits bekannt, die Ermittlung der Phasenverteilung auf
der Basis von Leitfähigkeitsmessungen
im strömende
Medium mittels Elektroden vorzunehmen (
DE 196 49011 C2 ,
DE 197 04 494 A1 ).
-
Es
ist auch bekannt, dass für
die Detektion von Einzelobjekten Lichtstrecken bestehend aus Lichtemitter
und Fotodetektor Anwendung finden, wobei festgestellt wird, ob der
Lichtstrahl von dem zu detektierenden Objekt unterbrochen oder geschwächt wird
(K.Spindler, G. Lorenz, E. Hahne; Faseroptischer Sensor zur Messung
des örtlichen
Gasgehaltes in Flüssigkeiten
Technisches Messen tm, 54. Jahrgang Heft 2/1987 S. 50-55).
-
Außerdem ist
eine Messanordnung zur Bestimmung der Phasenverteilung in Mehrphasenströmungen bekannt,
bei der die Tomographie mittels Strahlungsquellen ausgeführt wird
(
DD 255 399 A1 ). Dazu
müssen
viele Strahlungsquellen und Detektoren montiert werden, was einen
erheblichen Aufwand bedeutet. Bei Einsatz nur einer Strahlungsquelle
ist das Objekt zu drehen, oder die Strahlungsquelle ist um das Objekt
zu führen,
was oft unmöglich
ist. Außerdem
erhält
man nur eine räumliche
oder zeitliche integrale Verteilungsfunktion, die dann über Rekonstruktionsalgorithmen
bearbeitet werden muss, um zum Bild zu führen.
-
In
einer anderen Anordnung wird ein Lichtleiter an dem im zu untersuchenden
Medium befindlichen Ende so angeschliffen, dass das Licht infolge der
unterschiedlichen Brechungsindizes bei der einen Phase total reflektiert
wird und in der anderen Phase in das Medium eintritt und in der
anderen Phase in das Medium austritt und nicht reflektiert wird (Spindler,
K., Lorenz, G., Hahne, E., Fäseroptischer Sensor
zur Messung des örtlichen
Gasgehaltes in Flüssigkeiten,
Technisches Messen, 54. Jahrgang, Heft 2/1987, 50-55). Vorbeschriebene
Anordnungen sind auch in Mehrfachausführung als sogenannte Lichtvorhänge für sicherheitstechnische
Vorrichtungen oder als Überwachungseinrichtungen
in der Produktion bekannt (Guardscan, Firmenschrift der Firma Lucom
GmbH, vom 19.04.1999, S. 12–13).
-
Nachteilig
bei den bekannten Anordnungen ist deren nur eindimensionale Wirksamkeit.
Bei den bisher bekannten schnellsten Verfahren zur Bestimmung der
Phasenverteilung durch elektrischen Leitfähigkeitsmessungen mittels Gittersensoren
(
DE 196 49 011 C2 )
begrenzen die elektrischen Einschwingvorgänge im Sensor die mögliche zeitliche
Auflösung und
der Einsatz ist auf flüssige
Medien mit einer zumindest minimalen Leitfähigkeit begrenzt.
-
Bei
einem anderen nichtinvasiven optischen Tomographieverfahren zur
Bestimmung der Phasenverteilung über
einen bestimmten Querschnitt sind an dem Sensorumfang eine bestimmte
Anzahl von optischen Sendern und Empfängern verteilt und es werden
sequentiell die Lichtintensitäten
an den Fotoempfängen
herrührend
von jeweils einem emittierenden Sender registriert (U. Hampel, E.
Schleicher, M. Silva; Optische Tomographie für die Diagnostik von Zweiphasenströmungen,
Vortrag auf dem Workshop für
Zweiphasenmesstechnik im Forschungszentrum Rossendorf/Institut für Sicherheitsforschung,
Oktober 1998). Aus den Einzelmessungen wird mittels eines umfangreichen
tomographischen Rekonstruktionsalgorithmus die geometrische Phasenverteilung der
Medien im Messquerschnitt berechnet.
-
Die
geometrische Auflösung
dieses Verfahrens kann nicht befriedigen und die mathematische Nachbearbeitung
schränkt
die erreichbare zeitliche Auflösung
des Verfahrens stark ein.
-
Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Phasenverteilung des Strömungsmediums
mit Hilfe von Sender-/Empfängerstrecken
ohne tomographische Nachberechnung mit hoher örtlicher, zeitlicher und stofflicher
Auflösung
für mehrphasige
Medien auch nichtleitender Art zweidimensional zu bestimmen.
-
Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe mit den in den Patentansprüchen dargestellten Merkmalen
gelöst.
-
Mit
der Erfindung ist die Bestimmung der Eigenschaften (z.B. volumetrischer
Phasenanteil, Konzentration, Stoffart, Partikelanzahl, Partikelgröße usw.)
des Strömungsmediums
innerhalb des vom Sensor begrenzten Querschnitts mit hoher zeitlicher und
geometrischer Auflösung
möglich.
Die erhaltenen Messwerte repräsentieren
unmittelbar die lokalen Eigenschaften des strömenden Mediums ohne tomographische Nachberechnung.
-
Hierfür ist ein
Sensor notwendig, der aus einem Array von optischen Messstrecken,
bestehend aus Sender und Empfänger,
aufgebaut ist. Ein geeignetes Ansteuerregime der Fotoemitter und
eine dazu konforme Auswertung der Sensorsignale gestattet neben
der Bestimmung der mehrdimensionalen Phasenverteilung im Messquerschnitt
auch noch die stoffliche Bestimmung der Komponenten des Mediums.
Mit einer Nacheinanderschaltung mehrere solcher Sensoranordnungen
lässt sich
auch ein dreidimensionaler Sensor aufbauen.
-
Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von je einem Ausführungsbeispiel
für die
Anordnung und das Verfahren näher
erläutert.
-
Ausführungsbeispiel für die Anordnung:
-
Die
Anordnung kann in zwei Varianten ausgeführt werden.
-
In
der ersten Variante sind die Lichtemitter und Lichtempfänger und
die dazugehörige
Ansteuer- und Auswerteelektronik außerhalb des Messquerschnittes
angeordnet. Der Sensor besteht aus zwei Ebenen von parallel verlaufenden
Kunststoff-Lichtleitern, die in einem Messkanal-Querschnitt so eingespannt
sind, das die Lichtleiter der beiden Ebenen zueinander vorzugsweise
einen Winkel von 90 ° bilden.
Die beiden Ebenen haben einen Abstand von ca. 3 mm.
-
Die
Lichtleiter der einen Ebene (Transmitter) sind an die Lichtemitter
und die der anderen Ebene (Receiver) an die Lichtempfänger angeschlossen. Die
Oberflächen
der Lichtleiter sind in den Kreuzungspunkten jeweils an den einander
zugewandten Seiten so modifiziert, dass Licht aus den Transmittern
austreten und in die Receiver eintreten kann.
-
Die
Lichtemitter z.B. Laserdioden werden von einer Ansteuerschaltung
sequentiell angesteuert. Die Signalauswertung besteht pro Receiverkanal aus
dem Lichtempfänger
z.B. Fotodioden, einem als Transimpedanzverstärker arbeitendem Vorverstärker, einem
A/D Umsetzer und einem Interface zu einem Auswerterechner.
-
Bei
der Messung werden zum jeweiligen Ansteuerzeitpunkt der einzelnen
Laserdioden alle Ausgangssignale der Vorverstärker von den in den A/D Umsetzern
enthaltenen Sample-and-Hold-Schaltungen parallel übernommen
und digitalisiert. Über
einen Multiplexer werden die digitalisierten Messwerte in den Auswerterechner übergeben
und dort abgespeichert. Nach der Ansteuerung aller Laserdioden befindet
sich im Speicher ein zweidimensionales Abbild der lokalen Intensität der Lichtübertragung
in den Kreuzungspunkten der Lichtleiter.
-
Die
Intensität
der einzelnen Lichtübertragungen
wird durch den Brechungsindex des im Kreuzungspunkt befindlichen
Mediums bestimmt. Besteht das zu untersuchende Zweiphasengemisch
z.B. aus Wasser und Öl,
so ist die Intensität
der Lichtübertragung
bei Öl
größer als
bei Wasser, da Öl
einen größeren Brechungsindex
besitzt und das aus den Transmitter austretende Licht stärker in
Richtung Receiver fokussiert wird.
-
Verwendet
man als Lichtemitter breitbandige Strahlungsquellen oder alternierend
arbeitende Lichtemitter mit unterschiedliche Wellenlänge des
emittierten Lichtes, kann man aus den unterschiedlichen Adsorbtionsverhältnissen
auch die Phasenverteilung in Mehrstoffsystemen ermitteln.
-
Bei
der zweiten Variante des Messsystems befinden sich die optisch aktiven
Bauelemente direkt im Messquerschnitt. Dazu werden im Sensorkörper senkrecht
zur Strömungsrichtung
in einer Ebene in einem Abstand von z.B. 4 mm parallel verlaufend Trägerstäbe aus Keramik-Basismaterial
von 0,63 mm Stärke,
wie es für
Hybridschaltungen standardmäßig eingesetzt
wird, angeordnet. Auf diesen Stegen sind die elektronischen Bauelemente
montiert und die notwendigen Leitungsführungen zu der Ansteuer- und
Auswerteelektronik realisiert. Die Ansteuer- und Auswerteelektronik
befindet sich auf den seitlich aus den Sensorkörper herausragenden Teile der
Trägerstäbe. Im Messquerschnitt
sind auf beiden Seiten der Stege je nach Applikation im Abstand
von einigen Millimetern eine bestimmte Anzahl von Dreiergruppen
optischer Chips angeordnet. Diese Dreiergruppen bestehen jeweils
aus zwei Emitterchips z.B. monochromer LED-Chip und IR-Diodenchip
(aber auch multispektrale LED-Chips oder Laserdioden sind je nach
beabsichtigter Applikation möglich)
und einem optischen Empfängerchip.
Zur Passivierung sind die optischen Bauelemente und Leitungsführungen
mit einem durchsichtigem Polymer umhüllt.
-
Die
Stege einschließlich
der notwendigen elektrischen Verbindungen zwischen den Sendedioden
und den dazugehörigen
Treibern sowie zwischen den Empfangsdioden und den Transimpedanzvorverstärkern sind
als Hybridbaugruppe gefertigt, aber auch ein diskreter oder monolithischer
Aufbau ist möglich.
-
Bei
der Montage der Stege ist darauf zu achten, dass Emitter- und Empfängerchips definiert
gegenüber
stehen.
-
Eine
weitere mögliche
Variante des Sensoraufbaus ist, dass die Sendedioden durch Lichtbänder, die
multispektrales Licht aussenden, ersetzt werden. Dafür sind z.B.
organische Folien, die beim Anlegen einer elektrischen Spannung
leuchten, geeignet. Die Ansteuer- und Auswertelektronik bei dieser Variante
ist funktionskompatibel zur ersten Variante, nur dass die Lichtleiter
entfallen, da die optisch aktiven Elemente direkt die Messstrecke
bilden.
-
Der
entscheidende Unterschied bei dieser Variante ist, dass die Lichtemitter
im Dauer- oder im sequentiell
gepulsten Betrieb arbeiten können
und dass man sowohl das zu messende Medium durchdringende Licht
als auch das reflektierte Licht messen kann und die Strahlungsrichtung
des Lichte sehr leicht umkehren kann, da auf beiden Seiten der lokale
Messstrecken sowohl Lichtsender als auch Lichtempfänger angebracht
sind. Die zusätzliche
Auswertung der Reflexionseigenschaften verbessert auch die Detektion
von undurchsichtigen Partikeln, da diese von beiden Seiten der optischen
Strecke erkannt werden können.
-
Bei
einem statischen Betrieb der Lichtemitter ist eine wesentlich höhere zeitliche
Auflösung
möglich,
da man alle Messsignale parallel auswerten kann. Mit den gegenwärtig zur
Verfügung
stehenden elektrischen Bauelementen sind bei einer parallelen Auswertung
der Messsignale, unabhängig
von der Anzahl der Fotostrecken, Bildfrequenzen bis ca. 100 kHz
möglich.
-
Der
Efektronikaufwand für
die Auswertung und der Energieaufwand für die Ansteuerung der Lichtemitter
ist allerdings dafür
auch viel größer.
-
Dadurch,
dass bei dieser Variante die Verwendung von Licht mit einem breiten
Spektrum sehr einfach möglich
ist, eignet sich diese Variante besser für die stoffliche Detektion
von Mehrphasengemischen.
-
Durch
die Auswahl von Lichtemittern für
unterschiedliche Wellenlängen,
und Lichtempfängern sowie
zusätzliche
optische Filter und Linsen lässt sich
sowohl die geometrische Phasenverteilung als auch die stoffliche
Bestimmung der Phasen optimieren.
-
Mit
den dargestellten Messanordnungen sind folgende Funktionen für die Detektion
von Mehrphasengemischen möglich:
- – Unter
Ausnutzung unterschiedlicher Brechungsindexe der verschiedenen Phasen
eines Phasengemisches – eine
Bestimmung der Phasenverteilung über
dem Messquerschnitt,
- – unter
Ausnutzung der Absorptionseigenschaften bei unterschiedlichen Wellenlängen – eine stoffliche
und geometrische Bestimmung der Phasenverteilung über dem
Messquerschnitt und
- – unter
Ausnutzung, der Reflektionseigenschaften – die Detektion von nicht lichtdurchlässigen Partikeln
- – mit
der Auswertung des Reflektionsverhaltens ergibt sich eine Detektionsmöglichkeit,
speziell von undurchsichtigen Partikeln.
-
Ausführungsbeispiel für das Verfahren:
-
Beide
dargestellten Anordnungen unterscheiden sich zunächst in der Art der Ansteuerung der
Lichtemitter. Während
bei der ersten Anordnung immer nur ein Lichtemitter impulsfömig angesteuert und
das von ihm emittierte Licht von allen Lichtempfängern parallel ausgewertet
werden kann, ist bei der zweiten Anordnung sowohl eine serielle
impulsförmige
Ansteuerung als auch eine gleichzeitige dauernde Ansteuerung aller
Lichtemitter möglich.
-
Die
prinzipielle Auswertung ist unter der Beachtung der Ansteuerart
für beide
Anordnungen die gleiche.
-
Zunächst werden
bei einer Messung in einem einphasigem Medium die optischen Strecken kalibriert
und die Messwerte als Kalibrierwerte für alle Strecken abgespeichert.
Dabei sollte das einphasige Medium mit der hauptsächlich vertretenen
Phase des Phasengemisches identisch sein. Bei der Messung werden
dann die aktuellen Messwerte mit den Kallibierwerten normiert.
-
Dabei
muss man bei der ersten Anordnung berücksichtigen, dass die Intensität des Lichtes
an den einzelnen Austrittsstellen der Lichtleiter auch von der konkreten
Messsituation abhängt,
z.B. ein Öltropfen
vor der ersten Austrittsöffnung
eines Lichtleiters schwächt
die Intensität
an allen weiteren Austrittsöffnungen
dieses Lichtleiters. Diese Abhängigkeit
ist ebenfalls bei einer Kalibrierung zu berücksichtigen. Bei der zweiten
Anordnung ist diese Abhängigkeit nicht
vorhanden, da alle optischen Strecken voneinander unabhängig sind.
-
Für die stoffliche
Bestimmung der Phasenkomponenten eines Phasengemischs ist es notwendig,
die spektralen Absorptionseigenschaften für das verwendete multispektrale
Licht der zu bestimmenden Phasen zu kennen oder bei der Kalibrierung
zu ermitteln.
-
Nach
der Abfrage aller optischen Strecken im Messquerschnitt ergeben
die normierten lokalen Messwerte der empfangenen Lichtintensität ein Querschnittsbild
der Phasen- bzw.
Stoffverteilung im Messquerschnitt.