Partikeln in Mehrphasenströmungen erfassen

Möglichkeiten zur Erfassung von Blasen, Tropfen oder Partikeln

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  • Abb. 1: Messtechnischer Zugang.
  • Abb. 2: Auflichtbild (links), Durchlichtbild (rechts).
  • Abb. 3: Integrierte Einstecksonde.

Mehrphasensysteme mit Tropfen, Blasen oder Feststoffpartikeln begegnen uns täglich im Labor und in Produktionsanlagen. Dabei möchten wir am liebsten wissen, wie viele Partikeln welcher Größe sich gerade an einer bestimmten Stelle in dieser Strömung befinden. Der Markt an Inline-Partikelmesstechnik direkt im Apparat hat noch viel Potential. Dieser Beitrag soll hierfür einen messtechnischen Ansatz aufzeigen, wie man mit überschaubarem Aufwand zu sehr präzisen Ergebnissen gelangen kann.

Partikeleigenschaften (Größenverteilung, Form, Konzentration) haben einen maßgeblichen Einfluss sowohl auf die Apparateauslegung, die einzelnen Prozessschritte sowie schlussendlich auch auf die Eigenschaften des Endproduktes. Neben gut zugänglichen skalaren Prozessgrößen wie Druck oder Temperatur, ist man gerade bei der Partikelmesstechnik auf detailreiche und ortsaufgelöste Informationen angewiesen.

Messtechnischer Zugang

Um Partikeleigenschaften zu erfassen, ist ein messtechnischer Zugang notwendig (Abb. 1). Dabei unterscheidet man grundlegend je nach Positionierung der Messtechnik zwischen drei Ansätzen: Off-/Atline, Online und Inline. Während bei Offline Methoden eine Probe aus dem Apparat genommen und z. B. in einem Analysenlabor untersucht wird, wird die Messtechnik bei der Atline Methode in unmittelbarer Nähe zur Probennahme vorgehalten. Bei der Online Methode wird dem Prozess ein Teilstrom entnommen und nach der Messung dem Apparat wieder zugeführt. Bei Inline Verfahren ist man bestrebt, das Messergebnis in situ am point of interest direkt im Apparat aufzunehmen. Jeder Ansatz hat Vor- und Nachteile und es muss je nach gewünschter Prozessinformation abgewogen werden, inwieweit er zielführend ist. So würde man z. B. eine Blasengrößenbestimmung nie mit einer Offline Methode realisieren können, da sich die Gasblasen im Probennahmebehälter auf dem Weg zur Analyse sprichwörtlich in Luft aufgelöst hätten.

Prozesssensoren 4.0

Im Falle der Inlinemesstechnik gab es in den letzten Jahren einen starken Aufschwung. Getrieben durch Faktoren wie der Digitalisierung (Stichwort: Industrie 4.0) und gestiegene Dokumentationspflichten seitens der Anlagenbetreiber werden Messsysteme vermehrt unter dem Aspekt Prozesssensor 4.0 direkt am point of interest implementiert.

War in der Vergangenheit oft eine globale Prozessinformation ausreichend bzw. durch den Mangel an geeigneter Messtechnik nicht anders verfügbar, steht heute der Gewinn von Prozessverständnis an oberster Stelle. Eine der aufstrebenden Messtechniken zur Erfassung lokaler Prozessinformationen ist die optische Bildmesstechnik.

Optische Messmethoden basieren auf dem Prinzip einer Bilderfassung und –analyse. Dabei wird ein optischer Zugang an der relevanten Apparatestelle geschaffen, um eine gezielte Liveaufnahme des Prozesses zu generieren. Der Markt bietet hierfür eine Vielzahl von Auswahlmöglichkeiten hinsichtlich Kameratyp, Objektiven sowie der Beleuchtungsart (z. B. Auflicht oder Durchlicht). Der Aufnahmebereich von optischen Auf- und Durchlichtmessmethoden in der Fluidverfahrenstechnik reicht dabei von etwa wenigen µm bis zu mehreren Zentimetern und ist abhängig von der Wahl der Kamera-Objektiv Kombination.

Beim Auflicht befinden die Kamera und die Lichtquelle auf der gleichen Seite des aufzunehmenden Objekts. Dadurch erhält man eine Aufnahme der von der Partikel reflektierten Lichtintensitätsverteilung. Beim Durchlicht stehen Kamera und Beleuchtung jeweils auf der gegenüberliegenden Seite der zu vermessenden Partikel. Sie erscheint bei parallelem Licht schwarz. Das ungebrochene Licht bildet einen hellen Hintergrund. Ein Beispiel für Aufnahmen bei Auf- und Durchlicht findet sich in Abbildung 2.

Telezentrie und Durchlicht schaffen Durchblick

Die Anordnung im Durchlicht sollte immer die erste Wahl sein, wenn die Partikelform das zu untersuchende Kriterium ist. Dabei ist die Nutzung von telezentrischen Objektiven zielführend. Oftmals wird dem inneren Aufbau der Objektive nur Rechnung bezüglich der Standardgrößen wie Vergrößerung, Blendenzahl und Brennweite getragen. Der konstruktive Charakter des Objektivs und die daraus resultierende Perspektivart und Abbildung wird hingegen seltener beachtet. Dabei lassen sich durch die geschickte Anordnung der inneren Bauelemente Objektive gerade im Hinblick auf Messaufgaben modifizieren und gezielter einsetzen. Es können sich folgende zwei beispielhafte Objektivabbildungen ergeben: entozentrisch oder telezentrisch.

Normale, bzw. entozentrische Abbildungen kennen wir vom menschlichen Auge oder auch handelsüblichen Kameratypen, wie Spiegelreflexkamera und Handy. Weiter entfernte Objekte werden kleiner dargestellt als die näher zur Aufnahmevorrichtung stehenden. Die Anwendung dieser (Standard-) Objektive hat in der optischen Messtechnik in fluidverfahrenstechnischen Apparaten den gleichen Effekt. Solange die Entfernung der Partikeln vom Objektiv nicht bekannt ist, können keine exakten Größenbestimmungen durchgeführt werden. Nutzt man für messtechnische Aufgaben hingegen telezentrische Objektive, so eliminiert man diese Entfernungsabhängigkeiten. Das Objektiv lässt nur achsenparallele Strahlen auf den Kamerasensor fallen und bildet somit unabhängig von der Entfernung die wahre Größe der Partikeln ab. Diese hochpreisigen Objektive werden im Bereich der optischen Qualitätssicherung bei Massenprodukten schon länger eingesetzt. Dieser Markt ist in den letzten Jahrzehnten so stark gewachsen, dass fast alle Objektivhersteller ihre Angebotspalette in Richtung Telezentrie erweitert haben. Damit sind diese Objektive mittlerweile auch für einfache Messaufgaben preislich erschwinglich geworden.

Apparateeinbringung

Diese der Messgenauigkeit sehr zuträgliche Durchlichtanordnung ist in verfahrenstechnischen Apparaten aber weitaus schwieriger zu realisieren als eine reine Auflichtanordnung mit Einsteckendoskopen, da man für das Durchlicht einen Apparatezugang von zwei genau gegenüberliegenden Punkten benötigt. Nur wenige Autoren konnten zeigen, wie man mit der invasiven Variante der Durchlichtmethode am point of interest im Apparat beispielsweise die Tropfengrößenverteilung live erfassen und online auswerten kann. Durch die Kombination von Durchlichtmesstechnik und Hochgeschwindigkeitsaufnahmen lassen sich damit sogar lokale Phänomene wie Koaleszenz- und Zerfallsprozesse beobachten und Populationsbilanzen aufstellen. Diese Durchlichtmethode konnte bei Rohrströmungen, Blasensäulen und Cold-flow Destillationskolonnen von DN25 bis DN450 implementiert werden, jedoch sind auch der Durchlichtmethode Grenzen gesetzt. Nachteilig ist neben der zwingend notwendigen gegenüberliegenden Einbringung eine präzise Ausrichtung der beiden Sondenrohre. In Produktionsapparaten mit Durchmessern über DN 300 mit z. B. prozessbedingter Pulsation oder Vibration des Inhaltes gelingt diese Ausrichtung nicht mehr zuverlässig. Ein Lösungsvorschlag ist hier die einseitige Einbringung an bestehenden Apparatestutzen mittels einer konstruktiv umgestalteten Durchlichtsonde als integriertes Einsteckendoskop (Abb. 3), wie bei [1] vorgeschlagen. Damit entfällt die diametrale Ausrichtung und die Partikelgrößenverteilung kann damit im Durchlicht durch Austauschen einzelner Bauteile in einer beliebigen Apparatetiefe untersucht werden.

Der Transfer in industriell relevante Apparate steht noch aus. Hauptgründe sind u.a. die Übertragbarkeit auf reale Produktionsapparate mit teils aggressiven Stoffsystemen und extremen physikalischen Anforderungen bezüglich Druck und Temperatur. Aber auch sicherheitstechnische Aspekte und Zertifizierungen verzögern den Transfer aus der Forschung in die industrielle Anwendung.

Ausblick

Eine Weiterverfolgung der Erforschung dieser vielversprechenden Messmethode ist erstrebenswert. Der Zugang zu lokalen Partikeleigenschaften und Prozessinformation im Zuge von Industrie 4.0 macht damit aus Ausblick auch gleichzeitig Einblick. Besuchen Sie die Messtechnik am besten live auf der Achema. Halle 9.2 Stand A86a. Wir freuen uns auf Sie!

Autoren
Markus Lichti1 und Hans-Jörg Bart1

Zugehörigkeit
1TU Kaiserslautern, Lehrstuhl für Thermische Verfahrenstechnik, Kaiserslautern

Kontakt
Prof. Dipl.-Ing Dr. techn. Hans-Jörg Bart

Lehrstuhl für Thermische Verfahrenstechnik
Technische Universität Kaiserslautern
Kaiserslautern, Deutschland
bart@mv.uni-kl.de
https://www.mv.uni-kl.de/tvt/tvt/
 

Referenz
[1] M. Lichti, H.-J. Bart, C. Roth, EP 3.067.685.A1 (2016)

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Lehrstuhl für Thermische Verfahrenstechnik Technische Universität Kaiserslautern
Postfach 3049
67653 Kaiserslautern
Deutschland

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