Kapazitive Messungen in Zweiphasengemischen am Beispiel von kryogenem Stickstoff

Titelangaben

Kandlbinder, Christoph ; Fischerauer, Alice ; Mösch, Mario ; Helling, Tobias ; Fischerauer, Gerhard ; Siegl, Martin:
Kapazitive Messungen in Zweiphasengemischen am Beispiel von kryogenem Stickstoff.
In: Technisches Messen. Bd. 84 (2017) Heft 6 . - S. 389-400.
ISSN 2196-7113
DOI: https://doi.org/10.1515/teme-2016-0080

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Abstract

Die Ober- und Hauptstufen von Trägerraketen werden oftmals mit kryogenen Flüssigkeiten betrieben. Im Besonderen ist es für eine Zündung des Triebwerkes in der Schwerelosigkeit wichtig, das Verhalten dieser kryogenen Flüssigkeiten zu beobachten. Zum Beispiel stellen Gasblasen, welche in die Treibstoffzuleitungen gelangen und durch Kavitation Teile des Triebwerks zerstören können, eine Gefahr für die Wiederzündung dar. Daher haben wir ein kapazitives Messsystem für Zweiphasengemische realisiert, welches ohne messbaren Energieeintrag unter tiefkalten Bedingungen arbeiten kann. Dabei sind die Elektroden so angeordnet, dass Phasenänderungen innerhalb des beobachteten Volumens erfasst werden. Die charakteristischen Kapazitätsverläufe der unterschiedlichen Elektrodenpaarungen wurden experimentell bestimmt und einerseits mit Finite-Elemente-Simulationen (Ansys) verglichen. Andererseits wurden Berechnungen zur elektrischen Flussdichte angestellt, welche die simulierten Kapazitätsverläufe mit theoretischen Aussagen ergänzen. Da die Messungen mit Rauschen überlagert sind, wurde ein gleitendes Mittelwertfilter auf die Messergebnisse angewendet. Solche experimentell ermittelten und gefilterten Ergebnisse spiegeln die aus der Auswertung von Videokameraaufnahmen abgeleiteten Phasengrenzen zwischen flüssigem und gasförmigem Stickstoff (in einem umgestülpten Behältnis, das in einen Tank voller flüssigen Stickstoffs getaucht war) mit nur geringen Abweichungen wider. Zudem ließen sich verschiedene Prozesse wie Verschiebungen einer makroskopischen Phasengrenze (Füllstandsänderungen im umgestülpten Behältnis) und im flüssigen Stickstoff aufsteigende Gasblasen anhand der gemessenen Kapazitäten unterscheiden.

Abstract in weiterer Sprache

The upper and main stages of heavy-lift launchers are often driven by cryogenic liquids. Especially for the reignition process, it is of vital importance to observe the behavior of these cryogenic liquids. Gas bubbles moving into propulsion lines, for instance, can destroy parts of the propulsion system through cavitation and therefore put the reignition to risk. For this reason, we realised a capacitive measurement system for two-phase mixtures that has the ability to operate under cryogenic conditions without noticeable energy input into the fluid. The electrodes are arranged in a way that phase changes inside an observed volume can be detected. The characteristic capacitances of different pairs of electrodes were determined experimen-tally and compared to finite-element simulations (Ansys) on the one hand. On the other hand, calculations for the electrical flux density were performed to gain insight into the mechanisms influencing the capacitances. As the measurements are noisy, moving average filters were used for smoothing. For the phase boundary between the gaseous nitrogen above a "sea" of liquid nitrogen (obtained with an upended receptacle in a tank full of liquid nitrogen), such experimentally determined and filtered results agree well with pictures recorded by a video camera. Furthermore, different processes such as phase-boundary shifts (fill-level changes in the upended receptacle) or gas bubbles rising in liquid nitrogen could be distinguished by way of the measured capacitances.