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Kapazitive Messungen in Zweiphasengemischen am Beispiel von kryogenem Stickstoff

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

Official URL: Volltext

Abstract in another language

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 another language

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.

Further data

Item Type: Article in a journal
Refereed: Yes
Keywords: Kapazitive Sensoren; Mehrelektrodensysteme; Zweiphasengemische; kryogene Flüssigkeiten; Capacitive sensors; multi-electrode systems; two-phase mixtures; cryogenic liquids
Institutions of the University: Faculties
Faculties > Faculty of Engineering Science
Faculties > Faculty of Engineering Science > Chair Measurement and Control Technology
Faculties > Faculty of Engineering Science > Chair Measurement and Control Technology > Chair Measurement and Control Technology - Univ.-Prof. Dr.-Ing. Gerhard Fischerauer
Profile Fields
Profile Fields > Emerging Fields
Profile Fields > Emerging Fields > Energy Research and Energy Technology
Research Institutions > Research Units > ZET - Zentrum für Energietechnik
Research Institutions
Research Institutions > Research Units
Result of work at the UBT: Yes
DDC Subjects: 600 Technology, medicine, applied sciences > 620 Engineering
Date Deposited: 28 Jun 2017 08:33
Last Modified: 28 Jun 2017 08:33
URI: https://eref.uni-bayreuth.de/id/eprint/38200