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Forschung

Partikelsensor

Partikelsensor für erhöhte Umgebungstemperaturen

Es werden Sensoren entwickelt, mit denen der Feststoffanteil in der bis zu 850 C heißen Rauchgasströmung einer Wirbelschicht-Feuerungsanlage erfaßt werden kann. Die zu gewinnende Information über Anzahl und Größenverteilung der Partikel und den von den Partikeln getragenen Massenstrom soll in das Teilprojekt B14 mit einfließen, in dem die Wirbelschichtfeuerungsanlage modelliert und optimiert wird. Der interessierende Partikelgrößenbereich liegt bei 20 - 200 µm, die Partikelkonzentrationen können bis zu 107 m-3 betragen, die Partikelgeschwindigkeit bis 25 m/s. Die Messungen sollen "in-situ" erfolgen. Die Umströmung der Sonde soll das Meßergebnis möglichst wenig verfälschen. Die Meßergebnisse sollen nahezu in Echtzeit vorliegen, um für die Regelung der Anlage zur Verfügung zu stehen. Obwohl eine derartige Erfassung und Klassifizierung des Feststoffanteils einer Gasströmung eine grundlegende Meßaufgabe in der Verfahrenstechnik mehrphasiger Systeme darstellt, sind die genannten Bedingungen und die hier vorliegende Meßumgebung ausgesprochen "schwierig", und es stehen daher kaum geeignete Meßmethoden zur Verfügung. Hier bieten sich optische Meßverfahren an. Insbesondere erlaubt die Verwendung von Lichtleitfasern eine räumliche Trennung des Meßaufnehmers von der Auswerteeinheit, die in geschützter Umgebung aufgestellt werden kann. Daher werden im Rahmen des Teilprojektes A1 faseroptische Partikelsensoren zur Lösung der beschriebenen Meßaufgabe konstruiert und erprobt.

Faseroptischer Partikelsensor Speckle Partikelsensor

Alle Sensoren benutzen die Rückstreuung von Laserlicht aus einem Meßvolumen von ca. 1mm3, das über eine Lichtleitfaser beleuchtet wird. Einzelne Partikel, die das Meßvolumen durchqueren, erzeugen dabei kurze Lichtreflexe. Diese werden über eine zweite Faser einem Detektor zugeleitet und von einer nachfolgenden Elektronik registriert und analysiert. Die Intensität der Reflexe ist eine Funktion der Größe, Form und Farbe des jeweiligen Partikels. Um solche Sensoren ohne Kühlung direkt im heißen Abgasstrom betreiben zu können, wurde eine komplett aus Quarzglasteilen bestehende Optik entwickelt und hergestellt. Sie bewirkt, daß das Meßvolumen 50 mm außerhalb des Fensters im freien, ungestörten Partikelstrom liegt. Zum Schutz gegen Erosion ist die Optik in einem Sensorkopf aus hochwarmfestem Stahl eingebaut und durch ein Quarzglasfenster von der Abgasströmung getrennt. Das bei derartigen Sensoren immer auftretende Problem der Erosion oder Verschmutzung des Fensters durch Ablagerungen wurde durch Spülung des Fensters mit vorgewärmter Luft gelöst.

Mit einem ersten Sensortyp kann einfach die Anzahl der Partikel ermittelt werden, die je Zeiteinheit das optisch definierte Meßvolumen passieren. Um daraus den von den Partikeln getragenen Massenstrom zu finden, muß zusätzlich auch die Partikelgrößenverteilung bestimmt werden. Dazu wurde versucht, die gemessene Signalhöhenverteilung mathematisch zu entfalten. Aufgrund der Vielzahl von Parametern, die die Signalhöhenverteilung beeinflussen, ist das Ergebnis jedoch recht ungenau, kann aber nach Kalibrierung doch als Betriebsparameter zur Regelung der Verbrennungsanlage von Nutzen sein.

Für eine genauere Bestimmung des Massenstromes wurde daher aus diesem Projekt heraus ein neuartiges optisches Meßverfahren vorgeschlagen, das die Größen der beobachteten Partikel absolut, d.h. unabhängig von ihren unsicheren Eigenschaften (Form, Farbe, Textur) und von der nicht sicher bekannten Intensitätsverteilung der Beleuchtung liefern soll. Dabei wird nicht mehr die Intensität, sondern die räumliche Winkelverteilung des vom Partikel zurückgestreuten Lichtes gemessen und ausgewertet. Bei kohärenter Beleuchtung zeigt nämlich das Streulicht von Partikeln, deren Oberflächenrauhigkeit groß gegen die Beleuchtungswellenlänge ist, ein ausgeprägtes Speckle-Muster. Aus der mittleren Winkelbreite der Speckle ergibt sich dann auf einfache Weise der Partikeldurchmesser. Dieses Meßverfahren wird gegenwärtig näher untersucht und soll dann für die genannte Aufgabenstellung des Teilprojektes B14 zu einem praktisch einsetzbaren Sensor weiterentwickelt werden.

Die Kooperation mit anderen Teilprojekten des Sonderforschungsbereiches erfolgt zum einen durch Austausch der Erfahrungen bei der Konstruktion und beim Einsatz der Sensoren bei den vorliegenden Meßbedingungen. Zum anderen ergeben sich voraussichtlich interessante Einsichten aus dem Vergleich der hier gewonnenen Ergebnisse mit solchen, die mit Partikel-Meßverfahren in anderen Teilprojekten erhalten werden. Da das hier untersuchte, meßtechnisch neue Prinzip der Rückstreu-Speckle-Korrelation speziell für rauhe, unregelmäßig geformte Partikel geeignet ist, wie sie bei Verbrennungsprozessen auftreten, könnte es auch in anderen Bereichen der Verfahrenstechnik Anwendung finden, komplementär zur Phasen-Doppler-Anemometrie oder Laserbeugungsspektrometrie, die möglichst glatte kugelförmige Partikel voraussetzen.

        

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