Kapazitive Messungen in Zweiphasengemischen am Beispiel von kryogenem Stickstoff

Abstract

Zusammenfassung 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.