Zehn Tropfen in einer Stunde und zwei Kubikmeter in einer Sekunde

News: Zehn Tropfen in einer Stunde und zwei Kubikmeter in einer Sekunde

Chemnitzer Wissenschaftler haben ein neues Verfahren entwickelt, mit dem sich der Durchfluss von Flüssigkeiten in Leitungen von nur einem Zehntel Millimeter Durchmesser bestimmen lässt: Sie erfassen optisch die Geschwindigkeit von Partikeln in den Röhrchen. Anders als herkömmliche Methoden ist die Methode unempfindlich gegenüber Schwankungen von Druck, Temperatur, elektrischer Leitfähigkeit und Viskosität.

Eine Gruppe von Wissenschaftlern von der TU Chemnitz hat ein neues Verfahren entwickelt, mit dem sich der Durchfluss von Flüssigkeiten in Leitungen von nur einem Zehntel Millimeter Durchmesser bestimmen lässt. Die Forschungsgruppe Mehrphasenströmungen unter Leitung von Dieter Petrak stellt ihr Messsystem erstmals auf der Chemiemesse ACHEMA vom 22. bis 27. Mai 2000 in Frankfurt am Main vor. Mit dem Verfahren ist es möglich, weitergeleitete Flüssigkeitsmengen selbst dann noch zu messen, wenn sie unter einem Milliliter (ungefähr zehn Tropfen) pro Stunde liegen. Einzige Voraussetzung ist, dass die Flüssigkeit kleine Partikel von etwa einem Tausendstel Millimeter Größe enthalten muss, zum Beispiel Blutkörperchen, Luftblasen oder Verunreinigungen – für reine Flüssigkeiten eignet sich das Verfahren nicht.

Derartig geringe Mengen spielen in der Medizin, der Pharmazie und der Mikroreaktionstechnik eine Rolle, wo einer Flüssigkeit genau dosierte Medikamente oder Reaktionspartner zugemischt werden müssen. Zur Zeit arbeiten die Wissenschaftler daran, die Durchflussmenge, die gemessen werden kann, noch einmal um den Faktor Hundert auf die winzige Menge von zehn Mikroliter zu senken. Um den Transport solch geringer Flüssigkeitsmengen messen zu können, tasten die Chemnitzer Forscher die gläserne Mikroleitung optisch ab. Aus der Geschwindigkeit der enthaltenen Teilchen berechnen die Wissenschaftler dann den Durchfluss.

Das Chemnitzer Verfahren ist nicht das einzige zur Messung sehr kleiner Durchflussmengen. Es hat jedoch gegenüber anderen Methoden, etwa der Wärmeimpulsmessung, eine ganze Reihe von Vorteilen. So ist es unabhängig von Druck, Temperatur oder elektrischer Leitfähigkeit, und auch die Zähigkeit (Viskosität, zum Beispiel bei Honig oder Lacken) spielt keine Rolle.

Die Chemnitzer Forscher können aber nicht nur kleine Durchflussmengen von wenigen Milliliter pro Stunde messen, auch wahre Rauschbäche von zwei Kubikmetern pro Sekunde – das Siebenmilliardenfache – machen ihnen keine Schwierigkeiten. Solche Riesenmengen sind in der Technik nicht ungewöhnlich, etwa bei Kühlwasserpumpen für Kraftwerke, bei Ölpipelines oder bei der Abwässerreinigung. Die Leitungen sind dann natürlich größer und können schon mal einen Durchmesser von mehreren Metern haben. Doch auch für derartige Probleme haben die Wissenschaftler Lösungen entwickelt – gemeinsam mit der SIVUS Verfahrens-, Umwelt- und Sensortechnik, einem An-Institut der Uni. Bisher benutzt man hierzu meist Messflügel, die aufwendig gewartet und zudem öfter nachgeeicht werden müssen.

Die in Chemnitz für diese Zwecke entwickelten optischen Sensoren sind hingegen praktisch wartungsfrei. Dennoch kann es, zum Beispiel bei Abwässern, schon mal zu einer Verschmutzung kommen. Auch hier haben die Wissenschaftler vorgesorgt und gleich eine automatische Spülung mit eingebaut, die den Sensor sofort wieder fit macht. Das dient Umwelt und Geldbeutel gleichermaßen: Eine richtig eingestellte Pumpenanströmung verbessert den Wirkungsgrad der Pumpe, und bei einem Stromverbrauch von einigen Megawatt fällt das ins Gewicht. Kein Wunder, dass sich die Industrie bereits für das Messverfahren interessiert – der Pumpen- und Ventilhersteller KSB aus dem pfälzischen Frankenthal benutzt das Chemnitzer Know-how, um seine Produkte zu testen und optimal einzustellen.

Daneben haben die Forscher auch noch eine mobile optische Sonde entwickelt, mit der sich vor Ort messen lässt. Die Sonde wird einfach in die Leitung eingeführt und erfasst die Geschwindigkeit. Ein kleiner Computer berechnet dann daraus und aus den Strömungsverhältnissen den Durchfluss. Bei Vergleichsmessungen an der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt zeigte sich, dass der Messfehler dabei unter einem halben Prozent liegt. Mit der Mobil-Sonde kann man daher einen fest installierten Durchflussmesser anderer Bauart kontrollieren. Der Durchmesser der Leitung spielt dabei keine Rolle.