MA: Development and Parametrization of an Electrical Model Using Finite Element Method (FEM)

As part of the Collaborative Research Center (SFB), project A07 is concerned with the development of miniature Lagrangian sensors to determine process variables in fluidized bed reactors in order to enable process control. The sensors are also to be swirled around in the reactor during the process in order to measure parameters such as temperature, humidity and process progress. In contrast to temperature measurement, which can be realized with conventional sensors, the measurement of moisture and process progress is not directly possible.

To determine these parameters, the change in electrical conductance during the process is used. The conductance is dependent on the increasing fluidized bed thickness and the changing water content. Conductance is measured using electrical impedance spectroscopy (EIS), in which a defined current is passed through a substrate while measuring the voltage. A subsequent comparison with a previously measured conductance behavior provides insight into the current reactor state.

A particular challenge here is the interpretation of the electrical impedances to derive the system state. One possible approach is to use a parameterized electrical equivalent model of the measurement section including the sample to be examined. The parameterization can be achieved via a finite element simulation (FEM) in established software and converted into a linear LTI equivalent model.

The work described here deals with the development of an electrical LTI replacement model of the measuring section and its parameterization. Part of the task is the creation of an FEM model with the Comsol Multiphysics software. For model validation, the measurement of layers remote from the process, whose electrical properties are known, is suitable. The next step is to examine the unknown coatings using the FEM method and derive a coherent LTI model. The LTSpice software is ideal for this.

Im Rahmen des Sonderforschungsbereichs (SFB) beschäftigt sich das Projekt A07 mit der Entwicklung von Miniatur-Lagrangesensoren zur Ermittlung von Prozessgrößen in Wirbelschichtreaktoren, um eine Prozessregelung zu ermöglichen. Die Sensoren sollen während des Prozesses ebenfalls im Reaktor umhergewirbelt werden, um Parameter wie Temperatur, Feuchtigkeit und den Prozessfortschritt zu vermessen. Im Gegensatz zur Temperaturmessung, die mit herkömmlichen Sensoren realisiert werden kann, ist die Messung von Feuchtigkeit und Prozessfortschritt nicht unmittelbar möglich.

Für die Bestimmung dieser Parameter soll auf die Veränderung des elektrischen Leitwertes wärend des Prozesses zurückgegriffen werden. Der Leitwert ist hierbei von der steigenden Wirbelschichtdicke und dem sich änderenden Wassergehalt abhängig. Eine Leitwertmessung erfolgt über die so genannte elektrische Impedanzspektroskopie (EIS), bei der unter Spannungsmessung ein definierter Strom durch ein Substrat geleitet wird. Ein nachfolgender Abgleich mit einem zuvor vermessenem Leitwertsverhalten gibt Einblick in den aktuellen Reaktorzustand.

Eine besondere Herausforderung ist hierbei die Interpretation der elektrischen Impedanzen zur Ableitung des Systemzustandes. Eine mögliche Herangehensweise ist die Verwendung eines parametrisierten elektrischen Ersatzmodells der Messtrecke inklusive der zu untersuchenden Probe. Die Parametrisierung kann über eine finite elemente Simulation (FEM) in etablierter Software erreicht werden und in ein lineares LTI Ersatzmodell überführt werden.

Die hier augeschriebene Arbeit soll sich mit der Entwicklung eines elektrischen LTI Ersatzmodells der Messstrecke und deren Parametrierung beschäftigen. Teil der Aufgabe sind die Erstellung eines FEM-Modells mit der Software Comsol Multiphysics. Zur Modellvalidierung bietet sich die Vermessung von prozessfernen Schichten an, deren elektrische Eigenschaften bekannt sind. In weiteren Schritten gilt es dann, die unbekannten Beschichtungen über das FEM-Verfahren zu untersuchen und ein stimmiges LTI-Modell abzuleiten. Hierfür bietet sich die Software LTSpice an.