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

Within the scope of the Sonderforschungsbereich (SFB), project A07 is concerned with the development of miniature lagrangian sensors for determining process parameters in fluidized bed reactors to enable process control. These sensors are intended to be swirled around inside the reactor during the process to measure parameters such as temperature, humidity, and process progress. Unlike temperature measurement, which can be achieved with conventional sensors, measuring humidity and process progress is not immediately possible.

To determine these parameters, the project relies on changes in electrical conductivity during the process. The conductivity is dependent on the increasing fluidized bed thickness and changing water content. Conductivity measurement is carried out using electrical impedance spectroscopy (EIS), where a defined current is passed through a substrate during voltage measurement. Subsequent comparison with previously measured conductance behavior provides insight into the current reactor state.

A particular challenge in this regard is the optimization of the electronic circuitry. One possible approach is to use a parametric electrical equivalent model of the measurement path, including the sample under investigation. The parameterization can be achieved through finite element simulation (FEM) in established software.

The task is to develop a FEM model in Comsol that correctly represents a coated sensor particle’s shell including electrodes. The starting point is a solid coating state but could be extended to a fluid state. In a second step, an equivalent circuit model for Spice is to be derived and parametrized according to the Comsol simulations. The Comsol-Spice export may or may not be a suitable tool for that. In the final stage, the electrode design is to be analyzed by using the Spice model in terms of a sensitivity study and to be enhanced. The goal is to achieve a better understanding of the electrical characteristics of the system using a model based approach and enhancing the electrode design.

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 Optimierung der elektronischen Schaltung. 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.

Die hier augeschriebene Arbeit soll sich mit der Entwicklung eines elektrischen Ersatzmodells der Messstrecke und deren Parametrisierung beschäftigen. Für die Parametrisierung ist die Verwendung etablierter fenite Elemente Software vorgesehen.