Der Capuccino-Effekt ist ein akustisches Phänomen, das nach dem Umrühren einer Tasse Capuccino auftritt.

Bild: iStock, franconiaphoto

Tomografisches Sensorsystem Wie der Cappuccino-Effekt Verfahrenstechnik effizienter macht

16.12.2020

Wer seinen Cappuccino umrührt und dann mit dem Löffel mehrmals gegen den Tassenrand klopft, um den Milchschaum abzuschütteln, bemerkt: Der Ton wird jedes Mal höher. Wie dieser Effekt der Industrie nutzen kann, zeigt jetzt ein junger Doktorand der FH Münster.

Der Grund für den sogenannten Cappuccino-Effekt ist, dass die Gaskonzentration abnimmt, die Schallgeschwindigkeit aber steigt. Diesen Zusammenhang – in der Fachsprache Wood-Korrelation genannt – macht sich Michael Elfering von der Fachhochschule Münster zunutze.

Der Doktorand am Fachbereich Maschinenbau überträgt in seinem Promotionsvorhaben das Phänomen im großen Stil auf verfahrenstechnische Prozessanlagen wie beispielsweise Biogasfermenter. Er entwickelt hierzu ein tomografisches Sensorsystem, mit dem sich der Gasgehalt in Flüssigkeiten bestimmen lässt. Und obwohl der 28-Jährige damit noch relativ am Anfang steht, ist bereits sicher: Grundsätzlich funktioniert sein System.

Schallmessung im Wassertank

„Meine Simulationen haben positive Ergebnisse geliefert“, sagt Elfering. „Jetzt will ich herausfinden, ob es auch in der Praxis klappt.“ Deshalb hat er im Labor für Strömungstechnik und -simulation von Prof. Dr. Hans-Arno Jantzen auf dem Steinfurter Campus einen riesigen Behälter aufgebaut, der bis zum Rand mit Wasser gefüllt ist – insgesamt sind es 3 m3. Im Inneren des oberen Bereichs sind mehrere Lautsprecher montiert. Daneben hängen Unterwassermikrofone, sogenannte Hydrophone.

Ein Lautsprecher sendet immer Schall, die Mikrofone zeichnen ihn auf: ein klassisches Sender-Empfänger-Modell. „Dadurch messe ich die Laufzeit, also wie lange der Schall für die Strecke von A nach B braucht“, erklärt Elfering. „So finde ich heraus, wie schnell oder langsam er ist.“

Auf diese Weise entsteht ein Netz aus Einzelmessstrecken mit jeweils individuellen Signallaufzeiten. Diese Werte fließen anschließend in ein mathematisches Modell, auf Basis dessen entwickelt Elfering dann die tomografische Rekonstruktion der lokalen Schallgeschwindigkeit. „So kann ich Rückschlüsse ziehen, wie genau sich der Gasgehalt in der Flüssigkeit verteilt.“

Großes Potenzial für die Industrie

Dieses Verhältnis zwischen Gas und Flüssigkeit könnte unter anderem für Biogasanlagen interessant sein. Elfering: „Durch mein System ließe sich genau analysieren, in welchem Bereich der Prozess der Biogasgewinnung besonders effektiv abläuft und in welchen Bereichen es noch Verbesserungsbedarf gibt. Bislang gibt es diese Möglichkeit nicht.“

Doch bis dieses Ziel erreicht ist, ist es noch ein weiter Weg, wie der Doktorand einräumt. „Irgendwann plane ich Messungen in einer echten Anlage, das wird aber frühestens 2021 der Fall sein“, sagt er. Unterstützung erhält Elfering vom Elektronikentwicklungsunternehmen Trilogik aus Emsdetten, das ihm als Forschungspartner bei der elektrotechnischen Umsetzung des komplexen Systems aus Sensorik, Verstärkern und Beschaltung hilft.

Laborleiter Jantzen, der das Promotionsvorhaben inhaltlich betreut, ist von der bisherigen Arbeit des Maschinenbauers begeistert: „Michael Elferings Forschungsidee liefert die vielversprechende Grundlage für ein System, das für viele Anlagen in Industrie und Verfahrenstechnik einen großen Mehrwert bieten wird.“

Das Projekt startete im September 2019 und läuft noch bis zum 31. August 2022. Gefördert wird es vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen von KMU-innovativ.

Bildergalerie

  • Michael Elfering startet die Anlage. Im Behälter sind die blauen Lautsprecher und die kleinen, schwarzen Unterwassermikrofone zu sehen.

    Bild: Katharina Kipp, FH Münster

  • Das Plakat im Hintergrund zeigt das Netz aus Einzelmessstrecken mit jeweils individuellen Signallaufzeiten. Diese Werte fließen dann in ein mathematisches Modell.

    Bild: Katharina Kipp, FH Münster

  • 3 m3 Wasser passen in den Behälter, der auf dem Steinfurter Campus im Labor für Strömungstechnik und -simulation steht.

    Bild: Katharina Kipp, FH Münster

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