Design and laboratory test of a Lorentz force flowmeter for pipe flows

Weidermann, Christian GND

Lorentzkraft-Anemometrie ist ein universelles Verfahren zur kontaktlosen Durchflussmessung elektrisch leitfähiger Fluide. Das Verfahren beruht auf dem Prinzip der Magnetofluiddynamik, welches besagt, dass durch die Bewegung eines elektrisch leitfähigen Materials in einem externen Magnetfeld eine Lorentzkraft entsteht, die der Bewegungsrichtung des Fluids entgegenwirkt. Die Lorentzkraft kann mit Hilfe eines Kraftsensors messtechnisch erfasst und daraus die mittlere Strömungsgeschwindigkeit des Fluids abgeleitet werden. Das Ziel der Dissertation ist es, ein neuartiges Durchflussmessgerät zur kontaktlosen Messung von Strömungsgeschwindigkeiten in Rohren zu entwickeln und im Labor zu testen. Um dieses Ziel zu erreichen, wurde ein theoretisches Modell erarbeitet, welches die Reaktionsgeschwindigkeit des Messverfahrens beschreibt. Weiterhin wurden im Rahmen der Dissertation umfangreiche Designstudien für verschiedene Teilkomponenten des Messgerätes durchgeführt. Unter anderem wurden verschiedene Varianten für Magnetsysteme mittels Finiter Elemente Methode untersucht.Dabei konnte der Halbach-Zylinder mit 16 Segmenten als derzeit effektivstes Magnetsystem gefunden werden. Weiterhin wurde eine umfassende Analyse der thermischen Randbedingungen im Stahlwerk durchgeführt. Das Ergebnis der Studie zeigt, dass eine hinreichende Kühlung des Messgerätes auf weniger als 60°C Innentemperatur möglich ist. Zum Test der Messgeräte und zur Überprüfung der Modelle und Designkonzepte wurden zwei Versuchsstände konzipiert, konstruiert und aufgebaut. Das erste Experiment dient dem experimentellen Nachweis der Reaktionsgeschwindigkeit der Lorentzkraft.Das zweite Experiment dient der Kalibrierung der Messgeräte. In einer umfangreichen Studie wurden die Kalibrierkonstanten eines ausgewählten Systems für unterschiedliche Materialien und Durchmesser der Probekörper bestimmt. Über den Rahmen der Promotion hinaus wurde der erste Prototyp eines Lorentzkraft-Anemometers erfolgreich unter Industriebedingungen im Stahlwerk getestet.

Lorentz force velocimetry (LFV) is a universal flow measurement method for electrically conducting fluids. The interaction of an electrically conducting fluid with an externally applied magnetic field leads to a force that acts upon the magnetic field generating system and drags it along the flow direction [Thess et al. New J. Phys. 9 (2007) 299]. This force linearly depends on the mean velocity of the fluid flow and can be measured using force sensors. The aim of the present study is to carry out the design and laboratory test of a LFF for pipe flows. To reach this goal, a comprehensive design study of different proposals for magnet systems has been performed. A Halbach cylinder is more efficient for generating a strong magnetic field inside the area of fluid flow and increasing the quality of the measured signal. An optimization of the geometry of the Halbach cylinder for a given problem could increase the performance of the magnet system again.In order to measure the mass flux dynamically, it is important to have fundamental knowledge about the time response of the device. In this study, a simplified mathematical model has been developed and an analytical solution for the canonical problem of a sudden jump in the flow velocity has been found. The response time of the device is governed by two characteristic time constants: the electromagnetic time constant, which depends on the material properties of the fluid and the geometry of the considered problem, and the mechanical time constant, which depends on force sensors. Two laboratory experiments have been performed to proof the results of the conceptual study and the mathematical model. The first experiment is dedicated toward determining the response time, and the second experiment is for calibration of the device. The experiments show that the device is feasible for dynamical flow measurement of pipe flows. In the calibration experiment, different materials and geometries have been studied. Moreover, a nonlinear correlation between the diameter of the pipe and the Lorentz force could be observed. An additional industrial test with the first Lorentz force flowmeter for pipe flows has been performed. It seems that flow measurement is feasible, but currently, the signal is heavily disturbed by many influences. Herein, we distinguish among mechanical, electromagnetic, and thermal influences.

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Weidermann, Christian: Design and laboratory test of a Lorentz force flowmeter for pipe flows. 2013.

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