Experimentelle Untersuchungen zur Kalibrierung von Lorentzkraft- Anemometern für die Durchflussmessung in Flüssigmetallströmungen bei metallurgischen Hochtemperaturprozessen

Gramß, Michael

This work is dedicated to experimental investigations for the calibration of a Lorentz forceflowmeter in liquid metal flows. A Lorentz force flowmeter is an electromagnetic Flowmeterwhich is developed at Ilmenau University of technology.Using this device volume flux can be measured in hot and aggressive media such as liquidmetal flows. A Lorentz force flowmeter is consisting of a magnet system attached to a forcesensor. The produced force due to the interaction of the magnetic field with the liquid metalflow is proportional to the metered flow. Besides other properties such as the magnetic fluxdensity of the magnet system and the electrical conductivity of the media are influencing themeasurement result. Therefore a calibration of the Lorentz force flowmeter is necessary.First tests in industry showed, that the so called dry calibration, where the liquid metal flow ina launder is modeled by solid bodies with fixed width and different heights, has to becompleted by a wet calibration. One hypothesis is that results of dry calibration can betransferred to results of wet calibration, if one master Lorentz force flowmeter of the series iscalibrated with wet and dry calibration. To calibrate this device two experimental facilitieswere planned, set up and instrumented. Using the so called dry calibration basic influenceson the measured force of a Lorentz force flowmeter can be investigated. During the so calleddry calibration the metered flow is varied by the velocity of the bars and by using different barheights. The dry calibration set up was enhanced and improved. A new dry calibration set upwas planned and build up based on the next generation of Lorentz force flowmeters. Theflow velocity is influencing the produced force linearly, whereas the height of the flow volumeinfluences the force nonlinear, with a cubic trend. Forces up to 4.5N could be measured. Theelectrical conductivity of the media is direct proportional to the force.For the so called wet calibration an experimental set up called LiTinCa is planned, build upand instrumented. For this set up pure tin at temperatures between 240°C and 380°C isused. Due to open channel flow in this facility the flow velocity cannot be separated from theheight of liquid metal. Therefore the mass flux is investigated. First results are showing alinear coherence between mass flux and produced force. Here forces up to 2,5N can beobserved. Comparing the results of dry calibration and wet calibration some conclusions andsuggestions for improvements are given. The measurements are showing trends whichsupport the hypothesis that dry calibration results can be transferred to wet calibrationresults. For an ultimate decision further investigation with respect to the suggestions forimprovements should be carried out. Furthermore Tintelo, a closed loop facility with tin attemperatures of 400°C for basic research in magnetohydrodynamics was planned and setup. In comparison to LiTinCa investigations of Lorentz force flowmeter in continuous flowregimes can be carried out. Thus longer measuring cycles are possible. Due to limited timeno additional measurements using this set up could be done.

Die Arbeit beschäftigt sich mit experimentellen Untersuchungen zur Kalibrierung vonLorentzkraft-Anemometern in Flüssigmetallströmungen. Ein Lorentzkraft-Anemometer ist einelektromagnetisches Durchflussmessgerät, das an der TU Ilmenau entwickelt wird. Mitdiesem Gerät ist es möglich, berührungsfrei Durchflüsse in heißen und aggressiven Medien,wie Flüssigmetallschmelzen zu messen. Ein Lorentzkraft-Anemometer besteht aus einemMagnetsystem, das mit einem Kraftsensor gekoppelt ist. Die durch die Wechselwirkung desMagnetfeldes mit der strömenden Metallschmelze entstehende Kraft ist proportional zumDurchfluss. Daneben beeinflussen aber noch zahlreiche andere Faktoren, wie diemagnetische Flussdichte des Magnetsystems oder die elektrische Leitfähigkeit derSchmelze, das Messergebnis. Deshalb ist eine Kalibrierung des Systems notwendig. ErsteTestmessungen in der Industrie zeigten, dass die trockene Kalibrierung, bei der dieSchmelze in einer Gießrinne durch Festkörper mit festgelegter Breite und verschiedenenHöhen modelliert wird, um eine nasse Kalibrierung ergänzt werden muss. Eine Hypotheseist, dass die Ergebnisse der trockenen Kalibrierung in die Ergebnisse der nassenKalibrierung überführt werden können, wenn ein einziges Lorentzkraft-Anemometer dergleichen Charge mit trockener und nasser Kalibrierung untersucht wird. Für die Kalibrierungdes Gerätes wurden zwei Versuchsanlagen geplant, aufgebaut und instrumentiert. Mit Hilfeder sogenannten trockenen Kalibrierung können grundlegende Einflussfaktoren auf diegemessene Kraft des Lorentzkraft-Anemometers untersucht werden. Der Versuchsaufbauder trockenen Kalibrierung wurde weiterentwickelt und verbessert. Für die nächsteGeneration von Lorentzkraft-Anemometern wurde die Anlage neu konstruiert und aufgebaut.Der Durchfluss wird bei dieser Methode durch Variation der Geschwindigkeit derProbekörper und durch verschiedene Höhen der Probekörper verändert. Damit ergibt sicheine Abhängigkeit der Lorentzkraft von der Strömungsgeschwindigkeit und von der Höhe desdurchströmten Volumens. Es stellt sich eine lineare Abhängigkeit der Kraft von derStrömungsgeschwindigkeit ein. Es werden Kraftwerte bis 4,5N gemessen. Die Höhe desdurchströmten Volumens zeigt eine nichtlineare, kubische Abhängigkeit. Die elektrischeLeitfähigkeit ist direkt proportional zur erzeugten Kraft.Für die sogenannte nasse Kalibrierung wurde die Versuchsanlage LiTinCa geplant,aufgebaut und instrumentiert. Diese Anlage arbeitet mit Reinzinn bei Temperaturen zwischen240°C und 380°C. In dieser Anlage können Strömungsgeschwindigkeit und die Höhe desdurchströmten Volumens aufgrund der vorherrschenden Gerinneströmung nicht getrenntbetrachtet werden. Es wird deshalb der Massenstrom für die Betrachtungen herangezogen.Erste Ergebnisse zeigen eine lineare Abhängigkeit zwischen Kraft und Massenstrom. Es werden Kraftwerte bis 2,5N verzeichnet. Die Ergebnisse der trockenen Kalibrierung und der nassen Kalibrierung werden verglichen und daraus Schlussfolgerungen und Verbesserungsvorschläge erarbeitet.Es können bereits tendenzielle Übereinstimmungen festgestellt werden, die die Hypothese einer Überführbarkeit der Ergebnisse unterstützen. Um aber eine endgültige Aussage über die Überführbarkeit der trockenen in nasse Kalibrierung treffen zu können, sollten weitere Untersuchungen unter Berücksichtigung der Verbesserungsvorschläge angestellt werden.Weiterhin wurde die Grundlagenforschschungsanlage Tintelo geplant und aufgebaut. Hier wird Zinn bei 400°C in einem geschlossenen Ringkanal verwendet. An der horizontalen Testsektion der Anlage können, im Gegensatz zu LiTinCa, Untersuchungen an Lorentzkraft-Anemometer mit kontinuierlicher Flüssigmetallströmung durchgeführt werden. Dadurch werden Kalibrierungen mit längeren Messzeiten möglich. Aus Zeitgründen konnten hier noch keine Messungen erfolgen.

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Gramß, Michael: Experimentelle Untersuchungen zur Kalibrierung von Lorentzkraft- Anemometern für die Durchflussmessung in Flüssigmetallströmungen bei metallurgischen Hochtemperaturprozessen. 2014.

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