High precision force measurements in horizontal direction in combination with high dead loads: non-contact flowmeter for low conducting electrolytes

Vasilyan, Suren GND

The Lorentz Force Velocimetry (LFV) is a non-contact technique to measure flow rate of an electrically conducting fluid exposed to an externally applied magnetic field. The flow measurement is enabled by measuring the Lorentz force (F_L), generated in the flow and linearly proportional to the mean flow velocity, electrical conductivity and magnetic field in the second power, with application specific force measurement systems (FMS). This work is mainly devoted to the development of suitable FMSs for LFV applications in a special case when the measurand force acts horizontally on the magnet system and ranges about 1 uN. The magnet system, weighing 1 kg and suspended from FMS, is an essential component of the LFV application. Thus, they produce an unavoidable force on FMSs in vertical direction due to the gravity force (F_g approx 10 N). A special focus of this work is to increase the relative resolution of the force measurements, i.e. the ratio of the horizontally directed force measurement resolution over the total weight of the dead load (magnet system and suspension mechanism)-std(F_L)/F_g. Initially, a set of extensive measurements are made using previously developed FMSs. Environmental influences are studied and their impact on measurement results are identified (thermal drift and vibration noise). The work then progresses to address how the relative resolution of the measurements can be increased using the difference method of force measurements to reduce the influence of these errors. Then, a new approach to measure F_L in LFV applications is presented, based on electromagnetic force compensation method directly applied on LFV magnets. Generalized theoretical description of the proposed method is provided based on the design of the existing LFV application and the complete analytical model and analysis. Overall, the performances of three newly developed FMSs are presented. Further, the practical measurements of F_L on two different salt-water channels are made showing several significant improvements achieved by this work. In comparison with previous works the resolution of force measurements from 1 uN to 20 nN are increased, providing a factor of 50 improvement. By this, improved performance of the LFV application is validated and the flow rate measurements according to LFV theory are enabled for 2 orders of magnitude lower values of electrical conductivity, until 0.059 S/m. Finally, measurements for lower ranges of the electrical conductivity 0.005 S/m to 0.059 S/m are presented and some remarks on unexpected new results are discussed.

Die Lorentzkraftanemometrie ist ein berührungsloses Verfahren zur Messung der Durchflussgeschwindigkeit elektrisch leitfähiger Fluide. Sie basiert auf der Wirkung der Lorentzkraft, die vom leitfähigen Fluid beim Durchströmen eines von außen angelegten Magnetfeldes entsteht. Die Stärke der Lorentzkraft ist linear proportional zur Fließgeschwindigkeit und Leitfähigkeit sowie quadratisch proportional zur magnetischen Feldstärke. Die Arbeit konzentriert sich hauptsächlich auf die Entwicklung geeigneter Kraftmesssysteme zur hochauflösenden Erfassung der in horizontaler Richtung wirkenden Lorentzkraft, in einem Messbereich von etwa 1 uN. Die zur Erzeugung des Magnetfeldes benötigten Permanentmagneten sind beweglich mittels einer Aufhängung am Messsystem (1 kg schwer) angebracht. Durch sie wirkt eine nicht zu vermeidende Kraftkomponente von ca. 10 N in vertikaler Richtung. Ein besonderer Fokus dieser Arbeit liegt auf der Erhöhung der relativen Auflösung der Kraftmessung, d. h. dem Quotienten der kleinsten in horizontaler Richtung auflösbaren Kraftkomponente und der Totlast (Aufhängung mit Magnetanordnung)—std(F_L)/F_g. Zunächst werden umfangreiche Messungen mit bestehenden Kraftmesssystemen vorgenommen. Die äußeren Störeinflüsse (z. B. thermische Drift und Vibrationen) wurden untersucht und ihre Auswirkungen auf Messergebnisse identifiziert. Darauf basierend wird ein Konzept vorgestellt, um diese Störeinflüsse mithilfe von Differenzmessungen zu reduzieren und damit die relative Auflösung zu erhöhen. Anschließend wird ein neues Verfahren zur Messung der Lorentzkräfte auf Grundlage der elektromagnetischen Kraftkompensation präsentiert. Eine allgemeine theoretische Beschreibung und Analyse für die vorgeschlagene Methode auf Basis der verwendeten Messsysteme erfolgt mithilfe eines analytischen Modells. Die Funktionsfähigkeit für alle drei neu entwickelten Kraftmesssystemen wurden vorgestellt. Neue experimentelle Untersuchungen dieser Arbeit an zwei verschiedenen Salzwasserkanälen zeigen die signifikanten Verbesserungen bei der Bestimmung der F_L. Im Vergleich zu den vorherigen Systemen konnte eine Erhöhung der Auflösung der Kraftmessung von 1 uN auf 20 nN erreicht werden, mit einem Verbesserungsfaktor 50. Dies erlaubt rechnerisch die Messung der Strömungsgeschwindigkeit von Fluiden mit einer um 2 Größenordnungen geringeren elektrischen Leitfähigkeit, bis zu 0,059 S/m. Praktische Messungen mit Flüssigkeiten mit einer Leitfähigkeit von 0,005 S/m to 0,059 S/m werden präsentiert und die unerwarteten neune Ergebnisse diskutiert.

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Vasilyan, Suren: High precision force measurements in horizontal direction in combination with high dead loads: non-contact flowmeter for low conducting electrolytes. Ilmenau 2016.

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