Lorentz force sigmometry novel technique to measure the electrical conductivity of solid and fluid metals

Alkhalil, Shatha GND

Lorentz force sigmometry, "LOFOS," is a novel technique with three different configuration setups for measuring different physical properties of molten metals such as electrical conductivity, viscosity, and density. However, this thesis focuses on measuring the electrical conductivity of the solid and molten metals using the so-called mobile LOFOS setup. 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:2007]. This force linearly depends on the electrical conductivity of the conducting fluid and can be measured using force sensors. The aim of this study was to test and successfully prove that LOFOS can measure the electrical conductivity of solid and molten metals. Several experiments were performed to achieve this goal, starting with experiments using three solid cylindrical bars made of copper, aluminum, and brass 300 mm in length and 10 mm in diameter. The first series of experiments were carried out with known electrically conductive metals, aluminum and copper, in order to compute the calibration factor of the device. We then used the same calibration factor to estimate the unknown electrical conductivity of a brass bar [Alkhalil: 2015]. The setup of LOFOS for solid measurements required some technical changes as compared to the one for fluid measurements. This modification was necessary to extend the interaction time between the solid bar and the external magnetic field generated by a Halbach cylinder magnet. The second series of experiments were with molten metals. The first series with known physical properties alloy having the composition of Ga67In20.5Sn12.5. This is a eutectic alloy at room temperature, and its melting temperature is Tm = 10.5 °C whereas the second series was carried out with high-temperature molten tin at Tm = 232 °C. For fluid measurements, we fabricated a special quartz conical vessel able to withstand temperatures ranging from room temperature up to 1000 °C. The nozzle had a diameter of 8 mm, and it allowed the flow of molten metal across the magnet system during some seconds, which is reasonable for measuring the Lorentz force with good accuracy. In order to protect the LOFOS force measurement system from high temperatures, we added an external air compressor pump to the LOFOS setup. Both experiments with solid and molten metals prove that Lorentz force sigmometry is able to measure the electrical conductivity of solid and molten metals. The uncertainty of solid measurements is in total up to 5%, while for molten metals measurements is less than 10% .

Lorentzkraft Sigmometrie „LOFOS“ ist eine neuartige Technik zur Messung unterschiedlicher physikalischer Eigenschaften von Flüssigmetall, wie der elektrischen Leitfähigkeit, Viskosität oder Dichte. Der Fokus dieser Arbeit liegt auf der Messung der elektrischen Leitfähigkeit von festen und flüssigen Metallen mit dem sogenannten mobilen LOFOS. Diese Technik basiert auf den Grundsätzen der Magnetohydrodynamik: Durch die Bewegung eines elektrischen Leiters in einem von außen angelegtem Magnetfeld werden Wirbelströme innerhalb des Leiters induziert. Nach dem Ampereschen Gesetz erzeugen diese Wirbelströme wiederrum ein sekundäres Magnetfeld. Durch Wechselwirkung zwischen den Wirbelströmen und dem magnetischen Gesamtfeld entstehen Lorentzkräfte, die den Fluss abschwächen. Nach Newtons drittem Gesetz (actio und reactio) wirken die Lorentzkräfte auch auf den Magneten mit gleichem Betrag, aber in entgegengesetzter Richtung [Thess:2007]. Diese Kraft kann gemessen werden und ist proportional zu der elektrischen Leitfähigkeit des flüssigen oder festen Leiters. Diese Tatsache wird für die kontaktlose Geschwindigkeitsmessung „Lorentz force velocimetry“ und für die Erkennung von Defekten in Festkörpern „Lorentz force eddy "current testing“ genutzt. Ziel dieser Arbeit ist es zu testen und zu zeigen, dass LOFOS erfolgreich die elektrische Leitfähigkeit von festen und flüssigen Metallen messen kann. Mehrere Experimente wurden durchgeführt um dieses zu zeigen, beginnend mit festen Zylindern aus Kupfer, Aluminium und Messing, die eine Länge von 300 mm und einem Durchmesser von 10 mm haben. Die ersten Experimente wurden an Metallen mit bekannter elektrischer Leitfähigkeit durchgeführt (Aluminium und Kupfer), um den Kalibrierungsfaktor zu ermitteln. Dieser Kalibrierungsfaktor wurde dann benutzt um die Leitfähigkeit eines Zylinders aus Messing zu messen [Alkhalil: 2015]. Die Anordnung von LOFOS für die Messung an Festkörpern bedarf einiger technischer Veränderungen im Vergleich zu der Messung an Fluiden. Diese Veränderungen sind nötig um die Zeit der Wechselwirkung zwischen Festkörper und externen magnetischen Feld, welches durch einen Halbach Zylinder Magneten erzeugt wird, zu verlängern. Die zweite Reihe an Experimenten erfolgte mit Flüssigmetall. Zu Beginn wurde die Legierung Ga67In20.5Sn12.5 verwendet, deren physikalische Eigenschaften bekannt sind. Diese eutektische Legierung hat einen Schmelzpunkt von 10.5 °C und ist daher flüssig bei Raumtemperatur, wohingegen die zweiten Versuche mit flüssigem Zinn durchgeführt wurden, welches einen Schmelzpunkt von 232 °C hat. Für die Strömungsmessungen fertigten wir einen speziellen kegelförmigen Behälter aus Quarz an, welcher Temperaturen von Raumtemperatur bis zu 1000 °C aushält. Die Düse hat einen Durchmesser von 8 mm und ermöglicht den Durchfluss von flüssigem Metall durch das Magnetsystem in Dt=5s, was notwendig für die Messung der Lorentzkraft mit hoher Genauigkeit ist. Um das LOFOS Lorentzkraft Messsystem vor hohen Temperaturen zu schützen, haben wir eine externe Luftkompressor Pumpe hinzugefügt. Beide Experimente bestätigen, dass Lorentzkraft Sigmometrie die elektrische Leitfähigkeit von festen und flüssigen Metall ermitteln kann. Der Fehler für die Messungen an Festkörpern beträgt bis zu 5%, für die Messungen an flüssigem Metall bis zu 10%.

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Alkhalil, Shatha: Lorentz force sigmometry novel technique to measure the electrical conductivity of solid and fluid metals. Ilmenau 2016.

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