Lorentzkraft-Anemometrie von elektrisch schwach leitfähigen Fluiden

Diethold, Christian GND

Die Lorentzkraft-Anemometrie stellt ein neuartiges, berührungsloses Messverfahren zur Bestimmung von Durchflüssen bzw. Strömungsgeschwindigkeiten von elektrisch leitfähigen Fluiden dar. Das strömende Fluid erzeugt in Verbindung mit einem externen Magnetfeld eine Lorentzkraft, die mittels eines Kraftmesssystems berührungslos erfasst wird. Gegenüber anderen Durchflussmessverfahren können die Fluide heiß, chemisch aggressiv und opak sein. Die Lorentzkraft, welche von schwach leitfähigen Fluiden, wie Elektrolyten, in der magnetischen Wechselwirkung hervorgerufen wird, liegt in der Größenordnung von wenigen Mikronewton. Die besondere Herausforderung besteht darin, dass das am Kraftmesssystem befestigte Magnetsystem zur Erzeugung des erforderlichen magnetischen Feldes hingegen eine Gewichtskraft in der Größenordnung von mehreren Newton aufweist. Der Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit liegt in der Entwicklung und Untersuchung eines Kraftmesssystems, welches auf dem Kompensationsprinzip beruht. Hierbei wird die zu messende Lorentzkraft durch eine ihr proportionale Gegenkraft elektromagnetisch kompensiert. Zur Charakterisierung und Kalibrierung des Kraftmesssystems wird ein Kalibriersystem entwickelt, welches auf dem Prinzip der elektromagnetischen Krafterzeugung beruht. Die messtechnischen Eigenschaften und die Messunsicherheit des Kalibriersystems werden vor allem von der Ausrichtung der Spule zum Topfmagneten und dem Spulenstrom bestimmt. Das Kalibriersystem ermöglicht eine Krafterzeugung, die unabhängig von der Erdbeschleunigung ist. Dies stellt einen entscheidenden Vorteil gegenüber der Kalibrierung mit Gewichtsstücken dar. Die Untersuchungen zur Durchflussmessung mittels des auf Basis des entwickelten Kraftmesssystems umgesetzten Lorentzkraft-Anemometers werden an Salzwasser durchgeführt. Dieses Modellfluid ist transparent und bei Zimmertemperatur flüssig, somit können verschiedene kommerzielle Referenzmesssysteme zur Bestimmung des Durchflusses genutzt werden. Weiterhin kann die elektrische Leitfähigkeit des Fluids durch die Salzkonzentration variiert werden. Es wird nachgewiesen, dass die ermittelte Lorentzkraft proportional zur Strömungsgeschwindigkeit und zur elektrischen Leitfähigkeit des Fluids ist. Wesentliche Einflussfaktoren auf die gemessene Lorentzkraft stellen die Neigung und die Schwingung des Messaufbaus dar.

The Lorentz force velocimetry is a novel, non-contact measurement method for the determination of flow rates and flow velocities of electrically conducting fluids. The moving fluid generates the Lorentz force with an external magnetic field. The Lorentz force is measured contactless with a force measurement system. In contrast to other flow measurement techniques the fluids can be hot, chemically aggressive and opaque. The Lorentz force which is generated by poorly conducting fluids like electrolytes in presence of a magnetic field is in the micro Newton range. The magnet system which generates the magnetic field and which is attached to the force measurement system has a weight force in the range of several Newton which is a particular challenge. The main task of the work is the development of a force measurement system which is based on the principle of compensation. The acting Lorentz force is compensated by an equivalent electromagnetic force. The force measurement system is characterized and calibrated using a calibration system which bases on the principle of electromagnetic force generation. Its metrological properties and its uncertainty are mainly influenced by the alignment of the voice coil towards its magnet and the current. The calibration system enables the possibility of generating forces which are independent of the gravitational acceleration. This is a crucial advantage compared to the calibration using standard mass pieces. The investigations of the flow rate using Lorentz force velocimetry perform on salt water as model fluid. This model fluid is transparent and liquid at room temperature therefore several commercial reference measurement systems can be used for the determination of flow rate. Furthermore the fluid's electrical conductivity can be varied by changing the salt concentration. It is shown that the measured Lorentz force is proportional to the flow rate and the electrical conductivity of the fluid. The measured Lorentz force is substantially influenced by the titling of the measurement setup and its vibration.

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Diethold, Christian: Lorentzkraft-Anemometrie von elektrisch schwach leitfähigen Fluiden. Ilmenau 2017.

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