High resolution force measurement system for Lorentz force velocimetry

Yan, Na GND

Die Lorentzkraft-Anemometrie wurde als neuartige Methode für die berührungslosen Geschwindigkeitsmessungen leitfähiger Strömungen entwickelt. Die induzierte Lorentzkraft ist proportional zur Strömungsgeschwindigkeit. Mit einem Kraftmesssystem kann die Reaktionskraft der induzierten Lorentzkraft, die auf das integrierte Magnetsystem wirkt, gemessen werden. Dadurch kann die Strömungsgeschwindigkeit bestimmt werden. Die Eigenschaften der Geschwindigkeitsmessung hängen von den Eigenschaften des Kraftmesssystems ab. Bei Fluiden mit geringer elektrischer Leitfähigkeit, wie z.B. Elektrolyten, liegt die erzeugte Lorentzkraft im Bereich von Mikronewton und darunter. Das Kraftmesssystem unterstützt eine Masse eines Magnetsystems von ca. 1 kg. Deshalb ist das Ziel dieser Arbeit ein Kraftmesssystem zu entwickeln, welches auf der einen Seite eine verbesserte Kraftauflösung in horizontaler Richtung für niedrigleitende Elektrolyte aufweist und auf der anderen Seite die Tragfähigkeit der Eigenlast von über 1 kg zur Unterstützung des integrierten Magnetsystems gewährleistet. In vorherigen Arbeiten wurde die Wägezelle nach dem Prinzip der elektromagnetischen Kraftkompensation (EMK-Wägzelle) in aufgehängter Konfiguration mit dem 1 kg Magnetsystem zur Messung der Lorentzkraft verwendet. Basierend auf verschiedenen Experimenten in dieser vorgestellten Arbeit wird festgestellt, dass aufgrund des mechanischen Aufbaus sowohl Neigungsempfindlichkeit als auch Steifigkeit der EMK-Wägezelle stark von der genutzten Konfiguration und dem Gewicht der unterstützten Eigenlast abhängig sind. Um die durch diese Abhängigkeiten verursachten Einflüsse zu minimieren, wird ein Torsionskraftmesssystem basierend auf dem Prinzip der Torsionswaage entwickelt. Diese ist theoretisch neigungsunempfindlich und behält bei unterschiedlichen Eigenlasten eine konstante Steifigkeit bei. Die Auslenkungsmessungen werden verwendet, um die Ausgangsspannung des Torsionskraftmesssystems sowohl in Positionswerten als auch in Kraftwerten zu kalibrieren. Ein Closed-Loop-Betriebsmodus wird mithilfe eines PID-Reglers aufgebaut, mit dem die Grenzfrequenz von 0,002 Hz auf 0,1 Hz verbessert wird. Ein spezialangefertigter kapazitiver Aktor wird entwickelt, um eine rückführbare elektrostatische Kraft zu erzeugen, die anstelle der elektromagnetischen Kraft verwendet werden kann. Um die elektrostatische Kraft zu kalibrieren, werden drei Methoden genutzt: (a) durch Messung des Kapazitätsgradienten; (b) durch Vergleich mit einer elektromagnetischen Kraft und (c) durch Messung des induzierten Stroms in einem Velocity-Modus. Bei der Datenauswertung wird eine numerische Verarbeitung mit Newton-Polynominterpolation durchgeführt, um die thermischen und seismischen Störungen und Driften während der Messungen zu schätzen und zu korrigieren. Im Vergleich zu vorherigen Arbeiten, wo die Kraftauflösung auf 20 nN und die Eigenlast auf 3 kg begrenzt waren, ist das Torsionskraftmesssystem in der Lage, Kräfte bis zu 2 nN aufzulösen und eine Eigenlast bis zu 10 kg zu tragen. Schließlich wird die sogenannte Halb-Trocken-Kalibrierung am Torsionskraftmesssystem durchgeführt. Die Messempfindlichkeit wird für unterschiedliche Leitfähigkeiten ermittelt. Basierend auf den experimentellen Ergebnissen, zeigt das Torsionskraftmesssystem das Potential, um Messungen mit weiter geringerer Leitfähigkeit bis hinunter zu 0.0064 S/m durchzuführen.

The Lorentz force velocimetry (LFV) was introduced as a novel method for non-contact velocity measurements of electrically conducting flows. The induced Lorentz force is proportional to the flow velocity. Using the force measurement system (FMS), the reaction force of the induced Lorentz force that acts on the integrated magnet system can be measured, the velocity of the moving flow can be thereby determined. The characteristics of the measured flow velocity depend on the properties of the FMS. For weakly electrically conducting fluids like electrolytes, the induced Lorentz force is in the range of micronewton and below. The mass of the magnet system supported by the FMS is approximately 1 kg. Therefore, the aim of this work is to develop a FMS with the improved force resolution in horizontal direction for weakly conducting electrolytes, and also with the dead load capacity of over 1 kg for supporting the integrated magnet system. In previously developed FMSs, the electromagnetic force compensation (EMFC) weighing cell was used in its suspended configuration carrying the 1 kg magnet system to measure the Lorentz force. Based on various experiments in the presented work, it is found that due to its mechanical structure, the tilt sensitivity and the stiffness of the EMFC system are strongly dependent from the configuration it is used and the weight of dead load it supports. In order to minimize the influences caused by the dependency, the torsion force measurement system (TFMS), which is theoretically tilt-insensitive as well as retains a constant stiffness with different applied dead load values, is developed in this work based on the principle of torsion balance. The deflection measurement as a traceable method is introduced to calibrate the output of the TFMS into positioning as well as force values. The closed-loop operation mode is built based on PID-controller, by which the cutoff frequency is improved from lower than 0.002 Hz to 0.1 Hz. A customized capacitive actuator is set up to create traceable electrostatic force (ESF), which is a reasonable replacement of the electromagnetic force (EMF). Then, the ESF is calibrated using three methods: (a) by measuring capacitance gradient; (b) by comparing with the EMF and (c) by measuring the induced current in a velocity mode. Numerical processing using newton's polynomial interpolation is carried out in the data evaluation to estimate and compensate the thermal and seismic drifts during the measurements. In comparison with previous work where the force measurement resolution was limited to 20 nN and dead load up to 3 kg, the TFMS is able to resolve forces down to 2 nN and also makes it possible to carry the dead load up to 10 kg. Finally, the so-called semi-dry calibration is carried out on the TFMS. The measuring sensitivity is obtained in respect to different conductivity values. Based on the experimental results, the TFMS shows a potential to implement velocity measurements with further lower conductivity down to 0.0064 S/m.

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Yan, Na: High resolution force measurement system for Lorentz force velocimetry. Ilmenau 2019.

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