DE102009036703A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Messung der Bewegungsgeschwindigkeit bewegter elektrisch leitfähiger Substanzen - Google Patents

Abstract

Mit der vorliegenden Erfindung soll eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Messung der Bewegungsgeschwindigkeit bewegter elektrisch leitfähiger Substanzen bereitgestellt werden, die die Abhängigkeit des Messsignals eines Lorentzkraft-Anemometers von der elektrischen Leitfähigkeit eliminiert. Die Lösung dieser Aufgabe gelingt durch Hintereinanderanordnung von mindestens zwei Lorentzkraft-Anemometern und den Vergleich der von ihnen gemessenen Kraftsignale. Anwendung kann diese Erfindung insbesondere in der Metallurgie finden.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit elektrisch leitfähiger Fluide sowie zur Messung der Bewegungsgeschwindigkeit fester elektrisch leitfähiger Materialien.
• Die genaue Messung von Strömungsgeschwindigkeiten und Durchflussmengen ist für metallurgische Prozesse, für die Züchtung von Halbleiter-Einkristallen sowie für die Herstellung von Glas von großer Bedeutung. Die genannten Substanzen sind während des Schmelzprozesses heiß und aggressiv, so dass sie Sonden oder Messfühler, mit denen sie in direktem mechanischem Kontakt stehen, beschädigen und zerstören. Aus diesem Grund sind berührungslose Verfahren, insbesondere magnetische Verfahren, für solche Messaufgaben besonders geeignet.
• Aus den Druckschriften DE 33 47 190 A1 , DE 43 16 344 A1 und DE 19 22 311 C2 sind berührungslose elektromagnetische Strömungsmessverfahren bekannt, bei denen ein Magnetfeld (das sogenannte Primärfeld) in die Substanz eingekoppelt wird und die von Wirbelströmen induzierte Magnetfeldstörung (das sogenannte Sekundärfeld) als Maß für die Strömungsgeschwindigkeit dient. Die Messgenauigkeit solcher Systeme ist jedoch in einer elektromagnetisch gestörten Umgebung, die für metallurgische Betriebe typisch ist, stark eingeschränkt, da die Magnetfeldsensoren aufgrund ihrer geringen räumlichen Ausdehnung bereits durch kleinste parasitäre Fluktuationen des Magnetfeldes beeinträchtigt werden.
• Die genannten Nachteile werden durch die in den Druckschriften JP 57199917 A , US 6538433 B1 , JP 07181195 A , WO 00/58695 , WO 2007/033982 A1 beschriebenen Messeinrichtungen und Verfahren teilweise überwunden. Sie sind dadurch gekennzeichnet, dass anstatt einer direkten Messung des Sekundärfeldes eine Messung der vom Sekundärfeld auf das magnetfelderzeugende System ausgeübten Lorentzkraft vorgenommen wird. Das Verfahren wird im Folgenden als Lorentzkraft-Anemometrie, die das Verfahren verkörpernde Messeinrichtung als Lorentzkraft-Anemometer bezeichnet. Trotz ihrer Vorzüge gegenüber den erstgenannten Messeinrichtungen besitzen die bislang existierenden Lorentzkraft-Anemometer den Nachteil, dass sie nicht direkt die Strömungsgeschwindigkeit, sondern das Produkt aus Strömungsgeschwindigkeit und elektrischer Leitfähigkeit messen. Da bei zahlreichen Anwendungen die elektrische Leitfähigkeit einer strömenden Schmelze oder eines bewegten Festkörpers unbekannt ist und zudem von wechselnden Temperaturen und Materialzusammensetzungen beeinflusst wird, ist eine genaue Messung der gesuchten Strömungsgeschwindigkeit oft nicht möglich.
• Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, die Nachteile aus dem Stand der Technik zu überwinden und eine Vorrichtung und ein Verfahren bereitzustellen, mit denen die Abhängigkeit des Messsignals von der unbekannten oder veränderlichen elektrischen Leitfähigkeit beseitigt wird.
• Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe vorrichtungsseitig durch die Merkmale des ersten Patentanspruches und verfahrenseitig durch die Merkmale des fünften Patentanspruches gelöst. Bevorzugte weitere Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den Patentansprüchen 2 bis 4 gekennzeichnet, während bevorzugte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens in den Patentansprüchen 6 bis 8 angegeben sind.
• Die Strömungen von Flüssigmetallen sind häufig turbulent. Ein solcher Strömungszustand ist durch das Vorhandensein räumlich und zeitlich ungeordneter Wirbelstrukturen gekennzeichnet, die auch als Wirbelballen bezeichnet werden. Wie in der Druckschrift A. Thess, E. Votyakov, B. Knaepen, O. Zikanov, Theory of the Lorentz Force Flowmeter, New J. Phys., vol. 9, 299, 2007, Seiten 1–27 nachgewiesen wurde, erzeugen diese Wirbelballen beim Vorbeilaufen an einem Lorentzkraft-Anemometer charakteristische instationäre Signale. Ferner können die Wirbelballen trotz des ungeordneten Charakters turbulenter Bewegung über längere Zeit hinweg formstabil mit der Hauptströmung mitgetragen werden. Als Lösung für die oben gestellten Aufgaben ist eine gattungsgemäße Geschwindigkeitsmessvorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass zwei oder mehrere Lorentzkraft-Anemometriesysteme in Hauptströmungsrichtung hintereinander angeordnet sind. Vergleicht man die von diesen Systemen gemessenen Signale beispielsweise durch Berechnung der Kreuzkorrelationsfunktion, so ergibt sich daraus die Zeit, die ein Wirbelballen für das Durchlaufen des Abstandes zwischen den Systemen benötigt. Dividiert man diese Zeit durch den Abstand der hintereinander angeordneten Systeme, so ergibt sich daraus eine Größe, die zur mittleren Strömungsgeschwindigkeit proportional ist. Die vorstehenden Ausführungen lassen sich sinngemäß auf bewegte Festkörper übertragen. In einem Festkörper ist die elektrische Leitfähigkeit in der Regel räumlich nicht homogen. Diese Inhomogenitäten erzeugen bei der Relativbewegung bezüglich zweier hintereinander angeordneter Lorentzkraft-Anemometer ebenfalls charakteristische Signalmuster, die durch die oben genannten Methoden miteinander verglichen werden können.
• Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus dem folgenden, anhand von 1 erläuterten Ausführungsbeispiel.
• 1 – prinzipielle Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung
• 1 zeigt eine mit der mittleren Geschwindigkeit v bewegte, von einer Wand (6) begrenzte elektrisch leitfähige Flüssigkeit (5). Die Figur gilt jedoch ebenso, wenn (5) als bewegter Festkörper interpretiert wird und die Wand (6) fehlt. Die in der Nähe der bewegten Substanz angeordneten Magnetsysteme (1) erzeugen am Ort der Substanz ein inhomogenes Magnetfeld. Jedes der Magnetsysteme ist mit je einem Kraftmesssystem (2) gekoppelt, welches mindestens je eine Richtungskomponente der auf das Magnetsystem wirkenden Lorentzkraft misst. Es liegt jedoch auch im Rahmen der Erfindung, die Kraftmesssysteme so auszulegen, dass sie mehrere der drei Kraft- und mehrere der drei Drehmomentkomponenten messen, die auf jedes Magnetsystem wirken. Es liegt ebenso im Rahmen der Erfindung, das Magnetsystem so auszulegen, dass es ein oszillierendes oder gepulstes Magnetfeld erzeugt.
• Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der Geschwindigkeitsmesseinrichtung lässt sich für Flüssigkeiten realisieren. Sie besteht darin, das in Bewegungsrichtung erste Magnetsystem als magnetisches Hindernis auszubilden. Unter einem magnetischen Hindernis ist ein räumlich lokalisiertes Magnetfeld zu verstehen, dessen Stärke so groß ist, dass es in der vorbeiströmenden Flüssigkeit eine räumlich periodische Anordnung von Wirbeln, eine sogenannte Wirbelstraße, erzeugt. Wie in der Druckschrift E. Votyakov, Y. Kolesnikov, O. Andreev, E. Zienicke, A. Thess, "Structure of the Wake of a magnetic obstacle", Phys. Rev. Lett, vol. 98, 2007, 144504 gezeigt wurde, erzeugt ein magnetisches Hindernis starke, zeitlich periodische Verwirbelungen. Für den Fall, dass die auf natürliche Weise in der Strömung vorhandenen Wirbelballen nicht genügend stark ausgeprägt sind, um von den hintereinander liegenden Lorentzkraft-Anemometern detektiert zu werden, lassen sich solche Wirbel durch ein magnetisches Hindernis erzeugen. Diese Weiterbildung ist nur in Flüssigkeiten anwendbar, da in einem bewegten Festkörper keine inneren Bewegungen induziert werden können.
• Bezugszeichenliste

1

Magnetsystem

2

Kraftmesssystem

3

Auswerteeinheit

4

Magnetfeldlinie

5

bewegte elektrisch leitfähige Substanz

6

Wand

v

Bewegungsgeschwindigkeit

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• - DE 3347190 A1 [0003]
• - DE 4316344 A1 [0003]
• - DE 1922311 C2 [0003]
• - JP 57199917 A [0004]
• - US 6538433 B1 [0004]
• - JP 07181195 A [0004]
• - WO 00/58695 [0004]
• - WO 2007/033982 A1 [0004]
• Zitierte Nicht-Patentliteratur
• - Druckschrift A. Thess, E. Votyakov, B. Knaepen, O. Zikanov, Theory of the Lorentz Force Flowmeter, New J. Phys., vol. 9, 299, 2007, Seiten 1–27 [0007]
• - Druckschrift E. Votyakov, Y. Kolesnikov, O. Andreev, E. Zienicke, A. Thess, ”Structure of the Wake of a magnetic obstacle”, Phys. Rev. Lett, vol. 98, 2007, 144504 [0011]

Claims (8)

1. Vorrichtung zur Messung der Bewegungsgeschwindigkeit v bewegter elektrisch leitfähiger Substanzen unter Ausnutzung der Lorentzkraft dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens zwei in der Nähe der bewegten elektrisch leitfähigen Substanz (5) positionierte Magnetsysteme (1), die bezüglich der Hauptbewegungsrichtung der elektrisch leitfähigen Substanz hintereinander angeordnet und jeweils mit einem Kraftmesssystem (2) gekoppelt sind und eine Auswerteeinheit (3) umfasst.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetsysteme (1) aus Permanentmagneten oder Spulen aufgebaut sind.
3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitfähige Substanz (5) eine in einem Rohr oder einer Rinne befindliche bewegte elektrisch leitfähige Flüssigkeit ist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitfähige Substanz (5) ein bewegter elektrisch leitfähiger Festkörper ist.
5. Verfahren zur Messung der Bewegungsgeschwindigkeit v bewegter elektrisch leitfähiger Substanzen unter Ausnutzung der Lorentzkraft mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetsysteme (1) in der bewegten elektrischen Substanz (5) jeweils ein räumlich inhomogenes Magnetfeld (4) erzeugen, die Kraftmesssysteme (2) gleichzeitig jeweils eine Komponente der auf die Magnetsysteme (1) wirkenden Lorentzkräfte als Funktion der Zeit messen und in der Auswerteeinheit (3) die Bewegungsgeschwindigkeit v durch Berechnung der Kreuzkorrelationsfunktion zwischen den mit den Kraftmesssystemen (2) gemessenen Signalen ermittelt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftmesssysteme (2) mehrere Komponenten der auf die Magnetsysteme (1) wirkenden Lorentzkräfte als Funktion der Zeit messen.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6 dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetsysteme (1) ein oszillierendes oder gepulstes Magnetfeld erzeugen.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7 mit einer Vorrichtung nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass die zur Bestimmung der Bewegungsgeschwindigkeit v dienenden räumlich inhomogenen Strömungsstrukturen mittels eines als magnetisches Hindernis ausgelegten Magnetsystems (1) erzeugt werden.

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