DE102018121103B4

DE102018121103B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Detektion, Quantifizierung und Lokalisierung von elektrisch leitfähigen Partikeln in einer Mehrphasenströmung

Info

Publication number: DE102018121103B4
Application number: DE102018121103.1A
Authority: DE
Inventors: Andreas Wiederhold; Thomas Boeck
Original assignee: Technische Universitaet Ilmenau
Current assignee: Technische Universitaet Ilmenau
Priority date: 2018-08-29
Filing date: 2018-08-29
Publication date: 2021-03-25
Anticipated expiration: 2038-08-30
Also published as: DE102018121103A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Detektion, Quantifizierung und Lokalisierung von elektrisch leitfähigen Partikeln in einer Mehrphasenströmung. Hierfür werden in Strömungsrichtung (x-Richtung) ein ausgedehntes, dipolartiges Magnetfeld M1 sowie ein zweites, in z-Richtung inhomogenes Magnetfeld M2 verwendet. Die sich zeitlich und örtlich ändernden Signalverläufe der auf Systeme zur Erzeugung der Magnetfelder wirkenden Kräfte werden erfasst und aus den erfassten Kraft-Maxima und Kraft-Minima die Partikelparameter ermittelt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Detektion, Quantifizierung und Lokalisierung von elektrisch leitfähigen Partikeln in einer Mehrphasenströmung, wobei im Folgenden mit Detektion das Vorhandensein eines Partikels, mit Quantifizierung die Messung oder Berechnung aus gemessenen Werten von Partikelgröße, Strömungsgeschwindigkeit sowie elektrischer Leitfähigkeit eines Partikels und mit Lokalisierung die Ermittlung der Position eines Partikels in der Mehrphasenströmung in Bezug auf einen definierten Fixpunkt (Bezugssystem) bezeichnet wird.
Ein Anwendungsgebiet der vorliegenden Erfindung ist die Strömungsmesstechnik für Mehrphasenströmungen. Mehrphasenströmungen sind Strömungen mit mehr als einer Phase, z. B. Wasser und Öl, bzw. allgemein mehrere verschiedene Fluide oder Kombinationen aus Gasen, Flüssigkeiten und Feststoffen und treten in einer Vielzahl technischer Prozesse auf. Besonders hervorzuheben sind hierbei biotechnische, lebensmitteltechnische oder chemische Prozesse, in denen granulare Medien oder Partikelströmungen eine Rolle spielen. Bei vielen dieser Prozesse ist ein Kontakt des Messsystems mit dem strömenden Fluid aus technischen oder hygienischen Gründen nicht möglich bzw. nicht gewünscht.
Mit der vorliegenden Erfindung werden ein Verfahren und eine dazugehörige Vorrichtung vorgeschlagen, mit denen makroskopische, elektrisch leitfähige Partikel in einer Mehrphasenströmung berührungslos detektiert, vermessen und lokalisiert werden können, wobei ein optischer Zugang zur Mehrphasenströmung nicht erforderlich ist. Einsatzmöglichkeiten der Erfindung liegen in der Überwachung von hydraulischen Systemen, der Vermessung granularer Medien und der Vermessung von Partikelströmungen. Alternativ kann auch die elektrische Leitfähigkeit eines Partikels und somit das Material der dispersen Phase bestimmt werden.
Die geläufigsten Methoden zur Messung von Partikeln in Strömungen sind optischer Natur. Diese Techniken arbeiten zwar nicht-invasiv, setzen jedoch einen optischen Zugang zur Strömung voraus, der nicht immer gegeben ist. Zudem sind sie auf eine Transparenz der zusammenhängenden Phase angewiesen.
Beispiele für optische Messmethoden sind die Particle-Tracking-Velocimetry (PTV), vorgestellt in [1], bei der die Messung eines Geschwindigkeitsfeldes und der Bahnkurven von Partikeln mit Hilfe eines Lichtschnitts und einer speziellen Kameratechnik realisiert wird, und die in [2] beschriebene Phasen-Doppler-Anemometrie (PDA), bei der die Geschwindigkeit und Partikelgröße in einem Fluid mit Hilfe eines Lasers ortsaufgelöst gemessen wird.
Die Particle-Tracking-Velocimetry (PTV) ist ein der Particle-Image-Velocimetry (PIV) verwandtes Verfahren zur Verfolgung von Partikeln in einer Strömung. Ähnlich zur PIV ist die PTV aufwendig in ihrer Anwendung, da große Datenmengen anfallen und somit hohe Computer-Rechenzeiten für deren Auswertung erforderlich sind. Dies verhindert oftmals Momentanmessungen. Zudem ist dieses Verfahren nicht zur Größenbestimmung und Lokalisierung einzelner Partikel gedacht. Vielmehr setzt dieses Messverfahren eine homogene Partikelverteilung voraus.
Die Phasen-Doppler-Anemometrie (PDA) ist ein punktuell messendes Verfahren und somit ungeeignet für eine räumliche Anwendung. Es müsste erst aufwendig mit Hilfe eines Traversiersystems die Fläche abgerastert werden, was in der Folge aber auch nicht den realen Strömungszustand wiedergibt, sondern nur ein zeitlicher Mittelwert ist. Zudem schränkt die räumliche Auflösung bis 100 µm den Anwendungsbereich der PDA weiter stark ein.
Nachteilig wirken sich für diese beiden laserbasierten Messverfahren auch die hohen Anschaffungskosten für die Vorrichtungen zu ihrer Durchführung aus.
Andere optische Messverfahren sind als Lichtverdunkelungsverfahren (light obscuration method), bei denen die Verdunkelung einer Lichtquelle als Maß für die Partikelgröße genommen wird, und Lichtstreuverfahren (light scattering method), offenbart in DE 10 2012 201 423 A1 , bei denen das Streulicht eines Partikels als Maß für die Partikelgröße dient, bekannt. Außerdem ist in [4] die Durchflusszytometrie als Streulicht- oder fluoreszenzbasiertes Verfahren mit einem weiten Bereich von untersuchbaren Partikeldurchmessern beschrieben. Diese Verfahren werden bevorzugt für die Vermessung von mikroskopischen Partikeln eingesetzt, können aber auch zur Vermessung von makroskopischen Partikeln (~ 1 mm) verwendet werden.
Eine weitere sehr einfache Möglichkeit makroskopische Partikel zu vermessen ist der Einsatz von Lichtschranken.
Schließlich wird in DE 10 2013 015 016 A1 die Detektion von Partikeln und die Bestimmung von deren Geschwindigkeiten durch Korrelation von Zeitsignalen mit Hilfe von Detektoren beschrieben.
Neben den optischen Messverfahren sind aus dem Stand der Technik auch Ultraschallmessverfahren bekannt [6]. Dabei wird Ultraschall in eine Strömung eingekoppelt und von den Partikeln reflektiert. Ultraschallmessverfahren können einen großen Bereich von Partikelgrößen (10 nm - 1 mm) abdecken. Sie erfordern jedoch direkten Kontakt zur Rohr- bzw. Kanalwand, da andernfalls eine sehr starke Reflexion der ausgesendeten Schallwellen eine Messung erschwert bzw. ganz verhindert. Hieraus ergibt sich ein limitierter Temperatureinsatzbereich, da die Sensoren thermisch über die Gefäßwand an das Fluid gekoppelt sind.
Als weitere (semi-) nicht-invasive Verfahren zur Detektion und Messung von Partikeln oder Defekten sind an dieser Stelle die Lorentzkraft-Anemometrie (s. hierzu DE 10 2013 006 182 A1 oder [5]), Wirbelstromverfahren ( EP 1 933 129 B1 ) oder kapazitive Messungen [6] zu nennen. Diese Verfahren beruhen jeweils auf einer Änderung der generierten Lorentzkraft oder der Impedanz oder der Kapazität bei Vorhandensein von Partikeln oder Defekten in einem Fluid.
So können z.B. mit dem in der DE 10 2013 006 182 A1 beschriebenen Verfahren nichtleitende bewegte Defekte detektiert werden, es gelingt aber nicht, deren Geschwindigkeit zu bestimmen bzw. die Defekte zu lokalisieren. Ursache hierfür ist die symmetrische Anordnung des magnetfelderzeugenden Systems. Weiterhin greift die Vorrichtung invasiv in die Strömung ein und leitet das Fluid mittels Unterdruck in eine Prüfstrecke ein.
In [5] wird die auf eine bewegte, elektrisch leitfähige Kugel wirkende Lorentzkraft berechnet. Es werden analytische Herleitungen aufgezeigt, jedoch wird nicht erwähnt, wie mit Hilfe der berechneten Kräfte die elektrische Leitfähigkeit, Geometrieparameter, der Ort oder die Geschwindigkeit eines Partikels berechnet werden können. Dazu sind weitere Kenntnisse über den speziellen Kraftverlauf notwendig, die in diesem Artikel nicht betrachtet werden. Schließlich wird in EP 1 933 129 B1 noch ein Wirbelstromverfahren zur Detektion elektrisch leitfähiger Partikel offenbart. Hierbei werden eine Sender- und mehrere Empfängerspulen benötigt, mit denen die Wirbelstromänderungen gemessen werden können. Aufgrund der Funktionsweise der Vorrichtung wird diese nur für mikroskopische Partikel eingesetzt. Es kann auch lediglich nur einer von zwei Parametern bestimmt werden: Strömungsgeschwindigkeit oder Partikelgröße.
Außerdem ist noch zu erwähnen, dass die für kapazitive Messverfahren verwendeten Sensoren invasiv in die Strömung eingreifen und somit im Fall von aggressiven oder stark reaktiven Fluiden einer hohen Korrosion unterliegen.
Schließlich sind aus der EP 3 143 929 A1 und der WO 2013/000853 A1 Verfahren zur Detektion von magnetischen Partikeln bekannt. Dabei wird bei der in EP 3 143 929 A1 vorgeschlagenen Lösung eine Mehrphasenströmung senkrecht zur Strömungsrichtung mit einem dipolartigen Magnetfeld durchsetzt und mit Hilfe dieses lokal nicht gesättigten Magnetfeldes können die magnetischen Partikel detektiert werden (Magnetpartikelbildgebung). Dahingegen werden gemäß dem in der WO 2013/000853 A1 vorgestellten Verfahren magnetische Nanopartikel mittels gegensätzlich gepolter Magnete detektiert (Durchflusszytometrie).
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, die aufgezeigten Nachteile aus dem Stand der Technik zu überwinden und ein verbessertes Verfahren und eine dazugehörige Vorrichtung zur Detektion, Quantifizierung und Lokalisierung von elektrisch leitfähigen Partikeln in einer Mehrphasenströmung bereitzustellen, mit denen die elektrisch leitfähigen Partikel nicht-invasiv und unabhängig von deren Opazität detektiert, vermessen und lokalisiert werden können.
Erfindungsgemäß gelingt die Lösung dieser Aufgabe mit den Merkmalen des ersten und achten Patentanspruchs. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Lösung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt:

1 - eine Übersicht der zu ermittelnden Partikelparameter (Partikelradius r, Partikelgeschwindigkeit v, Partikelabstand h von einem Bezugspunkt)
2- den sich zeitlich ändernden Signalverlauf der auf das System zur Erzeugung eines Magnetfeldes wirkenden Lorentzkraft F_a(t), wenn ein elektrisch leitfähiges Partikel den Wirkbereich eines dipolartigen Magnetfeldes passiert
3- den sich örtlich ändernden Signalverlauf der auf das System zur Erzeugung eines Magnetfeldes wirkenden Lorentzkraft F_a(x), wenn ein elektrisch leitfähiges Partikel den Wirkbereich des dipolartigen Magnetfeldes passiert
4- die Abhängigkeit des Abstandes Δx der Lorentzkraft-Maxima F₂ vom Abstand h des Zentrums eines Partikels zur Oberfläche des Systems zur Erzeugung eines dipolartigen Magnetfeldes
5- eine Prinzipdarstellung eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung

Eine Mehrphasenströmung (6), beispielsweise eine Partikelströmung, in einem fluidführenden System (4) (Rohr, Kanal, Gerinne) wird einem von einem ersten System (1a) zur Erzeugung eines Magnetfeldes bereitgestellten, ausgedehnt dipolartigen Magnetfeld M1 ausgesetzt (5). Passiert ein elektrisch leitfähiges Partikel (5) das Magnetfeld M1 so wirkt auf dieses eine Lorentzkraft F_a. Diese Kraft F_a wird annähernd durch folgende Gleichung beschrieben: $F_{a} \sim σ {vB}_{a}^{2} r^{5}$
wobei σ die elektrische Leitfähigkeit eines elektrisch leitfähigen Partikels (5), v seine Geschwindigkeit, B_a die magnetische Flussdichte des dipolartigen Magnetfeldes und r der Radius des Partikels ist.
Eine zur Lorentzkraft F_a betragsmäßig gleich große Kraft wirkt in entgegengesetzter Richtung auf das System (1a) zur Erzeugung eines Magnetfeldes, welches vorzugsweise ein kubischer Permanentmagnet (z. B. aus NdFeB) ist. Das vom ersten System (1a) bereitgestellte Magnetfeld M1 ist erfindungsgemäß dipolartig und mit einem konstanten Flussdichteverlauf ausgebildet. Ein zweites, sich anschließendes und senkrecht zur Strömungsrichtung x trapez- oder keilförmig ausgebildetes System (1b) zur Erzeugung eines Magnetfeldes ist ausschließlich für die Höhenbestimmung (z-Koordinate) des Partikels (5) im fluidführenden System (4) zuständig. Dies gelingt durch Nutzung der Variabilität des Flussdichteverlaufs entlang der z-Koordinate und der hohen Sensitivität der absolut gemessenen Lorentzkraft mit Bezug auf die magnetische Flussdichte B_b.
Mit Hilfe der mit einer Kraftmesseinrichtung (2) erfassten sich zeitlich und örtlich ändernden Signalverläufe der auf die Systeme (1a, 1b) wirkenden Kräfte lässt sich in einer Datenverarbeitungseinheit (3) auf Geschwindigkeit und Größe des Partikels (5) sowie dessen Abstand zu den Systemen (1a, 1b) schließen. Die Kraftmesseinrichtung (2) kann dabei nach dem Prinzip der elektromagnetischen Kraftkompensation (EMK) arbeiten. EMK-Waagen gehören gegenwärtig zu den präzisesten kommerziell verfügbaren Kraftmesseinrichtungen. Denkbar sind aber auch Wägezellen oder aufgrund der dynamischen Messung mögliche Piezokraftsensoren.
In der Datenverarbeitungseinheit (3) werden aus den erfassten Signalverläufen die gesuchten Partikelparameter ermittelt. Dabei muss im Auswertealgorithmus eine bestimmte Reihenfolge eingehalten werden, welche im Folgenden aufgelistet und anschließend beschrieben wird:

1. Bestimmung des Partikelabstands h vom System (1a) zur Erzeugung eines dipolartigen Magnetfeldes M1 und somit Lokalisierung des Partikels in y-Richtung
2. Bestimmung des Abstands Δx der Kraftmaxima F₂
3. Bestimmung der Partikelgeschwindigkeit v
4. Bestimmung der Partikelgröße r bzw. d
5. Lokalisierung des Partikels in z-Richtung mit Hilfe des Systems (1b) zur Erzeugung eines in z-Richtung inhomogenen Magnetfeldes

In einem ersten Schritt wird das zu vermessende Partikel (5) lokalisiert, indem der Abstand h zwischen dem ersten System (1a) zur Erzeugung eines dipolartigen Magnetfeldes M1 (im Allgemeinen die Oberfläche eines Magneten oder einfach ein definierter Punkt auf seiner Oberfläche) und dem Partikelzentrum (im Allgemeinen der Schwerpunkt des Partikels) bestimmt wird (s. 1).
Die in 2 dargestellte besondere Form der zeitlichen Änderung des Kraftsignals F_a, bei der die Kraftmaxima F₂ durch starke Magnetfeldgradienten beim Ein- und Austritt des Partikels (5) in / aus dem Wirkbereich des Magnetfeldes M1 hervorgerufen werden und die Abnahme der auf das System (1a) wirkenden Kraft im mittleren Teil des konstanten Flussdichteverlauf resultiert, wird für das Verhältnis zwischen dem Kraftmaximum F₂ und lokalem Kraftminimum F₁ genutzt (F_rel = (F₂- F₁)/F₁), um die Entfernung h des Partikels als Funktion von F_rel zu ermitteln. Es gilt: $h = \sqrt[b]{\frac{F_{2} - F_{1}}{c F_{1}}} = \sqrt[b]{\frac{F_{r e l}}{c}} \to h \sim c_{1} \sqrt[b]{F_{r e l}}$
wobei b und c Kalibrierfaktoren sind.
In 3 ist eine weitere Besonderheit des verwendeten dipolartigen Magnetfeldes B_a dargestellt. Es hat sich erwiesen, dass die Position der Kraftmaxima F₂ abhängig von der Entfernung h des Partikels (5) vom ersten System (1a) ist, wobei x = 0 als Mittelpunkt des Systems (1a) in x-Richtung (= Strömungsrichtung) definiert ist (s. hierzu das Koordinatensystem in 1). Die Abhängigkeit Δx(h) nimmt aufgrund des dipolartigen Magnetfeldes B_a eine spezielle Form an und kann im für die Anwendung interessanten Messbereich näherungsweise mit einem Polynom 6. Ordnung beschrieben werden (s. 4). Der Abstand Δx verringert sich im Nahbereich des Systems (1a) zuerst, steigt für größere Abstände h jedoch linear an. Mit Kenntnis dieser Abhängigkeit Δx(h) (Kalibrierung notwendig) ist die Berechnung von Δx möglich.
Im nächsten Schritt wird aus den bisher erfassten bzw. ermittelten Daten die Geschwindigkeit des Partikels (5) bestimmt: $v = Δ x/ Δ t_{1}$
wobei Δt, hierbei der zeitliche Abstand der Kraftmaxima F₂ (2) ist.
Abschließend wird aus dem Betrag des Kraftsignals (ΔF = F₂ - F₀) die Partikelgröße d bestimmt. Dabei ist F₀ bei einer nichtleitenden Flüssigkeit in der sich der Partikel bewegt gleich Null, bzw. entspricht einer gemessenen Lorentzkraft, wenn eine elektrisch schwach leitfähige Flüssigkeit untersucht wird. Die Partikelgröße d ist dabei in 5. Ordnung abhängig von ΔF: $Δ F \sim d^{5}$
Alternativ kann bei Bekanntsein der Partikelgröße d oder der Geschwindigkeit des Partikels die elektrische Leitfähigkeit σ und somit das Material bestimmt werden. Die elektrische Leitfähigkeit σ ist direkt proportional zu ΔF: $Δ F \sim σ$
Passiert das Partikel (5) das zweite System (1b) zur Erzeugung eines in z-Richtung inhomogenen Magnetfeldes M2, ist zusätzlich eine Höhenbestimmung (z-Koordinate) möglich. Das Kraftsignal ist sehr ähnlich dem in 2 oder 3 dargestellten und der absolute Wert der Kraftmaxima gibt Aufschluss über den Ort des Partikels in z-Richtung. Strömt bspw. das Partikel im oberen Bereich des Kanals, wird aufgrund der größeren magnetischen Flussdichte eine vielfach höhere Kraft gemessen, als wenn sich das Partikel im mittleren oder gar unteren Bereich des Kanals befindet.
Mit der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren offenbart, bei dem speziell in Strömungsrichtung (x-Richtung) ein ausgedehntes, dipolartiges Magnetfeld M1 verwendet wird. Dies bewirkt im Nahbereich der Kanten des Systems (1a) zur Erzeugung dieses Magnetfeldes jeweils einen starken Gradienten, währenddessen in seinem mittleren Bereich ein konstanter Flussdichteverlauf zu verzeichnen ist.
Das zweite System (1b) zur Erzeugung eines in z-Richtung inhomogenen Magnetfeldes M2 kann z. B. trapez- oder keilförmig ausgebildet sein. Wichtig ist hierbei, dass sich seine Ausdehnung und somit die Ausdehnung des Magnetfeldes M2 in z-Richtung ändert.
Der Einsatz dieser speziell ausgebildeten Systeme (1a, 1b) zur Erzeugung der Magnetfelder M1 und M2 in Kombination mit der Kraftmessung öffnet im Gebiet der Strömungsmesstechnik einen zuvor nicht zugänglichen Bereich. Als besonders vorteilhaft erweist sich, dass das erfindungsgemäße Verfahren für optisch nicht zugängliche und / oder opake Medien geeignet ist und zudem auch nicht-invasiv und gänzlich berührungslos arbeitet und deshalb einen sehr großen Anwendungsbereich (z.B. für Messungen bei sehr hohen Temperaturen und von aggressiven Fluiden) ermöglicht.
Weitere Vorteile liegen in der Unabhängigkeit des Verfahrens von der zusammenhängenden Phase (Flüssigkeit oder Gas), in welcher sich das Partikel bewegt. Außerdem ist die Ermittlung der Anzahl und Größe (Volumen) von Partikeln mit dem vorgeschlagenen Verfahren online und in Echtzeit möglich.
Sollte zudem die zusammenhängende Phase eine elektrische Leitfähigkeit aufweisen ist eine Erweiterung der Lorentzkraft-Anemometrie mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens für die Detektion von Inhomogenitäten denkbar, so dass beispielsweise die Ermittlung der Relativgeschwindigkeiten oder des Schlupfes eines Partikels zur zusammenhängenden Phase möglich ist. Dabei überlagern sich beiden Kräfte, die jedoch anschließend differenziert werden können.
Durch kontrolliertes Einbringen eines Partikels in eine Mehrphasenströmung kann dieser als Tracerpartikel fungieren und somit die Strömungsgeschwindigkeit sowie das Strömungsprofil dieser Strömung bestimmt werden (invasives Verfahren). Außerdem ist bei bekannter Geometrie oder Geschwindigkeit des Partikels eine Messung der elektrischen Leitfähigkeit des Partikels möglich, wodurch auch auf das Material des Partikels geschlossen werden kann.
Bezugszeichenliste

1a, 1b-: Systeme zur Erzeugung von Magnetfeldern
2a, 2b: Kraftmesseinrichtungen
3: Datenverarbeitungseinheit
4: fluidführendes System (Kanal, Rohr, Gerinne)
5: elektrisch leitfähiges Partikel
6: Mehrphasenströmung (Fluid)
M1: erstes, dipolartiges Magnetfeld
M2: zweites, in z-Richtung inhomogen ausgebildetes Magnetfeld

Literaturliste

[1] - JIANG, Chanwen ; DONG, Zhibao ; WANG, Xiaoyan: An improved particle tracking velocimetry (PTV) technique to evaluate the velocity field of saltating particles. In: Journal of Arid Land, Bd. 9, 2017, H. 5, S. 727-742. - ISSN 1674-6767 (p); 2194-7783 (e). DOI: 10.1007/s40333-017-0030-6.
[2] - SOMMERFELD, M. ; QIU, H.-H.: Characterization of particle-laden, confined swirling flows by phase-doppler anemometry and numerical calculation. In: International Journal of Multiphase Flow, Bd. 19, 1993, H. 6, S. 1093-1127. - ISSN 0301-9322 (p); 1879-3533 (e). DOI: 10.1016/0301-9322(93)90080-E.
[3] - FERNANDEZ, L. A. [u.a.]: Validation of large particle flow cytometry for the analysis and sorting of intact pancreatic islets. In: Transplantation, Bd. 80, 2005, H. 6, S. 729-737. - ISSN 0041-1337 (p); 1534-0608 (e). DOI: 10.1097/01.tp.0000179105.95770.cd.
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[5] - THESS, André ; BOECK, Thomas: Electromagnetic drag on a magnetic dipole interacting with a moving electrically conducting sphere. In: IEEE Transactions on Magnetics (T-MAG), Bd. 49, 2013, H. 6, S. 2847-2857. - ISSN 0018-9464 (p); 1941-0069 (e). DOI: 10.1109/TMAG.2012.2236565. URL: https://ieeexplore.ieee.org/ielx5/20/6522160/06395257.pdf?tp=&arnumber=6395257&isnumber=6522160 [abgerufen am 17.12.2018].
[6] - YORK, T. A. [u.a.]: Particle detection using an integrated capacitance sensor. In: Sensors and Actuators A: Physical, Bd. 92, 2001, H. 1-3, S. 74-79. - ISSN 0924-4247 (p); 1873-3069 (e). DOI: 10.1016/S0924-4247(01)00542-8. URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0924424701005428/pdfft?md5=6ad3121eddfe42d32dc1297ec3524179&pid=1-s2.0-S0924424701005428-main.pdf [abgerufen am 17.12.2018].

Claims

Verfahren zur Detektion, Quantifizierung und Lokalisierung von elektrisch leitfähigen Partikeln (5) in einer Mehrphasenströmung (6), die von mindestens einem ersten und mindestens einem zweiten senkrecht zur Strömungsrichtung x ausgerichteten Magnetfeldern (M1, M2) durchsetzt ist, wobei das erste Magnetfeld (M1) in Strömungsrichtung x dipolartig und das zweite Magnetfeld (M2) senkrecht zur Strömungsrichtung x inhomogen ausgebildet ist und die sich zeitlich und örtlich ändernden Signalverläufe (F_a(x), F_a(t) und F_b(x), F_b(t)) der auf Systeme (1a, 1b) zur Erzeugung der Magnetfelder (M1, M2) wirkenden Kraft erfasst werden und die Detektion, Quantifizierung und Lokalisierung der elektrisch leitfähigen Partikel (5) in der Mehrphasenströmung (6) mit folgenden Schritten realisiert wird: • Bestimmung des Abstandes h eines Partikels (5) vom System (1a) zur Erzeugung des dipolartigen Magnetfeldes M1 und somit Lokalisierung des Partikels (5) in y-Richtung; • Bestimmung des Abstandes Δx zweier Kraftmaxima (F₂), die jeweils beim Ein- und Austritt des Partikels (5) in / aus dem Wirkbereich des Magnetfeldes (M1) durch starke Magnetfeldgradienten hervorgerufen werden; • Bestimmung der Partikelgeschwindigkeit v; • Bestimmung der Partikelgröße r oder d; • Lokalisierung des Partikels (5) in z-Richtung mit Hilfe des Systems (1b) zur Erzeugung des in z-Richtung inhomogenen Magnetfeldes (M2).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Abstand h zwischen dem Schwerpunkt des elektrisch leitfähigen Partikels (5) und der Oberfläche des Systems (1a) zur Erzeugung des ersten, dipolartigen Magnetfeldes (M1) in Strömungsrichtung x aus dem Verhältnis zwischen dem Kraft-Maximum (F_a2), welches bei Ein- oder Austritt des Partikels (5) in oder aus dem Wirkbereich des Magnetfeldes (M1) entsteht, und einem Kraft-Minimum (F_a1), welches zwischen den Kraft-Maxima (F₂) innerhalb des Wirkbereiches des Magnetfeldes (M1) entsteht, unter Berücksichtigung von Kalibrierfaktoren ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei mit Hilfe des für den elektrisch leitfähigen Partikel (5) ermittelten Abstandes h dessen Strömungsgeschwindigkeit v aus dem Abstand Δx der Kraft-Maxima (F₂) und der Verweildauer Δt₁ des Partikels (5) im Wirkbereich des ersten Magnetfeldes (M1) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Größe d des Partikels (5) aus dem Betrag ΔF des beim Ein- oder Austritt des Partikels (5) in/aus dem Wirkbereich des ersten Magnetfeldes (M1) jeweils induzierten Kraft-Maximum (F_a2) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die elektrische Leitfähigkeit σ des Partikels (5) aus dem Betrag ΔF des beim Ein- oder Austritt des Partikels (5) in/aus dem Wirkbereich des ersten Magnetfeldes (M1) jeweils induzierten Kraft-Maximum (F_a2) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Lokalisierung des elektrisch leitfähigen Partikels (5) senkrecht zur Strömungsrichtung x der Mehrphasenströmung aus den absoluten Werten der Kraft-Maxima (F_b2) der sich zeitlich und örtlich ändernden Signalverläufe (F_b(x) und F_b(t)) der auf das zweite System (1b) zur Erzeugung des zweiten Magnetfeldes (M2) wirkenden Kraft realisiert wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die auf die Systeme (1a, 1b) zur Erzeugung der Magnetfelder (M1, M2) wirkenden Kräfte berührungslos erfasst werden.
Vorrichtung zur Detektion, Quantifizierung und Lokalisierung von elektrisch leitfähigen Partikeln (5) in einer Mehrphasenströmung (6) zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Vorrichtung mindestens ein System (1a) zur Erzeugung eines dipolartigen Magnetfeldes (M1), mindestens ein System (1b) zur Erzeugung eines inhomogenen Magnetfeldes (M2), mindestens eine Signalerfassungseinheit (2a) zur Erfassung der sich zeitlich und örtlich ändernden Signalverläufe (F_a(x), F_a(t)) der auf das System (1a) wirkenden Kraft, mindestens eine Signalerfassungseinheit (2b) zur Erfassung der sich zeitlich und örtlich ändernden Signalverläufe (F_b(x), F_b(t)) der auf das System (1b) wirkenden Kraft und eine Datenverarbeitungseinheit (3), die dafür eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 auszuführen, aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Signalerfassungseinheiten (2a, 2b) ein mit den Systemen (1a, 1b) gekoppelter Kraftmesssensor sind.
Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, wobei die Systeme (1a, 1b) mit jeweils einer separaten, als Kraftmesssensor ausgebildeten Signalerfassungseinheit (2a, 2b) gekoppelt sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei die Signalerfassungseinheiten (2a, 2b) eine Vielzahl von Kraftmesssensoren umfasst, die arrayförmig und senkrecht zur Strömungsrichtung angeordnet sind.
Verwendung einer Vorrichtung zur Detektion, Quantifizierung und Lokalisierung von elektrisch leitfähigen Partikeln (5) in einer elektrisch leitfähigen Mehrphasenströmung (6) nach einem der Ansprüche 8 bis 11 zur Durchführung eines mit einem Verfahren zur Lorentzkraft-Anemometrie kombinierten Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass die relativen Strömungsgeschwindigkeiten oder der Schlupf der Partikel zur zusammenhängenden Phase ermittelt werden.