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Strömungsmessung

Forscher entwickeln berührungsloses Durchflussmessgerät

| Redakteur: Tobias Hüser

Für elektrisch leitfähige Flüssigkeiten wie Aluminium-, Stahl- oder Kupferschmelzen steht die an der TU Ilmenau entwickelte Technologie der Lorentzkraft-Durchflussmessung kurz vor der Marktreife.
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Für elektrisch leitfähige Flüssigkeiten wie Aluminium-, Stahl- oder Kupferschmelzen steht die an der TU Ilmenau entwickelte Technologie der Lorentzkraft-Durchflussmessung kurz vor der Marktreife. (Bild: TU Ilmenau)

Forscher der Technischen Universität Ilmenau haben ein Durchflussmessgerät entwickelt, dass die magnetische Strömungsmessung ohne Elektroden ermöglicht. Mit Hilfe der Lorentzkraft haben sie den Durchfluss von elektrisch leitfähigen Flüssigkeiten wie Aluminium-, Stahl-, oder Kupferschmelzen festgestellt, ohne dabei die Fluide mit einem Messinstrument berühren zu müssen.

Ilmenau – Als Michael Faraday 1832 das Induktionsgesetz entdeckte, machte er gleichzeitig den Weg für den Faraday-Durchflussmesser frei. Bis heute hat sich das Messgerät weit verbreitet, leidet aber unter einem wesentlichen Manko: Es arbeitet nicht berührungslos. Eine Arbeitsgruppe der TU Ilmenau forscht schon seit über zehn Jahren an einem magnetischen Strömungsmessverfahren, das Flüssigkeiten berührungslos untersucht. Dabei setzen die Forscher auf sogenannte Lorentzkraft-Durchflussmesser.

Wie auch beim Faraday-Durchflussmesser lassen die Entwickler ein Magnetfeld auf die Strömung einwirken, so dass die strömende Flüssigkeit die Magnetfeldlinien durchquert. Doch im Gegensatz zum Faraday-Durchflussmesser benötigen die Ilmenauer Messtechniker keine Elektroden. Sie nutzen vielmehr die Eigenschaft, dass elektrisch leitfähige Flüssigkeiten wie flüssiger Stahl die Magnetfeldlinien von starken Permanentmagneten sanft verbiegen, wenn sie an diesen vorbeifließen. Der Grund ist die Lorentzkraft.

Je schneller die Flüssigkeit fließt und je besser sie den elektrischen Strom leitet, desto stärker ist diese Kraft, die von den Forschern gemessen wird, um daraus die Strömungsgeschwindigkeit zu berechnen. Bei gut elektrisch leitfähigen Flüssigkeiten wie flüssiger Stahl und flüssiges Aluminium lassen sich die Messgeräte mit handelsüblichen Kraftmesssystemen bauen, so wie man sie beispielsweise bei Waagen in Obst- und Gemüseabteilungen von Supermärkten einsetzt.

Herausforderung: Schwach leitende Flüssigkeiten

Während die Durchflussmesser für Flüssigmetalle recht zuverlässig und genau funktionieren, stellte ihre Anwendung auf schwach leitfähige Fluide wie Lebensmittel und Chemikalien ein Problem dar. Die Lorentzkräfte auf den Permanentmagnet sind deutlich kleiner als bei Flüssigmetallen.

Um solch kleine Kräfte zu messen, mussten die Wissenschaftler ihre bisherigen Kraftmessverfahren über Bord werfen und nach neuen Messmethoden suchen. Fündig wurden sie in der Gravitationsphysik, wo sie sich von einem historischen Experiment des britischen Naturwissenschaftlers Henry Cavendish aus dem Jahre 1798 inspirieren ließen. Cavendish nutzte in seinem Experiment ein empfindliches Pendel, um die Anziehung von Bleikugeln durch die Gravitationskraft zu messen und somit Newtons Theorie der Schwerkraft zu prüfen. Seither werden solche Gravitationspendel weltweit eingesetzt, um die Newtonsche Gravitationskonstante zu messen.

Gravitationspendel liefert die Lösung

Allerdings nutzten sie das Pendel nicht, um kleine Gravitationskräfte zu messen, sondern um ihre ähnlich kleinen Lorentzkräfte nachzuweisen. In ihrem Experiment ließen sie Salzwasser durch ein Rohr mit 15 Quadratzentimetern Querschnittsfläche strömen. Zwar besitzt die Durchflussmessung von Salzwasser keine praktische Bedeutung, doch hat Salzwasser etwa die gleiche elektrische Leitfähigkeit wie Bier. Es ist deshalb gut als Testflüssigkeit für Lebensmittelanwendungen geeignet. Im Experiment ließen die Forscher zwei Permanentmagnete auf die Strömung einwirken, die an vier Wolframfäden hingen und ein Pendel bildeten. Zuvor hatten sie durch Computersimulationen berechnet, dass sich das Pendel unter dem Einfluss der Salzwasserströmung um eine winzige Strecke verschieben sollte und dass diese Strecke durch Laser vermessen werden kann. Als sie das Experiment dann durchführten, fanden sie ihre Computersimulationen bestätigt. Sie konnten nicht nur ihre Vorhersagen über die Abhängigkeit des Messsignals von der Durchflussmenge nachweisen, sondern auch den Einfluss der elektrischen Leitfähigkeit bestimmen.

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