High resolution force measurement system for Lorentz force velocimetry
Na Yan · Common Library Network (Der Gemeinsame Bibliotheksverbund) · 2019
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.