Nopeusmitta Lorentzin voimalla

Kokeneet kirjoittajat eivät ole vielä tarkistaneet sivun nykyistä versiota, ja se voi poiketa merkittävästi 12. maaliskuuta 2020 tarkistetusta versiosta . vahvistus vaatii 1 muokkauksen .

Lorentz force velocimetria (VSL) [1] on kosketukseton sähkömagneettinen menetelmä sähköä johtavan nesteen nopeuden ja virtausnopeuden mittaamiseen. VSL:ää käytetään erityisesti nestemäisten metallien, kuten teräksen tai alumiinin, tutkimiseen, ja menetelmää kehitetään parhaillaan metallurgian käyttöön. Korkean lämpötilan ja syövyttävien nesteiden, kuten lasisulan, nopeuden ja virtauksen mittaaminen on suuri haaste tekniselle nestemekaniikalle. Tämän ongelman ratkaisemiseksi voidaan käyttää VSL-menetelmää. Nesteiden tutkimuksen lisäksi VSL:llä voidaan myös mitata kiinteiden sähköä johtavien materiaalien nopeutta ja havaita niissä olevia rakenteellisia mikrovikoja.

VSL-periaatetta käyttäviä mittausjärjestelmiä kutsutaan Lorentz-voimavirtausmittariksi (RLF). RSL mittaa integroitua tai volumetristä Lorentz-voimaa, joka syntyy liikkuvan nestejohtimen ja käytetyn magneettikentän vuorovaikutuksesta. Tässä tapauksessa magneettikentän vaikutusalueen ominaiskoko on samaa suuruusluokkaa kuin nestekanavan koko. On syytä korostaa, että kooltaan rajoitetun magneettikentän käytössä on mahdollista mitata paikallinen virtausnopeus, joten tässä tapauksessa voidaan käyttää myös termiä RSL.

Johdanto

Varhaisin magneettikentän käyttö nestevirtauksen mittaamiseen on peräisin 1800-luvulta, jolloin Michael Faraday yritti vuonna 1832 määrittää Thames -joen virtausnopeuden . Faraday käytti menetelmää, jossa virtaus (joen virtaus) altistettiin magneettikentälle ( Maan magneettikenttä ) ja tuloksena oleva potentiaaliero mitattiin käyttämällä kahta joen poikki asetettua elektrodia. Yksi kaupallisesti menestyneimmistä nestevirtauksen tutkimiseen tarkoitetuista sähkömagneettisista laitteista, johtava virtausmittari , toimii samalla periaatteella . Teoreettisen perustan tällaisten laitteiden luomiselle kehitti englantilainen fyysikko Arthur Shercliff [2] (Arthur Shercliff) 1900-luvun 50-luvulla. Vaikka johtavia virtausmittareita käytetään laajalti erilaisten nesteiden virtausnopeuden määrittämiseen huoneenlämpötilassa kemian-, lääke- ja elintarviketeollisuudessa, ne eivät käytännössä sovellu korkean lämpötilan ja aggressiivisten väliaineiden tutkimiseen tai paikallisen nopeuden mittaamiseen, jos pääsy on rajoitettu. kanavaan tai putkeen. Koska menetelmän käytössä käytetään nesteeseen upotettuja elektrodeja, johtavan virtauksen mittaus rajoittuu suhteellisen alhaisten lämpötilojen alueelle, joka on selvästi useimpien metallien sulamispisteen alapuolella.

Arthur Shercliffe ehdotti termiä Lorentzian velocimetria jo viime vuosisadan puolivälissä. Mutta tästä huolimatta menetelmän käytännön soveltaminen on tullut mahdolliseksi vasta suhteellisen hiljattain; lähtökohtana oli harvinaisten maametallien materiaaleihin perustuvien vahvojen kestomagneettien luominen, tarkkuusvoimamittausmenetelmien kehittäminen, korkean teknologian ohjelmistojen syntyminen magnetohydrodynamiikan (MHD) prosessien mallintamiseen. Kaiken tämän ansiosta VSL:stä tuli kilpailukykyinen menetelmä nesteiden virtauksen mittaamiseen. Tällä hetkellä VSL-menetelmä jatkaa kehitystään virtausmittaustekniikana sovelletussa metallurgiassa [3] ja muilla aloilla [4] .

Shercliffin ehdottaman teorian pohjalta on kehitetty useita virtauksen mittausmenetelmiä, jotka eivät vaadi mekaanista kosketusta tutkittavan nesteen kanssa [5] [6] . Niiden joukossa on pyörrevirtavirtausmittari, joka mittaa muutoksia sauvojen sähkövastuksessa, jotka ovat vuorovaikutuksessa nesteen virtauksen kanssa. On olemassa myös kosketukseton virtausmittari, jonka toiminta perustuu käytetyn magneettikentän muodonmuutoksen mittaamiseen nestevirtauksen vaikutuksesta [7] [8] .

Toimintaperiaate ja fyysinen merkitys

VSL:n toimintaperiaate perustuu Lorentzin voiman mittaukseen, joka syntyy magneettikentän muutoksen vaikutuksesta . Faradayn lain mukaan , kun metalli tai johtava neste liikkuu käytetyn magneettikentän läpi suurimman kenttägradientin alueilla (tässä tapauksessa kentän "sisääntulossa" ja "ulostulossa"), emf syntyy kentän sisällä. nestettä. , mikä johtaa pyörteiden ilmaantumiseen . Pyörrevirrat puolestaan luovat indusoidun magneettikentän Ampère-Maxwell-lain mukaisesti . Pyörrevirtojen ja tuloksena olevan kentän välinen vuorovaikutus johtaa Lorentzin voiman ilmaantumiseen. Tällä tavalla syntyvä voima jarruttaa virtausta ja Newtonin kolmannen lain mukaan (vaikutusvoima on yhtä suuri kuin reaktiovoima) on itseisarvoltaan yhtä suuri kuin kestomagneettiin vaikuttava voima. Magneetin reaktiovoiman suoran mittauksen avulla voit määrittää nesteen nopeuden, koska Lorentzin voiman amplitudi on verrannollinen virtausnopeuteen. Lorentzin voiman syntymisellä HSL:n aikana ei ole mitään tekemistä klassisten magneettisten kappaleiden veto- ja hylkimisvoimien kanssa. Sen vaikutus johtuu yksinomaan pyörrevirroista, jotka puolestaan riippuvat nesteen sähkönjohtavuudesta ja nopeudesta sekä vaikutuksen voimakkuudesta ja magneettikentän muodosta.

Edellä olevan perusteella nestemäisen metallin virtauksen ja magneettikentän linjojen leikkauskohdassa (joka puolestaan syntyy käämin avulla, jossa on virta tai kestomagneetti), tuloksena olevat pyörrevirrat aiheuttavat Lorentzin voima (tiheys ) . Määritelmän mukaan: ${\vec {f}}={\vec {j}}\times {\vec {B}}$

{\displaystyle f\sim \sigma vB^{2))

missä on nesteen sähkönjohtavuus , on nopeus ja on magneettikentän induktio . Tämä tosiasia tunnetaan ja sitä käytetään laajasti käytännössä. Tämä voima on verrannollinen nesteen nopeuteen ja sähkönjohtavuuteen, ja sen mittaaminen on VSL:n keskeinen idea. Viimeaikaisen edistyksen seurauksena kestomagneettien tuotannossa harvinaisten maametallien materiaaleista (sellaisten magneettien valmistus, kuten neodyymimagneetit (NdFeB) , samariini-kobolttimagneetit (SmCo)) ja mittauslaitteiden suunnittelu. kestomagneettijärjestelmällä on ollut mahdollista laajentaa VSL:n käytännön soveltamisaluetta. $\sigma$ $v$ $B$

Ensisijainen magneettikenttä voidaan indusoida kestomagneetilla tai primäärivirralla (katso kuva 1). Ensisijaisen magneettikentän läpi liikkuvassa nesteessä syntyy pyörrevirtoja, kuten kuvassa 3. Niitä kutsutaan toisiovirroiksi ja niitä kutsutaan toisiovirroiksi. Toisiovirtojen ja primäärimagneettikentän vuorovaikutus indusoi Lorentz-voiman, joka hidastaa nesteen virtausta ${\vec {B}}\left({\vec {r}}\right)$ ${\vec {J}}\left({\vec {r}}\right)$ ${\vec {j}}\left({\vec {r}}\right)$

{\vec {F}}_{f}=\int _{f}{\vec {j}}\times {\vec {B}}d^{3}{\vec {r}}

Toissijaiset virrat puolestaan luovat magneettikentän - toissijaisen magneettikentän. Primaaristen pyörrevirtojen ja toissijaisen magneettikentän vuorovaikutus johtaa magneettijärjestelmään vaikuttavan Lorentz-voiman ilmenemiseen ${\vec {b}}\left({\vec {r}}\right)$

{\vec {F}}_{m}=\int _{m}{\vec {J}}\times {\vec {b}}d^{3}{\vec {r}}

Vastavuoroisuuden periaate VSL:ssä ilmaistaan siinä tosiasiassa, että sähkömagneettiset voimat vaikuttavat yhtäläisesti sekä nesteeseen että magneettijärjestelmään, mutta toimivat vastakkaisiin suuntiin, kuten voidaan nähdä:

{\vec {F}}_{m}=-{\vec {F}}_{f}

Mitatun voiman ja virtausnopeuden suhteen peruskalibrointifunktio saadaan yksinkertaistetun kaavion (kuva 2) mukaisesti. Tässä pieni kestomagneetti, jolla on dipolimomentti , sijaitsee etäisyydellä puoliäärettömän nestevirtauksen yläpuolella, joka liikkuu vakionopeudella samansuuntaisesti sen paljastetun pinnan kanssa. $m$ $L$ $v$

Kalibrointifunktion kvantitatiivista analyysiä varten oletetaan, että magneetti on pistedipoli, jolla on dipolimomentti ja jonka magneettikenttä voidaan määritellä seuraavasti: ${\vec {m}}=m{\hat {e}}_{z}$

{\vec {B}}\left({\vec {R}}\right)={\frac {\mu _{0}}{4\pi }}\left\lbrace 3{\frac { \left({\vec {m}}\cdot {\vec {R}}\right){\vec {R}}}{R^{5}}}-{\frac {\vec {m}}{ R^{3}}}\oikea\rhaulu

missä ja . Jos oletetaan nopeuskenttä arvolle , pyörrevirrat voidaan laskea Ohmin lain avulla liikkuvalle sähköä johtavalle nesteelle ${\vec {R}}={\vec {r}}-L{\hat {e}}_{z}$ $R=\mid {\vec {R}}\mid$ ${\vec {v}}=v{\hat {e}}_{x}$ $z<0$

{\vec {J}}=\sigma \left(-\nabla \phi +{\vec {v}}\times {\vec {B}}\oikea)

suhteessa reunaehtoihin ja kuten . Ensinnäkin sähköpotentiaalin skalaariarvo voidaan saada muodossa $J_{z}=0$ $z = 0$ $J_{z}\to 0$ $z\to 1$

\phi \left({\vec {r}}\right)=-{\frac {\mu _{0}vm}{4\pi }}{\frac {x}{R^{3} }}

josta on helppo laskea virrantiheys. Ja käyttämällä yllä saatuja tietoja ja Biot-Savarran lakia, on mahdollista laskea indusoidun (sekundaarisen) magneettikentän arvo . Lopuksi vahvuus voidaan saada kuten ${\vec {b}}\left({\vec {r}}\right)$

{\vec {F}}=\left({\vec {m}}\cdot \nabla \right){\vec {b}}

jossa gradientti voidaan määritellä dipolin sijainnille. Kaikki nämä vaiheet voidaan tehdä analyyttisesti ja ongelman ratkaisu ilman likiarvoja näyttää tältä ${\vec {b}}$

F={\frac {\mu _{0}^{2}\sigma vm^{2}}{128\pi L^{3}}}{\hat {e}}_{z}

Mikä vie meidät suuruuteen

{\displaystyle F\sim \mu _{0}^{2}\sigma vm^{2}L^{-3))

Perusmittausmenetelmät

Lorentzin voimavirtausmittarit voidaan jakaa seuraaviin tyyppeihin mittausmenetelmän mukaan. Nämä ovat staattisia virtausmittareita, joiden magneettijärjestelmä on paikallaan ja mittaa siihen vaikuttavaa voimaa. Ja pyörimisvirtausmittarit, joissa magneetit sijaitsevat pyörivällä levyllä ja vääntömomentti tai kulmanopeus mitataan virtauksen määrittämiseksi. Kestomagneettien sijainnin mukaan kanavaan nähden Lorentzin voimavirtausmittarit voidaan luokitella myös pitkittäis- ja poikittaissuuntaisiin (kuva 3).

Pyörivien virtausmittareiden mittausperiaate perustuu pyörivien kestomagneettien [9] käyttöön (tai levylle kiinnitettyyn magneettiryhmään, kuten kuvassa 4). Kestomagneettien magneettikenttäviivat ovat kohtisuorassa pintaan nähden, johon ne on upotettu. Kun tällainen järjestelmä sijoitetaan liikkuvan sähköä johtavan nesteen kanavan viereen, kiekko pyörii niin, että pyörrevirtojen vaikutuksesta aiheutuva käyttömomentti tasapainotetaan itse kiekon pyörimisestä johtuvalla jarrutusmomentilla. Pyörimisnopeus on suoraan verrannollinen virtausnopeuteen ja kääntäen verrannollinen magneetin ja kanavan väliseen etäisyyteen. Tällöin on mahdollista mitata sekä pyörimismomentti että magneettijärjestelmän kulmanopeus.

Esimerkkejä VSL:n käytännön sovelluksista

VSL-menetelmää voidaan käyttää lähes kaikille nesteille ja kiinteille aineille, mikäli ne ovat johtimia. Kuten aiemmin on osoitettu, Lorentzin voima on suoraan verrannollinen materiaalin johtavuuteen. Tavallisissa tapauksissa nestemäisten metallien sähkönjohtavuus on suuruusluokkaa S/m , joten niissä esiintyvä Lorentzin voima ei ylitä muutamaa mN :aa . Samaan aikaan nesteiden, kuten lasisulan ja elektrolyyttiliuosten sähkönjohtavuus on noin S/m ja tuloksena oleva Lorentzin voima on suuruusluokkaa µN . $10^{6}$ $\sim~1$

Erittäin johtava väliaine: nestemäiset tai kiinteät metallit

Erilaisten mahdollisuuksien joukossa magneettijärjestelmään kohdistuvan vaikutuksen mittaamiseen käytetään menestyksekkäästi menetelmiä, joiden toiminta perustuu rinnakkaisten elastisten elementtien taipuman mittaamiseen kohdistetun voiman vaikutuksesta. [10] Esimerkiksi käyttämällä venymäantureita elastisissa kvartsielementeissä yhdessä interferometrin kanssa on mahdollista korjata jopa 0,1 nm:n muodonmuutos.

Matalajohtavat väliaineet: elektrolyyttiliuokset ja lasisulat

Viimeaikainen kehitys VSL:ssä on mahdollistanut nestevirtauksen mittaamisen myös heikosti johtavissa väliaineissa, erityisesti nykyaikaisten voima-anturien avulla. Tämä mahdollistaa sähkönjohtavuuden omaavien väliaineiden virtausnopeuden määrittämisen, joka on 106 kertaa pienempi kuin nestemäisten metallien. Tieteen ja teollisuuden aloilla on monia aloja, joilla tällaisia ratkaisuja käytetään, ja joissakin tapauksissa on tarpeen määrittää virtausnopeus kosketuksettoman tai läpinäkymättömän seinän läpi. Esimerkkejä tästä ovat kemikaalien ja elintarvikkeiden, veren, vesiliuosten virtauksen mittaus lääketeollisuudessa, sulan suolan mittaus voimalaitosreaktoreissa, [12] [13] sekä sulan lasin mittaus erittäin tarkkojen optisten instrumenttien valmistuksessa. . [neljätoista]

Kosketuksettomia virtausmittareita voidaan käyttää ilman mekaanista kosketusta sekä itse nesteeseen että astian seiniin virtaavan nesteen kanssa, joten niitä voidaan käyttää kontaminoituneiden seinien tapauksessa, kuten työskenneltäessä radioaktiivisten materiaalien kanssa tai kanavien voimakkaalla tärinällä, johon kannettavat virtausmittarit. Jos seinät ja neste ovat läpinäkyviä ja signaalihiukkasten käyttö on myös mahdollista, kosketuksettomassa virtausmittauksessa suositaan yleensä optisia menetelmiä. [15] [16]

Tällä hetkellä VSL-virtausmittarista on olemassa kaksi prototyyppiä matalan johtavuuden väliaineille, jotka on testattu menestyksekkäästi ja joita käytetään laboratorio-olosuhteissa. Molempien laitteiden toiminta perustuu heilurimaisen mekanismin siirtymän mittaamiseen. Yksi virtausmittareista sisältää kaksi suuritehoista (410 mT) NdFeB -kestomagneettia , jotka sijaitsevat nestekanavan molemmilla puolilla ja muodostavat magneettikentän kohtisuorassa virtaukseen nähden. Magneettien siirtymä syntyvän Lorentz-voiman vaikutuksesta mitataan käyttämällä interferometristä järjestelmää [17] (kuva 5 a). Toinen järjestelmä koostuu huippuluokan punnitusjärjestelmästä, joka on ripustettu optimoituun magneettiseen Halbach-kokoonpanoon .

Sekä ensimmäisessä että toisessa tapauksessa magneettijärjestelmän kokonaismassa on (1 kg), mutta Halbach-magneettikokoonpanolla mitattu signaali on kolme kertaa suurempi kuin tavanomaisen magneettijärjestelmän signaali tietyllä nopeusprofiililla. On toivottavaa käyttää erittäin herkkiä voimaantureita järjestelmän vasteen mittaamiseen, koska virtausnopeus muunnetaan tallennetun Lorentz-voiman erittäin alhaisista arvoista. Tämä voima yhdistettynä rakenteen painon väistämättömään vaikutukseen on noin . $F_{G}=m\cdot g$ ${\displaystyle F/F_{G}=10^{-7))$

Sigmametria Lorentzin voiman avulla

Lorentzin voimasigmametria [19] (LOFOS - eng. LOrentz FORce Sigmometry) on kosketukseton menetelmä materiaalien lämpöfysikaalisten ominaisuuksien mittaamiseen sekä nestemäisessä että kiinteässä tilassa. Sulan metallin sähköarvojen, tiheyden, viskositeetin, lämmönjohtavuuden ja pintajännityksen tarkka määritys on erittäin tärkeää teollisissa sovelluksissa. Yksi suurimmista ongelmista, joita syntyy nesteiden termofysikaalisten ominaisuuksien kokeellisessa määrittämisessä korkeissa lämpötiloissa (>1000 K), on tutkittavan väliaineen ja sähköisen anturin välinen kemiallinen reaktio. Perusyhtälö sähkönjohtavuuden laskemiseksi voidaan johtaa yhtälöstä, joka liittyy massavirtaan ja magneettikentän indusoimaan Lorentz-voimaan : ${\näyttötyyli {\piste {m))}$ $F$

{\piste {m}}\left(t\right)={\frac {K}{\Sigma }}F\left(t\right)\quad

missä on ominaissähkönjohtavuus, yhtä suuri kuin nesteen sähkönjohtavuuden ja massatiheyden suhde . on LOFOS-järjestelmän geometriasta riippuva empiirinen vakio. $\Sigma ={\frac {\sigma }{\rho }}$ $\sigma$ $\rho$ $K$

Yllä olevasta yhtälöstä kokonaismassa voidaan löytää seuraavasti:

M=\int _{t1}^{t2}{\piste {m}}\left(t\right)dt={\frac {K}{\Sigma }}\int _{t1}^{ t2}F\left(t\right)dt={\frac {K}{\Sigma }}{\tilde {F}}\quad ,

missä on integraalinen Lorentzin voima prosessin aikana. Tästä yhtälöstä ja ottaen huomioon johtavuuskaava, lopullinen yhtälö nesteen sähkönjohtavuuden laskemiseksi voidaan johtaa muodossa: ${\tilde {F}}$

\sigma =\rho K{\frac {\tilde {F}}{M}}\quad .

Lentoajan nopeusmittari Lorentzin voiman avulla

Lentoaikanopeusmittaus Lorentz-voimalla [20] [21] on suunniteltu johtavien nesteiden virtausnopeuden kosketuksettomaan määritykseen.

Menetelmää voidaan soveltaa menestyksekkäästi myös ilman sellaista tietoa tutkittavan materiaalin ominaisuuksista, kuten sähkönjohtavuudesta tai tiheydestä. Tämä TOF:n etu tekee siitä erityisen houkuttelevan teollisiin sovelluksiin, kuten metalliseoksiin tai vaihteleviin ympäristöolosuhteisiin.

Menetelmää käytettäessä (kuva 8) kaksi identtistä mittausjärjestelmää sijoitetaan kanavaan, jossa on sähköä johtavaa nestettä. Jokainen järjestelmä koostuu kahdesta kestomagneetista ja niihin jäykästi kiinnitetystä voima-anturista, jolloin Lorentzin voima viritetään ja mitataan samanaikaisesti samalla laitteella. Mittausperiaate perustuu mittausjärjestelmien rekisteröimien signaalien ristifunktion saamiseen. Jokainen ristifunktio on hyödyllinen vain, jos vertailtavien signaalien välillä on laadullinen ero, ja tällaisen eron luomiseen käytetään keinotekoisesti luotuja turbulenttisia häiriöitä.

Kanavan läpi virtaava tutkittu neste ohittaa ennen mittausjärjestelmillä varustetun osuuden ohittamista erityisen voimakkaiden häiriöiden luomiseen tarkoitetun laitteen - pyörregeneraattorin. Kun näin syntynyt pyörte saavuttaa mittausjärjestelmän magneettikentän, se kiinnittää mitatun voiman häiriön ja ristifunktioon ilmestyy huippu, koska toisen mittausjärjestelmän läpi virtaa edelleen vakaa virtaus. Sitten pyörre saavuttaa toisen järjestelmän ja huippu ilmestyy jälleen. Koska mittausjärjestelmien välinen etäisyys tiedetään tarkasti ja huippujen välinen aika voidaan laskea ristifunktiosta, voidaan virtausnopeus määritellä etäisyyden ja ajan suhteeksi. Jos otamme huomioon, että nesteen tilavuusvirtaus kanavassa, jonka poikkileikkaus on vakio, on yhtä suuri kuin nopeuden ja poikkileikkausalan tulo, nesteen virtausnopeus voidaan saada lausekkeella:

Q_{flow}=k{\frac {D}{\tau }}

missä on magneettisten järjestelmien välinen etäisyys, on huippujen välinen aika ja on kokeellisesti saatu kerroin riippuen kanavan geometriasta. $D$ $\tau$ $k$

Pyörrevirtavian havaitseminen Lorentzin voiman (TDL) avulla

Toinen, mutta fysikaalisesti samanlainen ongelma on syvälle sijoitettujen onteloiden ja epähomogeenisuuksien määrittäminen sähköä johtavissa kiinteissä materiaaleissa.

Pyörrevirtavikojen havaitsemisen perinteisemmässä versiossa käytetään vaihtuvaa magneettikenttää tuottamaan pyörrevirtaa testimateriaaliin. Jos materiaalissa on halkeamia tai onteloita, sähkönjohtavuuden tilajakauma muuttuu epätasaiseksi ja pyörrevirran reitti häiriintyy, mikä johtaa käämin induktanssin muutokseen, mikä luo vaihtuvan magneettikentän. Mittaamalla tämän kelan induktanssi voidaan havaita viat. Mutta sen tosiasian perusteella, että pyörrevirrat syntyvät vaihtuvan magneettikentän vaikutuksesta, ihovaikutus rajoittaa niiden tunkeutumista materiaalin alueelle . Tämän seurauksena perinteisen pyörrevirtavikojen havaitsemisversion soveltuvuus rajoittuu materiaalin pinta-alan analysointiin, yleensä yhden millimetrin syvyyteen. Yritykset kiertää näitä rajoituksia käyttämällä matalataajuisia keloja ja suprajohtavia magneettikenttäantureita eivät ole vielä johtaneet toivottuihin tuloksiin.

Nykyaikaisella tekniikalla, jota kutsutaan pyörrevirheen havaitsemiseksi Lorentzin voiman avulla, [22] [23] on merkittävä etu edelliseen verrattuna, koska se käyttää jatkuvaa magneettikenttää sekä materiaalin ja magneettikentän lähteen keskinäistä siirtymää, mikä mahdollistaa sähköä johtavan materiaalin syvällisen ja suhteellisen nopean tutkimisen. Periaatteessa TDL on muunnelma perinteisestä pyörrevirtavikojen havaitsemisesta, josta voidaan erottaa kaksi näkökohtaa: (1) kuinka pyörrevirrat syntyvät ja (2) kuinka niiden häiriöt tallennetaan. TDL:ssä pyörrevirtoja syntyy tutkittavan johtimen ja kestomagneetin keskinäisestä siirtymisestä (kuva 9). Kun magneetti kulkee vian yli, siihen vaikuttava Lorentzin voima vääristyy, ja tämän vääristymän havaitseminen on TDL-mittauksen perusperiaate. Jos tutkittavassa esineessä ei ole vikoja, tuloksena oleva Lorentzin voima pysyy vakiona.

Edut

Tämä menetelmä kuuluu kosketuksettomiin tekniikoihin nesteen virtausnopeuden mittaamiseksi. Se ei vaadi signaalihiukkasten tai upotettavan anturin läsnäoloa, joten sitä voidaan käyttää aggressiivisten ja korkeiden lämpötilojen materiaalien, kuten nestemäisten metallien, nopeus- ja virtaustutkimuksiin.

Toinen menetelmän etu on kyky määrittää keskimääräinen virtausnopeus riippumatta epähomogeenisuuksien vaikutuksesta ja turbulenssivyöhykkeiden läsnäolosta.

Haitat

VSL-menetelmän haittoja ovat seuraavat rajoitukset:

Mittausjärjestelmän alustavan kalibroinnin tarve Lorentzin voiman riippuvuuskertoimen määrittämiseksi virtausnopeudesta.
Lorentz-voiman tuottamiseen käytettyjen kestomagneettien magneettikentän voimakkuuden pienet arvot johtavat alhaisiin voiman arvoihin, joiden rekisteröinti vaatii erittäin tarkkoja instrumentteja.
Nopeuden mittausalueen rajoitus magneetin koon mukaan.
Tarve hallita kestomagneettien lämpötilaa, joka ei saa ylittää Curie-pistettä .

Muistiinpanot

↑ Thess, A., Votyakov, E. ja Kolesnikov, Y. Lorentz Force Velocimetry. Phys. Rev. Lett. 96, 2006
↑ Arthur J. Shercliff: Sähkömagneettisen virtauksen mittauksen teoria. Cambridge University Press, ISBN 978-0-521-33554-6
↑ Y. Kolesnikov, C. Karcher, A. Thess, Lorentz Force Flowmeter for Liquid Aluminium: Laboratory Experiments and Plant Tests (saksaksi), Metall. Matto. Trans. B 42B (2011) s. 241-250, doi: 10.1007/s11663-011-9477-6
↑ Tutkimuskoulutusryhmä LORENTZ FORCE (pääsemätön linkki) . Käyttöpäivä: 19. tammikuuta 2012. Arkistoitu alkuperäisestä 17. marraskuuta 2013. (määrätön)
↑ J. Priede, D. Buchenau., G. Gerbeth, Kontaktiton sähkömagneettinen vaihesiirtovirtausmittari nestemäisille metalleille, Measur. sci. Tech. 22 (2011) 055402, 2011 (englanniksi)
↑ A. Thess et al., Theory of the Lorentz force flowmeter, 2007 New J. Phys. 9299
↑ J. Baumgartl, A. Hubert ja G. M¨uller, Magnetohydrodynaamisten vaikutusten käyttö nestevirtauksen tutkimiseksi sähköä johtavissa sulateissa, Phys. Fluids A 5, 3280 (1993)
↑ Stefani F., Gundrum T., Gerbeth G., Kontaktiton induktiivinen virtaustomografia, Phys Rev E 70.056306 (2004)
↑ J. Priede, D. Buchenau., G. Gerbeth, Single-Magnet Rotary Flowmeter for Liquid Metals, J. Appl. Phys. 110 (2010) s. 03451., doi: 10.1063/1.3610440
↑ C. Heinicke et al., Pienen kestomagneetin vuorovaikutus nestemäisen metallin kanavavirtauksen kanssa. Journal of Applied Physics (2012) 112
↑ Wegfrass, A. et al., Universaali kosketukseton virtausmittari nesteisiin. Applied Physics Letters, 100 (2012)
↑ U. Herrmann, B. Kelly ja H. Price, Energy 29, 883-893 (2004)
↑ CW Forsberg, P.F. Peterson ja P.S. Pickard, Nucl. Technol. 144, 289 (2003)
↑ U. Lange ja H. Loch, "Instabilities and stabilization of glass pipe flow" julkaisussa Mathematical Simulation in Glass Technology, Schott Series on Glass and Glass Ceramics, toimittajina D. Krause ja H. Loch (Springer Verlag, 2002)
↑ C. Tropea, AL Yarin ja JF Foss, Handbook of Experimental Fluid Mechanics, Springer-Verlag, GmbH, 2007
↑ F. Durst, A. Melling ja JH Whitelaw, Principles and Practice of Laser-Doppler Anemometry, 2. painos. Academic, Lontoo, 1981
↑ Wegfrass, A. et ai. Heikosti johtavien nesteiden virtausnopeuden mittaus Lorentzin voimannopeusmittauksella Meas. sci.technol. 23 105307 (2012), http://stacks.iop.org/MST/23/105307
↑ C. Diethold ja F. Hilbrunner, Pienten voimien voimamittaus yhdessä suurten kuolleiden kuormien kanssa käyttämällä sähkömagneettista voiman kompensointia, Meas. sci. Technol. 23, 074017 (2012), http://iopscience.iop.org/0957-0233/23/7/074017/
↑ Uhlig, RP, Zec, M., Ziolkowski, M., Brauer, H. ja Thess, A. 2012 Lorentzin voimasigmometria: Kontaktiton menetelmä sähkönjohtavuuden mittaamiseen. Journal of Applied Physics, 111
↑ 1 2 Jian, D. ja Karcher, C. 2012 Sähkömagneettiset virtausmittaukset nestemäisissä metalleissa käyttämällä lentoaika-Lorentzin voimannopeusmittausta. Mittaustiede ja -tekniikka, 23
↑ A. Viré, B. Knaepen ja A. Thess, Lorentzin voimanopeu- cimetria, joka perustuu lentoaikamittauksiin, Phys. Fluids 22, 125101 (2010)
↑ 1 2 M. Zec et al., Fast Technique for Lorentz Force Calculations in Nondestructive Testing Applications, COMPUMAG 2013, Budapest, Unkari
↑ Uhlig, RP, Zec, M., Brauer, H. ja Thess, A. 2012 Lorentz Force Eddy Current Testing: a Prototype Model. Journal of Nondestructive Evaluation, 31, 357-372

Linkit

Kotisivu des DFG-Graduiertenkollegs "Elektromagnetische Strömungsmessung und Wirbelstromprüfung mittels Lorentzkraft" TU Ilmenaussa