Lorentz kraft Velocimetry - Lorentz force velocimetry

Lorentz force velocimetry (LFV) er en ikke-kontakt elektromagnetisk flytmålingsteknikk . LFV er spesielt egnet for måling av hastigheter i flytende metaller som stål eller aluminium og er for tiden under utvikling for metallurgiske applikasjoner. Måling av strømningshastigheter i varme og aggressive væsker som flytende aluminium og smeltet glass utgjør en av de store utfordringene med industriell væskemekanikk. Bortsett fra væsker, kan LFV også brukes til å måle hastigheten på faste materialer så vel som for påvisning av mikrofeil i deres strukturer.

Et Lorentz kraft velocimetry system kalles Lorentz kraft flowmeter (LFF). En LFF måler den integrerte eller store Lorentz-kraften som skyldes samspillet mellom et flytende metall i bevegelse og et påført magnetfelt. I dette tilfellet er den karakteristiske lengden på magnetfeltet i samme størrelsesorden som kanalens dimensjoner. Det må adresseres at i tilfeller der det brukes lokaliserte magnetfelt, er det mulig å utføre lokale hastighetsmålinger, og dermed brukes begrepet Lorentz krafthastighetsmåler .

Introduksjon

Bruken av magnetiske felt i strømningsmåling dateres tilbake til 1800-tallet, da Michael Faraday i 1832 forsøkte å bestemme hastigheten på Themsen . Faraday anvendte en metode der en strømning (elvestrømmen) utsettes for et magnetfelt (jordmagnetfelt) og den induserte spenningen måles ved hjelp av to elektroder over samme strømning. Denne metoden er grunnlaget for en av de mest vellykkede kommersielle applikasjonene i strømningsmåling kjent som det induktive strømningsmåler. Teorien om slike enheter er utviklet og oppsummert av prof. JA Shercliff tidlig på 1950-tallet. Mens induktive strømningsmålere er mye brukt til strømningsmåling i væsker ved romtemperatur som drikkevarer, kjemikalier og avløpsvann, er de ikke egnet for strømningsmåling av medier som varme, aggressive eller til lokale målinger der omgivende hindringer begrenser tilgangen til kanalen eller rør. Siden de krever at elektroder settes inn i væsken, er deres bruk begrenset til anvendelser ved temperaturer langt under smeltepunktene for praktisk talt relevante metaller.

Lorentz styrke velocimetry ble oppfunnet av A. Shercliff. Imidlertid fant den ikke praktisk anvendelse de første årene frem til de siste tekniske fremskrittene; i produksjon av sjeldne jordarter og ikke-sjeldne jordartsmagneter, nøyaktige kraftmålingsteknikker, flerfysisk prosesssimuleringsprogramvare for magnetohydrodynamiske (MHD) problemer at dette prinsippet kan gjøres om til en gjennomførbar måling av arbeidsflytmåling. LFV utvikles for tiden for applikasjoner innen metallurgi så vel som i andre områder.

Basert på teorien introdusert av Shercliff har det vært flere forsøk på å utvikle strømningsmåle metoder som ikke krever mekanisk kontakt med væsken. Blant dem er virvelstrømmen, som måler strømningsinduserte endringer i den elektriske impedansen til spoler som samhandler med strømmen. Mer nylig ble det foreslått en ikke-kontaktmetode der et magnetfelt påføres strømmen og hastigheten bestemmes ut fra målinger av strømningsinduserte deformasjoner av det påførte magnetfeltet.

Prinsipp og fysisk tolkning

Prinsippet om Lorentz kraft Velocimetry er basert på målinger av Lorentz kraft som oppstår på grunn av strømmen av en ledende væske under påvirkning av et variabelt magnetfelt . I følge Faradays lov , når et metall eller ledende væske beveger seg gjennom et magnetfelt, genereres virvelstrømmer der ved elektromotorisk kraft i soner med maksimal magnetfeltgradient (i dette tilfellet i innløps- og utløpssonene). Virvelstrøm skaper i sin tur indusert magnetfelt i henhold til Ampères lov . Samspillet mellom virvelstrømmer og totalt magnetfelt gir Lorentz-kraft som bryter strømmen. I kraft av Newtons tredje lov "actio = reactio" virker en kraft med samme styrke, men motsatt retning på kilden - permanent magnet. Direkte måling av magnetens reaksjonskraft gjør det mulig å bestemme væskens hastighet, siden denne kraften er proporsjonal med strømningshastigheten. Lorentz-styrken som brukes i LFV har ingenting å gjøre med magnetisk tiltrekning eller frastøting. Det er bare på grunn av virvelstrømmene hvis styrke avhenger av den elektriske ledningsevnen, den relative hastigheten mellom væsken og den permanente magneten, samt størrelsen på magnetfeltet.

Så når et flytende metall beveger seg over magnetiske feltlinjer, fører samspillet mellom magnetfeltet (som enten produseres av en strømbærende spole eller av en permanent magnet) med de induserte virvelstrømmene til en Lorentz-kraft (med tetthet ) som bremser flyten. Lorentz styrke tetthet er omtrent

hvor er væskens elektriske ledningsevne , dens hastighet og størrelsen på magnetfeltet. Dette faktum er velkjent og har funnet en rekke bruksområder. Denne kraften er proporsjonal med hastigheten og ledningsevnen til væsken, og dens måling er nøkkelideen til LFV. Med den nylige adventen av kraftige magneter av sjeldne jordarter (som NdFeB , SmCo og andre slags magneter) og verktøy for å designe sofistikerte systemer med permanentmagnet, er den praktiske realiseringen av dette prinsippet nå blitt mulig.

Det primære magnetfeltet kan produseres av en permanent magnet eller en primærstrøm (se fig. 1). Væskens bevegelse under virkningen av det primære feltet induserer virvelstrømmer som er skissert i figur 3. De vil bli betegnet med og kalles sekundære strømmer. Samspillet mellom sekundærstrømmen og det primære magnetfeltet er ansvarlig for Lorentz-kraften i væsken

som bryter flyten.

Sekundære strømmer skaper et magnetfelt , det sekundære magnetfeltet. Samspillet mellom den primære elektriske strømmen og det sekundære magnetfeltet gir Lorentz-kraften på magnetsystemet

Gensidighetsprinsippet for Lorentz-kraftens velocimetri sier at de elektromagnetiske kreftene på væsken og på magnetsystemet har samme størrelse og virker i motsatt retning, nemlig

Den generelle skaleringsloven som relaterer den målte kraften til den ukjente hastigheten, kan utledes med referanse til den forenklede situasjonen vist i figur 2. Her er en liten permanent magnet med dipolmoment plassert i en avstand over en semi-uendelig væske som beveger seg med ensartet hastighet parallelt med den frie overflaten.

Fig. 2: Romlig fordeling av magnetfelt i Lorentz kraft-velocimetri: (a) primært magnetfelt og virvelstrømmer produsert av en magnetisk dipol som vekselvirker med en jevnt bevegelig elektrisk ledende væske; (b) sekundært magnetfelt på grunn av de horisontale virvelstrømmene . Tilpasset fra.

Analysen som fører til skaleringsforholdet kan gjøres kvantitativ ved å anta at magneten er en punktdipol med dipolmoment hvis magnetfelt er gitt av

hvor og . Forutsatt at det er et hastighetsfelt for , kan virvelstrømmene beregnes fra Ohms lov for et flytende elektrisk ledende fluid

underlagt grensevilkårene på og som . For det første oppnås det skalære elektriske potensialet som

hvorfra den elektriske strømtettheten lett kan beregnes. De er faktisk horisontale. Når de er kjent, kan Biot-Savart-loven brukes til å beregne det sekundære magnetfeltet . Til slutt er styrken gitt av

hvor gradienten av må evalueres på stedet for dipolen. For det aktuelle problemet kan alle disse trinnene utføres analytisk uten at noen tilnærming fører til resultatet

Dette gir oss estimatet

Konseptuelle oppsett

Lorentz kraftmåler er vanligvis klassifisert i flere hovedkonseptuelle oppsett. Noen av dem er utformet som statiske strømningsmåler der magnetsystemet er i ro og man måler kraften som virker på det. Alternativt kan de utformes som roterende strømningsmålere der magneter er anordnet på et roterende hjul og spinnhastigheten er et mål på strømningshastigheten. Åpenbart avhenger kraften som virker på et Lorentz-strømningsmåler både av hastighetsfordelingen og av formen til magnetsystemet. Denne klassifiseringen avhenger av den relative retningen til magnetfeltet som påføres i forhold til strømningsretningen. I figur 3 kan man skille diagrammer over de langsgående og tverrgående Lorentz kraftstrømmålere.

Fig. 3: Prinsippskisse av Lorentz kraft-velocimetri: arrangement av spolen (a) og strukturen til det primære magnetfeltet (b) for et langsgående strømningsmåler. (c, d) Samme for et tverrgående strømningsmåler. Tilpasset fra.

Det er viktig å nevne at selv om det i figurer bare er en spole eller en magnet tegnet, gjelder prinsippet for begge deler.

Rotary LFF består av en fritt roterende permanentmagnet (eller en rekke magneter montert på et svinghjul som vist i figur 4), som er magnetisert vinkelrett på akselen den er montert på. Når et slikt system er plassert nær en kanal som bærer en elektrisk ledende væskestrøm, roterer det slik at drivmomentet på grunn av virvelstrømmene indusert av strømmen balanseres av bremsemomentet indusert av selve rotasjonen. Likevektsrotasjonshastigheten varierer direkte med strømningshastigheten og omvendt med avstanden mellom magneten og kanalen. I dette tilfellet er det mulig å måle enten dreiemomentet på magnetsystemet eller vinkelhastigheten som hjulet snurrer med.

Fig. 4: En forenklet skisse av den roterende LFV. Tilpasset fra.

Praktiske applikasjoner

LFV søkes utvidet til alle flytende eller faste materialer, forutsatt at de er elektriske ledere. Som vist før, avhenger Lorentz-kraften som genereres av strømmen lineært av ledningsevnen til væsken. Vanligvis er den elektriske ledningsevnen til smeltede metaller i størrelsesorden slik at Lorentz-kraften er i området noen mN . Imidlertid har like viktige væsker som glassmelting og elektrolytiske løsninger en ledningsevne som gir en Lorentz-kraft i størrelsesorden mikronewt eller enda mindre.

Høyledende medier: flytende eller faste metaller

Blant forskjellige muligheter for å måle effekten på magnetsystemet, har det blitt brukt vellykket de basert på måling av avbøyningen av en parallell fjær under en påført kraft. Først ved å bruke en strekkmåler og deretter registrere avbøyningen av en kvartsfjær med et interferometer, i hvis tilfelle deformasjonen oppdages innen 0,1 nm.

Lavt ledende medium: Elektrolytisk oppløsning eller glass smelter

Nylige fremskritt i LFV gjorde det mulig å måle strømningshastigheten til media som har svært lav elektrokonduktivitet, spesielt ved å variere parametere, samt å bruke noen moderne kraftmåleinnretninger som gjør det mulig å måle strømningshastigheten til elektrolyttløsninger med ledningsevne som er 10 6 ganger mindre enn for flytende metaller. Det er mange industrielle og vitenskapelige anvendelser der måling av ikke-kontakt strømningsmåling gjennom ugjennomsiktige vegger eller i ugjennomsiktige væsker er ønskelig. Slike applikasjoner inkluderer strømningsmåling av kjemikalier, mat, drikkevarer, blod, vandige løsninger i farmasøytisk industri, smeltede salter i solvarmekraftverk, og høye temperaturreaktorer, samt glassmelter for optikk med høy presisjon.

Et ikke-kontakt strømningsmåler er en enhet som verken er i mekanisk kontakt med væsken eller med veggen på røret der væsken strømmer. Ikke-kontakt strømningsmåler er like nyttige når vegger er forurenset som ved behandling av radioaktive materialer, når rør er sterkt vibrerende eller i tilfeller der bærbare strømningsmåler skal utvikles. Hvis væsken og veggen på røret er gjennomsiktige og væsken inneholder sporstoffpartikler, er optiske måleteknikker effektivt nok verktøy til å utføre målinger uten kontakt. Imidlertid, hvis enten veggen eller væsken er ugjennomsiktig som ofte er tilfelle i matproduksjon, kjemiteknikk, glassproduksjon og metallurgi, er det svært få muligheter for måling av ikke-kontaktflyt.

Kraftmålesystemet er en viktig del av Lorentz kraft Velocimetry. Med kraftmålesystem med høy oppløsning gjør det mulig å måle enda lavere ledningsevne. Oppdatert har kraftmålesystemet kontinuerlig blitt utviklet. Først ble pendellignende oppsett brukt (figur 5). Et av de eksperimentelle anleggene består av to magneter med høy effekt (410 mT) laget av NdFeB suspendert av tynne ledninger på begge sider av kanalen og derved skaper magnetfelt vinkelrett på væskestrømmen. Her måles avbøyning ved hjelp av interferometersystem. Det andre oppsettet består av toppmoderne vektingsbalansesystem (Figur 6) hvorfra henges optimaliserte magneter på bunnen av Halbach-array-systemet. Mens den totale massen til begge magnetsystemene er lik (1 kg), induserer dette systemet 3 ganger høyere systemrespons på grunn av arrangement av individuelle elementer i matrisen og dets interaksjon med forhåndsdefinert væskeprofil. Her er bruk av veldig følsomme kraftmåleinnretninger ønskelig, siden strømningshastigheten konverteres fra den veldig små oppdagede Lorentz Force. Denne kraften i kombinasjon med uunngåelig egenvekt til magneten ( ) er rundt . Etter det ble metoden for måling av differensialkraft utviklet. Med denne metoden ble to balanser brukt, en med magnet og den andre med samme vekt-dummy. På denne måten ville miljøets innflytelse bli redusert. Nylig har det blitt rapportert at strømningsmålingene ved denne metoden er mulig for saltvannsstrømmer hvis elektriske ledningsevne er så liten som 0,06 S / m (rekkevidde for elektrisk ledningsevne for det vanlige vannet fra kranen).

Fig. 6: måleprinsipp, state-of-art vekting balansesystem: -measurement kraft, Gravity, -kraft på grunn av fjærkonstant, -Spring konstant, -Lengde av bjelker, en -deflection av bekkenholderen, -deflection av spaken , -bøyningsvinkel, -dødbelastning, -gravitasjonsakselerasjon. Tilpasset fra

Lorentz styrker sigmometri

Fig. 8: LOFOS arbeidsprinsipp.

Lorentz force sigmometry (LOFOS) er en kontaktløs metode for å måle de termofysiske egenskapene til materialer, uansett om det er en væske eller en solid kropp. De nøyaktige målingene av elektrisk verdi, tetthet, viskositet, varmeledningsevne og overflatespenning av smeltede metaller er av stor betydning i industrielle applikasjoner. Et av de største problemene i eksperimentelle målinger av de termofysiske egenskapene ved høy temperatur (> 1000 K) i flytende tilstand er problemet med kjemisk reaksjon mellom den varme væsken og de elektriske sonderne. Den grunnleggende ligningen for å beregne den elektriske ledningsevnen er avledet fra ligningen som forbinder massestrømningshastigheten og Lorentz-kraften generert av magnetfeltet i strømning:

hvor er den spesifikke elektriske ledningsevnen lik forholdet mellom den elektriske ledningsevnen og massetettheten av væske . er en kalibreringsfaktor som avhenger av geometrien til LOFOS-systemet.

Fra ligning over den kumulative massen under driftstiden blir bestemt som

hvor er integralen til Lorentz-styrken i tidsprosessen. Fra denne ligningen og med tanke på den spesifikke formelen for elektrisk ledningsevne, kan man utlede den endelige ligningen for å beregne den elektriske ledningsevnen for væsken, i form

Lorentz-styrke velocimetri

Fig. 9: Arbeidsprinsipp med flytid. Tatt fra

Time-of-flight Lorentz force velocimetry, er beregnet for kontaktløs bestemmelse av strømningshastighet i ledende væsker. Den kan med hell brukes selv i tilfelle når slike materialegenskaper som elektrisk ledningsevne eller tetthet ikke er kjent under spesifikke ytre forhold. Den siste grunnen gjør LFV-flytid spesielt viktig for bransjeanvendelse. I følge LFV-flytid (figur 9) er to sammenhengende målesystemer montert på en kanal en etter en. Målingen er basert på å få kryss-korrelerende funksjon av signaler, som er registrert av to magnetiske målingers system. Hvert system består av permanentmagnet og kraftføler, så indusering av Lorentz-kraft og måling av reaksjonskraften gjøres samtidig. Enhver krysskorrelasjonsfunksjon er bare nyttig i tilfelle kvalitativ forskjell mellom signaler og for å skape forskjellen i dette tilfellet brukes turbulente svingninger. Før målesonen til en kanal når væske, kommer kunstig vortexgenerator som induserer sterke forstyrrelser i den. Og når en slik svingningsvirvel når magnetfeltet til målesystemet, kan vi observere en topp på dens styrke-tidskarakteristikk mens det andre systemet fortsatt måler stabil flyt. I henhold til tiden mellom topper og avstanden mellom målesystemet kan observatøren estimere middelhastigheten og dermed væskens strømningshastighet ved ligning:

hvor er avstanden mellom magnetsystemet, tidsforsinkelsen mellom registrerte topper, og oppnås eksperimentelt for hver spesifikke væske, som vist i figur 9.

Lorentz tvinge virvelstrømtesting

Fig. 10: LET arbeidsprinsipp. Tilpasset fra

En annen, om enn fysisk nært beslektet utfordring, er påvisning av dypt liggende feil og inhomogeniteter i elektrisk ledende faste materialer.

I den tradisjonelle versjonen av virvelstrømstesting brukes et vekslende magnetfelt (AC) for å indusere virvelstrømmer inne i materialet som skal undersøkes. Hvis materialet inneholder en sprekk eller feil som gjør den romlige fordelingen av den elektriske ledningsevnen uensartet, blir banen til virvelstrømmene forstyrret og impedansen til spolen som genererer AC-magnetfeltet blir modifisert. Ved å måle impedansen til denne spolen kan det dermed oppdages en sprekk. Siden virvelstrømmene genereres av et magnetisk vekselstrømsfelt, begrenses deres inntrengning i undergrunnsområdet av materialet av hudeffekten . Anvendeligheten av den tradisjonelle versjonen av virvelstrømtesting er derfor begrenset til analysen av den umiddelbare nærheten til overflaten av et materiale, vanligvis i størrelsesorden en millimeter. Forsøk på å overvinne denne grunnleggende begrensningen ved bruk av lavfrekvente spoler og superledende magnetfeltsensorer har ikke ført til omfattende applikasjoner.

En nylig teknikk, referert til som Lorentz-virvelstrømsprøving (LET), utnytter fordelene ved å påføre DC-magnetfelt og relativ bevegelse som gir dyp og relativt rask testing av elektrisk ledende materialer. I prinsippet representerer LET en modifisering av den tradisjonelle virvelstrømstesten som den skiller seg fra i to aspekter, nemlig (i) hvordan virvelstrømmer induseres og (ii) hvordan forstyrrelsen deres oppdages. I LET genereres virvelstrømmer ved å gi den relative bevegelsen mellom lederen som testes og en permanent magnet (se figur 10). Hvis magneten passerer en defekt, viser Lorentz-kraften som virker på den en forvrengning hvis deteksjon er nøkkelen til LET-arbeidsprinsippet. Hvis objektet er feilfritt, forblir den resulterende Lorentz-kraften konstant.

Fordeler og begrensninger

Fordelene med LFV er

  • LFV er en berøringsfri teknikk for måling av strømningshastighet.
  • LFV kan brukes med suksess for aggressive væsker og høy temperatur som flytende metaller.
  • Gjennomsnittlig strømningshastighet eller middelhastighet for væske kan oppnås uten å avhenge av strømningens inhomogeniteter og turbulenssoner.

Begrensningene til LFV er

  • Nødvendigheten av temperaturkontroll av målesystemet på grunn av magnetisk magnetfeltets sterke avhengighet av temperaturen. Høy temperatur kan forårsake uopprettelig tap av de magnetiske egenskapene til permanent magnet (Curie temperatur).
  • Begrensning av målesonen etter dimensjoner av permanentmagnet.
  • Nødvendigheten av kontroll av væskenivå i tilfelle arbeid med åpen kanal.
  • Rask forfall av magnetfeltene gir små krefter på magnetsystemet.

Se også

Eksterne linker

Referanser