Zeitschriftenaufsätze

Lorentz force velocimetry (LFV) is a contactless velocity measurement technique for electrically conducting fluids. When a liquid metal or a molten glass flows through an externally applied magnetic field, eddy currents and a flow-braking force are generated inside the liquid. This force is proportional to the velocity or flow rate of the fluid and, due to Newton's third law, a force of the same magnitude but in opposite direction acts on the source of the applied magnetic field which in our case are permanent magnets. According to Ohm's law for moving conductors at low magnetic Reynolds numbers, an electric potential is induced which ensures charge conservation. In this paper, we analyze the contribution of the induced electric potential to the total Lorentz force by considering two different scenarios: conducting walls of finite thickness and aspect ratio variation of the cross-section of the flow. In both the cases, the force component generated by the electric potential is always in the opposite direction to the total Lorentz force. This force component is sensitive to the electric boundary conditions of the flow of which insulating and perfectly conducting walls are the two limiting cases. In the latter case, the overall electric resistance of the system is minimized, resulting in a considerable increase in the measured Lorentz force. Additionally, this force originating from the electric potential also decays when the aspect ratio of the cross-section of the flow is changed. Hence, the sensitivity of the measurement technique is enhanced by either increasing wall conductivity or optimizing the aspect ratio of the cross-section of the flow.

Im folgenden Artikel wird eine optische Messtechnik vorgestellt und qualifizert, welche die simultane Bestimmung des dreidimensionalen (3D) Temperaturfeldes und der drei Komponenten des dreidimensionalen Geschwindigkeitsfeldes (3D3C) in mikrofluidischen Anwendungen ermöglicht. Dabei wird die Temperatur über das Verhältnis der Intensität der Lumineszenzsignale von zweifarbigen Polymerpartikeln ermittelt, während das Geschwindigkeitsfeld gleichzeitig anhand der Verschiebung individueller Partikelbilder berechnet werden kann. Um die Tiefeninformation zu erhalten, wird das etablierte Astigmatismus particle tracking velocimetry Verfahren verwendet. Mit der beschriebenen Methode werden simultane, volumetrische Messungen des Temperatur- und Geschwindigkeitsfeldes in einem temperierten Kanal durchgeführt und mit numerischen Simulationen verglichen. Dabei werden zwei unterschiedliche Kamerasysteme verwendet, um die Emission der lumineszierenden Farbstoffen zu trennen. Einerseits kommt ein Zweikameraaufbau mit einem dichroitischen Spiegel und andererseits eine einzelne Farbkamera zum Einsatz. Die Ergebnisse zeigen eine gute qualitative Übereinstimmung zwischen Experiment und Simulation, wobei die Qualität der Messergebnisse für beide Kamerasysteme vergleichbar ist. Durch die Verwendung von nur einer Farbkamera kann der experimentelle Aufwand jedoch stark verringert werden.

Bei Waagen nach dem Prinzip der elektromagnetischen Kraftkompensation wird die auf eine Waagschale wirkende Gewichtskraft eines Wägegutes durch eine elektromagnetische Gegenkraft kompensiert. Nach dem Stand der Technik wird der Zusammenhang zwischen dem, die Gegenkraft erzeugendem Aktorstrom durch eine Spule und der Gewichtskraft des Wägegutes durch Kalibrierung mit Massenormalen hergestellt. Mit der für 2018 zu erwartenden Neudefinition der SI-Einheit der Masse durch Festlegung eines Wertes der Planck-Konstanten wird ein unmittelbarer Zusammenhang zwischen den mechanischen und elektrischen Größen geschaffen, so dass das aus Fundamentalexperimenten bekannte Wattwaagenprinzip zur Kalibrierung von Massen eingesetzt werden kann. Im vorliegenden Artikel wird eine darauf aufbauende Methode zur Bestimmung des Kraftfaktors Bl einer kommerziellen EMK-Wägzelle vorgestellt. Dies geschieht durch die simultane Messung der Spannung über der im Magnetfeld bewegten Spule und deren Geschwindigkeit. Dabei wird im vorgestellten Verfahren die Spule gleichzeitig zur Erzeugung der Bewegung mit einem harmonischen Wechselsignal bestromt. Die Frequenz der harmonischen Bewegung hat hierbei maßgeblichen Einfluss auf die Unsicherheit des resultierenden Kraftfaktors. Eine Trennung der Spannungsanteile über der Spule erfolgt durch simultane Messung von Strom und Spannung an der Spule und Auswertung unter Berücksichtigung der vorliegenden Amplituden und Phasenlagen. Die Spule ist hierbei, wie bei kommerziellen EMK-Wägezellen üblich, über ein mechanisches Hebelwerk angekoppelt. Durch diese Hebelübersetzung ist es möglich, mit einem kompakten elektrodynamischen Aktuator (Spule-Permanentmagnetsystem), einen großen wirksamen Kraftfaktor zu realisieren. - Im Ergebnis können mit dem System Kräfte in beliebiger Raumrichtung gemessen bzw. erzeugt werden, wobei die Massebestimmung einen Spezialfall darstellt, für den zusätzlich die lokale Fallbeschleunigung bekannt sein muss. Unter Nutzung der gleichen Methodik kann durch Vertauschung von Eingangs- und Ausgangsgrößen des Formalismus, die EMK-Wägezelle auch als Positionssensor eingesetzt werden. Hierbei erfolgt unter Zuhilfenahme eines Referenzgewichtes (Justiergewichtes) und der Ausgangsspannung des Positionssensors des Wägesystems eine Kalibrierung der Auslenkung des Koppelstücks. Für beide Verfahren werden im Gegensatz zu Fundamentalexperimenten industriell relevante Messunsicherheiten im ppm-Bereich angestrebt. Es werden Messungen für beide Messmodi auf Basis kommerziell verfügbarer EMK-Wägezellen und elektrischer Messtechnik vorgestellt und diskutiert.