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Berührungslose Durchflussmessung für Lebensmittel und Chemikalien

Magnetfeldlinien als Tasthaare

von Prof. Dr. André Thess

Genaue Durchflussmessverfahren sind für die präzise Dosierung kostbarer Flüssigkeiten von zentraler Bedeutung. Im Graduiertenkolleg „Elektromagnetische Strömungsmessung und Wirbelstromprüfung mittels
Lorentzkraft“ suchen Wissenschaftler der TU Ilmenau nach Wegen, um Strömungen in heißen und aggressiven Fluiden wie flüssiger Stahl oder geschmol­zenes Aluminium mittels Magnetfelder zu vermessen. Ein überraschender Nebeneffekt bei dieser Suche ist ein neu­artiges berührungsloses Messverfahren, das auch für ­Lebensmittel und Chemikalien interessant sein könnte. Der vorliegende Beitrag soll Anregungen für den Techno­logiedialog zwischen Metallurgie und Verfahrenstechnik geben.

Die zuverlässige Messung des Massenstromes von Lebensmitteln, Chemikalien, Kraftstoffen, erzhaltigen Schlämmen und Abwässern ist sowohl für eine genaue Steuerung von Herstellungsprozessen als auch für eine korrekte Kostenabrechnung wichtig. Zwar existieren für all diese ­Anwendungen zahlreiche kommerzielle Durchflussmessgeräte [1] wie etwa mag­netisch-induktive Durchflussmesser (MID), Coriolis-Durchflussmesser, Ultraschall-Dop­pler-­Velocimeter (UDV) und Wirbelzähler, doch arbeiten die meisten von ihnen nicht berührungslos. So stehen etwa bei einem MID die Messelektroden in direktem Kontakt mit der zu vermessenden Flüssigkeit und können diese verunreinigen. Ein UDV muss feinfühlig an die Rohrwand angekoppelt werden und wird durch abrasive Flüssigkeiten gestört. Gleichwohl gibt es eine Reihe von Messaufgaben, bei denen es aufgrund höchster Reinheitsanforderungen oder kontaminierter Rohrwände wünschenswert ist, dass das Durchflussmessgerät weder zum Fluid noch zum Rohr Kontakt hat – also berührungslos misst. Besonders bei opaken Fluiden und undurchsichtigen Rohrwänden, wo selbst optische Messprinzipien scheitern, gibt es bislang keine kommerziellen berührungslosen Durchflussmesssysteme. Eine Entwicklung aus der Gießereitechnik könnte bei der Überwindung dieses Mangels helfen.

Ein Exkurs in die Metallurgie

Stahlkocher und Aluminiumschmelzer wünschen sich seit über 100 Jahren eine Möglichkeit, Strömungen heißer Flüssigmetalle exakt zu vermessen. Doch existieren hierfür noch keine kommerziellen Messsysteme, die der Aggressivität von Metallschmelzen auf Dauer widerstehen. An der TU Ilmenau entwickeln Forscher im Rahmen des DFG-Graduiertenkollegs GRK 1567 ein berührungsloses Strömungsmessverfahren, das auf eine Beobachtung des schwedischen Nobelpreisträgers Hannes Alfvén aus dem Jahre 1942 zurückgeht: Wird eine Magnetfeldlinie von einem bewegten elektrisch leitfähigen Fluid wie etwa Flüssigstahl oder Salzwasser durchkreuzt, so wirkt auf sie ­eine winzige Kraft, die Lorentzkraft. Ähnlich einem Flügelrad-Anemometer, das der Wind in Bewegung setzt, wird das in Abbildung 1 gezeigte „Lorentzkraft-Anemometer“ durch ein strömendes Flüssigmetall angetrieben. Die Drehgeschwindigkeit ist ein Maß für den Durchfluss.
Die Ilmenauer Arbeitsgruppe forscht schon seit fast zehn Jahren an der Entwicklung von Lorentzkraft-Anemometern. Das Team arbeitet jedoch, anders als in Abbildung 1 dargestellt, mit feststehenden Magnetsy­s­temen. Es nutzt die Tatsache aus, dass das strömende elektrisch leitfähige Fluid beim Vorbeifließen an einem starken Permanentmagnet die Magnetfeldlinien sanft verbiegt. Ähnlich den Barthaaren, an denen ein ­Kater selbst den leisesten Windstoß spürt, wirkt auf die Magnetfeldlinien und somit auch auf den Permanentmagnet die Lorentz­kraft. Je schneller die Flüssigkeit fließt und je besser sie den elektrischen Strom leitet, desto stärker ist die Lorentzkraft. Die Kraft auf die „magnetischen Tasthaare“ messen die Ilmenauer Forscher und berechnen daraus die Strömungsgeschwindigkeit.

Bei elektrisch gut leitfähigen Flüssigkeiten wie Stahl und Aluminium lassen sich Lorentz­kraft-Anemometer mit handels­üblichen Kraftmesssystemen bauen, wie man sie beispielsweise bei Waagen in Obst- und Gemüseabteilungen von Supermärkten einsetzt. So ist es den Ilmenauer Wissenschaftlern schon im Jahr 2005 erstmalig ­gelungen, Strömungen von Flüssigalum­i­nium in einer Gießerei nachzuweisen [2]. Seither haben sie ihre Lorentzkraft-Anemometer unter harten Industriebedingungen getestet und verbessert. Die in fünf Ilmenauer Patenten geschützte Technologie steht im Bereich der metallurgischen Anwendungen nun kurz vor der Marktreife.

Doch während Lorentzkraft-Anemometer für Flüssigmetalle recht zuverlässig und ­genau funktionieren, stellte ihre Anwendung auf schwach leitfähige Fluide wie Lebensmittel und Chemikalien bis vor Kurzem einen weißen Fleck auf der Landkarte der Strömungsmesstechnik dar. Dies ist der Fall, weil die durch die Strömung erzeugten Lorentzkräfte auf den Permanentmagnet bei Lebensmitteln wesentlich kleiner sind als bei Flüssigmetallen. Strömt beispielsweise Bier waagerecht an einem Permanentmagnet vorbei, so wirkt auf diesen eine Seitenkraft, die mehrere Mil­lionen Mal kleiner ist als seine Schwerkraft. Das Kräfteverhältnis ist etwa so, als wolle eine Maus einen voll beladenen Lastkraftwagen zur Seite schieben.

Vom Flüssigstahl zum Bier

Wie in [3] dargestellt, ist es den Forschern im Graduiertenkolleg durch einen Kunstgriff gelungen, die Strömung trotzdem zu messen. Hierzu mussten die Ilmenauer Wissenschaftler ihre bisherigen Kraftmessverfahren über Bord werfen und nach neuen Messmethoden für kleine Kräfte Ausschau halten. 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 Newton’sche Gravitationskonstante zu messen.

Die Ilmenauer Forscher haben die Pendelidee aufgegriffen. Allerdings nutzten sie das Pendel nicht, um kleine Gravitationskräfte zu messen, sondern um ihre ähnlich kleinen Lorentzkräfte nachzuweisen. Das Experiment ist schematisch in Abbildung 2 dargestellt. Salzwasser strömt durch ein Rohr mit 15 Quadratzentimetern Querschnittsfläche. 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. Bevor die Forscher ihr Experiment aufbauten, 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 konnte. Als sie das Experiment dann tatsächlich durchführten, fanden sie ihre Computersimulationen mit hervor­ragender Genauigkeit bestätigt. Sie konnten nicht nur ihre Vorhersagen über die Abhängigkeit des Messsignals von der Durchflussmenge nachweisen, sondern auch den Einfluss der elektrischen Leit­fähigkeit bestimmen.

Beim vorliegenden Experiment handelt es sich noch nicht um ein kommerziell einsetzbares Messgerät. Mit dem erfolgreichen Demonstrationsexperiment ist zunächst der Machbarkeitsnachweis erbracht. Doch die Ilmenauer Wissenschaftler haben bereits zahlreiche Optimierungsmöglichkeiten identifiziert und arbeiten nun daran, das Messprinzip industrietauglich zu machen.

Literatur
[1] Bonfig, K.W. (2001), Technische Durchflussmessung: Unter besonderer Berücksichtigung neuartiger Durchflussmessverfahren, Vulkan Verlag.
[2] Kolesnikov, Y., Karcher, C., Thess, A. (2011), Lorentz Force Flowmeter for Liquid Aluminum: Laboratory Experiments and Plant Tests, Met. Trans. B, 42B, 441–450.
[3] Wegfrass, A., Diethold, C., Werner, M., Fröhlich, T., Hilbrunner, F., Resagk, C., Thess A. (2012), A universal noncontact flowmeter for liquids, Appl. Phys. Lett. 100, 194103

Weiterführende Links

DFG-Graduiertenkolleg „Lorentzkraft“ an der TU Ilmenau:
http://www.tu-ilmenau.de/lorentz-force/

Physikalisches Grundprinzip: de.wikipedia.org ® „Lorentzkraft-Anemometrie“

Foto: © istockpoto.com, KateONeill, Andrey Prokhorov