27.06.2024

Quantensensor misst Durchflüsse genauer

Magnetfeldbasiertes Verfahren beachtet auch das Strömungsprofil.

Forschende am Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik IPM in Freiburg haben ein magnetfeld­basiertes Verfahren zur berührungslosen Durchfluss­messung entwickelt. Nun konnten sie erstmals den quantitativen Einfluss des Strömungs­profils auf das magnetische Signal nachweisen. Das eröffnet neue Mög­lichkeiten zur Verbesserung des Verfahrens. 

Abb.: Magnetische Durchflussmessung:  In der linken Abschirmung befindet sich...
Abb.: Bei der magnetischen Durchflussmessung polarisiert ein starker Magnet das Fluid, das in einem Stahlrohr von links nach rechts fließt. In der linken Abschirmung befindet sich die HF-Spule, die die Markierung ins Fluid einprägt. Ein Quantensensor in der rechten Abschirmung detektiert diese Markierung.
Quelle: Fh. IPM

In vielen Industrie­zweigen gibt es Herstellungs­prozesse, bei denen fließende Flüssigkeiten eine zentrale Rolle spielen. Will man solche Prozesse regeln oder gar automatisieren, so benötigt man verlässliche Angaben zur Strömungs­geschwindigkeit der Flüssigkeiten. Ein nun entwickeltes magnetfeld­basiertes Durchfluss­mess­verfahren liefert diese Flussdaten sehr präzise und ohne Fluidkontakt. Dabei wird das flüssige Medium in einem ersten Schritt mit einem Permanent­magneten magnetisch polarisiert. 

In einem zweiten Schritt wird diese Ausrichtung durch Hochfrequenz­impulse gedreht. So entstehen lokale magnetische Markierungen im Fluid, die in einem dritten Schritt nach einer definierten Fließstrecke mithilfe hochempfindlicher Quantensensoren durch die Rohrwand hindurch erfasst werden. Auf diese Weise lässt sich die Fließgeschwindigkeit eines magnetisierbaren Fluids bestimmen. Bei dieser Messmethode hat das Strömungsprofil einen großen Einfluss auf die Ausprägung der Markierung. Das konnten die Forschenden am Fraunhofer IPM nun anhand der in einem Modell berechneten Magnetisierungs­verteilung im fließenden Fluid zeigen. Sie simulierten sowohl die effektive Flipwinkel­verteilung als auch die zeitliche Entwicklung der Magnetisierung und erkannten, dass die Variation der Strömungs­geschwindigkeiten über den Rohr­durchmesser die Verteilung der Flipwinkel verbreitert und so das magnetische Signal dämpft. 

Dank dieses tiefen Verständnisses sind die Forschenden nun in der Lage, ihre Messmethode weiter zu optimieren. Nach Einschätzung von Leonhard Schmieder handelt es sich bei dieser Forschung um die erste erfolgreiche Umsetzung eines Mapping-Ansatzes in einem Null-zu-Ultra-Niedrigfeld-Magneto­metrie-basierten Experiment mit Kernspin­resonanz. „Unser berührungs­loser Messansatz hat das Potenzial für den breiten Einsatz. Unsere Methode wird immer dann interessant, wenn eine nicht-invasive, präzise und effiziente Lösung gefragt ist“, so Schmieder.

Fh.-IPM / JOL

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