High resolution force measurement system for Lorentz force velocimetry

Die Lorentzkraft-Anemometrie wurde als neuartige Methode fur die beruhrungslosen Geschwindigkeitsmessungen leitfahiger Stromungen entwickelt. Die induzierte Lorentzkraft ist proportional zur Stromungsgeschwindigkeit. Mit einem Kraftmesssystem kann die Reaktionskraft der induzierten Lorentzkraft, die auf das integrierte Magnetsystem wirkt, gemessen werden. Dadurch kann die Stromungsgeschwindigkeit bestimmt werden. Die Eigenschaften der Geschwindigkeitsmessung hangen von den Eigenschaften des Kraftmesssystems ab. Bei Fluiden mit geringer elektrischer Leitfahigkeit, wie z.B. Elektrolyten, liegt die erzeugte Lorentzkraft im Bereich von Mikronewton und darunter. Das Kraftmesssystem unterstutzt eine Masse eines Magnetsystems von ca. 1 kg. Deshalb ist das Ziel dieser Arbeit ein Kraftmesssystem zu entwickeln, welches auf der einen Seite eine verbesserte Kraftauflosung in horizontaler Richtung fur niedrigleitende Elektrolyte aufweist und auf der anderen Seite die Tragfahigkeit der Eigenlast von uber 1 kg zur Unterstutzung des integrierten Magnetsystems gewahrleistet. In vorherigen Arbeiten wurde die Wagezelle nach dem Prinzip der elektromagnetischen Kraftkompensation (EMK-Wagzelle) in aufgehangter Konfiguration mit dem 1 kg Magnetsystem zur Messung der Lorentzkraft verwendet. Basierend auf verschiedenen Experimenten in dieser vorgestellten Arbeit wird festgestellt, dass aufgrund des mechanischen Aufbaus sowohl Neigungsempfindlichkeit als auch Steifigkeit der EMK-Wagezelle stark von der genutzten Konfiguration und dem Gewicht der unterstutzten Eigenlast abhangig sind. Um die durch diese Abhangigkeiten verursachten Einflusse zu minimieren, wird ein Torsionskraftmesssystem basierend auf dem Prinzip der Torsionswaage entwickelt. Diese ist theoretisch neigungsunempfindlich und behalt bei unterschiedlichen Eigenlasten eine konstante Steifigkeit bei. Die Auslenkungsmessungen werden verwendet, um die Ausgangsspannung des Torsionskraftmesssystems sowohl in Positionswerten als auch in Kraftwerten zu kalibrieren. Ein Closed-Loop-Betriebsmodus wird mithilfe eines PID-Reglers aufgebaut, mit dem die Grenzfrequenz von 0,002 Hz auf 0,1 Hz verbessert wird. Ein spezialangefertigter kapazitiver Aktor wird entwickelt, um eine ruckfuhrbare elektrostatische Kraft zu erzeugen, die anstelle der elektromagnetischen Kraft verwendet werden kann. Um die elektrostatische Kraft zu kalibrieren, werden drei Methoden genutzt: (a) durch Messung des Kapazitatsgradienten; (b) durch Vergleich mit einer elektromagnetischen Kraft und (c) durch Messung des induzierten Stroms in einem Velocity-Modus. Bei der Datenauswertung wird eine numerische Verarbeitung mit Newton-Polynominterpolation durchgefuhrt, um die thermischen und seismischen Storungen und Driften wahrend der Messungen zu schatzen und zu korrigieren. Im Vergleich zu vorherigen Arbeiten, wo die Kraftauflosung auf 20 nN und die Eigenlast auf 3 kg begrenzt waren, ist das Torsionskraftmesssystem in der Lage, Krafte bis zu 2 nN aufzulosen und eine Eigenlast bis zu 10 kg zu tragen. Schlieslich wird die sogenannte Halb-Trocken-Kalibrierung am Torsionskraftmesssystem durchgefuhrt. Die Messempfindlichkeit wird fur unterschiedliche Leitfahigkeiten ermittelt. Basierend auf den experimentellen Ergebnissen, zeigt das Torsionskraftmesssystem das Potential, um Messungen mit weiter geringerer Leitfahigkeit bis hinunter zu 0.0064 S/m durchzufuhren.