Neue Wege ohne Kontakt

Vollständig berührungsloses Durchflussmesssystem für Lebensmittel und Chemikalien

Pharma
Food
Kosmetik
Chemie
Planer
Betreiber
Einkäufer
Manager

08.08.2012 Forscher der Technischen Universität Ilmenau haben ein Durchflussmessprinzip für empfindliche Lebensmittel und aggressive Chemikalien vorgestellt, das erstmals berührungslose magnetische Strömungsmessung in schwach leitfähigen Flüssigkeiten ermöglicht und sich auch für Hochtemperatur-Einsätze eignet.

Anzeige

Entscheider-Facts Für Betreiber

  • Berührungslose Durchflussmesser sind dann vonnöten, wenn die Rohrwand über 1.000 °C heiß ist, die Rohre von außen kontaminiert sein können, wenn sie stark vibrieren oder wenn der Durchflussmesser portabel sein soll.
  • Das vollständig berührungslos arbeitende Durchflussmessgerät funktioniert nach dem Prinzip der Messung der Lorentzkraft.
  • Die Messung basiert auf einem Magnetfeld, welches auf die Strömung einwirkt: Elektrisch leitfähige Flüssigkeiten verbiegen beim Vorbeifließen an einem starken Permanentmagnet diese Magnetfeldlinien sanft.
  • Durch verschiedene Optimierungsmaßnahmen lässt sich die Messgenauigkeit weiter erhöhen.

Für die exakte Dosierung von Füllmengen bzw. Mengenmessung von unterschiedlich fließfähigen Flüssigkeiten – beispielsweise Chemikalien, Abwässern, Lebensmitteln, Getränken, wässrigen Flüssigkeiten in der Pharmaindustrie oder auch Salzschmelzen in solarthermischen Anlagen – ist die Messung der Fließgeschwindigkeit ausschlaggebend. Beim Einsatz herkömmlicher Durchflussmesser, die sogenannten Faraday-Durchflussmesser, die aus einem Rohr, einem Magnet und zwei Elektroden bestehen, müssen diese Elektroden jedoch in die zu messende Flüssigkeit getaucht werden. Je nach Produkt bedeutet dies aber, dass sie dabei korrodieren oder verschmutzen können und dadurch die hochreinen Chemikalien oder empfindlichen Lebensmittel verunreinigen.

Daher wünschen sich Produzenten aus Chemie-Industrie ebenso wie Lebensmittel- und Arzneimittelhersteller schon lange elektrodenfreie und damit berührungslos funktionierende magnetische Durchflussmesser. Solche berührungslosen Durchflussmesser sind immer dann vonnöten, wenn beispielsweise die Rohrwand Temperaturen von über 1.000 °C hat, die Rohre an sich von außen kontaminiert sein können, wenn sie stark vibrieren oder auch dann, wenn der Durchflussmesser portabel sein soll. Sofern hier keine optische Messung des Durchflusses, beispielsweise mithilfe von Tracer-Partikeln in der Flüssigkeit möglich ist, lassen sich nur wenige kontaktlose Durchfluss-Messtechniken einsetzen. Für Ultraschallmessungen ist beispielsweise mechanischer Kontakt zwischen dem Messumformer und der Rohrleitung notwendig; magnetisch-induktive Messgeräte benötigen Kontakt zwischen den Elektroden und der Flüssigkeit bzw. den Elektroden und der Rohrwand.

Kontakt und Einblick unnötig

Einem Forscherteam der TU Ilmenau unter der Leitung von Professor André Thess ist jetzt die Entwicklung eines vollständig berührungslos arbeitenden Durchflussmessgerätes gelungen, das auf der Messung der Lorentzkraft basiert: Die von der Deutschen Forschungsgemeinschaft finanzierte interdisziplinäre Arbeitsgruppe hat weltweit erstmalig Salzwasserströmungen und damit eine schwach leitfähige Flüssigkeit magnetisch vermessen, ohne dass ihr Messgerät die Flüssigkeit berührte. Selbst die Rohrwand blieb unangetastet. Bereits seit über zehn Jahren erforscht die Arbeitsgruppe berührungslose magnetische Strömungsmessverfahren und setzt dabei auf Lorentzkraft-Durchflussmesser. Wie auch beim Faraday-Durchflussmesser lassen die Ilmenauer ein Magnetfeld auf die Strömung einwirken, so dass die strömende Flüssigkeit die Magnetfeldlinien durchquert. Doch im Gegensatz zum Faraday-Durchflussmesser benötigen die Ilmenauer Messtechniker keine Elektroden und damit keinen mechanischen Kontakt zur Anlage. Sie nutzen vielmehr aus, dass strömende, elektrisch leitfähige Flüssigkeiten wie etwa Apfelsaft oder flüssiger Stahl beim Vorbeifließen an einem starken Permanentmagnet die Magnetfeldlinien sanft verbiegen. Ähnlich den Barthaaren, an denen eine Katze selbst den leisesten Windstoß spürt, wirkt auf die Magnetfeldlinien und somit auch auf den Permanentmagnet eine winzige Kraft, die sogenannte Lorentzkraft.

Je schneller die Flüssigkeit fließt und je besser sie den elektrischen Strom leitet, desto stärker ist die Lorentzkraft. Diese Kraft messen die Forscher und berechnen daraus die Strömungsgeschwindigkeit. 2005 ist es den Ilmenauer Wissenschaftlern erstmalig gelungen, Strömungen von Flüssigaluminium in einer Gießerei nachzuweisen. Jetzt steht die in fünf Patenten geschützte Technologie im Bereich der metallurgischen Anwendungen kurz vor der Marktreife.

Anwendungen in anderen Industrien

Doch während Lorentzkraft-Durchflussmesser für Flüssigmetalle recht zuverlässig und genau funktionieren, stellte ihre Anwendung auf schwach leitfähige Fluide wie Lebensmittel und Chemikalien die Forschung bisher vor Rätsel. Dies, weil die durch die Strömung erzeugten Lorentzkräfte auf den Permanentmagnet bei Lebensmitteln wesentlich kleiner sind als bei Flüssigmetallen. Strömt beispielsweise Cola waagerecht an einem Permanentmagnet vorbei, so wirkt auf ihn eine Seitenkraft, die mehrere Millionen mal keiner ist als seine Schwerkraft. Das Kräfteverhältnis ist etwa so, als wolle eine Maus einen vollbeladenen Lastkraftwagen zur Seite schieben.

Um solch kleine Kräfte zu messen, mussten die Ilmenauer Wissenschaftler ihre bisherigen Kraftmessverfahren nach neuen Messmethoden suchen. 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 Wissenschaftler haben die Pendelidee aufgegriffen, um ihre ähnlich kleinen Lorentzkräfte nachzuweisen. In ihrem Experiment ließen sie Salzwasser durch ein Rohr mit 15 cm2 Querschnittsfläche strömen. Da Salzwasser etwa die gleiche elektrische Leitfähigkeit wie Bier besitzt, ist es als Testflüssigkeit für Lebensmittelanwendungen gut geeignet. Im Experiment ließen die Forscher zwei Permanentmagnete auf die Strömung einwirken, die an vier Wolframfäden hingen und ein Pendel bildeten. Zuvor 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 kann. Als sie das Experiment dann 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.

Durch verschiedene Optimierungsmaßnahmen wie ein Leichtbau-Magnetsystem basierend auf einem Hochtemepratur-Supraleiter und den Ersatz der Pendel an den vier Wolframfäden durch Torsionspendel wollen die Wissenschaftler die Messgenauigkeit nun weiter erhöhen. Bereits jetzt sind die Forscher in der Lage, die Methode auf Flüssigkeiten mit einer Leitfähigkeit von 106 S/m bis hin zu 1 S/m anzuwenden, schätzen aber, dass sich die Skala auf ­10-3 S/m in industriellen Anwendungen bzw. 10-6 S/m unter Laborbedingungen und damit für die meisten Flüssigkeiten, die in der Industrie von Interesse sind, ausweiten lässt. Nach dem erfolgreich erbrachten Machbarkeitsnachweis arbeiten die Ilmenauer Wissenschaftler daher nun daran, das Messprinzip industrietauglich zu machen.[tw]

*A. Wegfrass, C. Diethold, M. Werner, T. Fröhlich, F. Hilbrunner, C. Resagk, A. Thess, A universal noncontact flowmeter for liquids, Appl. Phys. Lett. 100, 194103 (2012)

Heftausgabe: August 2012

Über den Autor

Tina Walsweer, Redaktion
Loader-Icon