Messung kleiner Volumenströme

Größe: px

Ab Seite anzeigen:

Download "Messung kleiner Volumenströme"

Jesko Fuhrmann
vor 7 Jahren
Abrufe

1 Messung kleiner Volumenströme ( in Mikroleitungen, hydraulisch 1...1µm) D. Petrak Technische Universität Chemnitz Institut für Mechanik und Thermodynamik Professur Strömungsmechanik 1 Inhalt Messung kleiner Volumenströme ein Überblick Messung kleiner Volumenströme mittels LWL-Ortsfilter 2

2 Volumenstrommessung in Leitungen Netzmessung mittels Sonden, LDA, PIV, Ortsfilter Integrierende Messverfahren mittels Wirkdruck, Wirbelerzeuger, Ultraschall, Corioliskraft(q m ), magnetische Induktion, Verdrängung, Turbine, Schwebekörper, Laufzeit, Gravimetrie, thermische Verfahren(q m ) 3 Volumenstrommessung in Mikroleitungen Netzmessung mittels Sonden, LDA, PIV, Ortsfilter, Integrierende Messverfahren mittels Wirkdruck, Wirbelerzeuger, Ultraschall, Corioliskraft(q m ), magnetische Induktion, Verdrängung, Turbine, Schwebekörper, Laufzeit, Gravimetrie, thermische Verfahren(q m ) 4

3 Gravimetrische Methode: q V für Flüssigkeiten Indirekte Methode: q V m fl = t ρ Präzisionswaage, z.b.: E =,1 mg G =,3 % Reduzierung der Verdampfung berührungsfreie Zuführung gute Entlüftung fl 5 Druckabfall in Kapillaren: q V Laminare Rohrströmung Newtonscher Flüssigkeiten: Präzisionskapillaren, Kalibrierung Präzisionsdruckgeber Druckverluste im Ein- und Auslauf v q mean V p = 8η l π p = r 8η l 4 r 2 6

4 Mikrodüsen, Mikroblenden, Venturirohre: q V Mikrodüsen: q V,gas =,2...2 l/h U =,3 % Kalibriermessplatz der PTB: Präzisionsglaszylinder mit quecksilgedichteten Kolben, interferometrische Messung des Kolbenweges Mikroblenden: Venturirohr: minimaler Blendendurchmesser,1 mm, 1 l/h Gas klassisch, min. Durchmesser,5 mm 7 Thermische Sensoren: q V CP: q V < 6 ml/h CT: q V > 6 ml/h Messbereich: Wasser:,2 ml/h 12 ml/h 8

5 Laser-Doppler-Anemometrie: v lokal, (q V ) f s = 12 mm λ = 685 nm 8 f l = π Dd 2 λ 175 µm Glaskanal A.K.Tieu et al., Laser-Doppler-Feldsensor: v 1D, 2D, (q V ) APPLICATION OF LASER-DOPPLER VELOCITY-FIELD AND VELOCITY-PROFILE SENSORS TO HIGHLY RESOLVED SHEAR FLOW MEASUREMENTS K. Shirai, C. Bayer, A. Voigt, T. Pfister, L. Büttner, J. Czarske (TU Dresden)1, H. Müller (PTB)2, D. Petrak (TU Chemnitz)3 9b

6 Ortsfiltertechnik: v lokal, (q V ) Prinzip: Abbildung des Objektes auf Ortsfilter (Spaltgitter) vor dem Photoempfänger Spaltgitter v = f signal g Y. Aizu et al., Ortsfiltertechnik: v lokal, (q V ) Y. Aizu et al., µm Glasrohr 11

7 Ortsfiltertechnik: v lokal, (q V ) CCD-Zeile mit Schieberegister als Ortsfilter mit virtueller Gitterbewegung 3 mm/s 2,5 2 velocity 1,5 1, µm 28 measuring place inside of the capillary K. Michel, Diss. Uni. Rostock, 2 28 µm-glaskapillare, Silikatpartikel 5 µm 12 PIV-Verfahren (particle image velocimetry) : v lokal, (q V ) δt = 5 ns, t = 5 ns, -15 C C. D. Meinhardt et al., µm x 3 µm Glaskanal, x = 2 nm 13

8 Stereo µpiv-system : v 3D, (q V ) Minimales v-feld: 4 µm x 5 µm, Abtastfleck: 12 µm x 12 µm M. Brede et al., GALA MTV-Verfahren (molecular tagging velocimetry): v lokal Statt Tracerpartikel Nutzung eines wasserlöslichen phosphorizierenden Farbstoffs Anregung mittels UV-Laserstrahl Angeregte Farbstoffmoleküle senden unmittelbar grünes Licht aus (höhere Geschwindigkeiten) Zusätzliche Temperaturempfindlichkeit Optischer Zugang von zwei Seiten notwendig Erfassung einer v-komponente D. Maynes and A.R. Webb, 22 15

9 MTV-Verfahren (molecular tagging velocimetry): v lokal Gaussscher UV-Strahl, fokussiert auf 2 µm auf 3,9 mm, 5 µm möglich für 2 µm Kapillare λ = 38 nm, 9 ns 11 µs CCD-Kamera-Aufnahme µs Zeitverschiebung Quarzglaskapillare 75 µm Brechzahlkorrektur 1 µs zwischen Puls und 1. Bild nach 2 µs 2. Bild v 3 m/s, ± 2,5 % 16 Verpackte Farbstoffe: v lokal Prinzip: Es werden verpackte gelöste Fluoreszenzfarbstoffe eingesetzt, die durch einen UV-Laserstrahl entpackt werden und anschließend von einem CW-Laser angeregt werden. Zu zwei verschiedenen Zeiten wird dann die Bewegung der entpackten Region bildlich festgehalten. Anwendung: 75 µm Kapillare mit druck- bzw. elektrokinetischem Antrieb, 355 nm, 5 ns, 3x Nd:YAG-Laser; 488 nm, Argon-Ionen-Laser; Strömungsprofile P.H. Paul et al.,

10 Prinzip LWL-Ortsfilter 18 Messbeispiel v,3 [m/s],25,2,15,1 q u q V m V πd = 4 = U / 2 = πd u m U 2,5, [s] 4 measuring time t U =.159m / s q V = 5.65ml / h 5 velocity values, d cap =.15mm, q V = 5 ml/h, water with microspheres 4µm, Re=

11 Messaufbau 1 Wasserbehälter Signalanalyse LWL-Sensor h Mikroströmung Glasplatten oder Glaskapillare Laser-Dioden-System Analysenwaage Perfusor 2 Messaufbau 1 Justierung Kapillare Laserdiode Justierung Meßsonde Grundplatte B A 21

12 Messaufbau q V, Sensor [ml/h] q V, Perfusor [ml/h] d =,5 mm, Polymer Microspheres: 4 µm, 15 kg/m 3, dest. Wasser, 1,5 % Re = 3 16, q V,max = 325 ml/h 22 Messaufbau 1 q V, Sensor [ml/h] q V, Perfusor [ml/h] q V, Sensor [ml/h],2,16,12,8,4,,,4,8,12,16,2 q V, Perfusor [ml/h] d =,15 mm, Re =,2 24, d =,5 mm, Re =,14...1,4 q V,max = 96 ml/h q V,max = 328 ml/h Polymer Microspheres: 2 µm, 15 kg/m 3, dest. Wasser 23

13 Messaufbau 2 (a) Foil Metallfolie: Channel Flow B Dicke:,1 mm Breite B = 2 mm Liquid Inflow L Liquid Outflow Länge L = 6 mm (b) q V = A Kanal 2 U 3 24 Messaufbau q V,Sensor [ml/h] q V, Perfusor [ml/h] 25

14 Messaufbau 3 =?? 26 Messaufbau 3 27

15 Messaufbau 3 28 Messaufbau 3 Durchfluss,5 ml/h Messsignale von zwei Hohlglaskugeln Durchfluss 8 ml/h 28a

16 Messaufbau 3 q V,Perfusor / mlh Messwerte Polynom 2. Ordnung l e gegeben q V,Sensor / mlh Messaufbau 3 1 tief 5 mm Verschiebung Düse 1 Sensor 26 Exzenterschneckenpumpe 3

17 Messaufbau 3 q V / mlh α u / ms -1 L = 2 mm, D = 1,49 mm 31 Messaufbau 3 q V / mlh ,5ρu u p 1 Messung, L = 2 mm u / ms -1 u / ms -1 q V / mlh ,5ρ(u cos5 ) 2 p 1 Messung, L = 2 mm L = 2 mm, D = 1,49 mm, α = L = 2 mm, D = 1,49 mm, α = 5 32

18 Zusammenfassung LWL-Ortsfilter-Sensor ist für die Messung kleiner Volumenströme Newtonscher Flüssigkeiten in Kapillaren und Mikrokanälen geeignet. Kalibrierfreie Messung Voraussetzungen: ausgebildete laminare Strömung, Tracerpartikel Abstimmung der Tracerpartikelgröße (,8 1 µm) auf den Kapillarinnendurchmesser, Unsicherheit von q V : minimal 1% Erreichter Minimalvolumenstrom: q V =,2 ml/h, noch verwendbarer Kapillarinnendurchmesser: 5 µm Miniaturisierung gegeben 33

Ähnliche Dokumente

Mach-Zehnder Interferometer

Mach-Zehnder Interferometer 1891/2 von Ludwig Mach und Ludwig Zehnder entwickelt Sehr ähnlich Michelson-Interferometer Aber: Messobjekt nur einmal durchlaufen 1 Anwendung: Mach-Zehnder Interferometer Dichteschwankungen