(Ultraschall-)Flussmessung für das Kühlsystem des Panda-Kalorimeters VORTRAG

Größe: px

Ab Seite anzeigen:

Download "(Ultraschall-)Flussmessung für das Kühlsystem des Panda-Kalorimeters VORTRAG"

Liane Schmidt
vor 6 Jahren
Abrufe

1 (Ultraschall-)Flussmessung für das Kühlsystem des Panda-Kalorimeters VORTRAG FAKULTÄT FÜR PHYSIK UND ASTRONOMIE Institut für Experimentalphysik I Patrick Ahle

2 Inhalt Einleitung Physikalische Grundlagen Schallgeschwindigkeiten Verschiedene Methoden der Flussmessung Varianten der Flussmessung mit Vor und Nachteilen Varianten der Ultraschallflussmessung Physikalische und geometrische Probleme Transducer-Abstand variabel oder fest? Snellius + verschiedene Signalwege 2

3 Inhalt Testaufbau Fotos vom Aufbau, aufgenommene Daten/Kurven Geplanter finaler Aufbau Ansteuerung und Messaufbau Verbesserungen 3

Grund: Fließgeschwindigkeit/Kühlung soll

4 Einleitung Thema: Flussmessung am Kühlsystem für das elektromagnetische Kalorimeter des Panda Experiments Ziel: Aufbau eines Ultraschallflussmessgerätes Grund: Fließgeschwindigkeit/Kühlung soll räumlich konstant sein Grund für Ultraschall: kein direkter Eingriff in das Kühlsystem Bisheriger Versuchsaufbau und Endkappe 4

wie die in Wasser/Methanol Zum Vergleich: Im Betrieb fließt das Kühlmittel

5 Einleitung Kühlmittel: Wassermethanolgemisch Schallgeschwindigkeit in Methanol: 1123 m/s Schallgeschwindigkeit in Aluminium ist 4-6 mal so groß wie die in Wasser/Methanol Zum Vergleich: Im Betrieb fließt das Kühlmittel mit etwa 1 m/s Schallgeschwindigkeiten in Flüssigkeiten und Festkörpern und Gasen 5

6 Verschiedene Möglichkeiten der Flussmessung: Differenzdruckverfahren In dem zu vermessenden Rohr wird z.b. eine (verstellbare) Verengung angebracht. Vor dieser herrscht ein höherer Druck als unmittelbar nach dieser. p 1 p 2 -> Fließgeschwindigkeit berechnet sich aus Druckunterschied 6

Verschiedene Möglichkeiten der Flussmessung: Magnetisch-induktive- Durchflussmessung In der Flüssigkeit sollten genug Ladungsträger gleichmäßig verteilt sein Vergleichbar mit einer

7 Verschiedene Möglichkeiten der Flussmessung: Magnetisch-induktive- Durchflussmessung In der Flüssigkeit sollten genug Ladungsträger gleichmäßig verteilt sein Vergleichbar mit einer Hall-Sonden- Messung Magnetfeld in der Flüssigkeit wird durch Spule erzeugt -> Fließgeschwindigkeit berechnet sich aus der gemessenen Spannung 7

Generator wird eine messbare Spannung erzeugt Die Turbine treibt eine Messscheibe an

8 Verschiedene Möglichkeiten der Flussmessung: Mechanische Durchflussmessung Turbine oder ähnliches wird von dem durchfließenden Medium in Bewegung versetzt Durch einen Generator wird eine messbare Spannung erzeugt Die Turbine treibt eine Messscheibe an -> Fließgeschwindigkeit berechnet sich aus der gemessenen Spannung/der Drehzahl Turbine 8

9 Verschiedene Möglichkeiten der Flussmessung: Ultraschalldurchflussmessung Ein Ultraschall-Transducer sendet Welle(n) aus Die Welle(n) werden von der Flüssigkeit reflektiert und/oder phasenverschoben (oder leider auch absorbiert) Kein Eingriff in das System nötig Messung im laufendem Betrieb möglich 2 hauptsächlich verwendete Messverfahren Doppler- Verfahren Laufzeitdifferenzmessung 9

10 Ultraschall- Flussmessung Doppler-Verfahren Messung mit einem Transducer möglich Ausgesendetes Signal wird von einem in der Flüssigkeit befindlichen Fremdkörper reflektiert. Fremdkörper muss eine gewisse Größe haben oder in großer Konzentration vorliegen In einem Kühlsystem wären Fremdkörper nicht förderlich für die Haltbarkeit und Wartungsarmut Reflektiertes Signal hat eine andere Frequenz aufgrund der Dopplerverschiebung (falls die Flüssigkeit fließt) ->Flussbestimmung durch Frequenzmessung 10

11 Ultraschall- Flussmessung Laufzeitdifferenzmessung (Dieses Verfahren soll benutzt werden) Die Laufzeitdifferenzmessung erfordert mehrere Transducer Signale werden mit und gegen den Fluss ausgesendet Signale brauchen für den gleichen Weg je nach Richtung unterschiedliche Zeiten Entweder stationär mit Transducern/Reflektoren im Rohr oder mit Transducern außen am Rohr ->Flussbestimmung durch Zeitmessung 11

Laufzeitdifferenzmessung Keine intrinsische Montage an der Endkappe möglich Ausgesendetes Signal wird nach n (n ganzzahlig >- 1) Reflexionen von dem zweiten

12 Laufzeitdifferenzmessung Keine intrinsische Montage an der Endkappe möglich Ausgesendetes Signal wird nach n (n ganzzahlig >- 1) Reflexionen von dem zweiten Transducer detektiert Nach dem Abklingen wird der Signalweg umgekehrt Für die Anbringung an der Endkappe ist eine Montage auf einer Seite die bevorzugte Möglichkeit! 12

13 Aufbauskizze Transducer Ultraschallgel = Kühlmittel = Aluminium 13

14 Weg des Ultraschalls 30cm 14

15 Seitenansicht 15

16 Snelliussches Brechungsgesetz Brechung einer Welle beim Übergang in ein anderes Medium Bei Annahme einer Einfachreflexion Winkel im Alu zum Lot: 87 ->Winkel im Wasser zum Lot: ca. 14 ca. 1 cm Weg im Wasser 16

17 Weg des Ultraschalls nach Snellius 17

18 HF [V] Vergleich der Ruhemessungen Überlagerung fast perfekt Messaperatur hat gute Genauigkeit Reproduzierbarkeit 0,4 0,2 Ruhemessung1 Ruhemessung2 Ruhemessung3 0,0-0,2-0, time [µs] 18

19 HF [V] Vergleich der Messungen mit Pumpenstufe1 Mehr Stellen an welchen sich die Kurven nicht mehr überlagern 0,4 0,2 HF [V] HF [V] HF [V] Stufe1nr1 Stufe1nr2 Stufe1nr3 0,0-0,2-0, time [µs] 19

20 HF [V] Vergleich der Messungen mit Pumpenstufe2 0,4 Stufe2nr1 Stufe2nr2 Stufe2nr3 0,2 0,0-0,2-0, time [µs] 20

21 HF [V] Vergleich Ruhe zu Pumpenstufe4 Eindeutig voneinander zu unterscheiden 0,4 Ruhemessung1 Stufe4nr1 Schwierig eine Phasenverschiebung auszumachen 0,2 0,0-0,2-0, time [µs] 21

22 Geplanter Aufbau Nur wenige Bauteile benötigt Rechenleistung durch ein Notebook Signal in Spannung umgeformt durch Arduino TTL-Gatter generiert Signal (gepulst) MOSFETs boosten auf Betriebsspannung der Transducer Signal wird von einem S-ADC erfasst (sowohl das ausgesendete als auch das empfangene) 22

23 Geplanter Aufbau Tests und Verbesserungen des Messaufbaus: Transducerwahl, Spannungswahl Anzahl der Rechteckpulse Abklingzeit Zahl der Mittellungen Frequenz der Richtungswechsel Anbringung der Transducer FFT 23

24 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Des weiteren wünsche ich ein wunderschönes gutes Wochenende 24

Ähnliche Dokumente

6.2.2 Mikrowellen. M.Brennscheidt

6.2.2 Mikrowellen. M.Brennscheidt 6.2.2 Mikrowellen Im vorangegangen Kapitel wurde die Erzeugung von elektromagnetischen Wellen, wie sie im Rundfunk verwendet werden, mit Hilfe eines Hertzschen Dipols erklärt. Da Radiowellen eine relativ