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
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
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
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
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., 1995 9 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
Ortsfiltertechnik: v lokal, (q V ) Prinzip: Abbildung des Objektes auf Ortsfilter (Spaltgitter) vor dem Photoempfänger Spaltgitter v = f signal g Y. Aizu et al., 1985 1 Ortsfiltertechnik: v lokal, (q V ) Y. Aizu et al., 1985 7-µm Glasrohr 11
Ortsfiltertechnik: v lokal, (q V ) CCD-Zeile mit Schieberegister als Ortsfilter mit virtueller Gitterbewegung 3 mm/s 2,5 2 velocity 1,5 1,5 4 8 12 16 2 24 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., 1999 3 µm x 3 µm Glaskanal, x = 2 nm 13
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 27 14 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
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 2...25 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., 1998 17
Prinzip LWL-Ortsfilter 18 Messbeispiel v,3 [m/s],25,2,15,1 q u q V m V πd = 4 = U / 2 = πd 4 2 2 u m U 2,5, 1 2 3 [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=11.79 19
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
Messaufbau 1 16 14 12 q V, Sensor [ml/h] 1 8 6 4 2 2 4 6 8 1 12 14 16 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] 1 9 8 7 6 5 4 3 2 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 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
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 2 2 175 15 q V,Sensor [ml/h] 125 1 75 5 25 25 5 75 1 125 15 175 2 q V, Perfusor [ml/h] 25
Messaufbau 3 =?? 26 Messaufbau 3 27
Messaufbau 3 28 Messaufbau 3 Durchfluss,5 ml/h Messsignale von zwei Hohlglaskugeln Durchfluss 8 ml/h 28a
Messaufbau 3 q V,Perfusor / mlh -1 7 6 5 4 3 2 1 Messwerte Polynom 2. Ordnung l e gegeben 5 1 15 2 25 3 35 q V,Sensor / mlh -1 29 Messaufbau 3 1 tief 5 mm Verschiebung Düse 1 Sensor 26 Exzenterschneckenpumpe 3
Messaufbau 3 q V / mlh -1 25 2 15 1 α 1 2 3 4 5 6 5 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 u / ms -1 L = 2 mm, D = 1,49 mm 31 Messaufbau 3 q V / mlh -1 25 2 15 1 5,5ρu u p 1 Messung, L = 2 mm 2 4 6 8 1 2 4 6 8 1 u / ms -1 u / ms -1 q V / mlh -1 15 1 5,5ρ(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
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