Quantensensoren zur Durchflussmessung

Welchen Einfluss hat das Strömungsprofil?

Forschende am Fraunhofer IPM haben ein magnetfeldbasiertes Verfahren zur berührungslosen Durchflussmessung entwickelt. Nun konnten sie erstmals den quantitativen Einfluss des Strömungsprofils auf das magnetische Signal nachweisen. Das eröffnet neue Möglichkeiten zur Verbesserung des Verfahrens. Die Ergebnisse wurden kürzlich in der Fachzeitschrift »Journal of Applied Physics« veröffentlicht.

In vielen Industriezweigen gibt es Herstellungsprozesse, bei denen fließende Flüssigkeiten eine zentrale Rolle spielen. Will man solche Prozesse regeln oder gar automatisieren, so benötigt man verlässliche Angaben zur Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeiten. Ein am Fraunhofer IPM entwickeltes magnetfeldbasiertes Durchfluss­mess­verfahren liefert diese Flussdaten sehr präzise und ohne Fluidkontakt. Dabei wird das flüssige Medium in einem ersten Schritt mit einem Permanentmagneten magnetisch polarisiert. In einem zweiten Schritt wird diese Ausrichtung durch Hochfrequenzimpulse gedreht. So entstehen lokale magnetische Markierungen im Fluid, die in einem dritten Schritt nach einer definierten Fließstrecke mithilfe hochempfindlicher Quantensensoren durch die Rohrwand hindurch erfasst werden. Auf diese Weise lässt sich die Fließgeschwindigkeit eines magnetisierbaren Fluids bestimmen.

Mapping der Magnetisierungsverteilung

Bei dieser Messmethode hat das Strömungsprofil einen großen Einfluss auf die Ausprägung der Markierung. Das konnten die Forschenden am Fraunhofer IPM nun anhand der in einem Modell berechneten Magnetisierungsverteilung im fließenden Fluid zeigen. Sie simulierten sowohl die effektive Flipwinkelverteilung als auch die zeitliche Entwicklung der Magnetisierung und erkannten, dass die Variation der Strömungsgeschwindigkeiten über den Rohrdurchmesser die Verteilung der Flipwinkel verbreitert und so das magnetische Signal dämpft. Dank dieses tiefen Verständnisses sind die Forschenden nun in der Lage, ihre Messmethode weiter zu optimieren. Nach Einschätzung von Leonhard Schmieder, Wissenschaftler am Fraunhofer IPM und Erstautor der Veröffentlichung, handelt es sich bei dieser Forschung um die erste erfolgreiche Umsetzung eines Mapping-Ansatzes in einem Null-zu-Ultra-Niedrigfeld-Magnetometrie-basierten Experiment mit Kernspinresonanz. »Unser berührungsloser Messansatz hat das Potenzial für den breiten Einsatz. Unsere Methode wird immer dann interessant, wenn eine nicht-invasive, präzise und effiziente Lösung gefragt ist«, so Schmieder.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Leonard Schmieder, leonard.schmieder@ipm.fraunhofer.de

Originalpublikation:

Radio frequency pulse marking of nuclear magnetization for magnetic flow metering: The impact of the flow profile

https://doi.org/10.1063/5.0204641

Weitere Informationen:

https://www.ipm.fraunhofer.de/de/presse_publikationen/Presseinformationen/durchf… (Bild zum Download)