DE102005046910B4

DE102005046910B4 - Verfahren und Anordnung zur berührungslosen Inspektion bewegter elektrisch leitfähiger Substanzen

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Publication number: DE102005046910B4
Application number: DE102005046910A
Authority: DE
Inventors: Andre' Univ.-Prof.Dr.rer.nat. Thess; Yuri Prof. Dr.rer.nat.habil. Kolesnikov; Christian Priv.-Doz. Dr.-Ing.habil. Karcher
Original assignee: Technische Universitaet Ilmenau
Current assignee: Technische Universitaet Ilmenau
Priority date: 2005-09-21
Filing date: 2005-09-21
Publication date: 2009-03-19
Anticipated expiration: 2025-09-22
Also published as: US8148976B2; DE102005046910A1; CN101512299A; EP1926971B1; US20080252287A1; WO2007033982A1; EP1926971A1

Abstract

Verfahren zur berührungslosen Inspektion einer in einem Rohr oder einer Rinne bewegten elektrisch leitfähigen Substanz, bei dem
– mit Hilfe eines flexibel einsetzbaren Magnetssystems (2) an einem Messbereich des Rohres oder der Rinne in die zu inspizierende Substanz (1) ein magnetisches Primärfeld eingekoppelt wird, wobei das magnetische Primärfeld im wesentlichen senkrecht zur Strömungsrichtung der Substanz gerichtet ist und diese vollständig durchdringt und wobei die Form, Stärke und/oder Struktur des magnetischen Primärfeldes mit Hilfe eines Aktuatorsystems (5) verändert wird,
– mit einem geeigneten Messsystem (3) die aufgrund der Relativbewegung zwischen dem magnetischen Primärfeld und der zu inspizierenden Substanz entstehenden und auf das Magnetsystem wirkenden Komponenten der Kraft oder des Drehmomentes als Zustandsparameter des Magnetsystems als Funktion der Zeit erfasst werden,
und
– in einer Auswerteeinheit (4) aus den erfassten Zustandsparametern des Magnetsystems die Eigenschaften der zu inspizierenden Substanz, die Strömungsgeschwindigkeit und die elektrische Leitfähigkeit, aber auch der...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur berührungslosen Bestimmung der räumlichen Verteilung von Strömungsgeschwindigkeit und elektrischer Leitfähigkeit in elektrisch leitfähigen Substanzen, die geeignete Rohre oder Rinnen durchfließen. Sie ist insbesondere für die Strömungs- und Durchflussmessung in der Metallurgie anwendbar. Die erfindungsgemäße Anordnung wird im Folgenden Lorentzkraft-Anemometer genannt.
Die genaue Messung von Strömungsgeschwindigkeiten und Durchflussmengen ist für metallurgische Prozesse, für die Züchtung von Halbleiter-Einkristallen sowie für die Herstellung von Glas von großer Bedeutung. Die genannten Substanzen sind während des Schmelzprozesses heiß und aggressiv, weshalb berührungslose elektromagnetische Verfahren für solche Messaufgaben besonders geeignet sind.
Aus den Druckschriften DE 33 47 190 A1 , DE 43 16 344 A1 , DE 199 22 311 C2 , leitfähigen Substanzen wie beispielsweise Glasschmelzen zu messen. Zweitens wird die Messgenauigkeit der Systeme in einer elektromagnetisch gestörten Umgebung stark eingeschränkt, da die Magnetfeldsensoren aufgrund ihrer geringen räumlichen Ausdehnung bereits durch kleinste parasitäre Fluktuationen des Magnetfeldes beeinträchtigt werden. Drittens lässt sich die Messempfindlichkeit des Verfahrens, die durch das Verhältnis zwischen Sekundärfeld und Primärfeld charakterisiert ist, durch eine Erhöhung des Primärfeldes nicht vergrößern.
Die genannten Nachteile werden durch die in den Druckschriften GB 831 226 , JP 57199917 A , US 6538433 B1 und JP 07181195 A beschriebenen Verfahren teilweise überwunden. Sie sind dadurch gekennzeichnet, dass anstatt einer direkten Messung des Sekundärfeldes eine Messung der vom Sekundärfeld auf das magnetfelderzeugende System ausgeübten Kraft vorgenommen wird. Trotz ihrer Vorzüge gegenüber den erstgenannten Methoden sind die kraftmessenden Systeme jedoch für eine Reihe wichtiger Spezialaufgaben, unter anderem für die Durchflussmessung, nicht oder nur bedingt geeignet.
Das in der Schrift GB 831 226 beschriebene System beruht darauf, dass eine drehbar gelagerte Magnetanordnung durch Wechselwirkung mit der Strömung in Rotation versetzt wird und dass die sich einstellende Drehzahl ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit ist. Ein solches System erlaubt zwar die Bestimmung der mittleren Strömungsgeschwindigkeit, doch ist es nicht in der Lage, Informationen über das Strömungsprofil, über die Strömungsgeometrie sowie über das Vorhandensein eventuell in der Strömung befindlicher Inhomogenitäten wie Schlacketeilchen oder Blasen zu machen.
Bei dem in JP 57199917 A geschilderten Aufbau wird das magnetische Primärfeld von stromdurchflossenen Spulen erzeugt, die die zu vermessende Rohrströmung vollständig umschließen. Ein solches System ist sehr schwer, benötigt eine aufwändige Stromversorgung und kann nur nach kostspieliger Demontage der Messstrecke an einen anderen Einsatzort transportiert werden. Bei den in den Schriften US 6538433 B1 und JP 07181195 A vorgestellten Systemen handelt es sich um lokale Sensoren, die die Strömungsgeschwindigkeit nur in ihrer unmittelbaren Umgebung messen können. Für die Bestimmung des Massenstroms oder des Volumenstroms – in der Fachsprache häufig als Durchflussmessung bezeichnet – sind diese lokalen Sensoren nicht geeignet, weil das von ihnen erzeugte Magnetfeld nur einen Teil des von der leitfähigen Substanz durchströmten Querschnitts durchdringt. Zudem sinkt die Messempfindlichkeit der lokalen Sensoren mit der dritten (bei größeren Entfernungen sogar mit der vierten) Potenz des Abstandes zur leitfähigen Substanz und ist deshalb für zahlreiche Anwendungsfälle nicht ausreichend.
Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Anordnung zur berührungslosen Messung der Strömungsgeschwindigkeit sowie der Durchflussmenge für elektrisch leitfähige Substanzen bereitzustellen, bei dem das magnetische Primärfeld einerseits den gesamten Querschnitt der bewegten Substanz überdeckt, bei dem jedoch andererseits das magnetfelderzeugende System so flexibel konstruiert ist, dass es jederzeit abgenommen, umgesetzt und für andere Messaufgaben verwendet werden kann. Der vorliegenden Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, das Verfahren und die Anordnung so auszubilden, dass nicht nur wie in den bisherigen Erfindungen einzelne Eigenschaften der bewegten Substanz, wie z. B. die elektrische Leitfähigkeit oder die Strömungsgeschwindigkeit, gemessen werden, sondern dass ganze Eigenschaftsfelder, wie z. B. das Strömungsgeschwindigkeitsprofil, die räumliche Verteilung der elektrischen Leitfähigkeit oder die Kontur eines durchströmten Rohres, bestimmt werden können. Schlussendlich liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Identifikation zeitlich und räumlich lokalisierter Inhomogenitäten der elektrischen Leitfähigkeit wie zum Beispiel Schlacketeilchen in einer Schmelze oder Risse in einem bewegten metallischen Bauteil zu ermöglichen. Die Gesamtheit dieser Messaufgaben, deren Ziel die Auffindung der Verteilungen von Strömungsgeschwindigkeit und elektrischer Leitfähigkeit in einer elektrisch leitfähigen Substanz ist, wird im Folgenden unter dem Begriff Inspektion zusammengefasst.
Die genannten Aufgaben werden erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche 1 und 11 gelöst, während den abhängigen Ansprüchen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung zu entnehmen sind.
Bewegt sich eine elektrisch leitfähige Substanz relativ zu einem Magnetfeld, dem magnetischen Primärfeld, so rufen die in der Substanz induzierten Wirbelströme eine Magnetfeldstörung, das magnetische Sekundärfeld, hervor. Die Struktur des magnetischen Sekundärfeldes hängt von der Verteilung des magnetischen Primärfeldes sowie von den Verteilungen der Strömungsgeschwindigkeit und der elektrischen Leitfähigkeit der Substanz ab. Das magnetische Sekundärfeld übt auf das magnetfelderzeugende System (zum Beispiel einen Permanentmagneten) Kräfte und Drehmomente aus, die im Folgenden unabhängig von den physikalischen Details ihrer Entstehung als Lorentzkräfte bezeichnet werden. Durch Messung der Wirkungen dieser Lorentzkräfte ist es möglich, Aussagen über die Strömungsgeschwindigkeit und die elektrische Leitfähigkeit der Substanz zu erhalten. Aufgrund der zentralen Rolle der Lorentzkraft wird die vorgestellte Anordnung als Lorentzkraft-Anemometer bezeichnet.
Als Lösung für die oben gestellten Aufgaben ist ein gattungsgemäßes Lorentzkraft-Anemometer dadurch gekennzeichnet, dass die Polschuhe des magnetfelderzeugenden Systems, im Folgenden Magnetsystem genannt, an zwei im wesentlichen gegenüberliegenden Seiten des Querschnitts der zu inspizierenden Substanz abnehmbar angeordnet sind und dass bei Bedarf mindestens eine Größe des magnetischen Primärfeldes durch eine Vorrichtung, die im Folgenden als Aktuatorsystem bezeichnet wird, gezielt einstellbar ist. Durch die gegenüberliegende Anordnung der Polschuhe wird sichergestellt, dass das Primärfeld den gesamten Querschnitt der Substanz durchdringt und somit die Voraussetzung für eine vollständige Bestimmung der räumlichen Verteilung von Strömungsgeschwindigkeit und elektrischer Leitfähigkeit schafft. Ferner erlaubt die gegenüberliegende Anordnung der Polschuhe eine im Vergleich zu den existierenden lokalen Sensoren verbesserte Ausnutzung der Magnetfeldlinien bei gleichzeitigem minimalen Einsatz magnetfelderzeugenden Materials. Die Abnehmbarkeit des Magnetsystems ermöglicht einen flexiblen Einsatz der Anordnung. Die Variation mindestens einer Größe des magnetischen Primärfeldes, die im Folgenden als Steuergröße bezeichnet wird, dient dem Zweck, die Magnetfeldlinien auf bestimmte Teilgebiete der zu inspizierenden Substanz zu konzentrieren und somit die Verteilung von Strömungsgeschwindigkeit und elektrischer Leitfähigkeit scannen zu können.
Das von dem Magnetsystem erzeugte magnetische Primärfeld kann erfindungsgemäß sowohl als Gleichfeld als auch als Wechselfeld ausgebildet sein. Nach Ausgestaltung der Erfindung kann das Magnetsystem aus Permanentmagneten, aus normalleitenden oder supraleitenden Spulen sowie aus einer Kombination der genannten Elemente bestehen. Ferner kann das Magnetsystem Komponenten aus magnetleitendem Material sowie aus Ferrofluiden enthalten, die eine gezielte Formung des magnetischen Primärfeldes ermöglichen.
Bei der Steuergröße kann es sich beispielsweise um den Abstand zwischen dem Magnetsystem und der zu inspizierenden Substanz, um die Rotationsgeschwindigkeit des Magnetsystems oder um den Öffnungswinkel eines Halbachzylinders handeln. Halbachzylinder sind spezielle Anordnungen von Permanentmagneten, die durch eine besonders hohe Intensität und Homogenität des in ihnen herrschenden Magnetfeldes charakterisiert sind.
Das Magnetsystem ist so konstruiert, dass sich bei festgehaltener Steuergröße mindestens einer seiner Parameter unter dem Einfluss der Lorentzkraft ändert. Bei diesen Parametern, die im Folgenden als Zustandsparameter bezeichnet werden, kann es sich beispielsweise um eine Komponente des dreidimensionalen Verschiebungsvektors handeln, der die Translation des Magnetsystems als Ganzes unter dem Einfluss der Lorentzkraft beschreibt. Ebenso kann es sich um eine Komponente des dreidimensionalen Drehvektors handeln, der die Rotation des Magnetsystems als Ganzes durch die von den Lorentzkräften hervorgerufenen Drehmomente beschreibt. Ferner können die Zustandsparameter innere Spannungen sowie elastische Deformationen des Magnetsystems umfassen.
Die Inspektion der elektrisch leitfähigen Substanz erfolgt, indem einer oder mehrere Zustandsparameter gemessen und ausgewertet werden. Dabei ist zwischen dem Überwachungsmodus und dem Erkundungsmodus zu unterscheiden. Im Überwachungsmodus werden die Steuergrößen festgehalten und mindestens ein Zustandsparameter als Funktion der Zeit gemessen. Daraus lassen sich einzelne Eigenschaften der zu inspizierenden Substanz wie beispielsweise die Durchflussrate, die mittlere elektrische Leitfähigkeit oder der Füllstand in einer durchflossenen Rinne als Funktion der Zeit bestimmen. Der Überwachungsmodus ist die Grundfunktion jedes gattungsgemäßen Lorentzkraft-Anemometers.
Demgegenüber stellt der Erkundungsmodus eine Erweiterung dar, die nicht nur die Bestimmung einzelner Eigenschaften, sondern die vollständige Ermittlung der räumlichen Verteilung von Strömungsgeschwindigkeit und elektrischer Leitfähigkeit in der zu inspizierenden Substanz erlaubt. Im Erkundungsmodus wird mindestens eine Steuergröße mittels eines Aktuatorsystems in definierter Weise variiert und gleichzeitig mindestens ein Zustandsparameter gemessen. Durch Lösung eines inversen Problems werden daraus Feldgrößen wie beispielsweise das Geschwindigkeitsprofil einer Strömung, die Kontur einer durchströmten Rinne oder die Lage und Form eines Risses in einem Festkörper berechnet.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den folgenden, anhand von Figuren erläuterten Ausführungsbeispielen. Es zeigen:
1 – eine erste Ausführungsform des Lorentzkraft-Anemometers mit einem statischen und symmetrischen Primärfeld;
2 – ein Magnetsystem zur Erzeugung eines statischen und unsymmetrischen Primärfeldes;
3 – ein Magnetsystem mit statischem unsymmetrischen Primärfeld im Erkundungsmodus;
4 – eine Ausführungsform des Lorentzkraft-Anemometers mit rotierendem Primärfeld;
5 – eine Ausführungsform des Lorentzkraft-Anemometers mit statischem Primärfeld und zweigeteiltem Magnetsystem;
6 – eine Ausführung des Magnetsystems in Form eines aufklappbaren Halbachzylinders.
Nach 1 umfasst das erfindungsgemäße Lorentzkraft-Anemometer ein Magnetsystem (2), welches aus Permanentmagneten (7), aus einem Joch aus magnetleitendem Material (8) und einer Halterung (9) besteht. In die Halterung (9) ist ein Dehnmessstreifen enthaltendes Messsystem (3) integriert, welches jeweils drei Komponenten der Kraft und des Drehmomentes misst, die auf das Magnetsystem wirken. Die Funktionsweise eines solchen Messsystems entspricht der einer Windkanalwaage, die in der Aerodynamik breite Anwendung findet. Das Messsystem kann somit in einer für den Fachmann geläufigen Weise ausgelegt und konstruiert werden.
Im Überwachungsmodus ist das Magnetsystem (2) ortsfest. Aus den sechs gemessenen Zustandsparametern werden in einer Auswerteeinheit (4) maximal sechs Eigenschaften der zu inspizierenden Substanz (1), zum Beispiel Durchflussrate, Füllhöhe, durchströmter Querschnitt, Scherrate, Neigung und mittlere elektrische Leitfähigkeit als Funktionen der Zeit berechnet. Es liegt selbstverständlich im Rahmen der Erfindung, bei Bedarf nur eine Teilmenge der sechs Zustandsparameter, etwa die in Hauptströmungsrichtung wirkende Kraft, zu messen und auszuwerten.
Ist die Querschnittsform der zu inspizierenden Substanz bekannt, so kann der Zusammenhang zwischen gemessenen und gesuchten Größen in einer für den Fachmann geläufigen Weise ausgehend von der Grundgleichung der Magnetohydrodynamik berechnet werden.
In der Praxis ist die Form des durchflossenen Querschnitts häufig nicht genau bekannt, weil sich dieser durch Erosionsprozesse oder durch Ablagerung von Schlacke im Laufe der Zeit ändert. Deshalb ist bei dem in 1 dargestellten Lorentzkraft-Anemometer ein Umschalten vom Überwachungsmodus in den Erkundungsmodus vorgesehen. Der Erkundungsmodus ist dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetsystem (2) durch ein mit Schrittmotoren ausgestattetes Aktuatorsystem (5) nacheinander an definierten Orten positioniert wird und an jedem dieser Orte eine Messung der sechs Kraft- und Drehmomentkomponenten erfolgt. Durch Lösung eines inversen Problems wird daraus in der Auswerteeinheit (4) sowohl das Profil der Strömungsgeschwindigkeit als auch das Profil der elektrischen Leitfähigkeit der Substanz berechnet. Aus Letzterem ergibt sich die Form der Rinne und die Form der freien Oberfläche. Ein erfindungsgemäßes Lorentzkraft-Anemometer mit Erkundungsmodus erlaubt es somit, eine Durchflussmessung selbst dann durchzuführen, wenn die Strömungsgeometrie nicht genau bekannt ist. Der Erkundungsmodus macht ferner eine genaue Positionierung des Lorentzkraft-Anemometers bezüglich der zu inspizierenden Substanz überflüssig und erhöht somit die Flexibität des Systems.
Statt der Anwendung von Dehnmessstreifen kann es vorteilhaft sein, die Kraftmessung mittels optischer Methoden oder mittels eines Kompensationsverfahrens durchzuführen.
2 zeigt eine unsymmetrische Ausführung des Magnetsystems. Sie ist dadurch gekennzeichnet, dass die gegenüberliegenden Permanentmagnete (7) verschiedene Größen oder verschiedene Magnetisierungsstärken aufweisen. Die unsymmetrische Auslegung des Magnetfeldes besitzt den Vorteil, dass sämtliche Komponenten der auf das Magnetsystem (2) wirkenden Kraft und des Drehmoments von Null verschieden sind und damit ein maximaler Informationsgewinn über die Substanz erzielt wird. Dieser Umstand ist in 2a durch Darstellung des Richtungsvektors des auf das Magnetsystem wirkenden Drehmoments verdeutlicht. Im Gegensatz dazu ist beispielsweise die vertikale Kraftkomponente bei dem in 1 dargestellten System auf Grund der Links-rechts-Symmetrie gleich Null und trägt nicht zum Informationsgewinn bei.
3 stellt ein Magnetsystem mit unsymmetrischem magnetischem Primärfeld im Erkundungsmodus dar. Das Magnetsystem (2) ist dadurch gekennzeichnet, dass seine aus Permanentmagneten (7) bestehenden Polschuhe gegeneinander versetzt angeordnet und durch ein Joch aus magnetleitendem Material (8) miteinander verbunden sind. Hierdurch entsteht ein unsymmetrisches Primärfeld (6). Das gesamte Magnetsystem lässt sich vertikal verschieben. Das Joch ist teilweise von einer stromdurchflossenen Spule (10) umschlossen, wodurch die Stärke des von den Permanentmagneten erzeugten Primärfeldes variiert werden kann. Das in 3 dargestellte Magnetsystem besitzt zwei Steuergrößen, nämlich die durch Translation veränderbare vertikale Lage und die durch Variation der Stromstärke in der Spule veränderbare Stärke des magnetischen Primärfeldes.
Befindet sich das Magnetsystem in der in 3a und 3c dargestellten oberen Lage, so wirkt auf den rechts unten liegenden Permanentmagnet eine größere Lorentzkraft als auf den links oben liegenden. Das auf das gesamte Magnetsystem wirkende Drehmoment zeigt in diesem Fall nach rechts oben, so wie durch den Vektorpfeil in 3a dargestellt. Befindet sich das Magnetsystem, wie in 3b gezeigt, in der unteren Lage, so wirkt auf den links oben liegenden Permanentmagneten eine größere Lorentzkraft als auf den rechts unten liegenden und die Richtung des Drehmoments ändert sich dementsprechend. Im Erkundungsmodus werden durch die in das Messsystem (3) integrierten Dehnmessstreifen die auf das Magnetsystem wirkenden Kraft- und Drehmomentkomponenten an einer Mehrzahl von vertikalen Positionen des Magnetsystems und für eine Mehrzahl von Stromstärken der Spule gemessen. Aus den gemessenen Komponenten berechnet eine Auswerteeinheit durch Lösung eines inversen Problems das Profil der Strömungsgeschwindigkeit und der elektrischen Leitfähigkeit der Substanz. Da die elektrische Leitfähigkeit an der Grenze zwischen zu inspizierender Substanz und Rinnenwand eine Diskontinuität besitzt, ergibt sich damit auch die Rinnenform.
Die Lösung des inversen Problems erfolgt mittels der Methode der kleinsten Quadrate. Dabei wird als zu minimierendes Funktional die mittlere quadratische Abweichung der durch die angenommene Verteilung von elektrischer Leitfähigkeit und Strömungsgeschwindigkeit berechneten Zustandsparameter von den jeweils gemessenen Zustandsparametern benutzt.
4 zeigt eine Ausführungsform des Lorentzkraft-Anemometers mit rotierendem Magnetfeld. Das Magnetsystem besteht aus zwei in 4b und 4c dargestellten gegenüberliegenden Scheiben aus magnetleitendem Material, in die Permanentmagnete (7) mit alternierender Polarität eingelassen sind. Die Scheiben sind so angeordnet, dass jeweils einem magnetischen Nordpol ein magnetischer Südpol gegenüberliegt.
Im Überwachungsmodus wird das Magnetsystem durch die von der bewegten Substanz erzeugte Lorentzkraft in Rotation versetzt und die Drehzahl mittels eines Drehzahlmessgerätes (10) kontinuierlich gemessen. Aus der gemessenen Drehzahl berechnet eine Auswerteeinheit die gesuchte Eigenschaft der Substanz, beispielsweise die Durchflussrate. Es liegt auch im Rahmen der Erfindung, anstelle des Drehzahlmessgerätes (10) einen Motor mit integriertem Drehmomentmesssystem (11) zu installieren. Im Überwachungsmodus rotiert der Motor mit einer definierten Drehzahl. Gleichzeitig wird das von ihm erzeugte Drehmoment gemessen und aus ihm in der Auswerteeinheit die gesuchte Eigenschaft der Substanz, zum Beispiel die Durchflussrate berechnet.
Im Erkundungsmodus bildet die Drehzahl des in 4a, 4b und 4c dargestellten Magnetsystems die Steuergröße, während das Drehmoment den Zustandsparameter verkörpert. Ist die Drehzahl klein, so dringen die Magnetfeldlinien vollständig in die zu inspizierende Substanz ein, wie in 4d gezeigt. Ist die Drehzahl hingegen groß, wie in 4e, so werden die Magnetfeldlinien auf Grund des Skineffektes aus der Substanz herausgedrängt und durchziehen nur die wandnahen Bereiche der Substanz. Somit kann durch Variation der Drehzahl die Verteilung des Primärfeldes am Ort der zu inspizierenden Substanz gezielt beeinflusst werden. Im Erkundungsmodus wird durch das im Motor (11) integrierte Messsystem das auf das Magnetsystem wirkende Drehmoment für eine Mehrzahl von Drehzahlen gemessen. Aus diesen berechnet eine Auswerteeinheit (4) durch Lösung eines inversen Problems das Profil der Strömungsgeschwindigkeit und der elektrischen Leitfähigkeit der Substanz.
In 5 ist eine Ausführungsform des Lorentzkraft-Anemometers dargestellt, die durch ein zweigeteiltes Magnetsystem gekennzeichnet ist, welches aus einer passiven und einer aktiven Komponente (2a, 2b) besteht. Die passive Komponente des Magnetsystems (2b) ist unterhalb der zu inspizierenden Substanz ortsfest angeordnet, während die aktive Komponente des Magnetsystems (2a) oberhalb der Substanz positioniert wird. Im Überwachungsmodus bleibt auch die aktive Komponente ortsfest. Durch Messung einer oder mehrerer auf die aktive Komponente (2a) des Magnetsystems wirkenden Kraft- und Drehmomentkomponenten mittels des Messsystems (3) als Funktion der Zeit wird in einer Auswerteeinheit (4) die gesuchte Eigenschaft der Substanz, zum Beispiel die Durchflussrate berechnet. Im Erkundungsmodus wird die Lage der aktiven Komponente (2a) relativ zur Substanz und zur passiven Komponente (2b) mittels des Aktuatorsystems (5) in definierter Weise variiert und gleichzeitig die auf die aktive Komponente des Magnetsystems (2a) wirkenden Kraft- und Drehmomentkomponenten mittels des Messsystems (3) gemessen. Durch Lösung eines inversen Problems werden daraus in der Auswerteeinheit (4) die Profile von Geschwindigkeit und elektrischer Leitfähigkeit der Substanz berechnet.
6 zeigt ein Magnetsystem, welches als aufklappbarer Halbachzylinder ausgeführt ist. Das vorliegende Ausführungsbeispiel ist dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagnete (7) an einem aus zwei Halbschalen bestehenden Gehäuse (14) befestigt sind. Die Halbschalen sind mittels eines Scharniers (15) miteinender verbunden und können mittels eines Aktuatorsystems (5) geöffnet und geschlossen werden. Im geöffneten Zustand, der in 6a gezeigt ist, ist das Magnetsystem abnehmbar und erzeugt in der zu inspizierenden Substanz (1) ein inhomogenes Magnetfeld. Im geschlossenen Zustand, den 6b zeigt, ist das Magnetfeld homogen und besitzt einen maximalen Wert. Es liegt selbstverständlich auch im Rahmen der Erfindung, den Öffnungswinkel des Halbachzylinders kontinuierlich zu variieren.
Im Überwachungsmodus wird der Öffnungswinkel des Halbachzylinders konstant gehalten und die auf ihn wirkenden Kraft- und/oder Drehmomentkomponenten nach den in den vorangegangenen Ausführungsbeispielen beschriebenen Messmethoden als Funktion der Zeit ermittelt. Im Erkundungsmodus werden die auf das Magnetsystem wirkende Kraft- und Drehmomentkomponenten für eine Mehrzahl von Öffnungswinkeln des Halbachzylinders gemessen und in einer Auswerteeinheit durch Lösung eines inversen Problems zur Berechnung der Profile von Strömungsgeschwindigkeit und elektrischer Leitfähigkeit der zu inspizierenden Substanz herangezogen.

1: elektrisch leitfähige Substanz
2: Magnetsystem
2a: aktive Komponente des Magnetsystems
2b: passive Komponente des Magnetsystems
3: Messsystem
4: Auswerteeinheit
5: Aktuatorsystem
6: Feldlinien des magnetischen Primärfeldes
7: Permanentmagnete
8: Joch aus magnetleitendem Material
9: Halterung
10: stromdurchflossene Spule
11: Drehzahlmessgerät
11: Motor mit integriertem Drehmomentmesssystem
13: Schlacke
14: Gehäuse
15: Scharnier
v: Strömungsgeschwindigkeit
B: magnetisches Primärfeld
F: Kraft
M: Drehmoment
Ω: Drehzahl

Claims

Verfahren zur berührungslosen Inspektion einer in einem Rohr oder einer Rinne bewegten elektrisch leitfähigen Substanz, bei dem – mit Hilfe eines flexibel einsetzbaren Magnetssystems (2) an einem Messbereich des Rohres oder der Rinne in die zu inspizierende Substanz (1) ein magnetisches Primärfeld eingekoppelt wird, wobei das magnetische Primärfeld im wesentlichen senkrecht zur Strömungsrichtung der Substanz gerichtet ist und diese vollständig durchdringt und wobei die Form, Stärke und/oder Struktur des magnetischen Primärfeldes mit Hilfe eines Aktuatorsystems (5) verändert wird, – mit einem geeigneten Messsystem (3) die aufgrund der Relativbewegung zwischen dem magnetischen Primärfeld und der zu inspizierenden Substanz entstehenden und auf das Magnetsystem wirkenden Komponenten der Kraft oder des Drehmomentes als Zustandsparameter des Magnetsystems als Funktion der Zeit erfasst werden, und – in einer Auswerteeinheit (4) aus den erfassten Zustandsparametern des Magnetsystems die Eigenschaften der zu inspizierenden Substanz, die Strömungsgeschwindigkeit und die elektrische Leitfähigkeit, aber auch der Füllstand des durchflossenen Rohres oder der Rinne, ermittelt werden, wobei die räumliche Verteilung der Eigenschaften der zu inspizierenden Substanz über den gesamten Querschnitt und die gesamte Länge des durchflossenen Rohres oder der Rinne unter Verwendung der Methode der kleinsten Fehlerquadrate ermittelt wird, wobei als zu minimierendes Funktional die mittlere quadratische Abweichung der durch die angenommene räumliche Verteilung der Eigenschaften der zu inspizierenden Substanz berechneten Zustandsparameter von den jeweils gemessenen Zustandsparametern benutzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das magnetische Primärfeld ein Gleichfeld ist.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das magnetische Primärfeld ein Wechselfeld ist.
Verfahren nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Komponenten der Kraft oder des Drehmomentes mit einem Kompensationsmessverfahren bestimmt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass die aufgrund der Relativbewegung zwischen dem magnetischen Primärfeld und der zu inspizierenden Substanz entstehenden mechanischen Spannungen im Magnetsystem die Zustandsparameter des Magnetsystems sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Form, Stärke und/oder Struktur des magnetischen Primärfeldes durch den Abstand zwischen dem Magnetsystem (3) und der zu inspizierenden Substanz (1) verändert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Stärke des magnetischen Primärfeldes durch Änderung des Stromes durch eine einen Teil des Magnetsystems umschließende Spule (10) verändert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Form, Stärke und/oder Struktur des Primärfeldes durch den Öffnungswinkel eines Halbachzylinders verändert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Form, Stärke und/oder Struktur des magnetischen Primärfeldes durch die Rotationsgeschwindigkeit des Magnetsystems verändert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 dadurch gekennzeichnet, dass die räumliche Verteilung des magnetischen Primärfeldes unsymmetrisch ist.
Anordnung zur berührungslosen Inspektion einer in einem Rohr oder einer Rinne bewegten elektrisch leitfähigen Substanz mit – einem flexibel einsetzbaren Magnetsystem (2) zur Einkopplung eines magnetischen Primärfeldes, wobei das Primärfeld im wesentlichen senkrecht zur Strömungsrichtung der Substanz (1) gerichtet ist und diese vollständig durchdringt, – einem Aktuatorsystem (5), mit dem die Veränderung der Form, Stärke und/oder Struktur des magnetischen Primärfeldes realisierbar ist, – einem geeigneten Messsystem (3) zur Erfassung der aufgrund der Relativbewegung zwischen dem magnetischen Primärfeld und der zu inspizierenden Substanz entstehenden und auf das Magnetsystem wirkenden Komponenten der Kraft oder des Drehmomentes als Zustandsparameter des Magnetsystems als Funktion der Zeit, – einer Auswerteeinheit (4) zur Ermittlung der Eigenschaften, der Strömungsgeschwindigkeit und der elektrischen Leitfähigkeit der zu inspizierenden Substanz (1), aber auch des Füllstandes des durchflossenen Rohres oder der Rinne aus den erfassten Zustandsparametern.
Anordnung nach Anspruch 11 dadurch gekennzeichnet, dass die Polschuhe des Magnetsystems (2) so geformt und angeordnet sind, dass das magnetische Primärfeld unsymmetrisch ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 11 bis 12 dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetsystem (2) aus Permanentmagneten besteht.
Anordnung nach einem der Ansprüche 11 bis 12 dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetsystem (2) aus normal- oder supraleitenden Spulen besteht.
Anordnung nach einem der Ansprüche 11 bis 12 dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetsystem (2) aus einer Kombination von Permanentmagneten und normal- oder supraleitenden Spulen besteht.
Anordnung nach einem der Ansprüche 11 bis 12 dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetsystem (2) magnetleitendes Material und Ferrofluide zur Formung des magnetischen Primärfeldes enthält.