WO2007033982A1

WO2007033982A1 - Verfahren und anordnung zur berührungslosen inspektion bewegter elektrisch leitfähiger substanzen

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Publication number: WO2007033982A1
Application number: PCT/EP2006/066605
Authority: WO
Inventors: André THESS; Yuri Kolesnikov; Christian Karcher
Original assignee: Technische Universitaet Ilmenau
Current assignee: Technische Universitaet Ilmenau
Priority date: 2005-09-21
Filing date: 2006-09-21
Publication date: 2007-03-29
Anticipated expiration: 2008-03-21
Also published as: DE102005046910B4; EP1926971B1; DE102005046910A1; US20080252287A1; EP1926971A1; CN101512299A; US8148976B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur berührungslosen Bestimmung von leitfähigkeitsbeeinflussenden Eigenschaften und deren räumlicher Verteilung über den gesamten Querschitt einer in einem magnetischen Primärfeld (B) bewegten elektrisch leitfähigen Substanz (Ol). Die Substanz (Ol) kann eine Flüssigkeit oder ein Festkörper sein. Es erfolgt eine gleichzeitige Messung mehrerer mechanischer Zustandsparameter des Magnetsystems (03) (dreidimensionale Komponenten der Kraft und des Drehmomentes), welche durch die Einwirkung eines Sekundärfeldes auf das Magnetsystem (03) veränderlich sind, wobei das Sekundärfeld aufgrund von in der Substanz (01) durch das Primärfeld (B) induzierten Wirbelströmen entsteht. Zur Bestimmung der räumlichen Verteilung der gesuchten Eigenschaft erfolgt eine mehrfache Änderung der Primärfeldes in Stärke ode Form und eine Messung der Zustandsparameter bei jeder Änderung. Die Ermittlung der gesuchten Eigenschaften bzw. deren Verteilung erfolgt durch die Lösung eines inversen Problems unter Verwendung der Methode der kleinsten Fehlerquadrate . Die Anordnung ist einfach aufgebaut und flexibel einsetzbar.

Description

Verfahren und Anordnung zur berührungslosen Inspektion bewegter elektrisch leitfähiger Substanzen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur berührungslosen Bestimmung von Eigenschaften elektrisch leitfähiger, bewegter Substanzen, die fest oder flüssig sein können. Im bevorzugten Falle der Untersuchung flüssiger Substanzen werden diese während des Durchströmens eines Rohrs, Kanals oder ähnlichen Führungshilfsmittels als bewegte Substanz betrachtet. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren und eine Anordnung zur berührungslosen Bestimmung der räumlichen Verteilung der Eigenschaften solcher Substanzen, wie beispielsweise Strömungsgeschwindigkeit und elektrische Leitfähigkeit der Substanz. Die Erfindung ist insbesondere für die Strömungs- und Durchflussmessung in der Metallurgie anwendbar, eignet sich jedoch auch für Aufgaben der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung. Die erfindungsgemäße Anordnung wird im Folgenden auch Lorentzkraft-Anemometer genannt.

Die genaue Messung von Strömungsgeschwindigkeiten, Durchflussmengen und weiterer Eigenschaften, welche die elektrische Leitfähigkeit beeinflussen, ist beispielsweise 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 Al, DE 43 16 344 Al DE 199 22 311 C2, DE 100 26 052 B4 sowie aus der Veröffentlichung „The use of magnetohydrodynamic effects to investigate fluid flow in electrically conducting melts" (J. Baumgart1, A. Hubert, G. Müller, Physics of Fluids, Band A 5, Jahrgang 1993, Seiten 3280-3289) sind berührungslose elektromagnetische Strömungsmessverfahren bekannt, bei denen ein Magnetfeld (das sogenannte Primärfeld) in die Substanz eingekoppelt wird und die von Wirbelströmen induzierte Magnetfeldstörung (das sogenannte Sekundärfeld) als Maß für die Strömungsgeschwindigkeit dient. Mit diesen Verfahren können sowohl mittlere Strömungsgeschwindigkeiten als auch räumliche Verteilungen der Strömungsgeschwindigkeit ermittelt werden, wobei im letzteren Fall die bekannte Methode der kleinsten Fehlerquadrate für die Ermittlung der Strömungsverteilung zur Anwendung kommt .

Diese vorbekannten Messverfahren besitzen jedoch drei wesentliche Nachteile. Erstens erlauben sie wegen ihrer begrenzten Empfindlichkeit nicht, Strömungsgeschwindigkeiten in sehr langsam fließenden oder sehr schwach elektrisch 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 JP 571 999 17 A, US 6 538 433 Bl und JP 071 811 95 A beschriebenen Verfahren nur teilweise überwunden. Diese sind dadurch gekennzeichnet, dass anstatt einer direkten Messung des Sekundärfeldes eine Messung der vom Sekundärfeld auf das magnetfeiderzeugende 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.

Bei dem in JP 571 999 17 A geschilderten Aufbau wird das magnetische Primärfeld von stromdurchflossenen Spulen erzeugt, die die zu vermessende Rohrströmung vollständig um^¬ schließen. Ein solches System ist sehr schwer, benötigt eine aufwändige Stromversorgung und kann nur nach kostspieliger Demontage der Messstrecke an einen anderen Einsatzort trans^¬ portiert werden.

Bei den in den Schriften US 6 538 433 Bl und JP 071 811 95 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 Durch^¬ flussmessung 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 von die elektrische Leitfähigkeit beeinflussenden Merkmalen, wie beispielsweise Strömungsgeschwindigkeit und Durchflussmenge für elektrisch leitfähige Substanzen bereitzustellen, welche einerseits sehr hohe Messgenauigkeiten und Messempfindlichkeiten gestatten. Ein solches Verfahren soll außerdem einfach durchführbar sein. Eine entsprechende Anordnung soll kostengünstig und einfach umrüstbar aufgebaut sein. Es soll weiterhin die Bestimmung der räumlichen Verteilung der verschiedenen Eigenschaften, wie beispielsweise Strömungsgeschwindigkeit und Leitfähigkeit in der Substanz, oder auch die Bestimmung der Kontur der durchströmten Rinne (oder ähnliches) möglich sein.

Die vorliegende Erfindung soll außerdem die Identifikation zeitlich und räumlich lokalisierter Inhomogenitäten der elektrischen Leitfähigkeit, wie zum Beispiel Schlacketeilchen in einer Schmelze oder Risse in einem bewegten metallischen Bauteil, ermöglichen.

Die Gesamtheit der Messaufgaben, deren Ziel die Auffindung der Verteilungen insbesondere 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 13 gelöst, während den abhängigen Ansprüchen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung zu entnehmen sind.

Die Vorteile der Erfindung sind insbesondere darin zu sehen, dass das magnetfelderzeugende System so flexibel konstruiert ist, dass es jederzeit abgenommen, umgesetzt und für andere Messaufgaben verwendet werden kann. Im Vergleich zu den existierenden stationären und die Substanz nur lokal abtastenden Sensoren ist bei der Erfindung eine verbesserte Ausnutzung der Magnetfeldlinien bei gleichzeitigem minimalen Einsatz magnetfelderzeugenden Materials als vorteilhaft herauszustellen .

Bewegt sich eine elektrisch leitfahige Substanz relativ zu einem Magnetfeld, dem magnetischen Primarfeld, so rufen die in der Substanz induzierten Wirbelstrome eine Magnetfeldsto- rung, das magnetische Sekundarfeld, hervor. Die Struktur des magnetischen Sekundarfeldes hangt von der Verteilung des magnetischen Primarfeldes sowie von den Verteilungen der Stromungsgeschwindigkeit (also von der Geschwindigkeit, mit welcher die Substanz ggf. partiell im Primarfeld bewegt wird) und der elektrischen Leitfähigkeit der Substanz ab.

Das magnetische Sekundarfeld übt auf ein, das Primarfeld erzeugendes Magnetsystem Kräfte und Drehmomente aus, die im Folgenden unabhängig von den physikalischen Details ihrer Entstehung als Lorentzkrafte bezeichnet werden.

Durch eine erfindungsgemaße Messung der Wirkungen dieser Lorentzkrafte auf das Magnetsystem ist es nun möglich, Aussagen über die Stromungsgeschwindigkeit und die elektrische Leitfähigkeit der Substanz zu erhalten.

Aufgrund der zentralen Rolle der Lorentzkraft wird die vorgestellte erfindungsgemaße Anordnung als Lorentzkraft-Anemome- ter bezeichnet.

Das Lorentzkraft-Anemometer umfasst ein Magnetsystem mit mindestens zwei magnetischen Polen (NORD und SUD) zur Erzeugung des Primarfeldes. Die Pole sind vorzugsweise an im Wesentlichen gegenüberliegenden Seiten des Querschnitts einer zu inspizierenden Substanz angeordnet. Die Substanz wird also im Luftspalt des Magnetsystems angeordnet. Durch diese Anord^¬ nung wird sichergestellt, dass das Primarfeld bzw. die im Luftspalt zwischen NORD und SUD verlaufenden Feldlinien den gesamten Querschnitt der Substanz durchdringen und somit die Voraussetzung für eine vollständige Bestimmung der raumlichen Verteilung von Stromungsgeschwindigkeit und elektrischer Leitfähigkeit schafft.

In einer besonders vorteilhaften Ausfuhrungsform sind die Pole bzw. das Magnetsystem vom Lorentzkraft-Anemometer abnehmbar. Die Abnehmbarkeit ermöglicht einen flexiblen Einsatz der Anordnung. Einerseits kann das Lorentzkraft- Anemometer leicht an verschiedene auszumessende Anordnungen angebracht werden, andererseits ist dadurch eine einfache Konfektionierung des Lorentzkraft-Anemometers für verschiedene Einsatzbedingungen möglich.

Ein an das Magnetsystem gekoppeltes Aktuatorsystem erlaubt eine gezielte Einstellung mindestens einer Große des magnetischen Primarfeldes .

Die Variation mindestens einer Große des magnetischen Primar- feldes, die im Folgenden als Steuergroße bezeichnet wird, dient dem Zweck, die Magnetfeldlinien auf bestimmte Teilgebiete der zu inspizierenden Substanz zu konzentrieren und somit die Verteilung von Stromungsgeschwindigkeit und elektrischer Leitfähigkeit scannen zu können.

Das von dem Magnetsystem erzeugte magnetische Primarfeld kann erfindungsgemaß sowohl als Gleichfeld als auch als Wechselfeld ausgebildet sein. Nach Ausgestaltung der Erfindung kann das Magnetsystem aus Permanentmagneten, aus normalleitenden oder supraleitenden Spulen oder 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 Primarfeldes ermöglichen .

Bei der Steuergroße kann es sich beispielsweise um den Abstand zwischen dem Magnetsystem und der zu inspizierenden Substanz, um die Rotationsgeschwindigkeit des Magnetsystems, um die Starke des Magnetfeldes oder um den Offnungswinkel eines Halbachzylinders handeln. Halbachzylinder sind spezielle Anordnungen von Permanentmagneten, die durch eine besonders hohe Intensität und Homogenitat des in ihnen herr^¬ schenden Magnetfeldes charakterisiert sind. Eine nähere Erläuterung dazu folgt in der Figurenbeschreibung.

Das Magnetsystem ist durch sogenannte Zustandparameter charakterisiert, von denen sich mindestens einer bei festge^¬ haltener Steuergroße unter dem Einfluss der Lorentzkraft ändert. Das heißt, unter dem Einfluss der Lorentzkrafte wirken verschiedene Kräfte und Momente auf das Magnetsystem, welche eine Bewegung und/oder Verformung des Magnetsystems verursachen, die dann messbar sind.

Ein Zustandsparameter kann beispielsweise eine Komponente eines dreidimensionalen Verschiebungsvektors sein, welcher die Translation des Magnetsystems als Ganzes unter dem Einfluss der Lorentzkraft beschreibt.

Ein weiterer Zustandsparameter kann eine Komponente eines dreidimensionalen Drehvektors sein, welcher die Rotation des Magnetsystems als Ganzes durch die von den Lorentzkraften hervorgerufenen Drehmomente beschreibt.

Ferner können die Zustandsparameter innere Spannungen sowie elastische Deformationen des Magnetsystems umfassen.

Die Inspektion der elektrisch leitfahigen Substanz erfolgt, indem einer oder mehrere Zustandsparameter gemessen und ausgewertet werden. Dabei ist in dem erfindungsgemaßen Verfahren zwischen einem Uberwachungsmodus und einem Erkundungsmodus zu unterscheiden.

Im Uberwachungsmodus werden die Steuergroßen festgehalten und mindestens ein, vorzugsweise mehrere Zustandsparameter als Funktion der Zeit gemessen. Daraus lassen sich einzelne Eigenschaften der zu inspizierenden Substanz, wie beispielsweise Durchflussrate, mittlere elektrische Leitfähigkeit oder Füllstand in einem durchflossenen Kanal, Rohr, Rinne oder dgl . als Funktion der Zeit bestimmen. Der Uberwachungsmodus ist die Grundfunktion des Lorentzkraft-Anemometers .

Der Erkundungsmodus stellt eine Erweiterung des erfindungsge^¬ maßen Verfahrens dar, die nicht nur die Bestimmung einzelner Eigenschaften, sondern die vollständige Ermittlung einer raumlichen Verteilung der Eigenschaften, wie Stromungsgeschwindigkeit und elektrische Leitfähigkeit in der zu inspi^¬ zierenden Substanz erlaubt. Im Erkundungsmodus wird vorzugs^¬ weise mithilfe eines Aktuatorsystems mindestens eine Steuer^¬ große in definierter Weise variiert und gleichzeitig mindes^¬ tens ein Zustandsparameter gemessen.

Ist eine Querschnittsform der zu inspizierenden Substanz bekannt, so kann der Zusammenhang zwischen gemessenen und gesuchten Großen in einer für den Fachmann gelaufigen Weise ausgehend von der Grundgleichung der Magnetohydrodynamik berechnet werden.

In der Praxis ist die Form des tatsachlich durchflossenen Querschnitts häufig nicht genau bekannt, weil sich dieser durch Erosionsprozesse oder durch Ablagerung von Schlacke im Rohr im Laufe der Zeit ändert. Deshalb ist bei dem erfindungsgemaßen Lorentzkraft-Anemometer ein Umschalten vom Uberwachungsmodus in den Erkundungsmodus vorgesehen.

Ebenso ist es denkbar, im Uberwachungsmodus laufend mindestens zwei Zustandsparameter zu messen und durch die Losung eines inversen Problems auf bestimmte Eigenschafts-anderungen zu schließen.

Durch die Losung des inversen Problems werden aus den gemessenen Zustandsparametern Feldgroßen, wie beispielsweise ein Geschwindigkeitsprofil einer Strömung, eine Kontur einer durchströmten Rinne oder die Lage und Form eines Risses in einem Festkörper ermittelt.

Die Losung des inversen Problems erfolgt mittels der Methode der kleinsten Fehlerquadrate. Dabei wird als zu minimierendes Funktional die mittlere quadratische Abweichung der durch die angenommene Verteilung der Eigenschaften, wie elektrischer Leitfähigkeit und Stromungsgeschwindigkeit, berechneten Zustandsparameter von den jeweils gemessenen Zustandsparametern benutzt.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den folgenden, anhand von Figuren erläuterten Ausfuhrungsbeispielen. Es zeigen: Fig. 1 - eine erste Ausführungsform eines Lorentzkraft-Anemo- meters mit einem statischen und homogenen Primärfeld;

Fig. 2 - eine zweite Ausführungsform des Lorentzkraft- Anemometers mit einem Magnetsystem zur Erzeugung eines statischen und inhomogenen Primärfeldes;

Fig. 3 - ein Magnetsystem einer dritten Ausführungsform mit statischem inhomogenen Primärfeld im Erkundungsmodus;

Fig. 4 - eine vierte Ausführungsform des Lorentzkraft-Anemo- meters mit einem rotierenden Primärfeld;

Fig. 5 - eine fünfte Ausführungsform des Lorentzkraft-Anemo- meters mit einem statischen Primärfeld und zweigeteiltem Magnetsystem;

Fig. 6 - eine sechste Ausführungsform des Lorentzkraft-Anemo- meters mit einem Magnetsystems in Form eines aufklappbaren Halbachzylinders.

Fig. 1 zeigt eine erste bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Lorentzkraft-Anemometers zur berührungslosen Inspektion einer Substanz Ol, welche in einem Kanal 02 (nachfolgend auch als Rinne bezeichnet) strömt. Die Strömungsrichtung der Substanz Ol ist mit dem Vektor v angegeben. Das Lorentzkraft-Anemometer umfasst ein Magnetsystem 03, ein Messsystem 04, eine Auswerteeinheit 05 und ein Aktuatorsystem 06. In einer gemeinsamen Halterung 07 sind Magnetsystem 03, Auswerteeinheit 05 und Aktuatorsystem 06 angeordnet. Das Magnetsystem 03 umfasst mindestens zwei gegenüberliegend, außerhalb der Rinne 02 angeordnete Permanentmagneten 08, 09 und ein Joch 11 aus einem magnetisch leitendem Material. Es dient zur Erzeugung eines Primarfeldes B, welches durch dessen Feldlinien 12 dargestellt ist.

In die Halterung 07 ist das, vorzugsweise mehrere Dehnmessstreifen enthaltende Messsystem 04 integriert, welches die Zustandsparameter der Substanz 01 misst. Die Zustandsparame- ter sind vorzugsweise jeweils drei Komponenten der Kraft F und des Drehmomentes M, die auf das Magnetsystem 03 bzw. die Halterung 07 aufgrund der Lorentzkrafte wirken.

Die Funktionsweise eines solchen Messsystems 04 entspricht der einer Windkanalwaage, welche beispielsweise in der Aerodynamik breite Anwendung findet. Das Messsystem 04 kann somit in einer für den Fachmann gelaufigen Weise ausgelegt und konstruiert werden.

Im Uberwachungsmodus ist das Magnetsystem 03 ortsfest zur Rinne 02 angeordnet. Aus den vorzugsweise sechs gemessenen Zustandsparametern werden dann in der Auswerteeinheit 05 maximal sechs Eigenschaften der zu inspizierenden Substanz 01, wie zum Beispiel Durchflussrate, Fullhohe, durchstromter 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 nur die in Hauptstromungsrichtung wirkende Kraft, zu messen und auszuwerten. In der dargestellten Ausführungsform ist das Magnetsystem 03 durch das vorzugsweise mit Schrittmotoren ausgestattete Aktu- atorsystem 06 in verschiedenen Lagen positionierbar. Dadurch kann der Erkundungsmodus ausgeführt werden. Im Erkundungsmodus wird das Magnetsystem 03 nacheinander an verschiedenen definierten Orten positioniert und/oder das Primärfeld definiert verändert. An jedem dieser Orte bzw. bei jeder Veränderung erfolgt eine Messung der Zustandsparameter (sechs Kraft- und Drehmomentkomponenten) .

Durch die Lösung eines inversen Problems wird daraus in der Auswerteeinheit 05 sowohl das Profil der gewünschten Eigenschaft, vorzugsweise die Strömungsgeschwindigkeit als auch das Profil der elektrischen Leitfähigkeit der Substanz 01 berechnet. Aus Letzterem ergibt sich die Form der Rinne 02 und die Form der freien Oberfläche der Substanz 01.

Das erfindungsgemäße 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, vorbestimmte Positionierung des Lorentzkraft-Anemometers bezüglich der zu inspizierenden Substanz 01 überflüssig und erhöht somit die Flexibität des Systems und macht den Einsatz aufwändiger Positioniersysteme überflüssig.

Anstelle der Anwendung von Dehnmessstreifen im Messsystem 04 kann es vorteilhaft sein, die Kraft- und Momentmessung mittels optischer Methoden oder mittels eines Kompensationsverfahrens durchzuführen.

An dieser Stelle sei zur Klarheit nochmals darauf hingewiesen, dass es sich bei der Substanz auch um ein festes Bauteil handeln kann, welches im Primärfeld bewegt wird. Die Führung des Bauteils kann in herkömmlicher Weise durch Lager oder dergleichen erfolgen, welch die Funktion der Rinne übernehmen .

Fig. 2 zeigt eine zweite Ausführungsform eines Lorentzkraft- Anemometers . In dieser Ausführungsform ist das Magnetsystem 03 unsymmetrisch und damit das Primärfeld B inhomogen gestal^¬ tet. Die gegenüberliegenden Permanentmagnete 08, 09 haben verschiedene Größen und/oder verschiedene Magnetisierungsstärken. Die inhomogene Auslegung des Magnetfeldes B besitzt den Vorteil, dass sämtliche Komponenten der auf das Magnetsystem 03 wirkenden Kraft F und des Drehmoments M (also alle Zustandsparameter) von Null verschieden sind und damit ein maximaler Informationsgewinn über die Substanz 01 erzielt wird.

Dieser Umstand ist in Abb. a der Fig. 2 durch Darstellung des Richtungsvektors des auf das Magnetsystem 03 wirkenden Dreh^¬ moments M verdeutlicht. Im Gegensatz dazu ist beispielsweise die vertikale Kraftkomponente bei dem in Fig. 1 dargestellten System auf Grund der Links-rechts-Symmetrie gleich Null und trägt nicht zum Informationsgewinn bei.

Abb. b der Fig. 2 zeigt eine Draufsicht auf das Lorentzkraft- Anemometer der zweiten Ausführungsform. Zu erkennen sind die verschieden großen wirkenden Kraftkomponenten Fi und F₂, sowie der Geschwindigkeitsvektor v der Substanz 01.

Fig. 3 zeigt in einer dritten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Lorentzkraft-Anemometers ein Magnetsystem 03 mit inhomogenem magnetischem Primärfeld B im Erkundungsmodus. In den Abb. a und b sind unterschiedliche Positionen des Magnet- systems 03 relativ zur Substanz 01 dargestellt, Abb. c zeigt eine Draufsicht der Abb. a. Das Magnetsystem 03 weist zwei aus Permanentmagneten 08, 09 bestehenden Pole auf, die horizontal gegeneinander versetzt angeordnet und durch das Joch 11 miteinander magnetisch verbunden sind. Hierdurch entsteht ein inhomogenes Primärfeld B, welches durch die eingezeichneten Feldlinien 12 dargestellt ist. Das gesamte Magnetsystem 03 lässt sich mithilfe des nicht dargestellten Aktuator- systems 06 vertikal verschieben. Das Joch 11 ist zumindest abschnittsweise von einer Spule 13 umschlossen. Durch die Größe des Stromflusses in der Spule 13 kann die Stärke des von den Permanentmagneten 08, 09 und der Spule 13 erzeugten Primärfeldes B variiert werden.

Das in Fig. 3 dargestellte Magnetsystem 03 besitzt zwei Steuergrößen für den Erkundungsmodus, nämlich die durch Translation veränderbare vertikale Lage L und die durch Variation der Stromstärke in der Spule 13 veränderbare Stärke des magnetischen Primärfeldes B.

Befindet sich das Magnetsystem 03 in der in Abb. a und c der Fig. 3 dargestellten oberen Lage, so wirkt auf den in Abb. a rechts unten liegenden Permanentmagneten 09 eine größere Lorentzkraft Fi, als auf den links oben liegenden Permanentmagneten 08 (Kraft F₂) . Das auf das gesamte Magnetsystem 03 wirkende Drehmoment M zeigt in diesem Fall nach rechts oben, so wie durch den Vektorpfeil M in Abb. a dargestellt.

Befindet sich das Magnetsystem 03, wie in Fig. b der Fig. 3 gezeigt, in der unteren Lage, so wirkt auf den in dieser Abbildung links oben liegenden Permanentmagneten 08 eine größere Lorentzkraft als auf den rechts unten liegenden Permanentmagneten 09 und die Richtung des Drehmoments M ändert sich dementsprechend.

Im Erkundungsmodus werden nun durch die in das Messsystem 04 integrierten Dehnmessstreifen die auf das Magnetsystem 03 wirkenden Zustandsparameter (Kraft- und Drehmomentkomponenten) gemessen, und zwar an einer Mehrzahl von vertikalen Positionen L des Magnetsystems 03 und für eine Mehrzahl von Stromstärken des durch die Spule 13 fließenden Stromes. Soll eine Verteilung der Eigenschaften auch über eine bestimmte Länge des Kanals bzw. der Rinne 02 ermittelt werden, so kann dies durch eine entsprechende Positionierung des Magnetsystem an einer zweiten oder mehreren Stellen des Kanals 02 erfolgen .

Aus den gemessenen Zustandsparametern berechnet die nicht dargestellte Auswerteeinheit wiederum durch die Lösung eines inversen Problems das Profil der Strömungsgeschwindigkeit v und der elektrischen Leitfähigkeit der Substanz 01. Da die elektrische Leitfähigkeit an der Grenze zwischen zu inspizierender Substanz 01 und Rinnenwand eine Diskontinuität besitzt, ergibt sich damit auch die Form der Rinne 02.

Fig. 4 zeigt eine vierte Ausführungsform des Lorentzkraft- Anemometers mit einem rotierenden Primärfeld B. Das Magnetsystem 03 umfasst in diesem Fall zwei gegenüberliegende, miteinander verbundene Scheiben 14 aus magnetisch leitendem Material, welche das Joch bilden, in die eine Vielzahl von Permanentmagneten 08, 09 mit alternierender Polarität eingelassen oder aufgeklebt sind (Abb. b und c) .

Die Scheiben 14 sind gegenüberliegend so angeordnet, dass jeweils einem magnetischen Nordpol eines Permanentmagneten 08 ein magnetischer Sudpol eines Permanentmagneten 09 gegenüberliegt .

Im Uberwachungsmodus wird das Magnetsystem 03 durch die von der bewegten Substanz 01 erzeugte Lorentzkraft in Rotation versetzt und die Drehzahl G) mittels eines Drehzahlmessgerates 15 kontinuierlich gemessen. Aus der gemessenen Drehzahl CO berechnet die Auswerteeinheit 05 die gesuchte Eigenschaft der Substanz 01, beispielsweise die Durchflussrate.

Es liegt auch im Rahmen der Erfindung, anstelle des Drehzahlmessgerates 15 einen Motor mit integriertem Drehmomentmesssystem zu installieren. Im Uberwachungsmodus rotiert dann der Motor mit einer definierten Drehzahl. Gleichzeitig wird das von ihm erzeugte Drehmoment gemessen und aus ihm in der Auswerteeinheit 05 die gesuchte Eigenschaft der Substanz 01, zum Beispiel die Durchflussrate berechnet.

Im Erkundungsmodus bildet die Drehzahl ω des in Fig. 4 darge^¬ stellten Magnetsystems 03 die Steuergroße, wahrend das Dreh^¬ moment M den Zustandsparameter verkörpert. Ist die Drehzahl (O klein, so dringen die Magnetfeldlinien 12 vollständig in die zu inspizierende Substanz 01 ein (Abb. d der Fig. 4) .

Ist die Drehzahl (O hingegen groß (Abb. e der Fig. 4), so werden die Magnetfeldlinien 12 auf Grund des Skineffektes aus der Substanz 01 herausgedrängt und durchziehen nur die wandnahen Bereiche der Substanz 01. Somit kann durch eine Varia^¬ tion der Drehzahl (0 die Verteilung des Primarfeldes ß am Ort der zu inspizierenden Substanz 01 gezielt beeinflusst werden.

Im Erkundungsmodus wird durch das im Motor integrierte Mess^¬ system das auf das Magnetsystem 03 wirkende Drehmoment M für eine Mehrzahl von Drehzahlen CO₁ gemessen. Aus diesen berechnet die Auswerteeinheit 05 wieder durch Losung eines inversen Problems das Profil der Stromungsgeschwindigkeit und der elektrischen Leitfähigkeit der Substanz 01.

In Fig. 5 ist eine fünfte Ausfuhrungsform des Lorentzkraft- Anemometers gezeigt. Das Magnetsystem 03 ist zweigeteilt und umfasst eine aktive Komponente 03a und eine passive Kompo^¬ nente 03b . Die passive Komponente 03b des Magnetsystems 03 ist unterhalb der zu inspizierenden Substanz 01 ortsfest angeordnet, wahrend die aktive Komponente 03a des Magnetsys^¬ tems 03 oberhalb der Substanz 01 positioniert ist. Die Substanz 01 ist mit einer Schlackeschicht überzogen.

Im Uberwachungsmodus ist auch die aktive Komponente 03a orts^¬ fest. Durch Messung bzw. Aufzeichnung einer oder mehrerer auf die aktive Komponente 03a des Magnetsystems 03 wirkenden Zustandsparameter (Kraft- und Drehmomentkomponenten) mittels des Messsystems 04 als Funktion der Zeit wird in der Auswer^¬ teeinheit 05 die gesuchte Eigenschaft der Substanz, zum Beispiel die Durchflussrate berechnet.

Im Erkundungsmodus wird die Lage der aktiven Komponente 03a relativ zur Substanz 01 und zur passiven Komponente 03b mittels des Aktuatorsystems 06 in definierter Weise verändert und gleichzeitig die auf die aktive Komponente 03a des Magnetsystems 03 wirkenden Kraft- und Drehmomentkomponenten mittels des Messsystems 04 gemessen. Durch Losung eines inversen Problems werden daraus in der Auswerteeinheit 05 die Profile von Geschwindigkeit v und elektrischer Leitfähigkeit der Substanz berechnet. Fig. 6 zeigt in einer sechsten Ausfuhrungsform eines Lorentzkraft-Anemometers ein Magnetsystem 03, welches als aufklappbarer Halbachzylinder ausgeführt ist. In dieser Ausfuhrungsform sind die Permanentmagnete 08, 09 an einem aus zwei Halbschalen 16 bestehenden Gehäuse befestigt sind. Die Halbschalen 16 sind mittels eines Scharniers 17 miteinander verbunden und können mittels des Aktuatorsystems 06 geöffnet und geschlossen werden.

Im geöffneten Zustand (Abb. a der Fig. 6) ist das Magnetsystem 03 abnehmbar und erzeugt in der zu inspizierenden Substanz 1 ein inhomogenes Magnetfeld B. Im geschlossenen Zustand (Abb. 6b) ist das Magnetfeld B homogen und besitzt einen maximalen Wert.

Es liegt selbstverständlich auch im Rahmen der Erfindung, den Offnungswinkel des Halbachzylinders im Erkundungsmodus konti^¬ nuierlich zu variieren.

Im Uberwachungsmodus wird der Offnungswinkel des Halbachzylinders konstant gehalten und wiederum werden die auf ihn wirkenden Kraft- und/oder Drehmomentkomponenten als Zustands- parameter nach den in den vorangegangenen Ausfuhrungsbeispielen beschriebenen Messmethoden als Funktion der Zeit ermittelt.

Im Erkundungsmodus werden die auf das Magnetsystem 03 wirkende Kraft- und Drehmomentkomponenten für eine Mehrzahl von Offnungswinkeln des Halbachzylinders gemessen und in der nicht dargestellten Auswerteeinheit wieder durch die Losung eines inversen Problems zur Berechnung der Profile von Stro^¬ mungsgeschwindigkeit und elektrischer Leitfähigkeit der zu inspizierenden Substanz herangezogen. Bezugszeichenliste

1 elektrisch leitfähige Substanz 2 Kanal/Rinne 3 Magnetsystem

03a aktive Komponente des Magnetsystems 03b passive Komponente des Magnetsystems 4 Messsystem 5 Auswerteeinheit 6 Aktuatorsystem 7 Halterung 8 Permanentmagnet 9 Permanentmagnet 0 - 1 Joch 2 Feldlinien 3 Spule 4 Scheibe 5 Drehzahlmessgerät 6 Halbschale 7 Scharnier

v Strömungsgeschwindigkeit

B magnetisches Primärfeld

F Kraft

M Drehmoment ω Drehzahl

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur berührungslosen Bestimmung von leitfähig- keitsbeeinflussenden Eigenschaften einer in einem magnetischen Primärfeld (B) bewegten elektrisch leitfähigen Substanz (Ol), folgende Schritte umfassend:

- Einkoppeln des magnetischen Primärfeldes (B) in die zu inspizierende Substanz (Ol) mittels eines Magnetsystems (03) mit mindestens zwei Polen, wobei die im Luftspalt zwischen diesen Polen verlaufenden Feldlinien (12) des Primärfeldes (B) die Substanz (Ol) durchdringen und im Wesentlichen quer zur Bewegungsrichtung der Substanz

(Ol) verlaufen;

- Messen mehrerer mechanischer Zustandsparameter des Magnetsystems (03), welche durch die Einwirkung eines Sekundärfeldes auf das Magnetsystem (03) veränderlich sind, wobei das Sekundärfeld aufgrund von in der Substanz (01) durch das Primärfeld (B) induzierten Wirbelströmen entsteht;

- Berechnung mindestens einer der leitfähigkeitsbeein- flussenden Eigenschaften der Substanz (01) unter Verwendung der Methode der kleinsten Fehlerquadrate, wobei als zu minimierendes Funktional die mittlere quadratische Abweichung der durch die angenommene räumliche Verteilung dieser Eigenschaften der zu inspizierenden Substanz (01) berechneten Zustandsparameter von den jeweils gemessenen Zustandsparametern benutzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Durchführung der folgenden Schritte zusätzlich eine Bestimmung der räumlichen Verteilung der leitfähig- keitsbeeinflussenden Eigenschaften der Substanz (Ol) erfolgt :

- Veränderung der Form und/oder Stärke des die Substanz

(Ol) durchsetzenden magnetischen Primärfeldes (B);

- Messen der mechanischen Zustandsparameter des Magnetsystems (03) zu jeder Veränderung des Primärfeldes (B);

- Berechnung der räumlichen Verteilung der leitfahig- keitsbeeinflussenden Eigenschaften der zu inspizierenden Substanz (01) über deren gesamten Querschnitt unter Verwendung der Methode der kleinsten Fehlerquadrate, wobei als zu minimierendes Funktional die mittlere quadratische Abweichung der durch die angenommene räumliche Verteilung dieser Eigenschaften berechneten Zustandsparameter von den jeweils gemessenen Zustands- parametern benutzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bestimmung der räumlichen Verteilung der Eigenschaften auch über eine bestimmte Länge der Substanz in deren axialer Bewegungsrichtung ermittelt wird, indem die genannten Verfahrensschritte an mindestens zwei axial voneinander entfernten Stellen der Substanz (01) ausgeführt werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das magnetische Primärfeld (B) ein Gleichfeld oder ein Wechselfeld ist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zustandsparameter des Magnetsystems (03) dreidimensionale Komponenten der Kraft (F) und/oder des Drehmomentes (M) sind, welche aufgrund des durch in der Substanz (01) induzierte Wirbelstrome verursachten Sekundarfeldes auf das Magnetsystem (03) wirken.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Zustandsparameter des Magnetsystems (03) mit einem Kompensationsmessverfahren bestimmt werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Zustandsparameter des Magnetsystems (03) aus im Magnetsystem auftretenden mechanischen Spannungen bestimmt werden.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Form und/oder Starke des magnetischen Primarfeldes (B) durch eine Lageveranderung des Magnetsystems (03) relativ zu der zu inspizierenden Substanz (01) verändert wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Starke des magnetischen Primarfeldes (B) durch Änderung eines Stromes verändert wird, der eine Spule (13) durchfließt, welche zumindest einen Teil des Magnetsystems (03) umschließt .

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das magnetischen Primarfeld (B) inhomogen ausgebildet wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Substanz (01) ein elektrisch leitfähiger Festkörper ist als zu bestimmende Eigenschaft Lage und/oder Form einer Inhomogenität im Festkörper ermittelt werden.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Eigenschaften einer flüssigen Substanz (01) bestimmt werden, die in einem Kanal (02) oder dergleichen bewegt wird, welcher sich quer zu dem im Luftspalt verlaufenden Feldlinien erstreckt.

13. Lorentzkraft-Anemometer zur berührungslosen Bestimmung von leitfähigkeitsbeeinflussenden Eigenschaften einer bewegten elektrisch leitfähigen Substanz (01) mit

- einem Magnetsystem (03) zur Erzeugung eines Primärfeldes (B) , welches ein Joch und zumindest zwei magnetische Pole umfasst, wobei die Substanz (01) im Luftspalt zwischen den Polen quer zur Magnetfeldrichtung bewegbar ist;

- einem Messsystem (04) zur Erfassung von mindestens zwei mechanischen Zustandsparametern des Magnetsystems (03), welche die mechanische Wirkung eines Sekundärfeldes auf das Magnetsystem (03) charakterisieren, wobei das Sekundärfeld aufgrund der im Primärfeld bewegten Substanz (01) durch in der Substanz (01) induzierte Wirbelströme entsteht;

- einer Auswerteeinheit (05) zur Bestimmung der leit- fähigkeitsbeeinflussenden Eigenschaften der Substanz (01) aus den gemessenen Zustandsparametern.

14. Lorentzkraft-Anemometer nach Anspruch 13, dadurch gekenn- zeichnet, dass es weiterhin ein Aktuatorsystem (06) umfasst, welches derart an das Magnetsystem (03) angekoppelt ist, dass es eine relative Lageveränderung des Magnetsystems (03) zur Substanz (01) gestattet, wodurch im Querschnitt der Substanz (01) eine Veränderung der Form und/oder Stärke des magnetischen Primärfeldes (B) erreicht wird.

15. Lorentzkraft-Anemometer nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Pole durch Permanentmagnete (08, 09) gebildet sind.

16. Lorentzkraft-Anemometer nach Anspruch 15, dadurch gekenn- zeichnet, dass die Permanentmagnete (08, 09) eine unter^¬ schiedliche Stärke und/oder Größe aufweisen, so dass ein inhomogenes Primärfeld (B) gebildet wird.

17. Lorentzkraft-Anemometer nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Pole des Magnetsystems (03) durch normal- oder supraleitende Spulen oder durch eine Kombination solcher Spulen mit Permanentmagneten (08, 09) gebildet sind.

18. Lorentzkraft-Anemometer nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Pole des Magnetsystems (03) durch zwei gegenüberliegend angeordnete Scheiben (14) mit darauf angeordneten Permanentmagneten (08, 09) mit alternierender Polung gebildet sind, wobei die Scheiben (14) durch ein Joch (11) verbunden und zentral antreibbar sind.

19. Lorentzkraft-Anemometer nach Anspruch 18, dadurch gekenn- zeichnet, dass die Scheiben (14) mit einer Geschwindigkeit ω rotieren, welche durch einen Antrieb einstellbar und variierbar ist.

20. Lorentzkraft-Anemometer nach einem der Ansprüche 13 bis

19, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetsystem (03) magnetisch leitendes Material und Ferrofluide zur Formung des magnetischen Primärfeldes umfasst.

21. Lorentzkraft-Anemometer nach einem der Ansprüche 13 bis

20, dadurch gekennzeichnet, dass im Luftspalt zwischen den Polen ein Kanal (02) verläuft, in welchem als zu inspizierende Substanz (01) eine Flüssigkeit strömt.