Falko Hilbrunner

A universal noncontact flowmeter for liquids

Lorentz force velocimetry (LFV) is a noncontact electromagnetic flow measurement technique for liquid metals that is currently used in fundamental research and metallurgy. Up to now, the application of LFV was limited to the narrow class of liquids whose electrical conductivity is of the order 106 S/m. Here, we demonstrate that LFV can be applied to liquids with conductivities up to six orders of magnitude smaller than in liquid metals. We further argue that this range can be extended to 10−3 S/m under industrial and to 10−6 S/m under laboratory conditions making LFV applicable to most liquids of practical interest.

Force measurement of low forces in combination with high dead loads by the use of electromagnetic force compensation

This paper discusses the force measurement of small forces in combination with high dead loads. The measurement force acts perpendicular to gravity, while the dead load is orientated in the direction of gravity. Furthermore, the influence of the dead load on the metrological properties is described. The application is the flow rate measurement of conducting fluids by Lorentz force (Thess et al 2006 Phys. Rev. Lett. 96 164501). The aim is to measure forces with a resolution of FM = 10?6?N. The dead load is mainly due to the mass of the magnet system. It is of the order of magnitude of FG = 10?N. The force measurement system works with the principle of electromagnetic force compensation. The applied force is compensated by a Lorentz force induced by a current in a voice coil and a magnetic field of a permanent magnet. The current is proportional to the applied force.

Mechatronic FEM model of an electromagnetic-force-compensated load cell

In this paper, a mechatronic model for an electromagnetic-force-compensated (EMC) load cell is presented. Designed in ANSYS Mechanical APDL®, the model consists of two modules: the mechanical behaviour of the load cell is represented by a FEM model. The electronic and the electromagnetic parts, consisting of a position indicator, controller and electromagnetic actuator, are implemented into the model as a set of differential equations via ANSYS Parametric Design Language (APDL). Optimization of the mechanical, electromagnetic and controller components can be performed using this model, as well as experiments to determine the sensitivity of the complete system to changes of environmental properties, e.g., the stiffness of the support.

Wattwaage mit Hebelübersetzung auf Basis eines kommerziellen EMK-Wägesystems

Zusammenfassung Bei Waagen nach dem Prinzip der elektromagnetischen Kraftkompensation wird die auf eine Waagschale wirkende Gewichtskraft eines Wägegutes durch eine elektromagnetische Gegenkraft kompensiert. Nach dem Stand der Technik wird der Zusammenhang zwischen dem, die Gegenkraft erzeugendem Aktorstrom durch eine Spule und der Gewichtskraft des Wägegutes durch Kalibrierung mit Massenormalen hergestellt. Mit der für 2018 zu erwartenden Neudefinition der SI-Einheit der Masse durch Festlegung eines Wertes der Planck-Konstanten wird ein unmittelbarer Zusammenhang zwischen den mechanischen und elektrischen Größen geschaffen, so dass das aus Fundamentalexperimenten bekannte Wattwaagenprinzip zur Kalibrierung von Massen eingesetzt werden kann. Im vorliegenden Artikel wird eine darauf aufbauende Methode zur Bestimmung des Kraftfaktors Bl einer kommerziellen EMK-Wägzelle vorgestellt. Dies geschieht durch die simultane Messung der Spannung über der im Magnetfeld bewegten Spule und deren Geschwindigkeit. Dabei wird im vorgestellten Verfahren die Spule gleichzeitig zur Erzeugung der Bewegung mit einem harmonischen Wechselsignal bestromt. Die Frequenz der harmonischen Bewegung hat hierbei maßgeblichen Einfluss auf die Unsicherheit des resultierenden Kraftfaktors. Eine Trennung der Spannungsanteile über der Spule erfolgt durch simultane Messung von Strom und Spannung an der Spule und Auswertung unter Berücksichtigung der vorliegenden Amplituden und Phasenlagen. Die Spule ist hierbei, wie bei kommerziellen EMK-Wägezellen üblich, über ein mechanisches Hebelwerk angekoppelt. Durch diese Hebelübersetzung ist es möglich, mit einem kompakten elektrodynamischen Aktuator (Spule–Permanentmagnetsystem), einen großen wirksamen Kraftfaktor zu realisieren. Im Ergebnis können mit dem System Kräfte in beliebiger Raumrichtung gemessen bzw. erzeugt werden, wobei die Massebestimmung einen Spezialfall darstellt, für den zusätzlich die lokale Fallbeschleunigung bekannt sein muss. Unter Nutzung der gleichen Methodik kann durch Vertauschung von Eingangs- und Ausgangsgrößen des Formalismus, die EMK-Wägezelle auch als Positionssensor eingesetzt werden. Hierbei erfolgt unter Zuhilfenahme eines Referenzgewichtes (Justiergewichtes) und der Ausgangsspannung des Positionssensors des Wägesystems eine Kalibrierung der Auslenkung des Koppelstücks. Für beide Verfahren werden im Gegensatz zu Fundamentalexperimenten industriell relevante Messunsicherheiten im ppm-Bereich angestrebt. Es werden Messungen für beide Messmodi auf Basis kommerziell verfügbarer EMK-Wägezellen und elektrischer Messtechnik vorgestellt und diskutiert.

Mehrkomponenten-Kraft- und -Drehmomentsensor nach dem Prinzip der elektromagnetischen Kompensation

Zusammenfassung In vielen Anwendungen wie beispielsweise der Strömungsmesstechnik, in der Robotik oder der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung werden hochauflösende Mehrkomponentenmessysteme für Kraft und Drehmoment benötigt. Eine Vielzahl der in der Literatur vorgestellten Sensoren basiert auf Messungen der Verformung oder davon abgeleiteter Größen wie Spannung oder Dehnung. Diese Größen können mit verschiedenen Wandlern in elektrische Signale überführt werden. Im Folgenden wird ein neuartiger Sechsachs-Kraft-/Momentensensor vorgestellt, welcher auf dem Prinzip der elektromagnetischen Kompensation von Kraft und Drehmoment beruht. Das dargestellte System ist für ± 7 N und ± 0.35 N m ausgelegt, wobei das Messprinzip auch auf andere Messbereiche übertragbar ist. Durch das hier vorgestellte Messprinzip, welches ohne mechanische Deformationselemente auskommt, können gleichzeitig eine hohe Messauflösung und eine hohe Überlastsicherheit gewährleistet werden. Zusätzlich werden die Kräfte und Drehmomente ohne Verschiebungen und Verdrehungen der Krafteinleitungsstelle gemessen, was in vielen Anwendungen vorteilhaft ist. Nach einer Einführung in das Funktionsprinzip werden die Komponenten des Systems vorgestellt und deren messtechnische Parameter anhand von Messergebnissen diskutiert. Des Weiteren wird die Anwendbarkeit des Systems für statische und dynamische Messaufgaben untersucht.

Feuchtluftgenerator auf Basis eines Sorptionshygrostaten mit einemHochpräzisionstauspiegel

Zusammenfassung Diese Arbeit behandelt ein neues Konzept zur Kalibrierung von Luftfeuchtesensoren mit einem Feuchtluftgenerator. Die Feuchtluft wird mittels eines Hygrostaten erzeugt und mit Hilfe eines Referenzsensors gemessen. Ziel dieser Anordnung ist, die Taupunkttemperatur der konditionierten Luft über einen längeren Zeitraum stabil zu regeln, sodass nur noch geringe Restschwankungen auftreten. Hierzu ist ein geeigneter Referenzsensor notwendig, um die tatsächliche Taupunkttemperatur der Luft zu bestimmen. In dieser Arbeit wurde ein Tauspiegelhygrometer verwendet, um die erforderliche Präzision zu erreichen. Das genutzte Hygrometer, welches von der ConSens GmbH entwickelt wurde, erzeugt einen Temperaturgradienten auf der Spiegeloberfläche, deren mittlere Temperatur der Taupunkttemperatur entspricht. Nach Erreichen des Gleichgewichtszustandes ist eine Seite des Spiegels betaut und die andere trocken. Dies vermindert Probleme mit unterkühltem Wasserdampf, die auftreten können, wenn eine nicht ausreichende Menge an Kondensationskeimen vorhanden ist. Außerdem kann die Temperatur an der Kondensationslinie durch Interpolation bestimmt werden, selbst wenn sich diese Linie nicht in der Mitte des Spiegels befindet. Die Lage der Kondensationslinie auf der Spiegeloberfläche kann durch Bildverarbeitung erfasst werden, wodurch eine genaue und kontinuierliche Messung auch bei kurzfristig schwankender Taupunkttemperatur möglich ist [1].