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Messmethodik

Messmethodik
Forschungsthema:Entwicklung und Kalibrierung einer Permanentmagnet-Potentialsonde für hochtemperatur Geschwindigkeitsmessungen in flüssigem Metall (LBE)
Typ:Masterarbeit
Datum:ab Januar 2017
Betreuer:

Dr.-Ing. Julio PacioDipl.-Ing. Dennis Otte

Bearbeiter:zu vergeben

Entwicklung und Kalibrierung einer Permanentmagnet-Potentialsonde für hochtemperatur Geschwindigkeitsmessungen in flüssigem Metall (LBE)

Flüssige Metalle bilden unter den newtonschen Fluiden aufgrund ihrer hohen thermischen und elektrischen Leitfähigkeit eine besondere Untergruppe. Die Wärmeleitfähigkeit macht sie zu hervorragenden Wärmetransportmedien, mit besonderer Eignung für Anwendungen bei hohen Temperaturen, wie z.B. der konzentrierenden Solarthermie. Dabei können die elektrischen Eigenschaften genutzt werden, um spezielle Sensortechnologien zu entwickeln, welche für den Betrieb einer solchen Anlage und für experimentelle Untersuchungen notwendig sind.

Das Funktionsprinzip der Permanentmagnet-Potentialsonde (PMP) basiert auf den Maxwell-Gleichungen. Ein sich bewegendes leitfähiges Fluid in einem Magnetfeld erzeugt eine elektrische Spannung proportional zur lokalen Geschwindigkeit des Fluides. Dieser eigentlich lineare Zusammenhang unterliegt jedoch Abweichungen, z.B. durch einen Temperaturgradienten. Aus diesem Grund muss jede Sonde individuell unter isothermischen Bedingungen in einer Referenzströmung kalibriert werden.

Im Karlsruher Liquid Metal Laboratory (KALLA) werden bereits seit Jahren Technologien für den Einsatz von flüssigem Natrium und Blei-Legierungen wie LBE (lead-bismuth eutectics) erforscht. In vorhergehenden Projekten wurden PMP bereits erfolgreich in Natriumströmungen getestet. Für den Einsatz in LBE müssen allerdings noch eine Reihe von praktischen Herausforderungen gemeistert werden. Dazu zählen sowohl die geringere elektrische Leitfähigkeit, als auch die aggressiven chemischen Eigenschaften von LBE bei hohen Temperaturen, welche sich auf die Auswahl der Materialien auswirkt.

Das Ziel dieser Arbeit ist in diesem Zusammenhang die Entwicklung und der Test von PMP in einer LBE-Strömung. Ein besonderer Schwerpunkt liegt auf der empirischen Determinierung der Parameter für die Kalibrierung. Dabei müssen Fragestellungen der Fluiddynamik und der Elektrotechnik geklärt werden. Die geplanten Aufgaben umfassen:

  1. Literaturrecherche bezüglich bestehender Erfahrungen mit anderen flüssigen Metallen
  2. Entwicklung einer PMP und der dazugehörigen Messkette
  3. Aufbau eines kleinen Versuchsstandes zur Erprobung der Sonde
  4. Inbetriebnahme des Versuchsstandes und Durchführung von Tests zur Kalibrierung der PMP
  5. Analyse der Ergebnisse und Vorbereitung eines Ausbaus für Experimente bei höheren Temperaturen
  6. Präsentation der Ergebnisse in Form einer schriftlichen Abschlussarbeit und eines Vortrages

Ausgabe der Arbeit:   Mo. 09.01.2017 (flexibel, nach Gespräch)
Abgabe der Arbeit:    Fr.   07.07.2017

Aufgabensteller:         Prof. Dr.-Ing. Thomas Wetzel
Betreuer(en):              Dr.-Ing. Julio Pacio, Dipl.-Ing. Dennis Otte

   

Development and calibration of a permanent magnet probe for high-temperature velocity measurements in a liquid metal (LBE)

Liquid metals form a special subset of Newtonian fluids, due to their high thermal and electrical conductivity. Thanks to this first feature, they are excellent heat transfer fluids, most suitable for applications with high thermal loads, such as concentrated solar power systems. The second property can in turn be exploited for developing unique measuring techniques, necessary for supporting the operation of such system and experimental investigations.

The working principle of a permanent magnet probe (PMP) is based on the fundamental governing equations of electro-magnetism. An electrical voltage signal proportional to the local velocity of the conducting fluid is obtained from the interaction of the magnetic and flow fields. However, deviations from this linearity can occur, for example in presence of temperature gradients. For that reason, an isothermal calibration in a reference velocity field is required for each individual PMP.

At the Karlsruhe Liquid Metal Laboratory (KALLA) the technology of liquid sodium and lead alloys such as LBE (lead-bismuth eutectics) has been investigated for several years. In previous projects, PMPs have been successfully tested in sodium flow. Their application to LBE at high temperature imposes several practical challenges, such as a lower electrical conductivity and a more limited selection of materials due to compatibility issues. These aspects can be overcome by advances in miniature permanent magnets with enhanced properties.

In this context, the main objective of this work is to develop and test a PMP in an LBE environment. Special emphasis is placed on the empirical determination of calibration parameters. This works covers aspects of fluid mechanics and electrical engineering. In particular, the following tasks are planned.

  1. Reviewing the available literature, previous experiences with other liquid metals
  2. Developing a PMP and its associated measuring chain
  3. Designing a small experimental setup for testing the probe
  4.Commissioning the related setup and performing calibration tests
  5. Analyzing the results and giving recommendations for upgrading to higher temperatures 
  6. Presenting the results in the form of a written thesis and oral presentation.