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18.05.2012

Neuartiges Durchflussmessprinzip für Lebensmittel und Chemikalien vorgestellt


Forscher der Technischen Universität Ilmenau haben ein neuartiges Durchflussmessprinzip für empfindliche Lebensmittel und aggressive Chemikalien vorgestellt. Die Entwicklung ermöglicht weltweit erstmals berührungslose magnetische Strömungsmessung in schwach leitfähigen Flüssigkeiten und kann bei beliebig hohen Temperaturen eingesetzt werden.

Die Messung der Fließgeschwindigkeit ist ausschlaggebend für die exakte Dosierung von Füllmengen bzw. Mengenmessung von ganz unterschiedlich fließfähigen Flüssigkeiten, darunter Lebensmittel wie Cola, Joghurt und Tomatenketchup, Chemikalien und sogar Abwässer. Herkömmliche Durchflussmesser, die so genannten Faraday-Durchflussmesser, bestehen aus einem Rohr, einem Magnet und zwei Elektroden. Diese Elektroden müssen in die Flüssigkeit getaucht werden und können dabei korrodieren oder verschmutzen und so die empfindlichen Lebensmittel oder hochreine Chemikalien verunreinigen. Lebensmittel- und Arzneimittelhersteller wünschen sich deshalb schon lange elektrodenfreie und damit berührungslos funktionierende magnetische Durchflussmesser.

Diese Entwicklung ist jetzt einem Forscherteam der TU Ilmenau unter der Leitung von Professor André Thess gelungen. Wie die Fachzeitschrift Applied Physics Letters in ihrer aktuellen Online-Ausgabe* berichtet, hat die von der Deutschen Forschungsgemeinschaft finanzierte interdisziplinäre Arbeitsgruppe weltweit erstmalig Salzwasserströmungen und damit eine schwach leitfähige Flüssigkeit magnetisch vermessen, ohne dass ihr Messgerät die Flüssigkeit berührte. Selbst die Rohrwand blieb unangetastet.

Schon seit über zehn Jahren erforscht die von der Deutschen Forschungsgemeinschaft finanzierte interdisziplinäre Arbeitsgruppe berührungslose magnetische Strömungsmessverfahren und setzt dabei auf sogenannte Lorentzkraft-Durchflussmesser. Wie auch beim Faraday-Durchflussmesser lassen die Ilmenauer ein Magnetfeld auf die Strömung einwirken, so dass die strömende Flüssigkeit die Magnetfeldlinien durchquert. Doch im Gegensatz zum Faraday-Durchflussmesser benötigen die Ilmenauer Messtechniker keine Elektroden. Sie nutzen vielmehr aus, dass strömende elektrisch leitfähige Flüssigkeiten wie etwa Apfelsaft oder flüssiger Stahl beim Vorbeifließen an einem starken Permanentmagnet die Magnetfeldlinien sanft verbiegen. Ähnlich den Barthaaren, an denen ein Kater selbst den leisesten Windstoß spürt, wirkt auf die Magnetfeldlinien und somit auch auf den Permanentmagnet eine winzige Kraft, die sogenannte Lorentzkraft. Je schneller die Flüssigkeit fließt und je besser sie den elektrischen Strom leitet, desto stärker ist die Lorentzkraft. Diese Kraft messen die Forscher und berechnen daraus die Strömungsgeschwindigkeit. 2005 ist es den Ilmenauer Wissenschaftlern erstmalig gelungen, Strömungen von Flüssigaluminium in einer Gießerei nachzuweisen. Jetzt steht die in fünf Patenten geschützte Technologie im Bereich der metallurgischen Anwendungen kurz vor der Marktreife.

Doch während Lorentzkraft-Durchflussmesser für Flüssigmetalle recht zuverlässig und genau funktionieren, stellte ihre Anwendung auf schwach leitfähige Fluide wie Lebensmittel und Chemikalien die Forschung bisher vor Rätsel. Dies, weil die durch die Strömung erzeugten Lorentzkräfte auf den Permanentmagnet bei Lebensmitteln wesentlich kleiner sind als bei Flüssigmetallen. Strömt beispielsweise Cola waagerecht an einem Permanentmagnet vorbei, so wirkt auf ihn eine Seitenkraft, die mehrere Millionen mal keiner ist als seine Schwerkraft. Das Kräfteverhältnis ist etwa so, als wolle eine Maus einen vollbeladenen Lastkraftwagen zur Seite schieben.

Um solch kleine Kräfte zu messen, mussten die Ilmenauer Wissenschaftler ihre bisherigen Kraftmessverfahren nach neuen Messmethoden suchen. Fündig wurden sie in der Gravitationsphysik, wo sie sich von einem historischen Experiment des britischen Naturwissenschaftlers Henry Cavendish aus dem Jahre 1798 inspirieren ließen. Cavendish nutzte in seinem Experiment ein empfindliches Pendel, um die Anziehung von Bleikugeln durch die Gravitationskraft zu messen und somit Newtons Theorie der Schwerkraft zu prüfen. Seither werden solche Gravitationspendel weltweit eingesetzt, um die Newtonsche Gravitationskonstante zu messen.

Die Ilmenauer Wissenschaftler haben die Pendelidee aufgegriffen, um ihre ähnlich kleinen Lorentzkräfte nachzuweisen. In ihrem Experiment ließen sie Salzwasser durch ein Rohr mit 15 Quadratzentimetern Querschnittsfläche strömen. Da Salzwasser etwa die gleiche elektrische Leitfähigkeit wie Bier besitzt, ist es als Testflüssigkeit für Lebensmittelanwendungen gut geeignet. Im Experiment ließen die Forscher zwei Permanentmagnete auf die Strömung einwirken, die an vier Wolframfäden hingen und ein Pendel bildeten. Zuvor hatten sie durch Computersimulationen berechnet, dass sich das Pendel unter dem Einfluss der Salzwasserströmung um eine winzige Strecke verschieben sollte und dass diese Strecke durch Laser vermessen werden kann. Als sie das Experiment dann durchführten, fanden sie ihre Computersimulationen mit hervorragender Genauigkeit bestätigt. Sie konnten nicht nur ihre Vorhersagen über die Abhängigkeit des Messsignals von der Durchflussmenge nachweisen, sondern auch den Einfluss der elektrischen Leitfähigkeit bestimmen. Nach dem erfolgreich erbrachten Machbarkeitsnachweis arbeiten die Ilmenauer Wissenschaftler nun daran, das Messprinzip industrietauglich zu machen.

Quelle: Technische Universität Ilmenau




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