Die Kenntnis der Strömungseigenschaften flüssiger Metalle ist in vielen industriellen Prozessen unerlässlich. Beim kontinuierlichen Stranggießen von Stahl, das für über 95% der weltweiten Stahlproduktion eingesetzt wird, können durch ungünstige Strömungsverhältnisse Oberflächendefekte, unerwünschte Einschlüsse und weitere Materialfehler im Stahl entstehen und das Gießprodukt unbrauchbar machen. Eine in-line Messtechnik ist daher dringend notwendig um die Flüssigmetallströmung zu kontrollieren und große Mengen an Ausschuss zu vermeiden.
Die optische Intransparenz von flüssigem Stahl verbietet etablierte optische Verfahren und die hohe Temperatur von etwa 1500°C macht ein kontaktloses Messverfahren wünschenswert. Die am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) entwickelte kontaktlose induktive Strömungstomographie (CIFT) basiert auf dem Prinzip der Induktion von elektrischen Strömen in elektrischen Leitern und nutzt dabei die hohe elektrische Leitfähigkeit von flüssigem Stahl. Ein äußeres Magnetfeld wird durch das strömende Flüssigmetall verzerrt. Diese Verzerrung kann außerhalb des Fluids gemessen werden und trägt einen „Fingerabdruck“ des gesuchten Geschwindigkeitsfeldes, welches durch die Lösung eines linearen inversen Problems rekonstruiert werden kann.
Die messtechnische Herausforderung besteht darin, dass die Verzerrung des Magnetfeldes b viele Größenordnungen kleiner als das äußere Magnetfeld B ist. Beispielsweise liegt bei einem typischerweise angelegtem äußeren B von 1 Millitesla die zu messende strömungsinduzierte Verzerrung bei nur etwa 100 Nanotesla. Dies entspricht weniger als einem halben Prozent des Erdmagnetfeldes!
Die Ansprüche an die Messtechnik sind dabei extrem: Erforderlich sind hochsynchrone Messeingänge mit einem Dynamikbereich von 120 dB und äußerst geringem Rauschen, um eine auf 6 Größenordnungen genaue Demodulation des Signals in Amplitude und Phase zu ermöglichen. Gleichzeitig müssen die Messeingänge extrem hochohmig sein (Größenordnung 1 TOhm), um eine präzise Spannungsmessung an den Induktionsspulen zu ermöglichen, die aufgrund ihrer hohen Windungszahl einen sehr großen und temperaturabhängigen elektrischen Widerstand in der Größenordnung von 0,5 MOhm besitzen. Die hochpräzisen Messgeräte der Serie LTT24 aus dem Hause Labortechnik Tasler sind für solche höchst anspruchsvollen Messaufgaben erste Wahl.
Durch die Verbindung der am HZDR vorhandenen ingenieurtechnischen Expertise und der wegweisenden Tasler-Messtechnik konnte im Experiment eindrucksvoll die Realisierbarkeit der CIFT-Messtechnik trotz aller Herausforderungen gezeigt werden. Erfahren Sie mehr im Video (YouTube)!
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