Blasenerkennung im Flüssigmetall

Schwach und nicht elektrisch leitfähige Einschlüsse, z. B. Gasblasen, führen zur Verzerrung eines äußeren Magnetfeldes in stark elektrisch leitfähigen flüssigen Metallen. Die magnetische Signatur der Verzerrung kann gemessen werden und erlaubt Rückschlüsse auf die Größe, Form, Position und Bewegung der Blase.

Funktionsprinzip

Flüssigmetalle stellen aufgrund der hohen Temperaturen, chemischen Aggressivität und Lichtundurchlässigkeit hohe Anforderungen an die Messtechnik und schließen invasive Messmethoden oftmals aus. Die hohe elektrische Leitfähigkeit metallischer Schmelzen ermöglicht jedoch den Einsatz induktiver Messverfahren.

Beispielhaft ist der Aufstieg einer Blase in einer rechteckigen Flüssigmetallsäule dargestellt: Das Magnetfeld einer Erregerspule (schwarz) durchdringt das Flüssigmetall und wird im Empfängerspulenpaar (rot/blau) detektiert. Die beiden Hälften der Empfängerspule besitzen eine gegensätzliche Wicklungsrichtung und sind in Reihe geschaltet, wodurch sich die induzierten Spannungen für ein unbewegtes Fluid in Abwesenheit von Gasblasen aufheben. Beim Aufstieg einer Blase kommt es zu einer Verzerrung der Stromverteilung in der Flüssigmetallsäule und damit einem Ungleichgewicht in den Empfängerspulen. Dieses stellt sich im zeitlichen Verlauf als S-Kurve dar, aus der Informationen zur Blasengröße, -position, und -aufstiegsgeschwindigkeit gewonnen werden können.

Eine hohe zeitliche Messauflösung, d.h. Anregungsfrequenzen im Bereich mehrerer Hundert Hertz, steht dem Abschirmungseffekt bei Nutzung hochfrequenter Wechselströme (Skin-Effekt) entgegen, was die Messung herausfordernd macht. Im Falle eines bewegten Fluids induziert die Strömung eine zusätzliche Spannung im Sensor. Da sich die Strömungsgeschwindigkeit typischerweise deutlich von der Blasenaufstiegsgeschwindigkeit unterscheidet, können beide Effekte voneinander getrennt werden.

Detektion nicht-leitfähiger Einschlüsse in GaInSn

Ein Laborexperimente mit einer Erreger- und vier Empfängerspulen um eine rechteckige Flüssigmetallsäule wurde konzipiert.

Nicht-leitfähige Kugeln verschiedener Größe wurden mit definierten Verfahrmustern in der Flüssigmetallsäule bewegt. Die induzierten Spannungen in den Empfängerspulenpaaren wurden detektiert und weisen eine von der Größe und Position der Kugel abhängige eindeutige Signatur auf. Die experimentellen Daten zeigen eine hohe Übereinstimmung mit vergleichenden numerischen Simulationen des Blasenaufstieg (vgl. Abb. 2).

Detektion von Gasblasen in flüssigem Natrium

Der Aufstieg von Gasblasen in einem mit flüssigem Natrium gefüllten Zylinder (NAFEX) wurde im Rahmen des EU-Projektes ESFR-SIMPLE untersucht. Der eigens hierfür konzipierte Sensor (Abb. 3 links) wurde in den ultraschnellen Elektronenstrahl-Röntgencomputertomographen ROFEX integriert (Abb. 3 rechts).

Der Aufstieg von Argon-Gasblasen konnte sowohl mittels induktiver Blasendetektion als auch durch Röntgentomographie detektiert werden:

Abb. 4 zeigt das Messsignal eines exemplarischen Events an einem Sensor. Aus den Start- und Endzeiten der S-Kurve und der bekannten Sensorgeometrie lässt sich die Blasenaufstiegsgeschwindigkeit berechnen. Die Amplitude des Signals lässt Rückschlüsse auf die Blasengröße und Position zu, welche direkt mit den Röntgendaten abgeglichen werden können.

• Bieberle, M.; Gundrum, T.; Räbiger, D.; Bieberle, A.; Eckert, S.
  3-D shape and velocity measurement of argon gas bubbles rising in liquid sodium by means of ultrafast X-ray CT imaging
  Flow Measurement and Instrumentation 95(2024), 102503
• Gundrum, T.; Büttner, P.; Dekdouk, B.; Peyton, A.; Wondrak, T.; Galindo, V.; Eckert, S.
  Contactless Inductive Bubble Detection in a Liquid Metal Flow
  Sensors 16(2016)1, 63