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Dr. Thomas Wondrak
Magnetohydrodynamics
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Till Zürner
Magnetohydrodynamics
t.zuernerAthzdr.de

Induktive Füllstandmessung

Der Füllstand von Flüssigmetallen in Behältern – wie z.B. Kokillen beim Stahlgießen – ist ein wichtiger Parameter in industriellen Fertigungsprozessen. Die genaue Überwachung und Kontrolle kann maßgeblich zur Qualität des Endproduktes beitragen. Systeme zum Messen des Füllstandes müssen dabei die oft heiße und aggressive Umgebung von Flüssigmetallen aushalten können. Induktive Methoden zeichnen sich hierbei dadurch aus, dass sie keinen Kontakt zu der Schmelze benötigen und sich somit besser vor dem anspruchsvollen Umfeld schützen lassen.

Funktionsprinzip

Das Messprinzip beruht auf der Induktion von Wechselströmen in die Schmelze: Eine Anregungsspule erzeugt ein magnetisches Wechselfeld, welches den Behälter durchsetzt. Durch die zeitliche Änderung des Magnetfeldes werden in die Schmelze elektrische Ströme induziert, welche ihrerseits ein sekundäres Magnetfeld erzeugen. Die Stärke des sekundären Magnetfeldes ist dabei von der Form des elektrisch leitfähigen Volumens in dem Behälter abhängig, d.h. von der Position und Form der Schmelzen-Oberfläche. Dieses sekundäre Magnetfeld wird mittels Induktionsspulen gemessen. Von dem resultierenden Spannungssignal kann mittels einer Kalibrierung auf den Füllstand der Schmelze geschlossen werden.


Abbildung 1: Induktiver Füllstandssensor. (a) Schematische Darstellung der Anregungs- und Induktionsspulen. (b) Foto des Sensors.

Das zu messende Magnetfeld ist im Allgemeinen viel schwächer als das Anregungsfeld (typischerweise bei einem Faktor von über 100). Um den Einfluss des angelegten Magnetfeldes aufzuheben, wird zur Messung des sekundären Magnetfeldes eine gradiometrische Spule verwendet. Dabei werden zwei identische Spulen symmetrisch um die Anregungsspule angeordnet. Dadurch erzeugt das Anregungsfeld in beiden Messspulen die gleiche Spannung. Werden nun die Messspulen so verschaltet, dass sich diese induzierten Spannungen aufheben, bleibt bloß noch der asymmetrische Beitrag des sekundären Magnetfeldes an der gemessenen Spannung übrig. Dies führt zu einer signifikanten Verbesserung der Messgenauigkeit (im Beispiel von Abbildung 1 von einem relativen Fehler von 35 % auf 1 %).


Abbildung 2: Experimenteller Aufbau (links) und gemessene Spannungsamplitude für verschiedene Füllstände (rechts).

Zusätzliche Vorteile dieser Messmethode sind, dass Induktion nur auf elektrisch leitfähige Materialien anspricht. Damit beeinflussen nicht leitfähige Schlacken, die sich häufig auf der Oberfläche der Schmelze befinden, die Messmethode nicht. Weiterhin sind die verwendeten Spulen leicht skalierbar und können somit an viele verschiedene Anwendungen angepasst werden.

Messung der Oberflächentopologie

Die induktive Füllstandsmessung ist eine integrale Messmethode, d.h. das gemessene Signal wird durch alle Wirbelströme in der Schmelze erzeugt. Überdecken z.B. die Spulen den gesamten Behälter, wird auch eine mittlere Höhe der gesamten Oberfläche gemessen. Andererseits lässt sich das Anregungsfeld auch auf einen kleineren Bereich des Behälters beschränken, indem die Ausmaße der Anregungsspule kleiner als der Behälter gewählt werden. Der gemessene Füllstand repräsentiert dann nur die mittlere Oberflächenposition in einem kleinen Bereich nahe dem Sensor. Mit mehreren Sensoren an verschiedenen Positionen um den Behälter lässt sich so die Topologie der Oberfläche aus einzelnen lokalen Messungen rekonstruieren.


Abbildung 3: Rekonstruktion einer aufgeprägten Oberflächenform (schwarze Linie) im Experiment von Abbildung 2. Der Sensor wurde dazu an die verschiedenen Positionen gesetzt und war zuvor jeweils mit flacher Oberfläche kalibriert worden.



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