DE102017005210B4 - Device for determining parameters of an electrically conductive substance and associated process - Google Patents

Abstract

Vorrichtung zur Ermittlung von Parametern einer elektrisch leitfähigen Substanz bestehend aus• einem magnetisierten Bauelement (1), welches über ein erstes Verbindungselement (4a) an einem Torsionselement (5) fixiert ist,• einem nichtmagnetisierbaren Bauelement (10), welches über ein zweites Verbindungselement (4b) an dem Torsionselement (5) spiegelsymmetrisch zum ersten Verbindungselement (4a) fixiert ist und• einem ersten Positionssensor (8a), dadurch gekennzeichnet, dass• das Torsionselement (5) auf einem Kreuzfedergelenk (6) gelagert ist und mit Hilfe des ersten und zweiten Verbindungselements (4a, 4b) und den magnetisierten und nichtmagnetisierbaren Bauelementen (1, 10) ausbalanciert ist und• das magnetisierte Bauelement (1) aus einem hochtemperatursupraleitenden Material ist und die Vorrichtung in einem mit einer Vakuumkammer (17) umhausten Kühlmittelbehälter (18) angeordnet ist, wobei in Abhängigkeit von der Sprungtemperatur Tdes verwendeten hochtemperatursupraleitenden Materials als Kühlmittel Flüssiggase eingesetzt werden, deren Siedetemperatur Tkleiner als die Sprungtemperatur Tist.Device for determining parameters of an electrically conductive substance consisting of • a magnetized component (1) which is fixed to a torsion element (5) via a first connecting element (4a), • a non-magnetizable component (10) which is connected via a second connecting element ( 4b) is fixed on the torsion element (5) mirror-symmetrically to the first connecting element (4a) and • a first position sensor (8a), characterized in that • the torsion element (5) is mounted on a universal spring joint (6) and with the help of the first and second connecting element (4a, 4b) and the magnetized and non-magnetizable components (1, 10) is balanced and • the magnetized component (1) is made of a high-temperature superconducting material and the device is arranged in a coolant container (18) enclosed with a vacuum chamber (17) is, where depending on the critical temperature T of the high-temperature superconducting material used s liquid gases are used as coolants whose boiling temperature T is less than the transition temperature T.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur kontaktlosen Ermittlung von Parametern einer elektrisch leitfähigen Substanz, insbesondere deren Strömungsgeschwindigkeit oder elektrische Leitfähigkeit oder das Vorhandensein von Defekten in einer festen elektrisch leitfähigen Substanz mit Hilfe der in der elektrisch leitfähigen Substanz mit einem Magnetfeld erzeugten und auf die magnetfelderzeugende Einheit als Reaktion übertragene Lorentzkraft.The present invention relates to a device and a method for the contactless determination of parameters of an electrically conductive substance, in particular its flow rate or electrical conductivity or the presence of defects in a solid electrically conductive substance with the help of the electrically conductive substance generated with a magnetic field and on the magnetic field generating unit as a reaction transmitted Lorentz force.

Die Ermittlung von Strömungsgeschwindigkeiten in flüssigen oder gasförmigen elektrisch leitfähigen Substanzen ist in der metallurgischen, Halbleiter-, Glas- sowie chemischen und Lebensmittelindustrie von großer Bedeutung. Mit einer Prozesskontrolle, dessen Steuerung und Regelung über die jeweilige Strömungsgeschwindigkeit oder die Durchflussrate werden Energie und Ressourcen gespart. Damit sind reproduzierbare und effiziente Prozessführungen möglich. Jedoch fehlen für die aufgeführten Anwendungsgebiete geeignete Messvorrichtungen, die kontaktlos messen, weshalb Kontaminierungen der strömenden Substanz unvermeidbar sind. Das ist insbesondere für heiße und aggressive Stoffe, wie Schmelzen von Stahl, Aluminium, Kupfer, u.a.m. kritisch. Das komplexe und nicht kontrollierbare Benetzungsverhalten von flüssigen Metallen limitiert zudem die Anwendbarkeit von kontaktbehafteten Messtechniken, auch der induktiven Durchflussmesstechnik.
Glasschmelzen, die abhängig von ihrer Zusammensetzung und der Prozessstufe Temperaturen bis zu 1600°C aufweisen, sind bei diesen Temperaturen sehr korrosiv. Es gibt deshalb nach wie vor kein direktes Durchflussmessverfahren - weder im Labor - noch im Industriemaßstab. Die Prozesssteuerung erfolgt hier modellbasiert über in-situ Temperaturmessungen oder über die Bestimmung des Gewichtes des Finalproduktes, z.B. einer Flasche in der Behälterglasherstellung.
Auch die Steuerung solarthermischer Kraftwerke erfordert eine genaue und kontaktlose Volumenstrommesstechnik, da die zur Energiespeicherung verwendeten Nitratsalze bei den Arbeitstemperaturen 280 bis 550°C durch die sehr aggressive Reaktivität nur kontaktlose Durchflussmesstechniken zulassen.
Um bei den wieder neu betrachteten Reaktorkonzepten mit Flüssigsalzkühlung (englisch: Molten Salt Reactors (MSRs)), die u.a. auch das häufiger vorkommende, weltweit etwa gleichverteilte Thorium als Brutmaterial nutzen können, sicherheitsrelevante Risiken einzuschränken, sind hier ebenfalls genaue und kontaktlose Volumenstrommesstechniken erforderlich.The determination of flow velocities in liquid or gaseous electrically conductive substances is of great importance in the metallurgical, semiconductor, glass, chemical and food industries. With a process control, its control and regulation via the respective flow velocity or the flow rate, energy and resources are saved. This enables reproducible and efficient process management. However, there are no suitable measuring devices that measure contactlessly for the areas of application listed, which is why contamination of the flowing substance is unavoidable. This is particularly critical for hot and aggressive substances such as melting steel, aluminum, copper, etc. The complex and uncontrollable wetting behavior of liquid metals also limits the applicability of contact-based measuring techniques, including inductive flow measuring techniques.
Glass melts, which, depending on their composition and the process stage, have temperatures of up to 1600 ° C, are very corrosive at these temperatures. There is therefore still no direct flow measurement method - neither in the laboratory - nor on an industrial scale. The process control is model-based here via in-situ temperature measurements or via the determination of the weight of the final product, e.g. a bottle in container glass production.
The control of solar thermal power plants also requires precise and contactless volume flow measurement technology, as the nitrate salts used for energy storage at working temperatures of 280 to 550 ° C only allow contactless flow measurement technology due to their very aggressive reactivity.
In order to limit safety-relevant risks in the reappearance of the reactor concepts with molten salt cooling (English: Molten Salt Reactors (MSRs)), which can also use the more frequently occurring thorium, which is roughly evenly distributed around the world, as breeding material, precise and contactless volume flow measurement techniques are also required here.

Bekannte kontaktlose Strömungsgeschwindigkeits- oder Volumenstrommesstechniken nutzen ein primäres Magnetfeld, welches in die strömende, elektrisch leitfähige Substanz ein- oder sie durchdringt und somit darin Wirbelströme erzeugt, die wiederum mit dem Primärfeld wechselwirken und eine Lorentzkraft ${\overrightarrow{F}}_L$

$${\overrightarrow{F}}_L=\left({\overrightarrow{j}}_w\times \overrightarrow{B}\right)\cdot V,$$

mit

als Wirbelstromdichte in der strömenden, elektrisch leitfähigen Substanz,

als magnetische Flussdichte des Primärfeldes in der strömenden, elektrisch leitfähigen Substanz und

V

als Messvolumen,

generieren, die sich auf das Magnetsystem abstützt und demzufolge hier messbar ist. Die Wirbelstromdichte ${\overrightarrow{j}}_w$

hängt wiederum von der Strömungsgeschwindigkeit $\overrightarrow{u}$

des elektrisch leitfähigen Stoffes ab: $${\overrightarrow{j}}_w=\sigma \cdot \left(\overrightarrow{u}\times \overrightarrow{B}\right),$$

mit

σ

als elektrische Leitfähigkeit der strömenden Substanz und

als Strömungsgeschwindigkeit.

Daher ergibt sich bei konstanter und bekannter elektrischer Leitfähigkeit σ und bekannter magnetischer Flussdichte $\overrightarrow{B}$

und bekanntem Messvolumen V eine nur von der Strömungsgeschwindigkeit $\overrightarrow{u}$

abhängige Lorentzkraftraft ${\overrightarrow{F}}_L.$

Known non-contact flow velocity or volume flow measurement techniques use a primary magnetic field that penetrates or penetrates the flowing, electrically conductive substance and thus creates eddy currents therein, which in turn interact with the primary field and a Lorentz force ${\overrightarrow{\mathrm{F.}}}_{\mathrm{L.}}$

$${\overrightarrow{\mathrm{F.}}}_{\mathrm{L.}}=\left({\overrightarrow{j}}_w\times \overrightarrow{\mathrm{B.}}\right)\cdot V,$$

With

as eddy current density in the flowing, electrically conductive substance,

as the magnetic flux density of the primary field in the flowing, electrically conductive substance and

V

as measurement volume,

that is based on the magnet system and can therefore be measured here. The eddy current density ${\overrightarrow{j}}_w$

in turn depends on the flow velocity $\overrightarrow{u}$

of the electrically conductive material from: $${\overrightarrow{j}}_w=\sigma \cdot \left(\overrightarrow{u}\times \overrightarrow{\mathrm{B.}}\right),$$

With

σ

as the electrical conductivity of the flowing substance and

as flow velocity.

This results in a constant and known electrical conductivity σ and known magnetic flux density $\overrightarrow{\mathrm{B.}}$

and known measurement volume V one only depends on the flow velocity $\overrightarrow{u}$

dependent Lorentz force ${\overrightarrow{\mathrm{F.}}}_{\mathrm{L.}}.$

Bei Ausrichtung des primären Magnetfeldes senkrecht zur Strömungsgeschwindigkeit, wie es bei Kanalströmungen leicht möglich ist, ist aus den vektoriellen Beziehungen der Gleichungen (1) und (2) nach Thess, A., Votyakov, E. V. und Kolesnikov, Y. in „Lorentz Force Velocimetry. Physical Review Letter 96, 164501, 2006“ der skalare Zusammenhang $$F_{L,u}\sim u\cdot \sigma \cdot B^2,$$

mit

F_L,u

als Lorentzkraft in Richtung der Strömungsgeschwindigkeit u

ableitbar.
Diesen skalaren Zusammenhang (3) nutzen die in der WO 00/58695 , der EP 1 194 743 B1 , der DE 10 2005 046 910 B4 , der WO 2007/033982 A1 , der DE 10 2007 046 881 B4 , der WO 2010/015679 A1 , der DE 10 2009 036 703 A1 , der WO 2011/015469 A1 , der DE 10 2011 114 506 A1 und der DE 10 2013 012 616 B4 vorgestellten Lösungen. Sie unterscheiden sich hauptsächlich dadurch, auf welche Art die durch die strömende oder bewegte, elektrisch leitfähigen Substanz im Magnetfeld B generierte Lorentzkraft F_L detektiert wird. Dabei sind die generierten Kräfte bei der Messung an Metallen (σ = ... 10⁶ ...S/m) so groß, dass einerseits für die Erzeugung der magnetischen Flussdichten B im Messvolumen V Permanentmagnetsysteme ausreichen und andererseits vorgeschlagen wird, die Auslenkung des Magnetsystems optisch zu messen oder Dehnmesssteifen zur Bestimmung der aus der einwirkenden Kraft entstehenden mechanischen Spannungen für die Bestimmung der Geschwindigkeit eines Metallbettes bzw. einer Metallschmelze zu nutzen. Solche optischen Sensoren und auch Dehnmessstreifen besitzen aber eine relativ niedrige Messauflösung. Auch die Bewertung anderer Zustandsgrößen des Magnetsystems, wie z.B. die bei entsprechender Positionierung des Magnetsystems von der Lorentzkraft verursachten Drehmomente und die daraus resultierenden Drehzahlen, vorgestellt in der WO 2007/033982 A1 oder der DE 10 2007 046 881 B4 , führen zu Messfehlern und Eingrenzungen des Messbereiches und der Anwendungen, da die notwendige Masse des Magnetsystems als Totlast über seine machbare Positioniergenauigkeit die Messergebnisse beeinflusst.If the primary magnetic field is oriented perpendicular to the flow velocity, as it is easily possible with channel flows, the vector relationships of equations (1) and (2) according to Thess, A., Votyakov, EV and Kolesnikov, Y. in “Lorentz Force Velocimetry. Physical Review Letter 96, 164501, 2006 " the scalar relationship $${\mathrm{F.}}_{\mathrm{L.},u}\sim u\cdot \sigma \cdot {\mathrm{B.}}^2,$$

With

F _{L, u}

as Lorentz force in the direction of the flow velocity u

derivable.
This scalar relationship (3) is used by the WO 00/58695 , of the EP 1 194 743 B1 , of the DE 10 2005 046 910 B4 , of the WO 2007/033982 A1 , of the DE 10 2007 046 881 B4 , of the WO 2010/015679 A1 , of the DE 10 2009 036 703 A1 , of the WO 2011/015469 A1 , of the DE 10 2011 114 506 A1 and the DE 10 2013 012 616 B4 presented solutions. They differ mainly in the way in which the Lorentz force F _L generated by the flowing or moving, electrically conductive substance in the magnetic field B is detected. The forces generated when measuring metals (σ = ... 10 ⁶ ... S / m) are so great that, on the one hand, permanent magnet systems are sufficient to generate the magnetic flux densities B in the measurement volume V and, on the other hand, it is proposed that the deflection of the To measure magnet systems optically or to use strain gauges to determine the mechanical stresses arising from the acting force to determine the speed of a metal bed or a metal melt. Such optical sensors and strain gauges, however, have a relatively low measurement resolution. The evaluation of other state variables of the magnet system, such as the torques caused by the Lorentz force when the magnet system is positioned accordingly, and the speeds resulting therefrom, are presented in WO 2007/033982 A1 or the DE 10 2007 046 881 B4 , lead to measurement errors and the limitation of the measurement range and the applications, since the necessary mass of the magnet system as dead load influences the measurement results via its feasible positioning accuracy.

Gleichfalls hebt die Benutzung von Kompensationssystemen, welche die von der Lorentzkraft verursachten Änderungen des Zustandes des Magnetsystems ausgleichen und das aus der Kompensation resultierende Signal als Messgröße für die Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit nutzen (vgl. DE 10 2005 046 910 B4 und DE 10 2013 012 616 B4 ), diese Nachteile nicht auf.Likewise, the use of compensation systems that compensate for the changes in the state of the magnet system caused by the Lorentz force and use the signal resulting from the compensation as a measurement variable for determining the flow velocity (cf. DE 10 2005 046 910 B4 and DE 10 2013 012 616 B4 ) does not have these disadvantages.

Auch Vorschläge, welche die bei der Lorentzkraft-Anemometrie vorhandene Abhängigkeit von der elektrischen Leitfähigkeit durch Hintereinanderordnung von mindestens zwei Lorentzkraft-Anemometern (siehe WO 2011/015469 A1 , DE 10 2009 036 703 A1 ) oder den Einfluss von möglichen Änderungen der magnetischen Flussdichte infolge von Temperaturschwankungen und / oder Alterung des Magnetsystems durch Kompensation des Messsignals mit einem zweiten bekannten Massen- oder Volumenstrom oder mit einem bewegten Festkörper zu eliminieren (siehe DE 10 2011 114 506 A1 ), führen nicht dazu, die Probleme der Lorentzkraft-Anemometrie zu lösen, sodass diese bekannten Messsysteme die Messung von Strömungsgeschwindigkeiten bis in mm/s - Bereich bei elektrischen Leitfähigkeiten in mS/m - Bereich nicht zulassen.There are also suggestions that reduce the dependence on electrical conductivity in Lorentz force anemometry by arranging at least two Lorentz force anemometers in series (see WO 2011/015469 A1 , DE 10 2009 036 703 A1 ) or to eliminate the influence of possible changes in the magnetic flux density due to temperature fluctuations and / or aging of the magnet system by compensating the measurement signal with a second known mass or volume flow or with a moving solid (see DE 10 2011 114 506 A1 ), do not lead to solving the problems of Lorentz force anemometry, so that these known measuring systems do not allow the measurement of flow velocities in the mm / s range with electrical conductivities in the mS / m range.

Unter Laborbedingungen ist die Funktionalität von Messaufbauten, mit denen Strömungsgeschwindigkeiten bis zu 0,02 m/s und elektrische Leitfähigkeiten bis zu 6^x10^-2 S/m bestimmt werden können, aufgezeigt worden (vgl. Vasilyan, S., et. al., Towards metering tap water by Lorentz Force Velocimetry. Measurement Science and Technology, vol. 26, no. 11, pp. 115302, 2015 ). Allerdings ist dazu die Einhaltung der Masse der Magnetsysteme von ≤ 1 kg und der Temperaturstabilität von < 20 mK zwingend notwendig. Aber gerade die erforderliche Temperaturstabilität ist im Labor nur mit zusätzlichen Aufwendungen und unter industriellen Bedingungen gar nicht realisierbar. Weiterhin limitiert die begrenzte Masse und damit das begrenzte Volumen des Magnetsystems - physikalisch bedingt - den in der elektrisch leitfähigen Substanz realisierbaren magnetischen Fluss bzw. die Flussdichte und damit gemäß Zusammenhang (3) für eine gegebene Geschwindigkeit u und Leitfähigkeit σ die Größe der Lorentzkraft in Richtung der Strömungsgeschwindigkeit F_L,u bzw. die Größe des Messsignals und damit die Auflösung des Messsystems. Außerdem sind die zu erwartenden Vergrößerungen der magnetischen Energiedichte durch die verfügbaren Dauermagnetmaterialien begrenzt. Materialentwicklungen lassen nur Steigerungen der Energiedichte von derzeit 400 kJ/m³ bis nahe der prognostizierten technischen Grenze von 720 kJ/m³ erwarten (vgl. Gutfleisch, O. et al., Magnetic Materials and Devices for the 21st Century: Stronger, Lighter, and More Energy Efficient. Adv. Mater., 23, 821-842, 2011 ).Under laboratory conditions, the functionality of measurement setups with which flow velocities up to 0.02 m / s and electrical conductivities up to 6 ^x 10 ^-2 S / m can be determined (cf. Vasilyan, S., et. al., Towards metering tap water by Lorentz Force Velocimetry. Measurement Science and Technology, vol. 26, no.11, pp. 115302, 2015 ). However, it is imperative to maintain the mass of the magnet systems of ≤ 1 kg and the temperature stability of <20 mK. But it is precisely the required temperature stability that can only be achieved in the laboratory with additional expenditure and under industrial conditions. Furthermore, the limited mass and thus the limited volume of the magnet system - for physical reasons - limits the magnetic flux or the flux density that can be realized in the electrically conductive substance and thus according to relationship (3) for a given speed u and conductivity σ the magnitude of the Lorentz force in the direction the flow velocity F _{L, u} or the size of the measurement signal and thus the resolution of the measurement system. Also, those are to be expected Magnetic energy density increases are limited by the permanent magnet materials available. Material developments only lead to an increase in energy density from the current 400 kJ / m ³ to near the forecast technical limit of 720 kJ / m ³ (cf. Gutfleisch, O. et al., Magnetic Materials and Devices for the 21st Century: Stronger, Lighter, and More Energy Efficient. Adv. Mater., 23, 821-842, 2011 ).

Auch die Ausführung der für die Lorentzkraft-Anemometrie notwendigen Magnetsysteme als normal leitende Spulenanordnungen (siehe DE 10 2005 046 910 B4 , WO 2007/033982 A1 , WO 2010/015679 A1 , WO 2011/015469 A1 ) löst die oben dargestellten Probleme nicht. Zusätzlich dazu, ist zu berücksichtigen, dass solche elektrisch erregten Magnetsysteme nicht nur elektrisch, sondern auch mechanisch an eine Stromversorgung gekoppelt werden müssen und daraus zusätzliche Kräfte resultieren, die auf das Magnetsystem wirken und das Messsignal verfälschen.The design of the magnet systems required for Lorentz force anemometry as normally conductive coil arrangements (see DE 10 2005 046 910 B4 , WO 2007/033982 A1 , WO 2010/015679 A1 , WO 2011/015469 A1 ) does not solve the problems presented above. In addition, it must be taken into account that such electrically excited magnet systems have to be coupled not only electrically but also mechanically to a power supply, which results in additional forces that act on the magnet system and falsify the measurement signal.

Die technische Umsetzung des in der WO 2007/033982 A1 oder in der DE 10 2005 046 910 B4 vorgeschlagenen Magnetsystems mit supraleitenden Spulen, erfordert ein kryogenes Kühlsystem, welches die Spulentemperatur unterhalb der Sprungtemperatur des Spulenmaterials hält, und einen supraleitenden Schalter für das Einprägen des notwendigen Spulenstromes sowie das elektrische An- und Abkoppeln einer Stromversorgung. Zudem weisen Magnetsysteme mit supraleitenden Spulen nur in ihrem Innern konzentrierte und homogene Magnetfelder auf. Aus dem äußeren Streufeld resultieren unerwünschte Effekte, die die Messfehler vergrößern. Ebenso führen die mit der Anwendung von Spulenanordnungen vorgeschlagenen Flussleitelemente, wie Joche und / oder Polschuhe aus magnetisch hochpermeablen Materialien (vgl. DE 10 2005 046 910 B4 , WO 2007/033982 A1 , WO 2010/015679 A1 ) zwar zu einer zielgerichteten Leitung des Magnetfeldes durch Reduzierung des Streufeldes jedoch auch zu einer Erhöhung der Masse des Magnetsystems, ohne dabei zur Vergrößerung der Flussdichte beizutragen, weil bei limitierter Gesamtmasse des Magnetsystems die Masse seines aktiven Teils (Permanentmagnet oder Spule), welcher den magnetischen Fluss erzeugt, verringert werden muss.The technical implementation of the WO 2007/033982 A1 or in the DE 10 2005 046 910 B4 proposed magnet system with superconducting coils, requires a cryogenic cooling system, which keeps the coil temperature below the transition temperature of the coil material, and a superconducting switch for impressing the necessary coil current and the electrical connection and disconnection of a power supply. In addition, magnet systems with superconducting coils only have concentrated and homogeneous magnetic fields inside. The external stray field results in undesirable effects that increase the measurement errors. The flux guide elements proposed with the use of coil arrangements, such as yokes and / or pole shoes made of magnetically highly permeable materials (cf. DE 10 2005 046 910 B4 , WO 2007/033982 A1 , WO 2010/015679 A1 ) to a targeted conduction of the magnetic field by reducing the stray field but also to an increase in the mass of the magnet system, without contributing to the increase in the flux density, because with a limited total mass of the magnet system, the mass of its active part (permanent magnet or coil), which the magnetic Flux generated must be reduced.

Analoge Kritiken treffen für Vorschläge zur Messung der elektrischen Leitfähigkeit von Stoffen (vgl. DE 10 2011 056 650 B4 ) über Lorentzkraftkomponenten oder daraus resultierenden Momenten bei bekannter Relativgeschwindigkeit zwischen den Stoffen und dem Magnetsystem zu.Similar criticisms are made for suggestions for measuring the electrical conductivity of substances (cf. DE 10 2011 056 650 B4 ) via Lorentz force components or the resulting moments when the relative speed between the substances and the magnet system is known.

In Halbedel, B. et al., Hochtemperatursupraleiter als Magnetfeldquelle für die Lorentzkraft-Anemometrie von schwach leitfähigen Fluiden. In: Proceedings Workshop Elektroprozesstechnik, Technische Universität Ilmenau, Ilmenau/ Ortsteil Heyda, Tagungsband, 12.-13. Sept. 2013 wird vorgeschlagen für die Lorentzkraft-Anemometrie Hochtemperatursupraleiterbulks (HTSL-Bulk) auf Basis von Kupraten Bi₂Sr₂Ca₂Cu₃O_10-x (BSCCO) und YBa₂Cu₃O_7-x(YBCO) zu nutzen, die zu Halbach ähnlichen Anordnungen in einem Kryostat mit ausgefeilter Isolationstechnik (GFK, Vakuum) positioniert und mit flüssigem Stickstoff LN₂ gekühlt werden. Die alleinige Kühlung und Kryostatisierung der HTSL-Bulks erhöht die Masse des Magnetsystems maßgeblich (>> 1 kg), sodass keine ausreichend sensiblen Kraftmesstechniken einsetzbar sind. Zudem erzielt man mit einem HTSL-Bulkpaar nur eine um circa 1,7 höhere Lorenzkraft als mit dem NdFeB-Magnetpaar bei einem mit 5 ms^-1 strömenden Modellelektrolyt mit einer Leitfähigkeit von 4 Sm-¹, sodass solche Anemometersysteme nur für Elektrotytströmungen von > 10 ms^-1 einsetzbar erscheinen.In Halbedel, B. et al., High-temperature superconductors as a magnetic field source for Lorentz force anemometry of weakly conductive fluids. In: Proceedings Workshop Electrical Process Technology, Ilmenau University of Technology, Ilmenau / Heyda district, proceedings, 12.-13. Sept. 2013 it is proposed to use high-temperature superconductor bulks (HTSL-Bulk) based on cuprates Bi ₂ Sr ₂ Ca ₂ Cu ₃ O _10-x (BSCCO) and YBa ₂ Cu ₃ O _7-x (YBCO) for the Lorentz force anemometry, the arrangements similar to Halbach are positioned in a cryostat with sophisticated insulation technology (GRP, vacuum) and cooled with liquid nitrogen LN ₂ . The sole cooling and cryostatization of the HTSL bulk increases the mass of the magnet system significantly (>> 1 kg), so that no sufficiently sensitive force measurement techniques can be used. In addition, with an HTSL bulk pair you only achieve a Lorentz force about 1.7 higher than with the NdFeB magnet pair with a model electrolyte flowing at 5 ms ^-1 with a conductivity of 4 Sm- ¹ , so that such anemometer systems only for electrolyte flows of> 10 ms ^-1 appear usable.

Verfahren und Vorrichtungen zur Bestimmung von makroskopischen Defekten (Lunker, Schlackeeinschlüsse, Verunreinigungen, Risse u.a.m.) in festen elektrischen leitfähigen Materialien mittels der sich infolge der Defekte ändernden elektrischen Leitfähigkeit und der daraus folgenden mechanischen Zustandsänderungen am Magnetsystem (Kraft- und/ oder Drehmomentkomponente), die ein Magnetfeld erzeugt, welches in das elektrisch leitfähige Medium eindringt, bei konstanter und bekannter Relativgeschwindigkeit zwischen dem Magnetsystem und dem Material, sind aus der WO 00/58695 A1 , der DE 10 2011 056 650 B4 sowie aus Veröffentlichungen, wie z.B. Carlstedt, M. et al., Estimation of Lorentz-Force from Dimensional Analysis: Similarity Solutions and Scaling Laws. In: IEEE Transactions on Magnetics, vol. 52 (2016), no. 8, pp. 7004813, bekannt. Allerdings sind hier zur Ermittlung von makroskopischen Defekten kleine Magnetsysteme erforderlich, die ein lokales Magnetfeld erzeugen, das zudem noch tief in das Material eindringen muss. Mit den beschriebenen Permanentmagneten ist das nicht möglich. Wie bereits oben ausgeführt, verringert sich mit kleiner werdenden Magnetmaterialvolumen die im Material realisierbare magnetische Flussdichte und damit die messbaren mechanischen Zustandsänderungen am Magnetsystem. Somit sind mit solchen Vorrichtungen nur Defekte der Größe von 1 bis 2 mm bei 30 bis 35 mm Tiefe in festen Materialien mit metallischen elektrischen Leitfähigkeiten erkennbar.Methods and devices for determining macroscopic defects (voids, slag inclusions, impurities, cracks, etc.) in solid electrically conductive materials by means of the electrical conductivity changing as a result of the defects and the resulting mechanical changes in the state of the magnet system (force and / or torque components), which A magnetic field is generated which penetrates the electrically conductive medium, at a constant and known relative speed between the magnetic system and the material, are from the WO 00/58695 A1 , of the DE 10 2011 056 650 B4 and from publications such as Carlstedt, M. et al., Estimation of Lorentz-Force from Dimensional Analysis: Similarity Solutions and Scaling Laws. In: IEEE Transactions on Magnetics, vol. 52 (2016), no.8, pp. 7004813, known. However, small magnetic systems are required here to determine macroscopic defects, which generate a local magnetic field that also has to penetrate deep into the material. This is not possible with the permanent magnets described. As already stated above, the smaller the magnetic material volume, the lower the magnetic flux density that can be realized in the material and thus the measurable mechanical state changes in the magnet system. Thus, with such devices only defects of size 1 to 2 mm at a depth of 30 to 35 mm in solid materials with metallic electrical conductivities can be recognized.

Aus dem Stand der Technik sind weiterhin Torsionswaagen zur Messung der Gravitationsanziehung bekannt. In der US 2013/0008248 A1 wird dazu eine dünne Faser genutzt, deren Verdrehung über eine Spiegelanordnung detektiert wird. Solche Vorrichtungen sind nicht ausreichend robust und benötigen große Abmessungen, um die erforderlichen Genauigkeiten und Messauflösungen zu erreichen. Weiterhin wird in der DE 103 30 947 A1 ein Kreuzfederelement aus zwei gegeneinander verdrehbaren Lagerelementen, die mindestens 4 sich orthogonal kreuzende Blattfederelemente aufweisen, zur Messung von radialen Kräften bzw. Drehmomenten offenbart. Solche Ausführungen sind zu groß für die Verwendung in der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Durch die zwei Blattfedernpaare wird für die dort beanspruchte Verwendung eine hohe Robustheit in dem Sinne erreicht, dass Störkräfte gut toleriert werden. Die technisch begrenzten minimal Dicken der Blattfedern und die Montagetoleranzen der Schraubverbindungen an den Ringelementen führen zu nachteilig hohen Drehsteifigkeiten in Messrichtung und verhindern, eine ausreichend gute Messauflösung zu erreichen. Durch die große Bauform und den Materialmix sind diese weiterhin ungeeignet für den Einsatz in Magnetfeldern.Torsion balances for measuring the gravitational attraction are also known from the prior art. In the US 2013/0008248 A1 a thin fiber is used for this purpose, its twisting via a Mirror arrangement is detected. Such devices are not sufficiently robust and require large dimensions in order to achieve the required accuracies and measurement resolutions. Furthermore, in the DE 103 30 947 A1 a cross spring element made of two mutually rotatable bearing elements, which have at least 4 orthogonally crossing leaf spring elements, for measuring radial forces or torques. Such designs are too large for use in the device according to the invention. The two leaf spring pairs achieve a high level of robustness for the use claimed there in the sense that disturbing forces are well tolerated. The technically limited minimum thicknesses of the leaf springs and the assembly tolerances of the screw connections on the ring elements lead to disadvantageously high torsional stiffness in the measurement direction and prevent a sufficiently good measurement resolution from being achieved. Due to the large design and the mix of materials, they are still unsuitable for use in magnetic fields.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, eine variabel einsetzbare Vorrichtung und ein dazugehöriges Verfahren zur kontaktlosen Ermittlung von Parametern einer elektrisch leitfähigen Substanz bereitzustellen, mit denen die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile überwunden werden können und Lorentzkräfte bis 1 nN berührungslos erfasst und daraus Strömungsgeschwindigkeiten im 1 mm/s -Bereich, elektrische Leitfähigkeiten bis zu 1 mS/m sowie auch kleinste makroskopische Defekte der Größenordnung < 1 mm in elektrisch leitfähigen Substanzen ermittelbar sind.The object of the present invention is therefore to provide a variably usable device and an associated method for contactless determination of parameters of an electrically conductive substance, with which the disadvantages known from the prior art can be overcome and Lorentz forces up to 1 nN are detected without contact and flow velocities from them in the 1 mm / s range, electrical conductivities up to 1 mS / m and even the smallest macroscopic defects of the order of magnitude <1 mm in electrically conductive substances can be determined.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe vorrichtungsseitig durch die Merkmale des ersten Patentanspruches und verfahrensseitig durch die Merkmale des zehnten Patentanspruches gelöst.
Bevorzugte weitere Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den Unteransprüchen 2 bis 9 beschrieben, während eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens im Patentanspruch 11 angegeben ist.According to the invention, this object is achieved on the device side by the features of the first patent claim and on the method side by the features of the tenth patent claim.
Preferred further refinements of the device according to the invention are described in dependent claims 2 to 9, while a further refinement of the method is specified in claim 11.

Mit der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, dass ein oder mehrere starr miteinander verbundene, magnetisierte Bauelemente aus Hochtemperatursupraleitermaterialien, wie z. B. einem Seltenerde-Barium-Cuprat (SEBa₂Cu₃O_7-x), häufig abgekürzt SEBCO, mit einem Seltenerdemetall (SE) aus Ytterbium (Yb), Yttrium (Y), Gadolinium (Gd) oder Samarium (Sm) oder einem Magnesiumdiborid (MgB₂) oder einem eisenbasierten Hochtemperatursupraleitermaterial (A'Fe₂As₂ mit A'(Erdalkalimetall) = Ba, Ca, Sr, ...), der / die in einem Halteelement aus nichtferromagnetischen Material positioniert sind und einseitig abgedichtet, nur durch einen zur thermischen Isolierung notwendigen Vakuumspalt und die Wandstärke eines vakuumdichten nichtferromagnetischen Materials getrennt, an einem Strömungskanal oder an einem festen Körper / Produkt angeordnet wird und der / die auf der dem Vakuumspalt abgewandten Seite über einen Stab mit einem Torsionselement verbunden ist, wobei ein geeigneter Sensor zur Erfassung der Torsion vorgesehen ist. Spiegelsymmetrisch zu diesem magnetisierten Bauelement ist mit dem Torsionselement ein zweiter, aber nichtmagnetisierbarer Körper (Dummy) über einen weiteren Stab starr verbunden. Die Einheit aus dem magnetisierten und dem nichtmagnetisierbaren Bauelement, den zwei Stäben, dem Torsionselement und dem Sensor ist in einem Kryostat angeordnet, der eine Temperatur kleiner als die Sprungtemperatur des Hochtemperatursupraleitermaterial realisiert. Das Magnetfeld des / der magnetisierten Bauelemente aus Hochtemperatursupraleitermaterialien dringt in den Strömungskanal mit der elektrisch leitfähigen Substanz oder in die feste elektrisch leitfähige Substanz ein, wodurch infolge der Relativbewegung zwischen dem Magnetfeld und der elektrisch leitfähigen Substanz eine Lorentzkraft generiert wird, welche über das magnetisierte Bauelement aus Hochtemperatursupraleitermaterialien und dem Verbindungsstab im Torsionselement eine der Lorentzkraft proportionale Torsion bewirkt, wobei letztere mit Hilfe des Sensors erfasst und einer Auswerte- und Recheneinheit zugeführt wird. In der Auswerte- und Recheneinheit kann aus diesen Messwerten die Strömungsgeschwindigkeit oder die elektrische Leitfähigkeit von elektrisch leitfähigen Fluiden oder die elektrische Leitfähigkeit von Materialien und Produkten bzw. makroskopische Defekte, wie Lunker, Schlackeeinschlüsse, Verunreinigungen, Risse u.a.m., in elektrisch leitfähigen Materialien und Produkten bei bekannter Relativgeschwindigkeit bestimmt weden.With the present invention it is proposed that one or more rigidly interconnected, magnetized components made of high-temperature superconductor materials, such as. B. a rare earth barium cuprate (SEBa ₂ Cu ₃ O _7-x ), often abbreviated SEBCO, with a rare earth metal (SE) made of ytterbium (Yb), yttrium (Y), gadolinium (Gd) or samarium (Sm) or a magnesium diboride (MgB ₂ ) or an iron-based high-temperature superconductor material (A'Fe ₂ As ₂ with A '(alkaline earth metal) = Ba, Ca, Sr, ...), which are positioned in a holding element made of non-ferromagnetic material and sealed on one side, is only separated by a vacuum gap necessary for thermal insulation and the wall thickness of a vacuum-tight non-ferromagnetic material, is arranged on a flow channel or on a solid body / product and the / which is connected to a torsion element on the side facing away from the vacuum gap via a rod, whereby a suitable sensor for detecting the torsion is provided. Mirror-symmetrically to this magnetized component, a second, but non-magnetizable body (dummy) is rigidly connected to the torsion element via a further rod. The unit consisting of the magnetized and the non-magnetizable component, the two rods, the torsion element and the sensor is arranged in a cryostat, which realizes a temperature lower than the critical temperature of the high-temperature superconductor material. The magnetic field of the magnetized component (s) made of high-temperature superconductor materials penetrates the flow channel with the electrically conductive substance or into the solid electrically conductive substance, whereby a Lorentz force is generated as a result of the relative movement between the magnetic field and the electrically conductive substance, which is generated via the magnetized component High-temperature superconductor materials and the connecting rod in the torsion element causes a torsion proportional to the Lorentz force, the latter being recorded with the aid of the sensor and fed to an evaluation and computing unit. In the evaluation and computing unit, the flow velocity or the electrical conductivity of electrically conductive fluids or the electrical conductivity of materials and products or macroscopic defects, such as voids, slag inclusions, impurities, cracks, etc., in electrically conductive materials and products can be determined from these measured values known relative speed.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert, die die Erfindung jedoch nicht einschränken. Es zeigen:

• 1 einen Längsschnitt durch die Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Hochtemperatursupraleiter-Bulk aus Samarium-Barium-Cuprat (SmBa₂Cu₃O_7-x= SmBCO-123) f,
• 2 die Verteilung der magnetischen Flussdichte B(x, z) an der Oberfläche des Hochtemperatursupraleiter-Bulks aus Samarium-Barium-Cuprat (SmBa₂Cu₃O_7-x = SmBCO-123),
• 3 eine Draufsicht auf ein radförmiges Torsionselement nach 1 mit zwei gegenüberliegenden Positionssensoren,
• 4 eine Seitenansicht eines um 90° gedrehten radförmigen Torsionselements nach 1 zur Messung von Kräften in z-Richtung,
• 5 einen Längsschnitt durch eine Draufsicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem länglichen Torsionselement

The invention is explained in more detail below with reference to the figures, which however do not limit the invention. Show it:

• 1 a longitudinal section through the side view of a device according to the invention with a high-temperature superconductor bulk made of samarium barium cuprate (SmBa ₂ Cu ₃ O _7-x = SmBCO-123) f,
• 2 the distribution of the magnetic flux density B (x, z) on the surface of the high-temperature superconductor bulk made of samarium-barium cuprate (SmBa ₂ Cu ₃ O _7-x = SmBCO-123),
• 3 a plan view of a wheel-shaped torsion element according to 1 with two opposite position sensors,
• 4th a side view of a wheel-shaped torsion element rotated by 90 ° 1 for measuring forces in the z-direction,
• 5 a longitudinal section through a plan view of a device according to the invention with an elongated torsion element

1 zeigt einen Längsschnitt durch eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Hochtemperatursupraleiter-Bulk (1) aus Samarium-Barium-Cuprat (SmBa₂Cu₃O_7-x = SmBCO-123) für die Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit, der elektrischen Leitfähigkeit und von Defekten in sich bewegenden, elektrisch leitfähigen Substanzen (19).
Der Hochtemperatursupraleiter-Bulk (1) wird von einer Halterung (2) und einer Schraubkappe (3) gehalten und ist über ein Verbindungselement (4a) mit einem Torsionselement (5) starr verbunden. Spiegelsymmetrisch dazu ist über ein zweites Verbindungselement (4b) ein nichtmagnetisierbares Bauelement (10), ein sogenannter Dummy, am Torsionselement (5) starr verbunden. Das System aus Hochtemperatursupraleiter-Bulk (1) mit Halterung (2), Verbindungselemente (4a, 4b) und Dummy (10) ist auf einem Kreuzfedergelenk (6) gelagert, das wiederum über weitere zusätzliche Verbindungselemente (7) mit einer Grundplatte (9) verbunden ist. Die Grundplatte (9) ist an der Innenwand eines Kühlmittelbehälters (18) montiert.
Zur Minimierung von Scherkräften auf das Kreuzfedergelenk (6) ist einzuhalten: $$m_1\cdot r_1=m_2\cdot r_2,$$

mit

m₁

als Masse der supraleitenden Magnetfeldquelle (1) mit Halterung (2) und Schraubkappe (3),

m₂

als Masse des Dummys (10),

r₁

als Hebellänge der Masse m₁,

r₂

als Hebellänge der Masse m₂,

1 shows a longitudinal section through an embodiment of the device according to the invention with a high-temperature superconductor bulk ( 1 ) made of samarium barium cuprate (SmBa ₂ Cu ₃ O _7-x = SmBCO-123) for the determination of the flow velocity, the electrical conductivity and of defects in moving, electrically conductive substances ( 19th ).
The high-temperature superconductor bulk ( 1 ) is supported by a bracket ( 2 ) and a screw cap ( 3 ) and is held by a connecting element ( 4a) with a torsion element ( 5 ) rigidly connected. In mirror symmetry, a second connecting element ( 4b) a non-magnetizable component ( 10 ), a so-called dummy, on the torsion element ( 5 ) rigidly connected. The system made of high-temperature superconductor bulk ( 1 ) with bracket ( 2 ), Fasteners ( 4a , 4b ) and dummy ( 10 ) is on a universal spring joint ( 6th ) stored, which in turn has additional connecting elements ( 7th ) with a base plate ( 9 ) connected is. The base plate ( 9 ) is on the inside wall of a coolant tank ( 18th ) assembled.
To minimize shear forces on the universal spring joint ( 6th ) must be observed: $$m_1\cdot r_1=m_2\cdot r_2,$$

With

m ₁

as the mass of the superconducting magnetic field source ( 1 ) with bracket ( 2 ) and screw cap ( 3 ),

m ₂

as the mass of the dummy ( 10 ),

r ₁

as the lever length of the mass m ₁ ,

r ₂

as the lever length of the mass m ₂ ,

Vorzugsweise ist $$m_1=m_2=mund{r}_1=r_2=r$$

auszuführen.Preferably is $${\mathrm{<figure-callout\; id="1"\; label="m"\; filenames="DE102017005210B4\_0018.png"\; state="\{\{state\}\}">m</figure-callout>}}_1={\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="m"\; filenames="DE102017005210B4\_0018.png,DE102017005210B4\_0019.png"\; state="\{\{state\}\}">m</figure-callout>}}_2=mu\mathrm{<figure-callout\; id="1"\; label="n\; d\; r"\; filenames="DE102017005210B4\_0018.png"\; state="\{\{state\}\}">n</figure-callout>}d{r}_{}{}_1={\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="r"\; filenames="DE102017005210B4\_0018.png,DE102017005210B4\_0019.png"\; state="\{\{state\}\}">r</figure-callout>}}_2=r$$

execute.

Der Kühlmittelbehälter (18) ist mit einem Strahlungsschirm umgeben, um trotz der Vakuumkammer (17) zwischen Kühlmittelbehälter (18) und Gehäuse des Kryostaten (11) infolge der Temperaturdifferenzen eindringende Wärmeströme (Strahlung) zu reduzieren. Als Strahlungsschirm sind vorzugsweise sogenannte Superisolationfolien (englisch: multilayered superinsulating material (MLI)) geeignet.
Die Positionierung des Kühlmittelbehälters (18) in einem Kryostaten (11) wird mit Hilfe einer ausreichenden Anzahl von Abstandshaltern (12) gewährleistet, die einen kleinen Querschnitt und eine geringe Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Verwendbar sind Keramiken und Hochleistungskunststoffe. Darüber hinaus können die Abstandshalter auch Kräfte aufnehmen, welche die Lorentzkraft, die sich aus der Flussdichte B, der Bewegungsgeschwindigkeit u und der elektrischen Leitfähigkeit σ gemäß Zusammenhang (3) beim Messen ergibt, weit übertreffen, wie z.B. beim Magnetisieren oder Transport.The coolant tank ( 18th ) is surrounded by a radiation shield so that despite the vacuum chamber ( 17th ) between coolant tank ( 18th ) and housing of the cryostat ( 11 ) to reduce penetrating heat flows (radiation) due to the temperature differences. So-called super-insulating films (multilayered superinsulating material (MLI)) are preferably suitable as the radiation shield.
The positioning of the coolant tank ( 18th ) in a cryostat ( 11 ) is made with the help of a sufficient number of spacers ( 12 ), which have a small cross section and low thermal conductivity. Ceramics and high-performance plastics can be used. In addition, the spacers can also absorb forces that increase the Lorentz force resulting from the flux density B, the movement speed u and the electrical conductivity σ according to the relationship ( 3 ) when measuring, far exceed them, such as when magnetizing or transporting.

Das Gehäuse des Kryostaten (11) besitzt mindestens einen geeigneten Anschluss zum Einfüllen des Kühlmittels (13), eine Durchführung (15) für Messleitungen sowie ein Drucksicherheitsventil (16), die bis in den Kühlmittelbehälter (18) hineinragen sowie mindestens einen Anschluss (14) zum Evakuieren der Vakuumkammer (17).
Alle Konstruktionsbauteile sind aus nichtferromagnetischen Materialien. Dazu zählen austenitische Edelstähle, Aluminium, Kupfer und deren Legierungen. Um die Masse des Kraftmesssystems minimal zu halten und trotzdem die erforderliche kryogene Resistenz und ausreichende Vakuumdichtheit zu gewährleisten, sind jedoch Hochleistungskunststoffe, wie z.B. PTFE (Polytetrafluorethylen) und insbesondere GFK (Glasfaserkomposite) zu bevorzugen.
Der Hochtemperatursupraleiter-Bulk (1) ist magnetisiert. Die Magnetisierung kann durch die bekannten Methoden, engl. Field cooling (FC), Pulsed-field magnetization (PFM) und zero field cooling (ZFC) erfolgen. Die höchsten Magnetfelder können mit der Field cooling (FC) Methode erzielt werden.
Als Kühlmittel sind abhängig von der Sprungtemperatur T_c des verwendeten Hochtemperatursupraleitermaterials Flüssiggase zu benutzen.
Tabelle 1 zeigt eine Übersicht von einsetzbaren Hochtemperatursupraleitern und Kühlflüssigkeiten mit den spezifischen Eigenschaften bei 101 325 Pa (≈ 1 bar)
Aufgeführt sind die Sprungtemperatur T_C, die Siedetemperatur T_S, die spezifische Verdampfungsenthalpie ΔH_V und die molare Masse M. Hochtemperatursupraleitermaterial Kühlflüssigkeit Name Tc [K] Name Ts [K] ΔHv [kJ/kg] M [g/mol] Bi₂Sr₂Ca₂Cu₃0₁₀ 110 Ar 87 161 39,95 YBa₂Cu₃0_7-x (YBCO) 93 LN₂ 77 199 28,02 (N₂) NdFeAsO_0.82F_0.18 51 Ne 27 85,9 20,18 MgB₂ 39 LHe 5 21,1 4,003 The housing of the cryostat ( 11 ) has at least one suitable connection for filling the coolant ( 13 ), an implementation ( 15th ) for measuring lines and a pressure safety valve ( 16 ) that extend into the coolant tank ( 18th ) protrude and at least one connection ( 14th ) to evacuate the vacuum chamber ( 17th ).
All structural components are made of non-ferromagnetic materials. These include austenitic stainless steels, aluminum, copper and their alloys. In order to keep the mass of the force measuring system to a minimum and still ensure the necessary cryogenic resistance and sufficient vacuum tightness, however, high-performance plastics such as PTFE (polytetrafluoroethylene) and especially GRP (glass fiber composites) are preferred.
The high-temperature superconductor bulk ( 1 ) is magnetized. The magnetization can be done by the known methods. Field cooling (FC), pulsed-field magnetization (PFM) and zero field cooling (ZFC) take place. The highest magnetic fields can be achieved with the field cooling (FC) method.
Liquid gases are to be used as the coolant, depending on the critical temperature T _{c of} the high-temperature superconductor material used.
Table 1 shows an overview of usable high temperature superconductors and cooling liquids with the specific properties at 101 325 Pa (≈ 1 bar)
The transition temperature T _C , the boiling temperature T _S , the specific enthalpy of vaporization ΔH _V and the molar mass M. High temperature superconductor material Coolant Surname Tc [K] Surname Ts [K] ΔHv [kJ / kg] M [g / mol] Bi ₂ Sr ₂ Ca ₂ Cu ₃ 0 ₁₀ 110 Ar 87 161 39.95 YBa ₂ Cu ₃ 0 _7-x (YBCO) 93 LN ₂ 77 199 28.02 (N ₂ ) NdFeAsO _0.82 F _0.18 51 No 27 85.9 20.18 MgB ₂ 39 LHe 5 21.1 4.003

Das erforderliche Volumen des Kühlmittelbehälters (18) wird von der notwendigen Sprungtemperatur T_C des verwendeten Hochtemperatursupraleitermaterials, welche die maximale Betriebstemperatur der erfindungsgemäßen Vorrichtung darstellt, und von der spezifischen Verdampfungsenthalpie ΔH_v der damit einsetzbaren Kühlflüssigkeit, deren Siedetemperatur T_S < T_c sein muss, bestimmt. Je höher die Sprungtemperatur T_c des Hochtemperatursupraleitermaterials ist, je größer ist die Verdampfungsenthalpie ΔH_v der einsetzbaren Flüssiggase (vgl. Tabelle 1). Für die keramischen Hochtemperatursupraleiter auf Basis von SE-Barium-Cupraten ist vorzugsweise LN₂ (Flüssigstickstoff) einzusetzen.
Der aktuelle werkstoffliche und anwendungstechnische Entwicklungsstand von Hochtemperatursupraleitermaterialien ist in Werfel, F.N. et al., Superconductor bearings, flywheels and transportation. Supercond. Sci. Technol. 25, 014007 (16pp), 2012 beschrieben. Diese Materialien sind verfügbar. Auch der metallische Supraleiterwerkstoff Magnesiumdiborid (MgB₂) ist als massive Magnetfeldquelle in der erfindungsgemäßen Vorrichtung nutzbar und kommerziell verfügbar.The required volume of the coolant tank ( 18th ) is determined by the necessary transition temperature T _{C of} the high-temperature superconductor material used, which represents the maximum operating temperature of the device according to the invention, and by the specific enthalpy of vaporization ΔH _{v of} the cooling liquid that can be used with it, the boiling temperature of which must be T _S <T _c . The higher the transition temperature T _{c of} the high-temperature superconductor material, the greater the enthalpy of vaporization ΔH _{v of} the liquid gases that can be used (see Table 1). For ceramic high-temperature superconductors based on rare earth barium cuprates, LN ₂ (liquid nitrogen) should preferably be used.
The current material and application-related development status of high-temperature superconductor materials is in Werfel, FN et al., Superconductor bearings, flywheels and transportation. Supercond. Sci. Technol. 25, 014007 (16pp), 2012. These materials are available. The metallic superconductor material magnesium diboride (MgB ₂ ) can also be used as a massive magnetic field source in the device according to the invention and is commercially available.

In 2 ist die von einem Hochtemperatursupraleiter-Bulk typische, kegelförmige Magnetfeldverteilung B(x,z) (engl.: trapped magnet field) dargestellt. Der Bulk-Durchmesser beträgt 30,8 mm und seine Dicke 11,4 mm. Die dargestellte Feldverteilung wurde nach dem Einfrieren des Magnetfeldes mit der Field cooling Methode bei T=77 K in einem externen Magnetfeld der Flussdichte B_ex=1,5 T an der Oberfläche im Abstand von 1 mm mit einer Magnetoscan-Vorrichtung gemessen. Die maximale Flussdichte des im Bulk eingefrorenen Magnetfeldes beträgt hier B₀ = 0,6 T.
Höhere Peakwerte B₀ erhält man, wenn die Hochtemperatursupraleiter-Bulks beim Magnetisieren mit höheren externen Feldern B_ex bei geringeren Temperaturen T < T_c behandelt werden. LN₂ lässt durch Abpumpen bis zu 63 K zu. Tiefere Temperaturen sind mit anderen Kühlflüssigkeiten erreichbar (vgl. u.a. Tabelle 1). Auch der Einsatz von Kryokühlern ist möglich.
Die von Hochtemperatursupraleiter-Bulks erzeugten Magnetfelder eignen sich besonders für die lokale Inspektion von sich bewegenden elektrisch leitfähigen Stoffen hinsichtlich der Bestimmung von tiefliegenden kleineren Defekten. Dafür sind die Bulks < 30 mm, vorzugweise 10 mm zu wählen. Für die Messung der Strömungsgeschwindigkeit ist die erfindungsgemäße Vorrichtung mit einem magnetisierten Hochtemperatursupraleiter-Bulk vorteilhaft für solche Anwendungsfällen einsetzbar, bei denen die mittlere Geschwindigkeit von laminar strömenden Stoffen in Kanälen für die Prozesssteuerung und Prozesskontrolle zu bestimmen ist, denn in Kanalmitte, wo die Strömungsgeschwindigkeit maximal ist, wird ein kleines Messvolumen V mit einer großen Magnetflussdichte durchdrungen und am Kanalrand, wo die Geschwindigkeiten kleiner werden, durchdringen kleinere Flussdichten ein deutlich größeres Messvolumen V. Sind die zu ermittelnden Geschwindigkeiten klein (bis 1 mm/s) und / oder die zu ermittelnden elektrischen Leitfähigkeiten gering (bis zu 1 mS/m) und / oder die Defektgröße ist < 1 mm, so können mehrere starr verbundene, magnetisierte Bauelemente aus Hochtemperatursupraleitermaterialien verwendet werden - vorzugweise über Schmelztexturierung hergestellte, mehrfach bekeimte YBCO-Bulks.In 2 the typical, conical magnetic field distribution B (x, z) (trapped magnet field) of a high-temperature superconductor bulk is shown. The bulk diameter is 30.8 mm and its thickness is 11.4 mm. The field distribution shown was measured after freezing the magnetic field using the field cooling method at T = 77 K in an external magnetic field with a flux density B _ex = 1.5 T on the surface at a distance of 1 mm using a magnetoscan device. The maximum flux density of the magnetic field frozen in the bulk is here B ₀ = 0.6 T.
Higher peak values B ₀ are obtained if the high-temperature superconductor bulks are treated during magnetization with higher external fields B _ex at lower temperatures T <T _c . LN ₂ allows up to 63 K by pumping. Lower temperatures can be achieved with other coolants (see Table 1). The use of cryocoolers is also possible.
The magnetic fields generated by high-temperature superconductor bulks are particularly suitable for the local inspection of moving electrically conductive materials with regard to the determination of deep-lying, smaller defects. Bulks <30 mm, preferably 10 mm, should be selected for this. For measuring the flow velocity, the device according to the invention with a magnetized high-temperature superconductor bulk can advantageously be used for those applications in which the average velocity of laminar flowing substances in ducts is to be determined for process control and process control, because in the middle of the duct, where the flow velocity is maximum , a small measurement volume V is penetrated with a large magnetic flux density and at the edge of the channel, where the velocities are lower, smaller flux densities penetrate a significantly larger measurement volume V. Are the velocities to be determined small (up to 1 mm / s) and / or the electrical ones to be determined Conductivities are low (up to 1 mS / m) and / or the defect size is <1 mm, so several rigidly connected, magnetized components made of high-temperature superconductor materials can be used - preferably multi-seeded YBCO bulks produced by melt texturing.

In 3 ist der detaillierte Aufbau des in 1 verwendeten radförmigen Torsionselements (5) gezeigt.
Die Lorentzkraft wirkt auf die supraleitende Magnetfeldquelle (1), die über die Halterung (2) und das Verbindungselement (4a) starr mit dem Torsionselement (5) verbunden ist, und lenkt das radförmige Torsionselements (5) aus. Die Auslenkung und seine Richtung werden von den Positionssensoren (8a, 8b) erfasst.
Der Positionssensor (8a) kann durch einen Autokollimator ersetzt werden. In diesem Fall wird der Drehwinkel unmittelbar gemessen.
Das Kreuzfedergelenk (6), dargestellt in 1 und 5, ist entsprechend den Messbedingungen hinsichtlich Steifigkeit und Belastbarkeit auszuwählen. Damit sind unterschiedliche Messauflösungen und Messbereiche zu erreichen.
Zwei identische Positionssensoren (8a, 8b), wie in 3 und 5 dargestellt, können verwendet werden, um auch die Bewegungsrichtung des Torsionselements (5) zu bestimmen (z.B. Rotation um z oder parallele Bewegung entlang y). Bei Benutzung fotoelektrischer Positionssensoren wird das System kompakter.In 3 is the detailed structure of the in 1 used wheel-shaped torsion element ( 5 ) shown.
The Lorentz force acts on the superconducting magnetic field source ( 1 ) via the bracket ( 2 ) and the connecting element ( 4a ) rigid with the torsion element ( 5 ) and steers the wheel-shaped torsion element ( 5 ) out. The deflection and its direction are determined by the position sensors ( 8a , 8b ) detected.
The position sensor ( 8a) can be replaced by an autocollimator. In this case, the angle of rotation is measured immediately.
The universal spring joint ( 6th ), shown in 1 and 5 , is to be selected according to the measurement conditions with regard to rigidity and load capacity. This means that different measurement resolutions and ranges can be achieved.
Two identical position sensors ( 8a , 8b ), as in 3 and 5 can be used to determine the direction of movement of the torsion element ( 5 ) (e.g. rotation around z or parallel movement along y). Using photoelectric position sensors makes the system more compact.

In 4 ist die erfindungsgemäße Vorrichtung mit einem Positionssensor (8) dargestellt, die aber um 90° um die y-Achse gedreht ist, um eine vertikale Kraft zu messen. Das ist für die Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit, der elektrischen Leitfähigkeit und von Defekten in bewegten elektrisch leitfähigen Stoffen von senkrechten Kanälen in der Chemie- und Lebensmittelindustrie oder von Festkörpern, wie z.B. Seilen in Fahrstühlen, Bergwerkaufzügen, u.ä.m. notwendig. Ebenfalls ist diese Anordnung bei waagerechten Kanälen oder Festkörpern mit großen Querschnitten zur Inspektion der zur Hauptrichtung senkrechten Ausdehnung erforderlich.In 4th is the inventive device with a position sensor ( 8th ), which is rotated by 90 ° around the y-axis in order to measure a vertical force. This is for the determination of the flow velocity, the electrical conductivity and defects in moving electrically conductive materials of vertical channels in the chemical and food industry or of solids, such as ropes in elevators, mine elevators, etc. necessary. This arrangement is also necessary in the case of horizontal ducts or solid bodies with large cross-sections to inspect the extent that is perpendicular to the main direction.

5 zeigt eine Draufansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung, welche mit einem länglichen Torsionselement (5) beliebiger Querschnittsform, vorzugsweise rund, ausgerüstet ist. Dadurch ist der Kryostat (11) als Zylinder ausführbar. Dieses Design führt zu kleinen, portablen kryogenen Kraftmesssystemen für die Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit, der elektrischen Leitfähigkeit und von Defekten in elektrisch leitfähigen Substanzen. 5 shows a top view of the device according to the invention, which is equipped with an elongated torsion element ( 5 ) any cross-sectional shape, preferably round, is equipped. This makes the cryostat ( 11 ) can be implemented as a cylinder. This design leads to small, portable cryogenic force measurement systems for the determination of flow velocity, electrical conductivity and defects in electrically conductive substances.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11

Magnetisiertes Bauelement (supraleitende Magnetfeldquelle)Magnetized component (superconducting magnetic field source)

22

Halterung für supraleitende Magnetfeldquelle (1)Bracket for superconducting magnetic field source ( 1 )

33

SchraubkappeScrew cap

44th

VerbindungselementeFasteners

55

TorsionselementTorsion element

66th

KreuzfedergelenkCross spring joint

77th

zusätzliche Verbindungselementeadditional fasteners

88th

PositionssensorenPosition sensors

99

GrundplatteBase plate

1010

Nichtmagnetisierbares Bauelement (Dummy)Non-magnetizable component (dummy)

1111

Gehäuse (Kryostat)Housing (cryostat)

1212

Abstandshalter des Kühlmittelbehälters (18)Spacer of the coolant tank ( 18th )

1313

Anschluss zum Einfüllen des KühlmittelsConnection for filling the coolant

1414th

Anschluss zum Evakuieren der Vakuumkammer (17)Connection for evacuating the vacuum chamber ( 17th )

1515th

Durchführung für MessleitungenFeedthrough for measuring lines

1616

DucksicherheitsventilPressure safety valve

1717th

VakuumkammerVacuum chamber

1818th

Kühlmittelbehälter mit StrahlungsschirmCoolant tank with radiation shield

1919th

Kanal mit einer strömenden elektrisch leitfähigen Substanz oder bewegte elektrisch leitfähige feste SubstanzChannel with a flowing electrically conductive substance or moving electrically conductive solid substance

2020th

Magnetfeldlinie Magnetic field line

Vektor der magnetischen Flussdichte des Magnetfeldes in der strömenden bzw. sich bewegenden, elektrisch leitfähigen SubstanzVector of the magnetic flux density of the magnetic field in the flowing or moving, electrically conductive substance

Vektor der LorentzkraftVector of the Lorentz force

F_L,u F _{L, u}

Betrag der Lorentzkraft in Richtung der Strömungsgeschwindigkeit uAmount of the Lorentz force in the direction of the flow velocity u

Vektor der Wirbelstromdichte in der strömenden, elektrisch leitfähigen SubstanzVector of the eddy current density in the flowing, electrically conductive substance

MM.

Molmassemolar mass

m₁ m ₁

Masse der supraleitenden Magnetfeldquelle (1) mit Halterung (2) und Schraubkappe (3)Mass of the superconducting magnetic field source ( 1 ) with bracket ( 2 ) and screw cap ( 3 )

m₂ m ₂

Masse des Dummys (10)Mass of the dummy ( 10 )

r₁ r ₁

Hebel der Masse m₁ Lever of mass m ₁

r₂ r ₂

Hebel der Masse m₂ Lever of mass m ₂

TT

Betriebstemperatur des Kryostaten (11)Operating temperature of the cryostat ( 11 )

T_c T _c

Sprungtemperatur des HochtemperatursupraleitermaterialsCritical temperature of the high-temperature superconductor material

T_S T _S

Siedetemperatur des KühlmittelsBoiling temperature of the coolant

uu

Betrag der Strömungs- bzw. Bewegungsgeschwindigkeit der elektrisch leitfähigen SubstanzAmount of the flow or movement speed of the electrically conductive substance

VV

MessvolumenMeasurement volume

σσ

elektrische Leitfähigkeit der strömenden bzw. sich bewegenden elektrisch leitfähigen Substanzelectrical conductivity of the flowing or moving electrically conductive substance

Claims (11)

Vorrichtung zur Ermittlung von Parametern einer elektrisch leitfähigen Substanz bestehend aus • einem magnetisierten Bauelement (1), welches über ein erstes Verbindungselement (4a) an einem Torsionselement (5) fixiert ist, • einem nichtmagnetisierbaren Bauelement (10), welches über ein zweites Verbindungselement (4b) an dem Torsionselement (5) spiegelsymmetrisch zum ersten Verbindungselement (4a) fixiert ist und • einem ersten Positionssensor (8a), dadurch gekennzeichnet, dass • das Torsionselement (5) auf einem Kreuzfedergelenk (6) gelagert ist und mit Hilfe des ersten und zweiten Verbindungselements (4a, 4b) und den magnetisierten und nichtmagnetisierbaren Bauelementen (1, 10) ausbalanciert ist und • das magnetisierte Bauelement (1) aus einem hochtemperatursupraleitenden Material ist und die Vorrichtung in einem mit einer Vakuumkammer (17) umhausten Kühlmittelbehälter (18) angeordnet ist, wobei in Abhängigkeit von der Sprungtemperatur T_C des verwendeten hochtemperatursupraleitenden Materials als Kühlmittel Flüssiggase eingesetzt werden, deren Siedetemperatur T_S kleiner als die Sprungtemperatur T_C ist.Device for determining parameters of an electrically conductive substance consisting of • a magnetized component (1) which is fixed to a torsion element (5) via a first connecting element (4a), • a non-magnetizable component (10) which is connected via a second connecting element ( 4b) is fixed on the torsion element (5) mirror-symmetrically to the first connecting element (4a) and • a first position sensor (8a), characterized in that • the torsion element (5) is mounted on a universal spring joint (6) and with the help of the first and second connecting element (4a, 4b) and the magnetized and non-magnetizable components (1, 10) is balanced and • the magnetized component (1) is made of a high-temperature superconducting material and the device is arranged in a coolant container (18) enclosed with a vacuum chamber (17) is, depending on the critical temperature T _{C of} the high-temperature superconducting used Material used as a coolant liquid gases whose boiling temperature T _{S is} lower than the transition temperature T _C. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das magnetisierte Bauelement (1) mehrere starr miteinander verbundene magnetisierte Teilelemente umfasst.Device according to Claim 1 , wherein the magnetized component (1) comprises several magnetized sub-elements rigidly connected to one another. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das magnetisierte Bauelement (1) scheiben- oder quaderförmig ausgebildet ist und aus einem Seltenerde-Barium-Cuprat (SEBa₂Cu₃O_7-x) mit einem Seltenerdemetall (SE), vorzugsweise aus Ytterbium (Yb), Yttrium (Y), Gadolinium (Gd) oder Samarium (Sm), oder einem Magnesiumdiborid (MgB₂) oder einem eisenbasierten hochtemperatursupraleitendem Material besteht.Device according to Claim 1 or 2 , wherein the magnetized component (1) is disk-shaped or cuboid and made of a rare earth barium cuprate (SEBa ₂ Cu ₃ O _7- x) with a rare earth metal (SE), preferably made of ytterbium (Yb), yttrium (Y) , Gadolinium (Gd) or samarium (Sm), or a magnesium diboride (MgB ₂ ) or an iron-based high-temperature superconducting material. Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei das magnetisierte Bauelement (1) ein mehrfach bekeimtes, über Schmelztexturierung hergestelltes Seltenerde-Barium-Cuprate SEBa₂Cu₃O_7-x mit einem Seltenerdemetall (SE), vorzugsweise aus Ytterbium (Yb), Yttrium (Y), Gadolinium (Gd) oder Samarium (Sm), ist.Device according to Claim 3 , wherein the magnetized component (1) is a multi-nucleated rare earth barium cuprate SEBa ₂ Cu ₃ O _7- x with a rare earth metal (SE), preferably made of ytterbium (Yb), yttrium (Y), gadolinium (Gd ) or samarium (Sm). Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Kreuzfedergelenk (6) über zusätzliche Verbindungselemente (7) und eine Grundplatte (9) an einer Innenwand des Kühlmittelbehälters (18) befestigt ist.Device according to one of the Claims 1 to 4th , wherein the universal spring joint (6) is attached to an inner wall of the coolant container (18) via additional connecting elements (7) and a base plate (9). Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Torsionselement (5) radförmig ausgebildet ist.Device according to one of the preceding claims, wherein the torsion element (5) is designed in the shape of a wheel. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Torsionselement (5) länglich ausgebildet ist und einen runden Querschnitt aufweist.Device according to one of the Claims 1 to 5 , wherein the torsion element (5) is elongated and has a round cross section. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Kühlmittelbehälter (18) über Abstandshalter (12) von der Vakuumkammer (17) umhaust ist und Öffnungen (13, 15) für die Zufuhr von Kühlmittel und für die Durchführung von Messleitungen aufweist und die Abstandshalter (12) dafür ausgebildet sind, Kräfte aufzunehmen, die größer als die beim Messen generierte Lorenzkraft sind.Device according to one of the preceding claims, wherein the coolant container (18) is enclosed by the vacuum chamber (17) via spacers (12) and has openings (13, 15) for the supply of coolant and for the passage of measuring lines and the spacers (12 ) are designed to absorb forces that are greater than the Lorenz force generated during measurement. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung einen zweiten Positionssensor (8b) aufweist.Device according to one of the preceding claims, wherein the device has a second position sensor (8b). Verfahren zur Ermittlung von Parametern einer elektrisch leitfähigen Substanz, die eine zu einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 relative Bewegungsgeschwindigkeit ungleich Null aufweist, wobei die von der Lorentzkraft hervorgerufene Positionsänderung des magnetisierten Bauelements (1) mit Hilfe des ersten Positionssensors (8a) erfasst wird und mit Hilfe einer Auswerte- und Recheneinheit die Strömungsgeschwindigkeit und / oder die elektrische Leitfähigkeit und / oder das Vorhandensein von Defekten ermittelt wird.Method for determining parameters of an electrically conductive substance, which is a device according to one of the Claims 1 to 8th has a relative movement speed not equal to zero, the change in position of the magnetized component (1) caused by the Lorentz force being detected with the aid of the first position sensor (8a) and the flow rate and / or the electrical conductivity and / or its presence with the aid of an evaluation and computing unit of defects is determined. Verfahren zur Ermittlung von Parametern einer elektrisch leitfähigen Substanz, die eine zu einer Vorrichtung nach Anspruch 9 relative Bewegungsgeschwindigkeit ungleich Null aufweist, wobei mit dem zweiten Positionssensor (8b) die Bewegungsrichtung des Torsionselements (5) erfasst wird und mit Hilfe einer Auswerte- und Recheneinheit die Richtung der relativen Bewegungsgeschwindigkeit zwischen der Vorrichtung und der elektrisch leitfähigen Substanz ermittelt wird.Method for determining parameters of an electrically conductive substance, which is a device according to Claim 9 has relative movement speed not equal to zero, the direction of movement of the torsion element (5) being detected with the second position sensor (8b) and the direction of the relative movement speed between the device and the electrically conductive substance being determined with the aid of an evaluation and computing unit.

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