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(Ultraschall-)Flussmessung für das
Kühlsystem des Panda-Kalorimeters
VORTRAG 28.07.2017
FAKULTÄT FÜR PHYSIK UND ASTRONOMIE
Institut für Experimentalphysik I
Patrick Ahle
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Inhalt
▪ Einleitung
• Physikalische Grundlagen
• Schallgeschwindigkeiten
▪ Verschiedene Methoden der Flussmessung
• Varianten der Flussmessung mit Vor und Nachteilen
• Varianten der Ultraschallflussmessung
▪ Physikalische und geometrische Probleme
• Transducer-Abstand variabel oder fest?
• Snellius + verschiedene Signalwege
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Inhalt
▪ Testaufbau
• Fotos vom Aufbau, aufgenommene Daten/Kurven
▪ Geplanter finaler Aufbau
• Ansteuerung und Messaufbau
• Verbesserungen
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EinleitungThema:
Flussmessung am Kühlsystem für
das elektromagnetische Kalorimeter
des Panda Experiments
Bisheriger Versuchsaufbau und Endkappe
• Ziel: Aufbau eines
Ultraschallflussmessgerätes
• Grund:
Fließgeschwindigkeit/Kühlung soll
räumlich konstant sein
• Grund für Ultraschall: kein direkter
Eingriff in das Kühlsystem
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Einleitung
Schallgeschwindigkeiten in Flüssigkeiten und Festkörpern und Gasen
• Kühlmittel: Wassermethanolgemisch
• Schallgeschwindigkeit in Methanol:
1123 m/s
• Schallgeschwindigkeit in Aluminium
ist 4-6 mal so groß wie die in
Wasser/Methanol
• Zum Vergleich: Im Betrieb fließt das
Kühlmittel mit etwa 1 m/s
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Verschiedene Möglichkeiten
der Flussmessung:
▪ Differenzdruckverfahren
• In dem zu vermessenden Rohr wird
z.B. eine (verstellbare) Verengung
angebracht.
• Vor dieser herrscht ein höherer
Druck als unmittelbar nach dieser.
-> Fließgeschwindigkeit berechnet sich
aus Druckunterschied
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𝒑𝟏
𝒑𝟐
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https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=23050396
▪ Magnetisch-induktive-
Durchflussmessung
• In der Flüssigkeit sollten genug
Ladungsträger gleichmäßig verteilt
sein
• Vergleichbar mit einer Hall-Sonden-
Messung
• Magnetfeld in der Flüssigkeit wird
durch Spule erzeugt
-> Fließgeschwindigkeit berechnet sich
aus der gemessenen Spannung
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Verschiedene Möglichkeiten
der Flussmessung:
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Turbine
▪ „Mechanische“ Durchflussmessung
• Turbine oder ähnliches wird von
dem durchfließenden Medium in
Bewegung versetzt
• Durch einen Generator wird eine
messbare Spannung erzeugt
• Die Turbine treibt eine
„Messscheibe an“
-> Fließgeschwindigkeit berechnet sich
aus der gemessenen Spannung/der
Drehzahl
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Verschiedene Möglichkeiten
der Flussmessung:
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▪ Ultraschalldurchflussmessung
• Ein Ultraschall-Transducer sendet Welle(n) aus
• Die Welle(n) werden von der Flüssigkeit reflektiert und/oder phasenverschoben
(oder leider auch absorbiert)
• Kein Eingriff in das System nötig
• Messung im laufendem Betrieb möglich
• 2 hauptsächlich verwendete Messverfahren
• Doppler- Verfahren
• Laufzeitdifferenzmessung
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Verschiedene Möglichkeiten
der Flussmessung:
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Ultraschall-
FlussmessungDoppler-Verfahren
• Messung mit einem Transducer möglich
• Ausgesendetes Signal wird von einem in der Flüssigkeit befindlichen
Fremdkörper reflektiert.
• Fremdkörper muss eine gewisse Größe haben oder in großer Konzentration
vorliegen
• In einem Kühlsystem wären Fremdkörper nicht förderlich für die Haltbarkeit
und Wartungsarmut
• Reflektiertes Signal hat eine andere Frequenz aufgrund der
Dopplerverschiebung (falls die Flüssigkeit fließt)
->Flussbestimmung durch Frequenzmessung
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Ultraschall-
FlussmessungLaufzeitdifferenzmessung (Dieses Verfahren soll benutzt werden)
• Die Laufzeitdifferenzmessung erfordert mehrere Transducer
• Signale werden mit und gegen den Fluss ausgesendet
• Signale brauchen für den gleichen Weg je nach Richtung
unterschiedliche Zeiten
• Entweder stationär mit Transducern/Reflektoren im Rohr oder mit
Transducern außen am Rohr
->Flussbestimmung durch Zeitmessung
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Laufzeitdifferenzmessung
• Keine intrinsische Montage an der
Endkappe möglich
• Ausgesendetes Signal wird nach n (n
ganzzahlig >- 1) Reflexionen von dem
zweiten Transducer detektiert
• Nach dem Abklingen wird der Signalweg
umgekehrt
Für die Anbringung an der Endkappe ist
eine Montage auf einer Seite die
bevorzugte Möglichkeit!
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Ultraschallgel
Transducer
= Aluminium
= Kühlmittel
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Aufbauskizze
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Snelliussches Brechungsgesetz• Brechung einer Welle beim Übergang in ein anderes Medium
• Bei Annahme einer Einfachreflexion Winkel im Alu zum Lot: 87°
->Winkel im Wasser zum Lot: ca. 14°
• ca. 1 cm Weg im Wasser
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0 25 50 75 100 125 150 175 200
-0,4
-0,2
0,0
0,2
0,4
HF
[V
]
time [µs]
Ruhemessung1
Ruhemessung2
Ruhemessung3• Überlagerung fast
perfekt
• Messaperatur hat
gute Genauigkeit
• Reproduzierbarkeit
Vergleich der Ruhemessungen
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0 25 50 75 100 125 150 175 200
-0,4
-0,2
0,0
0,2
0,4H
F [V
]
time [µs]
HF [V]
HF [V]
HF [V]Mehr Stellen an
welchen sich die
Kurven nicht mehr
überlagern
Vergleich der Messungen mit
Pumpenstufe1 Stufe1nr1
Stufe1nr2
Stufe1nr3
20
Vergleich der Messungen mit
Pumpenstufe2
0 25 50 75 100 125 150 175 200
-0,4
-0,2
0,0
0,2
0,4
HF
[V
]
time [µs]
Stufe2nr1
Stufe2nr2
Stufe2nr3
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Vergleich Ruhe zu Pumpenstufe4
0 25 50 75 100 125 150 175 200
-0,4
-0,2
0,0
0,2
0,4
HF
[V
]
time [µs]
Ruhemessung1
Stufe4nr1• Eindeutig voneinander
zu unterscheiden
• Schwierig eine
Phasenverschiebung
auszumachen
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Geplanter Aufbau
▪ Nur wenige Bauteile benötigt
• Rechenleistung durch ein Notebook
• Signal in Spannung umgeformt durch Arduino
• TTL-Gatter generiert Signal (gepulst)
• MOSFETs boosten auf Betriebsspannung der Transducer
• Signal wird von einem S-ADC erfasst (sowohl das ausgesendete als
auch das empfangene)
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Geplanter Aufbau
▪ Tests und Verbesserungen des Messaufbaus:
• Transducerwahl, Spannungswahl
• Anzahl der Rechteckpulse
• „Abklingzeit“
• Zahl der Mittellungen
• Frequenz der Richtungswechsel
• Anbringung der Transducer
• FFT