O+P Fluidtechnik 9/2024

FORSCHUNG UND

FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG NICHT-INVASIVE MESSUNG DURCHFLUSSMESSTECHNIK MIT QUANTENMAGNETOMETERN FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG Durchfluss ist ein entscheidender Parameter in industriellen Umgebungen – von der Automatisierung bis zur Fluidtechnik. Das Fraunhofer IPM hat ein einzigartiges Verfahren auf Basis neuartiger Quantensensoren entwickelt, das in der Lage ist, Durchflussraten sehr präzise zu messen. Das Verfahren ist nichtinvasiv, kalibrierungsfrei und auch für die Durchflussmessung in industrieüblichen Stahlrohren einsetzbar. Unter Ausnutzung der magnetischen Eigenschaften des zu untersuchenden Fluids strebt das Institut eine Mehrphasen-Detektion mit räumlicher Codierung an. Die Durchflussmessung liefert wichtige Daten für die Produktqualität und Einhaltung von Vorschriften. Genaue Durchflussdaten sind für die Steuerung und Optimierung von Prozessen, die Reduzierung von Abfall und die Verbesserung der Effizienz unerlässlich. Zur Messung des Durchflusses nutzt das neuartige, von Fraunhofer IPM entwickelte quantenbasierte Verfahren die magnetischen Eigenschaften der Flüssigkeit, die mit optisch gepumpten Magnetometern (OPM) ermittelt werden. OPM sind Quantensensoren mit einer unübertroffenen magnetischen Empfindlichkeit. OPTISCH GEPUMPTE MAGNETOMETER Das magnetische Durchflussmessverfahren nutzt die magnetischen Eigenschaften von Wasserstoffatomen. Wasserstoff ist ein Paramagnet, der für ein paar Sekunden magnetisiert werden kann. In magnetisiertem Zustand können Informationen wie die Fließgeschwindigkeit des Mediums aus dem Inneren des Rohrs entnommen werden. Um eine Durchflussmessung durchzuführen, wird das zu analysierende Medium mit einem starken Dauermagneten magnetisch polarisiert. In einem zweiten Schritt wird die Hintergrundmagnetisierung durch Radiofrequenzimpulse gedreht, wodurch ein lokaler magnetischer Zeitstempel 34 O+P Fluidtechnik 2024/09 www.oup-fluidtechnik.de

Leonhard Schmieder ist Physiker und Wissenschaftler am Fraunhofer IPM Magnetometrisches Durchflussmessverfahren: Unmagnetisiertes Wasser wird durch einen starken Magneten geleitet, um es zu magnetisieren – die Magnetisierung wird mit einem Radiofrequenzimpuls markiert und von einem optisch gepumpten Magnetometer (OPM) ausgelesen entsteht. Dieser Zeitstempel wird von stromabwärts gelegenen OPM erfasst und zur Messung der Fließgeschwindigkeit auf der Grundlage der Laufzeit verwendet. Moderne OPM sind nur so groß wie ein Zuckerwürfel und gleichzeitig hochempfindlich. Strömungsgeschwindigkeiten im Bereich von 0,1 m/s bis 3,1 m/s oder höher können mit dieser Methode erfasst werden. Der neuartige Ansatz bietet mehrere Vorteile. Als flugzeitbasierte Messung ist das Verfahren kalibrierungsfrei. Die verwendeten hochempfindlichen Quantensensoren ermöglichen eine nicht-invasive Messung der Strömungsgeschwindigkeit. Dank der niedrigen Anregungsfrequenzen ist das Verfahren auf austenitische Edelstahlrohre anwendbar, die typischerweise in der ZIEL IST EIN CLAMP-ON-DETECTOR, DER DIE NICHT-INVASIVE MESSFÄHIGKEIT NUTZT Prozessindustrie verwendet werden. Die Methode eignet sich für wasserstoffhaltige Medien, worunter natürlich auch Öle und Kraftstoffe zählen. UNSERE VISION: MESSGERÄT ZUM ANKLEMMEN Bei der Entwicklung des magnetischen Durchflussmessers will das Fraunhofer IPM sich die einzigartigen Stärken der oben beschriebenen Methode zunutze machen. Es plant, einen Clamp-on-Detektor zu entwickeln, der die nicht-invasive Natur der Technologie ausnutzt. Dieser Ansatz ermöglicht geringere Kosten für die Systemintegration und den potenziellen Einsatz des magnetischen Durchflussmessers als Werkzeug für die Rohrdiagnose, zusammen mit einem OPM oder anderen Magnetometern. Darüber hinaus ermöglicht die Aufbereitung des Mediums mit Hochfrequenzimpulsen die Integration weiterer kernmagnetischer Resonanzmethoden (NMR). Zu diesen NMR-Methoden gehört die räumliche Kodierung, die es ermöglicht, den Medienstrom in Rohren räumlich aufzulösen und Mehrphasenströmungen zu erkennen. Nach Einschätzung von Leonhard Schmieder, Wissenschaftler am Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik IPM und Erstautor der Veröffentlichung, handelt es sich um die erste erfolgreiche Umsetzung eines Mapping-Ansatzes in einem Null-zu-Ultra-Niedrigfeld-Magnetometrie-basierten Experiment mit Kernspinresonanz. „Unsere Methode wird immer dann interessant, wenn eine nicht-invasive, präzise und effiziente Lösung gefragt ist“, so Schmieder. Bilder: Fraunhofer IPM www.ipm.fraunhofer.de POINTIERT NICHT-INVASIV UND KEINE KALIBRIERUNG NÖTIG GEEIGNET FÜR NMR-AKTIVE (WASSERSTOFF- HALTIGE) MEDIEN WIE ÖLE UND KRAFTSTOFFE MESSUNG IM GESCHWINDIGKEITSBEREICH VON 0,1 M/S BIS 3,1 M/S ANWENDBAR FÜR AUSTENITISCHE ROHRE AUS ROSTFREIEM STAHL www.oup-fluidtechnik.de O+P Fluidtechnik 2024/09 35