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Technische Universität Chemnitz

Institut für Mechanik und Thermodynamik

Professur Strömungsmechanik

Messung kleiner Volumenströme( in Mikroleitungen, ∅hydraulisch 1...1000µm)

D. Petrak

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• Messung kleiner Volumenströme – ein Überblick

• Messung kleiner Volumenströme mittels LWL-Ortsfilter

Inhalt

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• Netzmessung mittels Sonden, LDA, PIV, Ortsfilter

Volumenstrommessung in Leitungen

• Integrierende Messverfahren

mittels Wirkdruck, Wirbelerzeuger, Ultraschall, Corioliskraft(qm), magnetische Induktion, Verdrängung, Turbine, Schwebekörper, Laufzeit,Gravimetrie, thermische Verfahren(qm)

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• Netzmessung mittels Sonden, LDA, PIV, Ortsfilter, …

Volumenstrommessung in Mikroleitungen

• Integrierende Messverfahren

mittels Wirkdruck, Wirbelerzeuger, Ultraschall, Corioliskraft(qm), magnetische Induktion, Verdrängung, Turbine, Schwebekörper, Laufzeit, Gravimetrie, thermische Verfahren(qm)

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Gravimetrische Methode: qV für Flüssigkeiten

Indirekte Methode:

fl

flV t

mq

ρ⋅∆

∆=

Präzisionswaage, z.B.: E = 0,1 mg

G = 0,03 %

Reduzierung der Verdampfung

berührungsfreie Zuführung

gute Entlüftung

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Druckabfall in Kapillaren: qV

Laminare Rohrströmung Newtonscher Flüssigkeiten:

40

20

8

8

rl

pq

rl

pv

V

mean

ηπ

η∆

=

∆=

Präzisionskapillaren, Kalibrierung

Präzisionsdruckgeber

Druckverluste im Ein- und Auslauf

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Mikrodüsen, Mikroblenden, Venturirohre: qV

Mikrodüsen: qV,gas = 0,2...200 l/h

U = 0,3 %

Kalibriermessplatz der PTB:

Präzisionsglaszylinder mit quecksil-gedichteten Kolben, interferometri-sche Messung des Kolbenweges

Mikroblenden: minimaler Blendendurchmesser 0,1 mm, 1 l/h Gas

Venturirohr: klassisch, min. Durchmesser 0,5 mm

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Thermische Sensoren: qV

Messbereich:

Wasser: 0,002 ml/h – 120 ml/h

CP: qV < 6 ml/h CT: qV > 6 ml/h

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Laser-Doppler-Anemometrie: vlokal, (qV)

Dd

fl

πλ28

=

A.K.Tieu et al., 1995175 µm Glaskanal

fs = 12 mm

λ = 685 nm

9b

Laser-Doppler-Feldsensor: v1D, 2D, (qV)

APPLICATION OF LASER-DOPPLER VELOCITY-FIELD AND VELOCITY-PROFILE SENSORS TO HIGHLY RESOLVED SHEAR FLOW MEASUREMENTS

K. Shirai, C. Bayer, A. Voigt, T. Pfister, L. Büttner, J. Czarske (TU Dresden)1, H. Müller (PTB)2, D. Petrak (TU Chemnitz)3

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Ortsfiltertechnik: vlokal, (qV)

Prinzip: Abbildung des Objektes auf Ortsfilter (Spaltgitter) vor dem Photoempfänger

Y. Aizu et al., 1985

Spaltgitter

v = fsignal⋅g

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Ortsfiltertechnik: vlokal, (qV)

Y. Aizu et al., 1985700-µm Glasrohr

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Ortsfiltertechnik: vlokal, (qV)

280 µm-Glaskapillare, Silikatpartikel 5 µm

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

0 40 80 120 160 200 240 280

measuring place inside of the capillary

velo

city

µm

mm/s

CCD-Zeile mit Schieberegister als Ortsfilter mit virtueller Gitterbewegung

K. Michel, Diss. Uni. Rostock, 2000

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PIV-Verfahren (particle image velocimetry) : vlokal, (qV)

δt = 5 ns, ∆t = 500 ns, -15°C

30 µm x 300 µm Glaskanal, x = 200 nm

C. D. Meinhardt et al., 1999

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Stereo µPIV-System : v3D, (qV)

Minimales v-Feld: 400 µm x 500 µm, Abtastfleck: 12 µm x 12 µm

M. Brede et al., GALA 2007

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MTV-Verfahren (molecular tagging velocimetry): vlokal

Statt Tracerpartikel Nutzung eines wasserlöslichen phosphorizieren-den Farbstoffs

Anregung mittels UV-Laserstrahl

Angeregte Farbstoffmoleküle sen-den unmittelbar grünes Licht aus (höhere Geschwindigkeiten)

Zusätzliche Temperaturempfind-lichkeit

Optischer Zugang von zwei Seiten notwendig

Erfassung einer v-Komponente

D. Maynes and A.R. Webb, 2002

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MTV-Verfahren (molecular tagging velocimetry): vlokal

Gaussscher UV-Strahl, fokussiert auf 20 µm auf 3,9 mm, 5 µm möglich für 20 µm Kapillare

λ = 308 nm, 9 ns

11 µs CCD-Kamera-Aufnahme

20...250 µs Zeitverschiebung

Quarzglaskapillare 705 µm

Brechzahlkorrektur

1 µs zwischen Puls und 1. Bild

nach 200 µs 2. Bild

v ≤ 3 m/s, ± 2,5 %

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Verpackte Farbstoffe: vlokal

Prinzip: Es werden „verpackte“ gelöste Fluoreszenzfarbstoffe eingesetzt, die durch einen UV-Laserstrahl entpackt werden und anschließend von einem CW-Laser angeregt werden.

Zu zwei verschiedenen Zeiten wird dann die Bewegung der entpackten Region bildlich festgehalten.

Anwendung: 75 µm Kapillare mit druck- bzw. elektrokinetischem Antrieb,

355 nm, 5 ns, 3x Nd:YAG-Laser; 488 nm, Argon-Ionen-Laser;

Strömungsprofile

P.H. Paul et al., 1998

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Prinzip LWL-Ortsfilter

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0 100 200 300 4000,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

[m/s]

[s]

v

measuring time t

5000 velocity values, dcap = 0.15 mm, qV = 5 ml/h, water with microspheres ∅ 4 µm, Re = 11.79

Messbeispiel

hmlq

smU

Udq

Uu

ud

q

V

V

m

mV

/065.5

/159.0

24

2/4

2

2

==

⋅=

=

⋅=

π

π

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Messaufbau 1

Wasserbehälter Signalanalyse

LWL-Sensor

Glasplatten oder Glaskapillare

Analysenwaage

Mikroströmungh

Laser-Dioden-System

Perfusor

21

Messaufbau 1

Meßsonde

Justierung

Laserdiode

Justierung

Kapillare

Grundplatte

B

A

22

Messaufbau 1

0 20 40 60 80 100 120 140 1600

20

40

60

80

100

120

140

160

qV

, Sen

sor

[mL

/h]

qV, Perfusor

[mL/h]

d = 0,5 mm, Polymer Microspheres: 4 µm, 1050 kg/m3, dest. Wasser, 1,5 %

Re = 3…106, qV,max = 3250 mL/h

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Messaufbau 1

d = 0,15 mm, Re = 0,2…24, d = 0,05 mm, Re = 0,14...1,4

qV,max = 960 mL/h qV,max = 328 mL/h

Polymer Microspheres: 2 µm, 1050 kg/m3, dest. Wasser

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 100

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

qV

, Sen

sor

[mL

/h]

qV, Perfusor

[mL/h]

0,00 0,04 0,08 0,12 0,16 0,200,00

0,04

0,08

0,12

0,16

0,20

qV

, Sen

sor

[mL

/h]

qV, Perfusor

[mL/h]

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Messaufbau 2

L

Liquid Inflow Liquid Outflow

Channel Flow B

Foil(a)

(b)

Metallfolie:

Dicke: 0,1 mm

Breite B = 2 mm

Länge L = 60 mm

UAq KanalV 3

2=

25

Messaufbau 2

0 25 50 75 100 125 150 175 2000

25

50

75

100

125

150

175

200

q V,S

enso

r [m

l/h]

qV, Perfusor

[ml/h]

26

Messaufbau 3

= ??

27

Messaufbau 3

28

Messaufbau 3

28a

Messaufbau 3

Messsignale von zwei Hohlglaskugeln

Durchfluss 0,5 ml/h Durchfluss 80 ml/h

29

Messaufbau 3

0 50 100 150 200 250 300 3500

100

200

300

400

500

600

700

Messwerte Polynom 2. Ordnung l

e gegeben

qV

,Per

fuso

r / m

lh-1

qV,Sensor

/ mlh-1

30

Messaufbau 3

100

260

Sensor

Düse

5 mmVerschiebung

Exzenterschneckenpumpe

100 tief

31

Messaufbau 3

1 2 3 4 5 6 7 8 9 100

50

100

150

200

250

0° 10° 20° 30° 40° 50° 60°

αq V

/ m

lh-1

u0 / ms

-1

L = 20 mm, D0 = 1,49 mm

32

Messaufbau 3

L = 20 mm, D0 = 1,49 mm, α = 0° L = 20 mm, D0 = 1,49 mm, α = 50°

0 2 4 6 8 100

50

100

150

200

250

0,5ρu0u

0

p1

Messung, L = 20 mm

q V /

mlh

-1

u0 / ms-1

0 2 4 6 8 100

50

100

150

0,5ρ(u0cos50°)2

p1

Messung, L = 20 mm

q V /

mlh

-1

u0 / ms

-1

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Zusammenfassung

LWL-Ortsfilter-Sensor ist für die Messung kleiner Volumenströme Newtonscher Flüssigkeiten in Kapillaren und Mikrokanälen geeignet.

Kalibrierfreie Messung

Voraussetzungen: ausgebildete laminare Strömung, Tracerpartikel

Abstimmung der Tracerpartikelgröße (0,8…10 µm) auf den Kapillarinnendurchmesser, Unsicherheit von qV: minimal 1%

Erreichter Minimalvolumenstrom: qV = 0,02 ml/h, noch verwendbarer Kapillarinnendurchmesser: 50 µm

Miniaturisierung gegeben