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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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3
• 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)
4
• 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
6
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
8
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
13
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
19
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
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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
23
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]
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Messaufbau 3
= ??
27
Messaufbau 3
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Messaufbau 3
28a
Messaufbau 3
Messsignale von zwei Hohlglaskugeln
Durchfluss 0,5 ml/h Durchfluss 80 ml/h
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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
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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