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  • (Ultraschall-)Flussmessung fr das

    Khlsystem des Panda-Kalorimeters

    VORTRAG 28.07.2017

    FAKULTT FR PHYSIK UND ASTRONOMIE

    Institut fr Experimentalphysik I

    Patrick Ahle

  • 2

    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

    Institut fr Experimentalphysik 1

    Hadronenphysik

  • 3

    Inhalt

    Testaufbau

    Fotos vom Aufbau, aufgenommene Daten/Kurven

    Geplanter finaler Aufbau

    Ansteuerung und Messaufbau

    Verbesserungen

    Institut fr Experimentalphysik 1

    Hadronenphysik

  • 4

    EinleitungThema:

    Flussmessung am Khlsystem fr

    das elektromagnetische Kalorimeter

    des Panda Experiments

    Bisheriger Versuchsaufbau und Endkappe

    Ziel: Aufbau eines Ultraschallflussmessgertes

    Grund: Fliegeschwindigkeit/Khlung soll

    rumlich konstant sein

    Grund fr Ultraschall: kein direkter Eingriff in das Khlsystem

    Institut fr Experimentalphysik 1

    Hadronenphysik

  • 5

    Einleitung

    Schallgeschwindigkeiten in Flssigkeiten und Festkrpern und Gasen

    Khlmittel: Wassermethanolgemisch

    Schallgeschwindigkeit in Methanol: 1123 m/s

    Schallgeschwindigkeit in Aluminium ist 4-6 mal so gro wie die in

    Wasser/Methanol

    Zum Vergleich: Im Betrieb fliet das Khlmittel mit etwa 1 m/s

    Institut fr Experimentalphysik 1

    Hadronenphysik

  • 6

    Verschiedene Mglichkeiten

    der Flussmessung:

    Differenzdruckverfahren

    In dem zu vermessenden Rohr wird z.B. eine (verstellbare) Verengung

    angebracht.

    Vor dieser herrscht ein hherer Druck als unmittelbar nach dieser.

    -> Fliegeschwindigkeit berechnet sich

    aus Druckunterschied

    Institut fr Experimentalphysik 1

    Hadronenphysik

  • 7

    https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=23050396

    Magnetisch-induktive-

    Durchflussmessung

    In der Flssigkeit sollten genug Ladungstrger gleichmig verteilt

    sein

    Vergleichbar mit einer Hall-Sonden-Messung

    Magnetfeld in der Flssigkeit wird durch Spule erzeugt

    -> Fliegeschwindigkeit berechnet sich

    aus der gemessenen Spannung

    Institut fr Experimentalphysik 1

    Hadronenphysik

    Verschiedene Mglichkeiten

    der Flussmessung:

  • 8

    Turbine

    Mechanische Durchflussmessung

    Turbine oder hnliches wird von dem durchflieenden Medium in

    Bewegung versetzt

    Durch einen Generator wird eine messbare Spannung erzeugt

    Die Turbine treibt eine Messscheibe an

    -> Fliegeschwindigkeit berechnet sich

    aus der gemessenen Spannung/der

    Drehzahl

    Institut fr Experimentalphysik 1

    Hadronenphysik

    Verschiedene Mglichkeiten

    der Flussmessung:

  • 9

    Ultraschalldurchflussmessung

    Ein Ultraschall-Transducer sendet Welle(n) aus Die Welle(n) werden von der Flssigkeit reflektiert und/oder phasenverschoben

    (oder leider auch absorbiert)

    Kein Eingriff in das System ntig Messung im laufendem Betrieb mglich

    2 hauptschlich verwendete Messverfahren Doppler- Verfahren Laufzeitdifferenzmessung

    Institut fr Experimentalphysik 1

    Hadronenphysik

    Verschiedene Mglichkeiten

    der Flussmessung:

  • 10

    Ultraschall-

    FlussmessungDoppler-Verfahren

    Messung mit einem Transducer mglich Ausgesendetes Signal wird von einem in der Flssigkeit befindlichen

    Fremdkrper reflektiert.

    Fremdkrper muss eine gewisse Gre haben oder in groer Konzentration vorliegen

    In einem Khlsystem wren Fremdkrper nicht frderlich fr die Haltbarkeit und Wartungsarmut

    Reflektiertes Signal hat eine andere Frequenz aufgrund der Dopplerverschiebung (falls die Flssigkeit fliet)

    ->Flussbestimmung durch Frequenzmessung

    Institut fr Experimentalphysik 1

    Hadronenphysik

  • 11

    Ultraschall-

    FlussmessungLaufzeitdifferenzmessung (Dieses Verfahren soll benutzt werden)

    Die Laufzeitdifferenzmessung erfordert mehrere Transducer Signale werden mit und gegen den Fluss ausgesendet Signale brauchen fr den gleichen Weg je nach Richtung

    unterschiedliche Zeiten

    Entweder stationr mit Transducern/Reflektoren im Rohr oder mit Transducern auen am Rohr

    ->Flussbestimmung durch Zeitmessung

    Institut fr Experimentalphysik 1

    Hadronenphysik

  • 12

    Laufzeitdifferenzmessung

    Keine intrinsische Montage an der

    Endkappe mglich

    Ausgesendetes Signal wird nach n (n

    ganzzahlig >- 1) Reflexionen von dem

    zweiten Transducer detektiert

    Nach dem Abklingen wird der Signalweg

    umgekehrt

    Fr die Anbringung an der Endkappe ist

    eine Montage auf einer Seite die

    bevorzugte Mglichkeit!

    Institut fr Experimentalphysik 1

    Hadronenphysik

  • 13

    Ultraschallgel

    Transducer

    = Aluminium

    = Khlmittel

    Institut fr Experimentalphysik 1

    Hadronenphysik

    Aufbauskizze

  • 14

    30cm

    Institut fr Experimentalphysik 1

    Hadronenphysik

    Weg des Ultraschalls

  • 15

    Institut fr Experimentalphysik 1

    Hadronenphysik

    Seitenansicht

  • 16

    Institut fr Experimentalphysik 1

    Hadronenphysik

    Snelliussches Brechungsgesetz Brechung einer Welle beim bergang 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

  • 17

    Institut fr Experimentalphysik 1

    Hadronenphysik

    Weg des Ultraschalls nach Snellius

  • 18

    0 25 50 75 100 125 150 175 200

    -0,4

    -0,2

    0,0

    0,2

    0,4

    HF

    [V

    ]

    time [s]

    Ruhemessung1

    Ruhemessung2

    Ruhemessung3 berlagerung fast

    perfekt

    Messaperatur hat

    gute Genauigkeit

    Reproduzierbarkeit

    Vergleich der Ruhemessungen

  • 19

    0 25 50 75 100 125 150 175 200

    -0,4

    -0,2

    0,0

    0,2

    0,4H

    F [V

    ]

    time [s]

    HF [V]

    HF [V]

    HF [V]Mehr Stellen an welchen sich die

    Kurven nicht mehr

    berlagern

    Vergleich der Messungen mit

    Pumpenstufe1 Stufe1nr1Stufe1nr2

    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 [s]

    Stufe2nr1

    Stufe2nr2

    Stufe2nr3

  • 21

    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 [s]

    Ruhemessung1

    Stufe4nr1 Eindeutig voneinander

    zu unterscheiden

    Schwierig eine

    Phasenverschiebung

    auszumachen

  • 22

    Institut fr Experimentalphysik 1

    Hadronenphysik

    Geplanter Aufbau

    Nur wenige Bauteile bentigt

    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)

  • 23

    Institut fr Experimentalphysik 1

    Hadronenphysik

    Geplanter Aufbau

    Tests und Verbesserungen des Messaufbaus:

    Transducerwahl, Spannungswahl

    Anzahl der Rechteckpulse

    Abklingzeit

    Zahl der Mittellungen

    Frequenz der Richtungswechsel

    Anbringung der Transducer

    FFT

  • 24

    Institut fr Experimentalphysik 1

    Hadronenphysik

    Des weiteren wnsche ich ein wunderschnes gutes Wochenende

    Vielen Dank fr Ihre Aufmerksamkeit