(Ultraschall-)Flussmessung für das Kühlsystem des … · • Ein Ultraschall-Transducer sendet...

(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

Institut für Experimentalphysik 1

Hadronenphysik

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Inhalt

▪ Testaufbau

• Fotos vom Aufbau, aufgenommene Daten/Kurven

▪ Geplanter finaler Aufbau

• Ansteuerung und Messaufbau

• Verbesserungen


Hadronenphysik

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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


Hadronenphysik

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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


Hadronenphysik

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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


Hadronenphysik

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


aus der gemessenen Spannung


Hadronenphysik


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“


aus der gemessenen Spannung/der

Drehzahl


Hadronenphysik


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


Hadronenphysik


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


Hadronenphysik

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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


Hadronenphysik

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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!


Hadronenphysik

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Ultraschallgel

Transducer

= Aluminium

= Kühlmittel


Hadronenphysik

Aufbauskizze

14

30cm


Hadronenphysik

Weg des Ultraschalls

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Hadronenphysik

Seitenansicht

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Hadronenphysik

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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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 [µs]

Ruhemessung1

Ruhemessung2

Ruhemessung3• Überlagerung 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 [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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Hadronenphysik

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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Hadronenphysik

Geplanter Aufbau

▪ Tests und Verbesserungen des Messaufbaus:

• Transducerwahl, Spannungswahl

• Anzahl der Rechteckpulse

• „Abklingzeit“

• Zahl der Mittellungen

• Frequenz der Richtungswechsel

• Anbringung der Transducer

• FFT

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Hadronenphysik

Des weiteren wünsche ich ein wunderschönes gutes Wochenende

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit

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