If a permanent magnet is located near a liquid metal flow, the magnet experiences a Lorentz force, which depends on the velocity of the flow. This effect is embodied in a noncontact flow measurement technique called Lorentz force velocimetry (LFV). Although LFV is already under way for global flow measurement in metallurgy, the possibility of using LFV for local velocity measurement has not yet been explored. The present work is devoted to a comprehensive investigation of the Lorentz force acting upon a permanent magnet near a liquid metal flow in a square duct when the size of the magnet is sufficiently small to be influenced by only parts of the fluid flow. We employ a combination of laboratory experiments in the turbulent regime, direct numerical simulations of laminar and turbulent flows using a custom-made code, and Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS) simulations using a commercial code. We address three particular flow regimes, namely the kinematic regime where the back-reaction of the Lorentz force on the flow is negligible, the low-Reynolds number dynamic regime and the high-Reynolds number dynamic regime both being characterized by a significant modification of the flow by the Lorentz force. In all three regimes, the Lorentz force is characterized by a nondimensional electromagnetic drag coefficient CD, which depends on the dimensionless distance between the magnet and the duct h, the dimensionless size of the magnet d, the Reynolds number Re, and the Hartmann number Ha. We demonstrate that in the kinematic regime, CD displays a universal dependence on the distance parameter, expressed by the scaling laws CD ∼ h−2 for h ≪ 1 and CD ∼ h−7 for h ≫ 1. In the dynamic regime at low Re, the magnet acts as a magnetic obstacle and expels streamlines from its immediate vicinity. In the dynamic regime at high Re, we present experimental data on CD(Re) for 500 ≤ Re ≤ 104 and on CD(h) for 0.4 ≤ h ≤ 1 and demonstrate that they are in good agreement with numerical results obtained from RANS simulations for the same range of parameters.
Zusammenfassung Bei Waagen nach dem Prinzip der elektromagnetischen Kraftkompensation wird die auf eine Waagschale wirkende Gewichtskraft eines Wägegutes durch eine elektromagnetische Gegenkraft kompensiert. Nach dem Stand der Technik wird der Zusammenhang zwischen dem, die Gegenkraft erzeugendem Aktorstrom durch eine Spule und der Gewichtskraft des Wägegutes durch Kalibrierung mit Massenormalen hergestellt. Mit der für 2018 zu erwartenden Neudefinition der SI-Einheit der Masse durch Festlegung eines Wertes der Planck-Konstanten wird ein unmittelbarer Zusammenhang zwischen den mechanischen und elektrischen Größen geschaffen, so dass das aus Fundamentalexperimenten bekannte Wattwaagenprinzip zur Kalibrierung von Massen eingesetzt werden kann. Im vorliegenden Artikel wird eine darauf aufbauende Methode zur Bestimmung des Kraftfaktors Bl einer kommerziellen EMK-Wägzelle vorgestellt. Dies geschieht durch die simultane Messung der Spannung über der im Magnetfeld bewegten Spule und deren Geschwindigkeit. Dabei wird im vorgestellten Verfahren die Spule gleichzeitig zur Erzeugung der Bewegung mit einem harmonischen Wechselsignal bestromt. Die Frequenz der harmonischen Bewegung hat hierbei maßgeblichen Einfluss auf die Unsicherheit des resultierenden Kraftfaktors. Eine Trennung der Spannungsanteile über der Spule erfolgt durch simultane Messung von Strom und Spannung an der Spule und Auswertung unter Berücksichtigung der vorliegenden Amplituden und Phasenlagen. Die Spule ist hierbei, wie bei kommerziellen EMK-Wägezellen üblich, über ein mechanisches Hebelwerk angekoppelt. Durch diese Hebelübersetzung ist es möglich, mit einem kompakten elektrodynamischen Aktuator (Spule–Permanentmagnetsystem), einen großen wirksamen Kraftfaktor zu realisieren. Im Ergebnis können mit dem System Kräfte in beliebiger Raumrichtung gemessen bzw. erzeugt werden, wobei die Massebestimmung einen Spezialfall darstellt, für den zusätzlich die lokale Fallbeschleunigung bekannt sein muss. Unter Nutzung der gleichen Methodik kann durch Vertauschung von Eingangs- und Ausgangsgrößen des Formalismus, die EMK-Wägezelle auch als Positionssensor eingesetzt werden. Hierbei erfolgt unter Zuhilfenahme eines Referenzgewichtes (Justiergewichtes) und der Ausgangsspannung des Positionssensors des Wägesystems eine Kalibrierung der Auslenkung des Koppelstücks. Für beide Verfahren werden im Gegensatz zu Fundamentalexperimenten industriell relevante Messunsicherheiten im ppm-Bereich angestrebt. Es werden Messungen für beide Messmodi auf Basis kommerziell verfügbarer EMK-Wägezellen und elektrischer Messtechnik vorgestellt und diskutiert.
Multi-component force/torque transducers are used in a large field of scientific and industrial applications like robotics, biomechanics and even fluid mechanics. These sensors need to be calibrated for traceable measurements. As the calibration procedure determines the measurement uncertainty, it plays an important role in sensor development for reaching the required measurement specifications. For the application in local Lorentz Force Velocimetry (Ref. 1) a six degree of freedom force/torque sensor for measurement ranges of ± 0.2 N and ± 5 mNm was developed. This sensor can also be adapted to other applications that require multi-dimensional force/torque feedback in the µN-and µNm-range such as tactile dimensional measurements and micro-manipulation. This paper discusses the calibration and the evaluation of the properties of the calibration device and the calibration procedure of the sensor system. After a brief introduction of the sensor design and its working principle the calibration setup is described and the uncertainty contributions to the forces and torques are calculated. Then the calibration procedure is presented and the resulting output signals of the sensor are depicted. As a result of the calibration, the calibration matrix is given with a discussion of its major components.
An experimental setup for performing micro-scratching tasks and measuring the forces involved in the process is presented in this paper. The main component of the system is a multi-component force and torque sensor based on the principle of electromagnetic force compensation (EMFC). With this device it is possible to perform the micromachining process itself while simultaneously measuring the interaction forces between the tool tip and the test specimen. Experiments were performed with specimens of polished steel, silicon and glass. Planar micro-structures could be produced and tool point interaction forces in the order of some millinewtons were measured during the process.
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