Lorentzkraft – Anemometrie für die berührungslose

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Lorentzkraft – Anemometrie für die
berührungslose Durchflussmessung
von Metallschmelzen
Contactless Flow Measurement of Liquid Metals Using Lorentz Force Velocimetry
Rico Klein, Christian Weidermann, Technische Universität Ilmenau,
Xiaodong Wang, Graduate University of Chinese Academy of Science, Beijing, China,
Michael Gramss, Artem Alferenok, Alexander Thieme, Yurii Kolesnikov, Christian Karcher, André Thess,
Technische Universität Ilmenau
Zusammenfassung In der Metallurgiebranche fehlen derzeit geeignete Verfahren zur präzisen Erfassung, Regelung
und Dosierung der zwischen den einzelnen Produktionsstufen
übertragenen Mengen an Metallschmelze. Durch den Einsatz
des patentierten Verfahrens der Lorentzkraft-Anemometrie, bei
dem der direkte Kontakt zur heißen Metallschmelze nicht erforderlich ist, lässt sich diese Aufgabe lösen und somit ein
nachhaltiger Beitrag zu zukünftig energie- und kostenoptimierter Produktion leisten. Im vorliegenden Artikel werden
das Prinzip des Verfahrens erläutert und die wissenschaftlichtechnischen Wege zur Entwicklung, Prüfung und Kalibierung von entsprechenden Lorentzkraft-Anemometern vorgestellt. Desweiteren werden Beispiele aktueller Anwendungen der Lorentzkraft-Anemometrie in der Praxis diskutiert.
Summary Because of harsh conditions metallurgy
still lacks techniques that precisely determine, control, and dose
the amount of hot molten metal that is transported through
open channels or ducts along the production line. A novel technique however, termed as Lorentz force velocimetry, could be
used for that purpose since it works without contact to the
molten metal. In industrial application this technique also allows for improvements of the production’s efficiency. In other
words, it helps to permanently save on energy and costs. We
firstly explain how this novel technique works. Secondly we
single out important scientific and technical details of related
measuring instruments currently under development. Examples are given for the applications of these instruments in
metallurgy.
Schlagwörter Lorentzkraft-Anemometrie, Durchflussmessung, Gerinneströmung, Rohrströmung, Metallurgie
Keywords Lorentz force velocimetry, flow measurement, open channel flow, duct flow, metallurgy
1 Einleitung
Bereits im Jahre 1832 versuchte Faraday die Strömungsgeschwindigkeit der Themse in der Nähe von Waterloo
Bridge durch die Messung der elektrischen Spannung, die
durch die Strömung des Wassers im Magnetfeld der Erde
induziert wird und proportional zur Strömungsgeschwindigkeit ist, zu bestimmen [1]. Dieses Verfahren war
zum damaligen Zeitpunkt leider erfolglos. Etwa 150 Jahre
später wurde Faradays Messverfahren in elektromagnetischen Durchflussmessern [2] erfolgreich angewendet,
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tm – Technisches Messen 79 (2012) 9 / DOI 10.1524/teme.2012.0262
um zum Beispiel in der Lebensmittel- oder chemischen
Industrie Strömungsgeschwindigkeiten von Flüssigkeiten
und entsprechende Durchflussraten zu ermitteln. Andere
Verfahren, bei denen die Durchflussmenge der Flüssigkeit
über die Drehgeschwindigkeit von Flügelrädern bestimmt
wird, kommen an Benzinzapfsäulen und in der Haustechnik beim Wasserzähler zum Einsatz.
Dabei muss immer gewährleistet sein, dass der vom
Verbraucher entrichtete Geldwert auch seinem tatsächlichen Verbrauch entspricht. Im Zeitalter nachhaltiger
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tm 9/2012
Lorentzkraft – Anemometrie für die berührungslose ...
2 Physikalische Grundlagen
Das Verfahren der Lorentzkraft-Anemometrie beruht auf
den physikalischen Prinzipien der Magnetofluiddynamik [2; 4]. Es geht auf die bekannte Beobachtung zurück,
dass in einer im Magnetfeld bewegten elektrisch leitfähigen Flüssigkeit, wie etwa eine strömende Metallschmelze
(Bild 1a), elektrische Wirbelströme induziert werden
(Bild 1b). Diese Wirbelströme generieren in Rückwirkung
mit dem Magnetfeld eine Lorentzkraft F, die eine Bremswirkung auf die Strömung der Schmelze ausübt (Bild 1c).
Das Verfahren der Lorentzkraft-Anemometrie beruht
auf Newtons physikalischem Wechselwirkungsprinzip.
Dabei wird die durch die Lorentzkraft F hervorgerufene, gleich große Gegenkraft auf das felderzeugende
Magnetsystem gemessen (Bild 1c). Eine der zentralen
Problemstellungen ist die Kalibrierung der Messgeräte,
die den Massenstrom ṁ [kg s–1 ] (bzw. die durchfließende
Flüssigkeitsmenge pro Zeiteinheit) mittels der Messung
der Lorentzkraft F erfassen.
Für eine geschlossene, turbulente Rohrströmung mit
konstantem Rohr- und Strömungsquerschnitt (Bild 1)
hat [4] durch Experimente bereits gezeigt, dass ein linearer Zusammenhang zwischen Massenstrom ṁ und der
Kraft F besteht:
ṁ = CF
(1)
wobei C ein konstanter Kalibrierfaktor ist. Ähnliche
Ergebnisse wurden bei einer geschlossenen, düsenähnlichen Rohrströmung mit festen Geometrien anhand
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Energieeinsparung und steigender Rohstoffpreise haben diese und andere Durchflussmessverfahren somit
eine wichtige Bedeutung. Jedoch weder das Verfahren
mittels Flügelrad, Faradays oder weitere, ähnliche klassische Verfahren (z. B. [3]) sind in der Metallurgie- und
Glasbranche für die Durchflussmessung von flüssigem
Stahl, Aluminium oder Glas einsetzbar. Diese erfordern den direkten Kontakt zwischen Messinstrument
und strömender Flüssigkeit. Für solche Anwendungsfelder eignet sich das von [4–7] präsentierte Verfahren
der Lorentzkraft-Anemometrie, da hier die Durchflussmenge berührungslos gemessen werden kann. Das
Verfahren beruht auf der Messung der Lorentzkraft,
welche die Strömung einer elektrisch leitfähigen Flüssigkeit auf ein sie durchdringendes, extern angelegtes
Magnetfeld ausübt. Bei der Herstellung von Aluminiumlegierungen aus recyceltem Aluminium [8; 9] lässt
sich mittels [4]’s Durchflussmessverfahren die aus dem
Schmelzofen in den Gießofen überführte Menge an
Aluminiumschmelze berührungslos erfassen. Im Vergleich zu den bisherigen Methoden kann die vom
Endabnehmer gewünschte Ziellegierung dadurch unter verringertem Produktionsaufwand hergestellt werden.
Das ist gleichbedeutend mit einem nachhaltigen Beitrag
zur Energieeinsparung. Ähnliche Erfolge lassen sich auch
beim Aluminiumdruckguss-Verfahren erzielen.
Bild 1 Pysikalisches Grundprinzip der Lorentzkraft-Anemometrie. Der
orange-farbene Pfeil kennzeichnet die Strömungsrichtung der elektrisch
leitfähigen Flüssigkeit im Rohr.
von numerischen Untersuchungen und Experimenten
beobachtet [10].
Bei Strömungen in offenen Rinnen ist der Strömungsquerschnitt nicht konstant, da der Flüssigkeitspegel in
der Rinne in Abhängigkeit der Strömungsgeschwindigkeit
variiert (z. B. [11; 12].). Das hat zur Folge, dass der Zusammenhang zwischen Massenstrom ṁ und Kraft F nicht
mehr durch eine einfache Kalibrierkonstante C sondern
durch eine Kalibrierfunktion C(F) bestimmt wird:
ṁ = C(F)
(2)
Der Verlauf von C(F) ist dabei vom Rinnenquerschnitt und vom Rinnenneigungswinkel abhängig. Die
Abhängigkeit vom Rinnenquerschnitt konnte [13] bereits
anhand von Laborexperimenten unter vereinfachten Bedingungen demonstrieren. Dabei wurde die Strömung
der elektrisch leitfähigen Flüssigkeit durch die Bewegung
fester Metallbarren nachgebildet (Bild 2b).
3 Forschungsaktivitäten
Die Bestimmung von Kalibrierkonstanten C und Kalibrierfunktionen C(F) prägen gegenwärtig die Forschungsaktivitäten der Autoren. Dazu werden unter
anderem die in Bild 2 dargestellten Laborversuchsstände
genutzt und numerische Methoden mit dazugehörigen
Modellen in COMSOL und ANSYS Maxwell angewandt.
Bild 2 Schematische Darstellung der Laborversuchsstände zum Prüfen
und Kalibrieren von Lorentzkraft-Anemometern für die Anwendung an
offenen Rinnen. Durchflussmessung: (a) an strömender Zinnschmelze,
(b) am bewegten Aluminiumbarren [13]. Der Pfeil kennzeichnet die
Strömungsrichtung (bzw. Bewegungsrichtung) der Metallschmelze (bzw.
des Metallbarrens).
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Bild 3 Kalibrierkurven eines Lorentzkraft-Anemometers für die Anwendung an offenen Rinnen. (a) numerische Simulationen einer Aluminium
(Al)-/ bzw. Zinnschmelzeströmung (Sn) in einer offenen Rinne und (b)
numerische und experimentelle Untersuchungen der Bewegung von
Aluminiumbarren mit konstanter Breite 0,1 m und variablen Höhen h
senkrecht zum Magnetfeld eines Lorentzkraft-Anemometers (Bild 2),
(siehe auch [13]).
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numerischen Modelle werden zukünftig anhand von
Feldversuchen mit Aluminium und Laborversuchen mit
Zinn (Bild 3a) verifiziert und weiterentwickelt.
Mittels der Experimente an den Laborversuchsständen (Bild 2) werden gegenwärtig ebenfalls Untersuchungen zur Messunsicherheit und Unsicherheit der
Reproduzierbarkeit bei der Bestimmung des Massenstroms ṁ durchgeführt. In diesem Zusammenhang
spielen zum Beispiel die Genauigkeiten der physikalischen Größen wie Dichte und elektrische Leitfähigkeit
des elektrisch leitfähigen Mediums eine wichtige Rolle.
Erste Laborergebnisse am Prüfstand Bild 2b zeigen, dass
Werte für Messunsicherheit und Unsicherheit der Reproduzierbarkeit von kleiner als 1% möglich sind.
4 Praktische Anwendungen
Das berührungslose Messverfahren der LorentzkraftAnemometrie findet in all jenen Bereichen der
Metallurgiebranche Anwendung, in denen transportierte Metallschmelzen quantitativ erfasst beziehungsweise dosiert werden sollen. Dabei ist es besonders
günstig wenn offene Rinnen oder Rohre, an denen ein Lorentzkraft-Anemometer angebracht wird, aus
nicht-ferromagnetischen Materialien bestehen. Anderseits könnte der Verlauf des Magnetfeldes verändert und
somit die Durchflussmessung beeinträchtigt werden. Bezüglich der Temperaturen der Metallschmelze gibt es
nach jetzigem Wissensstand keine Einschränkung bei der
Anwendung der Lorentzkraft-Anemometrie. Die jeweiligen Durchflussmessgeräte sind in jedem Fall mit einem
Kühlsystem, welches die Temperaturen im Inneren des
Messgerätes konstant und unter 60 ◦ C hält, ausgestattet.
Bei der Aluminium- und Legierungsproduktion zum
Beispiel wird recyceltes Aluminium zunächst in einem
Schmelzofen aufgeschmolzen (Bild 4a).
Anschließend erfolgt die Überführung der Aluminiumschmelze über offene Gießrinnen zum Gießofen,
wo fehlende Legierungselemente zugegeben werden. Da
die exakte Menge der in den Gießofen eingeleiteten
Aluminiumschmelze bisher nicht bekannt ist, bedingen
mögliche „Fehl“-Schmelzen Produktionsverluste. Dieser
Tatsache kann mittels einer Durchflussmessung entlang
Bild 4 Beispiele für aktuelle Zielstellungen in der Metallurgie: (a) Effektivitätserhöhung bei der Aluminium-Legierungsherstellung und (b) beim
Aluminium-Druckguss. Der Pfeil kennzeichnet die Strömungsrichtung
der Metallschmelze.
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Mittels des in Bild 2b dargestellten experimentellen
Prüfstandes sowie anhand von numerischen Untersuchungen wird die Strömung einer Metallschmelze
zunächst unter vereinfachten, „trockenen und kalten“
Bedingungen nachgebildet. Dabei werden, wie bei [13],
feste Metallbarren (hier Aluminiumbarren) mit rechteckigem Querschnitt, kontrolliert durch das Magnetfeld
eines Lorentzkraft-Anemometers bewegt.
Anhand dieser Laborexperimente wird die Abhängigkeit zwischen gemessener Kraft F und Massenstrom ṁ
für verschiedene Barrenhöhen h untersucht. Die experimentell und numerisch erhaltenen Ergebnisse in Bild 3b
zeigen, dass dieser Zusammenhang für jeweilige h linear
ist und durch die Gleichung (1) mit entsprechendem
Kalibrierfaktor C beschrieben werden kann. Beim Vergleich der Grafiken für verschiedene Barrenhöhen h
wird allerdings deutlich, dass C von h abhängig ist
(siehe auch [13]). Um daraus Kalibierfunktionen C(F)
hinsichtlich der realen Strömungsbedingungen in einer
offenen Rinne ermitteln zu können, reichen jedoch die
Experimente und numerischen Simulationen mit bewegten Metallbarren nicht aus. Die dazu notwendigen
experimentellen Untersuchungen erfolgen derzeit am in
Bild 2a dargestellten Prüfstand und unter nahezu realistischen, „nassen und heißen“ Bedingungen. Mit dieser
Anlage, bestehend aus Schmelzofen, offener Gießrinne
und Warmhalteofen, werden Strömungen flüssigen Zinns
(Sn) bei ca. 300 ◦ C erzeugt und die Massenströme
messtechnisch erfasst. Da gleichzeitig das Gewicht des
zwischen den Öfen über die Rinne transportierten Zinns
über eine Waage ermittelt wird, ist somit auch die Möglichkeit der praxisnahen Kalibrierung gegeben.
Beispiele für Kalibrierfunktionen C(F) sind in Bild 3a
für flüssiges Zinn (Sn, 300 ◦ C) und für flüssiges
Aluminium (Al, 700 ◦ C) dargestellt. Beide Verläufe resultieren aus numerischen Simulationen mittels eines
Zwei-Phasen-Modells sowie eines k-ε-Turbulenzmodells,
gekoppelt mit den Gleichungen der Magnetostatik. Die
Lorentzkraft – Anemometrie für die berührungslose ...
der Gießrinne, zwischen Schmelz-und Gießofen, mit dem
in Bild 5a dargestellten Lorentzkraft-Anemometer, entgegengewirkt werden. Im Rahmen erster Praxisversuche
wurden in diesem Zusammenhang bereits Messungen
durchgeführt und der zeitabhängige Massenstrom ṁ
während der Überführung der Schmelze erfasst [14]).
Dabei wurden Werte für ṁ von bis zu 35 kg s–1 gemessen. Durch die Integration von ṁ über den Zeitraum
der Überführung ist dem Aluminiumproduzenten die
Masse m [kg] der Aluminiumschmelze im Gießofen
bekannt und er kann somit die noch fehlenden Legierungsbestandteile exakt zugeben.
Ein ähnlich postiver Effekt ergibt sich durch die Anwendung der Durchflussmessung mittels des in Bild 5b
dargestellten Lorentzkraft-Anemometers beim Aluminiumdruckgussverfahren (Bild 4b). Bei diesem Verfahren
werden dosierte Mengen an Aluminiumschmelze in zyklischen Abständen aus dem Schmelzofen über ein
Steigrohr in eine Druckgussmaschine befördert und
von dort in die Gußform gepresst. Die Metallströmung im Steigrohr entspricht dabei einer geschlossenen
Rohrströmung. Das Ziel der Durchflussmessung mittels
Lorentzkraft-Anemometer, befestigt am Steigrohr zwischen Schmelzofen und Gußform, besteht darin, die
Genauigkeit bei der Dosierung der beförderten Schmelzmengen zu erhöhen. Die sich bei beiden Anwendungen
durch den Einsatz eines Lorentzkraft-Anemometers
ergebenden Vorteile liegen in der Reduzierung des
Produktions-ausschusses und in der Verbesserung der
Produktqualität. Die Verringerung des Anteils an Ausschuss und Druckgussresten bedeutet auch eine Senkung
des Gesamtenergiebedarfs und damit eine Verringerung
der Produktionsaufwandskosten.
5 Zusammenfassung
Die Durchflussmessung von Metallschmelzen in der
Metallurgie, wie beispielsweise flüssiges Aluminium
in einem Aluminiumschmelzwerk, ist eine wichtige
Aufgabe bei der Optimierung der jeweiligen Produktionsprozesse. Mit dem vorgestellten Verfahren der
Lorentzkraft-Anemometrie [4]) ist diese anspruchsvolle Aufgabe lösbar, da bei der Durchflussmessung
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Bild 5 Prototypen eines Lorentzkraft-Anemometers: (a) an einer offenen
Gießrinne und (b) an einer Rohrströmung. Der Pfeil kennzeichnet die
Strömungsrichtung der Metallschmelze.
der direkte Kontakt zur Metallschmelze nicht erforderlich ist. Messgeräte, die nach dem Verfahren
arbeiten (Lorentzkraft-Anemometer), erfassen den Massenstrom ṁ und somit die Menge an überführter
Metallschmelze mittels der Messung der Lorentzkraft F.
Bei einer geschlossenen Rohrströmung mit konstantem
Strömungsquerschnitt besteht mit ṁ = CF ein linearer
Zusammenhang zwischen beiden Größen wobei C die
Kalibrierkonstante ist [4; 10]). Bei Strömungen in offenen Rinnen ist der Strömungsquerschnitt jedoch von
der Strömungsgeschwindigkeit abhängig (z. B. [11].) und
der Zusammenhang zwischen ṁ und F wird durch eine
nichtlineare Kalibrierfunktion C(F) beschrieben sodass
gilt ṁ = C(F) [13]). Derartige Kalibrierfunktionen werden anhand von numerischen Simulationen und Laborsowie Feldversuchen ermittelt und überprüft. Dabei
werden bereits entwickelte Lorentzkraft-AnemometerPrototypen eingesetzt. Diese Prototypen bilden auch
die Grundlage für einen erfolgreichen Einsatz der
Lorentzkraft-Anemometrie in der Metallurgie.
Danksagung
Wir danken der Deutschen Forschungsgemeinschaft DFG
sowie dem Bundesministerium für Bildung und Forschung BMBF für die finanzielle Unterstützung im
Rahmen des Graduiertenkollegs GRK 1567 „Elektromagnetische Strömungsmessung und Wirbelstromprüfung mittels Lorentzkraft“ sowie des ForMaT-Projektes
„Verwertungsstrategien für Lorentzkraft-Anemometer in
der Materialherstellung“.
Literatur
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R. Soc. London, 15:175, 1832.
[2] J. A. Shercliff. The Theory of Electromagnetic Flow Measurement.
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[3] C. Tropea, A. L. Yarin and J. F. Foss. Handbook of Experimental
Fluid Mechanics, Springer-Verlag GmbH, 2007.
[4] A. Thess, E. Votyakov and Y. Kolesnikov. Lorentz force velocimetry. Phys. Rev. Let., 96:164501, 2006.
[5] A. Thess, Y. Kolesnikov, C. Karcher and E. Votyakov. Lorentz force
velocimetry – a contactless techique for flow measurement in hightemperature melts. Proc. 5th Int. Symp. Electromagnetic Processing
Materials (Sendai, Japan), 731–4, 2006.
[6] A. Thess, Y. Kolesnikov and C. Karcher. Method and arrangement
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substances. Patent No. US0252287 A1, 2008.
[7] J. Priede, D. Buchenau and G. Gerbeth. Contactless electromagnetic phase-shift flowmeter for liquid metals. Meas. Sci. Technol.,
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[8] K. Krone. Aluminiumrecycling, Vom Rohstoff bis zur fertigen
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[9] C. Schmitz. Handbook of Aluminium Recycling. Vulkan Verlag,
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a lorentz force flowmeter. Meas. Sci. Technol., 23:045005, 2012.
[11] W. Graebel. Engineering fluid mechanics. London: Taylor & Francis
Publishers, 2001.
[12] I. Granet. Fluid Mechanics. Prentice Hall, 1995.
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Beiträge
Dipl.-Ing. Michael Gramss ist wissenschaftlicher Mitarbeiter und Doktorrand in der Arbeitsgruppe „Elektromagnetische Strömungsmessung
und Wirbelstromprüfung mittels Lorentzkraft“.
Manuskripteingang: 2. Juli 2012, zur Veröffentlichung angenommen: 9. Juli 2012
Adresse: siehe oben, E-Mail: [email protected]
Ph. D. Rico Klein ist Projektleiter im Projekt „EXIST-Forschungstransfer: Lorentzkraft-Anemometer – Die Wasseruhr der Gießereiindustrie“
und Entwicklungsleiter für industrielle Anwendungen der LorentzkraftAnemometrie.
Adresse: Techische Universität Ilmenau, Postfach 100565, 98684 Ilmenau, E-Mail: [email protected]
Dipl.-Ing. Christian Weidermann promoviert als assoziiertes Mitglied
der Arbeitsgruppe „Elektromagnetische Strömungsmessung und Wirbelstromprüfung mittels Lorentzkraft“, ist wissenschaftlich-technischer
Mitarbeiter im Projekt „EXIST-Forschungstransfer: LorentzkraftAnemometer – Die Wasseruhr der Gießereiindustrie“ und Entwicklungsingenieur für industrielle Anwendungen der Lorentzkraft-Anemometrie.
M.Sc. Artem Alferenok ist wissenschaftlicher Mitarbeiter und Doktorrand in der Arbeitsgruppe „Elektromagnetische Strömungsmessung und
Wirbelstromprüfung mittels Lorentzkraft“.
B.Sc. Alexander Thieme ist technischer Mitarbeiter im Projekt „EXISTForschungstransfer: Lorentzkraft-Anemometer – Die Wasseruhr der
Gießereiindustrie“ und Entwicklungsingenieur für industrielle Anwendungen der Lorentzkraft-Anemometrie.
Adresse: siehe oben, E-Mail: [email protected]
Prof. Yurii Kolesnikov ist Gastprofessor und ehemaliger wissenschaftlicher Mitarbeiter im ForMaT-Projekt „Verwertungsstrategien für Lorentzkraft-Anemometer in der Materialherstellung“.
Adresse: siehe oben, E-Mail: [email protected]
Priv.-Doz. Dr.-Ing. habil. Christian Karcher ist Leiter der Arbeitsgruppe „Angewandte Thermo- und Fluiddynamik“ und wissenschaftlicher Koordinator im Graduiertenkolleg „Elektromagnetische Strömungsmessung und Wirbelstromprüfung mittels Lorentzkraft“.
Adresse: siehe oben, E-Mail: [email protected]
Adresse: siehe oben, E-Mail: [email protected]
Prof. Xiaodong Wang, ehemaliger wissenschaftlicher Mitarbeiter im
ForMaT-Projekt „Verwertungsstrategien für Lorentzkraft-Anemometer
in der Materialherstellung“.
Prof. Dr. André Thess ist Leiter des Fachgebietes „Thermo- und
Magnetofluiddynamik“ sowie Sprecher des Graduiertenkollegs „Elektromagnetische Strömungsmessung und Wirbelstromprüfung mittels
Lorentzkraft“.
Adresse: Graduate University of Chinese Academy of Science, post code
100049, Beijing, China, E-Mail: [email protected]
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Adresse: siehe oben, E-Mail: [email protected]
Adresse: siehe oben, E-Mail: [email protected]
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[13] V. Minchenya, C. Karcher, Y. Kolesnikov and A. Thess. Dry calibration of the lorentz force flowmeter. Magnetohydrodynamics,
45:569–78, 2009.
[14] Y. Kolesnikov, C. Karcher and A. Thess. Lorentz Force Flowmeter
for Liquid Aluminium: Laboratory Experiments and Plant Tests.
Metall. Mater. Trans.B, 42:441–50, 2011.