Forschende am Fraunhofer IPM haben ein magnetfeldbasiertes Verfahren zur berührungslosen Durchflussmessung entwickelt. Nun konnten sie erstmals den quantitativen Einfluss des Strömungsprofils auf das magnetische Signal nachweisen. Das eröffnet neue Möglichkeiten zur Verbesserung des Verfahrens. Die Ergebnisse wurden kürzlich in der Fachzeitschrift »Journal of Applied Physics« veröffentlicht.

In vielen Industriezweigen gibt es Herstellungsprozesse, bei denen fließende Flüssigkeiten eine zentrale Rolle spielen. Will man solche Prozesse regeln oder gar automatisieren, so benötigt man verlässliche Angaben zur Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeiten. Ein am Fraunhofer IPM entwickeltes magnetfeldbasiertes Durchfluss­mess­verfahren liefert diese Flussdaten sehr präzise und ohne Fluidkontakt. Dabei wird das flüssige Medium in einem ersten Schritt mit einem Permanentmagneten magnetisch polarisiert. In einem zweiten Schritt wird diese Ausrichtung durch Hochfrequenzimpulse gedreht. So entstehen lokale magnetische Markierungen im Fluid, die in einem dritten Schritt nach einer definierten Fließstrecke mithilfe hochempfindlicher Quantensensoren durch die Rohrwand hindurch erfasst werden. Auf diese Weise lässt sich die Fließgeschwindigkeit eines magnetisierbaren Fluids bestimmen.

Mapping der Magnetisierungsverteilung

Bei dieser Messmethode hat das Strömungsprofil einen großen Einfluss auf die Ausprägung der Markierung. Das konnten die Forschenden am Fraunhofer IPM nun anhand der in einem Modell berechneten Magnetisierungsverteilung im fließenden Fluid zeigen. Sie simulierten sowohl die effektive Flipwinkelverteilung als auch die zeitliche Entwicklung der Magnetisierung und erkannten, dass die Variation der Strömungsgeschwindigkeiten über den Rohrdurchmesser die Verteilung der Flipwinkel verbreitert und so das magnetische Signal dämpft. Dank dieses tiefen Verständnisses sind die Forschenden nun in der Lage, ihre Messmethode weiter zu optimieren. Nach Einschätzung von Leonhard Schmieder, Wissenschaftler am Fraunhofer IPM und Erstautor der Veröffentlichung, handelt es sich bei dieser Forschung um die erste erfolgreiche Umsetzung eines Mapping-Ansatzes in einem Null-zu-Ultra-Niedrigfeld-Magnetometrie-basierten Experiment mit Kernspinresonanz. »Unser berührungsloser Messansatz hat das Potenzial für den breiten Einsatz. Unsere Methode wird immer dann interessant, wenn eine nicht-invasive, präzise und effiziente Lösung gefragt ist«, so Schmieder.

Quelle: Fraunhofer IPM

Quantensensor
Ein Quantensensor ist ein hochpräzises Messgerät, das die einzigartigen Eigenschaften der Quantenmechanik nutzt, um physikalische Größen wie Magnetfelder, Beschleunigungen, Druck oder Temperatur mit bisher unerreichter Empfindlichkeit und Genauigkeit zu messen. Diese Sensoren basieren auf quantenmechanischen Effekten wie Superposition und Verschränkung, die es ihnen ermöglichen, extrem kleine Veränderungen in ihrer Umgebung zu detektieren.

Funktionsweise und Prinzipien

Quantensensoren nutzen verschiedene quantenmechanische Phänomene:

  • Atomare Materiewellen: Diese eignen sich hervorragend für Interferometer, die Rotationen oder Beschleunigungen messen können.
  • Festkörperquantensensoren: Diese enthalten Fremdatome in einem Kristallgitter, die als mikroskopische Kreisel fungieren und Magnetfelder wie winzige Kompassnadeln anzeigen.
  • Quantenmagnetometrie: Hierbei werden Elektronenspins in Defekten eines Diamantgitters (NV-Zentren) genutzt, um Magnetfelder extrem präzise zu messen.

Anwendungen

Quantensensoren haben ein breites Anwendungsspektrum:

  • Medizin: Sie können beispielsweise freie Radikale im Körper messen, die als Indikatoren für Krankheiten wie Krebs dienen, und so eine frühzeitige Diagnose ermöglichen.
  • Navigation und Geophysik: Sie ermöglichen präzise Zeitmessungen für Satellitennavigation und können unterirdische Strukturen wie Gas- und Wasserleitungen durch winzige Änderungen im Magnetfeld detektieren .
  • Biomedizinische Analytik: Quantensensoren können in lebenden Zellen oder Organismen betrieben werden, was sie für die Zell- und Mikrobiologie nützlich macht.
  • Alltagstechnologien: Sie finden Anwendung in Bereichen wie Mobility, Healthcare, Internet of Things und Sustainability.

Vorteile

Quantensensoren bieten mehrere Vorteile gegenüber klassischen Sensoren:

  • Höhere Präzision: Sie messen physikalische Größen mit einer Genauigkeit, die klassische Sensoren nicht erreichen können.
  • Kleinere Bauformen: Die Sensorelemente können bis auf wenige Nanometer verkleinert werden, was sie für den Einsatz in beengten oder rauen Umgebungen geeignet macht.
  • Direkte Messung: Die Messwerte von Quantensensoren sind oft direkt auf die Referenzgrößen des SI-Einheitensystems bezogen, was die Notwendigkeit einer Kalibrierung reduziert und Kosten spart.

Quantensensoren repräsentieren eine bedeutende technologische Entwicklung, die durch die zweite Quantenrevolution vorangetrieben wird und zahlreiche neue Möglichkeiten in Wissenschaft und Technik eröffnet. Quelle: Perplexitx.ai

Schreibe einen Kommentar

Deine E-Mail-Adresse wird nicht veröffentlicht. Erforderliche Felder sind mit * markiert