Magnetic-inductive Flow Sensor with Variable Cross Section – Design Using FEA (Magnetisch-induktiver Durchflusssensor mit variablem Querschnitt – Design mithilfe der FEA)

Flow sensors for electrically conducting fluids based on the magnetic-inductive (MID) principle are widely used because they contain no moving parts. In the flowing fluid the Lorentz force, due to an outer magnetic field, separates electric charges and induces an electric field. The potential is proportional to the average flow velocity. In standard devices a tube with circular cross section is used. We propose a varying shape that can be adjusted such that the MID-effect is 50% larger. The concept is verified and optimized using Finite-Element-Simulations with Comsol Multiphysics. The 3-D simulations include Navier–Stokes equations for incompressible fluids, magnetostatics, and electrostatics. This paper features the design with 1 cm diameter in the flow range up to 6 m/s. The methodology, however, using Finite-Element-Analysis, that will be described here in detail, can be extended to other configurations. Durchflusssensoren für elektrisch leitende Flüssigkeiten auf der Grundlage des magnetisch-induktiven (MID) Prinzips werden in vielen Anwendungen genutzt, weil sie keine beweglichen Teile enthalten. In der bewegten Flüssigkeit bewirkt die Lorentz-Kraft eines äußeren Magnetfeldes eine Ladungstrennung und induziert ein elektrisches Feld, das zur mittleren Strömungsgeschwindigkeit proportional ist. In üblichen Bauteilen werden kreisrunde Rohrquerschnitte benutzt. Wir schlagen einen mit der Länge variablen Querschnitt vor und erreichen damit eine Verstärkung des MID-Effektes um 50%. Dieser Vorschlag wird mithilfe der Finiten-Element-Methode (Comsol Multiphysics) verifiziert und optimiert. Die 3-D-Simulation berücksichtigt Strömungsgleichungen (Navier–Stokes) für inkompressible Flüssigkeiten, Magnetostatik und Elektrostatik. Dieser Artikel stellt das Design für Rohre mit 1 cm Durchmesser und einen Durchfluss bis zu 6 m/s vor. Die hier präsentierte Methode ist jedoch auch auf andere Konfigurationen übertragbar.