DE19913484C1 - Einrichtung zur lokalen Messung von Strömungsgeschwindigkeiten - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur lokalen Messung von Strömungsgeschwindigkeiten in Gasen und Flüssigkeiten. Die Erfindung ist auch zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit in nichttransparenten Fluiden und bei hohen Temperaturen, zum Beispiel in Metallschmelzen, geeignet. DOLLAR A Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur lokalen Messung von Strömungsgeschwindigkeiten in Gasen und Flüssigkeiten vorzuschlagen, mit der ein gut reproduzierbares Arbeiten auch bei hohen Temperaturen und größerer Einsatztiefe ermöglicht wird. Insbesondere soll die Erfindung in Metallschmelzen anwendbar sein. DOLLAR A Die Erfindung geht aus von einem Sensor mit einem Rohr, dessen der Strömung zugewandtes Ende zu einer zentrischen Spitze ausgeformt ist, in dessen Inneren ein Stab konzentrisch angebracht ist, sowie Komponenten zur Signalgewinnung, -weiterleitung und -verarbeitung. Nach der Erfindung ist hinter dem Sensor (10) ein Glasstab (13) mit zylindrischem Brechzahlprofil zur Weiterleitung des optischen Meßsignals angeordnet. Vorteilhafterweise ist zwischen Sensor (10) und Glasstab (13) ein optisches Linsensystem (14) zur Anpassung des optischen Meßsignals eingefügt. Weiterhin können ein resistentes Hüllrohr (12) und Kühlkanäle (15) eingesetzt werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur lokalen Messung von Strömungsgeschwindigkeiten in Gasen und Flüssigkeiten. Die Erfindung ist auch zur Bestimmung der Strömungsgeschwin­ digkeit in nichtransparenten Fluiden und bei hohen Temperaturen, zum Beispiel in Metall­ schmelzen, geeignet.

Es ist bereits ein Sensor zur kleinskaligen Strömungsmessung in Gewässern bekannt (DE 41 29 199 A1). Innerhalb des Sensors ist ein Stab angebracht, der im Falle einer Verformung der Sonde auf einen piezoelektrischen Biegesensor einwirkt, womit lediglich der Betrag der Geschwindigkeit in der Ebene senkrecht zur Sondenachse bestimmt werden kann. Der Aufbau dieser Meßeinrichtung erlaubt keinen Einsatz bei höheren Temperaturen, z. B. in Metall­ schmelzen.

Weiterhin ist eine für die Anwendung in Metallschmelzen vorgesehene Meßeinrichtung be­ kannt, die Informationen über die beiden Geschwindigkeitskomponenten senkrecht zur Sonden­ achse liefert (V. G. Zhilin, K. V. Zvyagin, Yu. P. Ivochkin, A. A. Oskman "Diagnostics of liquid metal flows using fibre-optic velocity sensor" Liquid Metal Magnetohydrodynamics, Ed.: J. Lielpeteris, R. Moreau, Kluwer Academic Publishers, 1989, 373-379). In der von der Strömung elastisch verformten Sondenspitze ist wiederum ein dünner, in das Innnere der Sonde gerichteter Stab befestigt, der bei Vorhandensein einer Anströmung mit ausgelenkt wird. In geringem Abstand zum freien Stabende sind im Winkel von je 90 Grad vier Glasfaserleitungen - paar­ weise als Sender und Empfänger dienend - konzentrisch angeordnet. Die Ausführung dieser Sonde und die Abhängigkeit des Meßwertes Lichtintensität von der Strömungsgeschwindigkeit ist komplex. Dies erschwert die Handhabung sowie eine weitere Miniaturisierung des Sensors. Geringste Veränderungen der Anordnung, speziell eventuelle Dejustierungen der Glasfaserlei­ tungen, können die Charakteristik des Sensors entscheidend verändern und damit ein reprodu­ zierbares Arbeiten in hohem Maße erschweren.

Eine weitere Meßeinrichtung ist in DE 197 04 499 A1 dargestellt. Hier ist ebenfalls eine örtliche Messung in zwei Dimensionen senkrecht zur Sondenachse möglich. Es wird ein an der vordersten Spitze im Innern der Sonde befestigter, dünner Stab benutzt, um die elastische Verformung der Sondenspitze infolge der Anströmung durch das Fluid sichtbar zu machen. Das Ende des im Sondeninnern befindlichen Stabes wird über eine spezielle Optik (z. B. Endoskop) auf ein CCD-Array abgebildet. Die räumliche Distanz zwischen mechanischem Sensor und abbildender Optik darf ein gewisses Maximum nicht überschreiten, damit eine qualitativ ausreichende Abbildung des durch die Strömung ausgelenkten Stabes gewährleistet bleibt. Dies ist aber gleichbedeutend mit einer Einschränkung des Einsatzbereiches hinsichtlich Temperatur oder möglicher Einsatztiefe des Sensors in der Schmelze.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur lokalen Messung von Strömungsgeschwindigkeiten in Gasen und Flüssigkeiten vorzuschlagen, mit der ein gut reproduzierbares Arbeiten auch bei hohen Temperaturen und größerer Einsatztiefe ermöglicht wird. Insbesondere soll die Erfindung auch in Metallschmelzen anwendbar sein.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit den im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmalen gelöst.

Aus- und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen umschrieben.

Das Prinzip der Erfindung bietet nachstehende Vorteile:

Die Bauweise des Sensors schafft gute Voraussetzungen für eine hinreichende Minimierung, wodurch eine unerwünschte Beeinflussung der auszumessenden Strömung durch die Anwesenheit des Sensors weitgehend vermieden wird. Im Falle erfolgreicher Versuche lag der Außendurchmesser der Sensorspitze bei etwa 50 µm.

Das beschriebene Meßkonzept ist speziell für die Anwendung in Flüssigmetallen in zweierlei Hinsicht vorteilhaft. Zum einen garantiert die Signalgewinnung basierend auf der mechanischen Wechselwirkung zwischen Sensor und Fluid sowie der optischen Erfassung und Weiterleitung einen sicheren Ausschluß von Meßfehlern, die durch elektrische Störquellen im Umfeld der jeweiligen Strömungsanlage, beispielsweise durch Heizungen oder durch auftretende Magnetfelder, verursacht werden. Andererseits ermöglicht eine räumliche Trennung zwischen eigentlichem Sensor und den temperaturempfindlichen, optischen Komponenten der Meßapparatur einen Einsatz der Meßtechnik bei hohen Temperaturen. Dies ermöglicht eine freizügige Gestaltung der Teile der Meßapparatur, die mit dem heißen Fluid oder dessen Berandung in direktem Kontakt stehen.

Die Erfindung wird nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert:

In der zugehörigen Zeichnung zeigen

Fig. 1a die Prinzipskizze des Sensors in Ruhestellung,

Fig. 1b die Prinzipskizze des Sensors mit Anströmung,

Fig. 2 die Prinzipskizze der Meßapparatur,

Fig. 3 den Sensor mit nachfolgendem optischen Strahlengang.

Zum besseren Verständnis wird zuerst das Meßprinzip dargestellt.

Ein Teil der Meßapparatur, der eigentliche Sensor, wird an einem Ort innerhalb des Fluids positioniert. Beim Vorhandensein einer Strömung ist dieser Sensor einer Kraftwirkung ausgesetzt, die in bestimmter Weise von der Geschwindigkeit des Fluids am Ort des Sensors abhängt. Der Sensor ist so beschaffen, daß die Strömungsverhältnisse an der Meßposition eine wohldefinierte und reversible Verformung seiner Spitze hervorrufen. Diese Veränderung der Sondenform wird optisch auf ein CCD-Array abgebildet und in einen PC übertragen, wo sie mit Hilfe von Standardbildauswerteroutinen in entsprechende Werte der Strömungsgeschwindigkeit und -richtung umgesetzt und als entsprechender Meßwert ausgegeben wird.

Der Aufbau und die Funktion des Sensors wird an den Fig. 1a und 1b nachstehend erläutert: Der Sensor ist vorzugsweise als ein sich zu einer Spitze 1 hin verjüngendes Rohr 2 ausgeführt, in dessen Innern ein Stab 3 zentrisch angeordnet ist. Dieser Stab 3 ist mit dem ihn umgebenden Rohr 2 lediglich am vordersten Punkt der Spitze 1 fest miteinander verbunden und ragt somit von der Spitze 1 her in dieses hinein. In der Regel zeichnen sich Rohr 2 und Stab 3 durch annähernd gleiche Länge aus und sind aus demselben vorzugsweise nicht ferromagnetischen und elektrisch nicht leitfähigen Material gefertigt. Man betrachte den Sensor in Ruhelage, wenn die Geschwindigkeit der den Sensor umgebenden Flüssigkeit gleich Null ist, d. h. das obere Ende 5 des Stabes 3 befindet sich ungefähr in der Mitte der Öffnung des Rohrs 2. Bewegt sich die Flüssigkeit bezüglich des Sensors mit einer Geschwindigkeit, wird die Spitze 1 und damit auch der Punkt 4 in Richtung der Strömung ausgelenkt. Dies führt zu einer entsprechenden Verschiebung des oberen Stabendes 5 in die entgegengesetzte Richtung.

Der beschriebene Sensor ermöglicht eine Bestimmung der beiden Geschwindigkeits­ komponenten senkrecht zur Sensorachse. Eine gleichzeitige Messung der Komponente parallel zur Sensorachse ist allerdings nicht möglich.

Wie in Fig. 2 dargestellt, wird die aktuelle Stellung des oberen Stabendes 5 optisch erfaßt, über einen geführten optischen Strahlengang 6 geleitet und mittels eines speziellen optischen Objektivs 7 auf ein CCD-Array 8 abgebildet. Dieses CCD-Array 8 ist mit einem Computer 9 verbunden, mit dessen Hilfe das Bild digitalisiert und ausgewertet wird.

Die Amplitude der elastischen Verformung der Spitze 1 wird neben den Materialeigenschaften von Sensormaterial und Flüssigkeit vor allem auch durch die geometrischen Parameter Radius der Spitze 1, Länge des elastisch verformbaren Bereiches und Wandstärke in diesem Bereich bestimmt. Da eine Ermittlung aller dieser Parameter mit ausreichender Genauigkeit für jede einzelne Spitze 1 nur schwer durchführbar ist, ergibt sich die Notwendigkeit, den jeweiligen Sensor vor der Messung im gewünschten Geschwindigkeitsmeßbereich zu kalibrieren, um eine direkte Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit durchführen zu können.

In Fig. 3 werden die sich an den Sensor anschließenden Baugruppen dargestellt.

Der nun bezüglich der Anwendung bei hohen Temperaturen speziell ausgeführte optische Strahlengang 6 besteht dabei aus folgenden Komponenten: einem Glasstab 13 mit zylindrischen Brechzahlprofil, einem optischen Linsensystem 14, einem Hüllrohr 12 sowie Kühlkanälen 15 mit Trennwand 16.

Der Sensor 10 muß aus einem Material gefertigt sein, das innerhalb des Temperaturbereiches, in dem die Geschwindigkeitsmessung durchgeführt wird, noch seine elastischen Eigenschaften beibehält und sich dem Fluid gegenüber chemisch resistent verhält. Verschiedene Glassorten erfüllen diese Forderungen bis zu bestimmten Grenztemperaturen (z. B. Quartzglas bis ca. 1000°C) und lassen sich außerdem relativ einfach verarbeiten. Der Sensor 10 ist in eine Hülse 11 eingepaßt, die wiederum in das Hüllrohr 12 integriert ist. Die Koppelstelle zwischen Hülse 11 und Hüllrohr 12 ist dicht ausgeführt, so daß ein tieferes Eintauchen der Meßapparatur in die Strömung ohne Komplikationen möglich ist. Die Hülse 11 ist vorzugsweise aus Edelstahl, das Hüllrohr 12 aus Edelstahl oder Keramik gefertigt. Wesentlicher Bestandteil des optischen Strahlengangs ist der Glasstab 13, hier speziell ein sogenannter Gradienten-Index(GRIN)-Stab, d. h. ein Glasstab, gekennzeichnet durch eine Verteilung des Brechungsindex als eine Funktion des Ortes (speziell des Radius). Ein derartiger Glasstab 13 mit zylindrischer Brechzahlverteilung ermöglicht eine optische Bildübertragung entlang der Stabachse. Besonderes Merkmal derartiger Glasstäbe 13 ist ihr Temperatureinsatzbereich bis ca. 450°C. Zwischen Sensor 10 und Glasstab 13 befindet sich das optische Linsensystem 14 zwecks Anpassung des Bildfeldes der in den Glasstab 13 einzukoppelnden optischen Information. Zwischen dem Hüllrohr 12 sowie dem Glasstab 13 als auch dem Linsensystem 14 sind zwei Kühlkanäle 15 konzentrisch angeordnet, die durch eine innere Wand 16 (gefertigt vorzugsweise aus Edelstahl) voneinander getrennt sind. Sollte der konkrete Einsatzfall eine zusätzliche Kühlung von Glasstab 13 und Linsensystem 14 erfordern, wird ein flüssiges Kühlmittel (vorzugsweise ein spezielles Öl) derart zirkuliert, daß sich die Strömung des Kühlmittels zum Sensor 10 hin im äußeren Kühlkanal und die Rückströmung im inneren Kanal vollzieht. Es besteht die Möglichkeit, beispielsweise am optischen Linsensystem 14 einen Temperaturfühler anzubringen, um den Kühlmitteldurchfluß hinsichtlich einer bestimmten maximal zulässigen Temperatur an den optischen Komponenten zu regeln.

Claims (7)

1. Einrichtung zur lokalen Messung von Strömungsgeschwindigkeiten in Fluiden, bestehend aus einem Sensor mit einem Rohr, dessen der Strömung zugewandtes Ende zu einer zentrischen Spitze ausgeformt ist, in dessen Innern ein Stab konzentrisch angebracht ist, wobei Rohr und Stab nur direkt an der Spitze fest miteinander verbunden sind und die Auslenkung des der Spitze entgegengesetzten Endes des Stabes aufgrund der elastischen Verformung der Spitze durch eine Strömung als optisches Meßsignal erfaßt wird, sowie Komponenten zur Signalweiterleitung und -verarbeitung, dadurch gekennzeichnet, daß hinter dem Sensor (10) ein Glasstab (13) mit zylindrischem Brechzahlprofil zur Weiterleitung des optischen Meßsignals angeordnet ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Sensor (10) und Glasstab (13) ein optisches Linsensystem (14) zur Anpassung des optischen Meßsignals eingefügt ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Komponenten Glasstab (13) und Linsensystem (14) zum Schutz vor der Flüssigkeit, deren Strömungs­ geschwindigkeit bestimmt werden soll, in ein Hüllrohr (12) eingebettet sind.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Hüllrohr (12) aus Edelstahl oder Keramik ausgeführt ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Hüllrohr (12) sowie den zentrisch angeordneten optischen Komponenten Glasstab (13) und Linsensystem (14) Kühlkanäle (15) vorgesehen sind.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß in den Kühlkanälen (15) Öle mit hohem Dampfdruck, hoher Schmelztemperatur und hoher spezifischer Wärme­ kapazität eingesetzt sind.

7. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem der Signalweiterleitung dienenden Glasstab (13) ein spezielles Objektiv zur Korrektur von Bildfehlern und einer optimalen Projektion des optischen Signals auf ein CCD-Array nachgeschaltet ist.