DE2056418A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Messung der Durchflußmenge eines gasförmigen Fluides durch eine Leitung - Google Patents

Description

CENTRE NATIONAL DE RECHERCHES METALLURGIQUES,

Association Sans But Lucratif, 4-7, rue Montoyer, Brüssel / BELGIEN

Verfahren und Vorrichtung zur Messung der Durchflußmenge eines gasförmigen Fluides durch eine Leitung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung der Durchflußmenge eines gasförmigen Fluides, besonders geeignet für gasförmige Fluide bei hoher Temperatur und speziell für den die Blasformen eines Hochofens versorgenden heißen Wind.

Die Durchflußmenge eines gasförmigen Fluides, das mit hoher Temperatur in Leitungen jeden beliebigen und vor allem kreisrunden Querschnitts umläuft, wird im allgemeinen mittels herkömmlicher Vorrichtungen wie zum Beispiel durch Membranen, Venturirohre oder Düsen gemessen.

Der Hauptvorteil dieser Vorrichtungen besteht darin, daß an den Anschlüssen des Messelements ein erhöhtes Druckgefälle auftritt, das von einem elektrischen oder pneumatischen Übertrager leicht gemessen werden kann.

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Auf der anderen Seite jedoch gibt es zahlreiche Nachteile:

- beträchtliche DruckVerluste aufgrund der diesen Vorrichtungen eigenen Konstruktion;

- beträchtlicher Platzbedarf in den Leitungen, die oftmals kurz sind und einen mehr oder minder großen Durchmesser haben;

- durch das Verhalten der Bestandteile bei hohen Temperaturen entstehende Probleme, die um so schwieriger zu lösen sind je größer die Masse dieser Vorrichtungen ist;

- Innenzugang ohne vollständige Demontage unmöglich,

so daß eine Anlage kurzzeitig zum Stillstand gebracht werden muß, was häufig mit beträchtlichen Kosten verbunden ist, zu denen noch der durch einen solchen Stillstand bedingte Gewinnausfall hinzugerechnet werden muß;

- hohe Anschaffungskosten der Bauteile für diese Membranen, Venturirohre oder Düsen.

Insbesondere ist in Bezug auf Hochöfen festzustellen, daß die Temperatur des heißen Windes an den Düsen oftmals 95O°C erreicht, wobei von Hüttenfachleuten die Meinung vertreten wird, daß dieser Wert nur noch höher liegen kann, und einige von ihnen sogar von 1100 C und mehr sprechen.

Es gibt eine weitere Methode zur Messung der Winddurchgangsmenge an einer Hochofendüse, die davon ausgeht, daß das Druckgefälle zwischen einmal dem in der Ringleitung vorherrschenden statischen Druck und zum anderen dem an der Düsenspitze anzutreffenden statischen Druck gemessen wird.

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Dieses Verfahren ist einfach und leicht anzuwenden, doch ist das zu messende Druckgefälle niedrig, so dass es notwendig ist, sehr empfindliche Übertragungselemente vorzusehen, welche die Kosten-für eine solche Messung merklich erhöhen.

Die Erfindung betrifft die Zielsetzung, dass Ausmass der vorbeschriebenen Nachteile durch Verwendung einer einfachen und verhältnismässig billigen Vorrichtung weitgehendst zu verringern, deren Messdaten reproduzierbar sind.

Die Erfindung basiert auf dem Prinzip des Darcyschen Rohres gemäss dem!

l) wenn die Öffnung der in der gasförmigen Strömung gelegenen Druckentnahmevorrichtung stromaufwärts zu finden ist, die Summe des statischen und des dynamischen Druckes gemessen wird, und zwar nach der formel

PS + -^-z— (in S.I. Einheiten)

WOBEI: P_s = der statische Druck

Ο = die Volumenmasse des Fluides V = die Geschwindigkeit des Fluides.

2) wenn die öffnung der in der gasförmigen Strömung gelegenen Druck entnahmevorrichtung stromabwärts zu finden ist, die Differenz zwischen dem statischen und dem dynamischen Druck gemessen wird, und zwar nach der Formel

wobei der im allgemeinen als Eohrdurchflusszahl bezeichnete Koeffizient k, der auf experimentellem

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Wege nach Herstellung des Rohres ermittelt werden kann, den'Einfluss von Gegenströmungen berücksichtigt, die vom Rohr selbst an der stromabwärts gelegenen öffnung der Druckentnahmevorrichtung erzeugt werden.

3) sich durch algebraische Subtraktion der beiden vorerwähnten Formeln das Druckgefälle h ergibt

OV²

h = -L (l + k)

d.h. die Druckdifferenz zwischen den Grenzpunkten des Rohres.

Nach dem S.I.-Maßsystem wird dieses Druckgefälle in Pascal ausgedrückt (9·81 Pa = 1 mm H_p0, während die Fallbeschleunigung (g) den Wert von 9·81 m/s ausmacht).

4) wenn das Rohr zur Bestimmung des Koeffizienten K geeicht ist, ausgehend von dieser letztgenannten Formel die Geschwindigkeit des Fluides abgezogen und die Durchflussmenge errechnet werden kann.

Dennoch hat diese Methode noch den Nachteil, dass eine örtliche Geschwindigkeit gemessen wird, d.h. die Geschwindigkeit des Fluides an dem Punkt, wo die Druckabnahme erfolgt, und nicht eine mittlere Geschwindigkeit, die allein die richtige Berechnung der Geschwindigkeit und der Durchflussmenge des Fluides gestattet.

Der Erfindung liegt ebenfalls die Aufgabe zugrunde, diesen Nachteil auszuschalten, d.h. eine weitaus genauere Messung der mittleren Geschwindigkeit des Fluides in der Leitung zu ermöglichen.

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Nach einer in der beigefügten Figur 1 als ein nicht im einschränkenden Sinne zu betrachtendes Beispiel schematisch dargestellten Ausführungsform ist die erfindungsgemässe Vorrichtung im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, dass sie einen länglichen Körper (l) umfasst, der

- einerseits mit zwei kalibrierten Lochreihen (2) und (3) versehen ist, die relativ zur Längsachse (4) des Körpers (l) symmetrisch verlaufen, wobei die Mitten dieser kalibrierten Löcher jeweils zu zweit im gleichen rechten Winkel zur Längsachse (4) zu liegen kommen,

- und andererseits zwei voneinander unabhängige Messkammern (5) und (6) aufweist , die sich auf die volle Länge des Körpers (l) erstrecken und als je eine Kammer pro Reihe mit den kalibrierten Löchern (2) und (3) verbunden sind, wobei diese beiden Kammern jeweils an ihrem Austritt aus dem Körper (l) in eine entsprechende öffnung (7), (8) münden, über welche sie mit einer Messvorrichtung in Verbindung gebracht werden.

Entsprechend einer besonders vorteilhaften abgewandelten Ausführungsform umfasst die erfindungsgemässe Vorrichtung einen ersten als Sonde bezeichneten Abschnitt, der aus dem länglichen Körper (l) mit kalibrierten Löchern (2), (3) und Messkammern (5), (6) besteht, und einen Sondenträger genannten Abschnitt, der einmal zwei mit den Messkammern (5), (6) in Verbindung stehende Austrittsöffnungen (7), (8) aufweist und zum anderen einen konischen Ansatz (9) zur Auflagerung auf dem Sitz einer Stützkonstruktion besitzt, wo die G-esamtanordnung von Sonde und Sondenträger durch einen Riegel verriegelt wird, wobei die Stützkonstruktion fest mit der Leitung verbunden ist, in der das gasförmige !Fluid umläuft, dessen Durchflussmenge gemessen werden soll.

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Ebenfalls erfindungsgemäss sind die Querschnittsabmessungen der Messkammerii (5)> (6) so klein gehalten, wie dies die durch, zufuhr ende Messung erlaubt, dergestalt, dass-die Gesamtanordnung von Sonde und Sondenträger so viele durchgehende Teile wie möglich umfasst und eine monolithische Konstruktion darstellt.

Der Sondenquerschnitt kann von jeder beliebigen Form wie beispielsweise rechteckig, oval, usw. sein, doch ist eine kreisrunde Form vorteilhaft, um durch TemperaturSchwankungen bedingte Einschnürungen soweit wie möglich zu verringern.

Erfindungsgemäss ist es vorteilhaft, die Sonde an der Aussenseite mit Rippen zu versehen, um eine grössere Durchflusszahl zu erhalten und das gemessene Druckgefälle deutlich zu vergrössern.

Um eine übermässige Erhitzung aufgrund der hohen Temperaturen, die von den Gasen erreicht werden, mit denen die Sonde in Kontakt steht, zu vermeiden, ist die Gesamtanordnung von Sonde und Sondenträger innen möglichst mit einem Kühlkreis zur Umwälzung eines Mediums wie zum Beispiel Wasser versehen.

Damit eine Abnahme der Gesamtanordnung von Sonde und Sondenträger möglich ist, ohne den Durchfluss des gasförmigen Fluides unterbrechen zu müssen, dessen Durchflussmenge gemessen werden soll, ist die fest mit der das Fluid führenden Leitung verbundene Sondenträgerstützkonstruktion bevorzugt mit einem beweglichen Hebel (10) mit einem kegelförmigen Abschluss (ll) anstelle des konischen Ansatzes (9) des Sondenträgers versehen.

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Die Sonde besteilt vorzugsweise aus einem Feuerfestmaterial und vor allem aus einem feuerfesten metallischen Material wie beispielsweise der Legierung Mmonic-75 mit folgender chemischer Zusammensetzung:- Ti : 0.2 bis 0.6 #; Ou : max. 0.5 965 Mn : max. 1 #; Si : max. 1 96; 0 : 0.08 bis 0.15 $>\ Fe ι max. 5 #j Or J 18 bis 21 #; Ni s Rest.

Die vorliegende Erfindung betrifft ebenfalls ein Verfahren zur Anwendung der vorbeschriebenen Vorrichtung.

Das erfindungsgemässe Verfahren ist im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, dass die Sonde in die Leitung, in der das gasförmige Fluid umläuft, dessen Durchflussmenge gemessen werden soll, so eingeführt wird, dass die Längsachse der Sonde schräg zur Durchfluss richtung des Fluides verläuft; dass die Sonde so angeordnet wird, dass die eine der beiden kalibrierten Lochreihen für die Druckentnahme oberhalb des Gasstromes zu liegen kommt dergestalt, dass die mit diesen Löchern in Verbindung stehende Messkammer gegen den Strom direkt mit dem Fluid in Kontakt gelangt, während die andere Kammer sich in der genau entgegengesetzten Stellung befindet; dass der Sondenträger auf seiner Stützkonstruktion verriegelt wird; und dass die Austrittsöffnungen der beiden vorerwähnten Kammern mit einer Messvorrichtung verbunden werden, die für die erste Kammer das Mittel der Summen des im Bereich der entsprechenden öffnungen vorherrschenden statischen und dynamischen Druckes anzeigt und für die zweite Kammer das Mittel der Differenzen zwischen dem statischen und dem dynamischen Druck angibt, so dass die Geschwindigkeit des Fluides abgezogen und die Durchflussmenge errechnet werden kann.

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Die Figuren 2 und 3 sind als ein im nicht einschränkenden Sinne zu betrachtendes Beispiel zum "besseren Verständnis des Erfindungsgegenstandes beigefügt.

Die Figur 2 zeigt einen Vertikalschnitt entlang der Längsachse eines Hochofendüsenstocks.

Die Figur 3 stellt einen Querschnitt senkrecht zur Windströmungsrichtung des Hochofendüoenstocks dar.

Aus der Figur 2 sind die metallische Wandung (20) des Düaenstocks sowie die innere feuerfeste Ausmauerung (21) ersichtlich. In diesem Düsenstock strömt der Hochofenwind in der Richtung gemäss dem Pfeil 22.

Zur Messung der Winddurchgangsmenge durch diesen Düsenstock, wird die Sonde (l) so eingeführt, dass ihre Längsachse schräg zur Windströmungsrichtung verläuft.

Diese Sonde umfasst zwei Reihen kalibrierter Löcher (2) und (3), die relativ zur Längsachse (4) der Sonde (l) symmetrisch verlaufen. Die Mitten der kalibrierten Löcher (2) und (3) kommen jeweils zu zweit in rechten Winkeln (12) zur Längsachse (4) zu liegen. Die Sonde besitzt ebenfalls zwei voneinander unabhängige Messkammern (5) und (6), die sich über die volle Länge der Sonde (l) und des Sondenträgers (13) erstrecken und als je eine Kammer pro Reihe mit den kalibrierten Löchern (2) und (3) verbunden sind. Der Sondenträger (13) bildet die Verlängerung der Sonde (l) und umfasst zwei Austrittsöffnungen (7)> (β), die mit den Messkammern (5) und (6) in Verbindung stehen. Et besitzt ebenfalls einen auf einem beweglichen Hebel (10) angeordneten konischen Ansatz (9) zur Auflagerung auf dem Sitz

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(l4) einer Stützkonstruktion (l5) für den Sondenträger. Diese Stützkonstruktion (15) ist mit der Wandung (2C) des Düsenstocks fest verbunden, in dem der Wind zirkuliert, dessen Durohgangsmenge gemessen werden soll, und mit zwei Einschnitten (16) und (17) versehen, in die ein Riegel (18) zur Verriegelung der G-esamtanordnung von Sonde und Sondenträger eingeschoben wird. Die mit den Messkammern (5) und (6) in Verbindung stehenden Austrittsöffnungen (7) und (8) sind zum Anschluss an eine nicht dargestellte Druckmessvorrichtung bestimmt.

Die Sonde (l) wird so in den Düsenstock (20) eingesetzt, dass die Reihe der kalibrierten Löcher (2) der Druckentnahme stromaufwärts von dem durch den Pfeil (22) bezeichneten Grasstrom zu liegen kommt, wodurch die mit diesen Löchern (2) in Verbindung stehende Messkammer (5) gegen den Strom (22) direkt mit dem Wind in Kontakt gelangt. Die andere Messkammer (6) befindet sich in der der Kammer (5) genau entgegengesetzten Stellung. Nach Verriegelung des Sondenträgers (15) auf der zagehörigen Stützkonstruktion (15) mittels des Riegels (l8) werden die Austrittsr öffnungen (7) und (8) mit einer Druckmessvorrichtung verbunden .

Pur die Messkammer (5) ergibt sich somit eine Angabe, welche die Summe des im Bereich der kalibrierten Löcher

(2) vorherrschenden statischen und dynamischen Druckes darstellt, während die Angabe für die Messkammer (6) die Differenz zwischen dem im Bereich der kalibrierten Löcher

(3) anstehenden statischen und dynamischen Druck ist.

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Ausgehend von diesen Angaben können die Geschwindigkeit und die Durchflussmenge des Fluides, wie bereits im Vorstehenden erläutert, leicht errechnet werden. Es gilt als vorausgesetzt, dass die Messvorrichtung mit einer Skala versehen sein kann, deren Skalenteilung die gewünschten Durchflussmengenangaben direkt aufzeigt.

Die erfindungsgemässe Vorrichtung bietet die folgenden Vorteile:

1) durch ihre monolithische Konstruktion und zylindrische Form werden die durch TemperaturSchwankungen bedingten Einschnürungen auf ein Mindestmass beschränkt. In diesem äisammenhang sei erwähnt, dass Einschnürungen aufgrund von Temperaturschwankungen um so stärker sind je heisser die Umgebung ist;

2) durch die Anordnung der Kammern mit vielfach gelochten Entnahmevorrichtungen ergibt sich ein ausreichend hohes Druckgefälle, das von einem leistungsübertrager erfasst werden kann;

3) sie hat kleine Abmessungen xxaä verhindert somit praktisch Druckverluste in der Leitung, in der das gasförmige Fluid umläuft, dessen Durchgangsmenge gemessen werden soll;

4) sie besitzt ein äusserst einfaches, aber dennoch sicheres BefestigungBsystem, das eine leichte Montage und Demontage gestattet, so dass Überprüfungen vorgenommen und Teile ausgewechselt werden können, ohne dass die Anlage stillgelegt werden muss;

5) ihr Preis ist im Vergleich zu den herkömmlichen Einrichtungen für derartige Messungen gering;

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6) sie bietet eine völlig ausreichende Genauigkeit für die vorgesehenen Einsatzzwecke und liefert reproduzierbare Angaben;

7) sie kann erforderlichenfalls mit Kühlung versehen werden, so dass ihr Einsatz auch bei hohen Temperaturen möglich ist.

Dank dieser Vorrichtung ist vor allem eine automatische Regulierung der Einspritzung von Kohlenwasserstoffen in die Blasformen auf einfachem und billigem Wege möglich.

Patentansprüche» 109823/1197

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Claims (10)

1. PATENTANSPRÜCHE:

   py Vorrichtung zur Messung der Durchflußmenge eines gasförmigen Fluides durch eine Leitung, dadurch gekenn zeichnet, daß sie einen länglichen Körper (1) umfaßt, der

   - einerseits mit zwei Reihen kalibrierter Löcher (2) und (3) versehen ist, die relativ zur Längsachse (·+) des Körpers (1) symmetrisch verlaufen, wobei die Mitten dieser kalibrierten Löcher jeweils zu zweit in einem gleichen rechten Winkel zur Längsachse (M-) zu liegen kommen,

   - und andererseits zwei voneinander unabhängige Messkammern (5) und (6) aufweist, die sich auf die volle Länge des Körpers (1) erstrecken und als je eine Kammer pro Reihe mit den kalibrierten Löchern (2) und (3) verbunden sind, wobei diese beiden Kammern jeweils an ihrem Austritt aus dem Körper (1) in eine entsprechende öffnung (7), (8) münden, über welche sie mit einer Messvorrichtung in Verbindung gebracht werden.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet₃ daß sie einen ersten als Sonde bezeichneten Abschnitt, der aus dem länglichen Körper (1) mit kalibrierten Löchern (2), (3) und Messkammern (5), (6) besteht, und einen zweiten, Sondenträger genannten Abschnitt umfaßt, der einmal zwei mit den Messkammern (5), (6) in Verbindung stehende Austrittsöffnungen (7), (8) aufweist und zum anderen einen konischen Ansatz (9) zur Auflagerung auf dem Sitz einer Stützkonstruktion besitzt, wo die Gesamtanordnung von Sonde und Sondenträger durch einen Riegel verriegelt wird, wobei die Stützkonstruktion fest mit der das gasförmige Fluid, dessen Durchflußmenge gemessen werden soll, führenden Leitung verbunden ist.

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3. 3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch ge kennzeichnet» daß die Querschnittsabmessungen der Messkammern (5), (6) so klein gehalten sind, wie dies die durchzuführende Messung erlaubt, dergestalt, daß die Gesamtanordnung von Sonde und Sondenträger so viele durchgehende Teile wie möglich umfaßt und eine monolithische Konstruktion darstellt.
4. 4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch ge kennzeichnet, daß der Sondenquerschnitt von kreisrunder Form ist, um durch TemperaturSchwankungen bedingte Einschnürungen soweit wie möglich zu verringern.
5. 5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch ge kennzeichnet j daß sie an der Außenseite mit Rippen versehen ist, um einen größeren Durchflußkoeffizienten zu erhalten und das gemessene Druckgefälle merklich zu vergrößern.
6. 6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch ge kennzeichnet ₃ daß zur Vermeidung einer übermäßigen Erhitzung aufgrund der hohen Temperaturen, die von den Gasen erreicht werden, mit denen die Sonde in Kontakt steht, die Gesamtanordnung von Sonde und Sondenträger innen mit einem Kühlkreis zur Umwälzung eines Mediums wie zum Beispiel Wasser versehen ist.
7. 7. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch ge kennzeichnet, daß zur Ermöglichung einer Abnahme der Gesamtanordnung von Sonde und Sondenträger, ohne den Durchfluß des gasförmigen Fluides unterbrechen zu müssen, dessen Durchflußmenge gemessen werden soll, die fest mit der das Fluid führenden Leitung verbundene Sondenträgerstützkonstruktion mit einem beweglichen

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   Hebel (10) mit einem kegelförmigen Abschluß (11) anstelle des konischen Ansatzes (9) des Sondenträgers versehen ist.
8. 8. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch ge kennzeichnet _Λ daß die Sonde aus einem Feuerfestmaterial besteht.
9. 9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonde aus einem feuerfesten metallischen Material wie beispielsweise der Legierung Nomonic 75 besteht.
10. 10. Verfahren zur Anwendung der Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet₃ daß die Sonde in die das gasförmige Fluid, dessen Durchflußmenge gemessen werden soll, führende Leitung so eingesetzt wird, daß die Längsachse der Sonde schräg zur Durchflußrichtung des Fluides verläuft; daß die Sonde so angeordnet wird, daß die eine der beiden^ kalibrierten Lochreihen für die Druckentnahme oberhalb des Gasstromes zu liegen kommt dergestalt, daß die mit diesen Löchern in Verbindung stehende Messkammer gegen den Strom direkt mit dem Fluid in Kontakt gelangt, während die andere Kammer sich in der genau entgegengesetzten Stellung befindet; daß der Sondenträger auf seiner Stützkonstruktion verriegelt wird; und daß die Austrittsöffnungen der beiden vorerwähnten Kammern mit einer Messvorrichtung verbunden werden, die für die erste Kammer das Mittel der Summen des im Bereich der entsprechenden öffmungen vorherrschenden statischen und dynamischen Druckes und für die zweite Kammer das Mittel der Differenzen zwischen dem statischen und dem dynamischen Druck angibt, so daß die Geschwindigkeit des Fluides abgezofen und die Durchflußmenge errechnet werden kann.

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