DE4008577A1

DE4008577A1 - Probe for local flow rate measurement - in liq. metal, esp. gas-stirred melts or immiscible melts

Info

Publication number: DE4008577A1
Application number: DE19904008577
Authority: DE
Inventors: Yongkun Xie
Original assignee: MIETZ JUERGEN DR ING
Current assignee: MIETZ JUERGEN DR ING
Priority date: 1989-03-29
Filing date: 1990-03-15
Publication date: 1990-10-18

Abstract

In a device for measuring local flow rates in liq. metals, consisting of a permanent magnet and insulated electrodes fitted outside the permanent magnet, the novelty is that (i) the permanent magnet, is magnetised in a plane perpendicular to the probe axis, (ii) the electrodes are positioned in the plane perpendicular to the magnetisation plane, and (iii) the electrodes project beyond the insulation, the free electrode ends being fitted in the region of the permanent magnet end facing the metal flow. ADVANTAGE - The device provides inambiguous measurements of absolute amounts and directions of three-dimensional flow vectors in liq. metals, even in gas stirred melts and immiscible melts (e.g. metal/slag) allowing detection of mean local flow ra s and turbulent fluctuation it produces measurement signals of sufficient size and transmits the signals to a measuring unit without noise.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Messen der loka len Strömungsgeschwindigkeiten in einem bewegten flüssigen Metall. Insbesondere soll die erfindungsgemäße Einrichtung auch in Zweiphasenströmungen, z. B. in gasgerührten Schmel zen und in Strömungen nichtmischbarer Flüssigkeiten zum Einsatz kommen.The invention relates to a device for measuring the loca len flow velocities in a moving liquid Metal. In particular, the device according to the invention also in two-phase flows, e.g. B. in gas-stirred melt zen and in flows of immiscible liquids for Come into play.

Die metallurgische Verfahrenstechnik befaßt sich mit der Erzeugung der verschiedensten Metalle und Metallegierungen aus dem schmelzflüssigen Zustand. Zur Optimierung der dabei erforderlichen Prozeßschritte ist es notwendig, die Strö mungsvorgänge in der flüssigen metallischen Phase genau zu kennen. Beispiele für konkrete Anwendungsgebiete sind Verbes serungen metallurgischer Vorgänge in Industrieöfen, Gieß pfannen und Stranggußverteilern; Untersuchungen des Strö mungsverhaltens während des Vergießens in Kokillen; Untersu chungen des Einflusses der Strömung hinsichtlich Kristall struktur und Oberflächenbeschaffenheit des Gußstücks sowie Grundlagenuntersuchungen zur Strömung und Turbulenz.Metallurgical process engineering deals with the Production of various metals and metal alloys from the molten state. To optimize the necessary process steps, it is necessary to the Strö processes in the liquid metallic phase know. Verbes are examples of specific areas of application Metallurgical processes in industrial furnaces, casting pans and continuous casters; Investigations of the current behavior during casting in molds; Exam effects of the flow on crystal structure and surface quality of the casting and Basic studies on flow and turbulence.

Da die klassischen Verfahren zur Messung von Strömungsge schwindigkeiten, wie z. B. optische Verfahren oder Heißfilm sonden, für Metalle wegen deren Undurchsichtigkeit und der hohen Schmelztemperaturen nicht anzuwenden sind, müssen hier für andere Meßverfahren eingesetzt werden.Since the classic method of measuring flow ge speed, such as B. optical method or hot film probes, for metals because of their opacity and the high melting temperatures are not to be used here can be used for other measuring methods.

Es ist bekannt, zur Messung von Strömungsgeschwindigkeiten in flüssigen Metallen einen Permanentmagneten einzusetzen (Französisches Patent 19 818, 1979). Das Meßprinzip be ruht auf dem elektromagnetischen Faraday'schen Gesetz. Dieses Gesetz besagt, daß in einem sich quer zu einem Magnet feld mit einer Geschwindigkeit bewegenden elektri schen Leiter ein elektrisches Feld induziert wird, welches senkrecht zur Bewegungsrichtung des Leiters und senkrecht zum Magnetfeld steht. Die elektrische Feld stärke und damit auch die induzierte Spannung sind proportional der Geschwindigkeit des Leiters.It is known to measure flow velocities to use a permanent magnet in liquid metals (French patent 19 818, 1979). The measuring principle be rests on Faraday's electromagnetic law. This Law states that in one is perpendicular to a magnet electric field moving at a speed electrical conductor is induced, which is perpendicular to the direction of movement of the conductor and is perpendicular to the magnetic field. The electrical field strength and thus also the induced voltage proportional to the speed of the conductor.

= × . = ×.

Hierzu befindet sich an der Spitze der Meßsonde ein zylindrischer Permanentmagnet. Das flüssige Metall dient als bewegter Leiter, der durch das Magnetfeld des Per manentmagneten strömt. Dabei wird ein elektrisches Feld induziert, das senkrecht zum Geschwindigkeitsvektor des strömenden Metalls und senkrecht zum Magnetfeld steht. Das induzierte elektrische Feld wird von zwei bzw. vier an der Sonde angebrachten Elektroden registriert.For this purpose, there is a probe at the tip cylindrical permanent magnet. The liquid metal serves as a moving conductor through the magnetic field of the Per magnet flows. This creates an electric field induced perpendicular to the velocity vector of the flowing metal and perpendicular to the magnetic field. The induced electric field is from two or four at the Probe attached electrodes registered.

Grundsätzlich sind zwei Ausführungsformen der Magnetsonden bekannt. Nach der in FR 19 818 beschriebenen Konstruktion ist der an der Spitze der Meßsonde befindliche zylindrische Permanentmagnet axial, d. h. parallel zur Sondenachse magne tisiert. Mit einer solchen sogenannten Transversalsonde können jeweils nur die Strömungskomponenten senkrecht zur Sondenachse erfaßt werden. Bei der Anordnung von zwei Elektroden kann jeweils nur eine Strömungskomponente, bei der Anordnung von vier Elektroden können gleichzeitig beide Strömungskomponenten senkrecht zur Sondenachse bestimmt werden.Basically there are two embodiments of the magnetic probes known. According to the construction described in FR 19 818 is the cylindrical one at the tip of the measuring probe Permanent magnet axial, i.e. H. parallel to the probe axis magne tized. With such a so-called transverse probe can only the flow components perpendicular to Probe axis can be detected. When arranging two Electrodes can only have one flow component at a time the arrangement of four electrodes can do both at the same time Flow components determined perpendicular to the probe axis will.

Im Gegensatz zu dieser Transversalsonde ist nach der in "International Journal Heat and Mass Transfer, Vol. 28, 1985, No. 8, S. 1563/73" beschriebenen Konstruktion der an der Spitze der Meßsonde befindliche zylindrische Permanent magnet diametral, d. h. senkrecht zur Sondenachse magneti siert. Mit dieser sogenannten Axialsonde kann jeweils nur die Strömungskomponente parallel zur Sondenachse, d. h. senkrecht zur Magnetisierungsrichtung erfaßt werden.In contrast to this transversal probe, according to the in "International Journal Heat and Mass Transfer, Vol. 28, 1985, No. 8, pp. 1563/73 "construction described on the Cylindrical permanent tip of the measuring probe magnet diametrically, d. H. perpendicular to the probe axis magneti siert. This so-called axial probe can only the flow component parallel to the probe axis, d. H. perpendicular to the direction of magnetization.

Für die exakte Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeiten ist es notwendig, daß ein eindeutiger Zusammenhang zwischen induzierter Spannung und der Strömungsgeschwindigkeit besteht. Mit der nach FR 19 818 beschriebenen Transversal sonde können nur Strömungsgeschwindigkeiten bis zu etwa 30 cm/s eindeutig erfaßt werden. Während bei Strö mungsgeschwindigkeiten kleiner als 30 cm/s ein linearer Zusammenhang zwischen induzierter Spannung und Geschwindig keit besteht, ist bei höheren Strömungsgeschwindig keiten keine eindeutige Zuordnung der induzierten Spannungen zu einer bestimmten Geschwindigkeit möglich. Das bedeutet, daß mit dieser Transversalsonde für Strömungsgeschwindig keiten größer als ca. 30 cm/s keine eindeutigen Aussagen über die tatsächlichen Geschwindigkeitswerte gemacht werden können.For the exact determination of the flow velocities it is necessary that there is a clear connection between induced voltage and flow velocity consists. With the transverse described according to FR 19 818 only flow velocities up to about 30 cm / s can be clearly detected. While at Strö speeds less than 30 cm / s a linear Relationship between induced voltage and speed speed is higher at higher flow rates no clear assignment of the induced voltages possible at a certain speed. That means, that with this transversal probe for flow rates speeds greater than approx. 30 cm / s no clear statements about the actual speed values can.

Im Gegensatz zu diesen Transversalsonden besteht bei den nach "International Journal Heat and Mass Transfer, Vol. 28, 1985, No. 8, S. 1563/73" beschriebenen Axialsonden eine lineare Beziehung und damit auch eine eindeutige Zuordnung zwischen induzierter Spannung und der Strömungsgeschwindigkeit des Flüssigmetallstromes für Geschwindigkeiten bis zu 1 m/s. Die Elektroden sind hierbei auf halber Höhe des Permanent magneten angeordnet.In contrast to these transversal probes, the "International Journal Heat and Mass Transfer, Vol. 28, 1985, No. 8, pp. 1563/73 "described axial probes a linear Relationship and thus also a clear assignment between induced voltage and the flow velocity of the Liquid metal flow for speeds up to 1 m / s. The electrodes are halfway up the permanent magnets arranged.

Grundsätzlich müßte für eine solche Axialsonde bei einer Strömung, die senkrecht zur Magnetisierungsrichtung und damit parallel zur Sondenachse (α = 0 Grad) verläuft, die induzierte Spannung einen Maximalwert aufweisen, während bei Anström winkeln, die ungleich 0 Grad sind, die induzierten Spannungen niedriger sein müßten. Die Abhängigkeit der induzierten Spannung müßte einem Cosinus-Gesetz nachBasically, for such an axial probe, the induced voltage should have a maximum value for a flow that is perpendicular to the direction of magnetization and thus parallel to the probe axis ( α = 0 degrees), whereas for induced currents that are not equal to 0 degrees, the induced voltages should be lower ought to. The dependence of the induced voltage would have to follow a cosine law

U = U _o cos (α) U = U _o cos ( α )

gehorchen, wobei α der Anströmwinkel, U _o die induzierte Spannung bei einem Anströmwinkel von 0 Grad und U die gemes sene Spannung bei einem beliebigen Anströmwinkel ist. Die be kannten Axialsonden haben aber eine andere Winkelcharakteri stik. Bei ihnen tritt bei paralleler Anströmung ein relatives Minimum der induzierten Spannung auf, während im Bereich von Anströmwinkeln von ± 40 Grad Maximalwerte auftreten. Dadurch können keine eindeutigen Aussagen über den Anströmwinkel und die Geschwindigkeit gemacht werden.obey, where α is the incident angle, U _{o is} the induced voltage at an incident angle of 0 degrees and U is the measured voltage at any incident angle. The known axial probes have a different angular characteristic. In the case of parallel flow, a relative minimum of the induced voltage occurs, while maximum values occur in the range of flow angles of ± 40 degrees. As a result, no clear statements can be made about the angle of attack and the speed.

Befindet sich die Sonde innerhalb eines äußeren elektro magnetischen Feldes, wie es zum Beispiel in einem Induktions ofen der Fall ist, oder liegen starke Schwankungen der Netz spannung vor, so treten mit den bisher bekannten Verfahren starke Störungen des Meßsignals auf, was eine reguläre Messung unmöglich macht.The probe is inside an external electro magnetic field, such as in an induction oven is the case, or there are large fluctuations in the network voltage, occur with the previously known methods strong disturbances of the measurement signal on what is a regular Makes measurement impossible.

Bei dem Verfahren und der Einrichtung nach Patent DE 26 32 042 handelt es sich um die Messung integraler Geschwindigkeits werte. Für die Bestimmung lokaler Geschwindigkeitsvektoren sind die dort beschriebenen Sonden nicht einzusetzen.In the method and the device according to patent DE 26 32 042 is the measurement of integral speed values. For the determination of local speed vectors the probes described there are not to be used.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung bzw. Sonde zu entwickeln, mit der auch bei höheren Geschwin digkeiten eindeutige Ergebnisse über Absolutbeträge und Richtungen dreidimensionaler Strömungsvektoren in flüssigen Metallen insbesondere auch bei gasgerührten Schmelzen (Zweiphasenströmung) und nicht mischbaren Flüssigkeiten wie z. B. Metall/Schlacke ermittelt werden können. Die Einrichtung soll sowohl mittlere lokale Strömungs geschwindigkeiten als auch turbulente Schwankungsgrößen erfassen. Aufgabe der Erfindung ist es auch, ein Meßsignal ausreichender Größe zu erzeugen und weitgehend rauschfrei an ein Meßgerät zu übertragen.The invention has for its object a device or to develop a probe with which even at higher speeds clear results about absolute amounts and Directions of three-dimensional flow vectors in liquid Metals, especially in gas-stirred melts (Two-phase flow) and immiscible liquids such as B. metal / slag can be determined. The facility is designed to have both medium local flow speeds as well as turbulent fluctuations to capture. The object of the invention is also a measurement signal to generate sufficient size and largely noise-free to be transmitted to a measuring device.

Völlig überraschend wurde gefunden, daß für Messungen von Strömungsgeschwindigkeiten in flüssigen Metallen parallel zur Sondenachse, d. h. für sogenannte Axialsonden, eine Einrichtung mit einer von der bisherigen Konstruktion abwei chenden Bauweise geschaffen werden kann.Completely surprisingly, it was found that for measurements of Flow velocities in liquid metals in parallel to the probe axis, d. H. for so-called axial probes, one Furnishing with a deviating from the previous construction appropriate construction can be created.

Die erfindungsgemäße Einrichtung weist zwei Elektroden an dem der Strömungsrichtung zugewandten Ende auf. Dabei sind die Elektroden in der Ebene angeordnet, die auf der der Magnetisierungsrichtung entsprechenden Ebene senkrecht steht. Um das für die Turbulenzmessungen erforderliche hohe Signal- Rausch-Verhältnis zu erreichen, ist eine kapazitive Filter stufe zwischen die Meßsonde, d. h. die beiden Elektroden, und das Spannungsmeßgerät geschaltet. Außerdem sind alle elek trischen Bauteile von der Netzspannung über einen Trenntrans formator galvanisch getrennt. Dieser Meßaufbau ist erfin dungsgemäß so optimiert, daß einerseits Störsignale herausgefiltert werden, andererseits die turbulenten Strö mungsanteile insbesondere auch bei Zweiphasenströmungen und nicht mischbaren Flüssigkeiten weitgehend unverfälscht gemessen werden.The device according to the invention has two electrodes the end facing the flow direction. Are the electrodes are arranged in the plane on which the Magnetization direction corresponding plane is perpendicular. In order to achieve the high signal required for the turbulence measurements Reaching noise ratio is a capacitive filter step between the measuring probe, d. H. the two electrodes, and switched the voltage measuring device. In addition, all are electrical electrical components from the mains voltage via an isolating trans formator galvanically isolated. This setup is invented optimized in accordance with the invention so that on the one hand interference signals are filtered out, on the other hand the turbulent flows proportions especially in two-phase flows and immiscible liquids largely unadulterated be measured.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbeson dere darin, daß die durch die Strömung eines flüssigen Metalls induzierte Spannung direkt ohne Störung zwischen den beiden Elektroden gemessen werden kann. Dadurch können die Anströmwinkel und die Geschwindigkeiten eindeutig bestimmt werden. Besonders für Untersuchungen turbulenter Schwan kungsgrößen besteht ein weiterer Vorteil der Erfindung darin, daß ein rauscharmes Meßsignal vorliegt, so daß exakte Aussagen über den zeitlichen Verlauf der Strömungs geschwindigkeiten gemacht werden können.The advantages achieved with the invention are in particular another in that the flow of a liquid Metal induced voltage directly without interference between the both electrodes can be measured. This allows the Angle of attack and the speeds clearly determined will. Especially for studies of turbulent swans sizes is another advantage of the invention in that there is a low-noise measurement signal, so that exact statements about the time course of the flow speeds can be made.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigtAn embodiment of the invention is in the drawing shown and is described in more detail below. It shows

Fig. 1 perspektivische Ansicht einer Ausführungsform, Fig. 1 perspective view of one embodiment,

Fig. 2 Achsschnitt einer Meßsonde (Schnitt parallel zur Achse der Meßsonde), Fig. 2 axial section of a measuring probe (section parallel to the axis of the probe),

Fig. 3 Radialschnitt einer Meßsonde (Schnitt senkrecht zur Achse der Meßsonde, Fig. 3 radial section of a measuring probe (section perpendicular to the axis of the measuring probe,

Fig. 4 Blockschaltbild der Meßeinrichtung, Fig. 4 is a block diagram of the measuring device,

Fig. 5 Spannungsverlauf ohne kapazitiven Filter, Fig. 5 voltage curve without capacitive filters,

Fig. 6 Spannungsverlauf mit kapazitiven Filter, Fig. 6 voltage curve with capacitive filter,

Fig. 7 Kalibrierungskurve für eine Axialsonde, Fig. 7 Calibration curve for an axial probe,

Fig. 8 Kalibrierungskurve für eine Transversalsonde, Fig. 8 Calibration curve for a transversal probe,

Fig. 9 Spannungsverlauf bei einer Zwei-Phasen-Strömung, Fig. 9 voltage curve in a two-phase flow,

Fig. 10 Vergleich der Winkelabhängigkeit der neuen Axial sonde mit der der bisher bekannten Ausführung, Fig. 10 Comparison of the angular dependence of the new Axial probe with the previously known design,

Fig. 11 Spannungsverlauf in einer turbulenten Ein-Phasen- Strömung, Fig. Voltage curve 11 in a turbulent one-phase flow,

Fig. 12 in einer senkrechen Ebene eines zylindrischen Gefäßes gemessenes Strömungsfeld einer gas gerührten Metallschmelze. Fig. 12 flow field of a gas-stirred molten metal measured in a vertical plane of a cylindrical vessel.

Eine Meßsonde nach der Erfindung ist als perspektivische Ansicht in Fig. 1, als Schnitt parallel zur Achse der Meß sonde in Fig. 2 und als Schnitt senkrecht zur Achse der Meß sonde in der Ebene AA aus Fig. 2 in Fig. 3 dargestellt. Zur Bestimmung der Geschwindigkeit des Flüssigmetallstromes 1 ist in den Sondenhalter 2 der Permanentmagnet 3 eingesetzt. Der Permanentmagnet 3 ist diametral magnetisiert. An der Spitze des Permanentmagneten 3 ist eine strömungs günstig geformte Spitze 4 angebracht. An dem der Sonden spitze 3 zugewandten Ende des Permanentmagneten 3 sind zwei Elektroden 5 in einem Winkel von 180 Grad angebracht und bil den mit der Magnetisierungsrichtung (N-S in Fig. 3) Winkel von jeweils 90 Grad. Die beiden Elektroden 5 werden in zwei elektrisch nicht leitenden Keramikröhrchen geführt. Die Elektrodenzuleitungen 7 verlaufen dann ebenfalls in den Keramikröhrchen 6.A measuring probe according to the invention is shown as a perspective view in Fig. 1, as a section parallel to the axis of the measuring probe in Fig. 2 and as a section perpendicular to the axis of the measuring probe in the plane AA of Fig. 2 in Fig. 3. The permanent magnet 3 is inserted into the probe holder 2 to determine the speed of the liquid metal stream 1 . The permanent magnet 3 is magnetized diametrically. At the tip of the permanent magnet 3 a streamlined tip 4 is attached. At the probe tip 3 facing end of the permanent magnet 3 , two electrodes 5 are attached at an angle of 180 degrees and bil with the magnetization direction (NS in Fig. 3) angle of 90 degrees. The two electrodes 5 are guided in two electrically non-conductive ceramic tubes. The electrode leads 7 then also run in the ceramic tubes 6 .

In einem Ausführungsbeispiel der Meßsonde betragen die Abmessungen: der zylindrische Permanentmagnet 3 hat einen Durchmesser von 3 mm und eine Länge von 5 mm, der Sonden halter 2 hat einen Außendurchmesser von 4 mm und einen Innendurchmesser von 3 mm, die Elektroden 5 haben einen Durchmesser von 0,2 mm und die Keramikröhrchen 6 haben einen Außendurchmesser von 0,5 mm und einen Innendurchmesser von 0,2 mm.In one embodiment of the measuring probe, the dimensions are: the cylindrical permanent magnet 3 has a diameter of 3 mm and a length of 5 mm, the probe holder 2 has an outer diameter of 4 mm and an inner diameter of 3 mm, the electrodes 5 have a diameter of 0.2 mm and the ceramic tubes 6 have an outer diameter of 0.5 mm and an inner diameter of 0.2 mm.

Der Sondenhalter 2 und die Sondenspitze 4 bestehen aus unmag metischem und bis zu Temperaturen von 700°C beständigen Werkstoff, wie z. B. Edelstahl. Der Permanentmagnet 3 besteht aus einem bis zu 350°C beständigen Magnetwerkstoff, wie z. B. VACOMAX 225. Als Elektroden 5 und Elektrodenzulei tungen 7 dienen Kupferdrähte. Die Keramikröhrchen 6 be stehen aus gesintertem Aluminiumoxid.The probe holder 2 and the probe tip 4 consist of unmag metallic and up to temperatures of 700 ° C resistant material such. B. stainless steel. The permanent magnet 3 consists of up to 350 ° C resistant magnetic material, such as. B. VACOMAX 225. Copper electrodes serve as electrodes 5 and electrode leads 7 . The ceramic tubes 6 are made of sintered aluminum oxide.

Die Fig. 4 zeigt ein schematisches Blockschaltbild der Meß einrichtung. Die Elektroden des Elektrodenpaares 5 sind über die Elektrodenzuleitungen 7 an eine kapazitive Filterstu fe 8 angeschlossen. Von dort gibt es eine Verbindung mit einem hochauflösenden und hochempfindlichen Voltmeter 9 a, das im Nanovoltbereich messen muß. Aufgrund der niedrigen Größenordnung der induzierten Spannungen können nur bei Verwendung eines Spannungsmeßgerätes im Nanovoltbereich Geschwindigkeitsfluktuationen überhaupt erfaßt werden. Die Spannungswerte werden vom Voltmeter 9 a über einen Analog- Digital-Wandler 9 b an einen Rechner 10 übergeben, wo die Meßwertverarbeitung und -auswertung erfolgt. Alle elektri schen Bauteile sind von der Netzspannung über einen Trenn transformator 11 galvanisch getrennt. Durch die kapazitive Filterstufe 8 und den Trenntransformator 11 wurde die Meßeinrichtung so optimiert, daß einerseits Störsignale herausgefiltert werden, andererseits die turbulenten Strö mungsanteile weitgehend unverfälscht gemessen werden. Fig. 4 shows a schematic block diagram of the measuring device. The electrodes of the pair of electrodes 5 are connected via the electrode leads 7 to a capacitive filter stage 8 . From there, there is a connection with a high-resolution and highly sensitive voltmeter 9 a , which must measure in the nanovolt range. Due to the low order of magnitude of the induced voltages, speed fluctuations can only be detected when using a voltage measuring device in the nanovolt range. The voltage values are transferred from the voltmeter 9 a via an analog-digital converter 9 b to a computer 10 , where the measured value processing and evaluation takes place. All electrical components are galvanically isolated from the mains voltage via an isolating transformer 11 . Through the capacitive filter stage 8 and the isolating transformer 11 , the measuring device has been optimized so that, on the one hand, interference signals are filtered out, and on the other hand, the turbulent flow components are measured largely unadulterated.

Die Fig. 5 zeigt für die neuentwickelten Axialsonden den gemessenen Spannungsverlauf 12 in einem Induktionsofen ohne kapazitive Filterstufe zwischen der Sonde und dem Spannungsmeßgerät. Zum Zeitpunkt 13 wurde der Induktions ofen eingeschaltet. Der Spannungsverlauf 12 zeigt ab diesem Zeitpunkt 13 ein starkes Rauschen des Meßsignals. Bei Verwendung einer zwischengeschalteten kapazitiven Fil terstufe erhält man eine wesentlich bessere Signalqualität, wie der Spannungsverlauf 14 in Fig. 6 zeigt. Das Einschalten des Induktionsofens erfolgte zum Zeitpunkt 15. Das Signal zeigt kaum einen Unterschied zwischen den Zuständen mit und ohne äußerem elektromagnetischen Feld. FIG. 5 shows, for the newly developed axial probes the measured voltage curve 12 in an induction furnace without capacitive filter stage between the probe and the voltmeter. At time 13 , the induction oven was turned on. From this point in time 13, the voltage curve 12 shows a strong noise of the measurement signal. If an intermediate capacitive filter stage is used, a significantly better signal quality is obtained, as the voltage curve 14 in FIG. 6 shows. The induction furnace was switched on at time 15 . The signal shows little difference between the states with and without an external electromagnetic field.

Fig. 7 zeigt den gemessenen Zusammenhang 16 zwischen indu zierter Spannung und der Strömungsgeschwindigkeit für eine Axialsonde. Diese Abhängigkeit wurde in einem Kalibrierungs kanal gemessen. Es ergibt sich eine gute Annäherung durch eine Gerade, die durch den Nullpunkt verläuft. Aus der Steigung der Geraden ergibt sich der Kalibrierungsfaktor der Sonde. Fig. 7 shows the measured relationship 16 between induced voltage and the flow rate for an axial probe. This dependency was measured in a calibration channel. There is a good approximation by a straight line that runs through the zero point. The calibration factor of the probe results from the slope of the straight line.

Fig. 8 zeigt den in einem Kalibrierungskanal gemessenen Zusammenhang 17 zwischen induzierter Spannung und der Strömungsgeschwindigkeit für eine Transversalsonde. Eine lineare Beziehung zwischen Spannung und Geschwindigkeit besteht nur bis zu Geschwindigkeiten von ca. 25-30 cm/s. Bei höheren Strömungsgeschwindigkeiten tritt das Problem auf, daß die Spannung insbesondere im Bereich von etwa 32-40 cm/s wegen des auftretenden Maximums nicht mehr eindeutig einer bestimmten Geschwindigkeit zugeordnet werden kann. Fig. 8 shows the measured in a calibration channel connection 17 between the induced voltage and the flow rate for a transversal probe. A linear relationship between tension and speed only exists up to speeds of approx. 25-30 cm / s. At higher flow velocities, the problem arises that the voltage, in particular in the range of approximately 32-40 cm / s, can no longer be clearly assigned to a specific velocity due to the maximum occurring.

Fig. 9 zeigt für die neuentwickelte Axialsonde und die Meßanordnung nach Fig. 4 den zeitlichen Verlauf des Meßsignals 18 in einer Zwei-Phasen-Strömung (Gas-Flüssig keit). Über einem leicht positiven Grundniveau der Spannungs werte sind in regelmäßigen Abständen, welche der Blasenfre quenz entsprechen, Spannungsänderungen zu beobachten. Es lassen sich zwei Arten von Spannungsänderungen unterscheiden, die als Typ 19 und Typ 20 bezeichnet werden. Fig. 9 shows for the newly developed axial probe and the measuring arrangement according to Fig. 4, the time course of the measurement signal 18 in a two-phase flow (gas-liquid speed). Above a slightly positive basic level of the voltage values, voltage changes can be observed at regular intervals, which correspond to the bubble frequency. Two types of voltage changes can be distinguished, which are referred to as type 19 and type 20 .

Die Spannungsspitzen vom Typ 19 liegen im Voltbereich. Es zeigte sich, daß diese Spannungsspitzen ausschließlich auf Effekte beim Blasendurchgang zurückzuführen sind. Die Spannungsspitzen vom Typ 20 liegen im Mikrovoltbereich. In der unmittelbaren Nähe aufsteigender Gasblasen wird das Metall beschleunigt. Wenn also eine Blase nahe der Sonde aufsteigt, ergibt sich eine erhöhte Spannung. Der verfälschende Einfluß der Spannungsspitzen vom Typ 19 kann über entsprechende Auswertesoftware ausgefiltert wer den.The type 19 voltage peaks are in the volt range. It was shown that these voltage peaks are exclusively due to effects during the passage of the bubbles. The type 20 voltage peaks are in the microvolt range. The metal is accelerated in the immediate vicinity of rising gas bubbles. So when a bubble rises near the probe, there is an increased voltage. The distorting influence of the voltage peaks of type 19 can be filtered out using the appropriate evaluation software.

Fig. 10 zeigt für die Axialsonden die Abhängigkeit der indu zierten Spannung vom Anströmwinkel der Flüssigkeit. Die Werte 21 geben die Verhältnisse mit den bisher bekannten Sonden wieder. Gleichzeitig ist auch die zu erwartende Cosinus-Funk tion 22 eingetragen. Die mit dieser Sondenausführung erziel ten Werte lassen keine eindeutigen Aussagen über den Anström winkel und die Geschwindigkeit zu. Die Werte 23 zeigen die Messungen mit der neu entwickelten Sondenausführung. Hierbei ist auch wieder die Cosinus-Beziehung 24 eingezeichnet. Die Meßwerte lassen sich ziemlich genau mit dieser Funktion 24 beschreiben. Fig. 10 shows for the axial probes the dependence of the induced voltage on the incident angle of the liquid. The values 21 reflect the conditions with the probes known to date. At the same time, the expected cosine function 22 is also entered. The values achieved with this probe design do not allow any clear statements to be made about the angle of attack and the speed. The values 23 show the measurements with the newly developed probe design. Here, the cosine relationship 24 is again drawn. The measured values can be described quite precisely with this function 24 .

Fig. 11 zeigt für die neuen Axialsonden den gemessenen Spannungsverlauf 25 in einer einphasigen turbulenten Strömung. Die hier gefundenen Geschwindigkeitsfluktuationen können nur durch ein weitgehend rauschfreies Meßsignal, wie es durch die Meßanordnung gemäß Fig. 4 ermöglicht wird, erfaßt werden. Fig. 11 shows the measured axial probes for the new voltage curve 25 in a single-phase turbulent flow. The speed fluctuations found here can only be detected by a largely noise-free measurement signal, as is made possible by the measurement arrangement according to FIG. 4.

In Fig. 12 ist als Beispiel einer Anwendung das mit der in Fig. 1, 2 und 3 gezeigten Magnetsonde und der Meßanordnung nach Fig. 4 ausgemessene Strömungfeld einer gasgerührten Metallschmelze in einer senkrechten Schnittebene eines zylindrischen Gefäßes wiedergegeben. Die eingezeichneten Pfeile geben die gemessenen Strömungsvektoren in Betrag und Richtung an. Dabei ist die Länge der Pfeile ein Maß für den Betrag des zeitlichen Mittelwertes der Strömungsge schwindigkeit entsprechend dem eingezeichneten Maßstab.In FIG. 12, as an example of an application, the flow field of a gas-stirred molten metal measured with the magnetic probe shown in FIGS . 1, 2 and 3 and the measuring arrangement according to FIG. 4 is shown in a vertical sectional plane of a cylindrical vessel. The arrows show the measured flow vectors in magnitude and direction. The length of the arrows is a measure of the amount of the time average of the speed of the flow according to the scale drawn.

Claims

Device for measuring local flow velocities in liquid metals consisting of a permanent magnet and insulated electrodes attached outside the permanent magnet, characterized in that the permanent magnet is magnetized in a plane perpendicular to the probe axis, the electrodes are arranged in the plane perpendicular to the magnetization plane, the electrodes over the insulation protrude and the free electrode ends are attached in the region of the end of the permanent magnet facing the flow.