JPH0229990B2 - Gasuryusokusokuteihoho - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は、高炉内ガスのような高温で粉塵を多
量に含むガス流速測定方法に関するものである。
更に詳しくは、本発明は、被測定流体中に置かれ
加熱体からの対流熱伝達量から流速を測定するガ
ス流速測定方法に関するものである。

〔従来技術〕

従来より流体の流速測定方法としては、ピトー
管に代表される差圧式や熱線流速計が用いられて
いるが、これらの方法では、高温で粉塵を多量に
含む流体に対しては、測定孔の塞りや熱線の破損
が発生し、測定が困難であつた。

これに対し、特開昭57−106867号、特開昭53−
54072号、特開昭54−118881号等に見られるよう
に、被測定流体中に十分な機械的強度をもつた加
熱体をプローブとして挿入し、加熱体温度をガス
温度に対して一定温度差にコントロールし、加熱
体からの放散伝熱量を加熱体の冷却速度あるいは
加熱体への供給パワーを測定することにより流速
を求めるようにした方法が提案されている。

しかしながら、これらの方法は、測定ガス温度
が400℃以上になると、第１１図に示すようにプ
ローブからの放射伝熱量が増加するため、誤差が
大きくなるという問題がある。すなわち、流速に
関係する伝熱量は対流伝達量であり、流速に関係
しない放射伝熱量の増加は測定誤差になつてく
る。

実際、加熱体を径Ｄ、長さＬの円柱と仮定する
と、対流伝熱フラツクスQ_cは、(1)式で表わされ
る。

Q_c＝hA（T_s−T_g） ……(1) ただし、 T_s＝表面温度、T_g＝ガス温度 ｈ＝ｋ／Ｄｆ（Re，Pr）対流熱伝達係数 ｋ＝境膜熱伝導度、R_e＝レイノルズ数、 P_r＝プラントル数、Ａ＝伝熱面積 ｈの具体的な形は、例えば0.1＜R_e＜10³に対し
て ｈ＝ｋ／Ｄ（0.35＋0.47R_e ^0.52）P_r ^0.3 （化学工学便覧P279） また、放射伝熱フラツクスについては、(2)式で
表わされる。

Q_rσAFε（T_s ⁴−T_g ⁴） ……(2) ただし、 σ＝ステフアンボルツマン定数 Ｆ＝形態係数 ε＝放射率 ここで、 Ｄ＝5〓，Ｌ＝20mm，T_s−T_g＝100℃とすると、 Q_r／Q_c２〜2.5 （T_g＝600℃，Ｖ＝4m／Ｓ） となる。従つて、400℃以上の高温流体の風速を
測定するためには、この放射伝熱誤差を低減させ
なければならない。

他方、放射伝熱効果を除く方法として特開昭48
−66477号が提案されている。この方法は、被測
定流体中の加熱体を２つの異なる温度T_a，T_bに
コントロールするための供給熱量Q_a，Q_bおよび
加熱体の表面温度T_a，T_bを測定し、対流熱伝達
係数α_cを(3)式で計算から求めようとするものであ
る。

α_c＝σεT_a ⁴−T_b ⁴／T_a−T_bK₁＋１／ＡQ_a−Q_b／T_a−T
_bK₂……(3) この方法の欠点としては次の点が挙げられる。

１つの測定に対し２つの温度T_a，T_bを設定
し、熱平衡状態から各データQ_a，Q_b，T_a，T_b
を測定する必要があり、測定時間が大きくな
る。

加熱体の表面温度の絶体値T_a，T_bを正確に
測定する必要があるが、高温下で放射伝熱の影
響を受けず加熱体表面温度を正確に測定するこ
とは実際上難かしい。放射の影響を最小にする
ためには細い熱電対を使用する必要があるが、
この場合耐久性に問題が生ずる。

(3)式中に、正確な値の評価が困難な放射率ε
が直接入つていること、補正係数K₁，K₂の評
価方法が明確でない。

〔発明の目的〕

本発明は、このような従来技術における問題点
や欠点に鑑みてなされたもので、その目的は、放
射熱伝達量を低減させ、被測定ガスの温度が400
℃以上の高温度であつても、正確な流速測定を行
なうことのできる方法を実現しようとするもので
ある。

〔発明の概要〕

このような目的を達成するための本発明方法
は、加熱ヒータと第１の測温センサーとを内蔵し
た加熱体プローブ、加熱ヒータと第２の測温セン
サーとを内蔵し前記加熱体プローブを部分的に２
重構造となるように囲んだ外側放射シールド体、
第１の測温センサーからの信号と第２の測温セン
サーからの信号を入力し外側放射シールド体の温
度を内側加熱体プローブの温度に等しくなるよう
に各加熱体に与える電力量を制御するコントロー
ル手段とを具備した点に構成上の特徴がある。

〔発明の実施例〕

第１図は、本発明の実施例を説明するための構
成説明図である。図において、１は加熱体プロー
ブで、この中に、加熱ヒータ１１と、第１の測温
センサー１２とを内蔵している。２は加熱体プロ
ーブ１を部分的に囲んで２重構造となるように設
置した外側放射シールド体で、この中に、加熱ヒ
ータ２１と、第２の測温センサー２２とを内蔵し
ている。３は第１の測温センサー１２からの信号
と、第２の測温センサー２２からの信号とを入力
し、放射シールド体２の温度（t₂）を、加熱体プ
ローブ１の温度（t₁）に等しくなるように各加熱
体に与える電力量を制御するコントローラ、４は
プローブの加熱、冷却特性（例えば冷却時定数）
から被測定ガスの流速を求めそれを指示する演算
指示計である。

本発明に係る方法においては、外側放射シール
ド体２の表面温度（t₂）を内側加熱体プローブ１
の表面温度（t₁）と同じにコントロールするもの
で、これによつて、内側加熱体プローブ１からの
放射伝熱量を低減して、放射伝熱による測定誤差
を所望する誤差内に抑える点に特徴がある。以
下、この点について説明する。

２重構造プローブの放射伝熱フラツクスQ_r,w
は、反射を考慮したHottelの直接交換面積の概
念から、第１図を参考にして(4)式で表わされる。

Q_r,w＝₁₂〓（T₁ ⁴−T₂ ⁴） ＋₁₃〓（T₁ ⁴−T_g ⁴ ……(4) 従つて、T₁＝T₂とすれば、(4)式は(5)式の通り
となる。

Q_r,w＝₁₃〓（T₁ ⁴−T_g ⁴） ……(5) ここで、 ₁₃ ＝Ｆ（F₁₂，F₁₃，F₂₃，ε₁，ε₂，A₁，A₂） F_ij＝面ｉ，ｊの形態係数 ε_i＝面ｉの放射率 A_i＝面ｉの伝熱面積 T₁＝プローブの温度 T_g＝ガス温度 Q_r,w＝シールドがある場合の放射伝熱フラツク
ス いま、第１図において、外側放射シールド体２
に設けられている被測定ガスが流入、流出する開
口部２０の開口面積を小さくすれば、形態係数
F₁₃，F₂₃は小さくなり、放射伝熱フラツクスは対
流伝熱フラツクスQ_cに比較して無視しうるほど
小さくできる。この場合、表面温度T₁，T₂を等
しくすればよく、必ずしも表面温度の絶対値を測
定する必要はない。

第２図は本発明を実施するための装置の要部の
構成例を示す斜視図、第３図はその断面図であ
る。この実施例においては、内側の加熱体プロー
ブ１および外側シールド体２を、いずれも等しい
線径ｄの線状加熱体をコイル状に巻き、その巻径
をそれぞれ２・R₁，２・R₂、巻き長さをＨにし
て、同心円筒状に固定設置したものである。ま
た、外側シールド体２の外側に、更に温度コント
ロールなしの放射シールド円筒５を設置したもの
である。この放射シールド円筒５は、外側シール
ド体２の放射伝熱量をできるだけ低減する役目を
している。

第４図は、第２図において、内側の加熱体プロ
ーブ１および外側シールド体２を構成している線
状加熱体の側面図、第５図はその断面図である。
この線状加熱体は、シースヒータ６１および測温
センサーとしてのシース熱電対６２を内蔵し、こ
れらの周囲にMgOを充填させたシース構造とな
つており、耐久性を確保している。なお、熱伝対
６２の温度接点（測温部）６３は、対称性等を考
慮して中央部付近に位置している。

内側加熱プローブ１と、外側放射シールド体２
とを、いずれも、このような構造の線状加熱体を
用いて構成すると、次のような利点が生ずる。

内側プローブ１と外側シールド体２の時定数
を巻き径にかかわらず等しくでき、長さＨをわ
ずかに変えることにより、外側シールド体２の
時定数を内側プローブ１のそれより多少小さく
することが可能である。このように設定するこ
とにより、外側シールド体２の温度コントロー
ルを加熱のみで内側プローブ１の温度に追随さ
せることができる。

一定電流を流すことにより内側プローブ１及
び外側シールド体２の内部温度分布を同じくす
ることができ、表面温度T_sを内部温度で精度
よく管理できる。

第２図及び第３図に示す構造において、外側シ
ールド体２の温度（t₂）を内側加熱体プローブ１
の温度（t₁）と等しくなるように制御すると、内
側加熱体プローブ１からの放射伝熱量Q_r,wは、(6)
式で表わせる。

Q_r,w＝_1g（F₁₁，F₁₄，F₂₃，F₂₅， F₃₃，F₃₅，ε，ε_s，A₁，A₁′，A₂） σ（T⁴−T_g ⁴） ……(6) 他方、シールドがない場合の放射伝熱量Q_r,w/p
は、(7)式となる。

Q_r,w/p＝_1g（F₁₁，F₁₄，A₁，A₁′，A₂，ε） σ（T⁴−T_g ⁴） ……(7) ここで、形態係数F_ijは、A_iF_ij＝A_iF_ji， 〓ⁱ F_ij＝
１（閉空間）の関係をもち、パラメータR₂／R₁，
Ｈ／R₁の関数であつて、計算で求めることが可
能である。

ここで、Q_r,w，Q_r,w/pを具体的に求めると(8)式
及び(9)式の通りとなる。

Q_r,w＝A₂ε｛F₂₅〔１−（１−ε_s）F₃₃〕＋（１
−ε_s）F₂₃・F₃₅／１−（１−ε_s）F₃₃−（１−ε）（
１−ε_s）F₃₂・F₂₃ ＋2A′₁／A₂＋（A₁／A₂）F₁₄／１−（１−ε）
F₁₁｝σ（T⁴−T_g ⁴）……(8) Q_r,w/p＝A₂ε｛１＋2A′₁／A₂＋（A₁／A₂）F₁₄／
１−（１−（１−ε）F₁₁｝σ（T⁴−T_g ⁴）……(9) ここで、 F₁₄＝A₄／A₁｛√²−４−（Ｘ−２）｝ F₁₁＝１＋（A₄／A₁）｛√₂−４−（Ｘ−２）｝ Ｘ＝２＋Ｈ／R₁−ｄ F₃₂＝１／Ｒ−１／πR｛cos^-1（Ｂ／Ａ）−１／2L〔
√（＋２）²−（2）²・cos^-1（Ｂ／RA＋Bsin^-1（１
／Ｒ−πA／２〕｝ F₃₅＝１−F₃₂−F₃₃ F₂₃＝（A₃／A₂）F₃₂ F₂₅＝１−F₂₃ Ｒ≡R₂／R₁，Ｌ≡Ｈ／R₁，Ａ＝L² ＋R²−１，Ｂ＝L²−R²＋１ である。

第６図は、パラメータＲ≡R₂／R₁と、Ｌ≡
Ｈ／R₁について、放射伝熱低減効果（Q_r,w／Q_r,w/p）を 示した線図である。ここでは、いずれも放射率ε_s
＝ε0.5を仮定したものであつて、２重シールドタ
イプより20％〜50％に放射伝熱量を低減できるこ
とが分かる。

第７図は、２重シールドタイプの放射伝熱フラ
ツクスと対流伝熱フラツクスの比を示す線図であ
る。ここで、例えばガス温度600℃の場合、Ｒ≡
R₂／R₁＝1.5，Ｌ＝Ｈ／R₁＝６の設定すれば、
Q_r,w／Q_cを10％以下にできることが分かる。ま
た、放射率に関しては、内側プローブの放射率ε
は小さければ小さいほど、外側放射シールドの放
射率ε_sは大きければ大きいほど放射シールド効果
が大きいと言える。

第８図は、本発明により風速測定を行なうため
の電気的な接続図である。コントローラ３は、電
流コントロール回路３１、切換スイツチS_p及び
100V電源に接続されているスライダツク３２で
構成されている。また、演算指示回路４は、被測
定ガスの温度（T_g）に関連した信号及び加熱体
プローブ１の温度（T₁）に関連した信号、外側
放射シールド体２の温度（T₂）に関連した信号
を入力するバイアス回路４１と、このバイアス回
路４１からの各信号を入力し、所定の演算を行な
いそれを記録するレコーダ４２で構成されてい
る。

この接続図において、はじめに切換スイツチS_p
を接点ａ側に接続し、内側加熱体プローブ１の温
度及び外側放射シールド体２の温度を、いずれも
被測定ガスの温度（T_g）よりも一定温度だけ高
く加熱する。そして、所定温度（T_n＝T_g＋ΔT）
に達した時点で、切換スイツチS_pを接点ｂ側に接
続し、電流コントロール回路３１によつて、外側
放射シールド体２の温度のみを、内側プローブ１
の温度に追随するように温度制御を行なう。

第９図は、本発明の方法におけるプローブの加
熱、冷却曲線を示した線図である。なお、この図
で時間（ｔ）は矢印に示すように右側から左側に
経過している。この例では、プローブの冷却過程
の時定数を測定して流速を求めるものであり、測
温センサとしては、CA熱電対を使用している。
CA熱電対出力Ｖは、０℃〜1000℃の範囲で±１
％の精度で温度と線形関係にあり、それ故に、放
射伝熱を無視すれば、(10)式で表わされる。

Ｖ＝V_g＋（V_n−V_g）_e ^-t/〓 ……(10) １／τ＝Ａ／HMeｈ，ｈ＝ｆ（ｖ） ただし、 τ＝時定数（sec）V_n＝加熱最高出力（mV） V_g＝ガス温度出力（mV），HMe＝プローブ等
価熱容量（kcal／℃），ｔ＝時間（sec） 従つて、冷却時定数τと流速ｖの関係をあらか
じめキヤリブレーシヨンすれば、τを測定して流
速ｖを求めることができる。

第９図の線図から明らかなように、外側放射シ
ールド体２の温度（t₂）は、冷却過程において、
温度コントロールなしでも内側加熱体プローブ１
の温度（t₁）とほぼ同様の冷却特性を示すが、温
度コントロールを行なうことによつて、放射伝熱
低減効果が向上する。

なお、この例では、冷却時定数を測定して流速
ｖを求める場合を例示したが、プローブの温度を
V_naxに保つための供給電力を測定して、流速ｖ
を求めるようにしてもよい。

第１１図は、単独プローブを用いた従来装置
（Ｄ＝5〓、長さ20mmの円柱プローブ）における流
速ｖと時定数τの関係を示す線図である。ガス温
度が400℃を越えると、放射伝熱による冷却効果
が顕著になり誤差が大きくなつている。

第１０図は、本発明に係る装置（第２図に示す
構造もので、線型3.2％、内側加熱体プローブ１
の巻き径2R₁＝16.4〓、外側シールド巻き径2R₂＝
24〓、巻き長さＨ＝35.2mm、放射シールド円筒内
径50〓、肉厚２mm）における流速ｖと時定数τの
関係を示す線図である。この線図から明らかなよ
うに、本発明の装置によるものは、流速ｖと時定
数τの関係は、200〜600℃の間で10％以下の変動
に抑えられている。

なお、上記の実施例において、外側放射シール
ド体２の放射率ε_sを特殊塗料等を施すことによつ
て大きくすれば、放射伝熱低減率を更に向上させ
ることができる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、放射伝
熱量を低減することができ、被測定ガスの温度が
400℃以上の高温度であつても、正確な流速測定
を行なうことのできるガス流速測定方法を実現す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明方法を実施するための装置の
一例を示す構成説明図、第２図はその要部（プロ
ーブ）の斜視図、第３図はその縦方向断面図、第
４図は第２図において加熱体プローブ１及び外側
シールド体２を構成する線状加熱体の側面図、第
５図はその断面図、第６図は本発明における放射
伝熱低減効果を示す線図、第７図は本発明におけ
る放射伝熱フラツクスと対流伝熱フラツクスの比
を示す線図、第８図は風速測定のための電気的接
続図、第９図はプローブの加熱、冷却曲線を示し
た線図、第１０図は本発明方法による特性を示す
線図、第１１図は従来方法の特性を示す線図であ
る。 １……加熱体プローブ、１１，２１……加熱ヒ
ータ、２……外側放射シールド体、１２，２２…
…測温センサー、３……コントロール手段、４…
…演算指示計。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 加熱ヒータと第１の測温センサーとを内蔵し
   た加熱体プローブと、加熱ヒータと第２の測温セ
   ンサーとを内蔵し前記加熱体プローブを内側にし
   て当該加熱体プローブを部分的に２重構造となる
   ように囲んだ外側放射シールド体とを有し、前記
   第１の測温センサーからの信号と前記第２の測温
   センサーからの信号を入力して前記外側放射シー
   ルド体の温度を前記加熱体プローブの温度に等し
   くなるように各加熱ヒータに与える電力量を制御
   することを特徴とするガス流速測定方法。