JPS60260859A - ガス流速測定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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。

東忙詳しくは、本発明は、被測定流体中に置かれれ加熱
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〕

従来よ多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、
測定孔の塞シや熱線の破損が発生し、測定が困難であっ
た。

これに対し、特開昭５７−１０６８６７号、特゛開＠５
５−５４０７２号、特開昭５４−１１８８８１号等に見
られるように１被測定流体中に十分な機械的強度をもっ
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Ｋよシ流速を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走め、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熱伝
達量であシ、流速に関係しない放射伝熱量の増加は測定
誤差になってくる。

実際、加熱体を径Ｄ１長さＬの円柱と仮定すると、対流
伝熱フラックスＱｃは、（１）式で表わされる。

Ｑ、　＝　ｋＡ　（’ｒ、　−’ｒｇ）　・・・・・・
・　（１）ただし、Ｔ、＝表面温度、Ｔｇ＝ガス温度ｈ
＝上ｆ　（Ｒｅ　＊　Ｐｒ　）対流熱伝達係数ｋ＝境膜
熱伝導度、Ｒ０＝レイノルズ数、Ｐｒ＝プラントル数、
Ａ＝伝熱面積 りの具体的な形は、例えば　Ｏ−１＜Ｒｅ　＜　１０３
に対して ｈ＝Ｈ（０，３５＋０．４７Ｒｓ　）ｐｒ　（化学工学
便覧ｐ２７９　） また、放射伝熱フラックスについては、（２）式で表わ
される。

Ｑｒ　＝　ｃｒＡＦｌ　（Ｔｓ　−Ｔ、　）　”−”　
（２）ただし、σ＝ステファンボルツマン定数Ｆ＝形態
係数　゛ ε＝放射率　。

ここで、 Ｄ＝５φ、　ｔ＝＝２０　Ｉａｌ、Ｔｓ　Ｔｇ＝　１０
０℃　とすると、 ｑｒ／Ｑａ＝２〜２．５　（＠Ｔ、＝６００℃−Ｖ　＝
　４　ｒｅｖ’Ｂ　）となる。従って、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４８−６６
４７７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Ｔ１１　＊　Ｔｂにコント
ロールするための供給熱量Ｑａ。

Ｑｂおよび加熱体の表面温度Ｔ、　、　Ｔｂを測定し、
対流熱伝達係数α。を（３）式で計算からめようとする
ものである。

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＠　＊　Ｔｂを設定
し、熱平衡状態から各データＱａｒ　Ｑｂ　ｌ　Ｔ＠　
＃Ｔｂを測定する必要があシ、測定時間が太きくなる。

■　加熱体の表面温度の給体値Ｔ＠　＊　７１）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ととは実際上難か
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
直接入っていること、補正係数に４．　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
っても、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ルーブの温度に等しく々るように
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、本発明の詳細な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の側温センサー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、加熱ピータ２１と、第２の測温センサー２２とを内
蔵している。３拡第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（ｔ３）を、加熱体プ四−プ１の温
度（ｔｌ）に等しくなるより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（ｔｌ）を内側加熱体プローブ１の表面温度（
ｔｌ）と同じにコントロールするもので、これによって
、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ックスＱｒ、Ｗは、反
射を考慮したＨｏｔｔｓｌ　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。

Ｑｒ、ｗ＝％２．（Ｔｘ’　Ｔｚ’）＋７１３．（Ｔｉ
’　Ｔｇ’）”・（４）従って、ＴＩ　＝　Ｔｌとすれ
ば、（４）式は（５）式の通シとなる。

Ｑｒ　ｍＷ　＝　７１５．　（Ｔｉ　Ｔｇ　）　−…（
５）ここで１ ．７１３＝Ｆ（Ｆ１２・Ｆ１３・Ｆ２５・６１・１゛２
・Ａ、・Ａ２） Ｆｌｊ　＝面ｉｓｊの形態係数 ε１＝面ｌの放射率 ｊＪ　＝面ｌの伝熱面積 ＴＩ　＝プローブの温度 Ｔ、＝ガス温度 Ｑｒ　ｌ’ｌＦ　”シールドがある場合の放射伝熱フラ
ックス 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　”　２５は小さ
くなシ、放射伝熱フラックスは対流伝熱フラックスＱｅ
Ｋ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　ｅ　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、内側の加熱体グローブ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の外側圧１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っておシ、耐久性を
確保している。なお、熱電対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。

■　内側プ四−プ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
とによシ、外側シールド体２の時定数を内側プローブ（
１）のそれよシ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シ、外側シールド体２の温度コ
ントレールを加熱のみで内側グローブ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シ内側プローブ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、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（ｔりを内側加熱体プローブ１の温度（ｔｌ）
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Ｑｒ１ｗは、（６）式で表わせる。

他方、シールドがない場合の放射伝熱量Ｑｒａｗ／６は
、（７）式となる。

（Ｔ　−Ｔ、）　・・・・・・（７） ここで、形態係数Ｆｉｊは、ＡｉＦｌ、１　＝　ＡｊＦ
ｊｌ　。

￥Ｆｌｊ＝　１　（閉空間）の関係をもち、パラメータ
Ｒ２／ｎ、＃ル１．の関数であって、計算でめることが
可能である。

ここで、Ｑｒ＋ｗ　＊　Ｑｒｗｌｏを具体的にめると（
８）式及び（９）式の通シとなる。

・・・・・・（８） σ（Ｔ　−Ｔｇ）　・・・・・・（９）ここで、 ｘ＝２＋　− １−ｄ １　川。　１匹１ｑコ Ｆ３２＝−−−−’（−）−− ＲπＲＡ２Ｌ ・（２）−１（−）　＋　Ｂｄｎ−’　（−！−）　−
−ＲＡ　Ｒ２ Ｆ””　−Ｔ５２　’Ａｓ ５ Ｆ２ｓ＝（ｉＬ）Ｔ３２ ２ ＲミＲ２／Ｒ１，Ｌ　ニル’Ｒ１，Ａ＝Ｌ　十Ｂ　−１
、Ｂ＝Ｌ−Ｒ＋１ である。

第６図は、パラメータＲｉｉｆ　Ｒ２／Ｒ，と、Ｌ＝ニ
ル。

線図である。ここでは、いずれも放射率ｇ、＝ｇｏ、５
を仮定したものであって、２重シールドタイプによシ２
０％〜５０チ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ックスと
対流伝熱フラッ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巨Ｒ２／′Ｒ１＝　１
．５　、　Ｉ、　＝ル１．＝６に設定すれば、Ｑｒ　、
ｖ／Ｑｅを１０チ以下にできることが分かる。また、放
射率に関しては、内側プ四−プの放射率Ｃは小さければ
小さいほど、外側放射シールドの放射率りは大きければ
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、本発明によシ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、切換スイッチＳ０及び１００ｖ電源に接続
されているスライダック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（Ｔｇ）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（Ｔ３）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、はじめに切換スイッチＳ０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（
Ｔｇ）よりも一定温度だけ高く加熱する。そして、所定
温度（Ｔｍ＝Ｔｇ＋ＪＴ）に達した時点で、切替スイッ
チＳ。を接点す側に接続し、電流コントロール回路３１
によって、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カリ。

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（１）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め
るものであ〕、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シ、それ故に、
放射伝熱を無視すれば、６１式で表わされる。

Ｖ　＝　Ｖｇ　＋　（Ｖｍ　Ｖｇ　）・″７　・・・・
・・０１Ａ １−扁；ｈ　、ｈ＝ｆ（マ） ただし、 τ＝時定数（ｅｓｃ）ｖｍ＝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（ｋｅａＡ７勺）、ｔ＝待時間度）従って、冷
却時定数τと流速マの関係をあらがじめキャリブレーシ
ョンすれば、τを測定して流速マをめることができる。

第９図の線図から明らか表ように、外側放射シールド体
２の温度（ｔｍ　）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（ｔｌ）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Ｋよって、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をめる
場合を例示したが、プローブの温度をｖ、ｘに保つため
の供給電力を測定して、流速マをめるようにしてもよい
。

１１１１図は、単独プローブを用いた従来装置（Ｄ＝５
φ、長さ２０ｍ＋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シ誤差
が大きくなっている。

第１０図線、本発明に係る装置（第２図に示す構造もの
で、線！　３．２　％　、内側加熱体プローブ１の巻き
径２Ｒ１＝！１６．４φ、外側シールド巻き径２Ｒ２＝
　２４φ、巻き長さＨ＝３５−２　ａｒｍ　％放射シー
ルφ ド円筒内径５０　、肉厚２　ｍ　）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、流速マと時定数τ
の関係は、２００〜６００℃の間で１０チ以下の変動に
抑えられている。

なお、上記の実施例において、外仰放射シールド体、２
の放射率りを特殊塗料等を施すことによって大きくすれ
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１本発明によれば、放射熱伝達量を
低減することができ、被測定ガスの温度が４００℃以上
の高温度であっても、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
加熱体プ四−プ１及び外側シールド体２を構成する線状
加熱体の慄面図、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ックスと対流伝熱フラックスの比
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１
０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・・・コントルール手段、４・・・演算指
示計。 代理人弁理士　木　村　三　朗

Claims (1)

【特許請求の範囲】
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グ
   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μｍブを
   部分的に２重構造となるよ５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
   表るように各加熱ヒータに４える電力量を制御すること
   を巷微とするガス流速測定方法。