Verfahren und Einrichtung zur Temperaturmessung fliessbarer Medien
Die Erfindung bezieht sich auf eine Temperaturmessung fliessbarer, das heisst flüssiger, dampf- oder gasförmiger Medien, welche insbesondere für eine trägheitsarme Temperaturregelung von Zwangdurchlaufdampferzeugern geeignet ist.
Die Regelung von Zwangdurchlaufdampferzeugern, so z. B. die Zuführung von Einspritzwasser in die Überhitzer, erfolgt im allgemeinen auf Grund einer Temperaturmessung an der Stelle, an welcher die Regelung wirksam sein soll. Die bisher verwendeten Temperaturmessanordnungen, z. B. mit ausserhalb der das Arbeitsmittel führenden Rohre angebrachten Wärmedehnungsmessinstrumenten haben eine auf den Regelvorgang sich ungünstig auswirkende, grosse Trägheit. Das bisher schnellste Temperaturmessinstrument war das Thermoelement. Da es jedoch für den robusten Dampferzeugerbetrieb zu empfindlich ist, musste es meistens in einer Schutzhülle untergebracht werden, wodurch dessen Trägheit beträchtlich erhöht wurde.
Erfindungsgemäss werden die erwähnten Nachteile dadurch behoben, dass die Temperaturmessung indirekt auf Grund der Bestimmung mindestens zweier anderer Zustandgrössen des Mediums erfolgt.
Die erfindungsgemässe Einrichtung ist gekennzeichnet durch mindestens zwei, verschiedene Zustandgrössen des Mediums bestimmende Vorrichtungen und eine Vorrichtung, welche in Abhängigkeit von den Angaben dieser Vorrichtungen den Temperaturmesswert angibt.
Die Erfindung wird anhand in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine die Dichte des Mediums auf Grund der Absorption von y-Strahlen bestimmende Vorrichtung,
Fig. 2 eine den Druck des Mediums und den Messwert bestimmende Zusatzvorrichtung zur Vorrichtung nach Fig. 1,
Fig. 3 eine die dynamische Viskosität des Mediums bestimmende Vorrichtung.
In Fig. 1 ist in einer vom zu messenden Medium durchströmten Rohrschleife 1, welche mit einer Wärmeisolation 2 und einem Strahlungsschutz 3 versehen ist, ein radioaktiver Strahlungsgeber 4 für strahlung angeordnet. In einem Rohrbogen 5 ist eine in Verlängerung des Rohres nach aussen führende Öffnung durch einen Pfropfen 6 verschlossen. Der Pfropfen 6 ist zum Zwecke einer grösseren Strahlungsdurchlässigkeit mit wabenförmig angeordneten Bohrungen 7 versehen. Um den Strömungswiderstand für das Medium klein zu halten, ist vor dem Pfropfen 6 ein Leitblech 8 angeordnet, welches mit einer kleinen Öffnung 9 versehen ist und daher nur dem dynamischen Druck des Arbeitsmittels zu widerstehen hat. Hinter dem Pfropfen 6 befindet sich in einer gegen Strahlung abgeschirmten, mit Kühlluftkanälen 10 versehenen Kammer 11 ein Strahlungsmessgerät 12.
Der Strahlungsschutz 3 ist in der Nähe des Strahlungsgebers 4 mit einer Öffnung 13 versehen, hinter der sich ein Strahlungsmessgerät 14 mit einer Strahlungsschutzwand 15 befindet. Die Messwerte der beiden Strahlungsmessgeräte 12 und 14 werden durch Signalleitungen 16, 17 einem Verstärker 18 zugeführt, welcher eine von der Differenz der beiden Messwerte abhängige Spannung durch eine Leitung 19 einem Elektromotor 20 zuführt. Der Elektromotor 20 verstellt mechanisch über eine Welle 21 eine als Blende wirkende Scheibe 23 mit veränderlicher Dicke, welche sich zwischen dem Strahlungsgeber und dem Messgerät 14 befindet. Am anderen Ende der Welle 21 befindet sich ein Potentiometer 24 mit an der Welle angebrachtem Schleifkontakt.
Die vom Strahlungsgeber 4 zum Messgerät 12 gelangende y-Strahlung muss auf ihrem Wege zum Pfropfen 6 das in der Rohrleitung 1 befindliche Arbeitsmittel durchdringen und wird von diesem je nach dessen Dichte mehr oder weniger absorbiert.
Die vom Strahlungsgeber 4 zum Messgerät 14 gelangende Strahlung ist hingegen praktisch von der Dichte des Arbeitsmittels unabhängig. Es ist also möglich, aus der Differenz der Angaben der beiden Messgeräte die Dichte des Mediums zu bestimmen. Diese Bestimmung erfolgt bei der dargestellten Einrichtung durch eine Kompensierung mittels der Scheibe 23. Bei einer Differenz der von den beiden Messgeräten zum Verstärker 18 gelangenden Spannungen wird mit Hilfe des Elektromotors 20 die Scheibe 23 so lange im einen oder im anderen Sinne verdreht, bis die Messsignale der beiden Messgeräte gleich sind oder ein im voraus bestimmtes Verhältnis einnehmen. Aus der Stellung der Scheibe 23 kann dann die Dichte des Mediums abgelesen werden. Die Abnahme dieses Messwertes erfolgt bei der dargestellten Anordnung elektrisch durch den Potentiometer 24.
Wird, wie dies bei Dampferzeugern normalerweise der Fall ist, der Druck in der Rohrleitung 1 konstant gehalten, so ist dadurch die zweite Zustandgrösse bestimmt, und es erübrigt sich eine zweite Messung.
Der aus der Stellung der Scheibe 23 gewonnene Wert kann direkt zur Temperaturangabe des gemessenen Mediums dienen, oder als Regelimpuls verwendet werden.
Die in Fig. 2 dargestellte Vorrichtung ist ein Zusatz zur Vorrichtung nach der Fig. 1, welcher im allgemeinen Fall, bei veränderlichen Drücken, Anwendung findet. An der mit dem Motor 20 verbundenen Welle 21 ist mittels einer Feder 30 ein Formkörper 31 verschiebbar angebracht. Der Formkörper 31 ist mit einer Schiebemuffe 32 versehen, in die ein Arm eines zweiarmigen Hebels 33 eingreift. Am andern Hebelarm des Hebels 33 greift eine Kolbenstange 34 eines in einem Zylinder 35 beweglichen federbelasteten Kolbens 36 an. Der Zylinder 35 ist durch ein Rohr 36 mit einem das zu messende Medium führenden Rohr 1 verbunden. Der Formkörper 31 wird durch eine in einer Stange 38 drehbar befestigte Rolle 39 abgetastet. Die Stange 38 mit der Rolle 39 wird durch eine Feder 37 gegen den Formkörper 31 gedrückt.
Zur elektrischen tZbertra- gung der Stellung der Stange 38 dient eine aus elektrischen Spulen 40, 41, 42 bestehende Abnahmevorrichtung. Die Spule 40 ist mit der Stange 38 fest verbunden und hat an ihren Enden eine konstante Wechselspannung E angelegt. In den Spulen 41, 42, die zueinander in umgekehrtem Sinne gewickelt und in Serie geschaltet sind, wird in an sich bekannter Weise eine von der Stellung der Spule 40 abhängige Spannung induziert.
In Abhängigkeit von der Stellung der Scheibe 32 in Fig. 1 wird in Fig. 2 gleichzeitig auch der Formkörper 31 durch Verdrehung der Welle 21 verstellt.
Eine axiale Verstellung des Formkörpers 31 erfolgt durch den Kolben 36 in Abhängigkeit vom augenblicklichen Druck des Mediums in der Rohrleitung 1.
Der Formkörper 31 ist dabei derart ausgebildet, dass bei einem bestimmten Druck und einer bestimmten gemessenen Dichte die Stellung der Stange 38 bzw. das an den Klemmen der Spulen 41, 42 abgenommene elektrische Signal den augenblicklichen Temperaturwert oder auch die Enthalpie des Mediums angibt.
Im Prinzip können auch an Stelle der Dichtemessung mit Hilfe von Strahlung andere Messmethoden treten, wie z. B. Messung der Schallgeschwindigkeit usw. Überdies können auch statt der Dichte oder Druckmessung andere Zustandgrössen, wie z. B. die kinematische oder dynamische Zähigkeit gemessen und zur Bestimmung der Temperatur verwendet werden, unter Voraussetzung, dass deren Messung trägheitsarm erfolgt.
Eine derartige, die Viskosität des Mediums messende Vorrichtung ist in Fig. 3 dargestellt. In einem vom Medium durchströmten zylinderförmigen Gefäss 50 aus nichtmagnetischem Material ist in Lagern 51 ein Zylinder 52 aus elektrisch-leitfähigem Material gelagert. Ausserhalb des Gefässes sind Elektromagneten 53 angeordnet, welche an eine Wechselstromquelle 54 angeschlossen sind und ein magnetisches Drehfeld bilden. Auf der Welle 55 des Zylinders 52 ist ein Permanentmagnet 56 befestigt. Ausserhalb des Gefässes 50 befinden sich gegenüber dem Magneten 56 elektrische Spulen 57, welche an einen Verstärker 59 angeschlossen sind.
Der Ausgang des Verstärkers 59 ist mit einem elektrischen Stellmotor 60 verbunden, auf dessen Welle 61 sich ein Potentiometer 62 und entweder direkt oder über ein Getriebe angeschlossen, der Formkörper 31 von Fig. 2 zusammen mit den zugehörigen druckbetätigten Verschiebe- und Abnahmeteilen befindet. Der Potentiometer 62 ist an eine Gleichstromquelle 63 angeschlossen. Der bewegliche Kontakt des Potentiometers 62 bildet einen Spannungsteiler und ist zusammen mit einem Pol der Stromquelle 63 als Rückführung an den Verstärker 59 angeschlossen.
Das durch die Elektromagneten 53 gebildete Drehfeld versetzt den Zylinder 52 in Bewegung. Das durch den verhältnismässig engen Spalt zwischen dem Zylinder 52 und der Wand des Gefässes 50 durchströmende Medium bremst die Bewegung des Zylinders 52, und zwar in Abhängigkeit von seiner Viskosität. Der Schlupf, das heisst die Differenz zwischen der Drehzahl des Drehfeldes und des Zylinders 52 bildet also ein Mass für die Viskosität des Mediums. Die Drehzahl des Zylinders 52 wird durch die Spulen 57 abgenommen, in welchen eine von der Drehzahl des Magneten 57 abhängige Wechselspannung induziert wird. Diese Wechselspannung wird im Verstärker 59 gleichgerichtet und verstärkt.
Die resultierende Spannung wird dem Stellmotor 60 zugeführt und betätigt diesen in einem Drehsinn. Die vom Potentiometer 62 abgenommene Spannung wird ebenfalls verstärkt und dem Stellmotor 60 zugeführt und wirkt auf diesen im entgegengesetzten Sinne.
Je nach der Grösse der Drehzahl des Zylinders 52 stellt sich jeweils ein Gleichgewicht zwischen diesen beiden Spannungen am Stellmotor 60 ein, und der Formkörper 31 wird entsprechend verstellt. Die axiale Verschiebung des Formkörpers 31 durch den Druck in der Rohrleitung, und die Abnahme des Messwertes kann auf die bereits in Fig. 2 dargestellte und im Zusammenhang mit dieser beschriebenen Weise erfolgen.
Durch die erfindungsgemässe Einrichtung ist eine trägheitsarme Temperaturmessung von gas- oder dampfförmigen Medien möglich, welche viel rascher wirkt als die bisherigen bei Dampferzeugern technisch anwendbaren Temperaturmessvorrichtungen. Es versteht sich, dass für regeltechnische Zwecke die Temperaturmessvorrichtung keine absoluten Messwerte zu liefern braucht. Es genügt in den meisten Fällen, wenn diese einen relativen, zur augenblicklichen Temperatur proportionalen bzw. mit dieser in einem anderen Zusammenhang stehenden Wert liefert.
Meistens wird bei Dampferzeugern, bei welchen der Druck konstantgehalten wird, die bedeutende Vereinfachung möglich sein, dass die Druckmessvorrichtung entfallen kann und z. B. von der Welle 21 der Einrichtung nach Fig. 1 bzw. 61 in Fig. 3 direkt der Temperaturmesswert abgenommen wird. Es sind aber auch noch weitere Vereinfachungen der als Beispiel angeführten Einrichtung möglich. So könnte z. B. bei Annahme einer praktisch konstanten Strahlung des Strahlungsgebers 4 und einer Beseitigung bzw. Vernachlässigung der Strahlungseinflüsse von anderen Strahlungsquellen aus der Umgebung das Strahlungsmessgerät 14 entfallen. In diesem Falle würde der Messwert des Strahlungsmessgerätes 12 direkt zur Temperaturangabe dienen. Selbstverständlich sind auch andere Abänderungen der erfindungsgemässen Einrichtung möglich.
Process and device for measuring the temperature of flowable media
The invention relates to a temperature measurement of flowable, that is to say liquid, vapor or gaseous media, which is particularly suitable for low-inertia temperature control of once-through steam generators.
The regulation of once-through steam generators, e.g. B. the supply of injection water to the superheater is generally based on a temperature measurement at the point at which the control is to be effective. The temperature measuring arrangements used so far, e.g. B. with attached outside the pipes carrying the working fluid, thermal expansion measuring instruments have an unfavorable effect on the control process, great inertia. The fastest temperature measuring instrument to date was the thermocouple. However, since it is too sensitive for robust steam generator operation, it usually had to be housed in a protective cover, which considerably increased its inertia.
According to the invention, the mentioned disadvantages are eliminated in that the temperature measurement is carried out indirectly on the basis of the determination of at least two other state variables of the medium.
The device according to the invention is characterized by at least two devices which determine different state variables of the medium and a device which indicates the measured temperature value as a function of the data from these devices.
The invention is explained with reference to the embodiments shown in the drawing.
Show it:
1 shows a device which determines the density of the medium on the basis of the absorption of y-rays,
FIG. 2 shows an additional device for the device according to FIG. 1, which determines the pressure of the medium and the measured value,
3 shows a device which determines the dynamic viscosity of the medium.
In Fig. 1, a radioactive radiation generator 4 is arranged for radiation in a pipe loop 1 through which the medium to be measured flows and which is provided with thermal insulation 2 and radiation protection 3. In a pipe bend 5, an opening leading to the outside as an extension of the pipe is closed by a plug 6. The plug 6 is provided with honeycomb-shaped bores 7 for the purpose of greater radiation permeability. In order to keep the flow resistance for the medium small, a guide plate 8 is arranged in front of the plug 6, which is provided with a small opening 9 and therefore only has to withstand the dynamic pressure of the working medium. A radiation measuring device 12 is located behind the plug 6 in a chamber 11 shielded from radiation and provided with cooling air ducts 10.
The radiation protection 3 is provided in the vicinity of the radiation transmitter 4 with an opening 13, behind which a radiation measuring device 14 with a radiation protection wall 15 is located. The measured values of the two radiation measuring devices 12 and 14 are fed through signal lines 16, 17 to an amplifier 18, which feeds a voltage dependent on the difference between the two measured values through a line 19 to an electric motor 20. The electric motor 20 mechanically adjusts via a shaft 21 a disk 23 which acts as a diaphragm and has a variable thickness and which is located between the radiation transmitter and the measuring device 14. At the other end of the shaft 21 there is a potentiometer 24 with a sliding contact attached to the shaft.
The y-radiation arriving from the radiation transmitter 4 to the measuring device 12 must penetrate the working medium located in the pipeline 1 on its way to the plug 6 and is more or less absorbed by this depending on its density.
In contrast, the radiation reaching the measuring device 14 from the radiation transmitter 4 is practically independent of the density of the working medium. It is therefore possible to determine the density of the medium from the difference in the data from the two measuring devices. This determination is made in the device shown by a compensation by means of the disk 23. If there is a difference between the voltages coming from the two measuring devices to the amplifier 18, the disk 23 is rotated in one sense or the other with the aid of the electric motor 20 until the measurement signals of the two measuring devices are the same or have a predetermined ratio. The density of the medium can then be read from the position of the disk 23. In the arrangement shown, this measured value is taken electrically by means of the potentiometer 24.
If, as is normally the case with steam generators, the pressure in the pipeline 1 is kept constant, the second state variable is thereby determined, and a second measurement is not necessary.
The value obtained from the position of the disk 23 can be used directly to indicate the temperature of the measured medium, or it can be used as a control pulse.
The device shown in Fig. 2 is an addition to the device according to Fig. 1, which is used in the general case, with variable pressures. A shaped body 31 is slidably attached to the shaft 21 connected to the motor 20 by means of a spring 30. The molded body 31 is provided with a sliding sleeve 32 into which an arm of a two-armed lever 33 engages. A piston rod 34 of a spring-loaded piston 36 movable in a cylinder 35 acts on the other lever arm of the lever 33. The cylinder 35 is connected by a pipe 36 to a pipe 1 carrying the medium to be measured. The molded body 31 is scanned by a roller 39 rotatably fastened in a rod 38. The rod 38 with the roller 39 is pressed against the molded body 31 by a spring 37.
A removal device consisting of electrical coils 40, 41, 42 is used for the electrical transmission of the position of the rod 38. The coil 40 is firmly connected to the rod 38 and has a constant alternating voltage E applied to its ends. In the coils 41, 42, which are wound in opposite directions and connected in series, a voltage dependent on the position of the coil 40 is induced in a manner known per se.
Depending on the position of the disk 32 in FIG. 1, the molded body 31 is also adjusted in FIG. 2 by rotating the shaft 21.
The shaped body 31 is axially adjusted by the piston 36 as a function of the current pressure of the medium in the pipeline 1.
The molded body 31 is designed in such a way that at a certain pressure and a certain measured density, the position of the rod 38 or the electrical signal taken at the terminals of the coils 41, 42 indicates the current temperature value or the enthalpy of the medium.
In principle, instead of density measurement with the aid of radiation, other measurement methods such as e.g. B. Measurement of the speed of sound, etc. Furthermore, instead of density or pressure measurement, other state variables, such as e.g. B. the kinematic or dynamic viscosity can be measured and used to determine the temperature, provided that it is measured with little inertia.
Such a device measuring the viscosity of the medium is shown in FIG. In a cylindrical vessel 50 made of non-magnetic material through which the medium flows, a cylinder 52 made of electrically conductive material is mounted in bearings 51. Outside the vessel, electromagnets 53 are arranged, which are connected to an alternating current source 54 and form a rotating magnetic field. A permanent magnet 56 is attached to the shaft 55 of the cylinder 52. Outside the vessel 50, opposite the magnet 56, there are electrical coils 57 which are connected to an amplifier 59.
The output of the amplifier 59 is connected to an electric servomotor 60, on whose shaft 61 there is a potentiometer 62 and, either directly or via a gear, the molded body 31 of FIG. 2 together with the associated pressure-actuated displacement and removal parts. The potentiometer 62 is connected to a direct current source 63. The movable contact of the potentiometer 62 forms a voltage divider and is connected together with one pole of the current source 63 as a feedback to the amplifier 59.
The rotating field formed by the electromagnets 53 sets the cylinder 52 in motion. The medium flowing through the relatively narrow gap between the cylinder 52 and the wall of the vessel 50 brakes the movement of the cylinder 52, depending on its viscosity. The slip, that is to say the difference between the rotational speed of the rotating field and the cylinder 52, thus forms a measure of the viscosity of the medium. The speed of the cylinder 52 is picked up by the coils 57, in which an alternating voltage dependent on the speed of the magnet 57 is induced. This alternating voltage is rectified and amplified in amplifier 59.
The resulting voltage is fed to the servomotor 60 and actuates it in one direction of rotation. The voltage taken from the potentiometer 62 is also amplified and fed to the servomotor 60 and acts on it in the opposite direction.
Depending on the size of the speed of the cylinder 52, an equilibrium is established between these two voltages at the servomotor 60, and the molded body 31 is adjusted accordingly. The axial displacement of the shaped body 31 due to the pressure in the pipeline and the decrease in the measured value can take place in the manner already shown in FIG. 2 and described in connection therewith.
With the device according to the invention, a low-inertia temperature measurement of gaseous or vaporous media is possible, which acts much more quickly than the previous temperature measuring devices that can be used technically in steam generators. It goes without saying that the temperature measuring device does not need to supply any absolute measured values for control purposes. In most cases, it is sufficient if this delivers a relative value that is proportional to the instantaneous temperature or has a different connection with it.
In the case of steam generators in which the pressure is kept constant, the significant simplification is usually possible that the pressure measuring device can be omitted and z. B. from the shaft 21 of the device according to FIG. 1 or 61 in FIG. 3, the temperature reading is taken directly. However, further simplifications of the facility cited as an example are also possible. So could z. B. If a practically constant radiation of the radiation generator 4 is assumed and the radiation influences from other radiation sources from the environment are eliminated or neglected, the radiation measuring device 14 is omitted. In this case, the measured value of the radiation measuring device 12 would serve directly to indicate the temperature. Of course, other modifications of the device according to the invention are also possible.