CH638617A5

CH638617A5 - Geraet zur akustischen bestimmung der in einem fluid herrschenden enthalpie.

Info

Publication number: CH638617A5
Application number: CH1491277A
Authority: CH
Inventors: Herbert Jun Estrada; Dwight H Harrison; Laurence E Demick
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Priority date: 1976-12-06
Filing date: 1977-12-06
Publication date: 1983-09-30
Also published as: IT1092638B; CA1081840A; BE861025A; ES464761A1; FR2373057A1; NL7713357A; DE2753151C2; JPS5370889A; GB1597977A; JPS6360333B2; DE2753151A1; SE7713230L; FR2373057B1; US4145922A

Description

Die Erfindung betrifft ein Gerät zur akustischen Bestimmung der in einem Fluid herrschenden Enthalpie nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, sowie ein Verfahren zum Betrieb des Gerätes.

Bei einem Kernkraftwerk ist die thermische Leistung des Primärkreislaufs die Leistung, die der Kernreaktor erzeugt. Sie wird als thermische Energie pro Zeiteinheit gemessen. Die thermische Leistung des Sekundärkreislaufs ist die Leistung, die der Dampfgenerator abgibt und sollte gleich der thermischen Leistung des Primärkreislaufs sein. Kernkraftwerksbestimmungen erfordern, dass das Kraftwerk mit bestimmten Nennwerten arbeitet und die Kenntnis der thermischen Leistung würde sicherstellen, dass diesen Anforderungen genüge getan wird. Ausserdem werden Messungen benötigt, um den Brennstoffverbrauch festzustellen und um die Leistungsregelsysteme zu eichen. Von gleicher Bedeutung ist die Tatsache, dass eine Messung der thermischen Leistung auch eine Anzeige des Kraftwerkswirkungsgrades gibt.

Ausser bei Kernkraftwerken ist es auch bei Kraftwerken für fossile Brennstoffe wünschenswert, die thermische Leistung zu kennen, wie auch bei anderen Systemen mit geschlossenem Kreislauf, beispielsweise bei Wärmeaustauschern und chemischen Reaktoren. Zur Zeit ist jedoch kein System vorhanden, das die Messung der thermischen Leistung mit ausreichend hoher Genauigkeit von beispielsweise 1 % oder besser liefert. Für die Messung der thermischen Leistung muss die Strömungsrate des kreisenden Fluids sowie auch deren anderer Eigenschaften bekannt sein, wie Dichte und Enthalpie, das ist eine Grösse, die durch eine willkürliche Definition festgelegt wurde und die Summe aus der inneren Energie und der potentiellen Energie des Fluids darstellt. Andere Ausdrücke wie gesamte Wärme, Wärmegehalt, thermisches Potential sind ebenfalls benutzt worden, jedoch wird die Bezeichnung «Enthalpie» vorgezogen.

Gegenwärtig sind zur Bestimmung der Enthalpie Messungen des Fluiddruckes und der Temperatur erforderlich. Bezüglich der Temperaturmessungen gibt es dann, wenn das zirkulierende Fluid eine Flüssigkeit ist, einen Temperaturgradienten quer zum Fluid in der Leitung, so dass eine einzige Temperaturmessung, wie sie beispielsweise von einem Thermoelement nahe der Zwischenfläche zwischen Fluid und Leitung erhalten wird, die Durchschnittstemperatur des in der Leitung das Thermoelement passierenden Fluids nicht genau repräsentiert. Die Anordnung von mehreren Thermoelementen um die Leitung herum löst dieses Problem nicht. Um eine angemessene Anzeige der Temperatur quer zum Fluid zu erhalten, müsste eine Mehrzahl von Thermoelementen an verschiedenen Punkten innerhalb der Leitung angeordnet werden, jedoch ist dies wieder von Nachteil, da sich dadurch eine Behinderung der Fluidströmung ergibt. Auch können erhebliche Schäden auftreten, wenn ein Thermoelement oder eine thermische Messeinrichtung sich lösen würde.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Gerät zur Bestimmung der in einem Fluid herrschenden Enthalpie zu schaffen, bei der diese Nachteile nicht auftreten, indem nur die akustisch ermittelte Schallgeschwindigkeit benutzt und diese Geschwindigkeit mit der Enthalpie korreliert wird.

Die Lösung dieser Aufgabe geht aus dem Patentanspruch 1 hervor. Bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäs-sen Gerätes sind durch die abhängigen Ansprüche 2 bis 13 definiert.

Das erfindungsgemässe Verfahren zum Betrieb des erfin-dungsgemässen Gerätes ist im Anspruch 14 angegeben.

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Es zeigen:

• Fig. 1 in Form eines Blockdiagramms ein Wärmetransportsystem mit strömendem Fluid;

Fig. 2 eine Fluidtransportleitung mit einer akustischen Viel-f achwegewandleranordnung ;

Fig. 2A eine Ansicht der Fig. 2 längs der zentralen Achse der Leitung;

Fig. 3 eine Kurve der Dichte über die Schallgeschwindigkeit;

Fig. 4 eine Kurve der Enthalpie über der Schallgeschwindigkeit;

Fig. 5 eine Darstellung eines Teils der Fluidtransportleitung mit der akustischen Mehrwegewandleranordnung zur Ermittlung der Schallgeschwindigkeit in der Leitung;

Fig. 5A eine Ansicht der Fig. 5 längs der Zentralachse der Leitung;

Fig. 6 ein Blockdiagramm der elektronischen Schaltung zur Ermittlung der volumetrischen Strömungsrate und der Schallgeschwindigkeit in einem Zweig des Kreislaufs;

Fig. 7 ein Blockdiagramm der elektronischen Schaltung zur Ermittlung der Schallgeschwindigkeit im anderen Zweig des Kreislaufs;

Fig. 8 ein Blockdiagramm der elektronischen Schaltung zur Ermittlung einer Anzeige der thermischen Leistung; und

Fig. 9 ein Blockdiagramm einer anderen elektronischen Schaltung zur Ermittlung der Anzeige für die thermische Leistung.

In Fig. 1 ist ein System dargestellt, das strömendes Fluid für den Wärmetransport benutzt. Das System umfasst eine Wärmequelle 10 und eine Last 12 mit einem Fluidkreislauf längs einer Schleife 14. Nur beispielsweise sei die Erfindung bezüglich eines Kernkraftwerkes beschrieben, wobei die Wärmequelle 10 einen Druckwasserkernreaktor darstellt. Die Last 12 ist ein Dampfer-. zeuger, der selbst eine Wärmequelle für eine Last 16 in Form einer Turbine ist, die einen Generator 18 antreibt, und der eine Schleife 20 für den Fluidkreislauf umfasst. Die Schleife 14 wird im allgemeinen als Primärkreislauf und die Schleife 20 als Sekundärkreislauf bezeichnet.

Das im Primärkreislauf strömende Fluid wird vom Reaktor 10 zum Dampferzeuger 12 mittels des Auslasses oder des heis-sen Zweiges 24 geleitet, während das Fluid vom Dampferzeuger 12 mittels des Einlasses oder des kalten Zweiges 26 zum Reaktor 10 zurückgeführt wird, wobei dieser Zweig 26 noch die Fluidzirkulationspumpe 28 umfasst.

Auf der Sekundärseite wird im Sekundärkreislauf strömendes Fluid, nämlich Dampf, der Turbine 16 mit Hilfe des Auslasses oder des heissen Zweiges 30 vom Dampferzeuger 12 geliefert und das Fluid in der Form von Wasser dem Dampferzeuger 12 mit Hilfe des Einlasses oder des kalten Zweiges 32 zurückgeführt, welcher eine Zirkulationspumpe 34 und einen Kondensator 36 umfasst.

In einem der Zweige der Schleife ist ein Strömungsmesser, vorzugsweise ein akustischer Mehrwegeströmungsmesser, angeordnet, um eine Anzeige für den Massestrom des Fluids zu erhalten. Beispielsweise ist das Strömungsmessgerät 40 im kalten Zweig der Primärschleife 14 angerodnet. Die thermische Leistung des Kernreaktors wird bezeichnet, indem zusätzlich eine Anzeige der Enthalpiedifferenz zwischen dem Fluid im heissen und im kalten Zweig ermittelt wird. Dies wird erreicht durch Anwendung von akustischen Messgeräten, vorzugsweise von akustischen Mehrwegemessgeräten, um die Schallgeschwindigkeit sowohl im heissen als auch im kalten Zweig 24 bzw. 26 zu erhalten. Entsprechend ist ein akustisches Mehrwegemessgerät 42 im heissen Zweig 24 und, wenn gewünscht, ein zusätzliches Messgerät im kalten Zweig 26 vorgesehen. Um jedoch Ausrü-stungs- und Installationskosten zu sparen, kann das Strömungsmessgerät 40 selbst so abgeändert werden, dass es zusätzlich die Schallgeschwindigkeitsanzeige für den kalten Zweig liefert. Die

Sekundärseite des Systems umfasst ebenfalls ein akustisches Mehrwegeströmungsmessgerät 40, um die volumetrische Strömungsrate sowie die Schallgeschwindigkeit im kalten Zweig 32 zu erhalten, und ein Messfühler 46 kann im dampfführenden 5 heissen Zweig 30 angeordnet werden, um bestimmte Parameter zu ermitteln, wie noch erläutert wird.

Ein akustischer Mehrwegeströmungsmesser wurde entwik-kelt, der eine Anzeige der volumetrischen Strömungsrate mit hoher Genauigkeit liefert. Das System verwendet Paare von sich 10 gegenüberliegenden Wandlern, die an der Grenze einer Fluid-führung installiert sind, um so zueinander parallele akustische Wege zu bilden, die bezüglich der Grenze genau in Übereinstimmung mit numerischen Integrationsverfahren, wie beispiels weise der Gauss-Technik, angeordnet sind. Die Wandler über-i5 tragen gleichzeitig einen akustischen Impuls zu einem gegenüberliegenden Wandler. Die Laufzeit des stromaufwärts fortschreitenden Impulses sowie des stromabwärts laufenden Impulses zum gegenüberliegenden Wandler wird für jedes Wandlerpaar mit geeigneten Gauss'schen Wichtungsfaktoren benutzt, 20 um eine Anzeige der volumetrischen Strömungsrate zu erhalten. Das Gauss'sche Verfahren wird mit der Anordnung und der Ermittlung der Wichtungsfaktoren in der US-PS 3 564 912 beschrieben, wie auch die Weiterentwicklung gemäss der US-PS 3 940 985 sowie der US-Anmeldung 599 209.

25 In Fig. 2 ist ein Abschnitt einer Leitung 50 dargestellt, der im vorliegenden Beispiel ein Teil des kalten Zweiges 26 darstellt, in welchem sich das strömende Fluid von stromaufwärts zu stromabwärts bewegt, wie durch den Pfeil 52 gezeigt wird. Bei einem Mehrwegesystem wird eine Vielzahl von Wand-30 lerpaaren verwendet, wobei der eine Wandler eines jeden Wandlerpaares ein stromaufwärts angeordneter Wandler und der andere Wandler ein stromabwärts angeordneter ist und beide in akustischer Verbindung mit dem Fluid in der Leitung stehen, so dass zwischen den zwei Wandlern ein akustischer Weg 35 gebildet wird.

Beispielsweise bildet der stromaufwärts angeordnete Wandler 1U in Verbindung mit dem gegenüberliegenden stromabwärts angeordneten Wandler 1D einen akustischen Weg zwischen sich, der die Länge LI aufweist. Das zweite Paar von 40 Wandlern 2U und 2D bilden einen zweiten Weg der Länge L2. Die sich gegenüberliegenden Wandler 3U und 3D definieren einen weiteren akustischen Weg mit der Länge L3, während die Wandler 4U und 4D einen akustischen Weg bilden, der die Länge L4 besitzt. Für das Vierwegesystem, das dargestellt ist, 45 sowie für einen kreisförmigen Leiter werden die Wandler im allgemeinen so angeordnet, dass LI gleich L4 und L2 gleich L3 ist.

Fig. 2A ist eine Ansicht der Anordnung, in Richtung der so Leitungsachse und der Fluidströmung betrachtet.

Da keine Vorsprünge im hydraulischen Kreis vorhanden sind, vermindert diese Anordnung die Gefahr von mechanischem Versagen der Messausrüstung, die sonst andere Bauteile des Kreislaufes beschädigen könnten. Ausserdem ergibt eine 55 derartige Anordnung keinen Druckabfall und der Energieverlust, der sich aufgrund der Leistungsmessung ergibt, ist praktisch gleich Null.

Bevor mit der ausführlichen Beschreibung von Ausführungsformen der Erfindung fortgefahren wird, scheint es nütz-60 lieh zu sein, eine Erläuterung der Fluidströmungsmessung zu geben, die die Laufzeit von akustischen Impulsen benutzt. Bei einem System mit nur einem einzigen Weg kann die volumetrische Strömungsrate dadurch festgestellt werden, dass ein stromaufwärts angeordneter Wandler und ein stromabwärts angeord-65 neter Wandler gleichzeitig erregt und die Laufzeit des akustischen Impulses in Strömungsrichtung sowie die Laufzeit des akustischen Impulses in Gegenstromrichtung gemessen werden. Wenn tl die Laufzeit in Strömungsrichtung und t2 die Laufzeit

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in Gegenstromrichtung ist, ergibt sich für die volumetrische Strömungsrate Q der folgende Zusammenhang:

t2 —tl

Q=K

tlt2

(1)

wobei K eine Konstante ist, die beispielsweise abhängt von Faktoren, wie L, der Weglänge zwischen den Wandlern, 0, dem Winkel, den der Weg bezüglich der Fluidströmung bildet, sowie Umrechnungseinheiten. Die Differenz in den Laufzeiten von entgegengesetzt gerichteten akustischen Impulsen längs des Weges beträgt At, also

At=t2 —tl

Q=K

Da t2=tl +At ist, ergibt sich At tl(tl+At)

(2)

(3)

Fluid in dem Drucksystem dar, wobei die Druckvariationen klein sind. Beispielsweise wird bei einem typischen System, das mit Drücken von an die 100 Atmosphären arbeitet, die Druckvariation typischerweise etwa ±1,5 Atmosphären betragen, s Ein üblicher Betriebsbereich in Fig. 3 liegt zwischen den Punkten 56 und 57, wobei der Punkt 56 eine Fluiddichte und eine Schallgeschwindigkeit Cx und der Punkt 57 eine Fluiddichte q2 und eine Schallgeschwindigkeit C2 repräsentiert. Die Betriebskurve zwischen den Punkten 56 und 57 ist im wesentli-io chen linear und eine Extrapolation dieses linearen Teils schneidet die q-Achse an dem Punkt, an dem C=0 und e=Q co ist-Unter Anwendung des Ansatzes für eine Gerade ergibt sich y=mx+b

(6)

wobei m die Steigung der Geraden und b der Schnittpunkt mit der y-Achse ist. Wendet man diese Formel auf die Kurve der Fig. 3 an, folgt

Gleichung (3) kann dadurch erfüllt werden, dass zwei Zähler vorgesehen werden, ein Zähler für tl, der zur Zeit der Ab-sendung des akustischen Impulses in Strömungsrichtung eingeschaltet wird und wieder abgeschaltet wird, wenn der stromabwärts angeordnete Wandler den akustischen Impuls aufnimmt. Ein zweiter Zähler, d.h. ein Zähler für At, wird eingeschaltet, wenn der Impuls in Strömungsrichtung aufgenommen wird und wieder abgeschaltet, wenn der Impuls in Gegenstromrichtung empfangen wird, wobei die sich ergebende Zählung eine Anzeige der Differenz in den Laufzeiten ist.

Eine genauere Bestimmung der volumetrischen Strömungsrate kann mit einem Mehrwegesystem erhalten werden, das numerische Integrationsverfahren verwendet, wie beispielsweise das Gauss'sche Verfahren, bei dem folgendes gilt:

20

e=l|c 1 c+e&

(7)

25

wobei der Ausdruck ( Ì die Steigung (m) der Kurve re-

lÔC L

Q = £ (WiL;2 tan 0 4p )

Atj

(tli+Ati)

(4)

Darin bezeichnet

Q die volumetrische Strömungsrate,

D den Durchmesser der Leitung,

n die Anzahl der Wege,

i die jeweilige Wegnummer,

Wj den Gauss'schen Wichtungsfaktor für den i-ten Weg. Die Leistungsberechnung basiert auf dem Produkt der Massenströmungsrate und der Enthalpieänderung, bei dem vorliegenden Beispiel ergibt sich die Gleichung:

präsentiert und in Form einer partiellen Ableitung einer Funktion bezüglich einer Variablen vorliegt, während alle anderen ggf. vorhandenen Variablen, in diesem Falle ist es der Druck, als Konstanten behandelt werden, wie durch die Indizierung mit 30 dem Buchstaben P angedeutet wird.

Hat man somit Q und o ermittelt, kann die Massenströmungsrate Q X q ausgerechnet werden. Für thermische Leistungsmessungen ist es auch notwendig, die Enthalpiedifferenz zwischen heissem und kaltem Zweig zu ermitteln. Zu diesem 35 Zweck sei auf Fig. 4 Bezug genommen, welche eine Kurve wiedergibt, die die Enthalpie über der Schallgeschwindigkeit darstellt.

Kurve 60 besitzt eine positive Steigung und der zwischen den Punkten 62 und 63 liegende Teil, der den Betriebsbereich 40 darstellt, ist in guter Annäherung linear. Die Extrapolation dieses linearen Teils schneidet die Enthalpieachse bei irgendeinem WerthCo.

Nimmt man an, dass der Punkt 62 die Enthalpie des heissen Zweiges und der Punkt 63 die Enthalpie des kalten Zweiges 45 repräsentiert, ergibt sich mit der Formel für die Gerade (Gleichung 6)

P=Qe(h„-hc)

(5)

hH =

50

Dabei ist vorausgesetzt, dass der Strömungsmesser beispielsweise im kalten Zweig angeordnet ist und folgende Masseinheiten verwendet werden:

Q (volumetrische Fluidströmung im kalten Zweig) in m3/s q (durchschnittliche Fluiddichte) in kg/m3 hH (durchschnittliche Fluidenthalpie im heissen Zweig) in BTU/kg (1 BTU=0,2521 kcal)

hc (durchschnittliche Fluidenthalpie im kalten Zweig) in BTU/kg.

Da Q X q die Massenströmungsrate ist und Q vom Strömungsmesser gemäss Gleichung (4) angegeben wird, ist es notwendig, die Fluiddichte q im kalten Zweig zu ermitteln. Dies wird dadurch erreicht, dass die Schallgeschwindigkeit Cc im kalten Zweig ermittelt wird. Beispielsweise stellt die Kurve 54 in Fig. 3 den Zusammenhang zwischen der Dichte des im Kreislauf strömenden Fluids bezüglich der Schallgeschwindigkeit in dem sowie

S h ÔC

ôh

CH+h(

'Co

(8)

'hc_l ÔC ) lCc+hco

(9)

Subtrahiert man Gleichung (9) von Gleichung (8), folgt

60

^h- hc— | "gQ- I |CH —Cc)

(10)

Demgemäss kann die Enthalpiedifferenz, die für die Lei-65 stungsberechnung erforderlich ist, dadurch ermittelt werden, dass eine Anzeige für die Schallgeschwindigkeit in dem Fluid im heissen Zweig (CH) sowie die Geschwindigkeit des Schalls im Fluid im kalten Zweig (Cc) ermittelt wird, wobei

ôh ÔC

tl = t2

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(18)

eine Konstante ist, die gleich der Steigung der Kurve der Fig. 4 innerhalb des Betriebsbereiches ist.

Berücksichtigt man zur Vereinfachung nur ein Einwegesystem, beträgt die Laufzeit des akustischen Impulses in Strömungsrichtung und c"f (ir io C =

L_ tl

(19)

(20)

tl =

c+v

(11)

und die Laufzeit des akustischen Impulses in entgegengesetzter Richtung (Gegenstromrichtung)

t2=

C-V

(12)

wobei V die Fluidgeschwindigkeitskomponente längs dem Weg zwischen den Wandlern ist und L die Weglänge zwischen den beiden Wandlern. Da

1 C+V tl ~ L und 1 C-V t2 L

gilt, ergibt sich durch Addition der beiden Gleichungen: C+V+C-V

(13)

(14)

1 + —

tl t2

daher ist C

2C L

(15)

Wenn somit das Kernkraftwerk bereits einen akustischen Mehrwegeströmungsmesser im einen Zweig aufweist, ist es nur 5 noch notwendig, mehrere Wandlerpaare im anderen Zweig vorzusehen und gemäss der Darstellung der Fig. 5 anzuordnen. Wenn ein ausserordentlich genaues Massenströmungsraten-messgerät gewünscht wird, könnte alternativ auch die Anordnung der Fig. 5 sowohl im heissen wie auch im kalten Zweig ,0 hinzugefügt werden, um Schallgeschwindigkeitsanzeigen für die Berechnung der Leistung zu erhalten.

Mit einer derartigen Anordnung von akustischen Mehrfachwegen im heissen Zweig und akustischen Mehrfachwegen im kalten Zweig könnte, wenn die entsprechenden Weglängen im 25 einen Zweig gleich den entsprechenden Weglängen in den anderen Zweigen sind, ein gemeinsamer Sender gleichzeitig die Wandler in beiden Zweigen erregen, so dass statt zwei Messungen bezüglich L/tl für jeden Zweig eine einzige Messung bezüglich At^ erhalten wird, wobei AtAB die Differenz in der An-30 kunftszeit der Impulse im einen Zweig bezüglich der Impulse im anderen Zweig ist.

Kehren wir zum gegenwärtigen Beispiel zurück, so ergibt sich, dass alle Grössen, die für die Leistungsberechnung notwendig sind, ermittelt wurden und gemäss der folgenden Glei-35 chung angewendet werden:

P =

c-M-i +i-

2 tl t2

k.

i=l

At;

tli(tl, + AtO

(16),

damit ergibt sich aus Gleichung (2), wenn berücksichtigt wird, dass t2=tl + A t ist,

tli

+

(tli + Atj)

+ kr xkFx

45

C

tl

+

1

(tl + At)

(17)

I

j=i mit:

tli

« 1, ) 1 l 1 c'j tl; tlj + Att i= 1

(21)

so D

Alle Grössen der Gleichung (17) sind bekannt oder werden kA. = WjL; tan 0, vom Strömungsmesser geliefert, so dass diese Beziehung in ei-

ÒQ_

ÔC

nem Mehrwegesystem verwendet werden kann, und zwar unter Anwendung geeigneter Gauss'scher Wichtungsfaktoren, um so kB die Schallgeschwindigkeit im kalten Zweig zu ermitteln. Wenn 55 die akustischen Wege senkrecht zur Strömungsrichtung liegen,

werden die akustischen Impulse von der Geschwindigkeit des kc. = i_i

Fluids nicht beeinflusst. Beispielsweise - siehe Fig. 5 - umfasst 2

die Leitung 68, die bei dem vorliegenden Beispiel einen Teil des heissen Zweiges darstellt, eine Mehrzahl von Wandlern Tl bis f)0 kD = cc T4 zusammen mit entsprechenden gegenüberliegenden Wand- 0

lern TI ' bis T4'. Die akustischen Wege zwischen den Wandlerpaaren liegen alle in der gleichen Ebene, welche Ebene senk- kE. = W;L recht zur Fluidströmungsrichtung ist, wie durch den Pfeil ange- 1 deutet wird. Eine Ansicht der Anordnung längs der Achse ist in fi5 Fig. 5A wiedergegeben. .

Da die akustischen Impulse von der Fluidgeschwindigkeit kF =

'j^J

nicht beeinflusst werden, ist

ÔC

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In der Gleichung (21) stellt der erste Term in Klammern die Strömungsrate ermittelt werden kann, unter der Bezeichnung volumetrische Strömungsrate Q dar, wie sie von dem Strö- LEFM Modell 601 im Handel, sie wird von der Firma Westing-mungsmesser bestimmt und in Gleichung (4) wiedergegeben ist. house Electric Corporation vertrieben und gegenwärtig in ver-Der zweite Term in Klammern ist die Dichte des Fluids im schiedenen Wasserbehandlungswerken, hydroelektrischen kalten Zweig, wie durch Gleichung (7) wiedergegeben, wobei s Kraftwerken, Rohrleitungen sowie Kernkraftwerken verdie Schallgeschwindigkeit unter Anwendung des geeigneten wendet.

Gauss'schen Wichtungsfaktors über die Gleichung (17) ermit- Die Bestimmung der Schallgeschwindigkeit CB im Zweig B telt wird. Der letzte Term in Klammern ist einfach die Schalige- wird mit der in Fig. 7 dargestellten Anordnung ermöglicht, wo-schwindigkèit im heissen Zweig, die sich aus Gleichung (20) bei ein Weg, der Weg mit der Bezeichnung j, eines Systems mit ergibt, minus der Schallgeschwindigkeit im kalten Zweig, wie sie 10 n Wegen wiedergegeben ist. Der Sender 100 bewirkt die Absenfür die Dichteberechnung ermittelt wurde. dung eines akustischen Impulses quer zur Leitung längs des We-Die Differenz zwischen diesen zwei Grössen, CH - Cc, mul- ges j vom Wandler Tj' zu einen gegenüberliegenden Wandler Tj tipliziert mit einer Konstante kF, ist die Wiedergabe der Glei- und startet zu gleicher Zeit den tl-Zähler 102. Wenn der Impuls chung (10). am gegenüberliegenden Wandler Tj eintrifft, liefert der Emp-

Fig. 6,7 und 8 erläutern eine elektronische Schaltung zur 15 fänger 104 ein Ausgangssignal, um den tl-Zähler 102 abzu-

Ausführung der Leistungsgleichung für eine Durchflussmess- schalten.

anordnung mit n akustischen Wegen im einen Zweig, der als Der Schaltkreis 104 nimmt den Kehrwert des Ausganges

Zweig A bezeichnet ist, sowie ein akustisches System mit n We- des tl-Zählers 102, und dieser Wert wird mit der angegebenen gen zur Ermittlung der Schallgeschwindigkeit im anderen Grösse des Schaltkreises 106 multipliziert, welche Grösse äqui-

Zweig, der mit Zweig B bezeichnet ist. Fig. 6 erläutert in Form 20 valent zum Faktor kE. der Gleichung (21) ist. Der so erhaltene eines Blockdiagramms verschiedene elektronische Schaltkreise, Wert wird über eine ausgewählte Zeitperiode gemittelt und zu die mit einem Weg i verbunden sind. Ein Sender 70 erregt den Daten hinzugefügt, die von anderen Wegen im Schaltkreis gleichzeitig die Aufstrom- und Abstromwandler des Weges i, 108 erhalten werden, wobei der Ausgang eine Anzeige der um auf diese Weise akustische Impulse in entgegengesetzten Schallgeschwindigkeit in der Flüssigkeit des Zweiges B ist.

Richtungen längs des Weges abzusenden. Gleichzeitig dazu 25 Wenn gewünscht, kann durch die Darstellung 110 auch eine startet der Sender einen Zähler 72 für tl. Sichtdarstellung des Ausganges gegeben werden.

Der in Strömungsrichtung gesendete Impuls kommt als er- Fig. 8 erläutert eine weitere Modifikation dieser Grössen Q,

ster an und der stromabwärts angeordnete Empfänger 74 liefert CA und CB, um einen Wert für die thermische Leistung zu erhal-

eine Anzeige dafür, um den tl-Zähler 72 abzuschalten und den ten. Der Schaltkreis 112 multipliziert den Wert von CA mit der

At-Zähler 76 einzuschalten. Wenn der in Gegenstromrichtung 30 / ôo \

gesendete Impuls ankommt, liefert der stromaufwärts angeord- Konstanten kB (äquivalent zu —- 1 und addiert die Kon-

nete Empfänger 78 ein Ausgangssignal, um den At Zähler ab- \ /P)

zuschalten. stante kD (äquivalent zum Wert Qq,). Der Ausgang des Schalt-

Somit werden zwei Werte erhalten, tl und At, und der kreises 112 ist daher die Dichte q, die mit der volumetrischen

Schaltkreis 80 führt an diesen zwei Werten die angedeuteten 35 Strömungsrate Q im Multiplikator 114 kombiniert wird, dessen

Operationen aus. Der sich ergebende Wert wird im Schaltkreis Ausgang eine Anzeige für die Massenströmungsrate ist, die wie-

82 mit dem angegebenen Wert multipliziert, das ist die Kon- derum, wenn gewünscht, mit Hilfe einer Darstellung 116 sicht-

stante kA der Gleichung (21), und die Ergebnisse davon werden bar gemacht werden kann.

über eine ausgewählte Zeitperiode gemittelt und im Schaltkreis Wie erinnerlich, wird die Massenströmungsrate mit der En-84 mit den Daten der übrigen Wege summiert. Der Ausgang des 40 thalpieänderung multipliziert, die wiederum zur Differenz in

Schaltkreises 84 stellt daher die volumetrische Strömungsrate Q den Schallgeschwindigkeiten der zwei Zweige in Beziehung dar, der, wenn gewünscht, als numerischer Wert auf einer steht. Entsprechend wird auf die zwei Schallgeschwindigkeiten

Darstellung 86 sichtbar gemacht werden kann. CA und CB durch den Subtraktor 118 eingewirkt und dann im

Von dieser grundlegenden Durchflussmessanordnung kann Schaltkreis 120 mit dem dort angegebenen Wert multipliziert, die Schallgeschwindigkeit im Zweig A dadurch erhalten werden,45 welcher äquivalent zum Wert kF der Gleichung (21) ist.

dass der Schaltkreis 86' vorgesehen wird, der auf den Ausgang Die zwei Werte, Massenströmungsrate und Enthalpieände-

vom tl-Zähler 72 und vom At-Zähler 76 dadurch reagiert, dass rung, werden dem Multiplikator 122 zugeführt, dessen Aus-

er die angegebene Operation ausführt, wobei die Ergebnisse im gangssignal eine Anzeige der gesamten thermischen Leistung

Schaltkreis 88 mit der dort angegebenen Konstanten multipli- ist, die auf Einheit 124 dargestellt wird, nachdem irgendwelche ziert werden, wobei diese Konstante gleich kc, der Gleichung 50 notwendigen Einheitsumrechnungen durch den Schaltkreis 126

(21) ist. Der Ausgang wird über eine ausgewählte Zeitperiode durchgeführt wurden.

gemittelt und zu den Daten der anderen Wege des Schaltkreises Bei der Rechenanordnung, wie sie gerade beschrieben wur-

90 summiert, dessen Ausgangssignal die Schallgeschwindigkeit de, können die verschiedenen Konstanten in getrennten Regi-

CA darstellt. Wenn gewünscht, kann eine Sichtanzeige dieser stern eines Computers oder in Festwertspeichern gespeichert

Schallgeschwindigkeit auf der Darstellung 92 wiedergegeben 55 werden, in die die konstanten Werte, wie sie von einem be-

werden. stimmten Fluidtransportsystem vorgegeben werden, angeordnet

Das Gerät zur Erlangung von tl und At mit nachfolgender sind. Alternativ kann die thermische Leistung durch das Gerät Modifizierung dieser Werte, um die volumetrische Strömungs- der Fig. 9 ermittelt werden, welches Datenspeicherabschnitte rate zu erhalten, ist in Fig. 6 für einen Weg funktionell darge- 130 und 132 zur Speicherung der entsprechenden Datenpunkte stellt. Obwohl n Duplizierungen (eine Duplizierung für jeden 60 der Kurve in Fig. 3 (Dichte über Schallgeschwindigkeit) und Weg) für diese Anordnung möglich sind, kann ein in der Praxis Kurve in Fig. 4 (Enthalpie über Schallgeschwindigkeit) speiausgeführtes System einen einzigen Sender mit einem einzigen ehern. Das Gerät der Fig. 9 kann durch einen üblichen Digital-Berechnungsabschnitt mit unterschiedlichen Registern für die computer verwirklicht werden, wobei die Speicher 130 und 132 Speicherung von unterschiedlichen Konstanten verwenden, wo- programmierbare Festwertspeicher oder auch Bandspeicher bei die Anordnung zwischen den einzelnen Wegen zeitgesteuert 65 oder Magnetscheibenspeicher sind, um nur einige Beispiele zu wird. Eine Anordnung, die zur Anwendung gebracht werden nennen. Der Rechner wird derart programmiert, dass dann, kann, ist in der US-Patentschrift 3 918 304 beschrieben. Aus- wenn CA und CB zur Verfügung stehen, ein bestimmter Wert für serdem ist ein Gerät, mit dem die beschriebene volumetrische @A sowie bestimmte Werte hA und hB aus den entsprechenden

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Datenspeichern 130 und 132 herausgezogen werden. Die Ein- Zweig in der vorbeschriebenen Weise bestimmt werden, wobei gäbe dieser Werte CA und CB, das Tabellenaufschlagen sowie jedoch die Enthalpie des heissen Zweiges durch Messung von die Extraktion der jeweiligen Werte ist in Fig. 9 dargestellt, Druck und Temperatur des überhitzten Dampfes in dem heissen siehe die Softwareblöcke 136,138 und 140. Zweig ermittelt werden muss, beispielsweise durch die in Fig. 1 Eine Multiplikatorschaltung 142 multipliziert die volume tri- 5 dargestellte Messfühleranordnung 46. Eine Anordnung ähnlich sehe Strömungsrate mit der Dichte, um einen Ausgang zu erhal- zu der, wie sie gemäss Fig. 9 beschrieben wurde, könnte dann ten, der die Massenströmungsrate wiedergibt, welche gegebe- zusammen mit einer Datenspeicherung für die Enthalpie als nenfalls auf einer Darstellung 144 abgelesen werden kann. Die Funktion der Temperatur und des Druckes anstelle der Schall-

Enthalpien für die Zweige A und B werden in einem Subtrak- messung vorgesehen weden.

tionsschaltkreis 144' bearbeitet, um die Enthalpiedifferenz zu io Es wurde somit eine Anordnung zur Messung der thermi-

erhalten, welche im Schaltkreis 146 mit der Masseströmungsra- sehen Leistung beschrieben, mit der eine Anzeige der thermi-

te multipliziert wird, um einen Ausgang zu erhalten, der die sehen Leistungserzeugung oder des thermischen Leistungsver-

thermische Leistung angibt. Dieser Ausgang wird nach Konver- brauchs irgendeiner Einrichtung ermittelt werden kann, welche sion in einer Einheit 148 einer Darstellung 150 zugeführt. für den Wärmetransport strömendes Fluid benutzt. Das Gerät

Die Berechnung der thermischen Leistung wurde insoweit is benutzt Messungen, die sich auf die Laufzeit von akustischen bezüglich der Primärschleife 14 der Fig. 1 beschrieben, in wel- Impulsen beziehen, eine genau plazierte Wandleranordnung, eicher eine nichtkompressible Flüssigkeit mit im wesentlichen nen Digitalcomputer sowie Festkörperelektronikschaltungen, konstantem Druck fliesst. In der Sekundärschleife 20 leitet der wobei der für die Leistungsmessungen auftretende Fehler aufkalte Zweig 32 eine Flüssigkeit, jedoch liefert der Dampferzeu- grund von Ungenauigkeiten in der Zeitmessung und bei den ger 12 Dampf in den heissen Zweig 30. 20 Messungen in der Geometrie sich zu einem Maximalwert von

Der Sekundärkreislauf selbst stellt also eine einzige Schleife etwa 0,67 % für eine einzige Messung kombinieren. Bei der tat-

dar, bei dem der Dampferzeuger 12 als Wärmequelle des Sy- sächlichen Ausführung werden die Messungen mehrmals pro stems arbeitet, beispielsweise einen Brenner für fossilen Brenn- Sekunde durchgeführt und eine Mittelungszeitperiode in der stoff darstellt. Je nach Gestaltung des Gerätes kann der Dampf Grössenordnung von einer Minute angewendet. Diese zeitliche im heissen Zweig 30 gesättigter Dampf oder überhitzter Dampf 25 Mittelung vermindert die Zeitfehler auf weniger als 0,1 % für Q

sein. Für den Fall gesättigten Dampfes wäre die Durchfluss- und C. Die Kombination von Quadraturintegration, thermi-

messanordnung 40 im kalten Zweig 32 identisch mit derjenigen, sehen Gradienten, zeitlichen und geometrischen Fehlern sowie die bereits beschrieben wurde, um die volumetrische Strö- der Umsetzung der Messungen bezüglich Dichte und Enthalpie mungsrate Q und die Schallgeschwindigkeit Cc zu berechnen. führen zu einem angenäherten Fehler für die zeitlich gemittelte

Das Gerät und die Berechnung der thermischen Leistung wird 30 Leistung von ±112% oder besser.

jedoch vereinfacht durch die Tatsache, dass die Enthalpie des Bei dem dargestellten Beispiel eines Kernreaktorkraftwer-heissen Zweiges für das System mit gesättigtem Dampf nahezu kes ist nur eine einzige Primärschleife wiedergegeben. In Wirkeine Konstante ist und für den typischen Betriebsbereich be- . lichkeit kann das Kraftwerk eine Anzahl von Primärschleifen kannt ist, so dass die akustischen Messungen in dem heissen und thermischen Leistungsmesseinrichtungen für jede Schleife Zweig für die Bestimmung der Enthalpie nicht durchgeführt zu 35 aufweisen, um nicht nur Ablesungen und Wirksamkeitsangaben werden brauchen. für jede Schleife zu erhalten, sondern auch Unterschiede der

Im Falle des überhitzten Dampfes jedoch können die volu- thermischen Leistung für die einzelnen Schleifen, um so irgendmetrische Strömungsrate und die Enthalpie für den kalten welche Systemunausgewogenheiten zu erkennen.

C

6 Blatt Zeichnungen

Claims

638 617 PATENTANSPRÜCHE

1. Gerät zur akustischen Bestimmung der in einem Fluid herrschenden Enthalpie, mit einer ersten Einrichtung, die eine Wandlerschaltung zur Aussendung akustischer Signale durch das Fluid sowie eine an diese Wandlerschaltung angeschlossene 5 Schaltung zur Ermittlung der Geschwindigkeit dieser akustischen Signale im Fluid aufweist, gekennzeichnet durch Korrelationsschaltungen (82, 84,112,114,116,118,120,122,124, 126,136,138,140,142), die an die Schaltung zur Ermittlung der Geschwindigkeit der akustischen Signale im Fluid (72,74, io 86,88,90) angeschlossen sind, um die Geschwindigkeit der akustischen Signale im Fluid mit dessen Enthalpie zu korrelieren.

2. Gerät nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Schaltungen (76,80,82,84) zur Ermittlung der Geschwindigkeit des 15 Fluids, die mit der Wandlerschaltung verbunden sind.

3. Gerät nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Schaltung zur Messung des Massestromes des Fluids, welche Schaltung mit der Wandlerschaltung verbunden ist.

4. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge- 20 kennzeichnet, dass die Wandlerschaltung Wandler aufweist, die so angeordnet sind, dass sie zumindest eine das Fluid querende Strecke (Ll5 L2, L3, L4) für die akustischen Signale festlegen.

5. Gerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandler so angeordnet sind, dass sie mehrere Strecken (L1; Lj, 25 13; L4) für die akustischen Signale festlegen.

6. Gerät nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandlerschaltung akustische Signale in entgegengesetzte Richtungen längs der Strecke bzw. Strecken aussendet.

7. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet 30 durch eine Schaltung (138) zur Ermittlung der Dichte des Fluids, eine Schaltung zur Ermittlung von dessen volumetrischer Strömungsrate sowie einen Schaltkreis (142) zur Multiplikation. der Ausgangssignale dieser beiden Schaltungen, um den Massestrom des Fluids zu ermitteln. 35

8. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch eine zweite Einrichtung (TT, T2', T3', T4', Tl, T2, T3, T4) zur Ermittlung eines thermischen Parameters, welche zweite Einrichtung im Abstand zu der ersten Einrichtung angeordnet ist. 40

9. Gerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Einrichtung mit einem ersten Zweig und die zweite Einrichtung mit einem anderen Zweig eines Fluidkreislaufes verbindbar ist.

10. Gerät nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass 45 die zweite Einrichtung Schaltungen aufweist, die den Schaltungen der ersten Einrichtung entsprechen.

11. Gerät nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandlerschaltung der zweiten Einrichtung für den Empfang von senkrecht zur Fluidströmung gerichteten Signalen gestaltet 50 ist.

12. Gerät nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Einrichtung eine Schaltung zur akustischen Ermittlung der in einem dampfförmigen Fluid herrschenden Enthalpie aufweist.

15. Verfahren nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch gleichzeitiges Bestimmen von Schallgeschwindigkeit und Geschwindigkeit und Massenströmung des Fluids.

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13. Gerät nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte Schaltung Mittel zur Messung von Temperatur und Druck aufweist, um die in überhitztem Dampf herrschende Enthalpie zu ermitteln. 60

14. Verfahren zum Betrieb des Gerätes nach Anspruch 1, umfassend die Schritte des Übertragens akustischer Signale innerhalb des Fluids, Empfangen der übertragenen akustischen Signale und Bestimmung der Geschwindigkeit des Schalls in dem Fluid aus den empfangenen akustischen Signalen, gekenn- 65 zeichnet durch die Korrelation der Geschwindigkeit des Schalls mit der Enthalpie des Fluides.