DD142606A1 - Verfahren und messsonde fuer teilchengeschwindigkeits-,teilchengroessen-und teilchenkonzentrationsverteilungen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum kontinuierlichen Messen der lokalen Verteilungen von Geschwindigkeit, Größe und Konzentration von Teilchen in einem Strömungsmittel ohne Probenahme. In der Verfahrenstechnik und ähnlichen Bereichen existieren in Apparaten und Rohrleitungen Mehrphasenströmungen, dis im Sinne einer optimalen Prozeßführung transportiert oder verarbeitet werden müssen. Dazu ist die kontinuierliche, lokale Messung der Geschwindigkeit, Größe und Konzentration der Teilchen notwendig. Das Ziel der Erfindung besteht darin, die gleichseitige Messung dieser Größen unabhängig von der Art der Mehrphasenströmung mit vertretbarem Aufwand durchzuführen, wobei aus der gemessenen Größe der Teilchengeschwindigkeit auf die Anströmrichtung der Teilchen geschlossen v/erden kann. Die Aufgabe wird dadurch' gelöst, daß flexible Lichtleitfasern in einer kombinierten Lichtabsorptions-/ Lichtreflexionssonde in Verbindung mit einer Beleuchtungseinrichtung, opto-elektronischen Wandlern, Verstärkern, Impulszähler, Frequenzanalysator, Impulsformstufe, Torschaltung, Quarzgenerator, Zähler, Speicher ur.d Digitalrechner angewendet werden. Im Meßraum der Sonde verursachen die Teilchen Absorptions- oder Reflexionsimpulse, die zu ihrer Geschwindigkeits-, Größen- und Konzentrationsmessung umgewandelt, registriert und ausgewertet werden.

Description

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Titel der Erfindung

Verfahren und Vorrichtung zum kontinuierlichen Messen der lokalen Verteilungen von Geschwindigkeit, Größe und Konzentration von Teilchen in einem Strömungsmittel ohne Probenahme.

Anwendungsgebiet der Erfindung

In Apparaten und Rohrleitungen der chemischen Verfahrenstechnik und ähnlichen technischen Bereichen existieren Mehrphasenströmungen, deren physikalischer Zustand die Prozeßfuhrung beeinflußt. Die Strömungsmittel solcher Mehrphasenströmungen können flüssig oder gasförmig sein, die dispergierte Phase kann aus festen, flüssigen odsr gasförmigen Teilchen bestehen. Diese Teilchen charakterisieren durch ihre Geschwindigkeit, GröiBe und Konzentration die Mehrphasenströmung. Eine optimale Prozeßführung in den unterschiedlichsten Apparaten der Technik hängt in vielen Fällen von der Messung und Einhaltung bestimmter Sollwerte der Geschwindigkeit,' Größe und Konzentration der Teilchen ab. Dazu ist eine kontinuierliche Messung der lokalen Verteilungen dieser Größen in der Mehrphasenströmung ohne Probenahme erforderlich.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Die bekannten technischen Lösungen sind einmal von der Art der Mehrphasenströmung abhängig und zum anderen nur für bestimmte Meßgrößen, z.B. die Teilchengeschwindigkait oder die Teilchenkonzentration ausgelegt. Ferner sind direkte, kontinuierliche

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Messungen in technischen Apparaten mit den bekannten Lösungen meistens nicht möglich; deshalb sind mehr oder weniger aufwendige Probezuführungen zum Meßgerät erforderlich. Bekannt sind strömungsmechanische, elektromagnetische und elektronische Verfahren. Zu den strömungsmechanischen Verfahren zählen der Einsatz der Prallplatte, eines Piezokristall,des Impulsgerätes und die geschwindigkeitsgleiche Absaugung·eines Teilstromes aus der Mehrphasenströmung über einen Fliehkraftabscheider. Nach der OS-2508647 wird zur Teilchengrößenbestimmung in einer Staub-Gas-Dispersion ein Teilstrom abgetrennt und über mehrere Fliehkraftabscheider mit bekannter Abscheidecharakteristik geführt. Die Teilchengröße disperser Feststoffe von in Rohren strömenden Gasen wird nach der AS-1810711 mit Hilfe einer Meßdüse nach einem Differenzdruckverfahren und anschließender mathematischer Auswertung gewonnen. Es sind auch Verfahren bekannt,mit denen die Geschwindigkeit und Konzentration von Teilchen in einem Strömungsmittel unter Ausnutzung des Doppier-Effekts -z.B. nach der AS-1800860- oder nach dem Interferenzstreifenverfahren -z.B. nach der AS-1953630- bestimmt werden können. Diese Verfahren erfordern transparente Strömungen und transparente Fenster in den Apparaten. Sehr verbreitet sind Verfahren, die auf einer Laufzeitmessung von Teilchen zwischen zwei Raumpunkten beruhen. Während einzelne determinierte Signale leicht zu verarbeiten sind, erfordern statistisch schwankende Signale den Einsatz der Korrelationsmeßtechnik. Eine Laufzeitmessung mit Einzelsignalen kann durch die Verwendung von radioaktiven, magnetischen oder optischen Tracern (Farbstoffe] erzielt warden. LaufZeitmessungen mit der Korrelationsmeßtechnik können mit optischen, akustischen oder elektronischen Mitteln durchgeführt werden. Bekannt ist eine Reflexionssonde aus flexiblen Lichtleitern zur Messung der Teilchengeschwindigkeit und -größe (A New Method for Evaluating the Size of Moving Particles with a Fiber Optic Probej K.Dki, T.-Akehata and T.Shirai, Powder Technology 11, '1975, S. 51... 57). Für die kontinuierliche Teilchengrößenbestimmung in technischen Prozessen sind die unmittelbaren Zäh!verfahren in ihrer jetzigen. Form nicht geeignet. Man

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versucht deshalb einerseits bekannte Verfahren für die kontinuierliche Messung einzurichten oder andererseits geeignete unmittelbare Zählverfahren zu entwickeln. Eine Reihe bekannter Verfahren wird z.B. in einer Bypaßleitung eingesetzt: Coulter-Counter-ZMhler nach WP-35872 oder Streulichtzähler nach OS-231551.1. Nach dem WP-81002 wird aus Intensität und Frequenz der von den Teilchen ausgestrahlen Fluoreszenzstrahlung die mittlere TeilchengröBenverteilung bestimmt. Schließlich ist auch ein eigenes Patent zur kontinuierlichen lokalen Bestimmung der Geschwindigkeit, Größe und Konzentration der Teilchen bekannt (WP-128995, "Verfahren und Vorrichtung zum Messen der Geschwindigkeiten, Größen und Konzentrationen von Teilchen in einem Strömungsmittel"). Danach wird die Geschwindigkeitsmessung nach einem Laufzeitverfahren vorgenommen.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht darin, ein kontinuierliches Nassen der lokalen Verteilungen von Geschwindigkeit, Größe und Konzentration von Teilchen in einem Strömungsmittel ohne Probenahme und mit vertretbarem betriebstechnischen Aufwand zu ermöglichen. Prozesse der chemischen Verfahrenstechnik und anderer technischer Bereiche, in denen feste, flüssige oder gasförmige disperse Stoffe transportiert oder verarbeitet werden, können damit in ihrem Wirkungsgrad und in Bezug auf die Qualität ihrer Produkte verbessert werden. Daneben ist eine automatisierte Überwachung solcher Prozesse möglich.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu entwickeln, mit denen in einem beliebigen Strömungsmittel und in ihm ortsabhängig die Verteilung von Geschwindigkeit, Größe und Konzentration der Teilchen kontinuierlich gemessen werden kann, ohne daß eine Probenahme erforderlich ist. Der dazu notwendige meßtechnische Aufwand soll in vertretbaren betriebstechnischen und ökonomischen Grenzen gehalten

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werden. Bezüglich der Meßgröße Teilchengeschwindigkeit soll das Verfahren richtungsempfindlich sein.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß flexible Lichtleitfasern als Lichtgeber und weiterhin in linearer Anordnung mit gleichen, genau definierten Abständen als Lichtempfänger und in Verbindung mit einer Beleuchtungseinrichtung, opto-elektronischen Wand"lern, Verstärkern, Impulszähler, Frequenzanalysator, Impulsformer, Torschaltung, Quarzgenerator, elektronischem Zähler und Speicher und einem Digitalrechner verwendet werden. Bei der linearen Anordnung der Lichtempfängerfasern werden möglichst viele Lichtleitfasern so positioniert, daß sie hintereinander äquidistant in einer Richtung liegen. Der Abstand zwischen je zwei benachbarten Lichtleitfasern ist damit konstant. Die Anordnung die flexiblen Lichtleitfasern als Lichtgeber und als Lichtempfänger auf den Meßflanken der Sonde wird so vorgenommen, daß sich eine Kombination der bekannten Verfahren nach der Lichtabsorptions- und Lichtreflexionsmethode ergibt. Die Teilchen, die den Meßraum der Sonde passieren und deren Bewegungsrichtung mit der Richtung der linear in einer Reihe angeordneten Lichtempfängerfasern übereinstimmt, erzeugen Lichtabsorptions- bzw. Lichtreflexionsimpulse, die von opto-elektronischen Wandlern in elektrische Spannungsimpulse umgewandelt werden. Ist die Geschwindigkeit eines Teilchens im Meßraum der Sonde konstant, so besitzen alle erzeugten Spannungsimpulse den gleichen * zeitlichen Abstand T, der umgekehrt proportional dem Betrag der Teilchengeschwindigkeit ist. Damit ist eine Proportionalität zwischen Teilchengeschwindigkeit und Frequenz der erzeugten Spannungsimpulse gegeben. Diese Frequenz ist richtungsempfindlich, d.h. abhängig von der Richtung der anströmenden Teilchen. Sie wird von einem Frequenzanalysator erfaßt, digitalisiert, einer Speichereinheit und dann einem Digitalrechner zugeführt. Als Frequenzanalysator kann wahlweise ein Oszillograph, ein Frequenz-Spannungs-Konverter, ein Frequenz-Such-Diskriminator (Nachlaufschaltung!) oder ein On-line-Computsr eingesetzt werden. Die Breite des von einem Teilchen erzeugtsn Impulses ist proportional zur Teilchengröße (statistische Sehnsnlänge nach Fsret}. Zur Be-

Stimmung der Teilchengröße werden die von einer Einzelfaser innerhalb der linearen äquidistanten Anordnung der Lichtempfängerfasern aufgenommenen Lichtimpulse nach ihrer opto-elektronischen Wandlung und Verstärkung einer Impulsformstufe zugeführt. Sie besteht aus einem Schmitt-Trigger, mit dem aus der zugeführten Eingangsspannung eine Rechteckspannung geformt, die anschließend durch ein Differenzierglied in Nadelimpulse umgewandelt wird. Diese Nadelimpulse sind für den Betrieb der Torschaltung notwendig. Die Impulsfolge des Quarzgenerators läuft auf einen Zähler, dessen Ergebnis gespeichert wird. Die Berechnung der Teilchengröße wird im Digitalrechner mit Hilfe des gleichzeitig ermittelten und abgespeicherten Wertes der Teilchengeschwindigkeit vorgenommen. Der Durchmesser der Einzelfaser muß auf den zu untersuchenden Teilchengrößenbereich von 10 um...5 mm abgestimmt werden. Die Resultate des Impulszählers liefern den jeweiligen Massenfluß in Teilchen/Sekunde bzw. in Verbindung mit der Teilchengeschwindigkeit die räumliche Teilch en kon ze nt ra't ion .

Dem Bekannten gegenüber besteht das Verfahren darin, mit einer kombinierten Lichtabsorptions- und Lichtreflexionssande das kontinuierliche Messen der lokalen Verteilungen von Geschwindigkeit, Größe und Konzentration der Teilchen in einem Strömungsmittel vorzunehmen, ohne daß eine Probenahme erforderlich ist und ohne den elektronischen Aufwand der Kcrr'elationsmeßtechnik für die Bestimmung der Teilchengeschwindigkeit zu betreiben. Außerdem kann die Richtungsverteilung der Teilahengeschwindigkeit im Meßvolumen gemessen werden. Das Strömungsmittel kann gasförmig oder flüssig, die zu messenden Teilchen können fest, gasförmig (Blasen) oder flüssig (Tropfen) sein. Außer der Sondenanströmung erfährt der verfahrenstschnische Prozeß keinerlei störende Beeinflussung oder Unterbrechung zwecks Probenahme.

Ausführungsbeispiel

Wie das Verfahren im einzelnen angewendet und wie die zu seiner Durchführung gebrauchte kombinierte Lichtabsorptions-ZLichtreflexionssonde beschaffen sein kann, ergibt sich aus der nachstehenden Beschreibung und den Zeichnungen, in denen ein Ausführungsbeispiel dargestellt wird. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen

Fig.1: einen Längsschnitt durch eine Rohrleitung, in der eine Mehrphasenströmung eingeschlossen ist, mit einer kombinierten Lichtabsorptions-ZLichtreflexionssonde, Fig.2: einen Querschnitt nach Fig.1, Fig.3: die Frontseite der Meßflanke für die Lichtempfängerfasern und das Reflexionslichtleitbündel,

Fig.4: die Frontseite der Meßflanke für das Absorptionslichtleitbundel, Fig.5: das Schema für die Schaltung der Meßeinrichtung.

In einer Rohrleitung 1 bewegt sich eine Mehrphasenströmung kontinuierlich in der Bewegungsrichtung 13 der Teilchen 12 als disperse Phase. In diese Rohrle.itung 1 ragt eine kombinierte Lichtabsorptions-/Lichtreflexionssonde 2 hinein, die in den Verschiebungsrichtungen 3.'. . 6 und in der Drehrichtung 7 lokal bewegt werden kann. Diese Sonde 2 besteht aus dem Reflexionslichtleitbündel 11 als Li'chtgeber, dem Absorptionslichtleitbünäel 10 als Lichtgeber und flexiblen Lichtempfängerfasern 15, die auf der Frontseite der Meßflanke 9 als optische Wirkungsfläche in einer Reihe äquidistant angeordnet sind. Das Lichtleitbündel 14 der Lichtempfängerfasern 15 wird gemeinsam mit dem Reflexions-, lichtleitbündel 1T von der Meßflanke 9 aufgenommen, während die Meßflanke B nur das Absorptionslichtleitbundel 10 als Lichtgeber enthält. Die Teilchen 12, die in Bewagungsrichtung 13 den Meßraum der Sonde 2 zwischen ihren Flanken B und 9 passieren, erzeugen an den im Abstand" 16· äquidistant angeordneten Lichtempf ängsrfasern 15 Lichtabsorptions- oder Lichtreflexionsimpulse. Als Lichtgsber'dient entweder das Absorptionslichtleitbundel 10 mit seinen Lichtleitfasern 18 oder das Reflexionslichtleitbündel 11 mit seinen Lichtleitfasern 17. Die Lichtimpulse werden von

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den opto-elektronischen Wandlern 21 in Spannungsimpulse umgewandelt und den Verstärkern 22 zugeführt. Die Teilchen 12, die im Meßraum der Sonde 2 eine konstante Geschwindigkeit besitzen und deren Bewegungsrichtung 13 mit der Anordnungsrichtung der Lichtempfängerfasern 15 übereinstimmt, erzeugen eine Impulsfolge, deren Impulsanzahl gleich der Anzahl der Lichtempfängerfasern entspricht und deren Frequenz proportional der Teilchengeschwindigkeit ist. Die Bestimmung der Frequenz wird von einem Frequenzanalysator 24 vorgenommen, das Ergebnis wird dem Speicher 29 und dem Digitalrechner 30 zugeführt. Zur Bestimmung des Flassenflusses bzw. der räumlichen Teilchenkonzentration werden die Spannungsimpulse, die von der Einzelfaser 19 herrühren, von einem Impulszähler·23 registriert. Die gleiche Einzelfaser 19 wird auch zur Ermittlung der Teilchengröße benutzt. Ihre verstärkten Spannungsimpulse, deren Breite proportional zur Teilchengröße ist, werden einer Impulsformstufe 25, deren Schmitt-Trigger und Differenzierglied Nadelimpulse zum Schaltbetrieb der Torschaltung 26 liefern. Entsprechend der Impulsbreite bzw. der Teilchengröße werden von einem Zähler 28 die Impulse eines Quarzgenerators 27 gezählt und dem Speicher 29 sowie dem Digitalrechner 30 zugeführt. Vom Digitalrechner 30 wird mit Hilfe der zuvor ermittelten Teilchengeschwindigkeit bei bekanntem Durchmesser der Einzelfaser 19 die Teilchengröße berechnet.

Claims (3)

1. -β- 20 6 0 82

   Erfindungsanspruch

   1. Verfahren zum kontinuierlichen Messen der lokalen Verteilungen von Geschwindigkeit, Größe und Konzentration von Teilchen in. einem Strömungsmittel ohne Probenahme, dadurch gekennzeichnet, daß eine kombinierte Li-chtabsorptions-/Lichtreflexionssonde (2) in eine beliebige Mehrphasenströmung gebracht wird, in der Teilchen (12) transportiert werden, die zwischen den Meßflanken (8) und (9) der Sonde (2) eine Frequenz von Lichtabsorptions- oder Lichtreflexionsimpulsen hervorrufen, die durch flexible Lichtleitfasern als Lichtempfängerfasern (15) optoelektronischen Wandlern (21) zugeführt, von Verstärkern (22) verstärkt, zum Messen der Teilchengeschwindigkeit von einem Frequenzanalysator (24) erfaßt, zum Messen der Teilchenkon-

   • zentration von einem Impulszähler (23) registriert,- zum Messen der Teilchengröße in einer Impulsformstufe (25) geformt und über eine Torschaltung (26) einem Quarzgenerator (27) und einem Zähler (28), einem Speicher (29) sowie einem Digitalrechner (30) zur Ergebnisbestimmung zugeführt werden.
2. 2. Kombinierte Lichtabsorptions-/Lichtreflexionssonde (2) zur Durchführung das Verfahrens zum kontinuierlichen Messen der lokalen Verteilungen von Geschwindigkeit, Größe und Konzentration von Teilchen in einem Strömungsmittel ohne Probenahme, dadurch gekennzeichnet, daß flexible Lichtleitfasern als Lichtempfängerfasern (15) auf der Frontseite der Meßflanke

   (9) als optische Wirkungsfläche so angeordnet sind, daß sie äquidistant hintereinander in einer Reihe liegen, die während der Messung mit der Bewegungsrichtung (13) der Teilchen (12) ' in Übereinstimmung gebracht wird.
3. 3. Kombinierte Lichtabsorpt.ions-/LichtrBflexionssonde (2) zur Durchführung des Verfahrens zum kontinuierlichen Messen der lokalen Verteilungen von Geschwindigkeit, Größe und Konzentration von Teilchen in einem Strömungsmittel ohne Probenahme, dadurch gekennzeichnet, daß flexible Lichtleitfasern (18) als Absorptionslichtleitbündel (10) in der Meßflanke (8) als Lichtgeber und flexible Lichtleitfasern (17) als Reflexionslichtleitbündel (1.1) in der Meßflanke (9) als Lichtgeber zusammen

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   mit dsn equidistant in einer Reihe angeordneten Lichtempfängerfasern (15) so angeordnet sind, daß Teilchen mit unterschiedlichen optischen Absorptions- oder Reflexionsvermögen in einer beliebigen Mehrphasenströmung bezüglich der Meßgrößen Geschwindigkeit, Größe und Konzentration einer getrennten quantitativen Erfassung zugänglich sind.

   Kombinierte Lichtabsorptions-/Lichtreflexionssonde (2) zur Durchführung des Verfahrens zum kontinuierlichen Messen der lokalen Verteilungen von Geschwindigkeit, Größe und Konzentration von Teilchen in einem Strömungsmittel ohne Probenahme, dadurch gekennzeichnet, daß von den äquidistant in einer Reihe angeordneten Lichtempfängerfasern (15) eine Einzelfaser (19) zur Teilchengrößenbestimmung benutzt wird, die in ihrem Durchmesser auf den zu untersuchenden Teilchengrößenbereich in der Mehrphasenströmung abgestimmt ist.

   Hierzu_iLSeIten Zeichnungen