DD146770A3 - Lichtreflexionssonde zur lokalen messung der geschwindigkeiten in ein-und mehrphasenstroemungen - Google Patents

Abstract

Die Einphasenstroemung kann gasfoermig oder fluessig, sauber oder verschmutzt sein. Es koennen auch die Geschwindigkeiten des Stroemungsmittels und des Feststoffes in beladenen Mehrphasenstroemungen gemessen werden. In der Technik gestattet das Messen der Geschwindigkeit von Ein- und Mehrphasenstroemungen Schluszfolgerungen zum Verlauf technischer Prozesse und ermoeglicht ihre Beeinflussung im Sinne hoeherer Wirkungsgrade und geringeren Anlagenverschleiszes. Das Ziel der Erfindung besteht darin, die Geschwindigkeit mit geringem Meszfehler und vertretbarem Aufwand zu messen. Die Aufgabe wird dadurch geloest, dasz eine bereits bekannte Lichtreflexionssonde aus flexiblen Lichtleitbuendeln eingesetzt wird, die zusaetzlich eine Tracerzufuehrungsvorrichtung enthaelt, mit der gasfoermige, fluessige oder feste Tracerteilchen der Stroemung zugefuehrt werden. Die Tracerteilchen erzeugen Lichtreflexionsimpulse, die mittels opto-elektronischen Wandler, Verstaerker und Zeitintervallmesser oder Korrelatoren mit Schreiber oder Zweistrahl-Speicheroszillograph zur Laufzeitbestimmung verarbeitet werden.

Description

-A- £M £4 i

Titel der Erfindung

Lichtreflexionssonde zur lokalen Messung der Geschwindigkeit in Ein- und Mehrphasenströmungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

In allen Bereichen der Technik, besonders der Verfahrenstechnik, Aufbereitungstechnik und Fördertechnik existieren in Rohrleitungen und Apparaten wie z. B. Pumpen, Ventilatoren, Sichtern, Reaktoren, Mischern und Mühlen Ein- und Mehrphasenströmungen. Die Strömungsmittel dieser Strömungen - deren Geschwindigkeit gemessen werden soll - können gasförmig oder flüssig sein. Ausgenommen sind Mehrphasenstr^mungen, die mit gasförmigen oder flüssigen Teilchen beladen sind. In sehr dichten pneumatischen oder hydraulischen Fest stoffströmungen kann die Geschwindigkeit der Feststoffphase gemessen werden.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Für die lokale Messung der Strömungsgeschwindigkeit in Einphasenstromungen gibt.es neben den klassischen Verfahren moderne Verfahren und Vorrichtungen, die auf der raschen Entwicklung der Elektronik, Optik und Akustik beruhen. Zu den modernen Verfahren zählt die Schliereninterferometrie. In einem Schliereninterferometer werden Dichteunterschiede sichtbar gemacht. Das Interferometer ist mechanisch sehr empfindlich, so daß nur Labornies surigen möglich sind. Für Messungen in Flüssigkeiten ist auch das induktive Durchflußmeßverfahren mit einer entsprechenden Sonde bekannt. Typische Anwendungsgebiete sind Messungen in korrosiven Flüssigkeiten, an Papierbrei und an Blut in den Adern. Ein Problem ist die Genauigkeit infolge Störungen, die

durch die Strömung selbst und durch die Elektronik entstehen können (G. Schoinmartz: "Induktive Strömungsmessung", VEB Verlag Technik, Berlin 1974). Ein modernes' optisches Meßverfahren ist die Laser-Doppler-Anemonietrie. Die Doppler-Frequenz des an kleinen in der Strömung befindlichen Teilchen gestreuten Laserlichtes ist direkt proportional der Strömungsgeschwindigkeit. Schwierigkeiten bereitet das lokale Ausmessen größerer Räume besonders bei flüssigen Medien. Das Meßverfahren ist gegenwärtig auf den Laborbereich für die Forschung beschränkt. Bereits weit verbreitet ist die Hitzdrahtanemometrie, bei der der Wärmeübergang an einem sehr feinem Draht eine Punktion der Anströmgeschwindigkeit ist. Die Hitzdrahtsonden sind sehr empfindlich gegenüber Verschmutzungen. Eine häufige Eichung' der Meßeinrichtung ist erforderlich. Intensiv wird gegenwärtig an dem Einsatz statistischer Meßmethoden gearbeitet, bei denen die natürliche 'Turbulenz des Stromungsmittels ausgenutzt wird. Mittels Eapazitätsmeßsonden wird dabei eine natürlich vorhandene geringe Peststoffbeladimg ausgenutzt oder mittels·Ultraschallsonden der turbulente Dicliteunterschied verwertet. Bei den Tracer-Methoden v/ird der Einphasenströmung ein radioaktiver oder chemischer Tracer zugegeben und die Laufzeit zwischen zwei Raunipunkten gemessen. Zu dem Tracer-Verfahren kann auch die Erzeugung einer Ladungsträgerwolke als Tracer gezählt werden. Für Durchflußmessungen stellen die Tracer-Methoden eine elegante Meßmethode dar. Die Vorteile von Radioisotopen bestehen in der .geringen Menge des benötigten Tracers und dem geringen Konzentrationsniveau, das noch gemessen werden kann. Für lokale Messungen sind diese Methoden allerdings weniger geeignet. (S.P. Hutton: "Plow metering and puture Aims" in "Modern developments in Flow measurement", edited by G.G.Clayton, Peter Peregrinus, London 1972).

In Mehrphasenströmungen kann die Geschwindigkeit der Teilchen nach einem Laufzeitverfahren mit optischen Sonden aus flexiblen Lichtleitbündeln gemessen werden. Dazu kann eine Lichtreflexionssonde (^i!A New Method for Evaluating the Size of Moving Particles with a Fiber Optic Probe", K.Oki, T.Akehata,'T.Shirai

/ 3

Powder Technology 11, 1975; A.Schulz-'JaIz: "Verfahren und Vorrichtung zur Geschwindigkeitsmessung an bewegten Feststoffteilchen", OS-2401322 vom 11.1.1974) benutzt werden. In sehr dichten Mehrphasenströmungen gasförmig/fest, in denen polydisperse feinkörnige Stäube mit sehr geringem optischen Reflexionsver-. mögen transportiert werden, ist das Meßverfahren mit Lichtreflexionssonden ohne zusätzliche Vorrichtungen nicht wirksam. Von Vorteil ist die Verwendung einer Lichtabsorptionssonde, mit der in einer Mehrphasenströmung und in ihr ortsabhängig die Geschwindigkeit, Konzentration und Größe der Teilchen gemessen· v/erden kann. Neben der Miniaturisierung der Meßsonde und der weitgehenden Unabhängigkeit von den physikalischen Eigenschaften der Strömung ist ein weiterer Vorteil die kombinierte Hessuns ^von Geschwindigkeit, Konzentration und Größe der Teilchen (A.Hoffmann, D.Petrak: "Verfahren und Vorrichtung zum Messen der Geschwindigkeiten, Größen und Konzentrationen von Teilchen in einem Strömungsmittel", WP-196671 vom Dez. 197.6).

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, die Geschwindigkeit einer beliebigen Einphasenströmung oder in einer sehr dichten Mehrphasenströmung mit Feststoffteilchen lokal die Geschwindigkeiten des Strömungsmittels und des Feststoffenteils ohne hohen meßtechnisch-apparativen Aufwand messen zu können, um dadurch schließlich z. B. verfahrenstechnische Prozesse, Aufbereitungs- und Förderanlagen zu überwachen und in ihrem "Wirkungsgrad beziehungsweise der Qualität ihrer Produkte zu verbessern.

Darlegung des Wesens der Erfindung; ^x

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Lichtreflexionssonde zu entwickeln, die für die lokale Messung der Geschwindigkeit von Einpha senströraungen, des Ströciungsruittels und des Feststoffanteils in sehr dichten pneumatischen und hydraulischen Mehrphasenströmungen geeignet ist, die unabhängig von den physikalischen Eigenschaften des Fluids ist, bei der eine Beladung der Einphasenströmung mit Feststoffteilchen nicht stört, für die

7 ⁴

keine Eichung erforderlich ist und mit der in sehr dichten pneumatischen oder hydraulischen Feststoffströmungen gemessen werden kann. Die Vorrichtung soll gegenüber Verschmutzungen unempfindlich sein und für bestimmte Einsatzfälle mit einer relativ einfachen Zeitintervallmessung auskommen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß flexible Lichtleitbündel paarweise und in Kombination mit einer Zuführungsvorrichtung für einen Tracer (gasförmig, flüssig oder fest) und mit einer Beleuchtungseinrichtung, opto-elektronischen Wandlern, Verstärkern, einem Zeitintervallmesser, einem Zweistrahl-Speicheroszillographen, einem einfachen oder automatischen Korrelator verwendet werden. Die Anordnung der flexiblen Lichtleitbündel in der Sonde erfolgt analog der bereits bekannten Sonde nach dem Lichtreflexionsverfahren. -Zusätzlich ist in der Sonde ein Tracereinspeiser angeordnet, durch die der gasförmige, flüssige oder feste Tracer der Strömung zugeführt wird. Bei der Lichtreflexionsson.de existiert ein Meßrohr, in dem zwei Lichtleitbündel - und ein Tracereinspeiser geführt sind. Das Zentrum jedes Lichtleitbündels ist der Lichtempfänger, der konzentrisch von Lichtleitfasern umgeben ist, die den Lichtgeber darstellen. Die der Strömung zugeführten gasförmigen, flüssigen oder festen Tracerteilchen werden von der Strömung erfaßt und erreichen nach einem V/eg in der Größen-

_p

Ordnung 10 mm die Strömungsgeschwindigkeit des den Tracer umgebenden Fluids. Die Tracerteilchen können über ein regelbares Zuteilungselement mit dazugehörigem Steuerteil einzeln, mit wählbarem zeitlichen Abstand oder kontinuierlich zugeführt werden. Die Tracerteilchen erzeugen in der Sonde Lichtreflexionsimpulse, die von den opto-elektronischen Wandlern in elektrische Impulse umgewandelt werden»

Vorteilhaft wird in Flüssigkeiten jeweils ein gasförmiges Tracerteilchen erzeugt, das Start/Stop-Impulse hervorruft, die einem Zeitintervallmesser zur Laufzeitmessung zugeführt 'werden. Die Meßwertanzeige kann bei bekanntem Abstand der beiden Lichtempfänger in Strömuiigsrichtung mittels eines Digital/Analog-Wandlersdirektin Maßeinheiten der Geschwindigkeit erfolgen.

202447

Führt die Einzelteilchen-Methode nicht zum Erfolg, werden der Strömung zeitlich stochastisch schwankende Tracerteilchenanzahlen zugeführt. Die analog stochastisch schwankenden elektrischen Impulse werden mit Hilfe eines einfachen oder automatischen Korrelators bzw. eines Zweistrahl-Speicheroszillographen verwertet. Aus dem Oszillograrnm, der aufgezeichneten Kreuzkorrelationsfunktion oder der Analog-Laufzeitanzeige des automatischen Korrelators wird die Laufzeit der Tracerteilchen ermittelt oder abgelesen und bei bekanntem Abstand der beiden Lichtempfänger die Strömungsgeschwindigkeit bestimmt.

A U s f ü far απ ~ s b e i s ο i e 1

v/ie die Lichtrcflexionssonde im einzelnen beschaffen ist, ergibt sich aus der nachstehenden Beschreibung und Zeichnung, in denen ein Ausführungsbeispiel dargestellt wird.

In der zugehörigen Zeichnung zeigen

Fig. 1: einen Querschnitt durch eine Rohrleitung, in der eine Ein- oder Mehrphssenströraung eingeschlossen ist, mit einer Lichtrcflexionssonde;

Fig. 2: die !Frontseite des Meßrbhres. der Lichtreflexionssonde; !cig. 3: aas Schema für die Schaltung der L'Ießeinrichtung.

Wie die Lichtreflexionssonde im einzelnen beschaffen ist, ergibt sicn aus der nachstehenden Beschreibung und Zeichnung, in.denen ein Ausführungsbeispiel dargestellt wird.

In der zugehörigen Zeichnung zeigen'

Fig. 1; einen Querschnitt durch eine Rohrleitung, in der eine Ein- oder Mehrphasenströ'mung eingeschlossen ist, mit einer Lichtreflexionssonde;

Fig. 2: die Frontseite des Meßrohres der Lichtreflexionssonde; Fig. 3t das Schema für die Schaltung der Meßeinrichtung.

In einem Rohr bewegt sich eine Ein- oder Mehrphasenströmung. In dieses Rohr wird eine Lichtreflexionssonde 2, die in den Richtungen 4...7 verschoben v/erden kann, eingeführt. Die Lichtreflexionssonde besteht aus einem Lichtleitbündel 8 als Lichtgeber, den Lichtleitbündeln 9 und 10 als Lichtempfänger, dem Schutzrohr 3j dem Meßrohr 12 und dem Tracereinspeiser 11. Das Lichtleitbündel als Lichtgeber wird erst kurz vor dem Sondenende in zwei Lichtleitbündel aufgeteilt, die die Lichtleitbündel 9 und 10 als Lichtempfänger konzentrisch umhüllen. Die Zuführungsvorrichtung für einen gasförmigen, flüssigen oder festen Tracer umfaßt die Tracerquelle 17» ein regelbares Zuteilungselement 15 mit einem dazugehörigen Steuerteil 16 und einen Tracereinspeiser 11. Die gasförmigen, flüssigen oder festen Tracerteilchen werden von der Tracerquelle 17 erzeugt. Die Art und Weise der Zuführung der Tracerteilchen - Einzelteilchen oder kontinuierlicher Teilchenstrom - wird über das regelbare Zuteilungselement 15 gesteuert, dessen Öffnungszeit mit Hilfe eines Steuerteils 16 eingestellt werden kann. Bei der Lichtreflexionssonde wird an der Tracer teilchenoberflache das von dem Lichtleitbündel 8 abgestrahlte Licht reflektiert und gelangt intensitätsgemindert über die Lichtleitbündel 9 und 10 auf den opto-elektronischen Wandler 19· Dort werden die Lichtreflexionsimpulse in elektrische Spannungsimpulse umgewandelt, die anschließend in den Verstärker 25 kommen. Gelangt durch die Zufuhrungsvorrichtung immer nur ein Tracerteilchen in die Strömung, se stehen zwei um die Laufzeit T verschobene Spannungsimpulse zur Verfügung,

2024

die einem Zeitintervallmeßgerät 20 als Start/Stop-Impulse zugeführt werden und deren zeitlicher Abstand damit gemessen werden kann. Werden die· Tracerteilchen stochastisch schwankend der Strömung zugesetzt, -dann erhält man stochastisch schwankende elektrische Spannungen, die wieder um die Laufzeit T verschoben sind. Die stochastisch schwankenden Signale können einem automatischen Korrelator 21 zugeführt werden, der die Laufzeit anzeigt. Die Signale können auch einem einfachen Korrelator 22 zugeführt werden, bei dem die Laufzeit T der vom Schreiber 23 aufgezeichneten Kreuzkorrelationsfunktion zu entnehmen ist. Ferner besteht die Möglichkeit, die Laufzeit T der Signale dem Oszillogramm eines Zweistrahl-Speicheroszillographen 24 zu entnehmen.

Claims (1)

1. Erfind ungsanspruch

   1. Lichtreflexionssonde zur lokalen Messung der Geschwindigkeit in·Ein- und Mehrphasenströmungen mit einem Meßrohr und mehreren Lichtleitbündeln dadurch gekennzeichnet, daß in dem Meßrohr (12) zusätzlich ein Tracereinspeiser (11) so angeordnet ist j daß Tracereinspeiser (11) und die Empfänglichtleitbündel (9) und (10) in Strömungsrichtung hintereinander liegen.

   Hierzu^/ Seiten Zeichnungen