DD146771A3 - Lichtabsorptionssonde zur lokalen messung der geschwindigkeit 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. Ziel der Erfindung ist es, die Geschwindigkeit mit geringem Meszfehler und vertretbarem Aufwand zu messen. Die Aufgabe wird dadurch geloest, dasz eine bereits bekannte Lichtabsorptionssonde aus flexiblen Lichtleitbuendeln eingesetzt wird, die zusaetzlich eine Tracerzufuehrungsvorrichtung enthaelt, mit der gasfoermige, fluessige oder feste Tracerteilchen der Stroemung zugefuehrt werden. Die Tracerteilchen erzeugen Lichtimpulse, die mittels opto-elektronischen Wandler, Verstaerker und Zeitintervallmesser oder Korrelatoren mit Schreiber oder Zweistrahl-Speicheroszillograph zur Laufzeitbestimmung verarbeitet werden.

Description

Titel der Erfindung

Lichtabsorptionssonde zur lokalen Messung der Geschwindigkeit in Ein- und Mohrphasenströmungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Lichtabsorptionssonde zum Hessen der Geschwindigkeiten, Größen und Konzentrationen von Teilchen in einem Strömungsmittel.

In allen Bereichen der Technik,besonders der Verfahrenstechnik, Aufbereitungstechnik und Mördertecimik existieren in Rohrleitungen und Apparaturen wie zum Beipiel Pumpen, Ventilatoren, Sichtern, Reaktoren, Mischern und Mühlen Ein- und Mehrphasenströmungen. Las Strömungsmittel der Einphasenströmung kann gasförmig oder flüssig sein, ebenso wie das Strömungsmittel der Mehrphasenströmung. Ausgenommen sind Mehrphasenströmungen, die mit gasförmigen oder flüssigen Teilchen beladen sind. In sehr dichten pneumatischen oder hydraulischen Feststoffströmungen kann die Geschwindigkeit der !feststoffphase gemessen werden.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Für die lokale Messung der Strömungsgeschwindigkeit in Einphasenströmungen gibt es neben den-klassischen Verfahren moderne Verfahren, die auf der raschen Entwicklung der Elektronik, Optik und Akustik beruhen. Bei den Tracer-Methoden wird der Einphasenströmung ein radioaktiver oder chemischer Tracer zugegeben und die Laufzeit zwischen zwei Raumpunkten gemessen. Zu den Trucer-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 v/erden kann. Für lokale Messungen sind diese Methoden allerdings weniger geeignet. (S.P. Hutton: "Plow petering und Future dims" in "Modern developments in flow measurement", edited by C.G.Clayton, Peter Peregrinus London, 1972).

In Mehrphasenströmungen kann die Geschwindigkeit der Teilchen nach einem Laufzeit-Verfahren mit optischen Sonden aus flexiblen LichtleitbundeIn gemessen werden. Dazu kann eine Lichtreflexionssonde (A Hew Method for Evaluating the Size of Roving particles with a fiber ©ptic probe: K.Oki, T.Akehata und T.Shirai, Powder Technology 11, 1975» A.' Schulz-Walz, Verfahren und Vorrichtung zur Geschwindigkeitsmessung an bewegten Peststoffteilchen, DT-OS 2401322 benutzt werden. In sehr dichten Mehrphasenströmungen gasförmig/fest, in denen polydisperse feinkörnige Stäube mit sehr geringem optischen Reflexionsvermögen transportiert werden, ist das Meßverfahren mit Lichtreflexionssonden ohne zusätzliche Vorrichtungen nicht wirksam.

Von Vorteil ist ein Verfahren mit der zugehörigen Lichtabsorptionssonde, mit denen in einer beliebigen Mehrphasenströmung ortsabhängig die Geschwindigkeit, Konzentration und Größe der Teilchen geraessen werden können. Neben der Miniaturisierung der Meßsonde und der weitgehenden Unabhängigkeit von den physikalischen Eigenschaften der Strömung ist ein weiterer Vorteil die kombinierte Messung 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, DL-WP 196671).

Nachteil dieser Erfindung ist es, daß sie für eine Messung der Geschwindigkeit einer Einphasenströmung nicht eingesetzt werden kann. In sehr dichten Mehrphasenströmungen kann es zu vollständiger Lichtabsorption kommen.

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Ziel'der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, die Geschwindigkeit einer beliebigen Einphasenströmung oder in einer sehr dichten Mehrphasenstromung mit Feststoffteilchen lokal die Geschwindigkeiten des StrömiHigsmittels und des Feststoffanteils ohne hohen meßtechnisch apparativen Aufwand messen zu können, um dadurch schließlich zum Beispiel verfahrenstechnische Prozesse, Aufbereitungsund Förderanlagen zu überwachen und in ihrem Wirkungsgrad beziehungsweise der Qualität ihrer Produkte zu verbessern.

Darlegung; des Wesens der Erfindung;

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Lichtabsorptionssonde zu entwickeln, die für die lokale Messung der Geschwindigkeit von Einphasenströmungon, des Strömungsmittels und des Feststoffanteils in sehr dichten pneumatischen und hydraulischen Mehrphasenströmungen geeignet ist, die unabhängig von den physikalischen Eigenschaften des Fluids ist, bei der eine BeIa-' dung der Einphasenströrnung mit Feststoffteilchen nicht stört, für die keine Eichung erforderlich ist und mit der in sehr dichten pneumatischen oder hydraulischen Feststoffströmungen gemessen werden kenn. Die Lichtabsorptionssonde soll gegenüber Verschmutzung unempfindlich sein und für bestimmte Einsatzfälle mit einer relativ einfachen Zeitintervallmessung auskommen.

Erfindung s ge maß wird die Aufg'abe dadurch gelöst, daß flexible Lichtleitbündel paarweise und in Kombinat ion mit einer Zuführungsvorrichtung für einen Tracer (gasförmig, flüssig, fest) und mit einer Beleuchtungseinrichtung, opto-elektronischen Wandlern, Verstärkern, einem Zeitintervallmesser, einem Zwei-Strahl-Speicnerosaillographen, einem einfachen oder automatischen Korrelator verwendet werden. Die Anordnung der flexiblen Liehtieitbündel in der Sonde erfolgt nach dem Lichtabsorptionsverfahren. Zusätzlich ist in der Sonde ein Tracereinspeiser angeordnet, durch die der Tracer (gasförmig, flüssig, fest) der Strömung zugeführt wird. Bei der Lichtabsorptionssonde werden jeweils zwei Lichtleitbündel in je eine Meßflanke geführt, so daß eine Meßflanke den Lichtgeber und die andere

Meßflanke den Lichtempfänger darstellt. In der Smpfängerineßflanke befindet sich zusätzlich ein Tracereinspeiser. Der Tracer, der aas gasförmigen, flüssigen oder festen Teilchen bestehen kann, wird von der Strömung erfaßt und erreicht nach einem Weg in der

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Größenordnung 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 zügefahrt werden. Die Tracerteilchen erzeugen in der Sonde Lichtabsorptionsimpulse oder sie geben in sehr dichten Mehrphasensfcrömungen bei vollständiger Lichtabsorption im Meßquerschnitt der Sonde Lichtdurchbrittsimpulse infolge Verwendung von festen, lichtdurchlässigen Tracern, 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 v/erden. Die Meßvver tanze ige kann bei bekanntem Geberabstand in Strömungsrichtung mittels eines Digital/Analog-Wandlers direkt in Maßeinheiten der Geschwindigkeit erfolgen. Führt die Einzelteilchen-Methode nicht zum Erfolg, v/erden der Strömung zeitlich stochastisch schwankende Tracerteilchenanzahlen zugeführt. Die analog stochastisch schwankenden elektrischen Impulse werden mit Hilfe eines einfachen oder automatischen elektronischen Korrelators beziehungsweise eines Zweistrahl-Speicheroszillographen verwertet, ims dem Oszillogramm, der aufgezeich- . neten Kreuzkorrelationsfunktion oder der Analog-Laufzeitanzeige des automatischen Korrelators wird die Laufzeit der Tracerteilchen ermittelt oder abgelesen und bei bekanntem Abstand der beiden Lichtstrahlen die Strömungsgeschwindigkeit bestimmt.

A u s f ühruri p:s b e is ρ ie 1 ·

Wie die Lichtabsorptionssonde beschaffen ist, ergibt sich aus der nachstehenden Beschreibung und Zeichnung, in denen ein Ausfdhrungsbeispiel dargestellt wird. In der zugehörigen Zeichnung zeigen

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Fig. 1: einen Querschnitt durch eine Rohrleitung, in der eine Sin- oder Mehrphasenstromung eingeschlossen ist, mit einer Lichtabsorptionssonde;

Fig. 2: die Frontseite der Lichtempfänger-Meßflanke; Fig. 3ί das Schema für die Schaltung der Meßeinrichtung.

In einem Rohr 1 bewegt sich eine Ein- oder Mehrphasenströmung. In dieses Rohr wird eine Lichtabsorptiönssonde 2, die in den Richtungen 4...7 verschoben v/erden kann, eingeführt. Die Lichtabsorptionssonde besteht aus dem Lichtleitbündelpaar 8, den Lichtleitbündeln 9 und 10, dem Schutzrohr 3» den beiden Meßflanken 12 und 13 und dem Tracereinspeiser 11. Während die Meßflanke 12 das Lichtleitbündelpaar δ als Lichtgeber aufnimmt, sind in der Meßflanke I3 die Lichtleitbündel 9 und 10 als Lichtempfänger untergebracht. Die Zuführungsvorrichtung· für einen gasförmigen, flüssigen oder festen Tracer umfaßt die Tracerquelle 16, ein regelbares Zuteilungselement 14 mit einem dazugehörigen Steuerteil 15 und einen-Trocereinspeiser 11. Die gasförmigen, festen oder flüssigen Tracerteilchen werden von der Tracerquelle 16 erzeugt. Die Art und Weise der Zuführung der Tracerteilchen - Einzelteilchen oder kontinuierlicher Teilchenstrom - wird über das regelbare Zuteilungselement 14 gesteuert, dessen Öffnungszeit mit Hilfe eines Steuerteils I5 eingestellt v/erden kann. Bei der Lichtabsorptionssonde absorbieren die Tracerteilchen entweder durch Absorption und Streuuung zum Teil das von dem Lichtleitbündelpaar 8 abgestrahlte Licht oder dieses Licht durchdringt die festen, lichtdurchlässigen Tracerteilchen in einer sehr dichten Mehrphasenströmung. Die Lichtabsorptions- beziehungsweise" Lichtdurchtrittsimpulse werden von den opto-elektronischen Wandlern 18 in elektrische Spannungsimpulse umgewandelt, die anschließend in den Verstärker 24 kommen. Gelangt durch die Zuführungsvorrichtung immer nur ein Tracerteilchen in die Strömung, so stehen zwei um die Laufzeit T verschobene Spannungsimpulse zur Verfügung, die einem Zeitintervallmeßgerät 19 als Start/Stop-Impulse zugeführt werden und deren zeitlicher Abstand damit gemessen werden kann. Werden die Tracer-

teilchen 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 20 zugeführt werden, der die Laufzeit anzeigt. Die Signale können auch einem einfachen Korrelator 21 zugeführt werden, bei dem die Laufzeit T der vom Schreiber 22 aufgezeichneten Kreuzkorrelationsfunktion zu entnehmen ist. Ferner besteht die Möglichkeit, die Laufzeit T der Signale dem Oszillogramm eines Zvveistrahl-Speicheroszlllographen 23 zu entnehmen.

Claims (1)

1. 20 24 4 8 ₇

   Erf ind'ongsan sprach

   1. Lichtabsorptionssonde zur lokalen Messung der Geschwindigkeit in Ein- und Mehrphasenströmungen mit einer Meßflanke und einem darin befindlichen Lichtleitbündelpaar als Lichtgeber, sowie einer Meßflanke, in der zwei weitere Lichtleitbündel als Lichtempfänger enthalten sind, dadurch gekennzeichnet, daß in der Meßflanke (13) zusätzlich ein Tracereinspeiser (11) so angeordnet ist, daß Tracereinspeiser (11) und die beiden als Lichtempfänger dienenden Lichtleitbündel (9) und (10) in Strömungsrichtung hintereinander liegen.

   Hierzu 1 Seite Zeichnungart