DD146771A3

DD146771A3 - LIGHT ABSORPTION PROBE FOR LOCAL MEASUREMENT OF SPEED IN ONE AND MULTI-PHASE FLOWS

Info

Publication number: DD146771A3
Application number: DD20244877A
Authority: DD
Inventors: Alfred Hoffmann; Dieter Petrak
Original assignee: Alfred Hoffmann; Dieter Petrak
Priority date: 1977-12-07
Filing date: 1977-12-07
Publication date: 1981-03-04

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.The single-phase flow can be gaseous or liquid, clean or dirty. It is also possible to measure the velocities of the flow agent and the solid in laden multiphase flows. In technology, measuring the velocity of single and multi-phase flows allows conclusions to be drawn about the course of technical processes and allows their influence to be increased in terms of higher efficiencies and reduced equipment wear. The aim of the invention is to measure the speed with low measurement error and reasonable effort. The object is achieved in that an already known light absorption probe made of flexible Lichtleitbuendeln is used, which additionally contains a Tracerzufuehrungsvorrichtung, are fed to the gaseous, liquid or solid Tracerteilchen the flow. The tracer particles generate light pulses which are processed by means of opto-electronic converters, amplifiers and time interval meters or correlators with a recorder or two-beam storage oscilloscope for determining the transit time.

Description

Title of the invention

Lichtabsorptionssonde zur lokalen Messung der Geschwindigkeit in Ein- und MohrphasenströmungenLight absorption probe for the local measurement of the velocity in single and Mohrphasenströmungen

Field of application of the invention

Die Erfindung betrifft eine Lichtabsorptionssonde zum Hessen der Geschwindigkeiten, Größen und Konzentrationen von Teilchen in einem Strömungsmittel.The invention relates to a light absorption probe for measuring the velocities, sizes and concentrations of particles in a fluid.

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.In all areas of technology, in particular process engineering, processing technology and microdermic equipment, single-phase and multi-phase flows exist in pipelines and apparatuses such as, for example, pumps, fans, classifiers, reactors, mixers and mills. The single-phase flow fluid may be gaseous or liquid, as may the multiphase flow fluid. Excluded are multiphase flows that are laden with gaseous or liquid particles. In very dense pneumatic or hydraulic solid flows, the velocity of the solid phase can be measured.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen Characteristic of known technical solutions

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 DurchflußmessungenFor the local measurement of the flow velocity in single-phase flows, in addition to classical methods, there are modern methods based on the rapid development of electronics, optics and acoustics. In tracer methods, a radioactive or chemical tracer is added to the single-phase flow and the transit time between two points in space is measured. The Trucer method can also include the generation of a charge carrier cloud as a tracer. For flow measurements

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).The advantages of radioisotopes are the small amount of tracer required and the low concentration level that can still be measured. For local measurements, however, these methods are less suitable. (S.P. Hutton: "Plowing and 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.In multiphase flows, the velocity of the particles can be measured by a transit time method with flexible fiber optic probes. For this purpose, a light reflection probe can be used (A Hew Method for Evaluating the Size of Roving Particles with a Fibrous Test: K. Oki, T. Akehata and T. Shirai, Powder Technology 11, 1975 "A." Schulz-Walz, Methods and Apparatus for measuring the velocity of moving particulate matter, DT-OS 2401322. In very dense multiphase gaseous / solid streams in which polydispersed fine-grained dusts are transported with very low optical reflectivity, the measurement method with light reflection probes without additional devices is not effective.

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).Advantageous is a method with the associated light absorption probe, with which the speed, concentration and size of the particles can be estimated in any multiphase flow location-dependent. In addition to the miniaturization of the probe and the substantial independence from the physical properties of the flow, another advantage is the combined measurement of velocity, concentration and size of the particles (A. Hoffmann, D. Petrak, Method and Apparatus for Measuring Speeds, Quantities and Concentrations of particles in a fluid, 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. Disadvantage of this invention is that it can not be used for measuring the velocity of a single-phase flow. In very dense multiphase flows, complete absorption of light may occur.

202446 3202446 3

Aim of the invention

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.The aim of the invention is to be able to measure the velocities of the flow agent and the solids content without high expenditure on apparatus in terms of speed of any one-phase flow or in a very dense multiphase flow with solid particles in order to finally monitor, for example, process engineering processes, processing and conveying systems and improve their efficiency or the quality of their products.

presentation; the essence of the invention;

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.The invention has for its object to develop a light absorption probe, which is suitable for the local measurement of the speed of Einphasenströmungon, the fluid and the solids content in very dense pneumatic and hydraulic multiphase flows, which is independent of the physical properties of the fluid, in a It does not interfere with single-phase extrusion with solid particles that do not require calibration and can be measured with very dense pneumatic or hydraulic solid flows. The light absorption probe should be insensitive to contamination and manage for certain applications with a relatively simple time interval measurement.

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 andereInvention s ge measure the task is solved in that flexible Lichtleitbündel pairwise and in combination ion with a feeder for a tracer (gaseous, liquid, solid) and with a lighting device, opto-electronic converters, amplifiers, a Zeitintervallmesser, a two Beam memory oscillographs, a simple or automatic correlator. The arrangement of flexible Liehtieitbündel in the probe is carried out according to the light absorption method. In addition, a tracer feeder is arranged in the probe, through which the tracer (gaseous, liquid, solid) is supplied to the flow. In the light absorption probe two Lichtleitbündel are each guided in a measuring edge, so that a measuring edge of the light generator and the other

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 derMeasuring edge represents the light receiver. In the Smpfängerineßflanke there is also a Tracereinspeiser. The tracer, which may consist of gaseous, liquid or solid particles, is detected by the flow and reaches a path in the

—2-2

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.Order of 10 mm, the flow velocity of the fluid surrounding the tracer. The tracer particles can be individually controlled by a controllable allocation element with associated control part, with a selectable time interval or continuously. The tracer particles generate light absorption pulses in the probe or, in very dense multiphase flows with complete absorption of light in the measuring section of the probe, transmit light transmission pulses through the use of solid, translucent tracers which are converted into electrical pulses by the opto-electronic transducers.

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.Advantageously, a gaseous tracer particle is generated in each case in liquids, which causes start / stop pulses which are fed to a time interval meter for transit time measurement. The Meßvver tanze ige can be done with a known encoder distance in the flow direction by means of a digital / analog converter directly in units of speed. If the single-particle method does not succeed, the flow is supplied stochastically varying tracer particle numbers over time. The analog stochastically fluctuating electrical impulses are utilized with the aid of a simple or automatic electronic correlator or a two-beam storage oscilloscope, in the oscillogram, the recorded. Neten cross-correlation function or the analog runtime display of the automatic correlator, the running time of the tracer particles is determined or read and determines the flow rate at a known distance of the two light beams.

A u s f ühruri p:s b e is ρ ie 1 ·A u s turi s: 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 zeigenAs the light absorption probe is provided, it will be apparent from the following description and drawings in which a Ausfdhrungsungsbeispiel is shown. In the accompanying drawing show

20242024

Fig. 1: einen Querschnitt durch eine Rohrleitung, in der eine Sin- oder Mehrphasenstromung eingeschlossen ist, mit einer Lichtabsorptionssonde;1 shows a cross-section through a pipeline in which a single-phase or multi-phase current is included, with a light absorption probe;

Fig. 2: die Frontseite der Lichtempfänger-Meßflanke; Fig. 3ί das Schema für die Schaltung der Meßeinrichtung.Fig. 2: the front of the light receiver measuring edge; Fig. 3ί the scheme for the circuit of the measuring device.

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-In a tube 1, a single or multi-phase flow moves. Into this tube is inserted a light absorption probe 2 which can be displaced in the directions 4 ... 7. The light absorption probe consists of Lichtleitbündelpaar 8, the Lichtleitbündeln 9 and 10, the protective tube 3 "the two Meßflanken 12 and 13 and the Tracereinspeiser 11. While the measuring edge 12 receives the Lichtleitbündelpaar δ as a light source, are in the measuring edge I3, the Lichtleitbündel 9 and 10th housed as a light receiver. The gaseous, liquid or solid tracer delivery device comprises the tracer source 16, a controllable dispensing element 14 with associated control portion 15 and a trouser feeder 11. The gaseous, solid or liquid tracer particles are generated by the tracer source 16. The manner of supplying the tracer particles - individual particles or continuous particle stream - is controlled via the controllable allotment element 14, the opening time of which can be adjusted by means of a control part I5. In the light absorption probe, the tracer particles either partly absorb the light emitted from the pair of optical fibers 8 by absorption and scattering, or this light penetrates the solid, translucent tracer particles in a very dense multiphase flow. The light absorption or "light transmission pulses are converted by the optoelectronic transducers 18 into electrical voltage pulses, which subsequently come into the amplifier 24. If only one tracer particle enters the flow through the supply device, then two voltage pulses shifted by the transit time T are available which are fed to a time interval measuring device 19 as start / stop pulses and whose time interval can be measured therewith.

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.stochastically fluctuating particles are added to the flow, then one obtains stochastically fluctuating electrical voltages, which are again shifted by the transit time T. The stochastically varying signals may be applied to an automatic correlator 20 which displays the transit time. The signals can also be supplied to a simple correlator 21, in which the transit time T of the cross-correlation function recorded by the recorder 22 can be taken. It is also possible to derive the transit time T of the signals from the oscillogram of a Zvveistrahl Speicheroszlllographen 23.

Claims

20 24 4 8 ₇

Erf ind'ongsan spoke

1. Light absorption probe for local measurement of the speed in single and multi-phase flows with a measuring edge and therein Lichtleitbündelpaar as light generator, and a Meßflanke, in which two further Lichtleitbündel are included as a light receiver, characterized in that in the Meßflanke (13) in addition Tracereinspeiser (11) is arranged so that Tracereinspeiser (11) and the two serving as a light receiver Lichtleitbündel (9) and (10) in the flow direction are consecutive.

For this 1 page drawing type