DE10037778A1 - Transmissionssonde - Google Patents

Abstract

Bei der Untersuchung von Fluiden mittels Lichttransmission kommen Tauchsonden zum Einsatz, die im Wesentlichen ein in einem zylindrischen Sondenschaft mittig angebrachtes, rechteckiges Fenster aufweisen, durch das das zu prüfende Medium fließt. Das Fenster wird axial, d. h. in Sondenschaftrichtung durchleuchtet. Die Durchströmung des Fensters kann durch Strömungsablösungen beeinträchtigt werden, die besonders bei nicht senkrechter Anströmung des Fensters auftreten und zu einem systematischen, schwer korrigierbaren Messfehler führen. Einige Sonden weisen zusätzlich eine integrierte Schrömungsvektorsonde zur Erfassung von Richtung und Geschwindigkeitsbetrag auf, die jedoch räumlich versetzt zur optischen Messstrecke angebracht ist, wodurch eine Korrelation von Transmissionsdaten und Strömungsvektor erschwert wird. DOLLAR A Bei der erfindungsgemäßen Tauchsonde wird die Qualität der optischen Messung auch von hohen Fehlanströmwinkel nicht beeinträchtigt. Gleichzeitig wird das Messvolumen einer Strömungsvektorsonde mit dem optischen Messvolumen in weitgehende Übereinstimmung gebracht.

Description

Die Erfindung betrifft eine in ein zu prüfendes Fluid eintauchende Sonde zur Durchführung von Transmissionsmessungen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Transmissionssonden kommen in der Verfahrens- und Energietechnik seit langem zur optischen Untersuchung stationärer oder strömender, häufig partikelbeladener Medien zum Einsatz. Ihr wesentlicher Vorteil liegt in der Online- und In situ-Messung der Eigenschaften des betreffenden Mediums ohne Probenentnahme.

Im Fall partikelbeladener Medien wird als Transmission das Verhältnis einer durch Anwesenheit von Partikeln abgeschwächten Lichtintensität zur Referenzintensität bei partikelfreiem Medium definiert. Die Abschwächung kommt dabei durch Streuung, Reflexion und/oder Absorption - in ihrer Summe als Extinktion bezeichnet - des einfallenden Lichts an den einzelnen Partikeln gemäß den Gesetzen der Wellenoptik zustande. Speziell für den technisch wichtige Fall sphärischer Partikel ist eine analytische Beschreibung der Lichtstreuung möglich. Damit lässt sich aus der gemessenen Transmission über eine definierte Weglänge die Konzentration von Partikeln ausgewählter Größenklassen in der kontinuierlichen Phase des Mediums bestimmen.

In der Verfahrenstechnik überwiegen Messaufgaben, in denen die Richtung einer Strömung durch ihre Führung in Rohrleitungen vorgegeben ist. Dementsprechend können Transmissionssonden in Sende- und Empfangsteil getrennt werden. Die Signalein- und -auskoppelung in das bzw. aus dem Medium kann über Fenster an der betreffenden Rohrleitung erfolgen. Derartige Sonden unterliegen hinsichtlich ihrer Baugröße und -form keinen besonderen Beschränkungen.

Bei Tauchsonden werden Sende- und Empfangsteil in einem Sondenkopf zusammengefasst, der in das zu messende Medium eintaucht. Tauchsonden werden meist in schwer zugänglichen Bereichen oder in Fällen eingesetzt, in denen eine Traversierung zu mehreren Messorten erforderlich ist.

Der Sondenkopf bekannter Tauchsonden weist ein in der Regel rechteckiges Fenster auf, das zur Minimierung von Versperrungseffekten möglichst nahe am eintauchenden Ende eines zylindrischen Sondenschafts mittig und senkrecht zur Sondenschaftachse angebracht ist und vom zu messenden partikelbeladenen Medium durchsetzt bzw. durchströmt wird.

Bei allen bisher ausgeführten Transmissionssonden wird dieser Fensterausschnitt in Längsrichtung, d. h. parallel zur Achse des Sondenschafts, meist sogar auf dessen Achse von in der Regel kollimiertem Licht durchstrahlt. Die Länge, auf der der Lichtstrahl durch das zu messende Medium hindurchtritt - bei wandbündiger Ausführung der Optik ist dies die Länge des Fensterausschnitts - bildet mit dem Durchmesser des Lichtstrahls das optische Messvolumen und ist häufig zur Anpassung an die zu messenden Partikelkonzentrationen einstellbar. Einige Sonden sind mit einem Reflektor ausgerüstet, um den Lichtstrahl zweifach durch den Fensterausschnitt zu führen, was eine Verringerung der Baugröße und Vereinfachung des optischen Aufbaus ermöglicht.

Ein wichtiger Anwendungsbereich für Tauchsonden sind Messungen in Kondensationsdampfturbinen, in deren Niederdruckteil eine Expansion des Dampfes ins Nassdampfgebiet unter Bildung eines feinen Tropfennebels erfolgt. Durch Bestimmung der Volumenkonzentration der Wassertröpfchen, ihrer Dichte und der Dichte des Dampfes kann die Dampfnässe berechnet werden. Der Aufbau der Sonden folgt obiger Beschreibung, weist darüber hinaus jedoch noch einige Erweiterungen auf. Die Ausrichtung der Sonde auf die zum Sondenschaft senkrechte Komponente des Zuströmvektors (Gierwinkelabgleich) erfolgt üblicherweise über eine pneumatische Messung. Hierzu sind geeignete Druckmessbohrungen im Bereich des Fensterausschnitts angebracht, über die auch der zur Berechnung der Dampfnässe nötige statische Druck im Medium bestimmt wird. Bei einer von Cai und Renner in "Flow Field and Wetness Measurement in a Condensation Steam Turbine by using a Combined Pneumatic- Optical Probe, Proc. IMP '97 Modelling and Design in Fluid- Flow-Machinery, 1997" beschriebenen Tauchsonde ist statt der genannten Bohrungen eine 4-Loch-Keilsonde am Sondenkopf unterhalb des Fensters angebracht, die zusätzlich zur Gierwinkelausrichtung und Bestimmung des statischen Drucks die pneumatische Messung des Strömungsvektors (Betrag und Richtung) erlaubt.

Die Ausführung der Dampfnässe-Tauchsonden in oben beschriebener Bauweise besitzt jedoch gewisse Nachteile. Da der Sondenschaft üblicherweise über ein Führungsrohr in das strömungsführende Innengehäuse der Turbine eingebracht wird, ist eine Ausrichtung des Fensterausschnittes zur Strömung nur auf die zum Sondenschaft senkrechte Komponente, d. h. in Gierwinkelrichtung durch Drehung des Sondenschafts möglich, während die zum Sondenschaft parallele Komponente eine Schräganströmung des Fensters unter einem bestimmten Nickwinkel bewirkt, die nicht ausgeglichen werden kann. Ab bestimmten Nickwinkeln treten in jedem Fall Strömungsablösungen an einer Eintrittskante des Fensters auf, die den Strahlengang des Lichts beeinträchtigen und die effektive Länge des durchströmten Volumens ändern und damit einen systematischen Messfehler hervorrufen. Dieser Fehler könnte allenfalls über eine in der Praxis nicht angewandte, sehr aufwendige Kalibrierung der Sonde berücksichtigt werden. Die angeführten Sonden sind daher hinsichtlich der erzielbaren Messgenauigkeit nur bei einer Zuströmung senkrecht zum Sondenschaft bzw. nur bei in Sondenschaftachse genügend langen Fenstern, bei denen der Bereich abgelöster Strömung im Verhältnis klein wird, erfolgreich. Da die gemessene Transmission einen integralen Wert über die gesamte Länge des Messvolumens darstellt, sinkt andererseits die Ortsauflösung der Sonde mit zunehmender Fensterlänge. Gerade in Dampfturbinen ist jedoch die Messung lokaler Nässewerte und Tropfenverteilungen über die Höhe eines Strömungskanals von Bedeutung und somit eine möglichst hohe örtliche Auflösung anzustreben.

Um zusätzlich eine Korrelation des Nässewerts an einem bestimmten Messort mit der dort herrschenden Strömungsgeschwindigkeit und -richtung zu ermöglichen, sollte außerdem zeitgleich zur Nässemessung der Strömungsvektor erfasst werden, was bisher nur mit der mit einer 4-Loch-Keilsonde ausgestatteten Transmissionssonde möglich ist.

Zwischen dem optischen Messvolumen im Fenster und dem pneumatischen Messvolumen besteht hier jedoch ein Versatz, der bei der Messung durch Verfahren der Sonde um die entsprechende Weglänge ausgeglichen werden muss. Der dadurch entstehende zeitliche Verzug schränkt die Korrelationsmöglichkeit der Messwerte ein.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Tauchsonde bereitzustellen, die eine größere Störungsunempfindlichkeit des optischen Signals über einen weiten Nickwinkelbereich aufweist, eine verbesserte örtliche Auflösung der Messung erlaubt und somit ein verbessertes Messsignal bereitstellt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Tauchsonde bei der das Fenster des Sondenkopfs zu mindestens einer weiteren Seite außer den Seiten von Strömungseintritt und -austritt geöffnet wird. Durch Einbau optischer Komponenten in die verbliebenen Wände des Sondenkopfs kann trotz der Öffnung des Fensters ein optisches Messvolumen aufgebaut werden. Bevorzugt wird die Öffnung zum eintauchenden Ende des Sondenschaftes hin vorgenommen.

Zusätzlich ist die Sonde in der Lage, mittels Druckmessung den Strömungsvektor des zu untersuchenden Fluids synchron zur optischen Messung am selben Messort vollständig, d. h. in Betrag und Richtung zu erfassen und (nach entsprechender Kalibrierung) den statischen Druck des umgebenden Mediums im Bereich der optischen Messstrecke zu liefern. Die Messung von Strömungsvektor und Transmission an quasi demselben Ort wird durch Verlegung der Druckmessbohrungen in die verbliebenen Wände auf Höhe des optischen Messvolumens gewährleistet.

Erfindungsgemäße Transmissionssonden weisen verschiedene Vorteile auf. Die Konzentration von optischem Messvolumen und Druckmessstellen auf engem Raum führt im Beispiel von Untersuchungen an Strömungsmaschinen nicht nur zu einem quasi­ punktförmigen Messort, an dem zu gleicher Zeit Transmission und Strömungsrichtung erfasst werden, sondern auch zu einer Miniaturisierung der Sonde insgesamt. Es ergibt sich dadurch die Möglichkeit wandnaher Messungen, was besonders in Strömungskanälen und bei Traversierungen entlang einer Turbomaschinenbeschaufelung von Bedeutung ist.

Speziell die Öffnung des Fensters zum Sondenende hin bietet die Möglichkeit der aerodynamischen Optimierung der verbliebenen Wände und ihre Ausgestaltung als an bestimmte Machzahlbereiche angepasste Strömungssonde. Eine Zuspitzung dieser Wände erleichtert die Einführung der Sonde in eine Gehäusebohrung und trägt somit zum Schutz des Sondenkopfes vor Beschädigungen bei. Aufgrund der störungsarmen Umströmung der formoptimierten Wände bieten sich zahlreiche Möglichkeiten zur Plazierung der Druckmessbohrungen.

Eine horizontale Lichtführung sorgt bei Messungen an Turbinenbeschaufelungen für eine örtliche Auflösung entlang der Schaufelhöhe in Größe des Strahldurchmessers.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Beispiels und mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Tauchsonde in isometrischer Darstellung;

Fig. 2 zwei teilweise freigeschnittene Vorderansichten a und b einer erfindungsgemäßen Tauchsonde und

Fig. 3 eine erfindungsgemäße Tauchsonde im Längsschnitt.

Im Folgenden werden für gleiche Bauteile in den verschiedenen Figuren die gleichen Bezugszeichen verwandt und nicht nochmals erläutert. Es gilt das anhand einer Figur Erläuterte für die anderen Figuren, in denen gleiche Bezugszeichen auftreten, entsprechend.

In Abb. 1 ist eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Tauchsonde 1 mit einem Sondenkopf 2 und einem Sondenschaft 3 dargestellt. Der Sondenkopf 2 ist mit dem Sondenschaft 3 verbunden und wird über ihn geführt und in Position gehalten. Außerdem nimmt der Sondenschaft 3 in Fig. 1 nicht dargestellte Messleitungen zum Sondenkopf 2 auf. Die Länge des Sondenschafts kann den Erfordernissen der Messung (Messposition, Traversierlänge etc.) angepasst werden. Der Sondenkopf 2 ist durch eine einfache symmetrische Gabelform gekennzeichnet, die ein optisches Volumen 4 zur Transmissionsmessung aufspannt. Die Strahlein- bzw. auskoppelung erfolgt über wandbündig in einer zapfenförmig ausgebildeten ersten Wand 5 und zweiten Wand 6 eingebaute optische Komponenten (z. B. Prismen, Linsen).

Charakteristisch für die spätere Auswertung der Transmissionsdaten ist eine optische Weglänge L, die mit dem Abstand der ersten und zweiten Wand 5 und 6 übereinstimmt. Mögliche Variationen der Ausführung der optischen Messstrecke werden weiter unten erläutert.

Bei Einsatz in strömenden Fluiden ergibt sich zur Sonde ein Zuströmvektor V, der sich gedanklich in die Komponenten V_⟂ senkrecht zur Achse des Sondenschafts 3 und V_|| parallel zum Sondenschaft 3 aufteilen lässt. Die erste und zweite Wand 5 und 6 sind zusätzlich als Strömungsvektorsonde 7 ausgebildet und bieten die Möglichkeit, über eine Druckmessung an Gierwinkelbohrungen a und b die Tauchsonde 1 durch Drehung um die Längsachse des Sondenschafts 3, wie in Fig. 1 dargestellt, so auf V_⟂ auszurichten (Gierwinkelabgleich), dass das optische Volumen symmetrisch und damit so störungsfrei wie möglich durchströmt wird. Auf Eigenschaften der Sondenumströmung unter bestimmten Nickwinkeln wird in der Erläuterung zu Fig. 3 weiter unten eingegangen. Der Nickwinkel der Anströmung wird über mindestens eine Nickwinkelbohrung detektiert. Im vorliegenden Fall sind zur Erfassung eines möglichst weiten Nickwinkelbereichs zwei Nickwinkelbohrungen c und d vorgesehen. Durch geeignete Kalibrierung kann aus dem an den an den Nickwinkelbohrung c und/oder d gemessenen Drücken der Totaldruck der Strömung und aus dem Druck an den Gierwinkelbohrungen a und/oder b der statische Druck ermittelt werden. Weitere, im Fall kondensierender Medien als Redundanz vorzusehende Druckbohrungen e, f und/oder g zum Gierwinkelabgleich bzw. zur Machzahlbestimmung können beispielsweise weiter oben am Sondenschaft 3 angebracht werden.

In Fig. 1 sind die beiden zapfenförmigen Wände 5 und 6 umlaufend mit Radien versehen, die bei Unterschallanströmung eine ablösungsfreie Durchströmung der optischen Messstrecke auch bei nicht völlig symmetrischer Durchströmung gewährleisten. Die Wände können aber zur Anpassung an transsonische und Überschallströmungen ebenso scharfkantig und mit ebenen Teilflächen ausgeführt sein, etwa zur Beeinflussung der Lage von Verdichtungsstößen.

Bei Messungen an großen Strömungsanlagen kann die Größe des Sondenkopfes 2 vergleichsweise klein gehalten und die optische Messstrecke mit den in ihrer unmittelbaren Nähe angebrachten Gier- und Nickwinkelbohrungen a, b, c, d, e, f und/oder g damit als einheitliches, nahezu punktförmiges Messvolumen angesehen werden, so dass von einer Übereinstimmung der Messorte von Transmission und Strömungsvektor ausgegangen werden kann.

Die Fig. 2a und 2b zeigen Vorderansichten des Sondenkopfes 1 gemäß Fig. 1, in denen zwei mögliche Ausführungen von optischen Einbauten freigeschnitten dargestellt sind. Die genaue Lage und Ausführung der optischen Einbauten hängt dabei u. a. vom Platzbedarf der optischen Komponenten ab und soll hier nur schematisch dargestellt werden.

In Abb. 2a wird ein optisches Messvolumen 10 durch einfache Strahlführung gebildet. Das durch einen Pfeil 11 schematisch dargestellte einfallende Licht gelangt über einen ersten Schacht 12 auf ein bündig zur Außenkontur der ersten Wand 5 angebrachtes erstes Umlenkprisma 13, durchläuft das zu messende in Fig. 2 nicht dargestellte Medium über die optische Weglänge L, um über ein zweites Umlenkprisma 14 in der zweiten Wand 6 und einen zweiten Schacht 15 zu einem nicht dargestellten Empfänger zu gelangen.

In Abb. 2b wird der durch den Pfeil 11 angedeutete Lichtstrahl zweifach durch die optische Weglänge L geführt. Das Licht wird an einem Reflektor 16 reflektiert und über das erste Umlenkprisma 13 ausgekoppelt. Neben den gezeigten Möglichkeiten, die sich auf eine 90°-Strahlumlenkung und eine Strahlführung senkrecht Längsachse des Sondenschafts beschränken, sind weitere Variationen wie Mehrfachreflexion, schräge und asymmetrische Strahlführungen etc. denkbar, die eine Vergrößerung der optischen Weglänge L zum Ziel haben könnten. Je nachdem, auf welchem Weg das Licht zur Messstrecke gelangt - mit oder ohne vorgeschaltete Kollimationsoptik - kann zudem die Form des optischen Messvolumens variieren und z. B. konische Gestalt annehmen.

Fig. 3 verdeutlicht im Längsschnitt gemäß der Schnittlinie A-A in Fig. 2a die Auslegung der erfindungsgemäßen Tauchsonde 1 auf hohe Akzeptanzwinkel der Zuströmung in der dargestellten Nickwinkelebene, die durch die nach unten völlig offene Gestaltung im Bereich des geschnitten gezeichneten optischen Messvolumens 10 und eine Ausrundung 17 am Übergang zum Sondenschaft 3 erreicht wird. Eine Optimierung - zu erkennen an der asymmetrischen Schnittlinie der Ausrundung 17 - erfolgte dabei für eine in Turbomaschinen häufig auftretenden Zuströmungsvektor V mit einem Nickwinkelbereich, der von leicht negativ bnis positiv reicht. Durch die gestrichelt dargestellten Pfeile 18 sind verschiedene Zuströmvektoren andeutungsweise dargestellt.

Alle in der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und der Zeichnung dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.

Claims (10)

1. Sonde zum Messen der Transmission eines Lichtstrahls (11) entlang einer optischen Weglänge (L) in einem zu messenden Medium mit einem Sondenkopf (2), mit einer Lichtquelle und mit einem Empfänger des von der Lichtquelle emittierten Lichtstrahls (11), wobei die optische Weglänge (L) von einer ersten Wand (5) und einer zweiten Wand (6) begrenzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Weglänge (L) im Wesentlichen senkrecht zu einer Längsachse des Sondenkopfs (2) verläuft.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich erste Wand (5) und zweite Wand (6) im Wesentlichen parallel zur Längsachse des Sondenkopfs (2) erstrecken.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass erste Wand (5) und/oder zweite Wand (6) eine Sendeeinheit und/oder eine Empfangseinheit, ein Umlenkprisma (13, 14) oder einen optischen Reflektor (16) zum Emittieren, Umlenken oder Empfangen des Lichtstrahls (11) aufweisen.

4. Tauchsonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Weglänge (L) durch zwei seitliche Wände (5, 6) mit im Bereich der Lichtein- bzw. -auskoppelung ebener, zueinander und zur Sondenschaftachse parallelen Oberflächen begrenzt ist und die Lichtein- bzw. -auskoppelung unter einem Winkel von 90° zu diesen Oberflächen erfolgt.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Übergang von Sondenkopf (2) sowie erster Wand (5) und/oder zweiter Wand (6) bei abgeglichener Sonde in Strömungsrichtung des Mediums symmetrisch oder asymmetrisch abgerundet ist.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sondenkopf (2) mindestens eine Gierwinkelbohrung (a, b, e, f, g) und/oder mindestens eine Nickwinkelbohrung (c, d) aufweist. (a, b, e, f, g) und/oder mindestens eine Nickwinkelbohrung (c, d) aufweist.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gierwinkelbohrungen (a, b, e, f, g) und/oder die Nickwinkelbohrungen (c, d) g) in der ersten Wand (5) und/oder der zweiten Wand (6) angeordnet sind.

8. Tauchsonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die die optische Weglänge (L) begrenzende erste Wand (5) und die zweite Wand (6) aerodynamisch so ausgestaltet sind, dass eine Anbringung von Druckbohrungen (a, b, c, d, e, f, g) in unmittelbarer Nähe der optischen Messstrecke derart möglich ist, dass das Messvolumen zur Erfassung des Strömungsvektors in möglichst weitgehender Übereinstimmung mit dem optischen Messvolumen (10) steht und die Lage und Anzahl der Druckbohrungen einen sicheren Abgleich der Tauchsonde (1) in der Gierwinkelebene und eine sichere Erfassung des Nickwinkels der Zuströmung sowie des statischen und des Totaldrucks des zu messenden Fluids gewährleistet.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sondenkopf (2) an einem Sondenschaft (3) befestigt ist.

10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sondenkopf (2) an einem Ende offen ist.