-
Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Einrichtung zum
Kalibrieren eines Feuchtigkeitssensors.
-
Zum Überwachen
eines Wasser oder Wasserdampf enthaltenden Anlagenteils, beispielsweise die
Primärkreisleitung
eines Druckwasserkernreaktors, auf das Auftreten einer Leckage,
ist es aus der
EP 0 175 219 bekannt,
am Anlagenteil eine Sammelleitung anzuordnen, in die das aus dem
Anlagenteil im Falle einer Leckage austretende Wasser oder der aus
dem Anlagenteil austretende Wasserdampf eindringen kann. Die bekannte
Sammelleitung besteht aus einem Rohr, das für Wasser oder Wasserdampf undurchlässig ist,
und das in seiner Längsrichtung mit
einer Vielzahl von mit einem mikroporösen sintermetallischen Werkstoff
verschlossenen Öffnungen versehen
ist, durch die Wasser oder Wasserdampf in das Innere des Rohres
diffundieren kann. Mit einem aus der
DE 24 31 907 C3 bekannten Verfahren wird dann
der Ort ermittelt, an dem das Wasser oder der Wasserdampf in die
Sammelleitung eingedrungen ist. Dieser Ort entspricht der Stelle,
an der Wasser oder Wasserdampf aus dem überwachten Anlagenteil ausgetreten
ist. Hierzu wird mit einer an die Sammelleitung angeschlossenen
Pumpe, beispielsweise im Druckbetrieb ein Kompressor am Eingang
der Strecke, der in die Sammelleitung eingedrungene Wasserdampf
gemeinsam mit einem in der Sammelleitung befindlichen Trägergas einem
ebenfalls an die Sammelleitung angeschlossenen Feuchtigkeitssensor
zugeleitet. Mit diesem Feuchtigkeitssensor wird die Wasserdampf-Ausgangskonzentration
als Funktion der Zeit gemessen und auf das Überschreiten eines Schwellwertes überwacht.
Bei bekannter Strömungsgeschwindigkeit
kann aus der Zeitspanne zwischen dem Einschalten der Pumpe und dem
Eintreffen des Wasserdampfes am Feuchtigkeitssensor, d.h. dem Zeitpunkt
zu dem der Schwellwert überschritten
wird der Ort, an dem Wasser oder Wasserdampf in die Sammelleitung
eindringt und damit der Leckageort am Anlagenteil ermittelt werden.
-
Insbesondere
bei der Verwendung eines kapazitiven Feuchtigkeitssensors besteht
das Problem, dass dieser bei Langzeitüberwachungen instabil ist und
vom Arbeitspunkt wegdriftet. Um zuverlässige Messergebnisse zu erhalten
und eine weitgehend fehlerfreie Überwachung
sicherzustellen, ist deshalb eine regelmäßige Kalibrierung dieser Feuchtigkeitssensoren
erforderlich.
-
Eine
solche Kalibrierung ist mit einem erheblichen Aufwand für den Betreiber
der Anlage verbunden. Zum einen sind für die Kalibrierung kostspielige Geräte, beispielsweise
ein geregelter Feuchtegenerator und ein kalibrierter Feuchtigkeitssensor
erforderlich. Zum anderen ist die Kalibrierung eines Feuchtigkeitssensors
zeitaufwendig, da der gesamte interessierende Messbereich mit einer
ausreichenden Anzahl von Messpunkten abgedeckt werden muss, die
wegen unvermeidlicher Hystereseeffekte nicht unmittelbar nacheinander
angefahren werden können,
wobei jedes Mal der Einschwingvorgang abzuwarten ist. Darüber hinaus
ist es erforderlich, für die
Kalibrierung zumindest kurzzeitig den Messbetrieb zu unterbrechen
und den zu kalibrierenden und in einem Sensormodul angeordneten
Feuchtigkeitssensor gemeinsam mit dem Sensormodul von der Messstation
zu entfernen und durch ein kalibriertes Ersatz-Sensormodul zu ersetzen.
Aus diesen Gründen
wird eine solche Kalibrierung in der Praxis relativ selten, beispielsweise
einmal im Jahr durchgeführt.
-
Aus
der WO 94/28410 ist ein Verfahren zum Kalibrieren eines Feuchtigkeitssensors
bekannt, bei dem der Feuchtigkeitssensor in den Gaskreislauf einer
Kalibriereinrichtung eingebracht wird, in der ein Gas zirkuliert,
das mit Wasserdampf gesättigt
und dessen Temperatur bekannt ist. Diese Temperatur entspricht dem
Taupunkt, aus dem unmittelbar auf die Wasserdampfkonzentration geschlossen
werden kann. Mit der bekannten Kalibriereinrichtung ist es auch
möglich,
einen Feuchtigkeitssensor in situ, d.h. am Ort, an dem er zum Überwachen
des Wasserdampfgehaltes eines Prozessgases angebracht ist, zu kalibrieren.
-
Der
Erfindung liegt nun die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren und eine
Einrichtung zum Kalibrieren eines Feuchtigkeitssensors anzugeben,
das bei hoher Messgenauigkeit mit geringem Aufwand auch in kurzen
Zeitabständen
durchgeführt
werden kann.
-
Bezüglich des
Verfahrens wird die Aufgabe gemäß der Erfindung
gelöst
mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 1. Gemäß diesen
Merkmalen strömt
bei dem Verfahren zum Kalibrieren eines Feuchtigkeitssensors ein
Trägergas mit
einer vorbekannten Wasserdampf-Eingangskonzentration und einem vorbekannten
Mengenstrom in eine Mischkammer, die über eine wasserdampfdurchlässige Trennwand
mit einem Wasserreservoir kommuniziert, dessen Temperatur auf einen
konstanten Wert eingestellt wird, und in der dem Trägergas Wasserdampf
beigemischt wird. Mit dem Feuchtigkeitssensor wird ein Messwert
für die
Wasserdampf-Ausgangskonzentration im aus der Mischkammer strömenden Gemisch
aus Wasserdampf und Trägergas
bestimmt. Dieser Messwert wird mit einem Istwert der Wasserdampf- Ausgangskonzentration
in dem aus der Mischkammer ausströmenden Gemisch verglichen,
die durch eine von der Temperatur des Wasserreservoirs, dem Mengenstrom
und der Wasserdampf-Eingangskonzentration
in die Mischkammer abhängige
Beziehung gegeben ist.
-
Mit
einem solchen Verfahren ist die Kalibrierung eines Feuchtigkeitssensors
erheblich vereinfacht, da das Sensormodul nicht aus der Messstation entfernt
werden muss, so dass diese in kürzeren
Zeitabständen
durchgeführt
werden kann.
-
Die
Erfindung beruht dabei auf der Überlegung,
dass die Wasserdampfaufnahme des durch die Mischkammer strömenden Trägergases,
beispielsweise Luft, bei konstanten konstruktiven Gegebenheiten
der Mischkammer und der Trennwand ausschließlich von der Wasserdampf-Eingangskonzentration,
der Temperatur des Wasserreservoirs und dem Mengenstrom bestimmt
ist und durch die Beziehung
gegeben ist. Dabei bedeuten:
- cout[-]
- die Wasserdampf-Ausgangskonzentration
am Ausgang der Mischkammer (Istwert)
- c0[-]
- die Wasserdampf-Eingangskonzentration
am Eingang der Mischkammer (Istwert)
- cW(TW)[-]
- die die Mischkammer
umgebende Wasserdampfkonzentration (Funktion der Temperatur des
Wasserreservoirs)
- TW[K]
- Temperatur des Wasserreservoirs (messbar)
- QV[m3/s]
- der Trägergas-Mengenstrom
(angegeben als Volumenstrom) durch die Mischkammer (messbar)
- αW(TW)[m3/s]
- ein temperaturabhängiger Parameter
der porösen
Trennwand, welcher die Permeabilität und Abmessungen beschreibt
(wird einmal bei der Inbetriebnahme bestimmt)
-
Zur
Kalibrierung des Feuchtigkeitssensors, d. h. zum Einstellen eines
bekannten Istwertes der Wasserdampf-Ausgangskonzentration am Ausgang der
Mischkammer reicht es somit bei vorgegebener Wasserdampf-Eingangskonzentration
c0, die vorzugsweise gleich 0 ist (trockenes
Trägergas
oder trockene Luft), aus, den Mengenstrom des Trägergases und/oder die Temperatur
des Wasserreservoirs auf verschiedene Werte einzustellen. Der sich
dann ergebende Istwert der Wasserdampf-Ausgangskonzentration cout am
Ausgang kann entweder durch Interpolation aus einer Look-up-Tabelle
(Kennlinienfeld) ermittelt, die bei einer Kalibrierung bei der Inbetriebnahme
der Einrichtung erstellt und hinterlegt worden ist, oder mit Hilfe
der vorstehenden Beziehung berechnet werden, wenn bei der Kalibrierung der
Einrichtung der die Eigenschaften der Mischkammer (Geometrie und
Dampfdurchlässigkeit
der Trennwand) beschreibende Parameter experimentell für unterschiedliche
Temperaturen TW bestimmt worden ist.
-
Wenn
der Mengenstrom des Trägergases und
die Temperatur des Wasserreservoirs gemessen und geregelt werden,
ist die Messgenauigkeit bei der Kalibrierung erhöht.
-
Bezüglich der
Einrichtung wird die genannte Aufgabe gemäß der Erfindung gelöst mit einer
Einrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches 6, deren Vorteile
ebenso wie die Vorteile der in den diesem Patentanspruch 6 nachgeordneten
Unteransprüchen
angegebenen Merkmale sinngemäß den zu
den jeweils zugehörigen
Verfahrensansprüchen angegebenen
Vorteilen entsprechen.
-
Wenn
eine Einrichtung gemäß der Erfindung in
ein sogenanntes Leckageüberwachungssystem (Feuchte-Leckage-Überwachungssystem,
FLÜS) integriert
ist, das eine an eine Pumpe angeschlossene Sensorleitung enthält, in die
Wasserdampf eindringen kann und einen an die Sensorleitung angeschlossenen
Feuchtigkeitssensor zum Nachweis des eingedrungen Wasserdampfes
umfasst, ist es möglich,
den Feuchtigkeitssensor ohne Umbauten von einer Warte aus ferngesteuert
in regelmäßigen Abständen zu
kalibrieren und die Betriebssicherheit des Leckageüberwachungssystems
ist signifikant verbessert.
-
Zur
weiteren Erläuterung
der Erfindung wird auf das Ausführungsbeispiel
der Zeichnung verweisen. Es zeigen:
-
1 eine
Einrichtung gemäß der Erfindung in
einer schematischen Prinzipdarstellung,
-
2 ein Diagramm, in dem die Wasserdampf-Ausgangskonzentration
am Ausgang der Mischkammer für
3 verschiedene Temperaturen des Wasserreservoirs gegen die Strömungsgeschwindigkeit
des Trägergases
(Luft) in der Mischkammer aufgetragen ist.
-
Gemäß 1 umfasst
eine Einrichtung gemäß der Erfindung
eine Mischkammer 2, die über eine teildurchlässige Trennwand 4 mit
einem Wasserreservoir 6 kommuniziert. Die teildurchlässige Trennwand,
beispielsweise aus einem sintermetallischen Werkstoff, ist durchlässig für Wasserdampf, aber
undurchlässig
für Wasser.
Die Trennwand 4 kann dabei auf ihrer dem Wasserreservoir 6 zugewandten
Flachseite unmittelbar an das Wasser angrenzen. Grundsätzlich kann
sich aber auch zwischen dem im Wasserreservoir 6 befindlichen
Wasser und der Membran ein wasserdampfgesättigtes Gaspolster, in der
Regel mit Wasserdampf gesättigte Luft,
befinden, da die Diffusionsgeschwindigkeit des Wasserdampfes durch
die Trennwand 4 im wesentlichen nur durch die Differenz
der Partialdrücke
von Wasserdampf in der Mischkammer 2 und im Wasserreservoir 6 bestimmt
ist. Das Wasserreservoir 6 ist über eine Druckausgleichsleitung 7 an
die Umgebungsatmosphäre
angeschlossen um einen Überdruck
beim Aufheizen des Wasserreservoirs 6 zu vermeiden.
-
Die
Mischkammer 2 weist einen Eingang 8 und einen
Ausgang 10 für
ein durch sie strömendes Trägergas,
in der Regel Luft, auf. Der Eingang 8 ist über eine
Eingangsleitung 12 an einen Kompressor 14 angeschlossen,
der als Trägergas
Luft aus der Umgebung ansaugt und zur Mischkammer 2 befördert, durch
die sie hindurchströmt
und in der sie Wasserdampf aufnimmt, so dass am Ausgang 10 ein
Gemisch aus Wasserdampf und Trägergas
(Luft) vorliegt, dessen Wasserdampf-Ausgangskonzentration durch
den Mengenstrom QV, die Wasserdampf-Eingangskonzentration
c0 im Trägergas
am Eingang 8, die geometrischen Verhältnisse der Mischkammer 3 und
die physikalischen Eigenschaften der Trennwand 4 sowie
die Temperatur TW des Wasserreservoirs 6 gemäß der vorstehend
erläuterten
Beziehung gegeben ist.
-
Am
Ausgang 10 ist eine Ausgangsleitung 16 angeschlossen,
an die ein zu kalibrierender Feuchtigkeitssensor 18 angeschlossen
ist, mit dem ein Messwert der Wasserdampf-Ausgangskonzentration cout im
in der Ausgangsleitung 16 strömenden Trägergas bestimmt wird.
-
Das
Wasserreservoir 6 wird mit einer Heizeinrichtung 20 beheizt,
so dass dessen Temperatur TW auf vorgebbare
Werte eingestellt werden kann. Die Heizeinrichtung 20 ist
hierzu an eine Steuereinrichtung 22 angeschlossen, die
mit Steuersignalen S1 entweder die Heizleistung auf einen vorgebbaren Wert
und damit die Temperatur TW des Wasserreservoirs 6 steuert
oder aber die Temperatur TW des Wasserreservoirs 6 regelt.
Hierzu ist im Wasserreservoir 6 ein Temperatursensor 23 angeordnet,
dessen Messwerte der Steuereinrichtung 22 zugeleitet werden,
so dass die Temperatur TW des Wasserreservoirs
auf einen vorgegebenen Wert geregelt werden kann.
-
Die
Steuereinrichtung 22 steuert oder regelt auch den Kompressor.
Um eine Regelung zu ermöglichen,
ist in der Eingangsleitung 12 ein Durchflusssensor 24 angeordnet,
mit dem der Mengenstrom QV, beispielsweise
der Volumenstrom, durch die Eingangsleitung 12 gemessen
wird. Die entsprechenden Messwerte werden dann ebenfalls in der
Steuereinrichtung 22 zum Erzeugen von Steuersignalen S2
für die
Regelung des Kompressors 14 verarbeitet.
-
Mit
Hilfe der Steuereinrichtung 22 werden nun verschiedene
Temperaturen TW des Wasserreservoirs 6 und
verschiedene Mengenströme
QV des Trägergases eingestellt, zu denen
jeweils eine vorbekannte Wasserdampf-Ausgangskonzentration am Ausgang 10 der
Mischkammer 2 gehört,
die in Form eines Kennlinienfeldes vorliegen, das bei der Inbetriebnahme
durch eine einmalige Kalibrierung gemessen worden ist. In die Eingangsleitung 12 und
in die Ausgangsleitung 16 sind jeweils 3-Wegeventile geschaltet,
die mit Hilfe von Steuersignalen S3, S4 von der Steuereinrichtung 22 gesteuert
werden und an eine Bypass-Leitung 30 angeschlossen
sind, die das in der Eingangsleitung 12 strömende Trägergas an
der Mischkammer 2 vorbei unmittelbar zum Feuchtigkeitssensor 18 leitet.
Wenn das in die Eingangsleitung 12 eingespeiste Trägergas trocken
ist, d.h. eine Wasserdampf-Ausgangskonzentration aufweist, die praktisch
gleich 0 ist kann in dieser Betriebsart der Einrichtung der Nullpunkt
des Feuchtigkeitssensors 18 kalibriert werden. Die vom
Feuchtigkeitssensor 18 für verschiedene vorbekannten
Istwerte cout der Wasserdampf-Ausgangskonzentration gemessenen
Messwerte cM können dann zur Kalibrierung
des Feuchtigkeitssensors 18 herangezogen werden.
-
Im
Ausführungsbeispiel
ist die Bypass-Leitung 30 außerdem über ein Dreiwegeventil 32 an eine
Sensorleitung 34 eines Feuchte-Leckage-Überwachungssystems angeschlossen,
durch die von einem Kompressor 36 in konstanten Zeitabständen Trägergas,
in der Regel Luft, zum Feuchtigkeitssensor 18 befördert werden.
In die Sensorleitung 34 kann entweder entlang der gesamten
Leitung oder an vorgegebenen Leitungspositionen Wasserdampf eindringen.
Die Sensorleitung 34 ist dabei an einem Wasser- oder Wasserdampf
führenden
Anlagenteil angeordnet. Im Falle eines Lecks im Anlagenteil wird dann
mit dem Feuchtigkeitssensor 18 ein Messwert cM für die Wasserdampfkonzentration
gemessen, dem aufgrund der vorhergehenden Kalibrierung ein Istwert
cT zugeordnet wird, der in der Steuereinrichtung
mit einem vorgegebenen Schwellwert cS verglichen
werden kann. Das Auftreten einer Leckage wird dann indiziert, wenn
der Istwert cT den Schwellwert cS überschreitet.
Das Dreiwegeventil 32 wird ebenfalls über Steuersignale S5 von der
Steuereinrichtung 22 gesteuert, so dass ein automatisches
Umschalten vom Überwachungsbetrieb
auf den Kalibrierbetrieb möglich
ist.
-
Im
Diagramm gemäß 2 ist der Istwert cT der
Wasserdampf-Ausgangskonzentration
in Luft für eine
anhand von 1 erläuterte Einrichtung gegen die
Geschwindigkeit von Luft in der Mischkammer, die im Ausführungsbeispiel
einen Innendurchmesser von 6 mm aufweist aufgetragen. Die Rauten
geben Messpunkte wieder, die bei einer Temperatur TW des Wasserreservoirs
von 25° gewonnen
worden sind. Dreiecke geben Messwerte wieder, die für unterschiedliche
Volumenströme
bei einer Temperatur TW = 30° erhalten
worden sind, und Punkte entsprechen Messwerten bei einer Temperatur
TW = 40°.
Die durchgezogenen Linien sind Rechenwerte, die anhand des vorstehend
genannten Modells erhalten worden sind. Den im Diagramm wiedergegebenen Messpunk ten
und den Kurven kann entnommen werden, dass das Modell die am Ausgang
der Mischkammer erzeugte Wasserdampf-Ausgangskonzentration mit hoher Genauigkeit
beschreibt. Mit Hilfe des Modells ist es deshalb möglich, die
Anzahl der bei der ersten Kalibrierung der Einrichtung vorzunehmenden Messungen
erheblich zu reduzieren, da für
jede Temperatur TW grundsätzlich nur
ein Messpunkt notwendig ist, um den Parameter αW(TW) bestimmen zu können.
-
- 2
- Mischkammer
- 4
- Trennwand
- 6
- Wasserreservoir
- 8
- Eingang
- 10
- Ausgang
- 12
- Eingangsleitung
- 14
- Kompressor
- 16
- Ausgangsleitung
- 18
- Feuchtigkeitssensor
- 20
- Heizeinrichtung
- 22
- Steuereinrichtung
- 23
- Temperatursensor
- 24
- Durchflusssensor
- 26,
28, 32
- Dreiwegeventil
- 30
- Bypass-Leitung
- 34
- Sensorleitung
- 36
- Kompressor
- S1–S5
- Steuersignale
