DE202012007107U1

DE202012007107U1 - Kalibrieranlage für Messsonde im Bereich der Messtechnik der Gas-Flüssigkeits-Zweiphasenströmung

Info

Publication number: DE202012007107U1
Application number: DE202012007107U
Authority: DE
Original assignee: XI AN VIRTUAL DYNAMICS SIMULATION TECHNOLOGY Inc; XI'AN VIRTUAL-DYNAMICS SIMULATION TECHNOLOGY Inc
Current assignee: XI AN VIRTUAL DYNAMICS SIMULATION TECHNOLOGY Inc; XI'AN VIRTUAL-DYNAMICS SIMULATION TECHNOLOGY Inc
Priority date: 2012-07-24
Filing date: 2012-07-24
Publication date: 2012-09-07
Anticipated expiration: 2022-07-25

Abstract

Eine Kalibrieranlage für Messsonde im Bereich der Messtechnik der Gas-Flüssigkeits-Zweiphasenströmung, umfasst ein Flüssigkeitsversorgungssystem (1), ein Gasversorgungssystem (3), einen Gas-Flüssigkeitsmixer (2), eine Zufuhrdüse (10), eine Kalibrierkammer (6), zwei Schrittmotoren (7), ein drehbares Stützsystem (8) mit zwei Drehmöglichkeiten, ein Datensammel- und -verarbeitungssystem (4) sowie einen Steuerungscomputer (5), wobei diese Teile wie folgt verbunden sind:
Die Flüssigkeit der Zweiphasenströmung wird vom Flüssigkeitsversorgungssystem (1), das Gas wird vom Gasversorgungssystem (3) geliefert und in den Gas-Flüssigkeitsmixer (2) eingeleitet und zur homogenen Zweiphasenströmung gemacht;
unter dem Gas-Flüssigkeitsmixer (2) ist eine Zufuhrdüse (10) angebracht; die Zweiphasenströmung strömt aus der Zufuhrdüse (10) aus;
unterhalb der Zufuhrdüse (10) befindet sich die Kalibrierkammer (6), die mit dem drehbaren Stützsystem (8) mit zwei Drehmöglichkeiten verbunden ist, das von den Schrittmotoren (7) gesteuert wird.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Kalibrieranlage, die zum Bereich der Messtechnik der Gas-Flüssigkeits-Zweiphasenströmung gehört. Um die Strömungsgeschwindigkeit und den Gasanteil in einer Gas-Flüssigkeits-Zweiphasenströmung zu messen, werden Messsonden eingesetzt. Solche Messsonden müssen vor ihrem Einsatz kalibrieret werden. Dazu wird eine Kalibrieranlage benötigt.
Technischer Hintergrund
Die Gas-Flüssigkeits-Zweiphasenströmung ist eine häufig vorkommende komplexe Erscheinung in Industrieprojekten, wie zum Beispiel die Strömung der Flüssigkeit um den Rotor in einer Wasserturbine, die Strömung der Flüssigkeit in der Öl-Zufuhrdüse einer Brennanlage usw. Beim Entwerfen und der Analyse solcher Anlagen benötigt man Daten wie insbesondere Geschwindigkeit, Druck und Anteil der zwei Phasen im Strömungsfeld. Derzeit gibt es schon mehrere Messmethoden für die Gas-Flüssigkeits-Strömung. Dabei ist eine Messtechnik besonders praktisch und effektiv, die eine Mehrlöcher-Drucksonde mit Stromleitungselektroden verbindet und zu einer einheitlichen Messsonde macht. Dieser Messsonde kann mit der Mehrlöcher-Drucksonde die dreidimensionale Strömungsrichtung und -geschwindigkeit messen, und gleichzeitig mit den Stromleitungselektroden den Gasanteil messen. Vor ihrem Einsatz muss die Messsonde jedoch kalibriert werden, um die Druckkennziffern der Drucklöcher, die relationale Datentabelle der Strömungsrichtung und die Kurven über das Verhältnis zwischen dem Gasanteil und den Ausgangsspannungen der Elektrodenpaare festzustellen. Anders als beim Kalibrieren einer Messsonde für Einphasenströmung muss man hier das gleichzeitige Vorhandensein von zwei Phasen, also Gas und Flüssigkeit, sowie die ständige Veränderung des Anteils der zwei Phasen berücksichtigen.
Inhalt der Erfindung
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, eine Kalibrieranlage bereitzustellen, die darauf gerichtet ist, die oben beschriebene aus Drucksonde und Stromleitungselektroden bestehende Messsonde zu kalibrieren. Sie umfasst eine Flüssigkeitsversorgungssystem, ein Gasversorgungssystem, einen Gas-Flüssigkeitsmixer, eine Zufuhrdüse, eine Kalibrierkammer, zwei Schrittmotoren, ein drehbares Stützsystem mit zwei Drehmöglichkeiten, ein Datensammel- und -verarbeitungssystem sowie einen Steuerungscomputer. Die Teile sind wie folgt verbunden:
Die Flüssigkeit der Zweiphasenströmung wird vom Flüssigkeitsversorgungssystem, das Gas wird vom Gasversorgungssystem geliefert;
die Flüssigkeit und das Gas werden in den Gas-Flüssigkeitsmixer eingeleitet und durch ihn zur homogenen Zweiphasenströmung gemischt;
unter dem Gas-Flüssigkeitsmixer ist eine Zufuhrdüse angebracht; die Zweiphasenströmung strömt aus der Zufuhrdüse aus;
unter der Zufuhrdüse befindet sich die Kalibrierkammer, die mit dem drehbaren Stützsystem verbunden ist;
das drehbare Stützsystem wird von zwei Schrittmotoren gesteuert.
Erläuterungen der Zeichnungen
Darin zeigen:
1 eine schematische Darstellung der Kalibrieranlage,
2 eine schematische Darstellung der Struktur des Gas-Flüssigkeitsmixers,
3 eine schematische Darstellung der Struktur des drehbaren Stützsystems mit zwei Drehmöglichkeiten,
4 die äußere Ansicht der Messsonde, und
5 das Anordnungsschema der Kalibrieranlage in einem Ausführungsbeispiel.
Ausführungsbeispiel:
Im Folgenden wird anhand der Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Kalibrieranlage näher beschrieben.
1 ist eine schematische Darstellung der Kalibrieranlage. Diese Kalibrieranlage umfasst ein Flüssigkeitsversorgungssystem 1, ein Gasversorgungssystem 3, die nach vorbestimmter Menge Flüssigkeit und Gas zu einem Gas-Flüssigkeitsmixer 2 zuführen, der die Flüssigkeit und das Gas mischt und zur Gas-Flüssigkeits-Zweiphasenströmung macht. Die Gas-Flüssigkeits-Zweiphasenströmung läuft aus der Zufuhrdüse 10 aus. Die Zufuhrdüse 10 ist in vertikaler Richtung nach unten auf die zu kalibrierende Messsonde 9 gerichtet. Die Zufuhrdüse 10 und die Messsonde 9 dürfen nicht zu nah zueinander sein, um ein Zurückwerten der Flüssigkeit und die Veränderung des statischen Drucks der Flüssigkeit zu vermeiden. Andererseits darf die Distanz auch nicht zu groß sein, um zu vermeiden, dass zusätzliche Luft in die Zweiphasenströmung gemischt wird und die Kalibriergenauigkeit beeinträchtigt wird.
Die Messsonde 9 wird auf dem drehbaren Stützsystem 8 angebracht. Das drehbare Stützsystem 8 wird vom Schrittmotoren 7 gesteuert. Die Messsonde 9 steht vertikal mit ihrem Kopf nach oben und ist genau auf die Zufuhrdüse 10 gerichtet.
2 zeigt eine schematische Darstellung der Struktur des Gas-Flüssigkeitsmixers 2. Er besteht aus einer zylinderförmigen Kammer 11. Innerhalb der Kammer 11 sind entlang der vertikalen Achse der Kammer mindestens drei Netze 15 aus rostfreiem Stahl angebracht. Die Funktion der Netze ist, die Flüssigkeit und das Gas beim Durchströmen gleichmäßig zu mischen. Oben auf der Decke der Kammer befindet sich der Eingang 13 für die Flüssigkeit. Rings um der Achse des Zylinders sind auf der seitlichen Wand der Kammer 11 Eingangslöcher 12 und 14 für das Gas angeordnet. Nach dem Mischen fließt die Gas-Flüssigkeits-Zweiphasenströmung unten aus dem Ausgang 16 in die Zufuhrdüse 10.
3 zeigt eine schematische Darstellung der Struktur des drehbaren Stützsystems 8. Das Stützsystem 8 hat zwei Drehmöglichkeiten. Die erste Drehmöglichkeit betrifft das Drehen um die vertikale Achse der Messsonde 9; das wird hier als Drehwinkel α° 21 bezeichnet. Die andere Drehmöglichkeit betrifft das Drehen um die Achse, die senkrecht zu der vertikalen Achse der Messsonde steht; das wird hier als Drehwinkel β° 24 bezeichnet. Die zwei Drehmöglichkeiten werden jeweils vom ersten Schrittmotor 17 und zweiten Schrittmotor 18 gesteuert. Der Teil der Drehstange 19, auf dem die Messsonde befestigt ist, befindet sich innerhalb der Kalibrierkammer 6. Die zwei Schrittmotoren befinden sich außerhalb der Kalibrierkammer 6, um Kontakt mit Flüssigkeit zu vermeiden. Der erste Schrittmotor 17 steuert über die Drehstange 19 Drehwinkel β° 24. Der zweite Schritt Motor 18 steuert über die Drehwelle 20, das Schneckenrad 22 und die Schnecke 23 den Drehwinkel α° 21.
Beim Kalibrieren drehen die zwei Schrittmotoren 17 und 18 die Messsonde 9 Schritt für Schritt im Rahmen der Drehwinkel in verschiedener Richtung. Bei jedem bestimmten Winkel nehmen das Datensammel- und -verarbeitungssystem 4 und der Steuerungscomputer 5 die Druckwerte auf den Drucklöchern der Messsonde 9 auf. Danach wird der Gasanteil nach vorbestimmter Angabe geändert. Dann werden die Ausgangsspannungen der Elektrodenpaare auf der Messsonde 9 unter verschiedenem Gasanteil aufgenommen.
Die äußere Ansicht der Messsonde 9 wird in 4 gezeigt. Die Messsonde hat 4 Drucklöcher. In der Mitte ist das dynamische Druckloch 27. Rings um das dynamische Druckloch befinden sich sechs Löcher. Drei davon sind die drei statischen Drucklöcher 29 mit einem Abstand von jeweils 120 Grad. Die anderen drei sind Elektrodenlöcher 25, der Abstand ist auch jeweils 120 Grad. Statische Drucklöcher und Elektrodenlöcher stehen abwechselnd nebeneinander. In den Elektrodenlöchern sind Stromleitungselektroden 26 angebracht, die durch Plastikverschlusse 28 befestigt sind.
Im Folgenden wird ein weiteres Ausführungsbeispiel erläutert. Die hierbei betreffende Zweiphasenströmung besteht aus Wasser und Luft.
5 zeigt das Anordnungsschema der Kalibrieranlage im Ausführungsbeispiel. Sie umfasst einen Wassertank 30 in 6 m Höhe. Die Höhe der Oberfläche des Wassers in dem Wassertank wird von der Überlaufleitung 31 beschränkt. Die Wasserleitung führt zum Wassersammelbecken 44. Das Wasser 34 wird aus dem Wassersammelbecken durch eine elektrische Flüssigkeitspumpe 43, eine elektrische Bypass-Drossel 32, eine elektrische Hauptdrossel 42, einen Flüssigkeitsrotameter 33 zum Gas-Flüssigkeitsmixer 2 geführt. Die Wassermenge wird von der elektrischen Hauptdrossel 42 gesteuert. Andererseits wird Luft 35 durch eine Luftpumpe 40, eine elektrische Luftdrossel 38, einen Luftrotameter 39 zum Gas-Flüssigkeitsmixer 2 geführt. Die Luftmenge wird von der elektrischen Luftdrossel 38 gesteuert. Der Luftdrucksensor 36 misst den Luftdruck, der Lufttemperatursensor 37 misst die Lufttemperatur und kann zur Regulierung der Luftdichte benutzt werden.
Der Gas-Flüssigkeitsmixer hat an seinem Boden einen Ausgang 16, dessen Durchmesser 20 mm beträgt. An dem Ausgang ist die Zufuhrdüse 10 angeschlossen, deren Durchmesser ebenfalls 20 mm beträgt. Während des Betriebs muss der Gas-Flüssigkeitsmixer in vertikaler Richtung ganz gerade stehen. Die Strömungsgeschwindigkeit bei der Zufuhrdüse 10 wird von der Höhe des Wassertanks und Wassermenge beeinflusst.
Die Wasser-Luft-Zweiphasenströmung aus der Zufuhrdüse 10 ist homogen. Die Zufuhrdüse 10 steht in vertikaler Richtung und ist nach unten auf die zu kalibrierende Messsonde 9 gerichtet, die auf dem drehbaren Stützsystem 8 befestigt ist. Der Abstand zwischen der Zufuhrdüse 10 und der Messsonde 9 beträgt 22 mm. Die Flüssigkeit, die aus der Zufuhrdüse 10 ausfließt, läuft über die am Boden der Kalibrierkammer 6 angebrachte Leitung in den Wassersammelbecken 44 zurück.
Der Durchmesser der Messsonde 9 beträgt 5 mm. Die Durchmesser ihrer Löcher betragen jeweils 0,8 mm. Die drei Elektroden sind aus Platin und haben jeweils ein Durchmesser von 0,4 mm. Die vier Drucklöcher sind mit vier Drucksensoren verbunden. Die drei Platin-Elektroden sind mit 1 Hz Wechselstrom verbunden. Drucksensoren und die drei Elektroden sind auch mit dem Datensammel- und -verarbeitungssystem 4 verbunden.
Das drehbare Stützsystem 8 hat die gleiche Struktur wie in 3. Beim Kalibrieren drehen die zwei Schrittmotoren 17, 18 im vorbestimmten Rahmen (–20° bis +20°) die Drehstange 19 über den Drehwinkel 24 und die Messsonde 9 über den Drehwinkel 21. Bei jedem bestimmten Winkel werden Druckwerte an den vier Drucklöchern der Messsonde 9 vom. Datensammel- und -verarbeitungssystem 4 aufgenommen. Der Luftanteil kann vom Steuerungscomputer 5 über die Luftdrossel 38 zwischen 0% bis zu 100% reguliert werden. Alle zwei benachbarten Elektroden bilden ein Elektrodenpaar. Drei Elektroden bilden also im Ergebnis drei Elektrodenpaare. Die drei Ausgangsspannungen der drei Elektrodenpaare werden unter verschiedenem Luftanteil aufgenommen. Die Datensammelfrequenz beträgt 10 Hz, die Datensammelzeit beträgt 20 Sekunden.
Nach Verarbeitung der Daten im Datensammel- und -verarbeitungssystem 4 kann das Kalibrierergebnis ermittelt werden, das sich in den folgenden Daten zeigt: die Druckwerte und Strömungsrichtungen an den vier Drucklöchern sowie die Relationstabelle dieser Daten mit dem Drehwinkel α° 21 über die Achse der Messsonde sowie dem Drehwinkel β° 24 um die senkrecht zu der Achse der Messsonde stehende Achse; die drei Kurven über das Verhältnis zwischen dem Gasanteil (5 bis 80%) und den Ausgangsspannungen der drei Elektrodenpaare.
Bezugszeichenliste

1: Flüssigkeitsversorgungssystem
2: Gas-Flüssigkeitsmixer
3: Gasversorgungssystem
4: Datensammel- und -verarbeitungssystem
5: Steuerungscomputer
6: Kalibrierkammer
7: Schrittmotoren
8: Drehbares Stützsystem mit zwei Drehmöglichkeiten
9: Zu kalibrierende Messsonde
10: Zufuhrdüse
11: Zylinderförmige Kammer
12: Eingangsloch für Gas
13: Eingang für Flüssigkeit
14: Eingangsloch für Gas
15: Drei Netze aus rostfreiem Stahl
16: Ausgang, für die Zweiphasenströmung
17: erster Schrittmotor
18: zweiter Schrittmotor
19: Drehstange
20: Drehwelle
21: Drehwinkel α°
22: Schneckenrad
23: Schnecke
24: Drehwinkel β°
25: Elektrodenloch
26: Stromleitungselektrode
27: Dynamisches Druckloch
28: Plastikverschluss
29: Statisches Druckloch
30: Wassertank
31: Überlaufleitung
32: Bypass-Drossel
33: Flüssigkeitsrotameter
34: Wasser
35: Luft
36: Luftdrucksensor
37: Temperatursensor
38: elektrische Luftdrossel
39: Luftrotameter
40: Luftpumpe
41: Rücklaufwasser
42: elektrische Hauptdrossel
43: elektrische Flüssigkeitspumpe
44: Wassersammelbecken

Claims

Eine Kalibrieranlage für Messsonde im Bereich der Messtechnik der Gas-Flüssigkeits-Zweiphasenströmung, umfasst ein Flüssigkeitsversorgungssystem (1), ein Gasversorgungssystem (3), einen Gas-Flüssigkeitsmixer (2), eine Zufuhrdüse (10), eine Kalibrierkammer (6), zwei Schrittmotoren (7), ein drehbares Stützsystem (8) mit zwei Drehmöglichkeiten, ein Datensammel- und -verarbeitungssystem (4) sowie einen Steuerungscomputer (5), wobei diese Teile wie folgt verbunden sind: Die Flüssigkeit der Zweiphasenströmung wird vom Flüssigkeitsversorgungssystem (1), das Gas wird vom Gasversorgungssystem (3) geliefert und in den Gas-Flüssigkeitsmixer (2) eingeleitet und zur homogenen Zweiphasenströmung gemacht; unter dem Gas-Flüssigkeitsmixer (2) ist eine Zufuhrdüse (10) angebracht; die Zweiphasenströmung strömt aus der Zufuhrdüse (10) aus; unterhalb der Zufuhrdüse (10) befindet sich die Kalibrierkammer (6), die mit dem drehbaren Stützsystem (8) mit zwei Drehmöglichkeiten verbunden ist, das von den Schrittmotoren (7) gesteuert wird.
Eine Kalibrieranlage für Messsonde im Bereich der Messtechnik der Gas-Flüssigkeits-Zweiphasenströmung nach Anspruch 1, wobei der Gas-Flüssigkeitsmixer (2) eine zylinderförmige Kammer 11 besitzt, innerhalber der Kammer 11 entlang der vertikalen Achse der Kammer mindestens drei Netze (15) aus rostfreiem Stahl angebracht sind; und während des Betriebs der Gas-Flüssigkeitsmixer (2) vertikal steht.
Eine Kalibrieranlage für Messsonde im Bereich der Messtechnik der Gas-Flüssigkeits-Zweiphasenströmung nach Anspruch 1, wobei die Zufuhrdüse (10) mit dem Ausgang (16) für Zweiphasenströmung des Gas-Flüssigkeitsmixers (2) verbunden ist, wobei die Zufuhrdüse (10) vertikal steht und nach unten auf die zu kalibrierende Messsonde (9) gerichtet ist.
Eine Kalibrieranlage für Messsonde im Bereich der Messtechnik der Gas-Flüssigkeits-Zweiphasenströmung nach Anspruch 1, wobei der Drehwinkel α° (21) um die Längsachse der Messsonde (9) und der Drehwinkel β° (24) um die senkrecht zur Längsachse der Messsonde (9) stehende Achse die zwei Drehmöglichkeiten darstellen.
Eine Kalibrieranlage für Messsonde im Bereich der Messtechnik der Gas-Flüssigkeits-Zweiphasenströmung nach Anspruch 1, wobei der Teil des Stützsystems (8), an dem die Messsonde (9) befestigt ist, sich innerhalb der Kalibrierkammer (6) befindet, und die Schrittmotoren (7) sich außerhalb der Kalibrierkammer (6) befinden.