DE2304618A1

DE2304618A1 - Stroemungs- und geschwindigkeitsmesssystem

Info

Publication number: DE2304618A1
Application number: DE19732304618
Authority: DE
Inventors: Harald Dipl Ing Prof Dr Weiss
Original assignee: Gossen GmbH
Current assignee: Gossen GmbH
Priority date: 1972-02-04
Filing date: 1973-01-31
Publication date: 1973-08-09

Description

Strönungs- und Geschwindigkeitsmeßsystem Die vorliegende Erfindung betrifft ein korrelatives Strömungs- und Geschwindigkeitsmeßsyst em.
Die Strösungsmessung verschiedener Medien in der Verfahrenstechnik, der Kernreaktortechnik usw. ist oft durch besondere Umstände, wie beispielsweise durch hohen Druck und hohe Temperatur oder durch korrosive Medien, große Leitungsquerschnitte usw., erschwert. Andererseits werden aber oft hohe Genauigkeiten von etwa 5 bis 0,5 % gefordert.
Es wurde bereits versucht, diese Forderungen mit verschiedenen bekannten Meßverfahren zu erfüllen. Die Strömungs- bzw. Geschwindigkeitsiessung an gasförmigen oder flüssigen Medien in Rohrleitungen wird bekanntlich durch Messung der Druckdifferenz an Blenden oder anderen die Strömung beeinflussenden Bauelementen, beispielsweise an Rohrkrümmern, vorgenommen. Alle diese Methoden werden aber bei steigendem Rohrquerschnitt immer ungenauer und ergeben keine befriedigenden Meßergebnisse. Naturgemäß können diese Methoden bei freien Strömungen, nämlich bei einer Ausströmung aus Düsen oder bei Strömungen in offenen Kanälen usw., nicht angewendet werden. Außerdem ist auch der grundsätzlich notwendige Druckabfall an der Meßblende manchnial sehr unerwünscht, wenn es gilt, die Verluste in einem Strömungskreislauf gering zu halten. Darüber hinaus unterliegen die Meßblenden, besonders bei höheren Mediugeschwindlgkeiten und -dichten, einer unvermeidlichen Abnutzung, woraus sich unerwünschte Betriebsunterbrechungen zwecks Auswechslung der Blenden bzw. zur Nacheichung der Megeinrichtung ergeben.
Es wurden daher auch bereits berührungslos arbeitende Meßmethoden die auf dem Prinzip der Messung der Laufzeit 2) entwickelt, 2) die auf dem Prinzip der Messung der Laufzeit t des Mediums zwischen zwei festen Punkten im Abstand d beruhen.
Die Geschwindigkeit ist dann d/t. Die Laufzeitmessungen werden mit deterministischen oder auch regellos statistisch schwankenden Signalen vorgenommen. 3) Im strömenden Medium entstehen örtlich regellose Schwankungen von Druck, Temperatur, Lichtdurchlässigkeit, Dichte usw, In diesen Fällen wird die Laufzeit aus den von zwei geeigneten Meßwertgebern aufgenommen, statistisch schwankenden Meßgrößen durch Korrelationsverfahren bestimmt. Bei Verwendung von Druckmeßsonden, Temperaturfühlern usw, wird aber nur ein örtlicher Meßwert und nicht ein repräsentativer Mittelwert über das Medium erfaßt, wodurch Meßfehler entstehen. Einen Mittelwert erhält man, wenn das Medium mittels Licht durchstrahlt und auf diese Weise ein größerer Querschnitt zur Signalbildung erfaßt wird.
Bei allen diesen bekannten Methoden müssen aber die Meßwertgeber direkt in die Mediumsleitung eingebaut werden. Dies ist nun oft, beispielsweise in der Verfahrens- und Reaktortechnik, wegen der hohen Druck- und/oder Temperaturbeanspruchung besonders bei großen Rohrquerschnitten sehr unerwünscht.
1)H.H. Daucher, F. Mesch, Geschwindigkeitsmessung mit Korrelationsverfahren, Beitrag B-608 IMEKO V, 25. Mai 1970, Versailles 2) R.L. Randall, P.J. Pekrul, G.R. Grayban, Development of Noise Analysis Techniques for Measuring Reactor Coolant Velocities, Atomic International, Rep. NAA-SR-III93 März 1966 3P.G. Bentley, D.G. Dawson, Fluid Flow Measurement by Transit Time Analysis of Temperature Fluctuatlons, Trans. Soc. of Instrument Technology, 1966, S. 183 Alle diese Nachteile werden durch die Erfindung vermieden. Das erfindungsgemäße Meßsystem ist dadurch gekennzeichnet, daß die beiden zu korrelierenden Signale aus der Durchstrahlung des bewegten Mediums mit Röntgen-, y~-, Neutronen- oder Beta-Strahlung erhalten werden. Beim erfindungsgemäßen Strömungs- und Geschwindigkeitsmeßsystem wird somit durch Messung der statistischen Schwankungen der Dichte und/oder der-Absorption des strömenden Mediums mittels Röntgen-,-, Neutronen- oder (3Strahlung an zwei Meßstellen entlang der Strömung die Laufzeit, die die Strömung zwischen den beiden Meßstellen benötigt, durch Korrelationsanalyse bestimmt. Mit Hilfe dieser Zeit und den Abstand beider Meßstellen wird dann die Strömungsgeschwindigkeit und bei bekanntem Strömungsquerschnitt die Menge des strömenden Mediums errechnet. Bei der korrelativen Strömungs- und Geschwindigkeitsmeßmethode werden somit erfindungsgemäß die beiden Signale durch die statistischen Schwankungen der Absorption oder der Schwächung von Röntgen-, -, Neutronen- oderflStrahlen beim Durchgang durch das zu messende Medium erhalten. Um einen möglichst großen Querschnitt des bewegten Mediums zu erfassen, können mehrere Strahlenmeßsysteme für jede der beiden Meßstellen vorgesehen werden.
Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Aus Figur 2 ist die zeitliche Signaischwankung der Detektoren und aus Figur 3 die Kreuzkorrelationsfunktion der Signale ersichtlich. In den Fig. 4 und 5 sind verschiedene Quellen- und Detektor anordnungen dargestellt.
In jedem strömenden Medium sind immer mehr oder weniger große, statistisch verteilte Inhomogenitäten der Dichte oder anderer die Strahlung beeinflussender Größen, wie beispielsweise Anteile oder Verunreinigungen mit großem Absorptionsvermögen für Neutronenstrahlung vorhanden. Diese Inhomogenitäten wandern im wesentlichen mit dem Medium mit und können daher zur Messung der Mediumsgeschwindigkeit herangezogen werden. Bei der in Figur 1 gezeigten Ausführung erfassen zwei #-Strahlungsmeßsysteme 1 und 2, bestehend aus den Strahlungsquellen 3 und 4 und den zugehörigen Strahlendetektoren 5 und 6, sowie den Abschirmungen 7, 8, 9 und 10 die statistischen Schwankungen der Strahlendurchlffissigkeit des Mediums. Figur 2 zeigt die zeitliche Signalschwankung f1(t) des Detektors 5. Nach der Laufzeit t1 zeigt der Detektor 6 dieselbe Schwankung f2(t), da die Strömungsteilchen in dieser Zeit den Abstand d zurtckgelegt haben. Die gesuchte Strömungsgeschwindigkeit ergibt sich dann aus d/t1. Die Zeit t1 wird auf bekannte Weise durch Bildung der Kreuzkorrelationsfunktion der Funktionen f1(t) und f2(t> erhalten. Die Kreuzkorrelationsfunktion i 12(z) von f1(t) und f2(t) hat nämlich an der Stelle # = t ein ausgeprägtes Maximum, wie aus Figur 3 ersichtlich ist. Die Bildung der Kreuzkorrelationsfunktion wird nach Verstärkung der Signale in den Verstärkern 11 und 12 mit einem bekannten, vorzugsweise elektronischen Kreuzkorrelator 13 vorgenommen. Die Ausgabe von l/t erfolgt an der Anzeigeeinrichtung 14.
Je nach der strahlenschwächenden Wirkung des strömenden Mediums werden Röntgen-, -, Neutronen- oder-Strahlen verwendet, um möglichst große Signalschwankungen zu erhalten.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen vor allem darin, daß keine Meßsonden in das strömungsfthrende Rohr eingebaut werden müssen, da die verwendeten Strahlenarten die Rohrwandung leicht durchdringen können und die Meßeinrichtung daher außen angebracht werden kann. Damit wird die nachteilige Wirkung derartiger Einbauten auf die Rohrfestigkeit, besonders bei Hochdruckrohren und großen Rohrdurchmessern, vermieden.
Auch die oft umständliche und aufwendige Bearbeitung der Rohrwandung entfällt. Zwei weitere Vorteile bestehen darin, daß die Meßsonden keiner Abnützung durch die Strömung unterliegen und daß sie jederzeit auch im Betrieb fftr Service und für Reparaturarbeiten frei zugänglich sind. Außerdem braucht zu ihrem Ein- und Ausbau der Strömungskreislauf nicht stillgelegt zu werden.
Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht auch noch darin, daß jede der beiden Meßstellen aus mehreren, eventuell auch direkt aneinanderliegenden Quellen-Detektoranordnungen 15 bis 20 nach den Figuren 4 und 5 aufgebaut werden kann, da keine Einbauten in das Rohr notwendig sind. Auf diese Weise läßt sich durch Parallelschaltung der Signale der einzelnen Detektoren ein Mittelwert über den Strömungsquerschnitt erhalten und nicht nur ein sehr örtlicher Wert, so daß die mittlere Strömungsgeschwindigkeit und nicht nur die eines örtlichen Strömungsfadens gemessen wird. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, daß je ein Signal der ersten Meßstelle mit einem Signal der zweiten Meßstelle korreliert wird und aus den so erhaltenen Werten für die Strömungsgeschwindigkeit der Mittelwert gebildet wird. Durch Anordnung entsprechend vieler Meßsonden am Rohrumfang oder bei freien Strömungen an geeigneten Stellen kann der ganze Strömungsquerschnitt erfaßt werden, wodurch bei großen Strömungsquerschnitten die Meßgenauigkeit bedeutend gesteigert werden kann.

Claims

Patentansprüche

1 Korrelatives Strömungs- und Geschwindigkeitsneßsystem, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden zu korrelierenden Signale aus der Durchstrahlung des bewegten Mediums iit Röntgen-, -, Neutronen- oderflStrahlung erhalten werden.
2. Meßsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede der beiden Meßstellen aus mehreren, nötigenfalls direkt aneinanderliegenden, Quellen-Detektor-Anordnungen besteht.
3. Meßsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektorsignale jeder Meßstelle parallel geschaltet sind und das so gewonnene mittlere Signal der einen Meßstelle mit dem der anderen Meßstelle korreliert wird.
4. Meßsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß je ein Detektorsignal der einen Meßstelle mit einem Detektorsignal der anderen Meßstelle korreliert wird und aus den erhaltenen Werten für die Mediumsgeschwindigkeit der Mittelwert gebildet wird.
5. Meßsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufzeit oder Mediumsgeschwindigkeit aus den Signalen mit Hilfe von vorzugsweise elektronischen Korrelatoren oder Rechnern errechnet wird.

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