DE2618064A1

DE2618064A1 - Verfahren zum bestimmen des massenstroms stationaerer oder instationaerer ein- oder zweiphasenstroemungen

Info

Publication number: DE2618064A1
Application number: DE19762618064
Authority: DE
Inventors: Dieter Prof Dr Ing Barschdorff
Original assignee: Gesellschaft fuer Kernforschung mbH
Current assignee: Gesellschaft fuer Kernforschung mbH
Priority date: 1976-04-24
Filing date: 1976-04-24
Publication date: 1977-11-03
Also published as: FR2349131A1; FR2349131B1; NL7704065A; DE2618064B2; DE2618064C3

Description

GESELLSCHAFT FÜR "J Karlsruhe, den l5 . 4. 1976 26 1 806 A KERNFORSCHUNGMBH PLA 7610 Gb/jd

Verfahren zum Bestimmen des Massenstroms stationärer oder instationärer Ein- oder Zweiphasenströmungen.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen des Massenstroirs stationärer oder instationärer Ein- oder Zweiphasenströmungen in einem Strömungskanal durch Messen der Konzentration und der zugehörigen Laufzeit entlang einer vorgegebenen Lauf strecke nach der Infrarot-Absorptionsmethode.

Die Infrarot-Absorptionsmethode hat gegenüber mechanischen Meßverfahren den Vorteil, daß die zu untersuchenden Medien weder berührt noch durch die Messung beeinflußt werden. Ihr Prinzip ist u. a. in den US-PS 3, 435, ?09 und 3, 740, 144 beschrieben. Bei dem in der US-PS 3,425, 209 dargestellten Analysengerät wird der IR-Stahl nach dem Durchdringen der zu analysierenden Probe in einen Meßstrahl und in einen Referenz strahl zerlegt. Meßstrahl und Referenz strahl gelangen über Schmalband-Interferenz-Filter unterschiedlicher Absorptionswellenlänge zu einem Photodetektor. Zwischen die Filter und den Detektor

ist eine rotierende Chopper scheibe geschaltet, wodurch Meß- und Referenz-Impulse zeltlich nacheinander auf den Detektor auftreffen. Die von dem Detektor erzeugten elektrischen Signale wirken über einen Verstärker und einen Servomechanismus auf ein optisches Graufilter, das einen der Strahlengänge solange abschwächt, bis gleiche Intensität erreicht ist. Mit dem Servoantrieb Ist mechanisch ein Schreibstift verbunden. Dieses Gerät eignet sich nicht zur Messung von Massenströmen, da durch das mechanische Abgleichsystem nur quasistationäre Vorgänge erfaßt werden. Außerdem treten bereits durch das zeitliche Hintereinander von Meß- und Referenz strahl bei strömenden Medien Fehler auf.

Der Erfindung liegt dte Aufgabe zugrunde, kontinuierlich und berührungslos Massenströme von stationären oder instationären Ein- oder Zweiphasenströmungen zu bestimmen. Dabei soll eine sehr kurze Ansprechzelt, hohe Genauigkeit und -bei Zweiphasenströmungen- die getrennte, gleichzeitige Erfassung der Phasen ermöglicht werden.

Die Lösung dieser Aufgabe ist In den Ansprüchen 1 und 2, die auf demselben Lösungsprinzip beruhen, angegeben. Durch das gleichzeitige Erfassen des Meßstrahls und des Referenzstrahls werden Meßfehler Infolge strömungsbedingter Konzentrationsänderungen vermieden. Die Impfmethode zur Laufzeitbestimmung der Gasphase hat gegenüber der Isotopentracer-Technik den Vorteil, daß dieselbe Apparatur wie die zur Konzentrationsbestimmung, lediglich um einen weiteren Teilstrahlabzwelg mit entsprechendem Filter und Detektor erweitert, benutzt und die Verwendung radioaktiver Stoffe und der hierfür erforderliche Aufwand vermieden werden kann. Bei der Geschwindigkeitsmessung der flüssigen Phase wird von der Eigenschaft Gebrauch gemacht, daß die In der Zweiphasenströmung vorhandenen Nebeltröpfchen quasi "strömende Wolken" bilden; d.h. beim Durchqueren derartiger Wolken durch die beiden Meßebenen ändern sich die Konzentrationen in beiden Ebenen gleichartig und nacheinander In charakteristischer Weise und können somit einander zugeordnet werden (Kreuzkorrelation). In An-

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Spruch 3 wird gezeigt, wie ein etwaiger Schlupf zwischen zwei Phasen ermittelt und hieraus ein Mas senstromunter schied festgestellt werden kann.

Eine Vorrichtung zur Durchführung der erfindungsgemäßen Verfahren sowie deren Funktionsweise wird im folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert:

Die Figur 1 zeigt schematisch einen Ausschnitt aus einem Strömungskanal mit zwei Meßebenen und einer Einspritzvorrichtung für ein Referenzgas,

die Figur 2 zeigt einen Querschnitt durch eine Meßebene mit der IR-Apparatur,

die Figur 3 zeigt ein Spektrum für Wasserdampf/Luft/Wassertröpfchen,

die Figur 4 zeigt ein Korrelationsdiagramm aus beiden Meßebenen für eine Zweiphasen-Nebelströmung.

Durch den Kanal 1 strömt in Pfeilrichtung ein Gasgemisch, z.B. Heißdampf und Luft, das dabei die beiden Meßebenen A und B durchquert. Oberhalb der beiden Meßebenen ragt in den Kanal ein Einspritzröhrchen 2, das über ein Magnetventil 3 mit einem Vorratsgefäß 4 zur Aufnahme eines Referenzgases verbunden ist. Außerdem ist der Kanal auf Höhe der Meßebenen A, B mit Fenstern 5 ausgestattet, durch die das IR-Licht hindurchdringen kann. Um ein Beschlagen der Fenster 5 zu vermeiden, können diese zusätzlich mit einem erhitzten Gas umspült werden.

Jede Meßebene ist mit einer gleichartigen IR-Apparatur ausgestattet. Sie besteht im wesentlichen aus einer Lichtquelle 6, mehreren Sammellinsen 7, einem Chopper 8, mehreren halbdurchlässigen Spiegeln S , S , S . zur

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Teilstrahlablenkung, Schmalbandinterferenz-Filtern F , F , F und F

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und Strahlungsempfängern P , P , P und P mit nachgeschalteter elekironischer Meßwertverarbeitung (nicht dargestellt). Die Strahlmodulation durch den Chopper 8 erfolgt nur zur Vermeidung von Nullpunktsdriften in

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den Strahlungsempfängern bzw. den nachgeschalteten elektronischen Verstärkern. Sie hat nicht die Funktion der üblichen Zeitmultiplexverfahren, bei denen Meß- und Referenzstrahlen zeitlich nacheinander erfaßt werden. Die Filter haben unterschiedliche Durchlaßwellenlängen: Das Filter F hat eine Durchlaßwellenlängen Λ , die außerhalb der Absorptionsbanden der zu erfassenden strömenden Medien liegt (Referenzfilter); das Filter F hat eine Durchlaßwellenlänge Λ , die dem Hauptmaximum einer Dampfabsorptionsbande entspricht;

das Filter F hat eine Durchlaßwellenlänge Λ , die auf der Flanke einer Wasserabsorptionslinie nahe dem Hauptmaximum liegt;

das Filter F hat eine Durchlaßwellenlänge J\ , die dem Hauptmaximum einer Absorptionsbande des Impfgases, z. B. CO , entspricht.

Bei den Versuchsdurchführungen mit einem Luft/Heißdampf/Wassergemisch wurde ein Kanal mit 150 mm Durchmesser verwendet; der Abstand der beiden Meßebenen A und B betrug 500 mm.

Die Figur 3 zeigt den zeitlichen Verlauf der Teilstrahlintensitäten I in der

Ebene A für A (Referenzstrahl), A, (Meßstrahl für Heißdampf D)A₁ -A₉ 1 c, ic.

und λ (Meßstrahl für Wassertröpfchen), wenn der Kanal zunächst mit Luft L und sodann mit einem Heißdampf/Tröpfchengemisch von 2 t/h bei einem Druck von 1, 5 bar und einer Temperatur von 160 C durchströmt wird.

Zur Bestimmung der Geschwindigkeit (ohne Berücksichtigung des Massenschlupfes) wird in der Meßebene B zusätzlich der zeitliche Verlauf t der

Strahlintensität I für A aufgenommen und zusammen mit A, _Ä als Zeit-SB jA

funktion aufgetragen (Figur 4).

Durch Bilden der Kreuzkorrelationsfunktion der durch die .in der Zweiphasenströmung enthaltenen Wassertröpfchen statistisch beeinflußten Zeitfunktionen ergibt sich die Laufzeit L und damit bei bekanntem Abstand 1 der beiden Meßebenen die Geschwindigkeit ν = l/T der flüssigen Phase.

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Um die Geschwindigkeit der Gasphase gleichzeitig und unabhängig zu messen - bei derartigen Strömungen kann sie erheblich höher liegen als die der flüssigen Phase -, wird durch das Röhrchen 2 mit Hilfe eines Magnetventils eine geringe Menge eines bei anderer Wellenlänge absorbierenden Vergleichsgases, z.B. CO periodisch eingeblasen und der zeitliche Verlauf der Intensitäten bei /\ . . und J\ „ registriert.

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(Auch statistisches Impfen und wiederum Bilden der Kreuzkorrelation zur Laufze.itbeStimmung ist möglich). Das Vergleichsgas strömt nach kurzer Anlaufstrecke mit der Gasgeschwindigkeit. Beim Durchfliegen der Strahlengänge werden Impulse erzeugt, aus deren zeitlichem Abstand die Laufzeit bestimmt wird. Zur Bestimmung des Luftanteils werden die vorgenannten Messungen um eine Gesamtdruckmessung und eine Temperaturmessung ergänzt.

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Claims

Karlsruhe, den 15.4.1976 PLA 7610 Gb/jd

Patentansprüche: 2 fi 1 P Π R A

⁽ 1. !Verfahren zum Bestimmen des Massenstromes eines Gases in einem Strömungskanal durch Messen der Gaskonzentration und der zugehörigen Laufzeit entlang einer vorgegebenen Kanal-Laufstrecke, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas in zwei zueinander parallelen, die Laufstrecke bestimmenden Querschnittsebenen von infraroten Strahlimpulsen durchdrungen wird, die nach, deren Verlassen gleichzeitig in Meßstrahlen und Referenz strahlen zerlegt und über Interferenzfilter je einem Strahlungsempfänger zugeführt werden, worauf die so erhaltenen elektrischen Signale weiterverarbeitet und in die gewünschten physikalischen Werte umgewandelt werden, daß zur Ermittlung der Gaskonzentration einer der Meßstrahlen durch ein dem Gas entsprechendes Absorptionsfilter geführt und die Differenz zwischen Meß- und Referenzsignal gebildet wira und daß zur Ermittlung der Laufzeit das Gas oberhalb der Querschnittsebenen periodisch mit einem Vergleichsgas geimpft wird, dessen IR-Absorptionsbande außerhalb der des Gases liegt, und je ein weiterer Meßstrahl der beiden Ebenen über dem Vergleichsgas entsprechende Absorptionsfilter geführt wird, wobei die durch das Impfen verursachte zeitlich verzögerten Impulse bzw. deren Laufzeit zwischen den beiden zugehörigen Strahlengängen gemessen wird.
2. Verfahren zum Bestimmen des Massenstroms stationärer oder instationärer Mehrkomponenten-Zweiphasenströmungen in einem Strömungskanal durch Messen der Konzentrationen und der zugehörigen Laufzeit entlang einer vorgegebenen Kanal-Laufstrecke, dadurch gekennzeichnet, daß die strömenden Komponenten in zwei zueinander parallelen, die Laufstrecke bestimmenden Querschnittsebenen von infraroten Strahlimpulsen durchdrungen werden, die nach deren Verlassen gleichzeitig in Meßstrahlen und Referenz strahlen zerlegt und über Interferenzfilter je einem Strahlungsempfänger zugeführt werden, worauf die so erhaltenen

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elektrischen Signale weiterverarbeitet und in die gewünschten physikalischen Werte umgewandelt werden, daß zur Ermittlung der gas- bzw. dampfförmigen Phasen einer der Meßstrahlen durch ein dem Gas- bzw. Dampf entsprechendes Absorptionsfilter geführt und die Differenz zwischen Meß- und Referenzsignal gebildet wird, daß zur Ermittlung der flüssigen Phase (Nebeltröpfchen) ein zweiter Meßstrahl durch ein der flüssigen Phase entsprechendes Absorptionsfilter geführt und ebenfalls die Differenz zwischen dem so erhaltenen Meß- und dem Referenzsignal gebildet wird, wobei die jeweils auftretenden Streuanteile durch Quotientenbildung zwischen Meß- und Referenz Strahlintensität eliminiert werden, und daß zur Ermittlung der Laufzeit der flüssigen Phase die von dem zweiten Meß strahl stammenden statistisch schwankenden Signale und die von einem dritten in der hierzu parallelen Ebene stammenden ebenfalls statistisch schwankenden Signale in Abhängigkeit von der Zeit aufgezeichnet und der zeitliche Abstand einander zugeordneter Maxima (Kreuzkorrelation) bestimmt wird, und die Geschwindigkeit der Gasphase durch Impfen mit einem absorbierenden Testgas sowie Messen der Laufzeit ermittelt wird.
3. Verfahren zum Bestimmen des Schlupfes zwischen der gasförmigen und der flüssigen Phase nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der sich aus der Kreuzkorrelation ergebende Massenstrom, der flüssigen Phase mit dem sich aus der Impfmethode ergebenden Massenstrom der gasförmigen Phase verglichen wird.

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