DE2618064B2

DE2618064B2 - Verfahren zum Bestimmen des Massenstroms stationärer oder instationärer Mehrkomponenten-Zweiphasenströmungen

Info

Publication number: DE2618064B2
Application number: DE19762618064
Authority: DE
Inventors: Dieter Prof. Dr.-Ing. 7500 Karlsruhe Barschdorff
Original assignee: Kernforschungszentrum Karlsruhe GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Priority date: 1976-04-24
Filing date: 1976-04-24
Publication date: 1979-03-22
Also published as: FR2349131A1; NL7704065A; DE2618064C3; DE2618064A1; FR2349131B1

Description

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 Anspruch 2 wird gezeigt, wie ein etwaiger Schlupf zwischen zwei Phasen ermittelt und hieraus ein Massenstromunterschied festgestellt werden kann.

Eine VorriL-htung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie deren Funktionsweise wird im folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert

Die F i g. 1 zeigt schematisch einen Ausschnitt aus einem Strömungskanal mit zwei Meßebenen und einer Einspritzvorrichtung für ein Referenzgas, '⁵

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

die F i g. 3 zeigt ein Spektrum für Wasserdampf/Luft/ Wassertröpfchen,

die F i g. 4 zeigt ein Korrelationsdiagramm aus beiden Meßebenen für eine Zweiphasen-Nebelströmung.

Durch den Kanal 1 strömt in Pfeilnchtung 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 Meßebene A, B mit Fenstern 5 ausgestattet, durch die das IR-Licht hindurchdringen kann. Um ein Beschlagen ⁾⁰ 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, Si, S₃, S₄ zur Teilstrahlablenkung, Schmalbandinterferenz-Filtern Fi, F₂, F₃ und Fa und Strahlungsempfängern Fi, P₂, P₃ und F₄ mit nachgeschalteter elektronischer Meßwertverarbeitung (nicht dargestellt). Die Strahlmodulation durch den Chopper 8 erfolgt nur zur Vermeidung von Nullpunktsdriften in den Strahlungsempfängern bzw. den nachgeschalteten elektronischen Verstärkern. Sie hat nicht die Funktion der üblichen Zeitmultiplexverfahren, bei denen Meß- und Referenzstrahlen zeitlich nacheinander ^4<i erfaßt werden. Die Filter habsn unterschiedliche Durchlaßwellenlängen: Das Filter Fi hat eine Durchlaßwellenlänge Ai, die außerhalb der Absorptionsbanden der zu erfassenden strömenden Medien liegt (Referenzfilter);

das Filter F₂ hat eine Durchlaßwellenlänge A₂, die dem Hauptmaximum einer Dampfabsorptionsbande einspricht;

das Filter F₃ hat eine Durchlaßwellenlänge A3, die auf der Flanke einer Wasserabsorptionslinie nahe dem Hauptmaximum liegt;

das Filter F* hat eine Durchlaßwellenlänge A₄, die dem Hauptmaximum einer Absorptionsbande des Impfgases, z. B. CO₂, 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 F i g. 3 zeigt den zeitlichen Verlauf der Teilstrahlintensitäten / in der Ebene A für Ai (Referenzstrahl), A₂ (Meßstrahl für Heißdampf D), Ai-A₂ und X_3A (Meßstrahl für Wassertröpfchen), wenn der Kanal zunächst mit Luft L und sodann mit einem Heißdampf/Tröpfchengemisch von 2 to/h bei einem Druck von 1,5 bar und einer Temperatur von 160⁰C durchström. wird.

Zur Bestimmung der Geschwindigkeit (ohne Berücksichtigung des Massenschlupfes) wird in der Meßebene B zusätzlich der zeitliche Verlauf f der Strahlintensität / für K₃B aufgenommen und zusammen mit ).₃a als Zeitfu.iktion aufgetragen (F i g. 4).

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

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. CO₂ periodisch eingeblasen und der zeitliche Verkauf der Intensitäten bei A_4/t undA₄Bregistriert,(auch statistisches Impfen und wiederum Bilden der Kreuzkorrelation zur Laufzeitbestimmung ist möglich). Das Vergleichsgas strömt nach kurzer Anlaufstrecke mit der Gasgeschwindigkeit. Beim Durchfliegen der Strahlengärge 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.

Hierzu 3 13IaIl Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Bestimmen des Massenstroms stationärer oder instationärer Mehrkomponenten-Zweiphasenströmungen in einem Strömungskanal durch gleichzeitiges Messen der Konzentration und der zugehörigen Laufzeiten der einzelnen Strömungen an den Enden einer vorgegebenen Kanal-Laufstrecke mittels infraroter, von den Strömungen absorbierbarer Strahlimpulse, die die Strömungen an zwei zueinander parallelen, die Laufstrecke bestimmenden Querschnittsebenen durchdringen, wobei die Laufzeit der Gasphase durch Impfen mit einem Testgas ermittelt wird, dessen IR-Absorptionswellenlänge außerhalb der IR-Absorptionswellenlängen der Mehrkomponenten-Gas-FIüssigkeitsströmungen liegt, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Strahlimpuls nach dem Durchdringen der Gas-Flüssigkeitsströmungen gleichzeitig in mehrere Meßstrahlen und einen Referenzstrahl zerlegt wird, daß die Meßstrahlen und der Referenzstrahi über Interferenzfilter je einem Strahlungsempfänger zugeführt werden, wobei für das Interferenzfilter (F\) für den Referenzstrahl eine Durchlaßwelienlänge (Ai) gewählt wird, die außerhalb der IR-Absorptionswellenlängen der zu messenden Medien liegt, daß zur Ermittlung der Konzentration der gas- bzw. dampfförmigen Phase ein erster Meßstrahl durch ein dem Gas bzw. Dampf entsprechendes Absorptionsfilter (F₂) geführt wird, daß zur Ermittlung der Konzentration der flüssigen Phase (Ne'; ^Itröpfchen) ein zweiter Meßstrahl durch ein der flüssigen Phase entsprechendes Absorptionsfilter (Fi) geführt wird, worauf die so erhaltenen elektrischen Signale wciterv-rarbeitet und in die gewünschten physikalischen Werte umgewandelt werden, und daß zur Ermittlung der Laufzeit der flüssigen Phase die von dem zweiten Meßstrahl in der einen Querschnittsebene stammenden statistisch schwankenden Signale (X_3A) und die von dem entsprechenden zweiten Meßstrahl in der hierzu parallelen anderen Querschnittsebene stammenden, ebenfalls statistisch schwankenden Signale (λζΒ, in Abhängigkeit von der Zeit in an sich bekannter Weise aufgezeichnet und der zeitliche Abstand einander zugeordneter Maxima (Kreuzkorrelation) bestimmt wird.

2. Verfahren zum Bestimmen des Schlupfes zwischen der gasförmigen und der flüssigen Phase nach dem Anspruch 1, 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.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen des Massenstroms stationärer oder instationärer Mehrkornponenten-Zweiphasenströmungen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

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 34 35 209 und 37 40 144 beschrieben.

Aus »Instruments and Controlsystems«, Vol. 39, June

1966, S. 161-163 ist weiterhin ein Verfahren zum Bestimmen der Strömungsmenge eines Gases durch Messen der Laufzeit entlang einer gegebenen Laufstrecke bekannt, wobei das Gas in zwei zueinander parallelen Querschnittsebenen von infraroten Strahlimpulsen durchdrungen wird, die nach deren Verlassen je einem Strahlungsempfänger zugeführt werden und bei dem zur Ermittlung der Laufzeit das Gas oberhalb der Querschnittsebenen mit einem Vergleichsg^s geimpft wird, dessen IR-Absorptionsbande außerhalb der des Gases liegt. Die durch das Impfen verursachte zeitlich verzögerten Impulse bzw. deren Laufzeit zwischen den beiden zugehörigen Strahlengängen werden gemessen.

Es ist auch schon bekannt, statistische Schwankungen einer physikalischen Größe in einer Strömung, z. B. der Konzentration, durch optische Geber an zwei hintereinander liegenden Stellen zu bestimmen und mittels der Kreuzkorrelation die Strömungsgeschwindigkeit zu ermitteln (Regelungstechnik, Bd. 23, Heft 9, 1975, S. 299-304 und Optoelectronics 4 (1972), S. 451 -462).

Bei dem aus der US-PS 35 95 078 bekannten Verfahren wird die Strömungsgeschwindigkeit mittels Korrelation und die Konzentration aus einer Absorptionsmessung bestimmt zur Ermittlung des Massenstromes. Die Massenbestimmung als solche ist somit bekannt

Bei dem in der US-PS 34 25 209 dargestellten Analysengerät wird der IR-Strahl nach dem Durchdringen der zu analysierenden Probe in einen Meßstrahl und in einen Referenzstrahl zerlegt Meßstrahl und Referenzstrahl gelangen über Schmalband-Interferenz-Filter unterschiedlicher Absorptionswellenlänge zu einem Fotodetektor. Zwischen die Filter und den Detektor ist eine rotierende Chopperscheibe geschaltet, wodurch Meß- und Referenzimpulse zeitlich 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. 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 Referenzstrahl bei strömenden Medien Fehler auf.

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

Die Lösung dieser Aufgabe ist im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 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 Konzentratjonsbestimmung, lediglich um einen weiteren Teilstrahlabzweig 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