DE2854577C2 - Verfahren und Einrichtung zur Messung der Temperatur in Brennkammern oder anderen gasgefüllten Kammern - Google Patents

Description

Die kontinuierliche Messung hoher Temperaturen in Brennkammern und Reaktoren, deren Atmosphäre aggressiv ist oder einen hohen Feststoffanteil besitzt, bereitet bei Verwendung herkömmlicher Meßverfahren mit Thermoelementen oder optischen Geräten zum Teil unüberwindliche Schwierigkeiten. Die wesentlichen Ursachen sind bei Thermoelementen Korrosion und Verschmutzung und bei optischen Geräten Verschmutzung, Wolken von Feststoffteilchen oder undurchsichtiger flüssiger Tröpfchen und die direkte Einstrahlung von Flammen. Die Folgen sind kurze Standzeiten der Primärgeber und wenig aussagefähige Meßwerte.

Es ist auch ein Verfahren bekannt, nach dem die Gastemperatur mit Hilfe der akustischen Eigenschaften des Inneren kleiner, kammerförmiger Sonden bestimmt werden soll, die in den zu untersuchenden Raum eingebracht werden. Man geht davon aus, daß das Innere der Sonden die Temperatur des sie umgebenden Gases annimmt und mißt die Innentemperatur der Sonde, indem man ihre Gasfüllung mit einem lautsprecherähnlichen Schallsender zu ihrer Eigenschwingung anregt, die Eigenschwingung mit einem Schalldruckaufnehmer erfaßt, aus ihrer Frequenz auf die Temperatur in der Sonde und daraus auf die Temperatur im zu untersuchenden Raum schließt Auch dieses akustische Verfahren hat den Nachteil der Schmutz- und Hitzeempfindlichkeit der für ihre Realisierung benötigten Geräte.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, für die kontinuierliche Betriebsüberwachung von Brennkammern, z. B. in Verkokungsöfen, oder von Reaktoren, z. B. in Kohlevergasungsanlagen, ein Tempera'ur-Meßverfahren zu schaffen, das frei von den oben beschriebenen Nachteilen ist.

Erfindungsgemäß wird hierzu vorgeschlagen, daß die Temperatur im Kammerinneren aus der Form des in der Kammer durch Flammen- und Strömungsrauschen er-

i> zeugten breitbandigen Schalldruckspektrums bestimmt wird, indem der Schalldruck in der Kammer mit dem Schalldruckaufnehmer erfaßt wird und aus den Maxima des Schalldruckspektrums die Frequenzen einer oder mehrerer Eigenschwingungen des Kammerinnenraumes ermittelt werden, die als Maß für die mittlere Temperatur im Kammerinneren benutzt werden.

Die Erfindung verzichtet also auf die Verwendung sowohl des Schallsenders als auch der Sonde, sondern benutzt zur Bestimmung der Gastemperatur in der Brennkammer die akustischen Eigenschaften des Inneren eben dieser Kammer. Die akustische Anregung der Kammer erfolgt durch das breitbandigv Rauschen von Strömung und Flamme. Als Maß für die mittlere Gastemperatur im Kammerinneren dient der spektrale Verlauf des Schalldruckes in der Kammer: Aus der Lage der Maxima des Spektrums werden die Eigenfrequenzen der Kammer und daraus die mittlere Gastemperatur in der Kammer bestimmt

Die Erfindung sieht ferner vor, daß eine oder mehrere Eigenfrequenzen des Kammerinneren mit jeweils zwei gegeneinander verstimmten elektrischen Filtern gemessen werden, deren Durehlaßfrequenzen zu beiden Seiten der jeweiligen Eigenfrequenzen liegen, und deren Ausgangssignal in einer Rechenschaitung zu einem temperatur-abhängigen Signal weiterverarbeitet werden.

Schließlich kann durch Einbeziehung einer zusätzlichen Bestimmung der Kammer-Innentemperatur in die Signalverarbeitung auch ein Endsignal erzeugt werden, das ein Maß für die mittlere Normdichte oder für die mittlere Molmasse des Gases im Kammerinncren darstellt

Das Gasvolumen im Innenraum einer Brennkammer oder eines Reaktors stellt — ähnlich der Luftsäule in einer Orgelpfeife — sin schwingungsfähiges System dar, das bestimmte akustische Eigenschwingungen mil den zugehörigen diskreten Eigenfrequenzen besitzt. Diese Eigenfrequenzen werden im wesentlichen bestimmt durch die geometrischen Abmessungen Z.,des Innenraumes und durch die Schallgeschwindigkeit in dem Gas, das den Innenraum ausfüllt. Wegen der Abhängigkeit der Schallgeschwindigkeit von der Temperatur T des Gases besteht zwischen den Eigenfrequenzen // und der Temperatur der Zusammenhang

in dem p„ die Normdichte des Gases bedeutet und i einen Index darstellt, der die Zuordnung zwischen Grundeigenfrequenz und zugehöriger geometrischer Abmessung L, kennzeichnet.

Wird ein solches System mit breitbandigcm akustischen Rauschen angeregt, wie es in der Praxis durch

Strömungs- und Fiammenrauschen geschieht, so werden die spektralen Rauschanteile, die in der Nähe der Eigenfrequenzen liegen, durch Resonanzüberhöhung aus dem übrigen Rauschspektrum hervorgehoben. Die Folge davon ist, daß im Spektrum des Schalldruckes im Inneren von Brennkammern deutliche Maxima bei den Eigenfrequenzen des Innenraumes zu beobachten sind. Aus dem Schalldruckspektrum einer Brennkammer oder eines Reaktors lassen sich also einige ihrer Eigenfrequenzen und damit — bei bekannter Normd'chte des Gases — nach der oben angegebenen Beziehung die mittlere Temperatur im Innenraum bestimmen.

Die Erfindung schlägt ferner eine Einrichtung zur Durchführung des vorbeschriebenen Verfahrens vor, die dadurch gekennzeichnet ist daß an die Kammer ein Druckgeber mit zugehörigem Verstärker angeschlossen ist. dem ein Diskriminator mit Anzeiger und/oder Schreiber nachgeschaltet ist

Eine Ausführungsform einer solchen Einrichtung ist in der Zeichnung dargestellt

Die Meßeinrichtung besteht aus dem Druckgeber 1 zur Erfassung des Schaüdruckes im Reaktor mit dem zugehörigen elektrischen Verstärker 2, zwei gegeneinander verstimmten Filtern 3 und 4, die nach Art des aus der Nachrichtentechnik bekannten Differenzdiskriminators zur Bestimmung der Frequenz des spektralen Schalldruckmaximums dienen sowie den zugehörigen Gleichrichtern 5 und 6, dem nachgeschalteten Dividiergerät 7, das aus den beiden Ausgangssignalen der Gleichrichter ein temperaturanaloges Signal bildet und dem Logarithmiergerät 8, das zur Linearisierung dieses Signals dient, das dann auf einem Anzeige- oder Schreibgerät 9 sichtbar gemacht wird. Der Druckgeber ist über eine schallabsorbierende Sonde 10 mit dem Reaktorinnenraum 11 verbunden, die mit bei 12 zugeführtem Stickstoff gespült wird.

Die Eignung des erfindungsgemäßen Meßverfahrens für die Praxis wurde durch einen Versuch an einem Kohlevergasungsreaktor industriellen Maßstabs überprüft, an einem Reaktortyp, bei dem die Dauerüberwachung der Ihnentemperatur mit herkömmlichen Verfahren wegen des hohen Kohlenstaubanteils und der aggressiven Eigenschaften der flüssigen Schlacke größte Schwierigkeiten bereitet.

Bei dieser Überprüfung zeigte eine Meßeinrichtung nach dem oben beschriebenen Prinzip bei Verwendung von Terzbandfiltern, wie sie in der akustischen Meßtechnik gebräuchlich sind, eine Temperaturempfindlichkeit von etwa 6 dB pro 100 K bei einer absoluten Temperatur von etwa 1 650 K. Auf Störungen des Reaktorbetriebes reagierte die Hrnrichtung mit Ansprechzeiten von weniger als 15 Sekunden und Einstellzeiten von etwa 1 Minute.

Die Erprobung zeigte neben dem guten Wert für die Empfindlichkeit und der geringen Verzögerung, mit der die Einrichtung auf Betriebsstörungen reagierte, noch folgende Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens:

Die zugehörige Meßeinrichtung läßt sich aus preisgünstigen, handelsüblichen Geräten zusammenstellen.

Der Primärgeber kann auf einfache Art so mit dem Innenraum verbunden werden, daß er weder thermisch noch durch aggressive Medien im Innenraum beansprucht wird. Als Schutz gegen Verschmutzung reicht ei;ie Spülung mit geringem Stickstoffstrom aus.
Das Ausgangssigna'. der Meßeinrichtung ist ein Maß für das räumliche Mittel der Temperatur im Reaktor und wird durch die Wärmestrahlung von Flammen und durch Strahlungsabsorption von Schwebstoffen im Reaktor nicht beeinflußt

Wegen dieser Vorteile ist das erfindungsgernäße Verfahren bevorzugt geeignet für die Temperaturmessung in gasdurchströmten Kammern hoher Innentemperatur und aggressiver oder stark verschmutzter Atmosphäre wie:

industrielle Brennkammern und Feuerungsräume,
Heizzüge von Verkokungsöfen,
Kohlevergasungsreaktoren.

In Anlagen mit zahlreichen Temperaturmeßstellen, z. B. für die Heizzüge einer Koksofenbatterie, ist der Einsatz der preisgünstigen Primärgeber besonders vorteilhaft, da die weitere Signalverarbeitung über ein Multiplex-Verfahren erfolgen kann.

Die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist jedoch nicht allein auf die Temperaturmessung beschränkt, vielmehr kann es wegen der Abhängigkeit der Schallgeschwindigkeit von der Normdichte des Gases im Reaktor auch zur Bestimmung der mittleren Mormdichte oder der mittleren Molmasse des Reaktorinhalts angewendet werden, wenn die mittlere Reaktortemperatur mit herkömmlichen Methoden meßbar ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Messung der räumlich gemittelten Temperatur im Inneren von Brennkammern oder anderen gasgefüllten Kammern oder Hohlräumen auf dem Wege über die temperaturabhängigen akustischen Eigenschaften des Kammerinneren mit einem Schalldruckaufnehmer, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur im Kammerinneren aus der Form des in der Kammer durch Flammen- und Strömungsrauschen erzeugten breitbandigen Schalldruckspektrums bestimmt wird, indem der Schalldruck in der Kammer mit dem Schalldruckaufnehmer erfaßt wird und aus den Maxima des Schalldruckspektrums die Frequenzen einer oder mehrerer Eigenschwingungen des Kammerinnenraumes ermittelt werden, die als Maß für die mittlere Temperatur im Kammerinneren benutzt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder mehrere der Eigenfrequenzen des Kammerinneren mit jeweils zwei gegeneinander verstimmten elektrischen Filtern gemessen werdenderen Durchlaßfrequenzen zu beiden Seiten der jeweiligen Eigenfrequenz liegen, und deren Ausgangssignale in einer Rechenschaltung zu einem temperaturanalogen Signal weiterverarbeitet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch Einbeziehung einer zusätzlichen Bestürmung der Kammerinnentemperatur in die Signalverarbeitung ein EMsignal erzeugt wird, das ein Maß für die mittlere Normdichte oder für die mittlere Molmasse des Gases -^:m Kammerinneren darstellt.

4. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 —3, dadurch gekennzeichnet, daß an die Kammer (11) ein Schalldruckaufnehmer (1) mit zugehörigem Verstärker (2) angeschlossen ist, dem ein Diskriminator mit Anzeiger und/oder Schreiber (9) nachgeschaltet ist.