DE3031678C2

DE3031678C2 - Verfahren zur Messung der Änderung einer thermischen Zustandsgröße von Fluiden

Info

Publication number: DE3031678C2
Application number: DE3031678A
Authority: DE
Inventors: Alfred Dipl.-Phys. Dr. 8000 München Hirt
Original assignee: MAN Maschinenfabrik Augsburg Nuernberg AG
Current assignee: MAN AG
Priority date: 1980-08-22
Filing date: 1980-08-22
Publication date: 1984-12-06
Also published as: FR2488991A1; IT8149136A0; DE3031678A1

Abstract

Kontaktelektroden-Anordnung für Lichtbogen- oder Widerstandsschmelzöfen, mit einer außerhalb der Ofenmauerung angeordneten Basisplatte, mit der die Hälse mehrere Elektroden leitend verbunden sind, wobei der übrige Teil der Elektroden in die Ofenausmauerung hineinragt und mit der in dem Ofenherd befindlichem Schmelze Kontakt hat. Die Basisplatte (6) ist unterhalb des Ofenbodens (4) in Abstand angebracht. Zwischen Basisplatte und Ofenboden ist damit ein Zwischenraum (7) geschaffen, in dem ein die Elektrodenhälse (8), die Ofen-Außenseite und die Basisplatte (6) kühlendes Fluid, insbesondere Luft, fließen kann.

Description

1/

Kp

ίο und unter Anwendung der in weiten Grenzen für Gase gültigen Formel für die Dichte

15 abgeleitet:

P 273

' Pn 2KKPp_n

T.

20

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Messung von thermischen Zustandsgrößen von Fluiden, nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Unter thermischen Zustandsgrößen sind die von der Wärmeenergie des Fluids abhängenden Zustandsgrößen zu verstehen, wie z. B. die Temperatur, die Enthalpie.

Zur Messung von derartigen Größen dieiien im allgemeinen aus Dehnelementen oder Dehnstoffen bestehende Meßsonden, wie Temperaturfühler, die mit dem zu messenden Gegenstand oder Medium in Kontakt gebracht werden. Für Messungen mit höherer Genauigkeit werden an einem elektrischen Stromkreis angeschlossene Dehnmeßstreifen verwendet, bei denen der durch den Fühler fließende Strom als eine von der Temperatur abhängigen Größe gemessen und ausgewertet wird. Derartige Meßfühler eignen sich aber nicht allgemein für Messungen in Medien mit hohen Temperaturen. In solchen Fällen würde eine entsprechend hohe Temperatur über die Anschlüsse des Meßfühlers auf das Meßwerk geleitet werden, was insbesondere bei elektronischen Meßwerken zur raschen Zerstörung deren Bauelemente führen kann. Um eine Erwärmung des Meßwerks zu vermeiden, müssen Maßnahmen getroffen werden, die für eine Ableitung der Wärmeenergie aus den Meßfühlerzuführungen sorgen, wodurch ein fertigtechnischer Mehraufwand erforderlich ist.

Aus der GB-PS 13 00 159 ist ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 bekannt, bei dem durch Messung der Laufzeit der Schallwellen die Tem- (3) peratur einer energetisch homogenen Flüssigkeit bestimmt wird. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit einer Schallwelle in einem flüssigen oder gasförmigen Medium ändert sich bei annähernd konstantem Druck mit der Fluidtemperatur. Für Flüssigkeiten läßt sich die Ab-Dabei ist T die Gastemperatur, gemessen in Grad Kelvin, K die adiabatische Kompressibilität und P der Gasdruck. Der Index η steht für Normalbedingungen: 273° K und Ib.

Durch Messung der Laufzeit des Schallimpulses einer vorbestimmten Laufstrecke erhält man dann über die damit berechnete Schallgeschwindigkeit und anhand der für das entsprechende Fluid erstellten Eichkurve bzw. der entsprechenden Funktion c=f{T)den Wert der Fluidtemperatur.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das bekannte Verfahren dahingehend weiterzuentwickeln, daß damit Messungen für energetisch inhomogene Fluide durchgeführt werden können.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Hiermit können Zustandsänderungen von Fluiden in einer einfachen Weise gemessen und kontinuierlich überwacht werden.

Mit der Änderung der quadrierten Schallgeschwindigkeit de¹ erhält man direkt einen der entsprechenden Enthalpieänderung

ΔΗ = ι

c„dT

proportionalen Wert.

Das ergibt sich unter Anwendung der obigen Formel (2) in Verbindung mit der folgenden Gleichung für die adiabatische Kompressibilität:

Durch Einsetzen der Formel (4) in (2) und Quadrieren erhält man

273 c.p/'⁷·
Hieraus ergibt sich unter Beachtung der Gleichung

273 c_vp„

c„dT~A H,

wobei Cv und c_p die spezifische Wärme des Gases bei konstantem Volumen bzw. Druck ist

Bei Gasturbinen wird ein Teil der bei der Erhitzung des Gases gewonnenen Enthalpiezunahme in mechanische Arbeit umgesetzt. In solchen Fällen, 7um Beispiel, muß die Enthalpieänderung herangezogen werden, um den Wirkungsgrad des Wärmetauschers für die Gaserhitzung bzw. den Gesamtwirkungsgrad des Systems zu beurteilen. Für diese und ähnliche Systeme stellt die Erfindung ein ausgezeichnetes Verfahren zur mittelbaren Berechnung deren Wirkungsgrade dar. Mit einfachen Mitteln, nämlich einem Schallsender/Empfängerpaar und einem daran angeschlossenen Meßkreis !assen sich rasch genaue Werte von Enthalpieänderungen und bei elektronischer Weiterberechnung auch Wirkungsgrade von energieumsetzenden Systemen erfassen und aufzeichnen. Meßtechnisch werden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren nur Zeitmessungen vorgenommen. Derartige Messungen lassen sich mit dem derzeitigen Entwicklungsstand der Elektronik mit sehr hoher Genauigkeit durchführen, woraus dann mit entsprechender Präzision die Temperatur, die Enthalpieänderungen oder beide Zustandsgrößen gleichzeitig errechnet werden.

Die Messung der Temperatur von strömenden Medien ist mit den herkömmlichen Meßsonden verhältnismäßig problematisch, weil für möglichst unverfälschte Messungen dafür Sorge getragen werden muß, daß die Meßsonde in einer möglichst strömungsfreien Umgebung liegt. Dieses Problem entfällt ebenfalls bei der erfindungsgemäßen Methode, indem die Eichkurve für die bestimmte Strömung — im Falle von flüssigen Medien — erstellt wird und bei Gasen die Korrektur der Schallgeschwindigkeit gemäß der folgenden Formel beachtet wird:

Hierbei ist Oj die Schallgeschwindigkeit im stehenden Gas, iv die Gasgeschwindigkeit und κ = Cplc_y.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, daß keine Zeitverzögerung etwa durch einen Wärmeleitvorgang den Meßvorgang beeinträchtigt, wie es bei den üblichen Dehnmeßfühlern der Fall ist. Das Verfahren eignet sich daher besonders gut zur raschen Erfassung von zeitlichen Zustandsänderungen des Fluids.

Auch zur Messung einer Zustandsgrößen-Verteilung innerhalb des Fluids läßt sich die erfindungsgemäße Methode ohne nennenswerten Zusatzaufwand anwenden, indem an den verschiedenen zu messenden Stellen des Fluids Schallreflektoren angeordnet werden und die Laufzeit der Schallwelle zwischen benachbarten Reflektoren gemessen und ausgewertet werden.

Derartige Messungen werden beispielsweise für unregelmäßig beheizte Wärmetauscher durchgeführt, wie z. B. sonnenbestrahlte Wärmetauscher von Solarkollektoren. Für derartige Fälle kann der Schallsender und der Empfänger im Kaltzustand des Wärmetauschers angebracht Werden, Während der Wärmetauscher mit in definierter! Abständen und versetzt angeordneten Reflektoren bestückt wird. Die Anwendung dieser Methode hat den Vorteil, dali der Wärmetauscher nicht durch Druckbrüchi" und danlit verbundene Schweißstellen, wie sie zur Durchführung von Meßfühlern erforderlich sind, beeinträchtigt wird. Außerdem ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren im Gegensatz zu den herkömmlichen Meßmethoden nur ein Meßkreis erforderlich. Als Reflektoren können kleine schallreflektierende Blättchen, z. B. aus Metall, verwendet werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich somit als ein fertigungstechnisch und meßtechnisch einfaches Verfahren aus, mit dem präzise und rasche Messungen auch von zeitlich und/oder örtlich sich ändernden Fluid-Temperaturen bzw. Gas-Enthalpieänderungen durchgeführt werden können. Bei zeitlich sich ändernden Zu-Standsgrößen werden vom Schallsender in definierten Zeitabständen Impulse abgegeben, wobei der Zeitabstand zwischen zwei nacheinander folgenden Impulsen größer ist, als die für den gegebenen Fall größte Laufzeit einer Schallwelle zwischen Sender und Empfänger.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens kann darin gesehen werden, daß mit nur einem Sctudlsender/Empfängerpaar bzw. einer Meßeinrichtung gleichzeitig die Temperatur, zeitliche sowie örtliche Änderungen der Temperatur und Enthalpie an mehreren Stellen eines Gasvolumens gemessen werden können, und zwar auch in zeitlich relativ geringen Abständen.

Die Erfindung erstreckt sich auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, bestehend aus einem an den Fluidbehälter anbringbaren und mit einem Impulsgeber verbundenen Schallsender und einem ebenfalls am Fluidbehälter anbringbaren Schallempfänger, an dem eine Impuls- und eine Meßdaten-Auswertungseinheit angeschlossen ist.

Vorzugsweise wird ein piezoelektrischer Schallsender verendet, der als ein Bauelement gleichzeitig die Funktion des Senders und des Empfängers ausübt.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele schematisch dargestellt. Es zeigt

F i g. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel,

F i g. 2 und 3 je ein Diagramm über die Schallausbreitungsgeschwindigkeit,

F i g. 4 ein Impulsdiagramm und

F i g. 5 ein zweites Ausführungsbeispiel.

In Fig. 1 ist ein Behälter 10 für ein Fluid mi*, einer Ausgleichsleitung 11 gezeigt, an deren freies Ende ein Schallsender 12 und ein Schallempfänger 13 angeordnet sind.

Von einem herkömmlichen Impulsgeber 14 und einem ebenfalls in der Elektrotechnik üblichen Oszillators 15 erhält der Sender 12 einen elektrischen Impuls 20 (Fig.4), den er in einen sich im Fluid 21 mit einer Geschwindigkeit c ausbreitenden Schallimpuls umwandelt. Im Fall von Messungen in Luft sind besonders Ultraschallimpulse mit einer Frequenz von etwa 30 kHz und einer Impulslänge von etwa 10~³ s gut geeignet. In diesem Medium beträgt nämlich die Laufzeit At/d der Schallwelle bei Temperaturen Oberhalb 300⁰C etwa 3-4.10-3 s/m.

Im Fluid sind zwei Schallreflektoren 22 und 23 in definierten Abständen d\ bzw. d₂ vom Sender/Empfänger 12,13 angebracht. Der vom Schallsender 12 gesandte Impuls wird nacheinander an den Reflektoren 22 bzw. 23 umgelenkt und als Impulsfolge 25 (F i g. 4) vom Empfänger 13 aufgenommen und mittels einer üblichen Impulsauswertungseinheit 26 registriert und ausgewertet. Die Auswertung besteht in der Erfassung der Laufeit f einer Schallwelle zwischen Sender 12 und Empfänger 13 bzw. in der Berechnung der Laufzeitdifferenz Δι zwi-

b5 sch»n zwei aufeinanderfolgenden Impulsen. Die Laufzeitdifferenz Jt stellt also die Laufzeit dar. die die Schallwelle für eine Laufstrecke Jd = 2 (d„—d„-\) zwischen zwei benachbarten Reflektoren braucht.

Für die Impulsauswertung ist es vorteilhaft, wenn ein auf dem Gebiet der Elektronik bekannter Transientenspeicher 26 verwendet wird. Mit diesem Element lassen sich nämlich sehr kleine Zeitspannen messen und gleichzeitig speichern. Die gespeicherten Daten können dann ohne Zeitdruck beliebig abgerufen und ausgewertet werden. Mit einem zwischen Empfänger 13 und Transientspeicher 26 zwischengeschalteten Frequenzfilter 27 (üblicher Bauart) werden Störsignale unterdrückt.

Die im Transientenspeicher 26 gespeicherten Zeitdaten können bei Bedarf mittels eines Oszillographen 28 optisch dargestellt werden. Im übrigen werden diese Daten in einer üblichen Meßdatenauswertungseinheit 29 für den Einzelfall entsprechend ausgewertet. Das Ergebnis wird schließlich über eine Registriereinheit 30 aufgezeichnet.

Die Auswertung der Meßdaten erfolgt folgendermaßen: Aus den gemessenen Werten der Laufzeit / bzw. der Laufzeitdifferenzen At wird die mittlere Ausbrei-'ungsgeschwindigkeit

20

Id

bzw.

2Ad At

(7)

der Schallwelle zwischen Sender 12 und Empfänger 13 bzw. zwischen zwei benachbarten Reflektoren 22, 23 errechnet. Bei stark strömenden Gasen wird unter Anwendung der Korrekturformel (6) aus dem experimentellen Wert c die entsprechende Schallgeschwindigkeit Co für den ruhenden Zustand errechnet.

Mit der errechneten Schallgeschwindigkeit c wird je nach Bedarf entweder über eine in F i g. 2 gezeigte Eichkurve c=/"(temp) bzw. bei Gasen über die Formel (2) die Temperatur oder über die Formel (5) die Enthalpieänderung AH errechnet. Diese Berechnungen werden mit der Meßdatenauswertungseinheit 29 unter Eingabe der entsprechenden in den obigen Formeln enthaltenden Daten für das jeweils zu messende Fluid durchgeführt.

Soll beispielsweise die zeitliche thermische Zustandsänderung eines Fluids mit homogener Wärmeverteilung geringer Temperatur gemessen werden, dann kann der Schallsender 12 und der Empfänger 13 direkt, d. h. ohne einer Ausgleichsleitung 11, im Behälter 10 angeordnet werden. In diesem Fall ist es von Vorteil, wenn die Sender 12 und Empfänger 13 nicht, wie in der Zeichnung dargestellt, nebeneinander, sondern sich gegenüberliegend angebracht sind, so daß der vom Sender 12 emittierte Schall vom Empfänger ohne Reflexion direkt empfangen werden kann. Für die Erfassung der zeitlichen Zustandsgrößen bzw. -änderungen werden vom Sender 12 in definierten Zcitabständcn Schal'.irnpulsc gesendet und deren Laufzeiten gemessen. Aus den Meßwerten können die jeweiligen Geschwindigkeiten c errechnet und als Treppenkurve φΧ wie in F i g. 3 gezeigt, gezeichnet werden. Aus dem Verlauf c(t) ergibt sich unmittelbar der zeitliche Temperaturverlauf des Fluids, während über die Stufen der Kurve c(t) die Temperaturbzw. Enthalpieänderungen errechnet werden können.

Sind die Fluidtemperaturen des vorstehenden Bei-Spieles jedoch für den direkten Kontakt der Sender-Empfänger-Elemente zu hoch, dann werden diese Bauelemente entweder an eine bereits vorhandene kühle Stelle des Behälters 10 oder in einer eigens dafür vorzu sehenden Ausgleichsleitung 11 angebracht Da in die- es sem Fall die zu messende Schallwelle Zonen unterschiedlicher Temperaturen überqueren muß, sind hier zwei Reflektoren 22, 23 in der Zone des Fluids angebracht, für die die Messungen vorzunehmen sind. Mit der Messung der Laufzeitdifferenz At zwischen den beiden nacheinander reflektierten und empfangenen Signalen und dem Abstand d?—d\ zwischen den Reflektoren 22 und 23 wird die Ausbreitungsgeschwindigkeit

_ 2(d₂-d_x)

Δ ι

der Schallwelle innerhalb der für die Messung interessierenden Zone des Fluids errechnet.

Bei Wärmetauscherrohren oder ähnlichen Fällen, in denen eine örtliche Wärmeverteilung vorhanden ist, werden mehrere Reflektoren in definierten Abständen innerhalb des Fluids verteilt. Ein vom Sender 12 ausgehender Schallimpuls 20 wird dann eine Signalfolge 25' am Empfänger 12 auslösen, die jeweils ausgehend vom Zeitpunkt der Sendung an in Laufzeiten ?, den Empfängererreichen. Die Laufzeitdifferenzen At = t,— t,--, zwischen jeweils zwei nacheinander empfangenen Impulsen dienen dann zur Berechnung der Schallgeschwindigkeiten innerhalb der jeweiligen Zonen bzw. der Temperaturverteilung und/oder Enthalpieänderung entlang des Wärmetauscherrohres bzw. Fluidgefäßes. In diesem Fall ergibt die berechnete Geschwindigkeit eine von der Strecke d zwischen Sender und Reflektoren abhängige Größe, die ebenfalls als Treppenkurve c(d), wie in F i g. 3 gezeigt, dargestellt werden kann.

In diesem Fall sind ebenfalls Messungen für zeitliche Veränderungen der Zustandsgrößen möglich, indem in gleicher Weise wie im erstgenannten Beispiel Schallimpulse in zeitlichen Abständen emittiert, jeweils gemessen und entsprechend ausgewertet werden.

In Fig.5 ist ein Wärmetauscher 35 mit mehreren Wärmetauscherrohren 36 gezeigt, die über ein Sammelrohr 37 mit einem Wärmeträger-Fluid versorgt werden, das im Verlauf der Rohre 36 aufgeheizt wird. Für jedes Rohr 36 ist in dem als Kaltzulauf dienenden Sammelrohr 37 ein piezoelektrischer Schallsender/Empfänger 38 bis 40 angebracht, die über die Zuleitung 41 mit einer gemeinsamen Meß- und Auswerteeinheit verbunden sind. Die Rohre 36 sind mit Reflektoren 42 bestückt, die auf unterschiedlichen Entfernungen von der Ebene der Sender 38—40 im Fluid verteilt sind.

Auf gleichzeitig von allen Sendern 38—40 emittierten Impulsen 20 folgt eine Serie von Signalen 25', die jeweils vom entsprechenden Empfänger 38—40 registriert werden. In diesem Fall stammen aufeinanderfolgende Signale 25' nicht aus einem gemeinsamen Rohr 36, sondern aufgrund der gewählten Anordnung der Reflektoren 42 aus benachbarten Rohren 36. Für die Auswertung der Meßdaten ist daher die Laufzeitdifferenz zwischen den gemessenen Laufzeiten i, von Signalen aus einem Rohr 36 zu errechnen. So ergibt sich für das in Fig.5 gezeigte Beispiel unter Heranziehung des Impulsdiagramms aus Fig.4 für beispielsweise die linke Zone des oberen Rohres 36 ein

Atn = u-h.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Messung der Änderung einer thermischen Zustandsgröße von Fluiden, bei dem Schallimpulse mittels eines Schallsenders durch das Fluid geschickt und nach einer vorbestimmten Laufstrecke im Fluid von einem Schallempfänger zur Laufzeitmessung aufgenommen werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufzeitdifferenz (At) zwischen aufeinanderfolgenden Impulsen (25) gemessen und über die Berechnung der Änderung der quadrierten Schallgeschwindigkeit {de?) zur Bestimmung der Enthalpieänderung des Fluids ausgewertet wird, dem Wärme zu- oder abgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufzeitdifferenz (dt) von unterschiedlich langen Laufstrecken (du ο\) genessen wird.

3. Vorrichtung zur Messung von thermischen Zustandsgrößen von Fluiden, bestehend aus einem an den Fluidbehälter anbringbaren und mit einem Impulsgeber verbundenen Schallsender und einem ebenfalls am Fluidbehälter anbringbaren Schallempfänger, an dem eine Impuls- und eine Meßdaten-Auswertungseinheit angeschlossen ist, gekennzeichnet durch die Verwendung der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1.

hängigkeit zwischen Schallgeschwindigkeit und der Flüssigkeitstemperatur experimentell ermitteln. Im Falle von Gasen wird die Funktion von der allgemeinen Formel der Ausschreitungsgeschwindigkeit cdes Schalles