DE3220785C2 - Vorrichtung zur kontinuierlichen Messung des Anteils der kondensierten Phase in einem Dampfstrom - Google Patents
Vorrichtung zur kontinuierlichen Messung des Anteils der kondensierten Phase in einem DampfstromInfo
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Abstract
Eine Dampffeuchtigkeits-Meßeinrichtung umfaßt eine Lichtquelle (3, 3Δ, 3ΔΔ), einen Abschnitt, der einen Meßraum (A) bildet, wenn die Einrichtung in einen Naßdampfstrom eingesetzt ist, ein Lichtleiterbündel (6) zum Übertragen des einfallenden Lichtstrahls von der Lichtquelle zum Meßraum sowie Lichtleiterbündel (11, 15) zum Übertragen mehrerer Streulichtstrahlen mit unterschiedlichen Streuwinkeln zu einem lichtelektrischen Umsetzer (16), wobei die Streulichtstrahlen durch Auftreffen des einfallenden Lichtstrahls auf den Meßraum (A) erhalten werden. Die Tatsache, daß die Intensität der Streulichtstrahlen sich mit der Wellenlänge des einfallenden Lichts oder mit dem Streuwinkel des Streulichtstrahls gemäß der Teilchengrößen-Verteilung der Wassertröpfchen im Naßdampf ändert, wird dazu genutzt, die Teilchengrößen-Verteilung zu ermitteln. Die Dampffeuchtigkeit wird aus der Teilchengrößen-Verteilung und den physikalischen Eigenschaften des Naßdampfstroms bestimmt.
Description
- die Steuereinheit (24) ein Steuersignal zur Steuerung des Umschalters (95) der lichtelektrischen
Umsetzereinheit (97) erzeugt, und
- die Synchronisiereinheit (26) ein Synchronisiersignal für die Auswerteinrichtung (27) aufgrund
des Steuersignals erzeugt, so daß die Auswerteinrichtung (27) elektrische Signale,
die den Intensitäten der Streulichtstrahlen für die jeweiligen Winkel (θι~θ4) der Streulichtstrahlen
entsprechen, speichern kann.
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Messung des Anteils der kondensierten
Phase in einem Dampfstrom.
Die kondensierte Phase im Dampf liegt in Form von Wassertröpfchen mit sehr kleinem Durchmesser im
Bereich von weniger als 1 μπι bis zu einigen μΐη vor, und
die Anzahl Wassertropfenteilchen für jeden Durchraesser ist als eine bestimmte Art der Teilchengrößen-Vei·-
tcilungsfunktion gegeben. Der eine kondensierte Phase
enthaltende Dampf wird als Naßdampf bezeichnet. In Geräten und Maschinen, die Dampf verwenden, ergeben
sich verschiedene Nachteile mit steigendem Anteil der kondensierten Phase im Naßdampf, d. h. mit zunehmender
Massenkonzentration der Wassertröpfchen. Im Fall einer Dampfturbine korrodieren oder erodieren die
Turbinenschaufeln und die Dampfleitungen, und die Ausgangsleistung der Turbine wird verringert. Es ist
daher wichtig, den Anteil der kondensierten Phase an verschiedenen Stellen des Dampfstroms in der Turbine
zu messen bzw. zu erfassen und Maßnahmen zu treffen, um schädliche Erscheinungen auszuschalten, während
der Zustand des Dampfs in Verbindung mit den Betriebsbedingungen der Turbine überwacht wird.
Konventionelle Verfahren zum Messen des Anteils der kondensierten Phase sind das Drosselkalorimeter-Verfahren,
bei dem von dem zu messenden Naßdampf eine Probe entnommen und der Druck vermindert wird, so
sowie ein Wärmebilanz-Verfahren, bei dem die Naßdampfprobe erhitzt wird, um die Feuchtigkeit zu verdampfen,
und der Anteil der kondensierten Phase aus der Wärmebilanz errechnet wird. Diese Verfahren weisen
z. B. die Nachteile auf, daß es schwierig ist, in der Dampfleitung die örtliche Feuchtigkeit zu messen, und
daß die Messung vergleichsweise lang dauert und es somit nicht möglich ist, eine kontinuierliche Messung
der momentanen Feuchtigkeit vorzunehmen. Es ist eine Dampffeuchtigkeits-Meßeinrichtung bekannt, die
auf der Grundlage von Laserlicht-Dämpfung arbeitet (vgl. »Moisture Measurements in a Low Pressure Steam
Turbine Using a Laser Light Scattering Probe« von J. S. Wyler et al., Transaction of the ASME, vol. 100,
Oktober 1976, S. 544-548 oder »Determination of aerosol draplet size and concentration from simple
transmittance measurements« von H. R. Carlon et al.,
Applied Optics 15,1976, S. 2454-2456). Diese Meßeinrichtung ist so aufgebaut, daß ein Lichtsignal eines
durch den zu messenden Naßdampf geschickten Laserstrahls nit einem Lichtsignal eines Lichtstrahls verglichen
wird, der keinen Naßdampf durchsetzt hat. Diere Meßeinrichtung kann jedoch keine hohe Meßgenauigkeit
erzielen, wenn nicht der Sautersche mittlere Durchmesser der Wassertröpfchen als Konstantwert
von 0,3 μΐη oder weniger angenommen wird, so daß die
Genauigkeit der Messung im Fall eines Naßdampfs mit einem Sauterschen mittleren Durchmesser von mehr
als 0,3 μΐη stark verschlechtert wird. Z. B. kann diese
Meßeinrichtung den Anteil der kondensierten Phase im Naßdampf mit einem Sauterschen mittleren Tröpfchen-Durchmesser
von 10—30 μΐη und einem Anteil der kondensierten
Phase in der Größenordnung von 5-15%, der in Dampfturbinen ein Problem darstellt, nicht mit ausreichender
Genauigkeit messen.
Aus der DE-OS 25 44 575 und aus dem Aufsatz »Streulichtmessungen an Gasen und kondensierten
Dämpfen« von H. Mohrmann in Zeitschrift für Naturforschung 19b, 1964, Heft 3, Seiten 179-186, ist es bekannt,
Teilchengrößenverteilungen gasgetragener Partikel durch das von ihnen hervorgerufene Streulicht zu
ermitteln.
Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Vorrichtung zur Messung des Anteils der kondensierten
Phase in einem Dampfstrom, die diesen Anteil kontinuierlich und momentan und ferner innerhalb eines
weiten Bereichs messen kann.
Diese Aufgabe wird anspruchsgemäß gelöst.
Im allgemeinen ist die Massenkonzentration von Wassertröpfchen in einem Naßdampfstrom gleich der
Trübung, und daher ist die Beziehung zwischen der Intensität Jo eines einfallenden Lichtstrahls und der Intensität/
eines übertragenen oder eines gestreuten Lichtstrahls gegeben als:
Jo
τ = die Trübung und
/ = die Länge des Lichtwegs.
Wenn die Intensität Jo des einfallenden Lichtstrahls in dieser Gleichung als konstant angenommen wird,
kann die Trübung dadurch bestimmt werden, daß die Intensität des übertragenen oder des Streulichtstrahls
erfaßt wird. Zur Bestimmung des Anteils der kondensierten Phase aus der Beziehung von Gleichung (1) muß
sich dieser Anteil mit der Menge gleichförmiger Wassertröpfchen gleichen Durchmessers ändern. In
einem tatsächlichen Naßdampfstrqm wird jedoch für verschiedene Tropfenteilchendurchmesser eine bestimmte
Teilchengrößen-Verteilung gebildet, entsprechend der Form des Strömungskanals, der Strömungsgeschwindigkeit
u. dgl. Bei der Messung eines vielfachdispersen Teilchensystems wie z. B. eines Naßdampfstroms,
in dem verschiedene Tröpfchengrößen und -mengen verteilt sind, muß daher zuerst die Teilchengrößen-Verteilung
ermittelt und dann die Massenkonzentration auf der Grundlage der Teilchengrößen-Vertei'ung
bestimmt werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Teilchengrößen-Verteilung
aus der Intensität von Streulichtstrahlen bestimmt, und das Resultat wird zur Ermittlung
des Anteils der kondensierten Phase verwendet.
Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigt
Fi g. 1A ein Ausfuhrungsbeispiel der Meßvorrichtung
nach der Erfindung, wobei ein Detektor im Schnitt und eine elektrische Vorrichtung in Form eines Blockschalt- s
bilds dargestellt sind;
Fig. 2 eine Schnittansicht der wesentlichen Teile des Detektors eines weiteren Ausfuhrungsbeispiels der
Meßvorrichtung;
Fig. 3 A ein Diagramm, das den Aufbau zur Messung des Dampfstromdrucks bei dem Ausführungsbeispiel
nach den Fig. IA und IB zeigt;
Fig. 4A ein Diagramm, das den Aufbau zur Messung is
der Dampfstromtemperatur bei dem Ausführungsbeispiel nach den Fig. IA und IB zeigt;
Fig. S ein Ablaufdiagramm, das ein Verfahren zur Bestimmung des Anteils der kondensierten Phase bei den
Ausführungsbeispielen der F i g. 1A und 1B und 2 erläutert;
Fig. 6 ein der Fig. IA ähnliches Diagramm, das ein
weiteres Ausführungsbeispiel der Meßvorrichtung zeigt;
Fig. 7 zeigt die wesentlichen Teile von Fig. 6 in vergrößerter Darstellung; und
Fig. 8 ein Ablaufdiagramm, das ein Verfahren zum Bestimmen des Anteils der kondensierten Phase bei
dem Ausfuhrungsbeispiel nach Fig. 6 erläutert.
Die Fig. IA und IB zeigen ein Ausführungsbeispiel
der Meßvorrichtung. Eine Meßsonde 1 ist im wesentlichen zylindrisch, und ihr Vorderende 2 (Meßende) ist in
den zu messenden Dampfstrom eingesetzt und definiert einen Meßraum A. Der Dampf strömt senkrecht zu der
Zeichenebene von Fig. IA, d. h. längs Pfeilen von Fig. IB. In der Meßsonde 1 ist ein Faserbündel 6 angeordnet, das einen auf den Meßraum A des Dampfstroms abzustrahlenden Lichtstrahl leitet; ferner sind
darin Faserbündel 11 und 15 angeordnet, die von den Wassertropfen im Dampf gestreute (Streulichtstrahlen)
bzw. transmittierte Lichtstrahlen zu Photodetektoren 12 und 16 leiten, die z. B. Photodioden aufweisen. Der
vordere Endabschnitt 2 enthält ein Prisma oder einen Reflektor 7 in Kontakt mit einem Ende des Faserbündeis 6, so daß der Lichtstrahl (der einfallende Lichtstrahl) von lichtemittierenden Elementen 3,3', 3" über
einen optischen Schalter 23 durch das Faserbündel 6 geführt wird und dieser Lichtstrahl auf den Meßraum A in
eine Richtung abgestrahlt wird, die in bezug auf den
Übertragungsweg des Faserbündels 6 um 90° umgelenkt ist; ferner ist ein Prisma oder ein Reflektor 9 an
einem Ende des Faserbündels 11 angeordnet, so daß der
durchtretende Lichtstrahl, also der die gleiche Richtung wie der einfallende Lichtstrahl aufweisende Streulichtstrahl, gerade durch den Meßraum A zum Photodetektor 12 geleitet wird. Ferner wird der senkrecht zum einfallenden Lichtstrahl verlaufende Streulichtstrahl durch
ein Lichteintrittsfenster 14 und das Faserbündel 15 zum Photodetektor 16 geleitet Verschiedene Streulichtstrahlen können als der senkrecht zum einfallenden
Lichtstrahl verlaufende Streulichtstrahl angesehen werden, und anstelle des in der Zeichnung gezeigten, zum
einfallenden Licht senkrechten Streulichtstrahls kann ein Streulichtstrahl verwendet werden, der zur Zeichenebene von Fig 1 senkrecht verläuft, und das Lichteintrittsfenster 14 und das Faserbündel 15 können dementsprechend angeordnet sein. Die Messung des Anteils
der kondensierten Phase im Dampfstrom wird durch die Richtung des jeweils verwendeten senkrechten Streulichtstrahls nicht beeinträchtigt. Zur Vereinfachung des
Aufbaus werden bevorzugt, wie in der Zeichnung gezeigt, die Streulichtstrahlen verwendet, die in einer zum
Dampfstrom senkrechten Ebene liegen. Um zu verhindern, daß Wassertröpfchen an der Oberfläche des Lichteintrittsfensters 14 und der Reflektoren oder Prismen 7
und 9, die mit dem Dampfstrom im Meßraum A in Kontakt gelangen, haften, was die Übertragung des einfallenden Lichtstrahls und der Streulichtstrahlen nachteilig beeinflussen würde, wird in den hohlen Abschnitt 17
der Meßsonde 1 und durch in der Innenfläche gebildete Löcher zur Einführung der Lichtleiterbündel am vorderen Endabschnitt 2 ein Spülgas längs den Oberflächen der Prismen 7 und 9 und des Lichteintrittsfensters
14 eingeblasen. Wenn die Strömungsgeschwindigkeit des auf die Prismen 7 und 9 und das Lichteintrittsfenster
14 geblasenen Spülgases zu hoch ist, wird der Naßdampfstrom im Meßraum A gestört, so daß eine fehlerfreie Messung unmöglich gemacht wird. Der Druck des
Spülgases 18 wird daher nach Maßgabe des Dampfdrucks im Meßraum A in geeigneter Weise eingestellt.
Um die Lichtquelle und die Photodetektoren vor der Hitze des Dampfstroms zu schützen, wird dem hohlen
Abschnitt 21 Kühlwasser 20 zugeführt. Die Anzahl lichtemittierender Elemente ist nicht auf drei begrenzt,
sondern es können viele verwendet werden, deren jede Licht von jeweils unterschiedlicher Wellenlänge aussendet, z. B. Leuchtdioden oder Laserdioden. Diese
lichtemittierenden Elemente werden sequentiell dadurch eingeschaltet, daß ihnen Spannung von einer
Spannungsversorgung 4 über einen Spannungsumschalter 25 zugeführt wird, der durch ein Befehlssignal von einer Steuereinheit 24 aktiviert wird, so daß
der Lichtstrahl des jeweils eingeschalteten Elements von dem optischen Schalter 23, der synchron mit dem
Umschaltvorgang des Umschalters 25 betätigt wird, dem Faserbündel 6 zugeführt wird. Der von dem Faserbündel 6 auf diese Weise geleitete Lichtstrahl bildet den
einfallenden Lichtstrahl 5 zum Naßdampfstrom in dem Meßraum A. Der Lichtstrahl 13, der von den Wassertropfen im Meßraum A gestreut wird und der senkrecht
zu dem einfallenden Lichtstrahl verläuft, wird dem Photodetektor 16, z. B. einer Photodiode, durch das
Faserbündel 15 zugeführt und in ein Spannungssignal ls
umgewandelt. Der Streulichtstrahl 10, der in die gleiche Richtung wie der einfallende Lichtstrahl 5 verläuft,
erreicht dagegen das Prisma 9 und wird von dem Faserbündel 11 zu dem Photodetektor 12 geleitet, der die
gleiche Charakteristik wie der Photodetektor 16 aufweist, und wird in ein Spannungssignal IT umgewandelt
Die so erhaltenen Signale lT und Is werden von Spannungsverstärkern 22 auf einen vorbestimmten Pegel
verstärkt und einer Signalauswerteeinrichtung 27 zugeführt Die Steuereinheit 24 dient der Erzeugung eines
Spannungsversorgungs-Schaltsignals, das an den Spannungs-Umschalter 25 angelegt wird aufgrund eines
Befehlssignals von der Auswerteinrichtung 27, wobei gleichzeitig der Auswerteinrichtung durch eine Synchronisiereinheit 26 ein Synchronisiersignal zugeführt
wird. Die Auswerteinrichtung 27 diskriminiert somit unterschiedliche Wellenlängen der Lichtstrahlen von
den lichtemittierenden Elementen und speichert in einem Speicher die Signale /s und I1 für jede Wellenlänge. Eine Ausgangseinheit 28 hat die Funktion, eine
Sichtanzeige der Teilchengröße-Verteilung und der Dampffeuchtigkeit zu liefern, die von der Auswertein-
richtung 27 erhalten werden. Ein Temperatursignal 40 und ein Drucksignal 41 werden später erläutert.
Die Meßvorrichtung nutzt die Abhängigkeit der Intensität der Lichtstrahlen, die an den Wassertröpfchen
im Naßdampfstrom im Meßraum A gestreut werden, von der Wellenlänge, oder sie nutzt die Tatsache, daß
sich die Intensität der Streulichtstrahlen in Abhängigkeit von der Wellenlänge des einfallenden Lichtstrahls
nach Maßgabe der Teilchengrößen-Verteilung der Wassertröpfchen ändert. Durch eine Analyse der Signale IT
und Is bei jeder Wellenlänge in der Auswerteinrichtung
27 kann die Teilchengröße-Verteilung der Wassertröpfchen ermittelt werden. Die Auswerteinrichtung 27 enthält
einen üblicherweise verwendeten elektronischen Rechner, der ein Programm zur Bestimmung der Teilchengröße-Verteilung
durch Analyse der Signale speichern kann und den Anteil der kondensierten Phase im
Dampfstrom aus der Teilchengröße-Verteilung berechnen kann.
Unter Bezugnahme auf Fig. 2 wird ein weiteres Ausführungsbeispiel
erläutert. Dieses umfaßt eine Modifikation der Anordnung der Faserbündel für den einfallenden
Lichtstrahl 5 sowie die Streulichtstrahlen 10 und 13 und des Aufbaus des vorderen Endabschnitts 2 der
Meßvorrichtung von Fig. 1; dabei ist der Photodetektor 16 bezüglich seiner Lage mit den lichtemittierenden
Elementen 3,3' und 3" und dem optischen Schalter 23 von Fig. 1 vertauscht. Im übrigen sind Aufbau und
Funktionen genau die gleichen wie bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 1. In Fig. 2 ist ein Faserbündel
52 zum Leiten des einfallenden Lichtstrahls 55 im Mittelabschnitt des zylindrischen Sensorgehäuses angeordnet,
und ein Faserbündel 53 zum Leiten des Streulichtstrahls 56 zum Photodetektor sowie ein Faserbündel 54
zum Leiten des Streulichtstrahls 57 zum Photodetektor sind zu beiden Seiten des Faserbündels 52 angeordnet.
Am vorderen Endabschnitt 51 ist die Endfläche 60 des Faserbündels 53 zum Leiten des vorderen Streulichtstrahls
56 so angeordnet, daß sie der Endfläche 61 des Faserbündels 54 zum Leiten des rückwärts gestreuten
Lichtstrahls 57 durch den Meßraum B gegenüberliegt, so daß der Vorwärtsstreulichtstrahl 57, der aus dem in
den Meßraum B eintretenden und von den Wassertropfen im Meßraum B (dem Naßdampf, der senkrecht zur
Zeichenebene von Fig. 2 strömt) gestreut wird, resulliert,
erfaßt werden kann. Zu diesem Zweck ist das Faserbündel 53 U-förmig ausgebildet (vgl. 62 in Fig. 2).
Das Vorderende des Faserbündels 52 ist unter einem Winkel θ zu der Linie 63 geneigt, die die Endflächen 60
und 61 verbindet, und damit ist die Endfläche 64 des so Faserbündel 52 so geneigt, daß der einfallende Lichtstrahl
55 in den Raum B aus der Richtung des Winkels θ zur Linie 63 eintritt. Ebenso wie bei dem Ausfuhrungsbeispiel
nach Fig. 1 wird der einfallende Lichtstrahl 55 durch Leuchtdioden oder Laserdioden erhalten, die
Licht unterschiedlicher Wellenlänge emittieren und die sequentiell geschaltet werden, und der Vorwärtsstreulichtstrahl
56 sowie der Rückwärtsstreulichtstrahl 55 werden den Photodetektoren durch die Faserbündel 53
bzw. 54 zugeführt, so daß die Signale T7-und I5 entsprechend
denjenigen von Fig. IA aus dem Streulichtstrahl
56 bzw. dem Streulichtstrahl 57 abgeleitet werden.
Der Winkel θ steht nicht in Beziehung mit der Messung des Anteils der kondensierten Phase im Dampfstrom
und kann in erwünschter Weise nach Maßgabe der erwünschten Form des vorderen Endabschnitts 51,
also des Meßteils, bestimmt werden. Ferner können Streulichtstrahlen jeder Richtung verwendet werden.
Wenn man annimmt, daß die Streulichtstrahlen 10 und Ϊ3 von Fig. IA dem Vorwärtsstreulichtstrahl 56 und
dem Rückwärtsstreulichtstrahl 57 entsprechen, kann das Ausführungsbeispiel der Fig. IA und IB als eine
spezieüe Form des Ausfuhrungsbeispiels von Fig. 2 angesehen
werden, wobei der Meßteil anders ausgebildet ist. Wenn die Form des Meßteils nach Fig. 2 erwünscht
ist, kann der Winkel 6>z. B. zwischen 10 und 30°gewählt
werden.
Um den Anteil der kondensierten Phase im Dampfstrom aus der Teilchengrößen-Verteilung zu bestimmen,
müssen der Druck und die Temperatur des Dampfstroms gemessen und die spezifischen Gewichte
des Gases und der Wassertröpfchen aus dem Druck und der Temperatur bestimmt werden. Der Aufbau zur Messung
von Druck und Temperatur des Dampfstroms wird unter Bezugnahme auf die Fig. IA und IB erläutert.
Der Aufbau zur Messung des Drucks ist in den Fig.
3A und 3B gezeigt. Am Außenumfang des vorderen Endabschnitts 2 sind Druckmeßlöcher 105,106 und 107
ausgebildet, die mit Druckmeßrohren 108,109 und 110 kommunizieren, die ihrerseits an entsprechende Druckerfasser
in einem Rohranschlußstück 111 durch den hohlen Abschnitt 17 der Meßsonde 1 angeschlossen
sind. Die Druckmesser dienen zum Umsetzen des Drucks in ein elektrisches Signal derart, daß aufgrund
eines Signals 112 der Druckmesser 113 die Beziehung zwischen Druck und Spannung in eine Digitalinformation
umsetzt, die als Signal 41 der Auswerteinrichtung 27 zugeführt wird. Nach Fig. 3B sind die Druckmeßlöcher
105,106 und 107 relativ zueinander so angeordnet, daß, wenn das Druckmeßloch 105 der Richtung a des
Dampfstroms direkt gegenüberliegt, die Druckmeßlöcher 106 und 107 unter einem Winkel von 42° zum
Druckmeßloch 105 am Rand des vorderen Endabschnitts 2 positioniert sind. Drei Druckmeßlöcher
sind vorgesehen, damit einerseits durch Ausgleichen der Drücke der Druckmeßlöcher 106 und 107 miteinander
die Richtung des Dampfstroms im Meßraum Λ unter einem rechten Winkel zur Strahlungsrichtung des
Lichtstrahls gekreuzt werden kann und andererseits im Fall des Einsatzes eines Pitotrohrs mit zylindrischen
Löchern, das normalerweise für die Messung von Fluiddrücken
verwendet wird, der Druck des Druckmeßlochs 105 einen Gesamtdruck und die Drücke der Druckmeßlöcher
106 und 107 einen statischen Druck liefern.
Die Fig. 4A und 4B zeigen den Aufbau für die Temperaturmessung.
Wie im Fall der Druckmessung weist derjenige Teil des vorderen Endabschnitts 2, der in den
Zylinder der Meßsonde 1 eingesetzt ist, ein Loch 115 auf, und das Vorderende eines Thermoelements 116 ist
in das Loch 115 vom hohlen Abschnitt 17 der Meßsonde 1 her so weit eingesetzt, daß es die Außenrandfläche
der Meßsonde 1 beinahe erreicht. Eine Spannung in Form einer thermoelektrischen Kraft wird von
einem Temperaturmesser 119 als äußeres Signal 118 erfaßt, und nach digitaler Umsetzung wird das Signal 40
zur Auswerteinrichtung 27 übertragen.
Nachstehend wird eine Methode zum Verarbeiten der Meßsignale und zum Berechnen der Teilchengrößen-Verteilung
und des Anteils der kondensierten Phase im Dampfstrom unter Bezugnahme auf die Ausführungsbeispiele der Fig. IA und IB sowie 2 erläutert
Diese Methode basiert auf der Grundgleichung
J K(a,mi)- D2 N(D)-OD
AT=J1 _
J D2 ■ N(D) · iD
D32
f D1 ■ N(D) ■ UD
N(D)dD
(4)
Intensität eines Streulichtstrahls, | |
K - | Streukoeffizient, |
D32 - | Sauterscher mittlerer Durchmesser von Was |
sertröpfchen, | |
a " | π D/A, |
N(D) - | Teilchengrößen-Verteilungsfunktion von Was |
sertröpfchen, | |
/ | Länge des Lichtwegs, |
m, | Brechzahl eines Wassertröpfchens, |
A | Lichtwellenlänge und |
Cv - | Volumenkonzentration der Wassertröpfchen. |
In dieser Gleichung seien die Wellenlänge des einfallenden Lichtstrahls X1, A2 und A3, die Streukoeffizienten
für die jeweiligen Wellenlängen der einfallenden Lichtstrahlen ATi, ^2 und K3 und die Intensität der Streulichtstrahlen /(Ai), /(A2) und /(A3). Es ergibt sich folgende
Beziehung:
von Zm(Ai), Im(X2) und Im(X3), die aus den Meßdaten
erhalten wurden, C)2, C23 und C31 entsprechend der
(3) Durchmesser iur die entsprechenden Weiieniängen
s (A2)A1, (A2)A2 und (D32)X3 auf der Grundlage der in
mit (D32)X1, (A2)A2 und (D32)X3 verglichen, um dadurch
den Wahrscheinlichkeitsfehler ε zwischen diesen Wer
ten zu ermitteln. In Schritt 507 wird bestimmt, ob der
Wahrscheinlichkeitsfehlere innerhalb des Toleranzwerts eab liegt, und wenn c„b
< c, folgt Schritt 508, in dem der Parameter der Teikhensrößen-Verteilungsfunktion
N(D) korrigiert wird, wodurch die Teiichengrößen-Ver
teilung geändert wird; darauf die wiederholte Durch
fuhrung der Schritte 503-507 folgt. Wenn dann in
Schritt 507 die Beziehung c.t
> cerhalten wird, geht der Prozeß zu Schritt 509 weiter. In Schritt 509 werden KX1,
K X2 und K A3 auf der Grundlage der so bestimmten Tcil
chergrößen-Verteilungsfunktion N(D) berechnet, und
es wird der Mittelwert K erhalten. In Schritt 510 wird aus der Gleichung (2) auf der Grundlage von D32 und K
die Tröpfchenvolumenkonzentration Cv berechnet In Schritt 511 werden das spezifische Gewicht/»/der Was-
sertröpfchen und das spezifische Gewicht pt des Gases
aus den Druck- und Temperatur-Meßdaten errechne;., wodurch der Anteil Y der kondensierten Phase aus der
folgenden Gleichung bestimmt werden kann:
30
1 +
(i)
/.[/(A3)] K3
/.[/(A1)] T1
Cn
C23
C31
35
(5)
40
45
Die vorliegende Erfindung verwendet die vorstehenden Gleichungen (2) und (5).
Nachstehend wird unter Bezugnahme auf das Ablaufdiagramm von Fig. 5 die Erläuterung fortgesetzt In
Schritt 501 werden die Vorwärtsstreulichtintensität IT so
und die Rückwärtsstreulichtintensität Is entsprechend
den einfallenden Lichtwclieniängsn A1, A2 und A3 als
Meßinformation abgerufen, und Verhältnisse Zm(Ai), Im (A2) und Im (A3) zwischen der Vorwärts- und der Riickwärtsstreulichtintensität werden aus den jeweiligen S5
Wellenlängen abgeleitet In Schritt 502 wird die Teilchengrößen-Verteilungsfunktion N(D) angenommen.
N(D) hat verschiedene Verteilungsformen einschließlich der Gammaverteilung, der logarithmischen Normalverteilung und der oberen Grenzverteilung, von
denen jede entsprechend der Art der Strömung in dem Weg, in dem die Feuchtigkeit zu messen ist, ausgewählt
werden kann. In Schritt 503 wird aus den angenommenen N(D) der Sautersche mittlere Durchmesser ZJ32 errechnet In Schritt 504 werden C12, C23 und C31 von Glei-
chung (5) in bezug auf die Gleichungen (2) und (3) berechnet, und die Beziehung von C)2, C23 und C3, zu D32
wird bestimmt In Schritt 505 werden auf der Grundlage
Mit der Durchführung der vorgenannten Prozeßschritte werden die Teilchengrößen-Verteilung N(D)
und der Anteil Y der kondensierten Phase bestimmt.
Bei den vorstehend erläuterten Ausfuhrungsbeispiclen wird die Tatsache, daß die Intensität des von den
Wassertröpfchen gestreuten Lichtstrahls von der Wellenlänge abhängt, dazu genutzt, die Teilchengrößen-Verteilung der Wassertröpfchen zwecks Bestimmung
des Anteils der kondensierten Phase zu berechnen. Da die Intensität des von den Wassertröpfchen im Naßdampf gestreuten Lichtstrahls sich mit dem Winkel in
bezug auf den einfallenden Lichtstrahl ändert, ist es jedoch möglich, die Teilchengrößen-Verteilung dadurch
zu berechnen, daß die Änderung der Intensität der Streulichtstrahlen in Abhängigkeit von deren Winkel in
bezug auf den einfallenden Lichtstrahl erfaßt wird, d. h., daß die Position der Streulichtstrahlen erfaßt wird, ohne
daß die Wellenlänge des einfallenden Lichtstrahls geändert wird. Die Fig. 6 und 7 zeigen eine Meßvorrichtune die diese Abhängigkeit der Intensität des Streulichtstrahls von dem Streuwinkel nutzt
Die Vorrichtung nach F i g. 6 umfaßt eine einzige LED oder Laserdiode 81, die von einer Spannungsversorgung 4 gespeist wird und einfallendes Licht zum Meßraum C liefert Der von der Diode 81 ausgehende Lichtstrahl wird durch ein Faserbündel 82, das im inneren
Hohlraum des Zylindergehäuses 85 der Meßsonde 1 angeordnet ist, zu einem Strahlungsfenster 83 geleitet so
daß der einfallende Lichtstrahl in den MeSraum C abgestrahlt wird. Im Meßraum C strömt der Wassertröpfchen enthaltende Naßdampf in einer zur Zeichenebene
von Fig. 6 senkrechten Richtung, so daß der in den Meßraum C abgestrahlte Lichtstrahl von den Wassertröpfchen gestreut wird; die Streulichtstrahlen treffen
auf mehrere Lichteintrittsfenster 86,87,88 und 89, die
unter verschiedenen Winkeln zur Richtung des einfallenden Lichtstrahls positioniert und auf einer im vorderen
Endabschnitt 84 vorgesehenen Oberfläche, die mit dem Meßraum C in Kontakt steht, vorgesehen sind.
Die durch die Lichteintrittsfenster 86, 87, 88 und 89 durchtretenden Streulichtstrahlen haben unterschiedliche
Intensität entsprechend der Teilchengrößen-Verleilung
in dem Wassertröpfchen enthaltenden Naßdampf, und die durch die jeweiligen Lichteintrittsfenster
durchtretenden Streulichtstrahlen werden durch Faserbündel 90,91,92 und 93, die jeweils mit den Lichteintrittsfenstern
verbunden und im inneren Hohlraum des Zylindergehäuses 85 untergebracht sind, einem
optischen Schalter 95 zugeführt. Die Steuereinheit 24 erzeugt ein Schalter-Umschaltsignal aufgrund eines Be- is
fehls von der Auswerteinrichtung 27, und der optische Schalter 95 schaltet die von den Faserbündeln 90,91,92
und 93 kommenden Lichtstrahlen in regelmäßigen Intervallen nach Maßgabe des Schalter-Umschaltsignals
von der Steuereinheit 24 um. Der so geschaltete Lichtstrahl wird einem Photodetektor 97 zugeführt, der dem
Photodetektor 12 oder 16 von Fig. IA ähnlich ist, so daß
der Lichtstrahl in eine Spannung umgesetzt wird. Die
Spannung vom Photodetektor 97 wird im Verstärker 22 verstärkt und der Auswerteinrichtung 27 zugeführt. Das
Schalter-Umschaltsignal von der Steuereinheit 24 wird andererseits einer Synchronisiereinheit 26 zugeführt,
die ein Synchronisiersignal an die Auswerteinrichtung 27 anlegt, so daß synchron miit der Aktivierung des optischen
Schalters 95 die Ausgangssignale der Lichteintrittsfenstcr 86, 87,88 und 89, die am Photodetektor 97
in eine Spannung umgesetzt werden, unter Klassifizierung jedes Lichteintrittsfensters im Speicher der Auswerteinrichtung
27 gespeichert werden. Das Spülgas 18 und Kühlwasser 20 werden in dergleichen Weisewie bei
der Vorrichtung nach den Fig. IA und IB zugeführt. Außerdem ist der Aufbau zur Druck- und Temperaturmessung
des Dampfstroms im wesentlichen gleich demjenigen nach den Fig. 3A und 3B, und das Drucksignal
41 sowie, das Temperatursignal 40 werden der Auswerteinrichtung 27 zugeführt.
Der Streulic'htstrahl jeder Richtung kann in erwünschter Weise gewählt werden. Dabei müssen jedoch
die Winkel O1 bis 04 der Streulichtstrahlen relativ zur
Richtung des einfallenden Lichtstrahls beachtet werden. Angesichts des einfachen Aufbaus des Meßteils
und der Beachtung der Winkel θ\ bis θ4 werden jedoch
bevorzugt die iitreulichtstrahlen in einer zum Dampfstrom senkrechten Ebene, die die Richtung des einfallenden
Lichtstrahls enthält, benützt. Ferner werden bevorzugt mindestens drei Streulichtstrahlen verwendet,
d. h., es werden mindestens drei Lichteintrittsfenster vorgesehen.
In Verbindung mit dem Ausführungsbeispiel nach den Fig. 6 und 7 wird nachstehend eine Methode zur
Berechnung der Teilchengrößen-Verteilung und des Anteils der kondensierten Phase erläutert. Die Intensität
/(Θ) eines Streulichtstrahls unter einem Winkel θ
zur Richtung des einfallenden Lichtstrahls ist gegeben als:
a = p.D/λ,
A = eine Konstante,
D = Wassertröpfchen-Durchmesser und
N(a) = Teilchengrößen-Verteilungsfunktion der Wassertröpfchen.
D = Wassertröpfchen-Durchmesser und
N(a) = Teilchengrößen-Verteilungsfunktion der Wassertröpfchen.
Wenn, wie bei diesem Ausführungsbeispiel, die Wellenlänge λ des einfallenden Lichtstrahls konstant ist,
wird die Beziehung von Gleichung (7) allgemein wie folgt ausgedrückt:
/(θ) = Κ\ i(θ,ΰ,m,)/V(D)UD
m, = Brechzahl der Wassertröpfchen und
i(e,D,mj) = Mie-Streufunktion.
Im Bereich der Teilchengrößen-Verteilungsfunktion N(D) wird der Bereich des Tröpfchendurchmessers D
in η Bereiche unterteilt, und die Intensität Ik(6M) des
Streulichtstrahls für jeden Bereich von D wird aus der Gleichung (8) berechnet. Ik (ΘΜ) bezeichnet die Intensität
des Streulichtstrahls unter einem "Winkel θΜΓ\ή den
Wert Dk des Tröpfchendurchmessers im fc-ten Bereich
von D. Die Beziehung zwischen den Messungen /m (0,),
Im(02), /«1(63) und L (θ4) der Intensität der Streulichtstrahlen,
die bei den Winkeln O1, 02, 03 und θ4 (vgl.
Fig. 7) erfaßt wird, und dem Wert Ik (ßj wird wie folgt
bestimmt:
ΙΛΘΜ) = Σ C4-Λ (β«)
da
(7) 1M(θ«) = em allgemeiner Ausdruck für In,(θ,), Im(θ2)
etc.,
M = Anzahl Streulichtstrahlen, deren Intensitäten zu messen sind, oder die Anzahl Winkelpositionen
von Streulichtstrahlen, und
Ck = ein Faktor, der die Teilchengrößen-Verteilung
bestimmt.
Aus der Gleichung (8) ergibt sich andererseits Im(QM)
als:
00 Π
Im(eM) -K[i (Θ, D, m,) Σ Ck ■ Nk(D) dJD (10)
0 /t=i
Nk(D) = die Teilchengrößen-Verteilung im fc-ten Bereich
von D.
Somit wird die tatsächliche Teilchengrößen-Verteilungsfunktion N(D) wie folgt geschrieben:
Da die Tröpfchengrößen-Verteilungsfunktion N(D) aus den Gleichungen (10) und (1D bestimmt wird, wird
32 20 735 I
13 14
der Anteil Y der kondensierten Phase im Dampfstrom Wärmebilanz-Verfahren, bei dem der untersuchte Naß-
aus der folgenden GleL&ung (12) errechnet, und zwar in dampf erhitzt wird, um die Feuchtigkeit zu verdampfen g
der gleichen Weise, wie sie unter Bezugnahme auf die und so die Feuchtigkeit aus der Wärmebilanz zu bestim- U
läutert wurde. 5 richtung wie folgt auf: (1) Es wird ein Meßraum in den |;
/ ι \ ' Medium eingesetzt, das ohne Probeentnahme eine
1 + Vcv/ WPf)
Hochgeschwindigkeitsübertragung ermöglicht, so daß
ίο der Anteil der kondensierten Phase unmittelbar gemes-
nen Winkeln θχ bis ΘΑ verwendet, die vorliegende Erfin- werden muß. (3) Da ein kleiner Meßraum vorgesehen
dung ist jedoch nicht auf diese Anzahl Streulichtstrah- ist, kann die örtliche Feuchtigkeit bestimmt werden.
len begrenzt Bevorzugt werden jedoch mindestens drei is Angesichts dieser Vorteile ist die angegebene Meßein-
wendet, um Q zu optimieren. tigkeitsverteilung über die Länge der statischen und der
erläutert In Schritt 801 wird die Meßinformation die Messung der Feuchtigkeit der Strömungswege einer
von Ck eingesetzt, um die Teilchengrößen-Verteilung einer bestimmten Stelle im Dampfweg der Dampftur-
reiche unterteilt, und der Wert Dk des Tröpfchendurch- eingesetzt weraen.
messers im fc-ten Bereich von D wird bestimmt. In 25 Die Meßvorrichtung ist hauptsächlich dafür gedacht.
von Dk berechnet. In Schritt 805 werden Ck ■ Ik (ΘΜ) in messen, sie kann aber auch zum Messen der Flüssig-
rechnet. Die Schritte 804 und 80S werden entsprechend gemisch aus Gas und Flüssigkeit enthalten ist, eingcder Anzahl η Unterteilungen von D wiederholt. In 30 setzt werden.
„ Hierzu 8 Blatt Zeichnungen
von Gleichung (9) und
Σ Q · Nk(D) = B
von Gleichung (10) errechnet. Die Schritte 803 bis 806
werden entsprechend der Anzahl M von Winkelpositionen wiederholt in bezug auf die jeweiligen Winkelwerte
der Streulichtstrahlen. Danach wird in Schritt 807 Ck
um A Ck geändert. Die Schritte 803-807 werden £-mal 45
(mehrmals) wiederholt. In Schritt 808 wird der Optimalwert Ck .„., von Ck bestimmt unter Nutzung der Optimierungstecnnik auf der Grundlage einer M X L-Matrix der
in Schritt 806 berechneten Werte A und B. In Schritt 809
wird N(D) aus der Gleichung (11) unter Nutzung des 50
Werts von Ck.op, berechnet. In Schritt 810 wird aus dem
so bestimmten Wert N(D) die Volumenkonzentration
Cv der Wassertröpfchen berechnet. In Schritt 811 werden Pf und pg berechnet, und der Anteil yder kondensierten Phase wird entsprechend der Gleichung (12) be- 55
stimmt.
Wie oben erläutert, wird eine Meßvorrichtung geschaffen, die den Anteil der kondensierten Phase im
Dampfstrom aus der Beziehung zwischen der Wellenlänge des einfallenden Lichts oder dem Streuwinkel des 60
Streulichtstrahls nach Maßgabe der Teilchengrößen-Verteilung von Wassertröpfchen, wenn das auf die Wassertröpfchen im Dampfstrom strahlende Licht gestreut
wird, bestimmt. Ein Vergleich dieser Meßvorrichtung
mit der konventionellen Meßeinrichtung, bei der unter 65
Anwendung der Drosselkalorimeter-Methode von dem
zu bestimmenden Naßdampf eine Probe entnommen
und der Dampfdruck vermindert wird, oder mit dem
Claims (9)
1. Vorrichtung zur kontinuierlichen Messung des Anteils der kondensierten Phase in einem Dampf- s
strom,
gekennzeichnet durch die Kombination folgender, an sich bekannter Merkmale:
- eine Lichtquelle (3,3', 3"), »>
- einen ersten Lichtleiter (f, 7; 52; 82), der mit
dem Licht der Lichtquelle ein Probenvolumen (A; B; C) im Dampfstrom beleuchtet,
- einen zweiten Lichtleiter (11,9; 54,93), der das
transmittierte Licht (10) erfaßt, is
- einen ersten Photodetektor (12), der das transmittierte Licht (1·) des zweiten Lichtleiters aufnimmt und ein erstes Signal IT abgibt,
- wenigstens einen weiteren Lichtleiter (15; 53; 90,91,92), der das im Probenvolumen gestreute
Licht (13) unter einem Winkel zum einfallenden Licht (S) erfaßt,
- wenigstens einen weiteren Photodetektor (16), der das Streulicht des weiteren Lichtleiters aufnimmt und wenigstens ein weiteres Signal Is ab-
gibt,
- einen Druckmesser (105-107, 113), der den Druck im Probenvolumen erfaßt und ein Signa!
Ip abgibt,
- einen Temperaturmesser (115-117, 119), der die Temperatur im Probenvolumen erfaßt und
ein Signal IK abgibt,
- eine Einrichtung (27) zur kontinuierlichen logischen Auswertung aller Signale.
35
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Lichtquelle lichtemittierende Elemente (3, 3', 3'0 zum Aussenden von Lichtstrahlen
mit unterschiedlichen Wellenlängen sowie einen Umschalter (23) zur sequentiellen
Zuführung der mehreren Lichtstrahlen zu dem ersten Lichtleiter (6, T) aufweist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
- daß der erste Lichtleiter (6,7) ein Faserbündel (6) zum Übertragen des Lichts von der Lichtquelle
(3, 3', 3") zum Meßraum (A) sowie ein erstes Lichtweg-Umlenkelement (7) zum Abstrahlen
des einfallenden Lichtstrahls in den Meßraum (A) in einer vorbestimmten Richtung
aufweist,
- daß der zweite Lichtleiter (11,9) ein Faserbündel (11) zum Übertragen des Streulichts der
vorbestimmten Richtung sowie ein zweites Lichtweg-Umlenkelement (9) zum Richten des
Streulichtstrahls vorbestimmter Richtung auf den ersten Photodetektor (12) aufweist, und
- daß der weitere Lichtleiter ein Faserbündel (15) mit einem weiteren Detektor (16) zum Empfang
der Lichtstrahlen, die im wesentlichen senkrecht zu der vorbestimmten Richtung gestreut
werden, und zum Übertragen dieser senkrecht gestreuten Lichtstrahlen aufweist,
4. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet.
40
60
65
- daß der erste Lichtleiter ein Faserbündel (52) zum Übertragen des Lichts von der Lichtquelle
(3,3', 3") zu dem Meßraum (B) und zum Richten des einfallenden Lichtstrahls auf den Meßraum (B) in einer vorbestimmten Richtung aufweist,
- daß der weitere Lichtleiter ein Faserbündel (53) zum Empfangen und Übertragen des Streulichtstrahls unter einem vorbestimmten Winkel
(O) zu der vorbestimmten Richtung aufweist, und
- der zweite Lichtleiter ein Faserbündel (54) aufweist, zum Empfangen und Übertragen von
Streulicht, das sich entgegengesetzt zu der Richtung des in den weiteren Lichtleiter eingestrahlten Streulichts ausbreitet
5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch
- eine Steuereinheit (24), die ein Steuersignal aufgrund eines Befehls von der logischen Auswerteinrichtung
(27) erzeugt,
- und eine Synchronisiereinheit (26) zum Erzeugen eines Synchronisiersignals fur die logische
Auswerteinrichtung (27) aufgrund des Steuersignais.
6. Einrichtung nach Anspruch S, dadurch gekennzeichnet,
daß die Steuereinheit (24) ein Steuersignal zur Steuerung der lichtemittierenden Elemente (3,
3', 3") und des Umschalters (23) der Lichtquelle erzeugt und
- daß die logische Auswerteinrichtung (27) elektrische Signale speichert, die den Intensitäten
der Streulichtstrahlen bei jeweiligen Wellenlängen des einfallenden Lichtstrahls entsprechen.
7. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
- daß der weitere Lichtleiter mindestens drei Faserbündel (90-92) zum Empfang von mindestens
drei Streulichtstrahlen unter verschiedenen Winkeln zur Richtung des einfallenden
Lichtstrahls, der durch den ersten Lichtleiter (82) auf den Meßraum (C) gerichtet wird, aufweist,
- daß die Lichtquelle ein lichtemittierendes Element (81) aufweist, das einen Lichtstrahl vorbestimmter
Wellenlänge aussendet, und
daß die Detektoren zu einem Sensor (97) zum Empfang der Streulichtstrahlen von den Faserbündeln
(90-93) sowie einem Umschalter (95) zusammengefaßt sind, der sequentiell die
Streulichtstrahlen umschaltet, so daß diese nacheinander auf den Sensor (97) gerichtet werden.
8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
- daß der erste Lichtleiter ein Faserbündel (82) zum Übertragen des Lichts von der Lichtquelle
(81) zu dem Meßraum in einer vorbestimmten Richtung aufweist, und
- daß jeder zweite und weitere Lichtleiter ein Faserbündel (90-93) aufweist, das den Streulicht-
bzw. transmittierten Strahl empfangt und ihn unter dem jeweiligen Winkel (Θ}-ΘΑ) zu
der vorbestimmten Richtung überträgt.
9. Einrichtung nach den Ansprüchen 5 und 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß
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