DE3250075C2

DE3250075C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der Teilchengrößenverteilung in einem Dampfstrom

Info

Publication number: DE3250075C2
Application number: DE3250075A
Authority: DE
Inventors: Takeshi Sato; Syogo Tsuji; Kengo Shigeta; Akira Uenishi
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1981-06-03
Filing date: 1982-06-02
Publication date: 1996-06-05
Anticipated expiration: 2002-06-03

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur konti nuierlichen Messung des Anteils der kondensierten Phase in einem Dampfstrom.

Die kondensierte Phase im Dampf liegt in Form von Wasser tröpfchen mit sehr kleinem Durchmesser im Bereich von we niger als 1 µm bis zu einigen µm vor, und die Anzahl Was sertropfenteilchen für jeden Durchmesser ist als eine be stimmte Art der Teilchengrößen-Verteilungsfunktion gege ben. 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 Wassertröpf chen. Im Fall einer Dampfturbine korrodieren oder erodieren die Turbinenschaufeln und die Dampfleitungen, und die Aus gangsleistung der Turbine wird verringert. Es ist daher wichtig, den Anteil der kondensierten Phase an verschie denen Stellen des Dampfstroms in der Turbine zu messen bzw. zu erfassen und Maßnahmen zu treffen, um schädliche Erscheinungen auszuschalten, während der Zustand des Dampfes in Verbindung mit den Betriebsbedingungen der Turbine überwacht wird.

Konventionelle Verfahren zum Messen des Anteils der kon densierten Phase sind das Drosselkalorimeter-Verfahren, bei dem von dem zu messenden Naßdampf eine Probe entnom men und der Druck vermindert wird, sowie ein Wärmebi lanz-Verfahren, bei dem die Naßdampfprobe erhitzt wird, um die Feuchtigkeit zu verdampfen, und der Anteil der konden sierten 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 mes sen und daß die Messung vergleichsweise lang dauert und es somit nicht möglich ist, eine kontinuierliche Messung der momentanen Feuchtigkeit vorzunehmen. Es ist eine Dampf feuchtigkeits-Meßeinrichtung bekannt, die auf der Grund lage 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 "De termination of aerosol droplet size and concentration from simple transmittance measurements" von H.R. Carlon et al., Applied Optics 15, 1976, S. 2454-2456). Diese Meßeinrich tung ist so aufgebaut, daß ein Lichtsignal eines durch den zu messenden Naßdampf geschickten Laserstrahls mit einem Lichtsignal eines Lichtstrahls verglichen wird, der kei nen Naßdampf durchsetzt hat. Diese Meßeinrichtung kann jedoch keine hohe Meßgenauigkeit erzielen, wenn nicht der Sautersche mittlere Durchmesser der Wassertröpfchen als Konstantwert von 0,3 µm oder weniger angenommen wird, so daß die Genauigkeit der Messung im Fall eines Naßdampfs mit einem Sauterschen mittleren Durchmesser von mehr als 0,3 µm stark verschlechtert wird. Z.B. kann diese Meßein richtung den Anteil der kondensierten Phase im Naßdampf mit einem Sauterschen mittleren Tröpfchen-Durchmesser von 10-30 µm 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 "Streulicht messungen an Gasen und kondensierten Dämpfen" von H. Mohr mann 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.

In der Druckschrift: Powell, E.A. et al. "Combustion Generated Smoke Diagnostics by Means of Optical Measurement Techniques", AIAA Journ., 1976, Seiten 1-8 ist eine Vorrich tung zur Bestimmung der Teilchengrößenverteilung und der Vo lumenkonzentration eines Aerosols aufgezeigt, die folgende Merkmale aufweist:
Lichtquellen zum Aussenden von Lichtstrahlen mit unter schiedlichen Wellenlängen, einen ersten Lichtweg, über den Licht der Lichtquellen ein Probevolumen beleuchtet, einen zweiten Lichtweg, der das transmittierte Licht zu ersten Photodetektoren führt, wenigstens einen weiteren Lichtweg der das im Probevolumen unter einem Winkel zum einfallenden Licht gestreute Licht führt, und wenigstens einen weiteren Photodetektor, der das Streulicht aus dem weiteren Lichtweg aufnimmt. Ferner ist in dieser Druckschrift auf eine Einrichtung (computer) verwiesen, die so ausgebildet ist (Fortran computer code), daß sie erste und zweite Werte aus den Streulicht- und Transmissionslichtmeßwerten, also aus den von den Photodetektoren abgegebenen Signalen, zu den je weiligen Wellenlängen ermittelt, Werte vergleicht und mit der Teilchengrößenverteilung operiert. Des weiteren ist in dieser Druckschrift dar gelegt, daß und wie aus der Kombination der Messung der Lichtstreuung und -schwächung (also -transmission) unter Ver wendung unterschiedlicher Wellenlängen verschiedene, das Aerosol beschreibende Größen ermittelt werden können, daß die Teilchengrößenverteilungsfunktion vorgegeben werden muß, und daß diese Funktion über Parameter anpaßbar ist.

Ein Feuchtigkeitssättigungsmesser zur Bestimmung von Wasser dampfkondensationstropfen ist aus der US-A-3 540 826 bekannt, bei dem das Licht von der Lichtquelle zu einem ersten und zweiten Photodetektor über Lichtleiter geführt wird.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens und einer Vorrichtung zur fortlaufenden 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 gelöst durch ein Verfahren mit den Merkma len im Anspruch 1 und durch eine Vorrichtung mit den Merkma len im Anspruch 2.

Im allgemeinen ist die Massenkonzentration von Wasser tröpfchen in einem Naßdampfstrom gleich der Trübung, und daher ist die Beziehung zwischen der Intensität Jo eines einfallenden Lichtstrahls und der Intensität J eines über tragenen oder eines gestreuten Lichtstrahls gegeben als:

mit
τ = die Trübung und
l = 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 Be ziehung von Gleichung (1) muß sich dieser Anteil mit der Menge gleichförmiger Wassertröpfchen gleichen Durchmessers ändern. In einem tatsächlichen Naßdampfstrom wird jedoch für verschiedene Tropfenteilchendurchmesser eine bestimmte Teilchengrößen-Verteilung gebildet, entsprechend der Form des Strömungskanals, der Strömungsgeschwindigkeit u. dgl. Bei der Messung eines vielfach-dispersen Teilchensystems wie z. B. eines Naßdampfstroms, in dem verschiedene Tröpf chengrößen und -mengen verteilt sind, muß daher zuerst die Teilchengrößen-Verteilung ermittelt und dann die Massen konzentration auf der Grundlage der Teilchengrößen-Vertei lung bestimmt werden.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Teilchengrößen- Verteilung aus der Intensität von Streulichtstrahlen be stimmt, und das Resultat wird zur Ermittlung des Anteils der kondensierten Phase verwendet.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1A ein Ausführungsbeispiel der Meßvorrichtung nach der Erfindung, wobei ein Detektor im Schnitt und eine elektrische Vorrichtung in Form eines Block schaltbilds dargestellt sind;

Fig. 1B den Detektor von Fig. 1A längs dem Pfeil IB;

Fig. 2 eine Schnittansicht der wesentlichen Teile des Detektors eines weiteren Ausführungsbeispiels der Meßvorrichtung;

Fig. 3A ein Diagramm, das den Aufbau zur Messung des Dampfstromdrucks bei dem Ausführungsbeispiel nach den Fig. 1A und 1B zeigt;

Fig. 3B eine Schnittansicht IIIB-IIIB von Fig. 3A;

Fig. 4A ein Diagramm, das den Aufbau zur Messung der Dampfstromtemperatur bei dem Ausführungsbeispiel nach den Fig. 1A und 1B zeigt;

Fig. 4B eine Schnittansicht IVB-IVB von Fig. 4A;

Fig. 5 ein Ablaufdiagramm, das ein Verfahren zur Bestim mung des Anteils der kondensierten Phase bei den Ausführungsbeispielen der Fig. 1A und 1B und 2 erläutert.

Die Fig. 1A und 1B zeigen ein Ausführungsbeispiel der Meß vorrichtung. Eine Meßsonde 1 ist im wesentlichen zylin drisch, und ihr Vorderende 2 (Meßende) ist in den zu mes senden Dampfstrom eingesetzt und definiert einen Meßraum A. Der Dampf strömt senkrecht zu der Zeichenebene von Fig. 1A, d. h. längs Pfeilen von Fig. 1B. 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 Endab schnitt 2 enthält ein Prisma oder einen Reflektor 7 in Kontakt mit einem Ende des Faserbündels 6, so daß der Lichtstrahl (der einfallende Lichtstrahl) von lichtemit tierenden Elementen 3, 3′, 3′′ über einen optischen Schal ter 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 Faserbün dels 6 um 90° umgelenkt ist; ferner ist ein Prisma oder ein Reflektor 9 an einem Ende des Faserbündels 11 angeord net, so daß der durchtretende Lichtstrahl, also der die gleiche Richtung wie der einfallende Lichtstrahl aufwei sende 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 Streulicht strahlen können als der senkrecht zum einfallenden Licht strahl verlaufende Streulichtstrahl angesehen werden, und anstelle des in der Zeichnung gezeigten, zum einfallenden Licht senkrechten Streulichtstrahls kann ein Streulicht strahl 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 Dampf strom 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 Pris men 7 und 9, die mit dem Dampfstrom im Meßraum A in Kon takt gelangen, haften, was die Übertragung des einfallen den Lichtstrahls und der Streulichtstrahlen nachteilig be einflussen würde, wird in den hohlen Abschnitt 17 der Meß sonde 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 un terschiedlicher 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 Um schalters 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 Fa serbündel 15 zugeführt und in ein Spannungssignal I_S umge wandelt. Der Streulichtstrahl 10, der in die gleiche Richtung wie der einfallende Lichtstrahl 5 verläuft, er reicht dagegen das Prisma 9 und wird von dem Faserbündel 11 zu dem Photodetektor 12 geleitet, der die gleiche Cha rakteristik wie der Photodetektor 16 aufweist, und wird in ein Spannungssignal I_T umgewandelt. Die so erhaltenen Si gnale I_T und I_S werden von Spannungsverstärkern 22 auf ei nen vorbestimmten Pegel verstärkt und einer Signalauswer teeinrichtung 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 Synchroni siereinheit 26 ein Synchronisiersignal zugeführt wird. Die Auswerteinrichtung 27 diskriminiert somit unterschiedli che Wellenlängen der Lichtstrahlen von den lichtemittie renden Elementen und speichert in einem Speicher die Signale I_S und I_T für jede Wellenlänge. Eine Ausgangsein heit 28 hat die Funktion, eine Sichtanzeige der Teilchen größen-Verteilung und der Dampffeuchtigkeit zu liefern, die von der Auswerteinrichtung 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 Naßdampf strom 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 I_T und I_S bei jeder Wellenlänge in der Aus werteinrichtung 27 kann die Teilchengrößen-Verteilung der Wassertröpfchen ermittelt werden. Die Auswerteinrichtung 27 enthält einen üblicherweise verwendeten elektronischen Rechner, der ein Programm zur Bestimmung der Teilchen größen-Verteilung durch Analyse der Signale speichern kann und den Anteil der kondensierten Phase im Dampfstrom aus der Teilchengrößen-Verteilung berechnen kann.

Unter Bezugnahme auf Fig. 2 wird ein weiteres Ausführungs beispiel 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 Faser bündel 52 zum Leiten des einfallenden Lichtstrahls 55 im Mittelabschnitt des zylindrischen Sensorgehäuses angeord net, und ein Faserbündel 53 zum Leiten des Streulicht strahls 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 angeord net, daß sie der Endfläche 61 des Faserbündels 54 zum Leiten des rückwärts gestreuten Lichtstrahls 57 durch den Meßraum B gegenüberliegt, so daß der Vorwärtsstreulicht strahl 56, 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, resultiert, 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 Fa serbündels 52 so geneigt, daß der einfallende Lichtstrahl 55 in den Raum B aus der Richtung des Winkels 6 zur Linie 63 eintritt. Ebenso wie bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 wird der einfallende Lichtstrahl 55 durch Leucht dioden oder Laserdioden erhalten, die Licht unterschied licher Wellenlänge emittieren und die sequentiell ge schaltet werden, und der Vorwärtsstreulichtstrahl 56 so wie der Rückwärtsstreulichtstrahl 57 werden zu den Photo detektoren durch die Faserbündel 53 bzw. 54 zugeführt, so daß die Signale I_T und I_S entsprechend denjenigen von Fig. 1A 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 13 von Fig. 1A dem Vorwärtsstreulichtstrahl 56 und dem Rückwärts streulichtstrahl 57 entsprechen, kann das Ausführungsbei spiel der Fig. 1A und 1B als eine spezielle Form des Aus führungsbeispiels von Fig. 2 angesehen werden, wobei der Meßteil anders ausgebildet ist. Wenn die Form des Meßteils nach Fig. 2 erwünscht ist, kann der Winkel θ 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 Dampf stroms wird unter Bezugnahme auf die Fig. 1A und 1B er läutert.

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 ihrer seits an entsprechende Druckerfasser in einem Rohran schlußstück 111 durch den hohlen Abschnitt 17 der Meßson de 1 angeschlossen sind. Die Druckmesser dienen zum Um setzen des Drucks in ein elektrisches Signal derart, daß aufgrund eines Signals 112 der Druckmesser 113 die Be ziehung zwischen Druck und Spannung in eine Digitalinfor mation 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 A unter einem rechten Winkel zur Strahlungsrichtung des Lichtstrahls gekreuzt werden kann und andererseits im Fall des Einsatzes eines Pilotrohrs mit zylindrischen Löchern, das normalerweise für die Messung von Fluiddrücken ver wendet wird, der Druck des Druckmeßlochs 105 einen Ge samtdruck und die Drücke der Druckmeßlöcher 106 und 107 einen statischen Druck liefern.

Die Fig. 4A und 4B zeigen den Aufbau für die Temperatur messung. Wie im Fall der Druckmessung weist derjenige Teil des vorderen Endabschnitts 2, der in den Zylinder der Meß sonde 1 eingesetzt ist, ein Loch 115 auf, und das Vorder ende eines Thermoelements 116 ist in das Loch 115 vom hoh len Abschnitt 17 der Meßsonde 1 her soweit 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 Auswerteeinrichtung 27 übertragen.

Nachstehend wird eine Methode zum Verarbeiten der Meßsi gnale und zum Berechnen der Teilchengrößen-Verteilung und des Anteils der kondensierten Phase im Dampfstrom unter Bezugnahme auf die Ausführungsbeispiele der Fig. 1A und 1B sowie 2 erläutert.

Diese Methode basiert auf der Grundgleichung

mit

mit
I = Intensität eines Streulichtstrahls,
= Streukoeffizient,
D₃₂ = Sauterscher mittlerer Durchmesser von Wassertröpf chen,
α = πD/2
N(D) = Teilchengrößen-Verteilungsfunktion von Wassertröpf chen,
l = Länge des Lichtwegs,
m_i = Brechzahl eines Wassertröpfchens,
λ = Lichtwellenlänge und
Cv = Volumenkonzentration der Wassertröpfchen.

In dieser Gleichung seien die Wellenlänge des einfallenden Lichtstrahls λ₁, λ₂ und λ₃, die Streukoeffizienten für die jeweiligen Wellenlängen der einfallenden Lichtstrahlen ₁, ₂ und ₃ und die Intensität der Streulichtstrahlen I(λ₁), I(λ₂) und I(λ₃). Es ergibt sich folgende Beziehung:

Die vorliegende Erfindung verwendet die vorstehenden Glei chungen (2) und (5).

Nachstehend wird unter Bezugnahme auf das Ablaufdiagramm von Fig. 5 die Erläuterung fortgesetzt. In Schritt 501 werden die Vorwärtsstreulichtintensität I_T und die Rück wärtsstreulichtintensität I_S entsprechend den einfallenden Lichtwellenlängen λ₁, λ₂ und λ₃ als Meßinformation abge rufen, und Verhältnisse Im(λ₁), Im(λ₂) und Im(λ₃) zwischen der Vorwärts- und der Rückwärtsstreulichtintensität werden aus den jeweiligen Wellenlängen abgeleitet. In Schritt 502 wird die Teilchengrößen-Verteilungsfunktion N(D) angenom men. N(D) hat verschiedene Verteilungsformen einschließ lich der Gammaverteilung, der logarithmischen Normalver teilung 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 D₃₂ errechnet. In Schritt 504 werden C₁₂, C₂₃ und C₃₁ von Gleichung (5) in bezug auf die Glei chungen (2) und (3) berechnet, und die Beziehung von C₁₂, C₂₃ und C₃₁ zu D₃₂ wird bestimmt. In Schritt 505 werden auf der Grundlage von Im(λ₁), Im(λ₂) und Im(λ₃), die aus den Meßdaten erhalten wurden, C₁₂, C₂₃ und C₃₁ entspre chend der Gleichung (5) berechnet, wodurch Sautersche mittlere Durchmesser für die entsprechenden Wellenlängen D₃₂(λ₁), D₃₂(λ₂) und D₃₂(λ₃) auf der Grundlage der in Schritt 504 bestimmten Beziehung erhalten werden. In Schritt 506 wird D₃₂, das in Schritt 503 erhalten wurde, mit D₃₂(λ₁), D₃₂(λ₂) und D₃₂(λ₃) verglichen, um dadurch den Wahrscheinlichkeitsfehler zwischen diesen Werten zu ermitteln. In Schritt 507 wird bestimmt, ob der Wahr scheinlichkeitsfehler ε innerhalb des Toleranzwerts ε_ab liegt, und wenn ε_ab < ε, folgt Schritt 508, in dem der Parameter der Teilchengrößen-Verteilungsfunktion N(D) korrigiert wird, durch die Teilchengrößenverteilung geändert wird; darauf die wiederholte Durchführung der Schritte 503-507 folgt. Wenn dann in Schritt 507 die Beziehung ε_ab < ε erhalten wird, geht der Prozeß zu Schritt 509 weiter. In Schritt 509 werden K(λ₁), K(λ₂) und K(λ₃) auf der Grundlage der so bestimmten Teilchengrößenverteilungs funktion N(D) berechnet, und es wird der Mittelwert K er halten. 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 Ge wicht ρ_f der Wassertröpfchen und das spezifische Gewicht ρ_g des Gases aus den Druck- und Temperatur-Meßdaten er rechnet, wodurch der Anteil Y der kondensierten Phase aus der folgenden Gleichung bestimmt werden kann:

Mit der Durchführung der vorgenannten Prozeßschritte werden die Teilchengrößen-Verteilung N(D) und der Anteil Y der kondensierten Phase bestimmt.

Bei den vorstehend erläuterten Ausführungsbeispielen wird die Tatsache, daß die Intensität des von den Wassertröpf chen gestreuten Lichtstrahls von der Wellenlänge abhängt, dazu genutzt, die Teilchengrößen-Verteilung der Wasser tröpfchen zwecks Bestimmung des Anteils der kondensierten Phase zu berechnen. Da die Intensität des von den Wasser tröpfchen im Naßdampf gestreuten Lichtstrahls sich mit dem Winkel in bezug auf den einfallenden Lichtstrahl ändert, ist es jedoch möglich, die Teilchengrößen-Verteilung da durch 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 geän dert wird.

Wie oben erläutert, wird eine Meßvorrichtung geschaffen, die den Anteil der kondensierten Phase im Dampfstrom aus der Beziehung zwischen der Wellenlänge des einfallenden Lichts und dem Streuwinkel des Streulichtstrahls nach Maßgabe der Teilchengrößen-Verteilung von Wassertröpfchen, wenn das auf die Wassertröpfchen im Dampfstrom strahlende Licht gestreut wird, bestimmt. Ein Vergleich dieser Meß vorrichtung, mit der konventionellen Meßeinrichtung, bei der unter Anwendung der Drosselkalorimeter-Methode von dem zu bestimmenden Naßdampf eine Probe entnommen und der Dampfdruck vermindert wird, oder mit dem Wärmebilanz Ver fahren, bei dem der untersuchte Naßdampf erhitzt wird, um die Feuchtigkeit zu verdampfen und so die Feuchtigkeit aus der Wärmebilanz zu bestimmen, zeigt die Vorteile der hier angegebenen Meßeinrichtung wie folgt auf:

(1) Es wird ein Meßraum in den Naßdampfstrom eingebracht, so daß keine Probeentnahme erforderlich ist.
(2) Der Lichtstrahl wird als ein Medium eingesetzt, das ohne Probeentnahme eine Hochgeschwindigkeitsübertra gung ermöglicht, so daß der Anteil der kondensierten Phase unmittelbar gemessen werden kann, ohne daß der Dampf durch Druckminderung oder Erhitzen des Naßdamp fes verarbeitet werden muß.
(3) Da ein kleiner Meßraum vorgesehen ist, kann die ört liche Feuchtigkeit bestimmt werden. Angesichts dieser Vorteile ist die angegebene Meßeinrichtung in weitem Umfang für die Messung der Feuchtigkeitsverteilung über die Länge der statischen und der umlaufenden Schaufel einer Dampfturbine sowie für die Messung der Feuchtigkeit der Strömungswege einer Dampfturbine einsetzbar. Wenn die Meßeinrichtung an einer bestimm ten Stelle im Dampfweg der Dampfturbine angeordnet ist, kann sie auch als Detektor zur Überwachung der Betriebszustände der Dampfturbine eingesetzt werden.

Die Meßvorrichtung ist hauptsächlich dafür gedacht, den Anteil der kondensierten Phase im Naßdampf zu messen, sie kann aber auch zum Messen der Flüssigkeitsmenge, die in Form von Tröpfchen in einem Fluidgemisch aus Gas und Flüs sigkeit enthalten ist, eingesetzt werden.

Claims

1. Verfahren zur fortlaufenden Messung des Anteils der kon densierten Phase in einem Dampfstrom, bei dem Licht mit drei unterschiedlichen Wellenlängen (λ₁, λ₂, λ₃) ein Probevolumen im Dampfstrom beleuchtet und das durch das Probevolumen transmittierte Licht, sowie aus dem Probevolumen reflektiertes bzw. gestreutes Licht erfaßt und ausgewertet wird, wobei die Auswertung folgende Schritte umfaßt:

- Ableiten (501) von Verhältniswerten I_m(λ₁), I_m(λ₂), I_m(λ₃) aus der Intensität des transmittierten und des reflektierten bzw. des gestreuten Lichts;
- Annehmen (502) einer Teilchengrößenverteilung N(D) von Wassertröpfchen;
- Berechnen (503) eines ersten Wertes D₃₂ des Sauterschen mittleren Durchmessers auf der Grundlage der angenommenen Teilchengrößenverteilung N(D);
- Berechnen (504) von Streukoeffizienten (λ₁), (λ₂), (λ₃) sowie von Streukoeffizientenverhältnissen C₁₂, C₂₃, C₃₁ und Bestimmung der Beziehung von C₁₂, C₂₃, C₃₁ zu D₃₂, dem Sauterschen mittleren Durchmesser;
- Berechnen (505) von weiteren Werten D₃₂ (λ₁), D₃₂ (λ₂), D₃₂ (λ₃) des Sauterschen mittleren Durchmessers auf der Grundlage der Verhältniswerte I_m(λ₁), I_m(λ₂), I_m(λ₃) und der im vorhergehenden Schritt bestimmten Beziehung zwischen den C₁₂, C₂₃, C₃₁ und D₃₂;
- Vergleichen (506) der weiteren Werte D₃₂(λ₁), D₃₂(λ₂), D₃₂(λ₃) mit dem ersten Wert D₃₂, der mit der angenommenen Teilchengrößenverteilung N(D) berechnet wurde,
- Berechnen eines Wahrscheinlichkeitsfehlers ε zwischen den bestimmten Werten des Sauterschen mittleren Durchmessers,
- Vergleichen von ε mit einem vorgegebenen Toleranzwert ε_ab (507)
- wenn ε < ε_ab ist, Annehmen (508) einer um einen Korrektur parameter geänderten Teilchengrößenverteilung N(D) und erneute Durchführung der Schritte von der Berechnung eines ersten Wertes D₃₂ an,
- wenn ε < ε_ab ist,
- Berechnen von (λ₁), (λ₂), (λ₃) mit N(D) und Ab leiten eines Wertes (509),
- Berechnen (510) der Volumenkonzentration C_v der Tröpfchen auf der Grundlage von D₃₂ und sowie Berechnen (511) der Feuchtigkeit (Y) des Dampfes.

2. Vorrichtung zur fortlaufenden Messung des Anteils der kondensierten Phase in einem Dampfstrom, mit

- einer Lichtquelle (3, 3′, 3′′), wobei
- die Lichtquelle lichtemittierende Elemente (3, 3′, 3′′) zum Aussenden von Lichtstrahlen mit unterschied lichen Wellenlängen sowie einen Umschalter (23) zur sequentiellen Zuführung der mehreren Lichtstrahlen zu einem ersten Lichtleiter (6, 7; 52) aufweist,
- wobei der erste Lichtleiter (6, 7; 52) mit dem Licht der Lichtquelle ein Probenvolumen (A; B) im Dampf strom beleuchtet,
- einem zweiten Lichtleiter (11, 9), der das transmit tierte Licht (10) erfaßt,
- einem ersten Photodetektor (12), der das transmit tierte Licht (10) des zweiten Lichtleiters aufnimmt und ein erstes Signal I_T abgibt,
- wenigstens einem weiteren Lichtleiter (90, 91, 92), der das im Probenvolumen gestreute Licht (13) unter einem Winkel zum einfallenden Licht (5) erfaßt,
- wenigstens einem weiteren Photodetektor (16), der das Streulicht des weiteren Lichtleiters aufnimmt und wenigstens ein weiteres Signal I_S abgibt,
- einem Druckmesser (105-107, 113), der den Druck im Pro benvolumen erfaßt und ein Signal I_P abgibt,
- einem Temperaturmesser (115-117, 119), der die Temperatur im Probenvolumen erfaßt und ein Signal I_K abgibt, und
- einer Auswerteeinrichtung (27), die so ausgebildet ist, daß sie die Auswerteschritte gemäß Anspruch 1 ausführt.

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 transmittierten Lichts der vorbestimmten Richtung sowie ein zweites Lichtweg-Umlenkelement (9) zum Richten des Lichtstrahls 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 ge streut werden, und zum Übertragen dieser senkrecht gestreu ten Lichtstrahlen aufweist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, gekennzeichnet durch

- eine Steuereinheit (24), die ein Steuersignal aufgrund eines Befehls von der logischen Auswerteeinrichtung (27) erzeugt,
- und eine Synchronisiereinheit (26) zum Erzeugen eines Syn chronisiersignals für die logische Auswerteeinrichtung (27) aufgrund des Steuersignals.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,

- daß die Steuereinheit (24) ein Steuersignal zur Steuerung der lichtemittierenden Elemente (3, 3′, 3′′) und des Um schalters (23) der Lichtquelle erzeugt und
- daß die logische Auswerteeinrichtung (27) elektrische Signale speichert, die den Intensitäten der Streulicht strahlen bei jeweiligen Wellenlängen des einfallenden Lichtstrahls entsprechen.