DE3623907A1

DE3623907A1 - Verfahren und vorrichtung zur messung der qualitaet eines dampfes

Info

Publication number: DE3623907A1
Application number: DE3623907A
Authority: DE
Inventors: Charles E Miller; Gerald L Schlatter; Louis T Yoshida
Original assignee: Engineering Measurements Co
Current assignee: Engineering Measurements Co
Priority date: 1985-07-16
Filing date: 1986-07-15
Publication date: 1987-02-05
Also published as: US4679947A; JPS6276437A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf die Dampfanalyse und speziell auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ermitteln und Überwachen der Qualität, d. h. des Wärme- oder Energieinhalts von Dampf in Dampfsystemen.

Dampfsysteme werden hauptsächlich in der Industrie dazu benutzt, Wärme zu erzeugen und an Punkte zu liefern, wo Wärme ausgenutzt werden soll. Die gelieferte Wärmemenge steht selbstverständlich direkt zur Arbeit, die mit der Wärme ausgeführt werden kann, in Beziehung. Es ist daher notwendig, die von dem Dampfsystem gelieferte Wärmemenge zu erfassen, damit eine gerechte Abrechnung mit dem Verbraucher durchgeführt werden kann. Ohne eine genaue Abrechnung der gelieferten Wärmemenge ist eine wirksame und genaue Verwaltung eines Dampfsystems völlig unmöglich.

Vor der vorliegenden Erfindng war eine solche Dampfsystem- Verwaltung auf sehr viele Vermutungen angewiesen, die wirklich nicht viel besser als Schätzungen waren. Manche Einrichtungen, wie beispielsweise moderne Dampfturbinen sind sehr komplizierte Maschinen, die ausgeklügelte Regelungen und Steuerungen verlangen. Der Zustand des einer solchen Einrichtung zugeführten Dampfes ist kritisch, wenn ein optimaler Wirkungsgrad erzielt werden soll und die Notwendigkeit der Wartung auf ein Mindestmaß herabgesetzt werden soll. Es besteht daher ein großes Bedürfnis nach einem praktikablen Verfahren und einer Vorrichtung zum Messen und Überwachen des Wärmeenergiegehalts einer Dampfströmung an verschiedensten Punkten in Dampfsystemen. Vor dieser Erfindung standen solche praktikablen Verfahren und Vorrichtungen jedoch nicht zur Verfügung.

Wenn gesättigter Dampf Energie abgibt, tritt eine Kondensation auf und die Grundnatur des Dampfes ändert sich. Anstatt ein konsistenter, homogener Dampf zu sein, wie dies im Falle von überhitztem oder gesättigtem Dampf der Fall ist, ist Naßdampf ein Gemisch aus flüssigen Wasserpartikeln mit Wasserdampf. Die flüssigen Wasserpartikel und der Wasserdampf existieren gemeinsam in dem Dampfsystem bei derselben Temperatur. Dieser Zustand ist als Zweiphasenströmung bekannt. Je mehr Energie dem Naßdampf entzogen wird, wie dies in Wärmetauschern der Fall ist, umso mehr Dampf kondensiert zu Wasserpartikeln, bis schließlich nur noch flüssiges Wasser zurückbleibt. An diesem Punkt ist das meiste der ausnutzbaren Energie dem Dampf entnommen worden.

Der Energie- oder Wärmegehalt von gesättigtem oder übergesättigtem Dampf kann einfach mit Hilfe von Temperatur- und/oder Druckmessungen im Dampfsystem ermittelt werden. Leider ist diese Aufgabe in Naßdampfsystem, in denen eine Zweiphasenströmung auftritt, nicht einfach auszuführen. Die Physik, die die Strömung von zweiphasigen Fluiden, wie beispielsweise Naßdampf, bestimmt, ist noch nicht vollständig erforscht. Vereinfachte mathematische Modelle, die aus den Gesetzen der Thermodynamik und der Strömungsmechanik abgeleitet sind, können, so nützlich sie bei der Vorherbestimmung von Strömungen in einphasigen Flüssigkeiten und Gasen sind, nicht mehr angewendet werden, wenn zwei Phasen koexistent sind.

Die Verteilung der Wasserflüssigkeitspartikel in einem Rohr, das einen Naßdampf unter Strömungsbedingungen enthält, ist wenig vorherbestimmbar und ändert sich mit Änderungen in der Rohrgeometrie, der Strömungsrichtung, der Temperatur und dgl. Die Wasserpartikel- und Wasserdampf- Phasen strömen mit unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten, wobei die Wasserpartikel gegenüber dem Wasserdampf verzögert sind. Manchmal kann man eine ziemlich gleichmäßige Verteilung von kleinen Tröpfchen flüssigen Wassers erreichen, die im Wasserdampf strömen, ein anderes Mal vereinigen sich jedoch die flüssigen Wassertröpfchen zu größeren Tropfen, die durch das Rohr strömen. Diese größeren Tropfen flüssigen Wassers können durch eine strudelnde oder turbulente Strömung auch zu langgestreckten, amorphen Massen ausgedehnt werden, die sich durch das Rohr schlängeln. Unter manchen Bedingungen strömt ein dünner Film flüssigen Wassers über die inneren Oberflächen des Rohres, zusammen mit den anderen, oben beschriebenen Strömungsformen. Diese sich ändernden und unvorhersehbaren Strömungsphänomina bilden ein erhebliches und bislang ungelöstes Problem bei der Messung. Die Literatur enthält eine Reihe theoretischer Abhandlungen, in denen versucht wird, mehr idealisierende Modelle einer zweiphasigen Strömung zu behandeln, leider haben diese jedoch wenig Folgen oder Nutzen für das Verständnis der wirklich existierenden Bedingungen, die in der gewerblichen Wirklichkeit angetroffen werden.

Die Gesamtenergie, die in Naßdampf enthalten ist, ist gleich der Summe der Energie in der Wasserpartikelphase und der Wasserdampfphase. Die Dampfqualität Q gibt das Gewichtsverhältnis jeder Phase an. Die Energie oder der Wärmegehalt von Naßdampfsystemen ist daher eine Funktion der Dampfqualität, wobei die Dampfqualität Q definiert ist als das Verhältnis der Dampfmasse M _v, die in einem spezifischen Volumen V _o enthalten ist, zur Gesamtmasse N _t der Fluide in dem Dampfsystem.

Da die Wärmeenergie in den flüssigen Wasserpartikeln und die Wärmeenergie in dem Wasserdampf bekannte Funktionen der Temperatur sind, ist es theoretisch möglich, die Energie zu bestimmen, die in einer Naßdampfprobe enthalten ist, indem man eine genaue Messung der Dampfqualität Q ausführt. Vor der vorliegenden Erfindung gab es jedoch kein Instrument und war keine Technik zur Bestimmung oder Messung der Dampfqualität in kommerziellen oder gewerblichen Dampfsystemen bekannt, die zuverlässig und kontinuierlich arbeiten. Da die Dampfqualität bislang nicht gemessen werden konnte, arbeiten viele Industriedampfsysteme unwirtschaftlich und es ist schwierig, wenn nicht gar unmöglich, den Energieverbrauch unter einer Anzahl von Dampfverbrauchern eines Dampfsystems genau abzurechnen oder die augenblicklich an einem Verbrauchspunkt eines Dampfsystems gelieferte Wärmeenergie zu überwachen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Naßdampfqualität und damit der Energie von Dampf anzugeben. Diese Bestimmung sollte dabei insbesondere in Naßdampfströmungssystemen möglich sein.

Diese Aufgabe wird hinsichtlich der Vorrichtung durch die im Anspruch 1 angegebene Erfindung, hinsichtlich des Verfahrens durch die im Anspruch 25 angegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand weiterer Ansprüche.

Die Erfindung ist in einem industriellen Naßdampfverteilungssystem anwendbar, um die Dampfqualität an ausgewählten Punkten im System zu bestimmen und zu überwachen. Diese Bestimmung ist genau, zuverlässig, billig und einfach handhabbar.

Bei der Erfindung wird Naßdampf oder eine repräsentative Probe davon gesammelt und durch einen Dichtemesser geleitet, um die Rohdichte oder Masse pro Einheitsvolumen des Naßdampfes zu bestimmen. Weiterhin wird die Temperatur des Dampfes gemessen und es wird die Dampfdichte oder Masse der Dampfphase bestimmt und aus diesen Meßwerten wird die Dampfqualität ermittelt. Der Dampf wird dazu durch ein durchgehendes Rohr oder eine Kammer geleitet, wobei die Kammer ins Vibrieren gebracht wird und die Grundfrequenz der vibrierenden Kammer bzw. des vibrierenden Rohrs bestimmt wird. Die Rohdichte wird als Funktion dieser Grundfrequenz ermittelt. Mittels eines Computers werden die Temperatur und die Grundfrequenz überwacht und werden die Dampfqualitätswerte berechnet und ausgegeben und die Schwingungsfrequenzen werden geregelt. Eine Verbesserung des Verfahrens sieht vor, das Dampfrohr auf einen kleineren Durchmesser zu stauchen oder zu reduzieren und den Flüssigkeitsfilm von der inneren Oberfläche des Dampfrohres an der Engstelle abzustreifen, um eine gleichmäßige Mischung von Dampf- und Flüssigphasen am Probenentnahmeort zu erzielen.

Um diese und die anderen Ziele in Übereinstimmung mit dem Zweck der vorliegenden Erfindung, wie hier dargestellt und beschrieben, zu erzielen und um das Verfahren nach der Erfindung auszuführen, sieht die Erfindung vor, eine kontinuierliche Strömung durch einen Dichtemesser und eine Temperatur-Sensoreinrichtung zu erzeugen, um Massendichte- und Dampfdichte-Werte zu erhalten, die notwendig sind, um die Dampfqualität zu bestimmen. Der Dichtemesser kann zwei Röhren enthalten, die an gemeinsamen Massenendknoten montiert sind, eine Magnetspule um die Röhren in Schwingung zu versetzen und Dehnungsmeßstreifen an einem der Röhren, um die Schwingungen zu messen.

Ein Computer ist mit dem Temperatursensor und dem Dehnungsmeßstreifen verbunden, um jene Meßwerte zu überwachen, und mit einem Spulenerregungsregler, um die Schwingungsfrequenz über ein Band zu verändern, das die Grund- oder Resonanzfrequenz der Röhren und der Verbindungsstruktur enthält, wenn der Naßdampf hindurchströmt. Der Computer kann auch schnell die Dampfqualität und zugehörige Daten errechnen und ausgeben.

Die Vorrichtung enthält weiterhin eine Entnahmevorrichtung zum Ableiten einer repräsentativen Probe nach Naßdampf aus einem Hauptdampfsystemrohr, um die Probe durch die Dichtemesserkammern strömen zu lassen und sie in das Dampfrohr zurückzuführen. Ein Reduzierrohr oder eine Stauchkupplung und ein Filmabstreifer sind im Hauptdampfrohr unmittelbar stromaufwärts von der Probenentnahmevorrichtung angeordnet, um eine vollständige Durchmischung der Flüssig- und Dampf-Phasen am Probenentnahmeort zu begünstigen.

Die begleitenden Zeichnungen zeigen eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung und dienen dazu, die Erfindung und deren Grundlagen nachfolgend näher zu erläutern. Es zeigt:

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung des Dampfqualitätsmessers nach der vorliegenden Erfindung, wobei Teile des Gehäuses weggebrochen sind, um Bauteile im Inneren zu zeigen;

Fig. 2 eine Seitenansicht des Dampfqualitätsmessers nach der vorliegenden Erfindung;

Fig. 3 eine vergrößerte Querschnittsdarstellung des Dampfqualitätsmessers nach der vorliegenden Erfindung im Schnitt längs der Linie 3-3 von Fig. 2;

Fig. 4 ein Blockschaltbild des Steuerkreises des Dampfqualitätsmessers nach der vorliegenden Erfindung;

Fig. 5 ein Blockschaltbild eines alternativen Steuerkreises für den Dampfqualitätsmesser nach der vorliegenden Erfindung;

Fig. 6 ein einfaches mechanisches Schwingungssystem, das zur Beschreibung der Betriebstheorie der Erfindung dient;

Fig. 7 einen langgestreckten, tubusförmigen Behälter, der zur Beschreibung der Betriebstheorie dieser Erfindung verwendet wird und

Fig. 8 eine Darstellung eines langgestreckten tubusförmigen Behälters, der in einzelne Sektionen unterteilt ist, wobei Fig. 8 dazu dient, die Betriebstheorie der Erfindung näher zu beschreiben.

Ein Dampfqualitätsmesser 10 nach der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 1 an einer Dampfströmungsleitung S in einem typischen Dampfverteilungssystem angebaut dargestellt. Um das Verfahren und die Vorrichtung nach dieser Erfindung zur Bestimmung und Überwachung der Dampfqualität und somit des Wärme- oder Energiegehaltes in einem Naßdampfsystem, in dem eine zweiphasige Fluidströmung angetroffen ist, zu verstehen, ist es hilfreich, ie Theorie, die dieser Erfindung zugrunde liegt näher zu beleuchten.

Wie weiter oben diskutiert worden ist, sind die Wärmeenergie in der flüssigen Wasserphase und die Wärmeenergie in der Wasserdampfphase wohlbekannte Funktionen der Temperatur und der Massen dieser zwei Phasen. Die Dampfqualität Q ist ein Ausdruck des Verhältnisses der Massen der Flüssig- und der Dampfphase zueinander, so daß die Gesamtwärmeenergie des Naßdampfes eine Funktion der Dampfqualität Q ist. Wenn die Dampfqualität Q für einen strömenden Naßdampf genau gemessen werden kann, dann kann folglich die Wärmeenergie in der Naßdampfströmung mit Hilfe der bekannten Enthalpie-Verhältnisse genau bestimmt werden.

Die Dampfqualität Q für ein Volumen V _o Naßdampf ist definiert als das Massenverhältnis des in dem Volumen V _o enthaltenen Dampfes zur Gesamtmasse M _t der Fluide in diesem Volumen. Es ist daher:

Das Verfahren und die Vorrichtung nach dieser Erfindung macht von dem Dichteverhältnis zwischen der Flüssig- und der Dampfphase und der Massendichte des gesamten Fluides in dem Volumen Gebrauch, um die Dampfqualität Q zu bestimmen. Die Massendichte des Naßdampfes ist wie folgt definiert:

Da die Gesamtmasse M _t gleich der Summe der Masse des Dampfes M _v und der Masse der Flüssigkeit M _L ist, gilt:

Das von jeder Phase eingenommene Volumen ist daher wichtig, und das Verhältnis zwischen dem Volumen V _v des Dampfes und dem Gesamtvolumen V _o kann ausgedrückt werden als der "Leerbruchteil" α gemäß folgender Gleichung:

Da das Gesamtvolumen V _o die Summe des Flüssigkeitsvolumens V _L und des Dampfvolumens V _v ist, gilt:

und

Aus der Gleichung (4) ergibt sich:

so daß sich aus einer Kombination der Gleichungen (6) und (7) ergibt:

Da die Dichte definiert ist als Masse pro Einheitsvolumen, gilt:

Die Flüssigkeitsmasse M _L und die Dampfmasse M _v umgerechnet in Dichte ergeben daher:

und auf das Gesamtvolumen V _o bezogen:

und

Die Gleichungen (9) und (10) zeigen die Verhältnisse und

Wenn man die Gleichungen (11) und (13) mit der Gleichung (3) kombiniert, ergibt sich eine Definition der Massendichte in Abhängigkeit von dem Lehrfaktor α wie folgt:

Daher gilt

und der Lehrfaktor α, ausgedrückt in Dichtewerten ist:

Wenn man dann die Verhältnisse in den Gleichungen (9) und (10) mit der Dampfqualität Q von Gleichung (1) kombiniert, ergibt sich:

Wenn man schließlich die Gleichung (15) in die Gleichung (16) einsetzt, um den Lehrfaktor zu beseitigen, ergibt sich ein Ausdruck für die Dampfqualität Q der nur von Dichtewerten abhängt, wie folgt:

Wenn die Flüssigkeitsdichte ρ _L stets gleich groß ist im Vergleich zur Dampfdichte p _v, d. h. wenn ρ _L»ρ _v, dann läßt sich eine sehr nützliche Vereinfachung der Gleichung 17 wie folgt erzielen:

Das Ergebnis ist, daß die Dampfqualität Q im wesentlichen als das Verhältnis der Dampfdichte ρ _v zur Massen oder Durchschnittsdichte ist.

Glücklicherweise sind für die Zwecke der vorliegenden Erfindung die Dampfdichte ρ _v und die Flüssigkeitsdichte p _L gut bekannte Funktionen der Temperatur T. Während die genauen funktionellen Verhältnisse mathematisch komplex sind, lassen sie sich doch durch Mikrocomputer, die eine Realzeitmessung der Wasserdampfdichte ρ _v und der Flüssigkeitsdichte ρ _L vorsehen, sehr leicht handhaben.

Die hauptsächliche Variable der Bestimmung der Dampfqualität Q ist die Massendichte . Das besten Verfahren zur Bestimmung der Massendichte besteht theoretisch darin, ein Fluid bekannten Volumens zu wiegen. Leider können die üblichen Wiegetechniken auf zweiphasige strömende Fluide, wie beispielsweise Naßdampf, nicht erfolgreich angewendet werden, es sei denn, unter ziemlich idealen Laborbedingungen. Das Problem ist besonders dort schwierig, wo solche Gewichtsmessungen an strömenden zweiphasigen Fluiden versucht werden, wo die Phasenverteilungen sich ständig ändern und wo die einzelnen Phasen sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten in dem System bewegen.

Das Verfahren und die Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung lösen diese vorgenannten Probleme und schaffen eine wirksame, genaue und relativ einfache effektive Messung der Massendichte des strömenden zweiphasigen Naßdampfes durch Anwendung der physikalischen Prinzipien schwingender Stangen. Die vorliegende Erfindung enthält daher eine Vibrationsdichtemesseranordnung zum Ermitteln eines Massendichtewertes für die Verwendung zusammen mit den Verhältnissen zwischen der Temperatur T der Dampfdichte ρ _v und der Flüssigkeitsdichte ρ _L, um einen Wert für die Dampfqualität Q daraus abzuleiten.

Ein einfaches Modell ist beispielsweise in Fig. 6 dargestellt und besteht aus einem Behälter 110 der Masse M _c, der ein Fluid 112 der Masse M _f aufnimmt und der an einer Feder 114 der Federkonstante K aufgehängt ist. Der Behälter 110 schwingt in einer einfachen harmonischen Bewegung. eine direkte Anwendung des Newtonschen Gesetzes auf ein solches einfaches harmonisches System zeigt, daß die Schwingungsfrequenz f umgekehrt proportional zur Quadratwurzel der Masse M _c des Behälters 110 und der Masse M _f seines Flüssigkeitsgehalts 112 ist. Es gilt demnach:

In Gleichung (2) ist die Massendichte wie folgt definiert:

Wenn daher die Masse des gesamten Fluides M _t in Gleichung (3) das Äquivalenz der Masse M _f des Fluides 112 im Behälter 110 in Gleichung (19) ist, und man substituiert, dann ergibt sich:

Zerlegt man die Gleichung (20) und löst man sie nach der Massendichte auf, ergibt sich

Wenn man eine Variable A = K/V _o und eine Variable B = M _c/V _o definiert und in die Gleichung (21) einsetzt, dann zeigt das Ergebnis einen Ausdruck für die Massendichte als Funktion der Frequenz f wie folgt:

Die Gleichung (22) ist daher ein Grundgesetz, das einen Vibrationsdichtemesser beschreibt. Da die Frequenz f mit extremer Genauigkeit gemessen werden kann, ist es äußerst attraktiv, dieses Verhältnis zu verwenden, um die Dichte durch Frequenzmessung zu ermitteln. Um jedoch von praktischem Wert zur Vermessung der Dichte eines strömenden Fluides zu sein, ist ein Durchströmungsbehälter beinahe wesentlich.

Zwecke dieser theoretischen Analyse dienen. In vereinfachtem Sinn ist zum Vergleich mit dem mechanischen Schwingungssystem nach Fig. 6 die Länge einer hohlen Röhre 120 als aus einer Serie von einzelnen Behältern 122 anzusehen, die miteinander durch flexible Abschnitte oder Bälge 124 verbunden sind, wie in Fig. 8 gezeigt. Jeder Röhrenabschnitt 122 in Fig. 8 ist daher ein Analogon zum Behälter 110 in Fig. 6, und jeder flexible Abschnitt oder Balg 124 in Fig. 8 ist ein Analogon zur Feder 114 in Fig. 6. Jeder rohrförmige Behälter 122 in Fig. 8, der von einem Balg 124 getragen wird, kann daher eine einfache harmonische Bewegung ähnlich dem Behälter 110 ausführen, der gemäß Fig. 6 von einer Feder 114 getragen wird. Im Gegensatz zu dem Einzelbehältermodell nach Fig. 6 kann jedoch die Gesamtstruktur nach Fig. 8 in einer Vielzahl unterschiedlicher Frequenzen (harmonischen) und Schwingungsarten schwingen.

Gemäß einem mathematischen Modell, daß auf Infinitesimalrechnung und Differentialgleichungen beruht, deren Einzelheiten für die Erläuterung der vorliegenden Erfindung nicht erklärt zu werden brauchen, können die Größen der Röhrenabschnittsbehälter 122 und der Bälge 124 vermindert und ihre Anzahl ins Unendliche gesteigert werden, obwohl sie mathematisch äquivalent der festen Länge der Röhre 120 in Fig. 7 sind. An der vorgenannten Unendlichkeitsgrenze ist das Modell in Fig. 8 daher mathematisch identisch dem Modell in Fig. 7. Die Röhre 120 in Fig. 7 wirkt daher wie die Bälge 124 in Fig. 8 und die Feder in Fig. 6.

Obgleich es so erscheint, daß die Röhre 120 steif ist, so ist sie doch in Wirklichkeit elastisch und biegt sich unter einer Last in einer sehr gut vorhersehbaren Weise, als dies die vertrautere Schraubenfeder 114 tut. Der Hauptunterschied besteht darin, daß die Biegung der Röhre 120 sehr klein und für das menschliche Auge nicht wahrnehmbar ist. Dieser Unterschied in der Größe der Biegungen beeinflußt jedoch nicht die Gültigkeit der mathematischen und physikalischen Gleichungen, die die Schwingung oder Vibration der Röhre 120 beschreiben. Die grundsätzlichen physikalischen Gesetze, die das dynamische Verhalten des Einzelbehältermodells in Fig. 6 regieren, sind daher tatsächlich auch in Bezug auf das Röhrenmodell nach Fig. 7 gültig. Die Massendichte des Fluides in der Röhre hat daher einen direkten Einfluß auf die Frequenz, mit der die Röhre 120 unter Last schwingt. Speziell ist die Massendichte umgekehrt proportional zum Quadrat der Frequenz, d. h. zu f ², wie in der Gleichung (22) gezeigt ist. Durch Messung der Resonanzfrequenz f schwingenden Röhre 120 läßt sich daher ein Wert für die Massendichte des Fluides in der Röhre bestimmen. Wie oben erwähnt, kann die Frequenz f der Schwingung sehr genau gemessen werden, so daß eine sehr genaue Bestimmung der Massendichte durch Messung der Resonanzfrequenz f der schwingenden Röhre 120 erhalten werden kann.

Da die Dichten der Flüssigkeits- und der Dampfphasen (p _L,ρ _v) aus der Temperatur T des Dampfes ermittelt werden können, wie oben diskutiert worden ist, und die Massendichte des Fluides nun aus der Resonanzfrequenz f der Röhre 120 ermittelt werden kann, läßt sich aus der Gleichung (18) die Qualität Q des Dampfes bestimmen. Die Qualität Q von Naßdampf läßt sich daher durch Überwachung der Dampftemperatur T und der Frequenz f der resonanten Schwingung der Röhre 120 ermitteln.

Es ist wichtig zu erwähnen, daß die Wasserdampftemperatur eine Funktion des Drucks bei gesättigtem Dampf ist. Wenn die vorliegende Beschreibung der Erfindung hauptsächlich Temperaturmessungen erläutert, um die Dampfdichte ρ _v zu bestimmen, so versteht sich daher doch, daß eine solche Bestimmung auch mit Hilfe einer Druckmessung möglich ist. Die Ausnutzung des Drucks zur Bestimmung der Dampfdichte ρ _v wird daher als äquivalent zur Messung der Temperatur für diesen Zweck der Erfindung angesehen.

Einer der wichtigsten Vorteile der Anwendung einer Frequenzmessung der Schwingung einer Durchflußröhre 120 bei der Bestimmung der Dampfqualität Q ist die Ansprechgeschwindigkeit. Wenn beispielsweise die Röhre 120 mit etwa 4000 Hz schwingt, dann werden schnelle Veränderungen der Masse der zweiphasigen Naßdampfströmung der Röhre 120 sofort in Änderungen der Resonanzfrequenz f umgesetzt, die man mit großer Genauigkeit innerhalb von Millisekunden ermitteln und messen kann.

Ein weiterer bedeutsamer Aspekt ist, daß aufgrund der geringen Gesamtmasse des zweiphasigen Fluids in einem Naßdampfsystem eine außerordentliche Empfindlichkeit zur Ermittlung kleiner Änderungen in den Flüssigphase- Konzentrationen erforderlich ist. Große Beschleunigungsfelder, die in der schwingenden Röhre 120 vorhanden sind, bedeuten, daß relativ große Kraftänderungen für kleine Massenänderungen erzeugt werden. Je größer die Beschleunigung, umso größer die Kraft. Kleine Änderungen in der zweiphasigen Fluidmasse sind daher mit extremer Genauigkeit ermittelbar, indem man die resultierenden, dramatischeren Änderungen der Frequenz der schwingenden Röhre 120 mißt.

Im Anschluß an die obige theoretische Abhandlung der bei der vorliegenden Erfindung ausgenutzten Prinzipien erscheint es nun angebracht, das spezifische Verfahren und die spezielle Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung, die zur Ermittlung der Dampfqualität Q und damit des Wärme- und Energiegehalts in einem Dampfsystem mit zweiphasigem Naßdampf angewendet werden, zu erläutern. Dieses Verfahren und die Vorrichtung nutzen die Grund- oder harmonische Frequenz einer Röhre aus, durch die ein zweiphasiges Fluid strömt, zusammen mit der Temperatur des Fluids, um die Dampfqualität Q des Fluides zu ermitteln.

Die Dampfqualitätsmeßvorrichtung 10 nach der vorliegenden Erfindung ist in den Fig. 1 und 2 auf einer üblichen Dampfsystemströmungsleitung S montiert dargestellt. Sie besteht aus einem schwingenden Röhrendichtemesser 60, der in einem zylindrischen Gehäuse 12 angeordnet ist. Das zweiphasige Fluid aus der Dampfströmungsleitung S wird dem Dichtemesser 60 duch das Standrohr 20 zugeführt, das sich in das Innere der Dampfströmungsleitung S erstreckt und darauf mit einer Überwurfkupplung 30 befestigt ist. Ein Gehäuse 14 für die elektrischen Komponenten ist mittels eines Rohrstutzens 16 an dem Gehäuse 12 angebracht.

In der Querschnittsdarstellung nach Fig. 3 erkennt man den Aufbau und die funktionellen Merkmale des Dampfqualitätsmessers 10 nach der vorliegenden Erfindung in seinen Einzelheiten. Der Dampfqualitätsmesser 10 verwendet einen Dichtemesser 60 aus zwei hohlen Röhren 62, 72, die an jedem Ende fest eingespannt sind. Die Dampfproben aus der Dampfströmungsleitung S strömen ständig durch diese Röhren 62 und 72. Die Röhren werden in ähnlicher Weise, wie eine Stimmgabel, in Schwingung versetzt, was eine Beschleunigungskraft auf sämtliche Materie hervorruft, die innerhalb der Röhren 62 und 72 enthalten ist, ohne Rücksicht darauf, ob sie eine Flüssigkeit, ein Gas oder ein Feststoff ist. Jedes Massenpartikel innerhalb der Röhren 62 und 72 übt daher seinerseits eine Kraft aus, die proportional dem Produkt seiner Masse und der Beschleunigung ist, d. h., Kraft = Masse × Beschleunigung, gemäß den bekannten physikalischen Zusammenhängen.

Wenn die Gesamtmasse oder Massendichte innerhalb der Röhren 62 und 72 steigt, fällt die Resonanzfrequenz dem in der obigen Gleichung (22) definierten Verhältnis ab. Die Konstanten A und B in der Gleichung (22) werden durch Kalibrierung der Vorrichtung bestimmt. Die Messung der Resonanzfrequenz der Röhren führt daher zu einer Messung der Gesamtmasse oder Massendichte. Mittels einer präzisen Messung der Dampftemperatur mittels einer Temperatursonde 94 bestimmt die Vorrichtung die Dampfdichte oder Masse, die gegeben wäre, wenn die Röhren mit gesättigtem Dampf gefüllt wären. Diese theoretische Dampfdichte ist dieselbe für jeden Dampf, der in dem System unter dieser Temperatur und diesem Druck vorhanden ist. Die Dampfdichte ρ_v des Dampfes in der zweiphasigen Strömung wird ebenfalls durch die Temperatur- oder Druckmessung bestimmt. Das Verhältnis der Dampfdichte zur Massendichte des Naßdampfes ist die Dampfqualität Q.

Nimmt man daher vorwiegend auf Fig. 3 Bezug, besteht der Dampfqualitätsmesser 10 aus einem zylindrischen Gehäuse 12, das an seinem oberen Ende von einer Deckplatte 18 und an seinem unteren Ende von einem Sockelblock 50 abgeschlossen ist. Der Dichtemesser 60 nach der vorliegenden Erfindung ist innerhalb dieses zylindrischen Gehäuses 12 angeordnet. Ein Rohrstutzen 16 erstreckt sich durch die obere Deckplatte 18 und trägt ein zylindrisches Gehäuse 14, das hauptsächlich dazu dient, die elektronischen Komponenten des Dampfqualitätsmessers 10 aufzunehmen. Der Auslaßstecker 15 im Gehäuse 14 erleichtert die Durchführung der notwendigen elektrischen Leitungen (nicht dargestellt) zum Anschluß der elektronischen Komponenten des Dampfqualitätsmessers an eine Stromquelle sowie gegebenenfalls an eine äußere Steuer- und Überwachungseinrichtung, die später noch im Detail erläutert werden soll.

Die Dichtemesseranordnung 60 besteht im wesentlichen aus zwei vertikalen parallelen Röhren 62, 72, die in dem Gehäuse 12 in gegenseitigem Abstand voneinander angeordnet sind. Diese Röhren 62 und 72 sind fest in getrennten Leitungen 52 und 56 im Sockelblock 50 montiert. Sie sind weiterhin fest an ihrem oberen Ende in einem Überleitkopf 66 montiert, der eine Leitung 68 darin hat, die die Röhre 62 mit der Röhre 72 verbindet. Diese Anordnung ist dazu eingerichtet, eine Strömung eines zweiphasigen Naßdampfes von dem Dampfströmungsrohr S nach oben durch die Röhre 72, durch den Überleitkopf 66 und nach unten durch die Röhre 72 und zurück in das Dampfströmungsrohr S zu leiten, wie durch die Strömungspfeile in Fig. 3 dargestellt ist.

Diese Dichtemesseranordnung 60 enthält weiterhin eine Magnetspule 80, die auf einer Konsole 88 zwischen den Röhren 62 und 72 montiert ist. Diese Magnetspule besteht aus einem metallischen Kern 62 und einem Satz Drahtwicklungen 84, die in einem Spulenkörper 86 um den Kern 82 angeordnet sind. Ein Paar Dehnungsmeßstreifen 90 und 92, vorzugsweise vom Spulentyp, sind am oberen Ende der Röhre 62 befestigt, und ein Temperatursensor 94 ist in dem Überleitkopf 66 angeordnet, um die Temperatur des durch die darin befindliche Leitung 68 strömenden zweiphasigen Fluides zu messen.

Die Dichtemesserröhren 62 und 72 sind durch das Standrohr 20 mit der Dampfströmungsleitung S verbunden. Das Standrohr 20 ist einzig dazu vorgesehen, kontinuierlich eine repräsentative Probe des zweiphasigen Fluides, das durch die Dampfleitung S strömt, aufzufangen. Diese Probe soll die durchschnittliche Dampfqualität genau wiedergeben. Das Standrohr erzeugt auch eine sehr starke Turbulenz und damit eine Durchmischung der Dampfflüssigkeits- und Dampfphasen in der Probe. Die Dampfprobe fließt kontinuierlich durch die Dichtemesserröhren 72 und 62 und kehrt dann zu dem Dampfströmungsrohr S zurück.

Wie man am besten aus Fig. 3 ersieht, ist das Standrohr 20 in Form einer doppelwandigen Rohranordnung ausgebildet, bestehend aus einem äußeren Rohr 22 und einem inneren Rohr 26 kleineren Durchmessers, das konzentrisch in dem äußeren Rohr angeordnet ist. Das innere Rohr ist von ausreichend kleinem Durchmesser, um einen ringförmigen Zwischenraum 24 zwischen dem äußeren Rohr 22 und dem inneren Rohr 26 auszubilden. Ein oberer Verschluß 44 verschließt und dichtet das obere Ende des ringförmigen Zwischenraums 24 gegenüber dem Innenraum 28 des inneren Rohrs 26 an dessen oberem Ende ab. Ein bodenseitiger Verschluß 46 ist weiterhin am unteren Ende des inneren Rohres 26 angeordnet, um dieses Ende zu verschließen. Die innere Strömungsleitung 28 des inneren Rohres 26 ist in Fluidströmungsbeziehung mit der Leitung 56 benachbart dem unteren Ende der Röhre 72 ausgerichtet. Der ringförmige Zwischenraum 72 ist in Fluidströmungsbeziehung zur Leitung 52 über ein in geeigneter Weise angeordnetes Loch 48 nahe dem oberen Ende des äußeren Rohres 22.

Eine Mehrzahl von Einlaßlöchern 38 durch das unteren Ende des äußeren Rohres 22 sind über kleine Querröhren 39 mit dem Inneren 28 des inneren Rohres 26 verbunden. Diese Einlaßlöcher 38 sind über den Querschnitt des Dampfströmungsrohres verteilt, um den inneren Rohr 26 eine repräsentative Probe der zweiphasigen Fluidströmung in dem Dampfströmungsrohr S zuzuführen. Das zugeführte zweiphasige Fluid fließt dann durch das innere Rohr 26 nach oben in die erste Dichtemesserröhre 72. Von der ersten Dichtemesserröhre 72 strömt das Fluid durch die Leitung 68 in dem Überleitkopf 66 und dann nach unten durch die zweite Dichtemesserröhre 62 wie durch die Strömungspfeile in Fig. 3 dargestellt ist. Das zweiphasige Fluid fließt dann weiterhin nach unten aus dem unteren Ende der zweiten Dichtemesserröhre 62 aus und durch die Leitung 52 und dann in den ringförmigen Zwischenraum 24. Von dort tritt das zweiphasige Fluid durch die Öffnung 40 am unteren Ende des ringförmigen Zwischenraums 24 aus und gelangt in die Hauptströmung des durch das Dampfrohr S strömenden Fluids zurück.

Es ist angebracht, an dieser Stelle zu erwähnen, daß die Strömungsrichtung durch den Dichtemesser umgekehrt werden könnte, so daß der Dampf durch den ringförmigen Zwischenraum 24 nach oben strömt, dann zunächst durch die Röhre 62 und dann durch die Röhre 72 und schließlich durch das innere Rohr 26 ausfließt. Die Abgabe des Fluides am unteren Ende 40 oder 46, je nach Ausführungsart, in die Hauptströmung des Dampfes hat zur Wirkung, daß die Fluidströmung durch den Dichtemesser 60 unter Verwendung der bekannten Wirkungen der Bernoullischen Gesetze aufrechterhalten wird, um die Dampfprobe durch den Dichtemesser 60 zu ziehen.

Das Standrohr 20 kann an dem Dampfströmungsrohr S in jeder bekannten Weise befestigt werden. In der gezeigten Darstellung ist ein Verbinder vom Überwurfmutter- und Klemmtyp gezeigt, bestehend aus einer konischen Hülse 32, die an dem Dampfströmungsrohr S angeschweißt ist. Eine innen konisch ausgeführte Überwurfmutter 34 ist auf die Hülse 32 aufgeschraubt und klemmt das äußere Rohr 22 des Standrohrs 20 darin fest und zieht eine Dichtung 36, die um das äußere Rohr 22 angeordnet ist, fest.

Diese Anordnung eines kontinuierlichen Strömungsprobennehmers, wie oben beschrieben, dient dazu, eine isothermische Probe einer zweiphasigen Fluidströmung aufzunehmen, die in ihren Eigenschaften hinsichtlich der Zusammensetzung und der Temperatur denen der Hauptdampfströmung in dem Rohr S entspricht. Um die Genauigkeit und Gleichmäßigkeit der Probe zu verbessern, ist es hilfreich, die Strömung zuvor so aufzubereiten, daß sich eine gleichförmige Mischung zwischen der Flüssigkeits- und der Dampfphase in dem Hauptdampfrohr S an derjenigen Stelle ergibt, wo die Dampfprobe genommen wird.

Eine andere wesentliche Komponente dieser Erfindung ist daher die Drosselstelle und der Filmabstreifer, wie in dem Hauptdampfrohr S in Fig. 3 gezeigt. Die Hauptdampfströmung wird zunächst durch das Rohrreduzierstück oder Einschnürkupplung 130 gedrosselt, durch das der Innendurchmesser der Hauptströmungsleitung S verringert wird. Der Filmabstreifer 132 ist an dem Ende kleinen Durchmessers der Einschnürung 130 angeordnet. Der Filmabstreifer hat die Form eines Ringes, der an der inneren Oberfläche des Dampfrohres S angeordnet ist. Seine Innenfläche 134 ist verrundet und konvergiert nach innen in Richtung auf sein stromabwärtiges Ende. Dieser Aufbau streift die flüssige Filmphase ab und verteilt sie, die üblicherweise der inneren Oberfläche des Dampfrohres S folgt. Dieser Film wird von der Rohroberfläche abgehoben und in die Hauptdampfströmung in der Mitte des Rohres S eingeleitet, wo er vollständig mit dem Rest des Dampfes vermischt wird.

Es ist vorteilhaft, obgleich nicht als zwingend notwendig anzusehen, die innere verrundete Oberfläche 134 des Filmabsteifers in Form eines Segmentes eines parabolischen Drehkörpers zu gestalten, wie in Fig. 3, zum Teil gestrichelt, dargestellt ist. Die Einlaßöffnungen des die Probe nehmenden Standrohres 20 sind dann vorzugsweise in der Ebene des Scheitels 138 der parabolischen Verlängerung 136 der inneren Oberfälche 134 des Ringes 132 gelegen, wo die Mischungsgleichmäßigkeit optimal ist. Auf diese Weise kann eine noch gleichmäßigere Probe des zweiphasigen Dampfes erhalten werden.

Das zylindrische Gehäuse 12, die obere Platte 18 und der Sockel 50 bilden eine geschlossene Kammer um den Dichtemesser. Diese Kammer kann evakuiert sein, um den Dichtemesser weitgehend unabhängig von der Umgebungstemperatur und von Druckverhältnissen um die Vorrichtung 10 arbeiten zu lassen.

Die Betriebsweise des Dampfqualitätsmessers nach der vorliegenden Erfindung wird am besten unter Bezugnahme auf die Fig. 3 und 4 erläutert, von denen Fig. 4 ein Blockschaltbild der Steuerschaltung des Dampfqualitätsmessers zeigt. Wie oben beschrieben, wird eine repräsentative Probe der zweiphasigen Fluidströmung aus der Dampfleitung S durch die Vielzahl der Löcher 38 in dem Standrohr 20 abgeleitet. Diese repräsentative Probe des zweiphasigen Fluides strömt von dort durch die erste Dichtemesserröhre 72 nach oben und dann durch die zweite Dichtemesserröhre 62 nach unten. Wenn das Fluid durch die Röhren 62 und 72 strömt, betreibt und erregt die Spulentreiberelektronik 106 die Magnetspule 80 mit einem Schwingstrom. Die Folge davon ist, daß die Magnetspule 80 an den metallischen Dichtemesserröhren 62 und 72 eine Schwingbewegung hervorruft. Die Amplitude und die Frequenz der Schwingung der Röhre 62 wird durch die Dehnungsmeßstreifen 90 und 92 ermittelt. Der Dehnungsmeßstreifenausgang ist einem Computer 100 zugeführt. Gleichzeitig mißt die Temperatursonde in der Leitung 68 im Überleitkopf die Temperatur des dort hindurchfließenden Fluids. Der Ausgang der Temperatursonde wird ebenfalls dem Computer 100 zugeführt.

Es ist wichtig, in den Fig. 3 und 4 zu bemerken, daß die zwei Röhren 62 und 72 an ihren jeweiligen unteren Enden 64 und 74 an einem gemeinsamen Sockelblock 50 verankert sind. In gleicher Weise sind sie an ihren jeweiligen oberen Enden 63 und 73 an dem gemeinsamen Überleitkopf 66 befestigt. Beide Befestigungselemente sind Massenkörper. Der Vorteil dieser Anordnung besteht darin, daß der Dichtemesser 60 vollständig symmetrisch aufgebaut ist, mit einem gemeinsamen Knoten an jedem Ende beider Röhren. Die Folge davon ist, daß das gesamte Dichtemessersystem 60 vollständig symmetrisch ausbalanciert ist, so daß keine Störungen in der Grund- oder Resonanzfrequenz des Systems auftritt, die sonst aus einer asymmetrischen Anordnung resultieren könnte, und der Aufbau ist im wesentlichen in seiner Funktion isothermisch. Das wirkliche Ergebnis ist daher eine Ausmittelung des Schwingungseffekt zwischen den zwei Röhren 62 und 72, was zu einer extrem genauen Grundfrequenzmessung als Funktion der Massendichte des durch die Röhren fließenden Fluids führt. Asymmetrische Anordnungen würden weniger genaue Ergebnisse liefern.

Es sei weiterhin hervorgehoben, daß in der beschriebenen Ausführungsform eine Magnetspule als bevorzugtes Instrument zur Schwingungserregung der metallischen Röhren verwendet wird, daß jedoch ebenso auch andere Verfahren zur Schwingungserregung der Röhren verwendet werden können. Beispielsweise könnten die Röhren von einer Schlageinrichtung angeschlagen werden oder es könnte ein Breitbandgeräusch in der Umgebung der Röhren erzeugt werden, das auf die Röhren überkoppelt. Letztgenannte zwei Verfahren wären beispielsweise dort besonders wirksam, wo nichtmetallische Röhren verwendet werden. Das grundsätzliche Merkmal, das bei dieser Erfindung verwendet wird, besteht darin, daß auf die Röhren in irgendeiner Weise Energie übertragen wird, die eine Schwingung der Röhren hervorruft und daß die Grund- oder Resonanzfrequenz des Systems ermittelt wird. Die Grundfrequenz wird dann mit der Temperatur des Fluides zusammen ausgewertet, um die Dampfqualität zu bestimmen.

Wie in der obigen theoretischen Abhandlung erläutert, ist die Grund- oder Resonanzfrequenz f der Röhre eine Funktion der Masse des durch die Röhren 62 und 72 strömenden Fluides. Bei einem Prototyp eines Dichtemessers, wie er in Fig. 3 gezeigt ist, liegt die Grund- oder Resonanzfrequenz der Röhre beispielsweise zwischen 2700 Hz für eine mit flüssigem Wasser gefüllte Röhre und bei etwa 4500 Hz für eine evakuierte Röhre. Bei der Ausführungsform, die in Fig. 4 dargestellt ist, ist der Computer 100 daher mit der Spulentreiberelektronik 106 derart verbunden, daß der Computer die Frequenz des durch die Magnetspule 80 erzeugten Feldes beeinflussen kann.

Bei der Inbetriebsetzung wird der Computer so programmiert, daß er die Magnetspule 80 veranlaßt, die Röhren 62 und 72 über das gesamte Frequenzband zwischen 2700 Hz und 4500 Hz in Schwingung zu bringen. Wenn die Schwingungsfrequenz über diesen Frequenzbereich von 2700 Hz bis 4500 Hz variiert wird, dann beobachten die Dehnungsmeßstreifen 92 ständig die Schwingungsfrequenz der Röhre und die Amplitude der Schwingung.

Entsprechend der physikalischen Gesetze, die das System regieren, haben die Schwingungen der Röhre eine maximale Auslenkung, wenn die Magnetspule 80 das System mit der Grund- oder Resonanzfrequenz der Dichtemesserröhren 62 und 72 sowie der Verbindungsstruktur erregt. Der Dehnungsmeßstreifenausgang kann eine Vielzahl von Formen haben, je nach speziell verwendeter Art des Dehnungsmeßstreifens. Üblicherweise gibt jedoch ein Dehnungsmeßstreifen in Form einer Spannung ab. Wenn die Röhren 62 und 72 und die Verbindungsstruktur derselben daher bei der Grund- oder Resonanzfrequenz dieses Gesamtsystems schwingen, dann ist die Ausgansspannung des Dehnungsmeßstreifens maximal. Da der Dehnungsmeßstreifenausgang gewöhnlich analog ist, ist es notwendig, den Digitalrechner 100 mit einem Eingangsmodul auszurüsten, der in der Lage ist, Analogsignale entgegenzunehmen und sie in digitale Signale umzuwandeln, die von dem Rechner verarbeitet werden können. Die gleiche Fähigkeit wird gewöhnlich für die Eingabe des Temperatursignals von der Temperatursonde 94 verlangt, die ebenfalls gewöhnlich eine analoge Spannung veränderliche Größe in Abhängigkeit von der von der Sonde ermittelten Temperatur abgibt.

Wie oben beschrieben, wird durch Betrieb der Magnetspule in einem Frequenzband, das von 2700 Hz für flüssiges Wasser bis 4500 Hz für eine evakuierte Röhre reicht und durch Überwachung der Schwingungsamplitude der vibrierenden Röhre mit Hilfe des Dehnungsmeßstreifens die Grund- oder Resonanzfrequenz der Dichtemesserröhren 62 und 72 und der Verbindungsstruktur mit dem zweiphasigen Fluid, das durch diese Anordnung hindurchfließt, sehr schnell ermittelt. Wie oben erwähnt, ist die Änderung der Grund- oder Resonanzfrequenz in Bezug auf eine Änderung der Dichte im durch das System fließenden Fluid extrem empfindlich und einfach zu messen, so daß jegliche Dichteänderung in dem durch die Anordnung fließenden Fluid fast sofort sehr genau ermittelt werden kann, indem die Änderung der Grund- oder harmonischen Frequenz des Dichtemesseraufbau 60 ermittelt wird.

Es hat sich bei der in Fig. 4 dargestellten Ausführungsform als günstig herausgestellt, den Computer so zu programmieren, daß er die Frequenz, mit der die Magnetspule erregt wird, innerhalb des vorgesehenen Frequenzbandes sehr schnell ändert, und daß vorzugsweise vier Durchläufe des Frequenzbandes pro Sekunde ausgeführt werden. Es hat sich weiterhin als vorteilhaft erwiesen, den Computer so zu steuern, daß das Frequenzband, innerhalb dem die Erregerfrequenz der Magnetspule 80 gewobbelt wird, einzuengen, wenn die Grund- oder harmonische Frequenz des Systems ermittelt wird.

Selbstverständlich ist das Ausmaß, auf das das Frequenzband eingeengt wird und die Geschwindigkeit, mit der diese Bandeinengung ausgeführt wird, eine Sache der jeweiligen Ausführungsart der Vorrichtung. Es hat sich jedoch erwiesen, daß sobald die Grund- oder harmonische Frequenz des Systems ermittelt worden ist, das Band fast augenblicklich auf eine Breite von 20 Hz vermindert werden kann, was etwa 10 Hz zu beiden Seiten der Grundfrequenz des Systems abdeckt. Dieses 20-Hz-Band wird daher ständig verändet und nachjustiert, wenn die Grundfrequenz, d. h. die Dichte des Fluides, das durch die Röhren strömt, sich ändert.

Im Falle, daß sich eine schnelle, hohe Größenänderung der Fluiddichte ergeben sollte, so daß die Grundfrequenz schneller aus dem vorgenannten 20 Hz-Band auswandert als mit vier Durchläufen des Frequenzbandes pro Sekunde ermittelt werden kann, wird der Rechner so programmiert, daß er die Bandbreite wieder bis auf die Grenzen von 2700 Hz für flüssiges Wasser und 4500 Hz für eine evakuierte Röhre verbreitert. Wenn diese maximale Frequenzband wieder durchwobbelt wird, dann läßt sich die Grundfrequenz des Systems sehr schnell ermitteln, so daß das Frequenzband wieder auf den 20 Hz breiten Bereich um die nun herrschende Grundfrequenz eingestellt werden kann.

Unter Verwendung dieser Daten der Grundfrequenz des schwingenden Systems, die eine Funktion der Massendichte ist, wie oben beschrieben, in Verbindung mit der Temperatur des durch das System fließenden Fluides, die eine Funktion der Dampfdichte des Systems ist, wie oben beschrieben, läßt sich die Dampfdichte Q entsprechend der mathematischen Zusammenhänge nach der obenbeschriebenen Weise errechnen.

Tatsächlich sollten mehrere Einstellungen von Systemvariablen und Konstanten beim Kalibrieren und Beschreiben des Systems in Betracht gezogen werden, um genauere Ergebnisse oder Ausgaben zu erhalten. Beispielsweise können die Werte der Konstanten A und B in der Gleichung (22) empirisch ermittelt werden, wenn das System kalibriert wird. Sie sind Funktionen des physikalischen Aufbaus, der Dimensionen und der Massen speziellen benutzten Systems und verändern sich normalerweise nicht, wenn sie einmal eingestellt sind.

Die oben beschrieben Temperatursonde 94 ist vorzugsweise ein Platin-Temperatursensor, dessen elektrischer Widerstand sich mit der Dampftemperatur ändert. Solche Widerstandsänderungen kann man in Form von Spannungsänderungen auf der Grundlage des ohm'schen Gesetzes messen. Die herrschende Temperatur kann dann mathematisch in C-Graden aus dem Widerstand ermittelt werden. Die Temperatur in Grad C kann aus der folgenden Gleichung bestimmt werden.

wobei T = Temperatur in Grad C, a = -6,01882200000E-7, b = 3,8101882200E-3 und c = 1-Widerstand/1000).

In der bevorzugten, oben beschriebenen Ausführungsform wird ein spulenartiger Dehnungsmeßstreifen verwendet, um die Frequenz und die Amplitude der Schwingungen der Röhre zu messen. Diese Art von Dehnungsmeßstreifen verwendet die Trägertechnik zur Erregung eines Brückenkreises, um die Ausgangsspannung zu verändern. Der Spannungsausgang wird dann durch einen Verstärkerkreis 103 verstärkt und dem Computer 100 zugeführt, um die obigen Berechnungen auszuführen.

Sobald die Temperatur des Dampfes ermittelt ist, können die Dampfdichte ρ _v und die Flüssigkeitsdichte ρ _L aus einer Standardtabelle der Sättigungsdampfcharakteristika erhalten werden.

Es ist auch bekannt, daß die Schwingungscharakteristika der Dichtemesseraufbaus 60 sich mit Temperaturänderungen sehr stark ändern. Es ist daher zur Erzielung genauerer Resultate wünschenswert, die jeweilige Frequenz des Dichtemessers hinsichtlich solcher Temperaturänderungen zu kompensieren. Solche Kompensation kann mathematisch gemäß der folgenden Gleichung ausgeführt werden.

wobei f _c die temperaturkompensierte Frequenz, f _d die jeweils gemessene Dichtemesserfrequenz, b ₂ eine Konstante, die eine Funktion der Temperatur ist, T _o eine Standard- oder Grundtemperatur für Kalibrierzwecke und T die Temperatur, wie oben bestimmt, ist. Die Massendichte kann dann aus der Gleichung (22) ermittelt werden und die Dampfqualität Q ergibt sich sehr genau aus der Gleichung (18).

Da die Dampfqualität Q effektiv ein Verhältnis der Masse oder der Dichte des Dampfes zur Gesamtmasse oder Massendichte an dem Punkt der Probennahme zu jedem Zeitpunkt ist, kann die augenblickliche Energie der zweiphasigen Naßdampfströmung gewünschtenfalls aus den entsprechenden Enthalpien der Dampf- und Flüssigphasen ermittelt werden, die Funktionen der Temperatur sind, wie der Fachmann weiß.

Solche Energieberechnungen sind im wesentlichen mathematische Operationen und sind daher nicht Teil der vorliegenden Erfindung. Ein Computer kann jedoch so programmiert sein, daß er solche Berechnungen sehr schnell und gleichzeitig mit seinen Überwachungsfunktionen ausführt und er kann die Energieströmung zusammen mit den Dampfqualitätsdaten über eine konventionelle Datenausgabeeinrichtung 104, beispielsweise einen Printer, ausgeben. Auf diese Weise läßt sich die Dampfqualität eines zweiphasigen Naßdampfsystems unter Verwendung des Dampfqualitätsmessers 10 und unter Anwendung des Verfahrens nach der Erfindung kontinuierlich an jedem gewünschten Punkt in dem Dampfströmungs-Verteilungssystem überwachen, so daß man eine ständige Übersicht und eine durchgehende, genaue Aufzeichnung der verteilten und an die verschiedenen Benutzer gelieferten Wärmemenge aufzeichnen kann.

Eine alternative Ausführungsform ist in dem Blockschaltbild nach Fig. 5 dargestellt. Dieses System ist ähnlich jenem nach Fig. 4 mit der Ausnahme, daß ein elektronischer Oszillatorkreis 108 zwischen den Dehnungsmeßstreifen 90 und 92 und der Spulentreiberelektronik angeordnet ist. Bei dieser Anordnung sucht das System automatisch die Grundfrequenz des Schwingungssystems und betreibt gleichzeitig die Magnetspule mit der Grundfrequenz. Der Dehnungsmeßstreifenausgang ist weiterhin dem Computer 100 zugeführt, um die Grundfrequenz des Systems zu überwachen und nutzbar zu machen.

Claims

1. Vorrichtung zum Bestimmen der Dampfqualität von Naßdampf, der in einer Dampfleitung strömt, gekennzeichnet durch
einen Dichtemesser (60), der mit der Dampfleitung (S) verbunden ist, um die Massendichte des in der Dampfleitung (S) strömenden Naßdampfes zu messen;
eine Temperaturmeßeinrichtung (94), die mit der Dampfleitung (S) verbunden ist, um die Temperatur des in der Dampfleitung (S) strömenden Naßdampfes zu messen; und
einen Rechner (100), der mit dem Dichtemesser (60) und dem Temperaturmesser (94) verbunden ist, um schnell die Dampfqualität des Naßdampfes aus der gemessenen Massendichte und der gemessenen Temperatur zu errechnen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Dichtemesser (60) eine Durchströmungskammer (62, 72) zur kontinuierlichen Hindurchleitung einer Strömung aus Naßdampf enthält, weiterhin eine Schwingungserzeugungseinrichtung (80) aufweist, um die Kammer (62, 72) zum Schwingen zu bringen, und eine Schwingungsmeßeinrichtung (90, 92) aufweist, um die Frequenz der Schwingung der Schwingungskammer (62, 72) zu messen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch Schwingungsmeßeinrichtungen (90, 92) zum Messen der Amplitude der Schwingung der Schwingungskammer (62, 72).

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch einen Computer (10) zum Überwachen und Messen der Resonanzfrequenz der Schwingungskammer (62, 72) und zum Bestimmen der Massendichte des Naßdampfes aus der Resonanzfrequenz.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingungserzeugungseinrichtung eine Treibereinrichtung (106) zum Antreiben des Schwingungserzeugers (80) mit unterschiedlichen Frequenzen aufweist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch einen Rechner (100) zum Steuern der Treibereinrichtung (106), um die Frequenz des Schwingungserzeugers (80) über ein Frequenzband zu verschieben, das die Resonanzfrequenz der Kammer (62, 72) enthält.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingungserzeuger eine Magnetspule (80) enthält, die zur Schwingungserregung der Kammer (62, 72) vorgesehen ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchströmungskammer zwei zylindrische Röhren (62, 72) aufweist, die jeweils steif an dem einen Ende (63, 73) mit einer gemeinsamen ersten Masse (66) und am entgegengesetzten Ende (64, 74) mit einer gemeinsamen zweiten Masse (50) verbunden sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei zylindrischen Röhren (62, 72) aus demselben Material bestehen und im wesentlichen gleiche Länge, gleichen Durchmesser und gleiche Dicke aufweisen und im wesentlichen parallel im Abstand zueinander angeordnet sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Masse (66) eine Leitung (68) aufweist, die sich durch sie hindurcherstreckt und die entsprechenden einen Enden (63, 73) der zwei Röhren (62, 72) fluidisch miteinander verbindet und daß die zweite Masse (50) Leitungen (52, 56) darin aufweist, um die Dampfströmung in die Kammer (62, 72) einzuleiten und daraus wieder auszuleiten.

11. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Probennehmer (20), der mit dem Dichtemesser (60) verbunden ist, um kontinuierlich aus der Dampfströmung eine Probenströmung aufzunehmen und abzuzweigen und diese in den Dichtemesser (60) zu leiten und daraus in die Dampfleitung (S) rückzuführen.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Probennehmer (20) ein erstes Rohr (22) aufweist, das sich quer durch die Dampfsystemleitung (S) erstreckt und das eine Mehrzahl von Einlaßöffnungen (38) darin aufweist, die in die Dampfströmung in der Leitung (S) gerichtet sind und gleichmäßig über den Querschnitt der Leitung (S) verteilt angeordnet sind.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch ein zweites Rohr (28) kleineren Durchmessers als das erste Rohr (22), das in dem ersten Rohr (22) angeordnet ist, wobei der Innenraum von einem der ersten und zweiten Rohre (22, 28) mit den Einlaßöffnungen (38) verbunden sind, um das Probenfluid dem Dichtemesser (60) zuzuleiten, und der Innenraum des anderen der ersten und zweiten Rohre (22, 28) mit dem Dichtemesser (60) verbunden ist und eine Auslaßöffnung (40) in der Leitung (S) aufweist, um die Probe aus dem Dichtemesser (60) in die Strömungsleitung (S) zurückzuleiten.

14. Vorrichtung nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch eine Filmabstreifeinrichtung (132) in der Leitung (S) dicht stromaufwärts vor dem Probennehmer (20), um Flüssigkeit von der Innenwand der Leitung (S) abzustreifen und in die Dampfströmung in die Mitte der Leitung (S) zu leiten, um eine Durchmischung der Flüssig- und Dampfphase des Naßdampfes zu erzielen.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Filmabstreifeinrichtung einen ringförmigen Kragen (132) aufweist, der um die Innenwand der Leitung (S) angeordnet ist und eine Innenfläche (134) aufweist, die nach innen gegen die stromabwärtige Seite geneigt ist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Oberfläche (134) des Kragens die Gestalt eines Segments eine parabolischen Drehkörpers (136) aufweist.

17. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstreifer (132) und der Probennehmer (20) voneinander einen solchen Abstand aufweisen, daß der Probennehmer (20) etwa im Scheitel (138) der parabolischen Verlängerung (136) der Innenseite des Kragens (132) angeordnet ist.

18. Vorrichtung nach Anspruch 17, gekennzeichnet durch eine Reduziereinrichtung (130) in der Leitung (S) stromaufwärts von dem Kragen (132) zum Vermindern des Durchmessers der Leitung (S), um die Naßdampfströmung darin in den Kragen (132) zu konvergieren.

19. Vorrichtung zum Messen der Massendichte eines strömenden zweiphasigen Fluides, gekennzeichnet, durch
zwei parallele Röhren (62, 72), die jeweils ein erstes Ende (63, 73) und ein zweites Ende (64, 74) aufweisen, wobei die ersten Enden (63, 73) der entsprechenden Röhren (62, 72) einander benachbart sind und die zweiten Enden (64, 74) der entsprechenden Röhren (62, 72) einander benachbart sind;
erste gemeinsame Masseneinrichtungen (66), die an den ersten Enden (63, 73) der Röhren (62, 72) angeordnet sind, um einen gemeinsamen ersten Knoten für die ersten Enden (63, 73) der Röhren (62, 72) zu bilden, wobei die ersten Enden (63, 73) der Röhren (62, 72) steif in der ersten gemeinsamen Masseneinrichtung (66) verankert sind;
eine zweite gemeinsame Masseneinrichtung (50), die an den zweiten Enden (64, 74) der Röhren (62, 72) angeordnet ist, um einen gemeinsamen zweiten Knoten für die zweiten Enden (64, 74) der Röhren (62, 72) zu bilden, wobei die zweiten Enden (64, 74) der Röhren (62, 72) steif in der zweiten gemeinsamen Masseneinrichtung (50) verankert sind;
eine mit den Röhren (62, 72) verbundene Leitung (68), um das strömende zweiphasige Fluid durch die Röhren (62, 72) zu leiten;
eine Schwingungserzeugungseinrichtung (80) benachbart den Röhren (62, 72), um die Röhren (62, 72) in Schwingung zu versetzen, während das zweiphasige Fluid durch die Röhren (62, 72) strömt; und
eine Schwingungseinrichtung (94), die den Röhren (62, 72) zugeordnet ist, um die Schwingungsfrequenz der Röhren (62, 72) zu messen.

20. Vorrichtung nach Anspruch 19, gekennzeichnet durch einen Rechner (100), der mit der Schwingungseinrichtung (94) verbunden ist, um die Resonanzfrequenz der Röhren (62, 72) zu ermitteln und zu überwachen, um schnell die Massendichte des zweiphasigen Fluides zu berechnen.

21. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitung eine erste Strömungsleitung (28) enthält, die das erste Ende der einen der Röhren (62, 72) mit einer Zweiphasenfluidquelle (S) verbindet, weiterhin eine zweite Strömungsleitung (68) aufweist, die die entsprechenden zweiten Enden der genannten Röhren (62, 72) zusammen in Fluidverbindung zueinander bringt und eine dritte Fluidleitung (22) aufweist, die das erste Ende der anderen Röhre mit einer Abgabestelle für das Fluid verbindet.

22. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Fluidleitung (22) das erste Ende der anderen Röhre mit der Zweiphasenfluidquelle (S) zur Abgabe darin verbindet.

23. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Strömungsleitung (68) sich durch die zweite gemeinsame Masseneinrichtung (66) erstreckt.

24. Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei parallelen Röhren (62, 72) und die genannten ersten und zweiten Masseneinrichtungen (50, 66) so gestaltet und in der Größe gemessen sind, daß sie eine symmetrische Einheit in Bezug auf Masse und Abmessung bilden.

25. Verfahren zum Bestimmen der Dampfqualität eines strömenden zweiphasigen Naßdampfes, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
Durchleiten des Naßdampfes durch eine Kammer;
Versetzen der Kammer in Schwingungen;
Messen der Resonanzfrequenz der Kammer mit dem darin enthaltenen Naßdampf und Bestimmen der Massendichte des Naßdampfes als Funktion der Resonanzfrequenz der schwingenden Kammer;
Messen der Naßdampftemperatur in der Kammer und Bestimmen der Dampfdichte als Funktion der Temperatur, und Bestimmen der Dampfqualität als ein Verhältnis der Dampfdichte zur Massendichte des Naßdampfes.

26. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer durch Erregen eines Elektromagneten, der der Kammer benachbart angeordnet ist, mit einem Schwingstrom in Schwingung versetzt wird.

27. Verfahren nach Anspruch 25 oder 26, dadurch gekennzeichnet, daß man die Kammer durch Erzeugen eines Breitbandgeräusches in der Nähe der Kammer zum Schwingen anregt.

28. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer durch Anschlagen der Kammer mit einem Gegenstand zum Schwingen angeregt wird.

29. Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromagnet mit einem Band von Frequenzen erregt wird, das innerhalb seiner Grenzen die Resonanzfrequenz der Kammer enthält.

30. Verfahren nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß das Frequenzband der Erregerschwingungen eine untere Frequenzgrenze hat, die durch die Resonanzfrequenz der Kammer im evakuierten Zustand derselben bestimmt ist, und eine obere Frequenzgrenze hat, die durch die Resonanzfrequenz der mit Wasser völlig gefüllen Kammer bestimmt ist.

31. Verfahren nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß das Frequenzband der Erregerschwingungen auf ein schmaleres Band um die jeweiliges Resonanzfrequenz der vom Naßdampf durchströmten Kammer eingeengt wird.

32. Verfahren nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenzbandgrenzen in Schritten nach oben und unten entsprechend Änderungen in der Resonanzfrequenz der von Naßdampf durchströmten Kammer verschoben werden, um die Resonanzfrequenz in der Mitte des Bandes zu halten.

33. Verfahren nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, daß das Frequenzband der Erregerschwingungen auf die unteren und oberen Grenzfrequenzen ausgedehnt wird, wenn sich die Resonanzfrequenz der Kammer aus dem schmal gemachten Band bewegt.

34. Verfahren nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingungsfrequenz über das Frequenzband mit einer Geschwindigkeit von viermal pro Sekunde (mit einer Frequenz von 4 Hz) gewobbelt wird.

35. Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromagnet mit der Resonanzfrequenz der vom Naßdampf durchströmten Kammer erregt wird.

36. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß der Naßdampf durch eine Kammer geleitet wird, die aus zwei benachbarten Röhren besteht, deren jeweilige Enden jeweils in gemeinsamen, Schwingungsknoten ausbildenden Massenkörpern verankert sind.

37. Verfahren nach Anspruch 36, dadurch gekennzeichnet, daß die Resonanzfrequenz der Kammer dadurch gemessen wird, daß eine Dehnungsstreifenwicklung an einer der Röhren befestigt wird und das Ausgangssignal der Dehnungsmeßstreifenwicklung einem Computer zugeführt wird, um die Schwingungscharakteristik der Kammer zu überwachen und die Resonanzfrequenz zu ermitteln.

38. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß eine repräsentative Probe des in einem Dampfrohr strömenden Heißdampfes aufgenommen und die Probe durch die Kammer geleitet wird.

39. Verfahren nach Anspruch 38, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einlaßleitung quer durch den Querschnitt des Dampfrohres mit eine Vielzahl von Öffnungen darin angeordnet wird, welche Öffnungen in die Dampfströmung gerichtet und über den Querschnitt des Dampfrohres verteilt werden.

40. Verfahren nach Anspruch 39, dadurch gekennzeichnet, daß ein ringförmiger Kragen mit einer geneigten Oberfläche im Inneren des Rohres unmittelbar stromaufwärts vom Einlaß angeordnet wird, wobei die geneigte innere Oberfläche gegen die Mitte des Rohres konvergiert.

41. Verfahren nach Anspruch 40, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Oberfläche des Kragens in Form eines Segments eines parabolischen Drehkörpers gestaltet wird und der Kragen in einem solchen Abstand stromaufwärts von dem Einlaß angeordnet wird, daß der Scheitel der parabolischen Fortsetzung der Oberfläche des Kragens mit dem Ort des Einlasses zusammenfällt.

42. Verfahren nach Anspruch 41, dadurch gekennzeichnet, daß das Dampfrohr unmittelbar stromaufwärts von dem Kragen auf einen geringeren Durchmesser reduziert wird.