DE3723437A1 - Stroemungskanal mit radiometrischer dichtemessung fuer fliessfaehige medien - Google Patents

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen Strömungskanal zur Messung der Dichte staubförmiger und feinkörniger in einem Trägergas­ strom suspendierter Feststoffe in Rohrleitungen mit hoher Festkonzentration, insbesondere von Brennstoffen zur Ver­ gasung sowie Verbrennung in einem Reaktor.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Es ist bekannter Stand, die Dichte von Medien, die in Rohr­ leitungen fließen, durch Transmissionsmessung radiometrisch zu bestimmen. Bei den angewandten Meßeinrichtungen ist es üblich, γ-strahlende Isotope verschiedener Quantenenergie oder Röntgenquellen einzusetzen.

In den Patenten DE-OS 26 42 537, DE-OS 27 27 032 und DD-WP 2 17 016 wird zur Messung der Dichte von fluiden Medien die γ-Strahlen-Transmissionsmessung herangezogen.

Bei Rohrdurchmessern kleiner 20 mm können für die γ-Durch­ strahlung keine günstigen Durchstrahlungslängen mehr ge­ währleistet werden, da bei zweiphasigen Medien, insbesondere bei der Messung der Dichte von Staub-Trägergas-Suspensionen, die technisch üblichen Erweiterungen der Rohrleitungen an der Meßstelle, U- oder Z-artige Ausbildung der Rohrleitung und Durchstrahlung eines Rohrleitungsschenkels in Achsrichtung, zu Entmischungen und damit zu Fehlmessungen oder sogar zu Verstopfungen führen.

Es kann deshalb nur ein anderes, auf der Quantenabsorption physikalisch unterschiedliche Elementarprozesse beruhendes, radiometrisches Verfahren, die β-Strahlen-Schwächung, ein­ gesetzt werden.

Bei gleicher Meßstrecke in kleinen Rohrleitungsdurchmessern erreicht die β-Messung gegenüber der γ-Messung eine um ca. zwei Größenordnungen bessere Empfindlichkeit und damit ent­ sprechend höhere Genauigkeit und kleinere Ansprechzeiten.

Industrielle Anwendungen der β-Transmission gibt es z. B. bei der Papier- und Folienherstellung, zur Überwachung der Flächenmasse von Gummikalandern, siehe z. B. HART: Radio­ aktive Isotope in der Betriebsmeßtechnik, VEB Verlag Tech­ nik Berlin, 2. Auflage 1962. S. 304-324.

Außerdem werden in HART: Flüssigkeitsdichtemessung mit Hilfe von Kernstrahlung, Teubner Verlagsgesellschaft Leipzig 1972, Seite 192-197 einige β-Dichtemeßsonden vorgestellt, die jedoch nur für Flüssigkeiten einsetzbar sind.

Sie besitzen in den meisten Fällen eine Probenahmeleitung und sind nur für relativ niedrige Systemdrücke (bis 0,35 MPa) ausgelegt.

Sowohl unter ökonomischen als auch sicherheitstechnischen Gesichtspunkten hat die Kenntnis des zur Vergasung gelangenden Kohlenstaubstromes höchste Bedeutung.

Die Forderung einer on-line-Messung ohne Störung des Staub­ stromes bei Systemdrücken bis 4 MPa mit entsprechend hoher Empfindlichkeit, Genauigkeit und kurzer Ansprechzeit werden von den bekannten radiometrischen Meßeinrichtungen nur teil­ weise erfüllt. Auch die zitierten Literaturstellen und Patent­ schriften geben keinen Hinweis zur geeigneten Ausstattung der benötigten Meßvorrichtung.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist ein Strömungskanal zur Messung der Dichte von zweiphasigen fließfähigen Medien, insbesondere von Staub-Trägergas-Gemischen, der die Messung mit hoher Empfindlichkeit, Genauigkeit und zeitlicher Reaktion bei höheren Drücken ermöglicht.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Technische Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Strömungskanals zur radiometrischen Dichtemessung an fließ­ fähigen, fluiden Medien mit einer β-strahlenden Quelle und einem spezifischen β-Detektor für kleine Rohrleitungsdurch­ messer ( 20 mm), womit eine wesentlich höhere Empfindlich­ keit, Genauigkeit und besseres Zeitverhalten als mit der γ-Transmission erreicht wird.

Die Vorrichtung ist erfindungsgemäß so gestaltet, daß keine Störung des strömenden Mediums über den gesamten Querschnitt erfolgt, d. h. keine Toträume bestehen, die Grundabsorber so ausgelegt sind, daß der Systemdruck bis 4 MPa erreichen darf, aber trotzdem eine hohe Empfindlichkeit erhalten bleibt und der Innenraum der Sonde so gestaltet ist, daß aus Strahlen­ schutzgründen nur ein Minimum an Röntgenbremsstrahlung ent­ steht.

Erfindungsgemäß wird weiterhin die gestellte Aufgabe dadurch gelöst, daß der in einem gemeinsamen, auch β-Strahlenquelle und Detektor aufnehmenden Gehäuse angeordnete, vom Medium durchlaufende Strömungskanal durch ein mehrteiliges Innenteil in Form von Aluminiumblöcken gebildet wird, dessen innerer freier Flächenquerschnitt sich ausgehend von kreisförmig auf rechteckig und dann wieder auf kreisförmig in Strömungsrich­ tung ändert, jedoch immer die gleiche Querschnittsfläche auf­ weist, und der in eine Bohrung des Gehäuses eingelassen und beiderseits durch ein Druckstück mit Flansch und kreisför­ migem Innendurchmesser in die Rohrleitung eingepaßt ist, so daß ein bündiger Übergang zwischen Strömungskanal und Rohrleitung besteht.

β-Strahlenquelle und β-Detektor, der wahlweise gekühlt oder beheizt wird, sind auf gegenüberliegenden Seiten des Strö­ mungskanals, auf einer die Mittellinie des Strömungskanals mit 90° schneidenden Achse angeordnet.

Das ebene Strahlenfenster der Strahlenquelle, die durch eine druckdichte Vorrichtung im Gehäuse eingesetzt wird, bildet mit der ebenfalls ebenen Wand des Strömungskanals eine glatte Fläche. Es werden nicht noch wie üblich zusätzliche Schutz­ materialien (Zusatzabsorber) zwischen Strahlenquelle und Meßmedium angebracht. Auf der der Strahlenquelle gegenüber­ liegende Seite ist in gleicher Art das Strahlenfenster zum β-Detektor eingesetzt. Die Strahlenfenster der Strahlen­ quelle und des Detektors sind hinsichtlich ihrer Wandstärke und ihres Werkstoffes so beschaffen, daß ihre Flächenmasse, das ist das Produkt aus Wandstärke und Dichte des Werkstoffes der Wand, wesentlich kleiner ist, als die entsprechende defi­ nierte Flächenmasse der Rohrleitung.

Erfindungsgemäß bestehen die Strahlenfenster aus kleinen, sehr dünnen Titan- oder Edelstahlblechen, die über Laser­ impuls- oder Elektronenstrahlschweißen auf einen Metallkörper aufgebracht sind und ohne Deformierung einen hohen Druck in der Rohrleitung ermöglichen.

Eventuelle Verschleißerscheinungen an den Strahlenfenstern werden durch die Einhaltung einer unteren Dichtegrenze und einer oberen Geschwindigkeitsgrenze vermieden.

Eine Kontrolle erfolgt durch Zählratenmessung ohne Meßmedium, wobei minimalste Verschleißerscheinungen (< 1 µm) erkannt werden. Zur weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann der Detektor, vorzugsweise ein Szintillationsdetektor mit Beta­ szintillator, durch eine separate Kapselung mit einem Kühl­ und/oder Heizmedium versorgt und damit auf einem konstanten Temperaturniveau gehalten werden.

Schließlich ist bei einer vorteilhaften Ausführung der Er­ findung ein separater Zugriff (Verschluß) über eine dritte Bohrung im Gehäuse, die um 90° gegenüber der Achse, die durch β-Strahlenquelle und Detektor gebildet wird, ver­ setzt ist, zur Strahlenquelle bzw. zum rechteckigen Meßkanal angeordnet. Er dient zur Kalibrierung der Messung mit definier­ ten Flächenmassen und zur Durchführung von Dichtheitsprüfungen der Strahlenquelle, ohne die Meßgeometrie zu beeinflussen. Die Kalibrierung der Sonde erfolgt im aus der Förderleitung ausgebauten Zustand durch den geöffneten Verschluß mit dünnen Aluminiumabsorbern mit jeweils einer Flächenmasse von wenigen Milligramm je Quadratzentimeter.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung sei durch ein Ausführungsbeispiel näher be­ schrieben. Dazu werden die Fig. 1 und 2 herangezogen, die einen Längs- und einen Querschnitt durch die erfindungsgemäße Vorrichtung zeigen.

Das Ausführungsbeispiel betrifft eine Vorrichtung, die zur Messung der Dichte einer bis zu 60° heißen Kohlenstaub- Trägergas-Suspension bestimmt ist, die dem Reaktor einer Druckvergasungsanlage für Kohlenstaub zugeführt wird. Die Vorrichtung ist in einer Rohrleitung 1 von 20 mm ⌀ installiert, in der das Kohlenstaub-Trägergas-Gemisch unter einem Druck von etwa 4 MPa dem Reaktor zuströmt. Die Vor­ richtung besteht aus dem Gehäuse 2 mit dem aus mehreren Alublöcken zusammengesetzten Innenteil 3, in dem die flä­ chengleichen Übergänge des Strömungskanals von kreisförmigem auf rechteckigen Querschnitt enthalten sind.

In das Gehäuseteil 2 und das Innenteil 3 sind im Winkel von 90° zur Strömungsrichtung von drei Seiten Bohrungen ange­ bracht. In den sich gegenüberliegenden Bohrungen befinden sich die Betastrahlenquelle 4, die durch ein Druckstück 5 und Druckschraube 6 gehaltert und über einen Deckel 7 und Rundring 8 gegen Atmosphärendruck abgedichtet ist, und das Strahlenfenster 9, das über den Rundring 10 die Dichtheit gegen Umgebungsdruck gewährleistet.

Hinter dem Strahlenfenster 9 sind eine Blende 11 und der Szintillationsdetektor 12 in einer Hülse 18 angeordnet. Die Hülse 18 erlaubt weiterhin - in den Figuren nicht dar­ gestellt - eine Versorgung des Detektors mit einem Kühl­ medium.

Die dritte Bohrung im Gehäuse 2 und Innenteil 3 dient zur Kalibrierung der Meßanordnung mit Aluminiumabsorbern defi­ nierter Flächenmasse und zur Kontrolle der Strahlenquelle 4. Zur Vermeidung von Toträumen wird diese Bohrung im Betrieb mit einem Verschluß 13 versehen. Die Abdichtung erfolgt dann über den Deckel 14 und Rundring 15. Die Abdichtung des gesamten Gehäuses erfolgt an beiden Seiten der Sonde über die Flansche 16 und Rundring 17.

Die mit dem Meßkanal eine Fläche bildenden Strahlenfenster von Quelle 4 und Detektor 9 sind aus Titan gefertigt und be­ sitzen auf der Stirnfläche eine mit Laserimpulsen ange­ schweißte Titanfolie von 0,1 mm Stärke.

Der Detektor 12 ist über ein übliches Auswertegerät - in den Figuren nicht dargestellt - mit einem Mikrorechner gekoppelt. Die Anordnung gestattet die Messung der Dichte der Kohlen­ staub-Trägergas-Suspension mit einem relativen Fehler von kleiner als ± 2%.

• Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen  1 Rohrleitung
   2 Gehäuse
   3 Innenteil
   4 β-Strahlenquelle mit Fenster
   5 Druckstück
   6  Druckschraube
   7 Deckel
   8 Rundring
   9 Strahlenfenster
  10 Rundring
  11 Blende
  12 Szintillationsdetektor
  13 Verschluß
  14 Deckel
  15 Rundring
  16 Flansch
  17 Rundring
  18 Hülse

Claims (3)

1. Strömungskanal mit radiometrischer Betadichtemessung für fließfähige Medien, insbesondere von zweiphasigen, unter erhöhtem Druck stehenden Medien, der von dem fließfähigen Medium durchströmt wird, einer β-Strahlenquelle und einem spezifischen β-Detektor, wobei die Strahlenquelle und der Detektor auf einer Linie senkrecht zur Strömungskanalachse angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Strömungskanal durch ein mehrteiliges Innenteil gebildet wird, dessen freier Querschnitt einen flächengleichen Über­ gang von kreisförmig auf rechteckig und umgekehrt besitzt, und daß im Gehäuse und im Innenteil drei Bohrungen so an­ geordnet sind, daß zwei Bohrungen sich gegenüberliegend längs der Achse von β-Strahlenquelle und β-Detektor befinden und die dritte Bohrung um 90° versetzt angeordnet ist, und daß die Strahlenfenster so angeordnet sind, daß zur Vermeidung von Toträumen, Strahlenfenster (9) und das Fenster der β-Strahlenquelle (4) in einer Ebene liegen.

2. Strömungskanal nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlenfenster aus einem hohen Systemdrücken stand­ haltenden Werkstoff mit sehr kleiner Flächenmasse bestehen.

3. Strömungskanal nach Punkt 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor wahlweise mit einem Kühl- oder Heizmedium versorgt ist.