DE4333624C2 - Anordnung zum Bestimmen der Strömungsform einer Zweiphasenströmung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum fotoelektrischen Erfassen der Strömungsform nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Zweiphasenströmungen (flüssig/gasförmig) treten in zahlreichen Industrieanlagen auf. In derartigen Strömungen sind die Druckverluste, Wärmeübergangskoeffizienten und die Systemstabilität entscheidend von der Strömungsform abhängig. Die geringe Anzahl von veröffentlichten experimentellen Daten über Strömungsformen nicht-adiabater Zweiphasenströmungen sind u. a. auf die nicht ausreichende Meßtechnik für die Strömungsformbestimmung in beheizten Metallrohren zurückzuführen. Es besteht ein Bedarf für derartige Meßsysteme in Forschungs- und Industrieanlagen, insbesondere für die simultane Strömungsformbestimmung in verschiedenen Querschnitten entlang der Strömung.

Es sind bereits eine Anzahl von Verfahren zur Strömungsformbestimmung bekannt. Die visuelle Bestimmung der Strömungsform setzt Rohrwände aus lichtdurchlässigem Material voraus, die andere Benetzungs- und Wärmeleiteigenschaften haben als die in Industrieanlagen in der Regel eingesetzten Metallrohre, wodurch solche Messungen nicht auf Metallrohre übertragbar sind. Es existieren einige optische Meßverfahren, die ebenfalls lichtdurchlässige Rohrwände voraussetzen (DE 40 28 881 A1 und DE 27 36 218 B2). Das in DE 27 36 218 B2 beschriebene Meßverfahren für transparente Strömungsmittel basiert auf einer Änderung des Lichtweges eines Lichtpfades aufgrund der verschiedenen Brechung des Lichtes in Flüssigkeit und in Luft. Für opake Strömungsmittel wird die Absorption der Lichtes in der Flüssigkeit registriert. Eine Signalisierungsschaltung liefert ein binäres Signal, das eine Aussage macht, ob große Luftblasen vorhanden sind oder Flüssigkeit. Da kleine Blasen ignoriert werden, können mit diesem Meßverfahren als einziger Strömungszustand (große) Blasenströmungen erfaßt werden. Eine Bestimmung der in technischen Anlagen verschiedenartigen Strömungsformen ist somit nicht möglich. Abgesehen vom Binärcharakter des Signals ist eine Strömungsformbestimmung in horizontalen Strömungen mittels eines Lichtpfades kaum möglich. Diese optischen Meßverfahren sind also nicht für die Strömungsformbestimmung in Metallrohren geeignet, insbesondere nicht für horizontale Strömungen. Eine andere Gruppe von Meßverfahren verwendet lokale Sonden, die in den Strömungskanal gebracht werden und für einen Punkt des Strömungskanalquerschnittes die Information liefern, ob sich Flüssigkeit oder Dampf an der Sonde befindet und daraus die Strömungsform bestimmen. Bekannt sind u. a. Sonden, die auf die Änderung der DK der Zweiphasenströmung reagieren (DE 25 58 588 C3), Faseroptische Sensoren (H. Abuaf, u. a.: Optical probe for the local void fraction and interface velocity measurements, Rev. Sci. Instrum. 49(8), Aug. 1978, S. 1090) und Hitzdrahtanemometer (F. Bonetto, u. a.; Two-phase flow in the localized boiling field adjacent to a heated wall, Int. J. Heat Mass Transfer, Vol. 00 No. 00, 1992). Bei horizontalen und zur Horizontalen geneigten Strömungen ist durch den Schwerkrafteinfluß die Dampfphase nicht gleichmäßig im Strömungsquerschnitt verteilt. Da die Sonden nur an einem Punkt des Querschnitts messen, können diese Verfahren in horizontalen und geneigten Strömungen nicht zuverlässig die Strömungsform bestimmen. Ein anderer Nachteil besteht darin, daß durch die in den Strömungskanal ragende Sonde die Strömung gestört wird. Ein weiteres Verfahren zur Strömungsformbestimmung ist die Gammastrahlenschwächungstechnik (Two-Phase Flow Measurements: Principles, Designs and Applications, Instrument Society of America, Research Triangle Park, NC 27709, USA). Hierbei wird die Absorption von mehreren den Strömungskanal durchdringenden Gammastrahlen in der flüssigen und in der gasförmigen Phase gemessen und durch eine Signalweiterverarbeitung die Strömungsform bestimmt. Nachteilig hier sind die hohen Kosten und der Aufwand für die Sicherheitseinrichtungen zur Abschirmung der Gammastrahlen. Weiterhin sind aufwendige Signalverarbeitungstechniken zur Strömungsformbestimmung nötig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine eingangs genannte Anordnung derart auszubilden, daß sie es ermöglicht, die Strömungsform adiabater und nicht-adiabater, stationärer und instationärer Zweiphasenströmungen in Strömungskanälen beliebigen Materials bei sehr hohen Drücken und Temperaturen bei möglichst geringer Störung der Strömung kontinuierlich und eindeutig zu bestimmen und es weiterhin erlaubt, Messungen auch in kurzen Abständen an mehreren Querschnitten in Strömungsrichtung vorzunehmen, um Ausbreitungen, Wechselwirkungen und Überlagerungen der Strömungsformen und Geschwindigkeiten der Einzelphasen bestimmen zu können. Die Lösung dieser Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 7.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß mit nur minimalem Eingriff in bestehende Anlagen und einer zu vernachlässigenden Störung der Strömung die Strömungsform an verschiedenen Querschnitten entlang des Strömungsweges simultan bestimmt werden kann. Ferner sind mit der Anordnung auch Informationen über die auf das Rohr bezogene Radiallage der Phasenbereiche bestimmter Gestalt erhältlich. Die Strömungsform kann durch eine direkte Signalanalyse ohne aufwendige Frequenzanalysen oder statistischen Funktionen bestimmt werden, was die Auswertung von Meßdaten erheblich vereinfacht. Durch die Kombination von Lichtwellenleiter und Kugellinsen wird eine sehr kompakte Bauform erreicht, so daß in die meist vorhandenen Wärmeisolierungen und Schutzmäntel nur Bohrungen für das den Lichtwellenleiter umgebende Hüllrohr angebracht werden müssen. In einer Ausführungsform, bei der die Kugellinsen in Einschraubzapfen eingebaut werden, kann die Anordnung extern montiert und dann komplett in die Strömungskanalwand eingeschraubt werden. Durch die Lichtwellenleiter werden die temperaturempfindlichen Strahlungsquellen, Strahlungssensoren und elektrischen Anschlüsse so weit vom heißen Strömungskanal entfernt angebracht, daß eine lange Lebensdauer gewährleistet ist. Weiterhin können Wartungen und Justierungen an den Strahlungsquellen und Strahlungssensoren durchgeführt werden, ohne die Wärmeisolierung zu entfernen. Mehrere Meßeinrichtungen können in Abständen von nur einem Rohrinnendurchmesser in Strömungsrichtung angebracht werden. Auf den Einsatz teurer Laser, die Licht im nahinfraroten Bereich emittieren, kann verzichtet werden, da durch die Anordnung der speziell ausgebildeten Glasstäbe und der Kugellinsen auch bei Verwendung divergent abstrahlender Strahlungsquellen im Strömungskanal ausreichende Strahlungsdichten erzielt werden. Laser hätten weiterhin den Nachteil, daß sie kohärentes Licht emittieren, was in Abhängigkeit der Polarisationsebene des Lichtes von der Lage der Tangentialebene der durchstrahlten Phasengrenzfläche zu verschiedenen Streuungseffekten führen würde. Im Vergleich zur Gammastrahlenschwächungstechnik, die bis zu sechs Kanäle zur Bestimmung der Strömungsform benötigt (R. Löffel: Two-Phase Measurements Using a 6-Beam-Gamma- Densitometer, Int. Conf. on Ind. Applic. of Radioisotopes and Radiation Technology, Grenoble, Frankreich 28.9-2.10.1981), werden bei der dieser Erfindung zugrundeliegenden Anordnung nur zwei Kanäle zur Strömungsformbestimmung benötigt, da über den Absorptionseffekt hinaus der Streuungseffekt zur Bestimmung der Strömungsform heranziehbar ist. Insbesondere im Hinblick auf die simultane Strömungsformbestimmung in mehreren Querschnitten entlang der Strömung ist eine geringe Kanalanzahl wünschenswert, da kleinere Datenspeicher, kostengünstigere Meßwerterfassungs- und Datenverarbeitungsanlagen verwendet werden können.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispieles beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 schematisch einen Schnitt durch den Meßquerschnitt einer horizontalen Wasser- Dampf-Rohrströmung mit einem horizontalen und einem vertikalen Lichtstrahl,

Fig. 2 einen Schnitt durch einen Einschraubzapfen mit Kugellinse und Glasstab,

Fig. 3 eine Ansicht eines Glasstabes,

Fig. 4 ein Diagramm zur Bestimmung der optimalen Glasstabgeometrie,

Fig. 5 bis Fig. 10 Meßsignale verschiedener Strömungsformen,

Fig. 11 Meßsignal einer überlagerten Strömungsform.

Durch das Rohr 1 fließt senkrecht zur Zeichnungsebene ein Gemisch aus flüssigem Wasser 2 und Dampf 3, hier exemplarisch dargestellt durch Dampfblasen (Fig. 1). Infrarotlicht aus einer Strahlungsquelle 4 wird in ein Glasstab 5 eingekoppelt, in dessen optischer Achse sich eine in die Strömungskanalwand eingebaute Glas-Kugellinse 6 befindet. Das aus dem Glasstab austretende Licht wird durch die Kugellinse 6 kollimiert und tritt durch die Zweiphasenströmung auf die Kugellinse 7, die sich auf der gegenüberliegenden Seite des Strömungskanals befindet. Das durch die Kugellinse 7 austretende Licht trifft auf den zylindrischen Lichtwellenleiter 8 und tritt nach Austritt aus dem Lichtwellenleiter auf einen Strahlungssensor 9. Die gleiche Vorrichtung ist in horizontaler Position angebracht, so daß ein vertikaler 10 und ein horizontaler Strahl 11 entstehen. In komplizierten Strömungskanalgeometrien oder sehr großen Rohrquerschnitten können zusätzlich zu den beiden Strahlengängen in einem Querschnitt weitere Strahlen angebracht werden, um aus der Kombination aller Signale die Vorgänge im Strömungskanal zu beurteilen. In der Regel sind jedoch zwei Strahlengänge ausreichend.

Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform einer in die Strömungsrohrwand eingebauten Kugellinse als Einschraubzapfen 12. Die Kugellinsenanordnung hat eine mechanische und gleichzeitig eine optische Funktion. Die Festigkeit für Druckspannungen von Glas nimmt mindestens zehnmal höhere Werte an als die Festigkeit für Zugspannungen. Um eine Festigkeit und Dichtigkeit für hohe Drücke im Strömungskanal zu gewährleisten, wird die Kugellinse 6 zur Minimierung von Zugspannungen in einen sphärischen Sitz 13 eingebaut und mit einem Kleb- und Dichtmittel befestigt. Bei Temperaturen über 200°C nimmt die Zugfestigkeit von Glas bis zur Transformationstemperatur zu, so daß bis zur Transformationstemperatur des Glaswerkstoffes auch eine Temperaturfestigkeit gewährleistet ist. Der Einschraubzapfen wird durch ein Gewinde 14 in die Strömungskanalwand 1 eingebaut und durch einen Dichtring 15 abgedichtet. Ein Lichtwellenleiter 5, der hier als Glasstab mit kegelstumpfförmigem Ende ausgebildet ist, wird mittig in eine Bohrung 16 gebracht. Das aus der Stirnfläche des Lichtwellenleiters divergent abstrahlende Licht wird durch die Kugellinse kollimiert und in den Strömungskanal gebracht. Bei niedrigen Systemdrücken kann in einer Abwandlung der beschriebenen Ausführungsform eine Plan- oder Bikonvexlinse mit kleinem f/d-Verhältnis verwendet werden, die bessere optische Eigenschaften hat, insbesondere eine geringe sphärische Aberration.

Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform eines Glasstabes (5) mit dem Brechungsindex η_Glas. Er ist auf der Lichtquellenseite zylindrisch mit dem Durchmesser D_a und in Richtung der Kugellinse kegelstumpfförmig mit dem Enddurchmesser von D_e ausgebildet und ist von Luft umgeben, so daß für den Lichtwellenleiter eine hohe numerische Apertur entsteht. Das Licht einer divergent strahlenden Fläche läßt sich durch eine Sammellinse um so mehr kollimieren, je kleiner die strahlende Fläche ist. Dies spricht für einen kleinen Lichtwellenleiterdurchmesser. Die Strahlungsleistung, die in einen Lichtwellenleiter eingekoppelt werden kann, steigt jedoch mit größerem Lichtwellenleiterdurchmesser. Aus diesem Grund wird das Licht einer divergenten Strahlungsquelle in einen Glasstab mit großem Durchmesser eingekoppelt, der sich am anderen Ende zu einem kleinen Durchmesser verjüngt. In einem Glasstab, der von Luft umgeben ist, werden Strahlen, die im Winkel η zum Lot an die Grenzfläche Glas-Luft gelangen bis zum Grenzwinkel sin η_T = 1/η_Glas totalreflektiert. η ist im zylinderförmigen Teil des Stabes für jede Reflexion gleich. Im kegelstumpfförmigen Teil wird η mit jeder Reflexion um 2δ verkleinert: η_n = η_n-1 - 2δ (δ = Winkel des Kegelstumpfmantels mit der optischen Achse). Bei η < η_T würde der Strahl aus dem Kegelmantel austreten. Die Kegelstumpfform wird so ausgebildet, daß die Strahlen, die zwecks Kollimation zur Kugellinse gelangen sollen, nicht aus der Mantelfläche sondern aus der Stirnfläche des Kegelstumpfes austreten. Der Winkel dieser Strahlen nach Austritt aus der Kegelstumpfstirnfläche γ zur optischen Achse wird bestimmt durch die numerische Apertur der Kugellinse mit sphärischem Sitz, der als Blende wirkt. Durch Anpassung der Glasstabgeometrie an die Strahlungscharakteristik der Lichtquelle und an die Einkopplungsverhältnisse der Lichtquelle in den Glasstab kann eine im Vergleich zu zylindrischen Lichtwellenleitern mit einem Durchmesser von D_e höhere Strahlungsleistung am Glasstabende erreicht werden. Der in Fig. 3 eingezeichnete Lichtstrahl schneidet die optische Achse beim Eintritt in den Kegelstumpf (Fall A). Für andere Strahlenverläufe tritt im günstigsten Fall die letzte Reflexion im zylinderförmigen Teil kurz vor dem Eintritt in den kegelstumpfförmigen Teil auf (Fall B). Im ungunstigsten Fall tritt die erste Reflexion im Kegelstumpf kurz hinter dem Eintritt in den kegelstumpfförmigen Teil auf (Fall C). Aus Fig. 4 kann für das Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 (α = 25°, y = 42°, D_a = 1.0 mm) die Kegelstumpflänge L_e, bestimmt werden, die der Kegelstumpf bei jeweiligem Enddurchmesser D_e mindestens haben muß, damit für die Fälle A, B und C alle Strahlen mit Einstrahlwinkeln α von 0° bis 25° mit Abstrahlwinkeln γ von 0° bis 42° aus der Stirnfläche des Kegelstumpfes austreten. Für eine Strahlungsquelle mit α 25° kann in diesem Ausführungsbeispiel die gesamte Strahlungsleistung, die auf die Stirnfläche des Zylinders fällt, zur kleineren Stirnfläche des Kegelstumpfes übertragen werden (abgesehen von Absorption und Streuung bei der Transmission durch Glas). Dies entspricht einer Konzentration der Strahlungsleistung pro Fläche, bei der der Abstrahlwinkel im Vergleich zum Einstrahlwinkel vergrößert wird. Da der Abstrahlwinkel auf die Kugellinsenanordnung angepaßt wurde, wird mit der beschriebenen Anordnung eine im Vergleich zu zylindrischen Lichtwellenleitern bessere Kollimation und somit eine höhere Strahlungsdichte im Strömungskanal erreicht. Zur Vereinfachung können in kleinen Strömungskanälen, in denen kleinere Strahlungsdichten ausreichend sind, zylindrische Lichtwellenleiter verwendet werden.

Die elektrische Signale der Strahlungssensoren sind zur Intensität des auftreffenden Lichtes proportional und werden in Abhängigkeit von der Zeit kontinuierlich aufgezeichnet. Beim Durchtritt des Lichtstrahls durch die flüssige und die dampfförmige Phase treten zwei physikalische Effekt auf, die den Signalverlauf bestimmen. Durch den Absorptionseffekt wird die Wellenlänge des Lichtes in der Weise ausgewählt, daß die Lichtintensität nach Durchdringung des Strömungskanals, der vollständig mit der flüssigen Phase gefüllt ist, zwischen 50% und 90% der Lichtintensität beträgt, die ein Lichtstrahl nach Durchdringung des Strömungskanals besitzt, der vollständig mit der gasförmigen Phase gefüllt ist. Für die in diesem Ausführungsbeispiel beschriebene Wasser-Dampf-Strömung erfüllt der Wellenlängenbereich zwischen 880 nm und 1350 nm die o.g. Bedingung. Die zu wählende Wellenlänge hängt von der durchstrahlten Weglänge im Strömungskanal ab und beträgt für die hier wiedergegebenen Messungen 950 nm. Da das Licht in der flüssigen Phase eine wesentlich größere Absorption erfährt als in der gasförmigen Phase, liefert der Absorptionseffekt Informationen über die Anteile von durchstrahlter flüssiger Phase und durchstrahlter gasförmiger Phase. Der von der flüssigen Phase auf die Phasengrenzschicht der dampfförmigen Phase treffende Lichtstrahl wird gestreut, da er auf ein Medium mit kleinerem Brechungsindex trifft. Der Streuungseffekt liefert Informationen über die Oberflächenstruktur der durchstrahlten Phasengrenzflächen. In Dampfblasen erfährt das Licht Absorption und Streuung. Ihr Anteil ist abhängig vom Verhältnis Blasendurchmesser/Rohrdurchmesser. Kleinen Dampfblasen, die vollständig von Wasser umgeben sind, bewirken vorwiegend eine Streuung des Lichtstrahls. Große Dampfblasen bewirken vorwiegend eine geringere Absorption des Lichtes. Anders sind die Verhältnisse, wenn eine Dampfblase an der Rohrwand entlang strömt. Trifft das Licht ausgehend von der Kugellinse zuerst durch die Dampfphase und dann durch die flüssige Phase, so wird das Licht weniger gestreut, da es nur durch eine Phasengrenzschicht tritt. Hier ist der Absorptionseffekt ausschlaggebend. Es kann also zwischen Dampfblasen unterschieden werden, die an der Strömungskanalwand entlang strömen und solchen, die im Kanal ohne Benetzung der Wand strömen. Dies ist insbesondere von Bedeutung für horizontale und zur Horizontalen geneigten Strömungen. Aus diesem Grund werden die Kugellinsen so angebracht, daß sie leicht in den Strömungskanal ragen.

Im folgenden wird nun anhand einiger Beispiele gezeigt, wie aus der Kombination beider gemessener physikalischer Effekte durch eine Signalinterpretation die Strömungsform bestimmt wird. Fig. 5 bis Fig. 11 zeigen Meßsignale von Messungen einer Wasser-Dampf- Strömung in einem horizontalen Metallrohr mit Wärmezufuhr. Aufgetragen ist jeweils die Intensität des Lichtes über der Zeit. Entsprechend Fig. 1 wird das Signal des horizontalen Strahlenganges mit "H" indiziert und das Signal des vertikalen Strahlenganges mit "V". Bei der Einphasenströmung (Fig. 5) handelt es sich um eine reine Flüssigkeitsströmung, bei der es in gleicher Weise für den horizontalen wie für den vertikalen Strahlengang zu hoher Absorption kommt. Aus diesem Grund sind beide Signale auf einem konstanten niedrigen Niveau. Fig. 6 zeigt den Signalverlauf bei einer Blasenströmung. Die kleinen Dampfblasen strömen vorwiegend im oberen Teil des Rohres und benetzen dabei die obere Rohrwand. Ein Vergleich mit dem Signalverlauf bei der Einphasenströmung zeigt lokale Intensitätszunahmen des vertikalen Strahlenganges aufgrund der geringeren Absorption des Lichtes in der Dampfphase, wenn die Kugellinse von einer Dampfblase benetzt wird. Der Vergleich des horizontalen Signals mit der Einphasenströmung zeigt lokale Intensitätsabnahmen aufgrund von Streuungseffekten, wenn kleine Dampfblasen den Strahlengang durchqueren, ohne die Kugellinse zu benetzen. Fig. 7 zeigt den Signalverlauf bei einer Pfropfenströmung. Analog zu den Aussagen beim vertikalen Signal der Blasenströmung kommt es beim V-Signal zu Intensitätszunahmen, wenn ein Dampfpfropfen an der Kugellinse vorbeiströmt. Aus der Breite und Höhe des Signals können Rückschlüsse auf die Pfropfenlänge und -höhe gezogen werden. Das H-Signal zeigt zeitgleich mit dem V-Signal eine leichte Intensitätszunahme. Aus dem Signalverlauf kann geschlossen werden, daß die Pfropfen sich von der oberen Rohrwand bis über die Mitte des Rohres hinaus erstrecken. Fig. 8 zeigt die Verhältnisse bei einer Schichtenströmung. Das H-Signal ist identisch zur Einphasenströmung, da sich die Phasengrenzfläche oberhalb der Rohrmitte befindet. Das V-Signal zeigt einen nahezu konstanten Verlauf. Im oberen Teil des Rohres befindet sich eine Dampfschicht, die eine geringe Absorption und somit eine hohe Intensität bewirkt. Die geringen Schwankungen des V-Signals werden durch kleine Wellen und den dadurch hervorgerufenen Streuungen verursacht. In einer Wellenströmung (Fig. 9) befindet sich nach wie vor eine Dampfschicht im oberen Teil des Rohres. Es ist zu sehen, daß der mittlere Signalwert des vertikalen Strahlenganges deutlich über dem Wert von flüssigem Wasser liegt (vergleiche Schichtenströmung). Durch Wellen auf der Flüssigkeitsoberfläche wird das Licht gestreut. Auch das H-Signal zeigt leichte Schwankungen. Dieser Effekt ist durch die konkave Form der Phasengrenzfläche in einem Querschnitt senkrecht zur Rohrachse durch Benetzung und durch die auf der Flüssigkeitsoberfläche vorhandenen Wellen und die dadurch verursachten Streuung zu erklären. Fig. 10 zeigt den Signalverlauf bei einer Schwallströmung. Die Wellen werden bei dieser Strömungsform so hoch, daß sie die obere Rohrwand berühren. Die obere Kugellinse wird dann benetzt, was eine höhere Absorption zur Folge hat. Die Schwankungsbreite des Signals ist wegen der abwechselnden Benetzung und Nichtbenetzung sehr hoch. Für das H- Signal gelten die für die Wellenströmung gemachten Aussagen. Aus dem Signalverlauf ist weiterhin eine überlagerte periodisch schwankende Füllstandsänderung des Wassers zu erkennen. In Fig. 11 ist der Signalverlauf einer überlagerten Strömungsform zu sehen. Es zeigt die horizontalen und die vertikalen Signale für drei in Strömungsrichtung hintereinander liegende Querschnitte, die mit 1, 2 und 3 bezeichnet wurden. Als Grundströmungsform ist hier eine Wellenströmung vorhanden, die periodisch mit einer Schwallströmung überlagert ist. Ein Schwall bewirkt eine starken Intensitätsabnahme des vertikalen und des horizontalen Signals, wenn er den entsprechenden Querschnitt durchquert. In Fig. 11 ist zu sehen, daß zeitlich nacheinander die Signale 1V, 2V und 3V Intensitätsabnahmen zeigen, die sich periodisch wiederholen. Die horizontalen Signale korrespondieren mit den vertikalen Signalen und reagieren auf Flüssigkeitsstandsänderungen und die Oberflächenstruktur des Wassers. Die Geschwindigkeit der Schwallausbreitung kann aus den Signalen bestimmt werden.

Claims (7)

1. Anordnung zum fotoelektrischen Erfassen der Strömungsform eines durch ein Rohr fließenden Strömungsmittels, das eine flüssige und eine gasförmige Phase enthält, mit einem ersten senkrecht zur Rohrachse und durch das Rohr verlaufenden ersten Lichtpfad, der von einer ersten Strahlungsquelle ausgeht und zu einem ersten Strahlungsempfänger führt, sowie mit einem unter einem Winkel zum ersten Lichtpfad zwischen einer zweiten Strahlungsquelle und einem zweiten Strahlungsempfänger verlaufenden zweiten Lichtpfad, wobei die Strahlungsempfanger elektrische Meßsignale liefern, aus denen Informationen bezüglich der Phase des Strömungsmittels im Bereich des ersten und zweiten Lichtpfades ableitbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß sich die beiden Lichtpfade bei fehlendem Strömungsmittel innerhalb des Rohres (1) in einer ersten Rohrquerschnittsebene kreuzen, daß auch der zweite Lichtpfad senkrecht zur Rohrachse verläuft, daß einer der Lichtpfade überdies horizontal und der andere senkrecht zu diesem verläuft, und daß die Wellenlänge des von den Strahlungsquellen (4) ausgehenden Lichtes derart bemessen ist, daß die die Strahlungsempfänger (9) beaufschlagende Lichtintensität, wenn das Rohr (1) vollständig mit der flüssigen Phase des Strömungsmittels gefüllt ist, zwischen 50% und 90% derjenigen Lichtintensität beträgt, mit welcher die Strahlungsempfänger (9) bei vollständig mit der gasförmigen Phase des Strömungsmittels gefülltem Rohr (1) beaufschlagt sind.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für Wasser-Dampf- Zweiphasenströmungen Strahlungsquellen für Infrarotlicht mit einer Wellenlänge im Bereich zwischen 880 nm und 1350 nm vorgesehen sind.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß analog zu den sich kreuzenden Lichtpfaden in der ersten Rohrquerschnittsebene weitere sich kreuzende Lichtpfade in weiteren Rohrquerschnittsebenen vorgesehen sind, so daß durch einen Vergleich der Meßsignalverläufe, die verschiedenen Rohrquerschnitten zugeordnet sind, Ausbreitungen von Strömungsformen und die Laufzeit einer Phase durch Anwendung der Kreuzkorrelationsfunktion auf zwei parallele Lichtpfade ermittelbar sind.

4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Rohrquerschnittsebene zusätzlich zu den zwei sich kreuzenden Lichtpfaden weitere Lichtpfade vorgesehen sind.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Lichtpfad folgenden Aufbau aufweist:
Das Licht der Strahlungsquelle (4) ist über einen Lichtwellenleiter (5) in eine Glas- Kugellinse eingekoppelt; eine weitere Glas-Kugellinse lenkt das Licht über einen zylindrischen Lichtwellenleiter zum Strahlungsempfänger (9), beide Glas-Kugellinsen sind mittels sphärischer Sitze für sehr hohe Drücke und Temperaturen dicht in die Rohrwand eingebaut und ragen mit 1/6 bis 1/2 ihres Kugeldurchmessers in das Rohr (1).

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Lichtpfad folgenden Aufbau aufweist:
Das Licht der Strahlungsquelle (4) ist über einen Lichtwellenleiter (5) in eine Plan- oder Bikonvexlinse eingekoppelt; eine weitere Plan- oder Bikonvexlinse lenkt das Licht über einen zylindrischen Lichtwellenleiter zum Strahlungsempfänger (9), beide Linsen sind für niedrige Systemdrücke mittels sphärischer Sitze dicht in die Rohrwand eingebaut.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtwellenleiter (5) zur Einkopplung des Lichtes der Strahlungsquelle (4) in die zugehörige Glas-Kugellinse ein Glasstab mit kegelstumpfförmigem Lichtaustrittsende ist.