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Diese
Erfindung betrifft ein akustisches Pyrometer und ein Verfahren zur
Messung der durchschnittlichen Gastemperatur in einem Raum.
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Die
Erfindung bezieht sich auf die Temperaturmessung und insbesondere
auf Temperaturmessungen über
große
Räume,
deren Erstreckung bekannt ist, in einer lauten, schmutzigen und
korrosiven Umgebung wie zum Beispiel einem kohlegeheizten Betriebskessel
oder einem chemischen Rückgewinnungskessel.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Der
Betrieb von kohlegeheizten Kesseln wird in erheblichem Maße durch
Betriebsparameter beeinflusst, welche sich mit Umgebungsfaktoren
wie Raumtemperatur, Feuchtigkeit, Kohlezusammensetzung, usw. verändern. Die
Gastemperaturen im Kessel, einschließlich der Temperatur des aus
dem Ofen austretenden Gases, werden durch diese Faktoren sowie durch
gegebenenfalls vorgenommene Einstellungen am Ofen wie zum Beispiel
an der Brennerausbildung und -ausrichtung, der Luftstromgeschwindigkeit,
der Kohlezufuhrgeschwindigkeit, usw. beeinflusst.
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Die
Gastemperaturen beeinflussen zutiefst und in verschiedenster Weise
die Leistung eines Kessels. Die thermische NOx-Bildungsrate
steigt exponentiell an, wenn die Temperaturen 1.482 °C (2.700 °F) übersteigen.
Obwohl die Behörden
einen starken Druck zur Reduzierung des NOx-Ausstoßes ausüben, so
fehlt doch bei großen
Kesseln das grundsätzliche
Wissen um die Temperatur des aus dem Ofen austretenden Gases, wobei
diese Temperatur der wichtigste Faktor bei der Entstehung von NOx darstellt, weil die derzeitige Technologie
der Temperaturmessung nicht in der Lage ist, in großen Kesseln
genaue Temperaturdaten zu erzielen.
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Gastemperaturen
in Kesseln beeinflussen auch die Geschwindigkeit der Schlackenbildung
in den Kesselrohren. Die Schlacke besteht aus angesammelten, abgelagerten
in der Kohle enthaltenen Stoffen, die Aschepartikel bilden, wenn
die Kohle im Ofen verbrannt wird, aber auf die hängenden Dampf-/Wasserrohre
auftreffen und daran haften bleiben, wenn die Gastemperatur nahe
der Schmelztemperatur der Aschepartikel (im so genannten „klebrige
Bereich") liegt.
Das Verschlacken der Rohre ist ein übliches Phänomen in allen kohlegeheizten
Kesseln, ist aber besonders lästig
in Kesseln, die sub-bituminöse
Kohle wie zum Beispiel die schwefelarme Kohle aus den riesigen Vorkommen
im Power River Basin, verwenden. Die Verschlackung ist ein Problem,
denn sie stört
die Wärmeübertragung
zu den Kesselrohren und kann die Bewegung des Gases durch die Rohrreihen
behindern. Ein noch schwerwiegenderes Problem entsteht, wenn die
abgelagerte Schlacke riesig zunimmt und dann fällt, da sie dann den Kessel
schwer beschädigt
und es dadurch zu einer kostspieligen Ausfallzeit des Kessels während dessen
Reparatur kommt.
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Kesselrohre
werden durch „Rußblasen" von den Schlackenablagerungen
befreit, indem Dampf durch Öffnungen
in Drehrohren eingespeist wird, jedoch sind die Häufigkeit
und die Stelle, an der das Rußblasen
stattfindet, eher das Ergebnis eines Ratespiels durch den Bediener
als eines tatsächlichen Wissens
um die die Verschlackung der Kesselrohre bewirkenden gegenwärtigen Umstände in dem
Kessel. Das Rußblasen
reduziert die Arbeitsleistung des Kessels und kann selbst zur Erosion
der Rohre führen,
so dass ein großes
Interesse daran besteht, das Rußblasen
zu optimieren, das heißt,
es nur so häufig und
lange wie nötig
und lediglich an den erforderlichen Stellen durchzuführen. Ein
Technik zur Bestimmung der Verschlackung der Rohre besteht darin,
die Temperatur auf einander gegenüberliegenden Seiten einer Reihe
von Rohren zu messen, um so festzustellen, wie viel Wärme durch
die Rohre an das Wasser bzw. den Dampf in den Rohren übertragen
wird. Sinkt der Temperaturunterschied, so ist dies ein Zeichen dafür, dass
die Rohre verschlacken, da die Schlacke wie ein Isoliermittel wirkt,
welches die Wärmeübertragung
verzögert.
Damit jedoch diese Technik über
die Temperaturdifferenz funktioniert, muss die Messung der Gastemperaturen
an einander gegenüberliegenden
Seiten der Rohrreihen auch genau sein; die aus dem Stand der Technik
bekannten Verfahren zur Temperaturmessung sind bei großen Kesselanlagen allerdings
ungenau oder sie haben eine kurze Lebensdauer.
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Ein
besserer Ansatz, um dem Verschlackungsproblem beizukommen, bestünde darin,
die Schlackenbildung zu minimieren und dadurch auch die Notwendigkeit,
diese Schlacken zu entfernen, zu reduzieren. Da die Schlackenbildung
durch die Gastemperatur beeinflusst wird, würde das Wissen um die Temperaturen
in der Eingangsebene zur Rohrreihe und/oder in der Rohrreihe selbst
dem Kesselbetreiber die Möglichkeit
eröffnen,
festzustellen, wann die thermischen Verhältnisse sich einem Zustand
nähern,
in dem die Rohre möglicherweise
verschlacken. Eine Steuerung der Gastemperatur zur Verhinderung
der Erzeugung eines „klebrigen" Bereichs, in dem
Schlacken entstehen, würde
dazu beitragen, eine beginnende Kesselverstopfung und die erzwungene
Stilllegung desselben zu dessen Reinigung zu verzögern. Das
ausführliche
Wissen um die thermischen Verhältnisse
im Bereich der Rohrreihe kann hilfreich sein nicht nur bei der Einschätzung der
Orte, an denen eine Verschlackung möglicherweise entstehen könnte, so
dass das Rußblasen
für diese
Verhältnisse
optimiert werden kann, sondern auch bei der Einstellung des Ofens
zur Erzeugung von die Verschlackung minimierenden Gastemperaturen.
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Daher
bestand schon lange der Bedarf nach genauen Temperaturmessungen
in Hochleistungs- und Rückgewinnungskesseln,
die es ermöglichen, die
Kesselleistung zu verbessern und auch die Schlackenbildung zu reduzieren
und zur Entfernung von dennoch entstehenden Schlacken das Rußblasen
zu optimieren, so dass große
Schlackenablagerungen gar nicht erst entstehen und den Kessel beim
Fallen nicht beschädigen
können.
Die Temperaturmessung wäre
auch nützlich
bei der Minimierung der NOx-Bildung durch
Reduzierung der Haltezeit bei hoher Temperatur. Schließlich würde eine
derartige Temperaturmessung die Feuerballzentrierung im Ofen, die Erfassung
des Auftreffens der Flammen auf die Brandwand und das Feststellen
eines Rohrlecks erleichtern.
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Die
US-A-5 624 188 offenbart
ein Thermometer, welches eine modulierte elektrische Signalfolge
einer vorbestimmten Frequenz und Dauer verwendet, um eine Tonfolge
zu erzeugen und die Durchschnittstemperatur eines Mediums in einem
offenen Raum zu messen.
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In
der
US-A-4 848 924 wird
ein akustisches Pyrometer nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 beschrieben.
Insbesondere offenbart die
US-A-4
848 924 ein akustisches Pyrometer zur Messung der durchschnittlichen
Gastemperatur entlang einer Strecke über einen Raum, dessen Erstreckung
bekannt ist, wobei dieses Pyrometer einen Generator zur Erzeugung
akustischer Signale, einen auf der dem Signalgenerator gegenüber liegenden
Seite des Raums positionierten Empfänger zum Empfangen von akustischen
Signalen aus diesem Raum und zum Generieren von elektrischen Signalen,
welche in Amplitude und Frequenz den im Empfänger empfangenen akustischen
Signale entsprechen, und einen Signalprozessor zur Verarbeitung
der vom Empfänger
empfangenen elektrischen Signale und zur Berechnung der Temperatur
des Gases in dem Raum aufgrund der Laufzeit, die das akustische
Signal benötigt,
um den Raum zu durchqueren, aufweist.
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Ein
Verfahren zum Messen der durchschnittlichen Gastemperatur entlang
einer Linie über
einen offenen Raum nach dem Oberbegriff des Anspruches 9 ist auch
aus der
US-A-4 848 924 bekannt.
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Der
lang gehegte Wunsch nach genauen Temperaturmessungen in großen Kesseln
besteht deshalb, weil die Messverfahren aus dem Stand der Technik
sich nicht dafür
eignen, zuverlässig
genaue Temperaturmessungen über
die Breite von großen Kesseln
durchzuführen.
Thermoelemente sind unzuverlässig
und fallen in korrosiven Umgebungen schnell aus. Optische Verfahren
dringen nur beschränkt
ein und sind schwer auszuwerten. Die vorbekannten akustischen Verfahren
können über lange Strecken
in lauten Umgebungen nicht genau arbeiten, wobei dies zum Teil daher
rührt,
dass sie nicht in der Lage sind, die Entstehung des akustischen
Signals bei einem Hintergrundgeräusch
hoher Amplitude genau zu erfassen.
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Kurzdarstellung der Erfindung
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Aufgabe
dieser Erfindung ist es daher, ein akustisches Pyrometer weiterzuentwickeln,
das bei erheblicher Geräuschkulisse
genaue Messungen von erhöhten
Gastemperaturen über
weite Räume durchführen kann.
Ferner ist es die Aufgabe dieser Erfindung, ein akustisches Pyrometer
weiterzuentwickeln, welches unter atmosphärischen Bedingungen, unter
denen die Wegstrecke vor der Absorption der in der optischen Pyrometrie
verwendeten optischen Wellenlängen
kurz ist und die optische Pyrometrie schwer auszuwerten ist, mit
Genauigkeit arbeiten kann. Eine weitere Aufgabe dieser Erfindung
ist es, ein akustisches Pyrometer dahingehend weiterzuentwickeln,
dass dieses fortgeschrittene diagnostische Aufgaben hinsichtlich
des internen Betriebs eines Kessels erfüllen kann, um so z.B. eine
optimale Einstellung des Ofens zur Feuerballzentrierung und das Erfassen
des Auftreffens der Flammen auf die Brandwand zu erleichtern. Eine
weitere Aufgabe dieser Erfindung besteht darin, Verfahren zur Messung
der Wärmeübertragung
auf die Kesselrohre, zur Feststellung eines Rohrlecks, zur Ortung
von verschlackten Bereichen, zur Aufnahme der Temperatur in der
Ofenebene und zur Optimierung von Rußblasvorgängen weiterzuentwickeln.
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Diese
und weitere Aufgaben der Erfindung werden durch eine Weiterentwicklung
eines akustischen Pyrometers zur Messung der durchschnittlichen
Gastemperatur über
einen offenen Raum, dessen Erstreckung bekannt ist, mit den in Anspruch
1 unter Schutz gestellten Merkmalen gelöst. Es umfasst einen Signalgenerator
zur Erzeugung eines akustischen Signals, das mit einer hohen Amplitude beginnt
oder eine kurze Anstiegszeit hat. Ein Detektor wird direkt neben
den Signalgenerator in einer Position angeordnet, in der er die
Entstehung des akustischen Signals in dem Signalgenerator erfassen kann.
Der Detektor könnte
ein Detektor akustischer Signale, beispielsweise ein Mikrophon oder
ein piezoelektrischer Detektor sein, oder er könnte ein berührungsloser
Grenztaster oder ein Umsetzungsdetektor sein, welcher die Bewegung
des Signalgeneratorbauteils, das das akustische Signal ausgibt,
erfasst. Der Detektor erzeugt ein erstes elektrisches Signal, welches
zeitlich der Entstehung des akustischen Signals im Signalgenerator
entspricht. Ein Empfänger
ist auf der dem Signalgenerator gegenüber liegenden Seite des Raums
positioniert und hat ein Mikrophon oder einen anderen Signalsensor
zum Empfangen akustischer Signale aus dem Raum und zum Erzeugen
von elektrischen Signalen, die in Amplitude und Frequenz der im
Empfänger
empfangenen akustischen Signale entsprechen. Die Signale von dem
Signalgenerator und dem Signalsensor in dem Empfänger zugeordneten Signaldetektor
werden an einen Signalprozessor gesendet, in dem das akustische
Signal von den Hintergrundgeräuschen im
Raum wie im Empfänger
erfasst, unterschieden wird, und in dem die Ankunftszeit des akustischen
Signals im Empfänger
mit dem Zeitpunkt verglichen wird, zu dem das akustische Signal
im Signalgenerator erzeugt wurde, um so die Laufzeit, die das akustische
Signal benötigt,
um den Raum zu durchqueren, zu bestimmen und die Gastemperatur im
Raum aufgrund dieser Laufzeit zu berechnen.
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Zur
Lösung
dieser Aufgaben hat die Erfindung auch ein Verfahren nach Anspruch
9 geschaffen.
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Beschreibung der Zeichnungen
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Die
Erfindung und die vielen dazugehörigen Aufgaben
und Vorteile werden nachstehend in der ausführlichen Beschreibung von bevorzugten
Ausführungsformen
anhand der folgenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 einen
kohlegeheizten Betriebskessel mit einem erfindungsgemäßen akustischen
Pyrometersystem in einer schematischen perspektivischen Ansicht;
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2 einen
an einer Rohrwand eines Kessels angebrachten Signalgenerator des
erfindungsgemäßen, in 1 gezeigten
akustischen Pyrometers in einer schematischen perspektivischen Ansicht;
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3 eine
Rohrwand eines Kessels mit einem Verbindungselement zum Anbringen
des Signalgenerators als Draufsicht im Schnitt;
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4 und 5 ein
an der in 3 gezeigten Rohrwand angebrachtes
Verbindungselement im Aufriss in einer Vorder- bzw. einer Seitenansicht;
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6 einen
Feuerraum in einem Kessel mit Tangentialfeuerung in einer schematischen
Ansicht;
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7 und 9 einen
Kessel mit einem daran angebrachten erfindungsgemäßen akustischen Pyrometer
in schematischen Ansichten;
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8 das
Luftsystem zur Versorgung des erfindungsgemäßen akustischen Pyrometers
mit Energie in einer vereinfachten schematischen Ansicht;
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10 und 11 pneumatische
und elektrische Schaltpläne
für einen
erfindungsgemäßen akustischen
Pyrometer;
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12 einen
mechanischen Aufbau zur Anbringung des in 10 gezeigten
Signalgenerators an die Rohrwand eines Kessels im Aufriss in einer Seitenansicht;
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13–17 verschiedene
Ansichten von veränderten
Sichtfensterelementen zum Anbringen des in 12 gezeigten
Signalgenerators an ein Sichtfenster eines erfindungsgemäßen Kessels;
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18 den
in 12 gezeigten Signalgenerator in seinem betriebsbereiten
Zustand in einem schematischen Aufriss im Schnitt;
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19 den
in 18 gezeigten Signalgenerator mit geöffnetem
Ventil und mit gerade aufgebrochener Dichtung zwischen der vorderen
und der hinteren Kammer in einem schematischen Aufriss im Schnitt;
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20 den
in 18 gezeigten Signalgenerator mit dem in Richtung
nach hinten schnell beschleunigten Kolben, welcher die vordere Dichtung öffnet und
das akustische Signal ausgibt, das sich, wie hier gezeigt wird,
nach unten im Zylinder ausbreitet, in einem schematischen Aufriss
im Schnitt;
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21 den
in 18 gezeigten Signalgenerator, wobei der Kolben
nun durch ein am Ende des hinteren Zylinders eingeschlossenes Gaspolster
abgebremst wird, in einem schematischen Aufriss im Schnitt;
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22 das
Innere eines Kessels in einer schematischen perspektivischen Ansicht,
in der eine Anordnung von Signalgeneratoren und Empfängern zu
sehen ist, die in der Austrittsebene des Ofens so positioniert sind,
dass ein ther misches Abbild der Temperaturen in der Austrittsebene
des Ofens erzeugt wird;
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Die 23 und 24 einen
Ofen mit parallel einander gegenüberliegenden
Brennern und einen erfindungsgemäßen akustischen
Pyrometer, die derart angeordnet sind, dass Temperaturdaten des Auftreffens
der Flammen auf die Brandwand erzeugt werden, in schematischen Draufsichten;
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25 einen
Kessel mit einem erfindungsgemäßen akustischen
Pyrometer, der so angeordnet ist, dass Daten hinsichtlich des senkrechten
Temperaturgradientes zur Steuerung der thermischen NOx-Bildung in
dem Kessel erzeugt werden, im Aufriss in einer schematischen Seitenansicht;
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26 einen
Signalgenerator für
einen erfindungsgemäßen akustischen
Pyrometer im Aufriss in einer Schnittdarstellung;
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26A eines der in 26 gezeigten
Gehänge
in einer Stirnansicht im Aufriss;
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27 den
in 26 gezeigten Signalgenerator, wobei die Welle/der
Kolben entfernt wurden, in einer Schnittdarstellung im Aufriss;
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28 den
in 26 gezeigten einstückigen Kolben/Welle, wobei
zur besseren Übersicht
alle Bauteile weggelassen wurden, in einer Schnittdarstellung im
Aufriss;
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28A das Anschlussende des in 28 gezeigten
einstückigen
Kolbens/Welle in einer Explosionsdarstellung im Schnitt und im Aufriss;
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24–28 Kessel
mit mehreren Spezialfunktionen, die von einem erfindungsgemäßen akustischen
Pyrometer durchgeführt
werden können, in
schematischen Ansichten; und
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29–31 Blockdiagramme,
die den Betrieb des Signalprozessors für einen erfindungsgemäßen akustischen
Pyrometer zeigen.
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Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsformen
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Die
Zeichnungen, in denen identische oder entsprechende Teile mit den
gleichen Bezugszeichen versehen sind, und insbesondere die 1–3 dieser
Zeichnungen, zeigen in schematischer Darstellung einen kohlegeheizten
Kessel 30 mit Wänden 32,
die aus Dampf/Wasser-Rohren 35 gebildet sind, welche an
den Kanten mit Stegen 36 untereinander verbunden sind,
wie dies in 3 zu sehen ist. Hängende Dampf/Wasser-Rohrschlangen 38 ragen
in einen Strom von heißen
Brenngasprodukten, die aus einem Ofen 40 kommen, der Kohlestaub
verbrennt. Der Ofen 40 kann verschiedene Brennerausbildungen
haben, so zum Beispiel eine in 6 gezeigte effiziente
Anordnung mit einer Reihe von einstellbaren Brennern 42,
die tangential um einen zentralen Bereich angeordnet sind, um in
der Mitte des Ofens einen wirbelnden Feuerball 44 zu erzeugen.
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Die
hängenden
Rohre 38 nehmen in dem Kessel einen offenen Raum ein, der
in Querabmessung mehr als 15 m (fünfzig Fuß) betragen kann. So hat zum
Beispiel ein B&W
670 Megawatt-Kessel
eine lichte Weite von etwa 21 m (67 Fuß). Die Atmosphäre in einem
im Betrieb befindlichen kohlegeheizten Kessel ist typischerweise
schmutzig, mit einer hohen Konzentration an suspendierten Partikeln,
und ist auch aufgrund der Turbulenz der Verbrennungsgase, des in
den Röhren 35 und 38 kochenden
Wassers und der in dem Kessel betriebenen Rußbläser (Reinigungsvorrichtungen)
zur Verhinderung einer Schlackenbildung am Kessel sehr laut. Diese
Verhältnisse stellen
eine extrem feindliche Umgebung für den Betrieb von Messsystemen
zur Messung der Gastemperatur im Kessel dar.
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Ein
schematisch in den 7–11 gezeigter
akustischer Pyrometer 50 misst die durchschnittliche Gastemperatur
entlang einer oder mehrerer Messstrecken 52, 52A, 52B usw. über den
offenen Raum eines Kessels oder einen anderen offenen Raum mit bekannter
Erstreckung. Das akustische Pyrometer 50 umfasst einen
Generator akustischer Signale (ASG) 55 zur Erzeugung eines
akustischen Signals 56 mit einer schnellen Anstiegszeit
und einer hohen Amplitude. Ein Detektionsmittel, beispielsweise
ein in den 10 und 11 gezeigtes
Mikrophon 57, ist über
ein Rohr 59 mit dem Signalgenerator 55 verbunden
und nimmt dabei eine Position ein, in der es die Generierung des
von dem Signalgenerator 55 erzeugten akustischen Signals
erfasst. Es sind auch andere Arten von Detektionsmitteln denkbar;
dies wird weiter unten noch beschrieben werden. Das Mikrophon 57 erfasst
die Entstehung des Signals 56 in dem Signalgenerator 55 und
generiert ein erstes elektrisches Signal, das zeitlich eng mit der Generierung
des akustischen Signals 56 im Signalgenerator 55 gekoppelt
ist.
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Ein
Empfänger
eines akustischen Signals (ASR) 60 ist auf der dem Signalgenerator 55 gegenüber liegenden
Seite des Kessels oder eines anderen Raums mit bekannter Erstreckung
positioniert und hat ein Mikrophon 62 oder einen anderen
Schallwandler zum Empfangen von akustischen Signalen aus dem Raum
und zum Generieren von elektrischen Signalen, die in Amplitude und
Frequenz den in dem Empfänger 60 empfangenen
akustischen Signalen entsprechen. Um die Ankunft des von dem Signalgenerator
generierten akustischen Signals von den Hintergrundgeräuschen in
dem Raum, wie sie von dem Empfänger 60 erfasst
wurden, zu unterscheiden, um die Ankunftszeit des akustischen Signals
in dem Empfänger 60 mit
der Zeit der Generierung bzw. Entstehung des akustischen Signals
im Signalgenerator 55 zur Bestimmung der Laufzeit, die
das akustische Signal benötigt,
um den Raum zu durchqueren, zu vergleichen, und um die Gastemperatur
in dem Raum aufgrund der Laufzeit zu berechnen, werden die elektrischen
Signale vom Signaldetektor 57 und vom Empfängermikrophon 62 über elektrische
Leiter 63 und 64 zur Verarbeitung an einen Signalprozessor 65 in
einer Systemsteuerung 66 gesendet.
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Das
Mikrophon 57 ist in angemessener Weise in einem Gehäuse für einen
Signalauslöser 68 zur Auslösung akustischer
Signale angebracht, wobei dieser Signalauslöser die elektrische Schnittstelle zwischen
dem Signalprozessor 65 und dem Signalgenerator 55 bereitstellt.
Alternativ hierzu können
die Mittel zum Erfassen der Entstehung des Signals in dem Signalgenerator 55 auch
Sensoren im Signalgenerator selbst sein. Derartige Sensoren können akustische
Sensoren wie zum Beispiel ein Mikrophon oder piezoelektrische Vorrichtungen
sein, oder sie können
elektrische oder optische Bewegungs- oder Näherungssensoren sein, welche
die Bewegung der Bauteile im Signalgenerator erfassen, die sich
bewegen, um das akustische Signal 56 erzeugende, mit Druck
beaufschlagtes Gas auszugeben. Der Fachmann wird erkennen, dass
auch andere Sensoren denkbar sind.
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Typischerweise,
und wie in 1 dargestellt, ist der Signalgenerator 55 zur
Generierung akustischer Signale in einer Rohrwand 32 des
Kessels und des Empfängers 60 angebracht
oder es sind, wie in 1 zu sehen ist, drei Empfänger 60 an
der gegenüber
liegenden Rohrwand, direkt über
dem Ofen 40 angebracht, die über die Temperaturverteilung
des Gases in der Austrittsebene des Ofens informieren. In 2 ist
der Signalgenerator 55 in einer seitlichen Rohrwand oberhalb
der eine Nase bildenden Rohrwand 69 und vor der ersten
Reihe der hängenden Rohre 38 angebracht
und die drei Empfänger 60 sind in
der gegenüber
liegenden seitlichen Rohrwand, ebenfalls vor der ersten Reihe der
hängenden
Rohre 38, angebracht, um Informationen über die senkrechte Verteilung
der Gastemperaturen bei Eintritt des Gases in die hängenden
Rohrreihen zu erhalten. Eine güns tige
und minimal invasive Technik zum Anbringen des Empfängers 60 ist
in den 3–5 zu
sehen und besteht darin, in den benachbarte Rohre 35 in
der Rohrwand 32 verbindenden Steg 36 einen schmalen
Schlitz 75 einzubringen. Ein herkömmliches Verbindungselement 77 ist
oberhalb und unterhalb des Schlitzes an den Steg geschweißt und das Verbindungselement
wird auch durch obere und untere, angeschweißte Keile 79 abgestützt. Der
Empfänger 60 kann
auf diese Weise an die Rohrwand angebracht werden, ohne dabei den
Betrieb der Rohrwand 32 zu verändern oder zu stören und
ohne auch nur eine der vorhandenen Öffnungen zu verwenden. Eine
andere Anbringungstechnik verwendet die in der Rohrwand vorhandenen Öffnungen,
wie dies in den 12–19 zu
sehen ist. Eine oberhalb der vorhandenen Öffnung vorgesehene Tür 80 wird
entfernt und ein Adapter 82 unter Verwendung der Gelenkverbindungen
und des Riegels in seiner Lage fixiert.
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Der
Signalgenerator 55 kann anhand von herkömmlichen Befestigungsschellen
oder dgl. an den Adapter 82 an der Rohrwand angebracht
werden, wobei jedoch ein Gehänge 84,
wie es in 12 zu sehen ist, bevorzugt wird.
Das Gehänge 84 umfasst
einen Hängebalken 85,
der sich an einem Ende an einem an der Rohrwand 32 befestigten
Anschlussteil 86 und an seinem anderen Ende an einer sich
von einem anderen Verbindungselement (nicht dargestellt) an der
Rohrwand 32 oberhalb des Verbindungselements 86 aus
erstreckenden, schräg
gestellten Strebe 87 abstützt. Der Signalgenerator 55 hat
zwei Bügel 88,
von denen jeder an seinem oberen Ende ein Rad 89 besitzt, über das
der Signalgenerator 55 auf der Schiene 85 lagert,
um so den Rückstoß im Betrieb
des Signalgenerators auszugleichen. Zwei an einander gegenüber liegenden
Seiten eines der Bügel
vorgesehene Druckfedern 90 nehmen die Rückstoßenergie auf und bringen nach
jedem Einsatz den Signalgenerator in seine Ausgangsposition zurück.
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Der
Signalgenerator 55 generiert ein akustisches Signal mit
einer hohen Amplitude und einer schnellen Anstiegszeit. Der in den 20–23 gezeigte
Signalgenerator umfasst einen Hauptzylinder 91 mit an einander
gegenüberliegenden
Stirnseiten vorgesehenen Abschlüssen 92 bzw. 93 an
der jeweiligen vorderen und hinteren axialen Öffnung in der vorderen bzw.
hinteren Stirnseite des Zylinders 91. Eine innere Trennwand 95 in
einem Zwischenabschnitt des Hauptzylinders teilt den Zylinder in
eine vordere Kammer und eine hintere Kammer 96 bzw. 97 auf
und eine axiale Öffnung 99 in
der Trennwand 95 stellt die Verbindung zwischen der vorderen
Kammer und der hinteren Kammer 96 und 97 her.
Der Abschluss 93 am hinteren Ende hat Öffnungen 94, durch
welche die Luft frei in und aus der hinteren Kammer 97 strömen kann,
wie dies in 22 zu sehen ist. Ein hinterer
Zylinder 100 ist an dem hinteren Abschluss 93 um
eine hintere axiale Öffnung 102 befestigt,
welche eine Verbindung zwischen der hinteren Kammer 97 und
dem hinteren Zylinder 100 herstellt. Eine Kolbenanordnung 105 hat
einen Zwischenkolben 107 in der hinteren Kammer 97 und
einen hinteren Kolben 108 im hinteren Zylinder 100. Eine
Dichtungsanordnung 110 ist mit dem vorderen Ende der Kolbenanordnung 105,
insbesondere mit der Vorderseite des Zwischenkolbens 107,
bewegungsverbunden. Die Dichtungsanordnung 110 hat eine
vordere Stopfendichtung 112, die eine axiale Öffnung 113 an
der vorderen Stirnseite des vorderen Abschlusses 92 verschließt und eine
Zwischendichtung 114, die die axiale Öffnung 99 in der Trennwand 95 verschließt. Die
Zwischendichtung 114 ist vorzugsweise etwas größer als
die vordere Dichtung 112, so dass durch den Gasdruck in
der vorderen Kammer 96 auf die Dichtungsanordnung 110 eine
unausgeglichene pneumatische Kraft ausgeübt wird, welche dazu tendiert,
die Dichtungsanordnung 110 nach hinten zu öffnen. Die
vordere Stopfendichtung 112 umfasst einen Stopfen 116 mit
einer axial beweglich in der vorderen axialen Öffnung 113 angeordneten
Gleitdichtung 118. Die Düse oder das zylindrische Rohr 70 des
Signalgenerators ist an dem vorderen Abschluss 92 des Hauptzylinders 85 befestigt
und steht mit der vorderen Öffnung 113 in
Verbindung.
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Ein
pneumatisches Betriebssystem, wie es schematisch in den 10 und 20–23 zu sehen
ist, ist vorgesehen, um die vordere Kammer 96 des Hauptzylinders 91 mit
einem mit einem ersten hohen Druck beaufschlagten Gas und den hinteren Zylinder 100 mit
einem mit einem zweiten hohen Druck beaufschlagten Gas zu füllen. Als
Gas kann Luft, Kohlendioxid, Stickstoff oder andere geeignete Gase
eingesetzt werden. Das pneumatische Betriebssystem umfasst eine
in 10 gezeigte Hochdruckgasquelle 125, die über einen
in einer Gaseinlassleitung 127 vorgesehenen Gasfilter 126 an
eine Gasdruckquelle 129, beispielsweise an eine Anlagendruckzuleitung,
angeschlossen ist. Ein in herkömmlicher
Weise ausgebildeter Druckverstärker 130 hebt
den von der Quelle 129 zugeführten Gasdruck auf einen höheren Druck
in der Größenordnung
von 250–400
PSI, vorzugsweise von 400 PSI, an, wobei dieses Gas dann über eine
Gaseinlassleitung 132 über
ein 3-Wege-Elektromagnetventil 135 dem hinteren Zylinder 100 des
Signalgenerators 55 zugeführt wird. Über eine Einengung 134 versorgt eine
Fortsetzung 133 der Gaseinlassleitung 132 die vordere
Kammer 96 mit Druckluft. Die Einengung 134 könnte durch
eine Reduzierung des Innendurchmessers der Gaszufuhrleitung 133 zur
vorderen Kammer 96 gebildet oder ein gelochter oder poröser Stopfen sein,
der in die Leitung 133 eingesetzt wird. 1 PSI = 6,8927 × 103 Pa.
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Das
3-Wege Elektromagnetventil 135 wird von der Steuerung 66 ferngesteuert
und lässt
das von der Hochdruckgasquelle 125 mit Druck beaufschlagte
zugeführte
Gas über
eine Einengung 137 in den hinteren Zylinder 100 strömen und
sperrt bei Betätigung
den Signalgenerator 55 gegenüber der Hochdruckquelle 125 ab
und lässt
Gas vom hinteren Zylinder 100 mit einer ausgewählten Geschwindigkeit
durch eine einstückig
mit dem Ventil 135 ausgebildete Ablassöffnung entwei chen. Der Druck
in dem hinteren Zylinder 100 sinkt schneller als der Druck
in der vorderen Kammer 96, weil die Einengung 134 zur vorderen
Kammer 96 hin kleiner ist als die Einengung 137 zum
hinteren Zylinder. Ist der Druck im hinteren Zylinder 100 aufgrund
der durch die Einengung 137 und der Ablassöffnung im
Ventil 135 entwichenen Luft genügend gesunken, bewegen die
gesammelten, auf die Kolbenanordnung 105 wirkenden Kräfte diese
nach hinten, wie dies in 21 zu
sehen ist. Insbesondere sinkt die Summe der nach vorn gerichteten
Kräfte,
die auf die Kolbenanordnung 105 von dem mit Druck beaufschlagten
Gas auf den hinteren Kolben 108 in der hinteren Kammer
ausgeübt
werden, zuzüglich
zu den von mit Druck beaufschlagtem Gas auf die vordere Stopfendichtung 112 ausgeübten nach
vorn gerichteten Kräfte
unter die von dem mit Druck beaufschlagten Gas in der vorderen Kammer 96 auf
die Zwischendichtung 114 ausgeübten nach hinten gerichteten
Kräfte.
Die Kolbenanordnung 105 bewegt sich nach hinten, öffnet somit
die axiale Öffnung 99 und
lässt den
vollen Gasdruck in die vordere Kammer 97 strömen und
auf die Vorderseite des Zwischenkolbens 107 wirken. Unter
dem Einfluss des unausgeglichenen pneumatischen Drucks auf die Vorderseite
des Zwischenkolbens 107 werden die Kolbenanordnung 105 und
die daran befestigte Dichtungsanordnung 110 mit hoher Beschleunigung
nach hinten befördert.
Wie in 21 zu sehen ist, ist die vordere
Dichtung 118 noch nicht geöffnet, während die Kolbenanordnung nach
hinten beschleunigt.
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Wie
in 22 zu sehen ist, bewegt sich die beschleunigende
Kolbenanordnung 105 so weit nach hinten, dass der Stopfen 116 aus
der vorderen axialen Öffnung 113 in
dem vorderen Abschluss 92 des Hauptzylinders 91 herausgezogen
wird. Wenn die Dichtung 118 sich öffnet, bewegt sich die Kolbenanordnung 105 schnell,
so dass der Stopfen 116 innerhalb sehr kurzer Zeit, typischerweise
innerhalb von weniger als 3 Millisekunden, von einer geschlossenen
Position in eine in 22 dargestellte vollständig geöffnete Position bewegt
wird. Dadurch kann die Druckluft in der vorderen Kammer 96 explosionsartig durch
die Düse 70 entweichen
und erzeugt dabei ein plötzlich
entstehendes akustisches Signal hoher Amplitude mit einem scharfem
Beginn, das heißt,
mit einer schnellen Anstiegszeit.
-
Die
Kolbenanordnung 105 setzt ihre nach hinten gerichtete Bewegung
fort und treibt dabei den Kolben 108 in Richtung hinteres
Ende des Zylinders 100. Die Einengung 137 lässt Druck
aus dem hinteren Zylinder 100 durch die Ablassöffnung im
Ventil 135 so langsam ab, dass der Kolben 108 die
Luft im Zylinder derart komprimieren kann, dass ein Gaspolster entsteht,
welches die nach hinten gerichtete Bewegung der Kolbenanordnung 105 verlangsamt und
stoppt, und dass ein harter Kontakt zwischen dem hinteren Kolben 108 und
dem hinteren Ende des Zylinders 100 verhindert wird.
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Das
Ventil 135 wird nun betätigt,
um den Hauptzylinder 91 mit dem Hochdruckgas-Versorgungssystem 125 zu
verbinden. Das Gas tritt langsam durch die Einengung 137 in
den hinteren Zylinder 100 ein, so dass der Zwischenkolben 107 sanft mit
der Trennwand 95 in Kontakt gelangt. Gleichzeitig wird
die vordere Kammer 96 über
die Einengung 134 mit geringerer Geschwindigkeit mit Druck
beaufschlagt, so dass der auf die Kolbenanordnung 105 wirkende
Druck solange unausgeglichen bleibt, bis die Dichtung 114 die
axiale Öffnung 99 in
der Trennwand 95 abgedichtet hat.
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Wie
in 12 zu sehen ist, hat die Düse 70 einen Versatz
oder Knick 138, der möglicherweise durch
die Düse 70 eingetretene
Fremdkörper
daran hindert, in die vordere Kammer 96 zu gelangen, und die Übertragung
von Strahlungswärme
direkt vom Kesselinneren in den Signalgenerator 55 blockiert. Eine
U-förmige
Krümmung
wurde ebenfalls zu demselben Zweck erfolgreich eingesetzt.
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Das
von dem Signalgenerator 55 durchgeführte Verfahren zur Generierung
eines akustischen Signals mit einer hohen Amplitude und einer schnellen
Anstiegszeit umfasst das Verschließen der vorderen axialen Öffnung 113 in
der vorderen Kammer 96 innerhalb des Hauptzylinders 91 durch
Positionieren des Stopfens 116 in der Öffnung und durch Druckbeaufschlagung
der vorderen Kammer 96 und des hinteren Zylinders 100 mit
Gas. Der hintere Zylinder 100 wird dann solange entlüftet, bis
die von dem Gas im hinteren Zylinder ausgeübte nach vorn gerichtete Kraft
unter die von dem Gas in der vorderen Kammer 96 auf die
Dichtungsanordnung 110 ausgeübte nach hinten gerichtete
Kraft sinkt und dabei die Kolbenanordnung 105 und die Dichtungsanordnung 110 nach hinten
bewegt. Die Rückwärtsbewegung
der Zwischendichtung 114 ermöglicht das Entweichen des mit
Druck beaufschlagten Gases aus der vorderen Kammer 96 in
Richtung Rückseite
der Trennwand 95, wo es auf den Zwischenkolben 107 einwirkt
und dabei die Kolbenanordnung 105 und die daran befestigte
Dichtungsanordnung 110 auf eine hohe Geschwindigkeit beschleunigt,
bevor die vordere Öffnung 113 in
der vorderen Kammer 96 geöffnet wird.
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Auf
eine hohe Geschwindigkeit beschleunigt, bewegt sich der Kolben 116 in
weniger als 3 Millisekunden von einer vollständig geschlossenen Position in
der vorderen axialen Öffnung
oder Einschnürung 113 in
eine vollständig
geöffneten
Position, in der die Öffnung 113 geöffnet und
das mit Druck beaufschlagte Gas plötzlich explosionsartig aus
dem Hohlraum durch die Düse 70 in
den Kessel eingedüst
wird. Da die Öffnung über den
vorderen Abschluss 92 des Hauptzylinders 91 zwischen
der vorderen Kammer 96 und dem Raum innerhalb des Kessels
eine Verbindung herstellt, ermöglicht
die schnelle Entfernung des Stopfens 116 die plötzliche
explosionsartige Eindüsung
des in der vorderen Kammer 96 mit Druck beaufschlagten
Gases durch die Düse 70 in
den Kessel, wodurch ein akustisches Signal 56 hoher Amplitude von
etwa 185 dB oder mehr mit einem plötzlichen, scharfen Beginn und einer
schnellen Anstiegszeit erzeugt wird. Das Signal 56 breitet
sich kugelförmig
aus und ist stark genug, um als ein Signal hoher Amplitude über Kessel
mit einer Breite von 95 Fuß zu
reichen, so dass es nicht auf besondere Empfänger gerichtet werden muss.
Es kann von mehreren Empfängern 60 erfasst
werden, so dass eine fortgeschrittene Diagnostik wie zum Beispiel
eine in 24 dargestellte thermische Tomographie
der Ofenebene verwendet werden kann, wobei die durchschnittliche Temperatur
in mehreren Abtastungen über
eine Ebene am Ofenausgang eingetragen werden kann, um Informationen über die
Gleichmäßigkeit
des aus dem Kesselofens ausströmenden
Wärmeflusses
zu erzielen. Das Auftreffen der Flammen auf die Rohrwand 32 kann,
wie in den 25 und 26 gezeigt,
dadurch erfasst werden, dass die Signalgeneratoren 55 und
die Empfänger 60 so
angeordnet werden, dass Signalstrecken entlang der Rohrwände 32 erzeugt werden.
Das thermische NOx kann, wie in 27 gezeigt,
dadurch überwacht
werden, dass mehrere Empfänger 60 so
angeordnet werden, dass sie die Temperatur des durch den Kessel
strömenden
Gases ablesen, um sicherzustellen, dass es nicht über längere Zeit
eine Temperatur von mehr als 1.482 °C (2.700 °F) aufweist, oberhalb welcher
die thermische NOx-Bildung beschleunigt
wird.
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Da
das Gas aus dem hinteren Zylinder mit einer gesteuerten Geschwindigkeit
abgelassen wird, verbleibt im Zylinder 100 ein Gaspolster,
das den hinteren Kolben 108 daran hindert, mit dem hinteren Ende
des Zylinders 100 in Kontakt zu gelangen. Der Signalgenerator
wird für
das nächste
Signal neu eingestellt, indem das Ventil 135 betätigt wird,
so dass mit Druck beaufschlagtes Gas durch die Einengung 137 zum
hinteren Zylinder 100 und durch die Einengung 134 zur
vorderen Kammer 96 strömen
kann. Der Gasdruck im hinteren Zylinder drückt die Kolbenanordnung 105 vorwärts, bis
sie sanft mit der mittleren Trennwand 95 in Eingriff gelangt,
und die Dichtung 114 dichtet die axiale Öffnung 99 in
der mittleren Trennwand 95 ab, so dass sich in der vorderen Kammer
der Gasdruck so aufbauen kann, dass er den vorgegebenen Betriebsdruck
erreicht. Nun ist der Signalgenerator betriebsbereit und kann das
nächste akustische
Signal erzeugen.
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Der
Signalgenerator kann in verschiedenster Weise hergestellt werden,
wobei die beigefügten
Ansprüche
diese verschiedenen Ausgestaltungen umfassen. Die bevorzugte Ausführungsform
des Signalgenerators ist bei 140 in den 26–30 zu
sehen. Dieser Signalgenerator 140 verwendet mehrere einfache
und kostengünstige
bearbeitete Teile in robuster Bauweise, die einfach zusammenzufügen sind
und für
routinemäßige Wartungs-
und Reparaturarbeiten leicht auseinander genommen werden können.
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Mit
Bezug auf 26 umfasst der Schallgenerator 140 einen
geraden Zylinder 144 mit einer glatten zylindrischen Bohrung 146 und
mit einem Außengewinde
sowohl am vorderen Ende 148 als auch am hinteren Ende 152 zur
jeweiligen Aufnahme einer vorderen und einer hinteren Mutter 154 bzw. 156 am äußeren Ende.
Der Außendurchmesser
der inneren Enden der Muttern 154 und 156 am äußeren Ende
ist auf einen geringeren Durchmesser abgestuft und bildet so eine äußere Schulter 157.
Jede Mutter 154 und 156 am äußeren Ende nimmt einen hängenden Ring 158 auf,
wie dies in 26A zu sehen ist. Die hängenden
Ringe 158 haben jeweils zwei voneinander beabstandete Hängebänder 160,
an welchen der Schallgenerator 140 an einem neben der Rohrwand des
Kessels vorgesehenen Hängebalken 85 aufgehängt ist,
wie dies in 12 zu sehen ist. Zwei fluchtende
Löcher 161 im
oberen Ende der Hängebänder 160 nehmen
eine Welle (nicht dargestellt) auf, an der die Räder 89 angebracht
sind, um den am Hängebalken 85 hängenden
Signalgenerator 140 zu tragen, wie dies in 12 zu
sehen ist. Jeder hängende
Ring 158 hat eine abgestufte Bohrung 162, die
eine innere Schulter 164 bildet, welche mit der Schulter 157 außen an den
Muttern 154 und 156 am äußeren Ende in Eingriff kommt,
um die axiale Position der hängenden
Ringe 158 relativ zu den Muttern 154 und 156 am äußeren Ende
festzulegen. Ein Sprengring 166 passt in eine jeweils in
einer Mutter 154 bzw. 156 am äußeren Ende eingebrachte Nut 168 und
fixiert somit die hängenden
Ringe 158 in ihrer Position an den Muttern 154 und 156 am äußeren Ende.
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Jede
Mutter 154 und 156 am äußeren Ende hat einen äußeren Flansch 170,
der sich radial nach innen erstreckt, um andere Bauteile an die
Enden des Zylinders 144 festzulegen. Am hinteren Ende legt die
Mutter 156 eine ringförmige Öffnungsplatte 173 am
Ende des Zylinders 144 fest, indem ein nach außen sich
erstreckender Flansch 175 an der Öffnungsplatte 173 mit
dem Ende des Zylinders 144 verspannt wird. Die Öffnungsplatte
hat eine zylindrische Außenfläche, die
eng einliegend in den Zylinder 144 eingeschoben wird, und
eine axiale Bohrung 177 mit einem Innengewinde. Eine Reihe
von axialen Löchern 178 in
der ringförmigen Öffnungsplatte 173 lässt Gas
aus dem Inneren des Zylinders 144 ausströmen.
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Ein
hinterer Zylinder 180 mit einem Außengewinde an seinem vorderen
Ende 182 und an seinem hinteren Ende 184 ist an
seinem vorderen Ende 182 in die mit einem Innengewinde
versehene Bohrung 177 der ringförmigen Öffnungsplatte eingeschraubt.
Eine Einlassmutter 190 ist auf das hintere Ende 184 des
hinteren Zylinders 180 geschraubt und schließt eine
O-Ring-Dichtung 188 ein, über die die Einlassmutter 190 hermetisch
abgedichtet auf dem hinteren Ende des hinteren Zylinders 180 aufgeschraubt
ist. Ein Schlauch 185 mit einem großen Durchmesser von etwa 3,8
cm (1½'') und einer Länge von 36'' ist
an der Rückseite
der Einlassmutter 190 befestigt, wie dies in 12 zu
sehen ist. Die Befestigungsteile zur Verbindung und hermetischen
Abdichtung des Schlauchs 185 mit der Einlassmutter ist bekannt
und nicht dargestellt. Ein 2-Wege-Ventil 135' ist an eine Schlauchplatte 192 am
anderen Ende des Schlauchs 185 befestigt. In dieser Ausführungsform ist
das 2-Wege-Ventil 135' robuster
und langlebiger als das in 10 gezeigte
3-Wege-Ventil 135. Eine Ablassöffnung 194 in der
Schlauchplatte 192 entlüftet kontinuierlich
den Schlauch 185 mit einer langsamen Strömungsgeschwindigkeit.
Die von der Hochdruckgasquelle 125 erzeugte Strömungsgeschwindigkeit ist
viel größer als
die Strömungsgeschwindigkeit durch
die Ablassöffnung 194,
so dass die Zeit, die benötigt
wird, um den Signalgenerator 140 mit Druck zu beaufschlagen,
nicht bedeutend länger
ist, als in der Ausführungsform
nach den 18–21.
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Der
Schlauch 185 bietet eine Volumenreserve, die das Ventil 135' vor Druckspitzen
schützt,
und eine Druckluftquelle, die den Zylinder 244 nach vorn drückt, um
die Dichtung 268 zu verschließen. Die Volumenreserve ist
zwar nicht entscheidend, aber eine zu geringe Volumenreserve ermöglicht nicht
die gewünschte
Diffusion des Druckpulses und bei einer zu großen Volumenreserve verringert
sich der Druck nicht so schnell wie erwünscht, wenn das Ventil 135' betätigt wird,
und kann zu einer Verringerung der Gaspolsterwirkung am hinteren
Ende des hinteren Zylinders 180 führen, welche die Welle/den
Kolben 240 nach Ausgabe des akustischen Signals sicher abbremst.
Der Schlauch 185 sollte eine Länge von zwischen 61 cm (24'') und 137 cm (54'')
aufweisen, wobei die optimale Länge
eines Schlauches mit einem Durchmesser von 3,8 cm (1½'') etwa 91,4 cm (36'')
beträgt.
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Die
Mutter 154 am vorderen äußeren Ende hat
einen nach innen sich erstreckenden Flansch 171 an ihrem
vorderen Ende, welcher drei Bauteile mit dem vorderen Ende des Zylinders 144 verspannt: eine
Zylinderlaufbuchse 200, eine Einschnürungsplatte 205 und
ein Düsenschweißring 210.
Die Zylinderlaufbuchse 200 hat einen zylindrischen Körper 212,
der eng einliegend in den Zylinder 144 eingeschoben wird.
Das vordere Ende des zylindrischen Körpers 212 endet mit
einem nach außen
sich erstreckenden radialen Flansch 214 und das hintere
Ende ist als Trennwand 216 mit einer zentrischen konischen
axialen Öffnung 218 ausgebildet.
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Die
Einschnürungsplatte 205 hat
einen radialen Flansch 222, mit dem die Einschnürungsplatte durch
die Mutter 154 am vorderen äußeren Ende mit dem Ende des
Zylinders 144 verspannt ist. Der äußere zylindrische Umfang der
Einschnürungsplatte 205, der
direkt neben dem Flansch 222 liegt, hat eine Nut, in der
eine O-Ring Dichtung 225 zur hermetischen Abdichtung der
Einschnürungsplatte
gegenüber
der Zylinderlaufbuchse 200 vorgesehen ist. Eine zentrische
axiale Einschnürung 227 erstreckt
sich von der Einschnürungsplatte 205 nach
hinten und definiert eine axiale Bohrung 230, die in das
vordere Ende des Signalgenerators 140 mündet.
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Der
Düsenschweißring 210 hat
eine zentrische axiale Öffnung 232,
die mit der Bohrung 230 in der Einschnürungsplatte 205 fluchtet.
Eine koaxial um die Öffnung 232 angeordnete
ringförmige
Lippe 235 bietet eine Struktur, an die das zylindrische
Rohr 70, beispielsweise durch Schweißen oder durch ein anderes
geeignetes Befestigungsmittel, befestigt werden kann. Das zylindrische
Rohr 70 ist vorzugsweise etwa 7' lang, wodurch ein guter Abstand von der
heißen
Rohrwand 32 geschaffen wird und der akustische Impuls mit
wenig oder gar keiner Dämpfung
gestärkt
wird.
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Die 26, 29 und 30 zeigen
eine im Signalgenerator 140 installierte Kolbenanordnung 240,
die eine einstückig
ausgebildete Kolben-Wellen-Einheit 242 umfasst, wie sie
in 28 zu sehen ist. Das hintere Ende der Kolben-Wellen-Einheit 242 ist
als hinterer zylindrischer Kolben 244 mit einer Nut 246 für einen
Kolbenring 248 und einer weiteren Nut 250 für einen
Verschleißring 252 gearbeitet.
Der hintere Kolben 244 verjüngt sich zu einer hinteren
Welle 254 mit einem kleineren Durchmesser, die sich dann in
einer Zwischenposition weitet und einen Zwischenkolben 260 bil det.
Eine Nut 262 in der äußeren zylindrischen
Fläche
des Zwischenkolbens 260 nimmt einen Verschleißring 264 auf,
der, zusammen mit dem Verschleißring 252 in
der Nut 250 des hinteren Kolbens 244, die in dem
Zylinder 144 axial bewegliche Kolben-Wellen-Einheit 242 trägt. Eine
ringförmige Nut 266 in
der Vorderseite des Zwischenkolbens 260 nimmt eine O-Ring
Dichtung 268 auf, die die Grenzfläche zwischen dem Zwischenkolben 260 und
der sich verjüngenden
axialen Öffnung 218 in
der Trennwand 216 abdichtet, wenn die Kolben-Wellen-Einheit 242 sich
in ihrer in 26 dargestellten vordersten Position
befindet. Die O-Ring Dichtung 268 wird von einem Dichtungshaltering 270 in
ihrer Lage festgehalten, welcher auf einen vorderen Wellenabschnitt 272 der
Kolben-Wellen-Einheit 242 aufgeschraubt ist, die wiederum
bei 274 direkt neben dem Zwischenkolben 260 aufgeschraubt
ist. Ein Verriegelungsring 276 ist auf das Gewinde 274 des
Dichtungshaltering 270 geschraubt und mit einer Stellschraube 278 in
seiner Lage fixiert.
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Wie
in 28A zu sehen ist, ist das vordere Ende 280 des
vorderen Wellenabschnitts 272 mit einem Gewinde versehen
und nimmt über
dieses Gewinde einen vorderen Kolbenkörper 282 auf, der
einen sich von diesem in Richtung nach vorn erstreckenden, mit einem
Gewinde versehenen Stehbolzen 284 besitzt. Eine Kolbenanschlussfläche 286 gleitet
auf dem Stehbolzen 284, gefolgt von einer Zwischenscheibe 285 und
ist mit einer durch einen Verriegelungsdraht oder einen Splint festgestellte Mutter 288 in
ihrer Lage fixiert. Die Kolbenanschlussfläche 286 hat eine oder
zwei Nuten 287, welche einen bzw. vorzugsweise zwei Kolbenringe 290 aufnehmen.
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Die
Funktionsweise der in den 26–30 gezeigten
Ausführungsform
ist im Wesentlichen die gleiche wie bei der in den 18–21 dargestellten
Ausführungsform.
Ein Unterschied zwischen den beiden Ausführungsformen ist der Gasversorgungskreis.
In der ersten Ausführungsform
sind die Gasleitungen außerhalb
des Hauptzylinders 91 angeordnet; in der zweiten Ausführungsform
verläuft
die Gasversorgung von dem Schlauch 185 durch eine Öffnung 291 in
dem Anschlussstück 190 und
in den hinteren Zylinder 180. Ein mit einem Gewinde versehener,
nicht dargestellter Stopfen in einem mit einem Innengewinde versehenen
Ende 292 einer axialen Bohrung 293 in der Kolben-Wellen-Einheit 242 besitzt
ein nicht dargestelltes, darin gebohrtes Loch mit einem kleinen Durchmesser,
durch welches Druckluft in die Bohrung 293 eingelassen
wird. Diese Druckluft wird durch die Bohrung 293 hindurch
in die vordere Kammer 96' geführt, wodurch
die vordere Kammer, nachdem der auf die Rückseite des Kolbens 244 wirkende Druck
die Kolben-Wellen-Einheit 242 vollständig nach vorn verschoben und
die vordere Kammer 96' mit
der Dichtung 268 abgedichtet hat, mit Druck beaufschlagt
wird.
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Der
schematisch in den 31–33 dargestellte
Signalprozessor 65 umfasst ein Startzeitmodul 145,
ein Laufzeitmodul 150 und ein Temperaturberechnungsmodul 155.
Das Startzeitmodul 145 stellt den Beginn des akustischen
Signals im Signalgenerator anhand eines Level-Triggeralgorithmus fest.
Der Beginn des akustischen Signals im Signalgenerator wird definiert
als das erste Mal, dass die Signalamplitude einen ausgewählten Prozentsatz
(z.B. 150 %) der maximalen Signalamplitude des am Detektor 57 für den Signalgenerator
empfangenen Hintergrundgeräusches übersteigt.
Anstatt den Detektor 57 und das die Düse 70 mit dem Detektor 57 verbindende
Rohr 59 zum Erfassen des akustischen Signals zu verwenden,
könnte
auch ein Drucksensor oder -detektor, wie zum Beispiel ein piezoelektrisches
Element oder ein optischer, magnetischer, kapazitiver oder ein anderer
Näherungssensor
oder -detektor direkt in die Einschnürung 90 oder die Ausgangsdüse 70 des
Signalgenerators 55 montiert werden, um das akustische
Signal 56 oder die Bewegung des Kolbens 116 zu
erfassen, durch welche Druckluft durch die Ausgangsdüse befördert und
somit das erwünschte
elektrische Signal erzeugt wird, welches ein Zei chen für das im
Signalgenerator 55 entstandene akustische Signal 56 ist.
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Das
Laufzeitmodul 150 analysiert das vom Empfängermikrophon 62 empfangene
Signal, um die Unterscheidung zwischen den Hintergrundgeräuschen und
dem akustischen Signal zu erleichtern und somit den Beginn des akustischen
Signals inmitten der Hintergrundgeräusche festzustellen. Das Laufzeitmodul 150 umfasst
einen digitalen Vorfilter zur Veränderung des in dem Empfänger empfangenen Signals,
um ein verändertes
Signal mit einem höheren
Amplitudenverhältnis
zwischen dem akustischen Signal und den Hintergrundgeräuschen zu
erzeugen. Das Laufzeitmodul erzeugt auch ein stochastisches Modell
des Signals zur Bestimmung der Entstehungszeit des akustischen Signals
im Empfänger.
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Der
digitale Vorfilter umfasst einen linearen Prädiktionsfehlerfilter oder einen
linearen Whitening-Filter, der nach einem Autokorrelationsverfahren
funktioniert, welches N aufeinander folgende Stichproben der Signalamplitude
der Signale aus dem Empfängermikrophon
misst und aufgrund der vorangegangenen N Stichproben das N + 1.
Signal vorhersagt. Das vorhergesagte N + 1. Signal wird dann von
dem tatsächlich
gemessenen Signalwert abgezogen. In der bevorzugten Ausführungsform werden
zwölf Signalstichproben
gemacht, bevor das dreizehnte vorhergesagt wird, wobei jedoch eine
andere Anzahl an Stichproben möglich
ist. Dieses einen linearen Prädiktionsfehlerfilter
verwendende Verfahren wird bei jeder Stichprobe durchgeführt, wodurch ein
verändertes
oder gefiltertes Signal mit einer kleinen Amplitude erzielt wird,
welches mehr Merkmale des akustischen Signals aus dem Signalgenerator 55 aufweist.
Das akustische Signal ist aus dem veränderten oder gefilterten Signal
eher ersichtlich. Um die Entstehung des akustischen Signals in dem
gefilterten Signal zu identifizieren, besteht eine genaue und zuverlässige Methode
darin, ein stochastisches Modell des Signals zu bilden und es zu
verwenden, um den wahrschein lichsten Entstehungsort des akustischen
Signals in dem gefilterten Signal zu finden.
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Das
in dieser erfindungsgemäßen Ausführungsform
bevorzugte stochastische Modell ist ein Markov-Modell. Es besteht
aus zwei oder mehr „Zuständen". Jeder Zustand verhält sich
wie eine feststehende Zufallsgröße, die
unkorreliertes Gaußsches weißes Rauschen
erzeugt. Das Modell kann im Laufe der Zeit von einem Zustand zum
anderen wechseln.
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Für das Signal
wird ein Markov-Modell mit drei Zuständen vorausgesetzt. Der erste
Zustand stellt die Hintergrundgeräusche des gefilterten Signals
ohne vorgegebenes akustisches Signal dar. Der zweite Zustand wirkt
wie das akustische Signal und der dritte Zustand modelliert das
gefilterte Signal, nachdem das akustische Signal geendet hat.
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Da
jeder Zustand unkorreliertes Gaußsches weißes Rauschen erzeugt, sind
die einzigen unbekannten Parameter der Mittelwert der Ausgangsgröße und dessen
Abweichungen. Das gefilterte Signal wird als Teil des Vorfilterprozesses
auf einen Mittelwert gleich Null normalisiert, so dass nur die Abweichung
hiervon geschätzt
werden muss.
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Es
wird davon ausgegangen, dass die Abweichungen in dem ersten und
dem dritten Zustand die gleichen sind, wobei diese lediglich anhand
von Signalstichproben geschätzt
werden, von denen bekannt ist, dass sie nur Hintergrundgeräusche aber kein
akustisches Signal beinhalten. Da die Ankunft des akustischen Signals
nach dessen Generierung im Signalgenerator stattfinden muss, werden
die Stichproben, die vor der Generierung des akustischen Signals
gemacht wurden, dafür
verwendet, die Abweichung im ersten Zustand zu schätzen. Die
Abweichung von den Stichproben im zweiten Zustand wird aufgrund
von Stichproben geschätzt,
die direkt um die Stichprobe herum angeordnet sind, die im gefilterten
Signal die größte Amplitude
hat.
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Das
gefilterte Signal aus dem Empfänger und
das Markov-Modell
werden zusammen mit dem Viterbi-Algorithmus, einem bekannten Algorithmus, welcher
jeden Zeitindex einem Zustand zuordnet, verwendet. Der Übergang
zwischen Zustand Eins und Zustand Zwei kann dadurch erfasst werden, dass
die wahrscheinlichste Zeit für
diesen Übergang von
Zustand Eins zu Zustand Zwei bestimmt wird, und gibt die Ankunft
des akustischen Signals an.
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Um
die Zuverlässigkeit
des Systems zu verbessern, wird eine Anzahl von Tests durchgeführt, um
sicherzustellen, dass die Entstehung des erfassten Signals physikalisch
vernünftig
ist und auch sonst die Gefahr von fehlerhaften Temperaturmessungen zu
minimieren. Das System wartet eine Zeit der relativen Stille im
Kessel ab, bevor es eine Messung vornimmt. Die Hauptquellen der
Geräusche
im Kessel, die eine ausreichend hohe Amplitude haben, um den Betrieb
des akustischen Pyrometers zu stören,
sind die Rußbläser. Ist
es für
das System an der Zeit, eine Temperaturmessung vorzunehmen, so wird
der RMS-Wert der Hintergrundgeräusche,
wie er von den Empfängern 60 aufgenommen
wurde, gemessen, wobei keine Messung vorgenommen wird, wenn der gemessene
Wert einen vorbestimmten Schwellwert übersteigt, welcher für jede einzelne
Kesselanlage ausgewählt
werden kann, um die beste Kombination aus zulässiger Messzeit und gültigen Messwerten
zu erzielen. Dann wird die Ankunftszeit der von den Empfängern 60 erfassten
Signale mit der Zeit der Generierung der Signale im Signalgenerator
verglichen. Wird festgestellt, dass die Ankunftszeit des akustischen
Signals in sehr großer
Nähe zum
Beginn oder Ende des Intervalls liegt, das abgetastet wurde, oder dass
die Amplitude des Signals verglichen mit den gefilterten Hintergrundgeräuschen klein
ist, so wird das akustische Signal für ungültig erklärt und verworfen. Die Temperatur
wird ausgewertet, um zu bestimmen, ob sie in einem vernünftigen
Temperaturbereich von z.B. –18
bis 1.927 °C
(0–3.500 °F) liegt
und wird verworfen, wenn sie außerhalb
dieses Bereichs angesiedelt ist. Das System verfolgt die letzten
gemessenen Temperaturen und vergleicht die zuletzt gemessene mit
diesen. Liegt sie außerhalb
eines vernünftigen
Bereichs einer möglichen Änderung
(sagen wir 149 °C
(300 °F),
im normalen Messzeitraum von etwa zwei Minuten), so wird davon ausgegangen, dass
diese Messung ungültig
ist und sie wird verworfen.
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Um
bei System-Start oder nach Ablauf eines Validationszeitraums von
z.B. 60 Minuten, in dem keine gültigen
Temperaturmessungen vorgenommen wurden, eine Bezugslinie für die Temperaturmessung zu
erzeugen, führt
das System automatisch einen Kaltstart durch, um Bezugswerte für die Temperatur im
Hinblick auf die Validationsprüfung
zu erzeugen, das heißt,
Bezugswerte, mit denen nachfolgende Messungen verglichen und, wenn
sie außerhalb
des vorbestimmten Validationsbereichs liegen, verworfen werden können. Der
Kaltstart besteht darin, eine Anzahl an Temperaturmessungen (z.B.
15) in schneller Abfolge zu erzeugen und diese Messungen zu mitteln.
Die Anzahl ist hoch genug, um die Wirkung einer Falschmessung abzuschwächen, aber
auch klein genug, um eine Bezugslinie schnell erzeugen zu können. Ist
erstmal diese Bezugslinie erstellt, so wird sie kontinuierlich verfeinert,
indem ungültige
Messungen verworfen und nachfolgende Messungen nur mit den letzten
gültigen
Messungen verglichen werden.
-
Das
Temperaturmodul berechnet die Temperatur im offenen Raum zwischen
dem Signalgenerator und dem Empfänger.
Die Länge
der Strecke durch den offenen Raum ist entweder durch genaue Messung
oder durch eine Berechnung aufgrund der Signallaufzeit bei bekannter
Temperatur bekannt. Die Laufzeit des akustischen Signals vom Signalgenerator
zum Empfänger
ist abhängig
von der Temperatur, wie dies in dem folgenden Algorithmus ausgedrückt wird,
und die mittlere Gastemperatur auf der Laufstrecke durch den offenen
Raum quer durch den Kessel ist leicht zu berechnen, wenn Laufzeit
und Länge
der Strecke bekannt sind.
in dem
- Y
- = Verhältnis von
spezifischen Wärmen
- R
- = Universale Gaskonstante
- T
- = Temperatur
- M
- = Mittleres Molekulargewicht
von Gas
-
Ist
die Länge
der Strecke = L und die Laufzeit = t, dann ist
-
-
Im
Betrieb misst das akustische Pyrometer die mittlere Gastemperatur
entlang einer Linie 52 durch den Kessel oder einen anderen
offenen Raum mit bekannten Abmessungen. Ein Signalgenerator erzeugt
ein akustisches Signal mit einem plötzlichen Beginn hoher Amplitude.
Das Signal wird durch die plötzliche
Eindüsung
von mit einem hohen Druck beaufschlagter Luft aus einer vorderen Öffnung in
einen großen
Hohlraum durch eine Düse
und in den offenen Raum. Das Verfahren umfasst das Verschließen der
vorderen Öffnung
durch das Positionieren eines Kolbens in diese Öffnung. Das Gas in dem Hohlraum wird
unter Druck gesetzt und, wenn das akustische Signal erzeugt werden
soll, wird der Kolben in der Öffnung
auf eine hohe Geschwindigkeit beschleunigt, um die Öffnung zu öffnen, so
dass der Kolben mit hoher Geschwindigkeit von einer vollständig verschlossenen
in eine vollständig
geöffnete
Position bewegt wird und die Druckluft explosionsartig aus dem Hohlraum
in den außen
gelegenen Raum entweichen lässt.
Die Beschleunigung des Kolbens verwendet den gleichen Luftdruck
in dem Hohlraum, so dass keine äußere Energiequelle
benötigt
wird.
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Ein
Detektor in dem Signalgenerator empfängt das Signal von dem Signalgenerator
und generiert ein erstes elektrisches Signal, welches den Zeitpunkt
der Generierung des akustischen Signals durch Entladung des Signalgenerators
angibt. Das erste elektrische Signal wird an den Signalprozessor übertragen.
-
Das
akustische Signal verbreitet sich über einen Raum einer bekannten
Erstreckung in dem Kessel, in dem er in einem Empfänger empfangen
wird, der zweite elektrische Signale generiert, die in Amplitude
und Frequenz den akustischen Signalen in dem Empfänger entsprechen.
Die elektrischen Signale von dem Empfänger werden in einem Signalprozessor
verarbeitet, um eine deutliche Unterscheidung zwischen den Hintergrundgeräuschen und
dem Beginn des akustischen Signals in dem Empfänger zu erzielen. Der Zeitpunkt
der Entstehung des akustischen Signals im Empfänger wird mit der Entstehung
des akustischen Signals im Signalgenerator verglichen, um die Laufzeit
zu bestimmen, die das akustische Signal benötigt, um den Raum zu durchqueren.
Die Temperatur des Gases im Raum wird aufgrund der Laufzeit des
akustischen Signals über den
offenen Raum vom Signalgenerator zum Empfänger berechnet, wie dies weiter
oben beschrieben wurde.
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Die
Signalgeneratoren und Empfänger
können
in dem Kessel in zahlreichen Anordnungen positioniert sein, um für den Betreiber
des Kessels interessante Temperaturdaten zu erzielen. So können beispielsweise
ein einzelner Signalgenerator 55 und ein einzelner Empfänger 60 einander
gegenüber
liegend angeordnet sein, wie dies in 7 zu sehen
ist, um die durchschnittliche Gastemperatur entlang der Linie zwischen
dem Signalgenerator 55 und dem Empfänger 60 zu erhalten.
Angaben über
die Temperaturverteilung in einer Ebene können durch mehrere Empfänger 60 in
dieser Ebene mit nur einem Generator 55 erhalten werden,
wie dies in den 1, 2 und 9 zu
sehen ist. Ein detailliertes thermisches Abbild kann erzielt werden,
wenn mehrere Signalgeneratoren 55 und Empfänger 60 in
der betreffenden Ebene angeordnet sind, beispielsweise in der Austrittsebene
aus dem Ofen, wie dies in 22 zu
sehen ist, und bekannte tomographische Techniken verwendet werden,
um Temperaturen an den Schnittpunkten von Linien zwischen den in
schneller Abfolge nacheinander betätigten Signalgeneratoren 55 und
den Empfängern 60 zu
erzielen.
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Die
Zentrierung des Feuerballs kann unter Verwendung von zwei Generatoren 55 und
zwei Empfängern 60 erzielt
werden, wie dies in 6 zu sehen ist. Die Signalgeneratoren 55 werden
separat in schneller Abfolge betätigt,
und die in den Empfängern 60 empfangenen
Signale werden analysiert, um ungleiche Temperaturen entlang der
Seiten T1–T4
zu erfassen. Wie dargestellt, sind die gleichen Temperaturen entlang
T1 und T3 und die ungleichen Temperaturen entlang T2 und T4 ein
Zeichen dafür,
dass der Feuerball 44 in gleichen Abständen zwischen den Wänden T1
und T3 ausgerichtet ist, während
er sich näher
zur Wand T4 als zur Wand T2 befindet. Die Ausrichtung der Brenner 42 kann
dann angepasst werden, um den Feuerball in die Mitte des Feuerraums
zu verlagern. Ebenso kann das Auftreffen auf die Brandwand, wie
es in den 23 und 24 zu sehen
ist, anhand von in geeigneter Weise angeordneten Signalgeneratoren 55 und
Empfängern 60 (von denen
nur zwei gezeigt sind) erfasst werden.
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In 25 kann
eine senkrechte Temperaturverteilung oberhalb des Ofens mit nur
einem einzigen Signalgenerator und senkrecht voneinander beabstandeten
Empfängern 60 erhalten
werden. Die Temperaturverteilung kann etwas über die Haltezeiten oberhalb
der kritischen Temperatur von 1.482 °C (2.700 °F), bei der die thermische NOx-Bildung deutlich ansteigt, aussagen. Diese
Temperaturangabe warnt den Betreiber des Kessels frühzeitig
und gibt ihm die Gelegen heit, die Brenner im Ofen so einzustellen,
dass die Temperatur auf ein sicheres Niveau reduziert wird.
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Indem
der Signalgenerator 55 durch die eine Nase bildende Rohrwand 69 des
Kessels ragend installiert wird, wie dies in den 34–36 zu
sehen ist, kann eine große
Anzahl an wichtigen Gastemperaturen gemessen werden. Der Generator 55 ist
mit einem langen zylindrischen Rohr 71 ausgerüstet, so
dass der Körper
des Signalgenerators außerhalb
der in 35 gezeigten Innenwand 294 in
der Kesselnase angeordnet werden kann, um so den Signalgenerator
von der heißen
Innenkammer hinter der Kesselnase 69 zu isolieren. Die
Empfänger 60 sind
in den seitlichen Rohrwänden 32 und,
wie in 36 zu sehen ist, an den Enden
von Fallrohren 296, die sich durch die obere Rohrwand 298,
durch den „Penthouse"-artigen Raum 300 und
durch die obere Wand 302 des Kessels erstrecken, angeordnet.
Diese Anordnung der Empfänger 60 schützt diese
vor zu hohe Temperaturen innerhalb des "Penthouse"-artigen Raums 300 und erzeugt
nützliche Temperaturdaten
um die Eintrittsebene in die hängenden
Rohrreihen herum.
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Die
Nase 69 kann einen nützlichen
Zugang zu Empfängerrohren 304 verschaffen,
wie dies in den 37 und 38 zu
sehen ist, um Signale von Signalgeneratoren 55 zu empfangen,
die außerhalb der
seitlichen Rohrwände 32 des
Kessels angebracht sind und das akustische Signal durch das Rohr 304 einem
Empfänger 60 zuführen, der
auf der kühlen Seite
einer Trennwand 306 auf der gegenüber liegenden Seite der Nase 69 angebracht
ist, wie dies in 37 zu sehen ist, oder von einem
Signalgenerator 55 in der Nase 69, zu empfangen,
wie dies in 36 zu sehen ist.
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Es
versteht sich, dass zahlreiche Änderungen
und Varianten der hier beschriebenen bevorzugten Ausführungsform
möglich
und für
den Fachmann beim Studieren dieser Beschreibung erkennbar sind. So
sind beispielsweise viele Funktionen und Vorteile mit Bezug auf
die bevorzugte Ausführungsform
beschrieben worden, welche jedoch in bestimmten Verwendungen der
Erfindung nicht alle benötigt
werden. Daher ist es auch denkbar, die Erfindung mit weniger als
alle angegebenen Funktionen und Vorteile zu verwenden. Darüber hinaus
sind zwar mehrere Arten und Ausführungsformen
der Erfindung hier offenbart worden, aber es wurden nicht alle spezifisch
in Anspruch genommen, obwohl sie alle in den generischen Ansprüchen unter
Schutz gestellt sind. Gleichwohl wird beabsichtigt, jede einzelne
Art und Ausführungsform
sowie alle gleichwertigen Ausführungsformen
in den folgenden Ansprüchen
einzuschließen und
unter Schutz zu stellen und das Fehlen eines Anspruches, der für eine einzelne
Art spezifisch wäre, soll
nicht heißen,
dass es sich dabei um einen Verzicht zugunsten der Allgemeinheit
handelt. Dementsprechend wird hier ausdrücklich die Absicht kundgetan,
dass die Erfindung, wie sie durch die folgenden Ansprüche definiert
wird, all diese Ausführungsformen,
Arten, Änderungen
und Varianten, sowie gleichwertige Ausführungsformen umfassen soll.
