SE466622B

SE466622B - Arrangement for measuring changes in mass by detecting resonant frequency

Info

Publication number: SE466622B
Application number: SE8903514A
Authority: SE
Inventors: K-E Andersson
Original assignee: Abb Stal Ab
Priority date: 1989-10-24
Filing date: 1989-10-24
Publication date: 1992-03-09
Also published as: SE8903514L; SE8903514D0

Abstract

Measuring arrangement for, in ducts or vessels containing liquid or gaseous medium, monitoring changes in mass, for example as a result of erosion, corrosion or deposition, on walls 10 or other components exposed to the medium, comprising an indicator part 11, a detector part 12 and a member 13 for exciting the indicator part. The indicator part is arranged so as to be set in vibration and changes in the resonant frequency of the indicator part are used as a measure of changes in mass. Arranged on the indicator part is a temperature sensor in order to distinguish the effect on the resonant frequency as a result of changes in mass caused by temperature variations. The indicator part comprises a thin-walled section 14 which connects a fastening part 15 to a body 16, the body having a considerably greater material thickness than the thin-walled section. The body is designed with a profile and made of a material essentially the same as the component which is being monitored, and the body is arranged in the duct or the vessel so that the medium influences its mass, the resonant frequency of the indicator part being changed under essentially the same circumstances as for the component being monitored. The measuring sensitivity is determined by adapting the length and the material thickness of the thin-walled section. <IMAGE>

Description

466 2 62 2 utan att riskera ett haveri. Normalt bestäms tiderna mellan inplanerade driftstopp empiriskt eller eventuellt beräknas tiderna utifrån antagen slitagehastighet för kritiska detal- jer. Men även dessa inplanerade driftstopp är kostsamma, speciellt då planeringen grundas pà osäkra uppgifter. Diag- nostiska metoder med vilka slitagehastigheten kontinuerligt kan övervakas för kritiska detaljer i en process är därför av stort värde. 466 2 62 2 without risking a breakdown. Normally, the times between planned downtimes are determined empirically or, if necessary, the times are calculated on the basis of the assumed wear rate for critical details. But even these planned outages are costly, especially when the planning is based on uncertain data. Diagnostic methods with which the wear rate can be continuously monitored for critical details in a process are therefore of great value.

I kraftanläggningar där haverier eller driftstillestànd är mycket kostsamma sitter många slitageutsatta, vitala kompo- nenter i en miljö för vilken tillförlitliga givare eller mätanordningar för mätning under drift saknas.In power plants where breakdowns or downtime are very costly, many wear-resistant, vital components are located in an environment for which reliable sensors or measuring devices for measurement during operation are lacking.

Speciellt saknas givare för övervakning av slitaget hos kom- ponenter vilka är anordnade i rökgasströmmen i kraftanlägg- ningar baserade pà förbränningsprocesser. Dessa komponenter utsätts för stoftbemängda rökgaser av hög temperatur, hög strömningshastighet och i vissa fall också förhöjt tryck.In particular, there are no sensors for monitoring the wear of components which are arranged in the flue gas stream in power plants based on combustion processes. These components are exposed to dust-laden flue gases of high temperature, high flow rate and in some cases also elevated pressure.

Dessutom innehåller ofta rökgaserna korrosiva ämnen. Slita- get är här stort och mycket svårt att förutsäga då även smà störningar av rökgasströmmen eller förändringar i dess sam- mansättning kan medföra stora förändringar i slitagebilden.In addition, the flue gases often contain corrosive substances. The wear is large here and very difficult to predict as even small disturbances of the flue gas flow or changes in its composition can lead to large changes in the wear pattern.

Därför är anordningar, tillämpbara för diagnostiska mät- ningar, med vilka slitagehastigheten kontinuerligt kan övervakas för kritiska detaljer ett ovärderligt hjälpmedel.Therefore, devices, applicable to diagnostic measurements, with which the wear rate can be continuously monitored for critical details are an invaluable aid.

Att förändringar i massa påverkar en kropps egenfrekvens är känt och tillämpat för mätning bland annat genom den svenska patentskriften SE 413 672, i vilken en i en givardel infäst stâlfjäder sätts i svängning genom excitering och sväng- ningens egenskaper uppmätes för att bestämma olika fysika- liska storheter, excitering och uppmätning av svängningen göres på optisk väg. Denna metod är dock inte tillämplig för att bestämma slitagehastigheten hos komponenter eller väggar utsatta för strömmande rökgaser. Dels klarar den ej miljön, med den höga temperaturen och stoftet, dels kan ej 466 622 3 förändringarna i massa hos stâlfjädern sättas i relation till slitagehastigheten hos den aktuella komponenten.That changes in mass affect a body's natural frequency is known and applied for measurement through the Swedish patent specification SE 413 672, in which a steel spring attached to a sensor part is set in oscillation by excitation and the properties of the oscillation are measured to determine various physical quantities, excitation and measurement of the oscillation are done by optical means. However, this method is not applicable to determine the wear rate of components or walls exposed to flowing flue gases. On the one hand it does not cope with the environment, with the high temperature and dust, and on the other hand the changes in mass of the steel spring cannot be set in relation to the wear speed of the component in question.

UPPFINNINGEN Förändringar i massa övervakas genom att bestämma föränd- ringar i en svängande kropps egenfrekvens. För denna över- vakning användes en mätanordning som enligt uppfinningen innefattar en givardel i form av ett svängande membran, en detektordel för registrering och analys av givarens sväng- ningsfrekvens och ett organ för excitering av givaren, varvid givardelen är anordnad att bringas i svängning och förändringar i givardelens egenfrekvens användes som värde pà förändringen i massa. Givaren är utförd i form av ett membran, innefattande en infästningsdel och en kropp med tjockare gods, förbundna med en tunnväggig sektion och enligt uppfinningen är givaren företrädesvist utförd i samma material som den komponent för vilken man vill mäta föränd- ringen i massa, exempelvis utryckt som slitagehastigheten.THE INVENTION Changes in mass are monitored by determining changes in the oscillating frequency of a swinging body. For this monitoring a measuring device is used which according to the invention comprises a sensor part in the form of an oscillating diaphragm, a detector part for recording and analyzing the oscillation frequency of the sensor and a means for exciting the sensor, the sensor part being arranged to be brought into oscillation and changes in the natural frequency of the sensor part was used as the value of the change in mass. The sensor is made in the form of a membrane, comprising a fastening part and a body with thicker goods, connected to a thin-walled section and according to the invention the sensor is preferably made of the same material as the component for which the change in mass is desired, for example expressed as the wear rate.

Kroppen utsätts för slitage under samma förhållanden som den komponent för vilken man vill bestämma slitagehastigheten och är anordnad så att den pà ett likvärdigt sätt utsätts för påverkan från aktuellt medium. Dessutom är en tempera- tursensor anordnad pá givardelen för att kompensera för temperaturens inverkan.The body is exposed to wear under the same conditions as the component for which the speed of wear is to be determined and is arranged so that it is equally exposed to the influence of the medium in question. In addition, a temperature sensor is arranged on the sensor part to compensate for the effect of the temperature.

Givaren har en egenfrekvens som bestäms av materialet, dess geometriska utformning, den tunnväggiga förbindningsdelens längd och godstjocklek, massan hos den kropp med tjockt gods som utsätts för mediet samt givarens temperatur. Efterhand som kroppens massa minskar, till följd av slitage, ökar egenfrekvensen vid en viss temperatur. För att kompensera för egenfrekvensens temperaturberoende kalibreras givaren över aktuellt temperaturomrâde innan den användes.The sensor has an natural frequency which is determined by the material, its geometric design, the length and thickness of the thin-walled connecting part, the mass of the body with thick goods that are exposed to the medium and the temperature of the sensor. As the body mass decreases, due to wear and tear, the natural frequency increases at a certain temperature. To compensate for the natural frequency temperature dependence, the sensor is calibrated over the current temperature range before use.

Vid mätning exciteras givaren så att den börjar svänga, var- vid dess egenfrekvens registreras, med lämplig detektor, och bestäms med frekvensanalysutrustning. Skillnaden i egenfrek- 466 622 4 vens mellan tvà mätningar, med korrektion för eventuella avvikelser i temperatur, utgör ett màtt pà viktminskningen.When measuring, the sensor is excited so that it begins to oscillate, whereby its natural frequency is registered, with a suitable detector, and determined with frequency analysis equipment. The difference in natural frequency between two measurements, with correction for any deviations in temperature, is a measure of weight loss.

Fördelas viktminskningen över den kända, för aktuellt medium exponerade, arean erhålls ett mått pá det genomsnittliga slitaget över den aktuella ytan. Detektorn kan vara en tràd- töjningsgivare av högtemperatur typ eller en mikrofon och m* ansluts till en frekvensanalysator.If the weight loss is distributed over the known area exposed to the current medium, a measure of the average wear over the current surface is obtained. The detector can be a high-temperature type strain gauge or a microphone and must be connected to a frequency analyzer.

Utöver givare och detektor, med nödvändig analysutrustning, innefattar anordningen enligt uppfinningen ett organ för excitering av givaren. Dessutom kompletteras anordningen med En temperaturs BHSOI' .In addition to the sensor and detector, with the necessary analysis equipment, the device according to the invention comprises a means for exciting the sensor. In addition, the device is supplemented with A temperature BHSOI '.

Givaren exciteras lämpligen medelst knackning, vilket utfö- res med en kolv som slås an mot givaren. Kolvens anslag mot givaren åstadkommes av en slaganordning anordnad i anslut- ning till kolven. Exempelvis elektromagnetiskt styrd. Natur- ligtvis kan givaren även exciteras pà andra sätt exempelvis genom ljudvág eller annan stötvàg utsänd mot givaren.The sensor is suitably excited by knocking, which is done with a piston which strikes the sensor. The impact of the piston against the sensor is effected by a percussion device arranged in connection with the piston. For example, electromagnetically controlled. Of course, the sensor can also be excited in other ways, for example by sound wave or other shock wave transmitted to the sensor.

Används en anordning enligt uppfinningen för att mäta slita- gehastigheten hos en vägg, exempelvis i en kanal eller ett kärl ingående i en anläggnings processsystem, utföres giva- ren enligt uppfinningen företrädesvis i samma material som väggen i övrigt samt anordnas med den yta som exponeras för i processsystemet befintligt medium i plan med och med en profil överensstämmande med väggens begränsningsyta.If a device according to the invention is used for measuring the wear rate of a wall, for example in a duct or a vessel included in a plant's process system, the sensor according to the invention is preferably made of the same material as the rest of the wall and is arranged with the surface exposed to in the process system existing medium in plane with and with a profile corresponding to the limiting surface of the wall.

Anordningen kan också användas då man vill studera slitaget pá exempelvis en profil eller annan i processvägarna anord- nad komponent, exempelvis för att simulera slitaget pá i en turbin eller kompressor ingående ledskenor. Kroppen utformas då med en profil lik den komponent man önskar simulera och anordnas i rökgasströmmen motsvararande den aktuella kompo- nentens strömningssituation. Här måste man beakta att pro- filen utformas sà att borteroderat material ej àterdeponeras på profilen och stör mätningen. 466 622 5 Detta medför att givaren till utformning och materialval kan anpassas till just den aktuella situationen. För att anpassa anordningens känslighet varieras sedan den tunnväggiga för- bindningsdelens längd och godstjocklek. Genom dessa anpass- ningsmöjligheter kan anordningen appliceras i de flesta mät- situationer inne i processens kanaler och kärl.The device can also be used when one wants to study the wear on, for example, a profile or another component arranged in the process paths, for example to simulate the wear on guide rails included in a turbine or compressor. The body is then designed with a profile similar to the component you wish to simulate and is arranged in the flue gas flow corresponding to the flow situation of the component in question. Here it must be taken into account that the profile is designed so that eroded material is not re-deposited on the profile and interferes with the measurement. 466 622 5 This means that the sensor for design and material selection can be adapted to the current situation. To adapt the sensitivity of the device, the length and thickness of the material of the thin-walled connecting part is then varied. Through these adaptation possibilities, the device can be applied in most measuring situations inside the process' channels and vessels.

Anordningen är ej tryckbärande varför den byggs in. För att ej erhålla tryckdifferenser över anordningen, speciellt ej över givardelen, vilka orsakar spänningstillstànd som kan störa mätningen, anordnas organ för att trycket ska vara väsentligen detsamma runt givardelen. Detta är av speciell vikt vid mätningar i trycksatta processer som exempelvis förbränning i trycksatt virvelbädd, Pressurized Fluidized Bed Combustion, PFBC.The device is not pressure-bearing, which is why it is built-in. In order not to obtain pressure differences across the device, especially not across the sensor part, which cause voltage conditions which may interfere with the measurement, means are provided for the pressure to be substantially the same around the sensor part. This is of particular importance in measurements in pressurized processes such as combustion in pressurized fluidized bed, Pressurized Fluidized Bed Combustion, PFBC.

Dà kostnaden för framtagning och kalibrering av givare samt annan nödvändig utrustning är relativt begränsad är det möj- ligt att installera ett stort antal mätanordningar i en anläggning och att datorisera insamling och bearbetning av mätdata samt eventuell larmfunktion. Mätdata kan presenteras som exempelvis viktminskning, slitagedjup eller slitagehas- tighet.As the cost of producing and calibrating sensors and other necessary equipment is relatively limited, it is possible to install a large number of measuring devices in a plant and to computerize the collection and processing of measurement data and any alarm function. Measurement data can be presented as, for example, weight loss, wear depth or wear speed.

En anordning enligt uppfinningen är speciellt attraktiv för diagnostiska mätningar i processystem då den är enkel att tillverka och anpassa till olika situationer. Den är enkel att handha och kan lätt integreras i ett automatiskt, konti- nuerligt system för övervakning av slitagesituationen i en anläggnings processystem. Dessutom är kostnaderna för i anordningen ingående komponenter relativt låg, speciellt i relation till de kostnader som är förknippade med drifts- stopp och haverier.A device according to the invention is particularly attractive for diagnostic measurements in process systems as it is easy to manufacture and adapt to different situations. It is easy to handle and can easily be integrated into an automatic, continuous system for monitoring the wear situation in a plant's process system. In addition, the costs for components included in the device are relatively low, especially in relation to the costs associated with downtime and breakdowns.

FIGURER Figur 1 ger en starkt schematisk bild av anordningen och visar de tre ingående delfunktionerna, givaren - det sväng- 466 622 6 ande membranet-, detektorn och exicteringsorganet. Figur 2 visar en mätanordning enligt uppfinningen, med nödvändig kringutrustning, inbyggd i en vägg och omsluten av tryckbä- rande konstruktion. Figur 3-5 visar olika utförande av den ff- membranformade givardelen.FIGURES Figure 1 gives a strongly schematic view of the device and shows the three constituent sub-functions, the sensor - the oscillating diaphragm, the detector and the exciter means. Figure 2 shows a measuring device according to the invention, with necessary peripheral equipment, built into a wall and enclosed by a pressure-bearing structure. Figure 3-5 shows different embodiments of the ff membrane-shaped sensor part.

FIGURBESKRIVNING Uppfinningen avser en anordning för att mäta förändringar i massa, exempelvis uppkomna genom slitage. Slitaget uppstår till följd av påverkan från i ett kärl eller en kanal inne- slutet medium. Mediet, som kan vara flytande eller gasfor- migt, är ofta uppblandat med fast partikulärt material och orsakar slitage, till följd av erosion, korrosion eller deposition.DESCRIPTION OF THE FIGURES The invention relates to a device for measuring changes in mass, for example caused by wear. Wear occurs as a result of the influence of a medium enclosed in a vessel or channel. The medium, which may be liquid or gaseous, is often mixed with solid particulate matter and causes wear and tear, due to erosion, corrosion or deposition.

Förändringen i massa mäts enligt uppfinningen, visad starkt förenklad i figur 1. Genom att bestämma förändringar i en svängande kropps egenfrekvens med en anordning innefattande en givardel 11 i form av ett svängande membran, en detektor- del 12 för registrering och analys av givarens svängnings- frekvens samt ett organ 13 för excitering av givardelen 11.The change in mass is measured according to the invention, shown greatly simplified in Figure 1. By determining changes in the natural frequency of an oscillating body with a device comprising a sensor part 11 in the form of an oscillating diaphragm, a detector part 12 for detecting and analyzing the sensor oscillating frequency and a means 13 for exciting the sensor part 11.

Uppfinningen, inbyggd i en vägg 10, exempelvis väggen 10 till ett i ett processystem ingående kärl eller kanal, visas i figur 2. Givardelen ll innefattar en tunnväggig förbind- ning 14 mellan en infästningsdel 15 och en kropp 16 med tjockare gods, Kroppen 16 utsätts för det i kärlet befint- liga mediet. Givardelen 11 är företrädesvis utförd i samma material som kärlväggen 10 och den på kroppen 16 exponerade ytan har samma profil som väggen 10 och är anordnad med sin begränsningsyta sammanfallande med väggens 10 begränsnings- yta.The invention, built into a wall 10, for example the wall 10 of a vessel or channel included in a process system, is shown in Figure 2. The sensor part 11 comprises a thin-walled connection 14 between a fastening part 15 and a body 16 with thicker goods. The body 16 is exposed for the medium present in the vessel. The sensor part 11 is preferably made of the same material as the vessel wall 10 and the surface exposed on the body 16 has the same profile as the wall 10 and is arranged with its limiting surface coinciding with the limiting surface of the wall 10.

Vid mätning exciteras givardelen 11 medelst knackning, genom att en kolv 17 bringas att slå an mot givardelen 11 som sätts i svängning. Kolven slås an medelst en slaganordning 18, exempelvis elektromagnetiskt styrd, lämpligen àterförs 466 622 7 kolven till utgångsläge efter anslaget med en àterförings- anordning 19, exempelvis en returfjäder. Alternativt kan gi- vardelen ll exciteras med en ljudvâg eller annan stötvàg som utsändes mot givardelen 11. Svängningsfrekvensen registreras med en sensor, exempelvis en tràdtöjningsgivare 20, anordnad på den tunnväggiga förbindningen 14, alternativt med en mik- rofon 21, och analyseras i en frekvensanalysutrustning 22, för fastställande av givarens egenfrekvens. För att kompen- sera för inverkan från eventuella temperaturvariationer fastställes temperaturen hos givardelen 11 med lämplig, ej visad, temperatursensor, termoelement, motstándstermometer, pyrometer etc. Givardelen 11 har före installationen kalib- rerats över hela det aktuella temperaturomràdet.When measuring, the sensor part 11 is excited by knocking, by making a piston 17 abut against the sensor part 11 which is set in oscillation. The piston is actuated by means of a percussion device 18, for example electromagnetically controlled, suitably the piston is returned to the initial position after the stop with a return device 19, for example a return spring. Alternatively, the sensor part 11 may be excited by a sound wave or other shock wave emitted to the sensor part 11. The oscillation frequency is recorded with a sensor, for example a wire strain gauge 20, arranged on the thin-walled connection 14, alternatively with a microphone 21, and analyzed in a frequency analysis equipment. 22, for determining the natural frequency of the sensor. To compensate for the effect of any temperature variations, the temperature of the sensor part 11 is determined with a suitable, not shown, temperature sensor, thermocouple, resistance thermometer, pyrometer, etc. The sensor part 11 has been calibrated over the entire current temperature range before installation.

Förbindningens 14 tunna vägg är ej tryckbärande varför an- ordningen, åtminstone vid trycksatta processer, måste byggas in med en tryckbärande kapsling 23, exempelvis en platta.The thin wall of the connection 14 is not pressure-bearing, which is why the device, at least in pressurized processes, must be built in with a pressure-bearing housing 23, for example a plate.

För att inte tryckskillnader och därmed sammanhängande spän- ningstillstánd över givardelen 11 ska störa mätningen anord- nas organ 25 för att trycket ska vara detsamma i rummet 24/ ' som bildas mellan_givardelen 11 och den tryckbärande plattan 23, som i kärlet. Lämpligen utjämnas trycket genom att ett utjämningsrör 25 anordnas mellan rummet 24 och kärlet. Är mediet uppblandat med fasta partiklar förses lämpligen utjämningsröret 25 med ett filter 26 för att utestänga partiklarna fràn rummet 24.In order that pressure differences and the associated voltage state across the sensor part 11 should not interfere with the measurement, means 25 are arranged for the pressure to be the same in the space 24 / 'formed between the sensor part 11 and the pressure-bearing plate 23, as in the vessel. Conveniently, the pressure is equalized by arranging an equalization tube 25 between the space 24 and the vessel. If the medium is mixed with solid particles, the equalization tube 25 is suitably provided with a filter 26 to exclude the particles from the space 24.

Anordningen kan med lätthet och till låg kostnad anpassas till olika slitagesituationer vilket illustreras med figu- rerna 3-5. Figur 3 visar den enklaste utformningen av givar- delen ll, avsedd att användas vid mätningar av slitaget på släta ytor. I figur 4 har begränsningsytan pà kroppen 16 givits en krökt profil för att överensstämma med begräns- ningsytan i exempelvis en rörformig kanal. Figur 5 visar hur kroppen 16 kan utformas för att simulera slitaget pà en i det strömmande mediet befintlig komponent, exempelvis en ledskena till en turbin.The device can be easily and at low cost adapted to different wear situations, which is illustrated with Figures 3-5. Figure 3 shows the simplest design of the sensor part II, intended for use in measurements of wear on smooth surfaces. In Figure 4, the limiting surface on the body 16 has been given a curved profile to correspond to the limiting surface in, for example, a tubular channel. Figure 5 shows how the body 16 can be designed to simulate the wear of a component present in the flowing medium, for example a guide rail for a turbine.

Claims

466 622 8 The device can be used to advantage for diagnostic monitoring in process systems for planning maintenance but also in the development of components, included in process systems, where effects of both constructive changes and changes in material selection can be evaluated. PATENT REQUIREMENTS

A device for measuring changes in mass, in channels or vessels, containing liquid or gaseous medium, as a result of erosion, corrosion or deposition, on walls (10) or other components exposed to the medium, comprising a sensor part (11), a detector part (12) and a means (13) for exciting the sensor part, the sensor part being arranged to be brought into oscillation and changes in the resonant frequency of the sensor part being used as a value for the change in mass and for said sensor part (11) a temperature sensor is arranged to distinguish the effect on the resonant frequency due to changes in mass from the influence of temperature variations, characterized in that the sensor part comprises a thin-walled section (14) which connects a fastening part (15) to a body (16), that the body has a substantially greater wall thickness than the thin-walled section, that the body is formed with a profile and made of a material substantially equal to the component being monitored, that the body is arranged in the channel or vessel so that the medium affects its mass, whereby the resonant frequency of the sensor part (11) changes, under essentially the same conditions as for the component being monitored and that the measuring sensitivity of the measuring device is determined by adjusting length and thickness in the thin-walled section.

Device according to claim 1, characterized in that the body (16) included in the sensor part (11) is arranged as a part of the wall (10) of the channel and vessel, respectively, and arranged so that the outer profile of the body is in plane W 466 622 9 with and coinciding with the boundary surface of the wall. Device according to claim 1 or claim 2, characterized in that the detector part (12) is arranged to register changes in the oscillation properties of said sensor part (11) by means of a wire strain gauge (20). . Device according to claim 1 or claim 2, characterized in that the detector part (12) is arranged to register changes in the oscillation properties of said sensor part (11) by means of a microphone (21). . Device according to any one of the preceding claims, characterized in that the means (13) for exciting the sensor part (11) is a piston (17) arranged to bring the sensor part into oscillation by knocking. . Device according to any one of claims 1, claim 2, claim 3 or claim 4, characterized in that the means (13) for exciting the sensor part (II). is a sound source. . Device according to one of the preceding claims, characterized in that a pressure-bearing housing (23), for example a plate, is arranged around the sensor part (11) and that a means (25) is arranged to effect pressure equalization between the channel and the vessel and a space (24) formed between the sensor part and the pressure-bearing housing. . Device according to one of the preceding claims, characterized in that the medium is a dusty flue gas from an incineration plant, in particular dusty flue gas from a plant for combustion in a fluidized bed.