DE19724167C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Ermitteln eines Meßwerts einer Zielmeßgröße einer Mehr-Phasen-Strömung - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zum Ermitteln eines Meßwerts einer Zielmeßgröße einer Mehr-Phasen-StrömungInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermit
teln eines Meßwerts einer Zielmeßgröße einer Mehr-Phasen-
Strömung, insbesondere einer Zwei-Phasen-Strömung, bei dem
ein Wert eines Druckes der Mehr-Phasen-Strömung als einer
primären Meßgröße mittels einer Meßeinrichtung gemessen wird.
Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung
zum Ermitteln eines Meßwerts einer Zielmeßgröße einer Mehr-
Phasen-Strömung, insbesondere einer Zwei-Phasen-Strömung, die
eine Meßeinrichtung zum Messen eines Druckes der Mehr-Phasen-
Strömung als einer primären Meßgröße umfaßt.
Ein solches Verfahren und eine solche Vorrichtung sind bei
spielsweise aus dem Artikel "Verbesserte Speisewasserregelung
durch kompaktes Meßsystem zur Massenstrom- und Dampfgehalts
bestimmung" von W. Kastner, C. Fischer und W. Krätzer,
Erlangen, erschienen in der Zeitschrift BWK, Band 45 (1993),
Heft Nr. 12, Seiten 510 bis 514, bekannt. Die genannte Druck
schrift offenbart ein Meßsystem zum Ermitteln eines Meßwerts
des Gesamtmassenstroms und eines Meßwerts des Dampfgehalts
einer Wasser-Dampf-Strömung in einem Dampferzeuger, die eine
Meßeinrichtung zum Messen eines Wirkdrucks der Wasser-Dampf-
Strömung (ein Venturi-Rohr) und zusätzlich eine Meßeinrich
tung zum Messen der Gemischdichte der Wasser-Dampf-Strömung
(ein Gammadensitometer) umfaßt.
Bei diesem Meßsystem wird der momentane Dampfmassenanteil aus
dem Momentanwert der mit dem Gammadensitometer gemessenen
Gemischdichte und der Momentanwert des Gesamtmassenstroms aus
dem Momentanwert des an dem Venturi-Rohr gemessenen Wirk
drucks und dem Momentanwert der mit dem Gammadensitometer ge
messenen Gemischdichte ermittelt.
Bei dem aus der genannten Druckschrift bekannten Meßvorrich
tung und dem damit durchgeführten Meßverfahren ist von Nach
teil, daß zur Ermittlung eines Meßwerts einer gewünschten
Zielmeßgröße, nämlich des Gesamtmassenstroms, zwei primäre
Meßgrößen, nämlich der Wirkdruck am Venturi-Rohr und die Ge
mischdichte, mit zwei unterschiedlichen primären Meßeinrich
tungen, nämlich einem Venturi-Rohr und einem Gammadensito
meter, gemessen werden müssen. Die Notwendigkeit zweier pri
märer Meßeinrichtungen erhöht den Platzbedarf der Meßvorrich
tung, den erforderlichen Wartungsaufwand und die Kosten der
Meßvorrichtung erheblich.
Außerdem ist das bei dem bekannten Meßsystem verwendete
Gammadensitometer eine sehr teure und aufwendige Meßeinrich
tung, die überdies, aufgrund der Verwendung radioaktiven
Materials, besondere Sicherheitsvorkehrungen erforderlich
macht.
Aus der US-Patentschrift 4,397,190 ist ein Verfahren zur Be
stimmung von Strömungscharakteristika von Mehr-Phasen-Strö
mungen bekannt, bei dem Druckdifferenzen zwischen längs der
Strömungsrichtung der Mehr-Phasen-Strömung voneinander beab
standeten Meßpunkten gemessen werden.
Ein Verfahren mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch
1 und eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von
Anspruch 25 sind aus der Druckschrift GB 2 221 042 A und aus
der US-Patentschrift 5 051 922 bekannt.
Bei dem in diesen Druckschriften beschriebenen Verfahren wird
der Wert eines Druckes einer Mehr-Phasen-Strömung mittels
eines Meßrohrs gemessen, das an seinem Einlaß mit einem Strö
mungsmischer versehen ist, um die Mehr-Phasen-Strömung zu ho
mogenisieren. Am Auslaß des Meßrohrs ist ein weiterer Strö
mungsmischer vorgesehen, um Einflüsse von stromabwärts des
Meßrohrs gelegenen Punkten zu eliminieren. Die Druckmeßsen
soren selbst werden innerhalb des Meßrohrs zwischen dem Ein
laß-Strömungsmischer und dem Auslaß-Strömungsmischer zu bei
den Seiten einer Blendenöffnung angeordnet, um den Druckab
fall an der Blende zu messen.
Bei diesem Verfahren ist von Nachteil, daß die Homogenisie
rung der Mehr-Phasen-Strömung einen erheblichen konstruktiven
Aufwand bedingt und die zur Homogenisierung und zur Ausschal
tung von Störeinflüssen erforderlichen Strömungsmischer sowie
die zur Druckmessung vorgesehene Blende einen hohen Druckver
lust in der Mehr-Phasen-Strömung verursachen, so daß der von
der Mehr-Phasen-Strömung zu überwindende Strömungswiderstand
durch die verwendete Meßeinrichtung erheblich erhöht wird.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde,
ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 so zu ver
bessern, daß eine zuverlässige Ermittlung des Meßwerts der
Zielmeßgröße mit vergleichsweise geringem konstruktivem Auf
wand ermöglicht wird.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 ge
löst, wobei erfindungsgemäß der Druck der Mehr-Phasen-Strö
mung an einer Stelle eines von der Mehr-Phasen-Strömung
durchströmten Querschnitts eines horizontalen oder geneigten
Rohrs gemessen wird, die im wesentlichen stets mit derselben
Phase der Mehr-Phasen-Strömung in Kontakt steht.
Dadurch, daß der Druck der Mehr-Phasen-Strömung an einer
Stelle gemessen wird, die im wesentlichen stets mit derselben
Phase der Mehr-Phasen-Strömung in Kontakt steht, wird ein
einen bestimmten Strömungszustand der Mehr-Phasen-Strömung
besonders gut charakterisierender zeitlicher Verlauf des als
primäre Meßgröße gewählten Druckes erhalten.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann jeder Zustand der
Mehr-Phasen-Strömung durch das Fluktuationsmuster einer pri
mären Meßgröße, also anhand deren zeitlichen Verlaufs, cha
rakterisiert werden. Anhand des Fluktuationsmusters der pri
mären Meßgröße können daher unterschiedliche Strömungszustän
de der Mehr-Phasen-Strömung eindeutig voneinander unterschie
den werden, während eine solche Unterscheidung anhand des je
weiligen Durchschnittswerts der primären Meßgröße alleine
nicht möglich wäre, da zu jedem Durchschnittswert der primä
ren Meßgröße eine Vielzahl von Strömungszuständen existiert,
die diesen Durchschnittswert aufweisen, so daß eine eindeu
tige Zuordnung eines Durchschnittswerts der primären Meßgröße
zu einem bestimmten Zustand der Mehr-Phasen-Strömung nicht
möglich ist.
Aufgrund des Vergleichs des gemessenen Verlaufs der primären
Meßgröße mit den vorher bestimmten Referenzverläufen der pri
mären Meßgröße kann derjenige Referenzzustand der Mehr-
Phasen-Strömung ermittelt werden, der am besten zu dem aktu
ellen Strömungszustand paßt. Der diesem Referenzzustand zuge
ordnete Referenzwert der Zielmeßgröße kommt dem aktuellen
Wert der Zielmeßgröße am nächsten.
Das erfindungsgemäße Verfahren weist eine hohe Flexibilität
auf, da, unabhängig von der Art der primären Meßgröße, belie
bige Zielmeßgrößen der Mehr-Phasen-Strömung ermittelbar sind,
da die Messung der primären Meßgröße nicht unmittelbar zur
Berechnung des Meßwerts der Zielmeßgröße herangezogen wird,
sondern lediglich der Identifizierung des aktuellen Zustands
der Mehr-Phasen-Strömung dient.
Ferner ist von Vorteil, daß zur Durchführung des erfindungs
gemäßen Verfahrens lediglich eine Meßeinrichtung zum Messen
einer einzigen primären Meßgröße erforderlich ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann insbesondere zur
Überwachung von Strömungen in horizontalen oder geneigten
Dampferzeugern oder bei der Öl- und Gasförderung in
horizontalen oder geneigten Rohrabschnitten eingesetzt
werden.
Ein weiterer Vorteil resultiert daraus, daß ein Druck der
Mehr-Phasen-Strömung als primäre Meßgröße gemessen wird, da
Druckmeßeinrichtungen wenig aufwendig und wartungsarm
realisierbar sowie weitgehend temperatur- und druckbeständig
sind.
Der als primäre Meßgröße gemessene Druck der Mehr-Phasen-
Strömung kann ein statischer Druck, ein Pitotdruck oder ein
Staudruck der Mehr-Phasen-Strömung sein. Auch weitere Drücke
oder Druckdifferenzen der Mehr-Phasen-Strömung kommen in Be
tracht, beispielsweise der mittels eines Venturi-Rohrs be
stimmte Wirkdruck der Strömung.
Die Verwendung eines Staudrucks der Mehr-Phasen-Strömung als
primäre Meßgröße ist besonders bevorzugt, da aus dem Stau
druck in einer Phase der Mehr-Phasen-Strömung unmittelbar auf
die Strömungsgeschwindigkeit dieser Phase geschlossen werden
kann. Es ist daher möglich, das korrekte Funktionieren des
erfindungsgemäßen Verfahrens zu überprüfen, indem die Strö
mungsgeschwindigkeit der betreffenden Phase als Zielmeßgröße
oder als eine von mehreren Zielmeßgrößen gewählt wird und der
mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens ermittelte Meßwert
dieser Zielmeßgröße mit dem aus dem Durchschnittswert des
Staudrucks in der betreffenden Phase ermittelten Meßwert ver
glichen wird.
Handelt es sich bei der Mehr-Phasen-Strömung um eine Strö
mung, die eine gasförmige und mindestens eine flüssige Phase
umfaßt, so wird der als primäre Meßgröße gewählte Druck vor
zugsweise in der flüssigen Phase gemessen.
Um den Druck im wesentlichen stets in einer Phase der Mehr-
Phasen-Strömung messen zu können, die ein hohes spezifisches
Gewicht aufweist, kann vorgesehen sein, daß der Druck der
Mehr-Phasen-Strömung im unteren Drittel, vorzugsweise nahe
der tiefsten Stelle, des von der Mehr-Phasen-Strömung
durchströmten Querschnitts des horizontalen oder geneigten
Rohres gemessen wird.
Um andererseits den Druck der Mehr-Phasen-Strömung im wesent
lichen stets in einer Phase der Mehr-Phasen-Strömung, die ein
geringes spezifisches Gewicht aufweist, messen zu können,
kann vorgesehen sein, daß der Druck der Mehr-Phasen-Strömung
im oberen Drittel, vorzugsweise nahe der höchsten Stelle, des
von der Mehr-Phasen-Strömung durchströmten Querschnitts des
horizontalen oder geneigten Rohres gemessen wird.
Der Vergleich des gemessenen Verlaufs der primären Meßgröße
mit den Referenzverläufen der primären Meßgröße kann dadurch
erfolgen, daß ein Grad der Ähnlichkeit zwischen dem gemes
senen zeitlichen Verlauf der primären Meßgröße und jeweils
einem der zeitlichen Referenzverläufe der primären Meßgröße
ermittelt wird.
Der Meßwert der Zielmeßgröße kann dann gleich dem Referenz
wert der Zielmeßgröße gesetzt werden, der demjenigen zeit
lichen Referenzverlauf zugeordnet ist, welcher den höchsten
Grad der Ähnlichkeit zu dem gemessenen zeitlichen Verlauf der
primären Meßgröße aufweist.
Alternativ hierzu kann, insbesondere, wenn nur wenige zeit
liche Referenzverläufe der primären Meßgröße und denselben
zugeordnete Referenzwerte der Zielmeßgröße zur Verfügung ste
hen, vorgesehen sein, daß der Meßwert der Zielmeßgröße gleich
einem gewichteten Mittel der Referenzwerte der Zielmeßgröße
gesetzt wird, wobei das Gewicht jedes der Referenzwerte in
Abhängigkeit von dem Grad der Ähnlichkeit zwischen dem ge
messenen zeitlichen Verlauf der primären Meßgröße und dem
jenigen zeitlichen Referenzverlauf, dem der Referenzwert der
Zielmeßgröße zugeordnet ist, bestimmt wird.
Der Grad der Ähnlichkeit zwischen dem gemessenen zeitlichen
Verlauf und jeweils einem der zeitlichen Referenzverläufe der
primären Meßgröße kann mittels eines geeigneten Mustererken
nungsverfahrens ermittelt werden.
Insbesondere kann der Grad der Ähnlichkeit zwischen dem ge
messenen zeitlichen Verlauf der primären Meßgröße und einem
der zeitlichen Referenzverläufe dadurch ermittelt werden, daß
aus dem gemessenen zeitlichen Verlauf der primären Meßgröße
ein Meßwert einer Kenngröße und aus dem zeitlichen Referenz
verlauf ein Referenzwert der Kenngröße ermittelt wird und ein
Abstand des Meßwertes der Kenngröße von dem Referenzwert der
Kenngröße bestimmt wird. Der Kehrwert des bestimmten Abstan
des des Meßwertes der Kenngröße von dem Referenzwert der
Kenngröße kann als quantitatives Maß für den Grad der Ähn
lichkeit zwischen dem gemessenen Verlauf und dem jeweiligen
Referenzverlauf der primären Meßgröße dienen.
In einfach gelagerten Fällen, wenn nur wenige Referenz
zustände der Mehr-Phasen-Strömung voneinander zu unterschei
den sind, kann es genügen, als Kenngröße eine skalare Größe,
beispielsweise die Varianz der werte der primären Meßgröße,
zu verwenden.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Verfahrens wird jedoch als Kenngröße eine vektorielle Größe
mit mehreren Komponenten verwendet, um eine Vielzahl mögli
cher Referenzverläufe der primären Meßgröße charakterisieren
und voneinander unterscheiden zu können.
Als Komponenten einer vektoriellen Kenngröße kommen alle
Parameter in Betracht, die zur Beschreibung des Fluktuations
musters der primären Meßgröße geeignet sind. Beispielsweise
wäre es möglich, die Frequenz und/oder Amplitude von Extrem
werten des zeitlichen Verlaufs der primären Meßgröße als Kom
ponente der Kenngröße heranzuziehen.
Besonders bewährt hat es sich allerdings, wenn die Komponen
ten der Kenngröße Parameter einer Anpaßfunktion sind, welche
an den gemessenen zeitlichen Verlauf beziehungsweise den
zeitlichen Referenzverlauf der primären Meßgröße angepaßt
wird.
Diese Anpaßfunktion kann beispielsweise mittels der Methode
der kleinsten Fehlerquadrate an den gemessenen zeitlichen
Verlauf beziehungsweise an den zeitlichen Referenzverlauf der
primären Meßgröße angepaßt werden, was den Vorteil hat, daß
für die Durchführung einer Anpassung mittels dieser Methode
auf einem Meßrechner bereits fertige Programmpakete zur Ver
fügung stehen.
Zu dem für die Anpaßfunktion verwendeten Ansatz wurden
vorstehend noch keine näheren Angaben gemacht.
Wird eine Anpaßfunktion gewünscht, die sehr flexibel ist und
eine gute Anpassung an nahezu beliebige zeitliche Verläufe
der primären Meßgröße erlaubt, so kann eine Anpaßfunktion
verwendet werden, deren Funktionswert zu einem Zeitpunkt t
eine Linearkombination der Funktionswerte der Anpaßfunktion
zu anderen Zeitpunkten darstellt, wobei die Koeffizienten der
Funktionswerte der Anpaßfunktion zu den anderen Zeitpunkten
die Komponenten der Kenngröße sind. Eine solche Anpaßfunktion
wird als lineares Vorhersagemodell bezeichnet.
Die Anzahl der in der Linearkombination berücksichtigten an
deren Zeitpunkte (und damit die Anzahl der Komponenten der
Kenngröße) wird vorzugsweise so gewählt, daß der Funktions
wert der Anpaßfunktion zu dem Zeitpunkt t eine Linearkombi
nation der Funktionswerte der Anpaßfunktion zu mindestens
fünf, insbesondere mindestens sieben, vorzugsweise elf an
deren Zeitpunkten darstellt. Bevorzugt wird also ein lineares
Vorhersagemodell mindestens fünfter, insbesondere mindestens
siebter, vorzugsweise elfter Ordnung. Dadurch ist gewährlei
stet, daß die vektorielle Kenngröße eine hinreichend hohe
Dimension aufweist, um auch bei komplizierten Strömungsver
hältnissen jeden Zustand der Mehr-Phasen-Strömung eindeutig
charakterisieren zu können.
Um den erforderlichen Rechenaufwand zu begrenzen und den Ein
fluß statistischer Fluktuationen auf den ermittelten Wert der
Kenngröße möglichst niedrig zuhalten, sollte jedoch die An
paßfunktion so gewählt werden, daß der Funktionswert der An
paßfunktion zu dem Zeitpunkt t eine Linearkombination der
Funktionswerte der Anpaßfunktion zu höchstens dreizehn an
deren Zeitpunkten darstellt. Bevorzugt wird also ein lineares
Vorhersagemodell höchstens dreizehnter Ordnung. In diesem
Fall weist die Kenngröße höchstens dreizehn Komponenten auf.
Besonders geeignet ist ein solcher Ansatz für die Anpaßfunk
tion, bei dem die anderen Zeitpunkte und der Zeitpunkt t
äquidistant aufeinanderfolgen.
Über die Art und Weise, in der der Abstand zwischen dem Meß
wert der Kenngröße und dem Referenzwert der Kenngröße ermit
telt wird, wurden vorstehend noch keine näheren Angaben
gemacht.
Eine einfache Methode zur Ermittlung dieses Abstands besteht
darin, daß der Abstand zwischen dem Meßwert der Kenngröße und
dem Referenzwert der Kenngröße über ein Abstandsmaß nach der
euklidischen Metrik ermittelt wird.
Alternativ dazu kann der Abstand zwischen dem Meßwert der
Kenngröße und dem Referenzwert der Kenngröße über ein
Abstandsmaß nach der City-Block-Metrik, der Tschebyschew-
Metrik oder der Cannberra-Metrik ermittelt werden.
Hierbei werden mit der City-Block-Metrik besonders gute
Ergebnisse erzielt.
Wie bereits vorstehend ausgeführt, können mittels des erfin
dungsgemäßen Verfahrens, unabhängig von der Art der verwen
deten primären Meßgröße, beliebige Zielmeßgrößen der Mehr-
Phasen-Strömung ermittelt werden. Eine umfassende Information
über den aktuellen Zustand der Mehr-Phasen-Strömung kann da
durch erhalten werden, daß Meßwerte mehrerer Zielmeßgrößen
ermittelt werden, indem jedem zeitlichen Referenzverlauf der
primären Meßgröße Referenzwerte mehrerer Zielmeßgrößen zuge
ordnet sind.
Insbesondere kann vorgesehen sein, daß eine der weiteren er
mittelten Zielmeßgrößen eine Kontrollmeßgröße ist, deren ge
mäß dem erfindungsgemäßen Verfahren ermittelter Meßwert zu
Kontrollzwecken mit einem direkt aus der primären Meßgröße
ermittelten Meßwert verglichen wird.
Vor einem ersten Meßvorgang müssen zunächst zeitliche Re
ferenzverläufe der primären Meßgröße und die denselben zuge
ordneten Referenzwerte der Zielmeßgröße bereitgestellt wer
den.
Dies kann auf besonders einfache Weise durch einen sogenann
ten Anlernvorgang erfolgen, bei dem jeweils ein Zustand der
Mehr-Phasen-Strömung eingestellt, der zugehörige Zeitverlauf
der primären Meßgröße aufgezeichnet und der zugehörige Re
ferenzwert der Zielmeßgröße gemessen wird. Ein solcher An
lernvorgang ist bei beliebig komplexen Strömungsverhältnissen
der Mehr-Phasen-Strömung möglich, unabhängig davon, wie zu
treffend diese Strömungsverhältnisse durch theoretische Mo
delle beschreibbar sind.
In einfach gelagerten Fällen ist jedoch auch denkbar, daß
zeitliche Referenzverläufe der primären Meßgröße und die den
selben zugeordneten Referenzwerte der Zielmeßgrößen mittels
theoretischer Berechnungen auf der Grundlage von Strömungs
modellen oder mittels Computersimulationen der Mehr-Phasen-
Strömung bereitgestellt werden.
Der Vergleich des gemessenen zeitlichen Verlaufs der primären
Meßgröße mit den Referenzverläufen der primären Meßgröße kann
mittels eines modernen Meßrechners in Sekundenbruchteilen
durchgeführt werden, so daß die zum Ermitteln eines Meßwerts
der Zielmeßgröße erforderliche Zeit im wesentlichen durch die
Zeitdauer vorgegeben ist, während der der zeitliche Verlauf
der primären Meßgröße gemessen werden muß, um ein hinreichend
aussagekräftiges Fluktuationsmuster zu erhalten. Diese Zeit
dauer liegt in der Regel im Bereich weniger Sekunden.
Da das erfindungsgemäße Verfahren somit zur kontinuierlichen
zeitnahen Ermittlung von Meßwerten einer Zielmeßgröße der
Mehr-Phasen-Strömung geeignet ist, kann dieses Verfahren ins
besondere angewandt werden, um eine Flüssigkeitszufuhr in ein
von einer Mehr-Phasen-Strömung durchströmtes Rohr, insbeson
dere in ein Dampferzeugerrohr, in Abhängigkeit von einer
Zielmeßgröße der Mehr-Phasen-Strömung zu regeln.
Dabei wird vorteilhafterweise als Zielmeßgröße ein Massen
strom, insbesondere der Gesamtmassenstrom, der Mehr-Phasen-
Strömung verwendet.
Der vorliegenden Erfindung liegt die weitere Aufgabe zugrun
de, eine Vorrichtung zum Ermitteln eines Meßwerts einer Ziel
meßgröße einer Mehr-Phasen-Strömung, insbesondere einer Zwei-
Phasen-Strömung, mit den Merkmalen des Oberbegriffs von An
spruch 25 so zu verbessern, daß eine zuverlässige Ermittlung
des Meßwerts der Zielmeßgröße mit vergleichsweise geringem
konstruktiven Aufwand ermöglicht wird.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 25 ge
löst, wobei erfindungsgemäß die Einrichtung zum Messen eines
Drucks so ausgebildet und angeordnet ist, daß der Druck der
Mehr-Phasen-Strömung an einer Stelle eines von der Mehr-Pha
sen-Strömung durchströmten Querschnitts eines horizontalen
oder geneigten Rohrs meßbar ist, die im wesentlichen stets
mit derselben Phase der Mehr-Phasen-Strömung in Kontakt
steht.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist insbesondere zur Durch
führung des vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Ver
fahrens geeignet und bietet die bereits im Zusammenhang mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren beschriebenen Vorteile.
Insbesondere bietet die erfindungsgemäße Vorrichtung den Vor
teil, daß zur Ermittlung von Meßwerten für beliebige Zielmeß
größen der Mehr-Phasen-Strömung lediglich eine Meßeinrichtung
zum Messen einer einzigen primären Meßgröße erforderlich ist.
Die Verarbeitungseinheit der erfindungsgemäßen Vorrichtung
kann als speziell für die Verwendung in der erfindungsgemäßen
Vorrichtung aufgebauter Schaltkreis aus diskreten elektroni
schen Bauelementen oder als universell programmierbarer Meß
rechner mit speziell für die Verwendung des Meßrechners in
der erfindungsgemäßen Vorrichtung programmierter Software
ausgebildet sein. Im letzteren Fall kann der Meßrechner zu
gleich auch die Speichereinheit zum Abspeichern eines gemes
senen zeitlichen Verlaufs der primären Meßgröße und von je
weils einem zeitlichen Referenzverlauf der primären Meßgröße
zugeordneten Referenzwerten der Zielmeßgröße umfassen.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrich
tung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche 26 bis 34, de
ren Vorteile bereits im Zusammenhang mit den bevorzugten Aus
gestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens erläutert wur
den.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Ermitteln eines Meßwerts
einer Zielmeßgröße einer Mehr-Phasen-Strömung eignet sich
insbesondere zur Verwendung in einer Vorrichtung zum Regeln
einer Flüssigkeitszufuhr in ein von einer Mehr-Phasen-Strö
mung durchströmtes Rohr, insbesondere in ein Dampferzeuger
rohr, in Abhängigkeit von einer Zielmeßgröße der Mehr-Phasen-
Strömung.
Eine solche Regelungsvorrichtung ist Gegenstand des Anspruchs
35.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand
der nachfolgenden Beschreibung und zeichnerischen Darstellung
eines Ausführungsbeispiels.
In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 eine schematische, teilweise geschnittene
perspektivische Darstellung eines solar
beheizten Dampferzeugerrohrs mit einer Vor
richtung zum Regeln einer Flüssigkeitszufuhr
in das Dampferzeugerrohr;
Fig. 2 einen schematischen Längsschnitt durch das
Dampferzeugerrohr aus Fig. 1;
Fig. 3 einen schematischen Querschnitt durch das
Dampferzeugerrohr aus Fig. 1, wobei eine das
Dampferzeugerrohr durchströmende Zwei-Phasen-
Strömung sich in einem Zustand mit hohem
Dampfgehalt befindet;
Fig. 4 einen schematischen Querschnitt ähnlich dem
der Fig. 3, wobei die das Dampferzeugerrohr
durchströmende Zwei-Phasen-Strömung sich in
einem Zustand mit einem niedrigeren Dampfge
halt als in Fig. 3 befindet;
Fig. 5 ein Schaubild, das einen dem in Fig. 3 darge
stellten Zustand der Zwei-Phasen-Strömung zu
geordneten zeitlichen Referenzverlauf des in
der flüssigen Phase der Zwei-Phasen-Strömung
gemessenen Staudrucks sowie einen dem in Fig.
4 dargestellten Zustand der Zwei-Phasen-Strö
mung zugeordneten zeitlichen Referenzverlauf
des in der flüssigen Phase der Zwei-Phasen-
Strömung gemessenen Staudrucks enthält; und
Fig. 6 ein Schaubild, das einen gemessenen zeit
lichen Verlauf des in der flüssigen Phase der
Zwei-Phasen-Strömung gemessenen Staudrucks
enthält.
Gleiche oder funktional äquivalente Elemente sind in allen
Figuren mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.
Ein in Fig. 1 dargestellter, als Ganzes mit 100 bezeichneter
solarbeheizter Dampferzeuger umfaßt einen Spiegel 102 mit in
einer Längsrichtung konstantem, im wesentlichen parabelför
migem Querschnitt, der von der Sonne 104 ausgesandte Licht
strahlen 106 auf eine parallel zu der Längsrichtung des Spie
gels 102 verlaufende Brennlinie 108 fokussiert.
Oberhalb des Spiegels 102 ist ein Dampferzeugerrohr 110 ange
ordnet, dessen im wesentlichen horizontal ausgerichtete Mit
telachse 111 mit der Brennlinie 108 des Spiegels 102 zusam
menfällt.
Das Dampferzeugerrohr 110 ist an seinem hinteren Ende ge
schlossen und über eine Flüssigkeitszuführöffnung mit einer
Flüssigkeitszuführleitung 112 verbunden. In der Flüssigkeits
zuführleitung 112 ist ein steuerbares Ventil 114, beispiels
weise ein Magnetventil, angeordnet, auf das später näher ein
gegangen werden wird.
An seinem (nicht dargestellten) vorderen Ende ist das Dampf
erzeugerrohr 110 ebenfalls geschlossen und über eine Dampf
austrittsöffnung mit einer Dampfabführleitung verbunden. Über
die Dampfabführleitung kann der in dem Dampferzeugerrohr 110
erzeugte Dampf einer dampfbetriebenen Anlage, beispielsweise
einer Turbine, oder einer dampfverbrauchenden Anlage, bei
spielsweise einem chemischen Reaktor, zugeführt werden.
Die Mantelwand 115 des Dampferzeugerrohrs 110 wird an der un
teren Scheitellinie 113 desselben von einer ersten Drucküber
tragungsleitung 116 durchsetzt, deren innerhalb des Dampf
erzeugerrohrs 110 angeordneter Bereich so gekrümmt ist, daß
eine an dem Ende dieses Bereichs angeordnete Mündungsöffnung
118, an der die erste Druckübertragungsleitung 116 in das
Innere des Dampferzeugerrohrs 110 mündet, im wesentlichen
senkrecht zu der Mittelachse 111 des Dampferzeugerrohrs 110
ausgerichtet ist (siehe Fig. 2).
An einem weiteren, außerhalb des Dampferzeugerrohrs 110 ange
ordneten Ende ist die erste Druckübertragungsleitung 116 an
einen Eingang eines Differenzdruckmessers 120 angeschlossen.
An einen weiteren Eingang des Differenzdruckmessers 120 ist
ein Ende einer zweiten Druckübertragungsleitung 122 ange
schlossen, die ebenfalls die Mantelwand des Dampferzeuger
rohrs 110 an dessen unterer Scheitellinie 113 durchsetzt, je
doch bereits auf der Innenseite der Mantelwand des Dampfer
zeugerrohrs 110 in dasselbe mündet, so daß eine an dem dem
Differenzdruckmesser 120 abgewandten Ende der zweiten Druck
übertragungsleitung 122 angeordnete Mündungsöffnung 124 der
zweiten Druckübertragungsleitung 122 im wesentlichen parallel
zu der Mittelachse 111 des Dampferzeugerrohrs 110 ausgerich
tet ist.
Der Differenzdruckmesser 120 ist über eine Meßsignalleitung
126 für elektrische Meßsignale mit einem Signaleingang eines
Meßrechners 128 verbunden, welcher einen Speicher und eine
Verarbeitungseinheit umfaßt.
Ein Steuersignalausgang des Meßrechners 128 ist über eine
Steuersignalleitung 130 für elektrische Steuersignale mit
einem Steuersignaleingang des steuerbaren Ventils 114 ver
bunden.
Die erste Druckübertragungsleitung 116, die zweite Drucküber
tragungsleitung 122, der Differenzdruckmesser 120, die Meß
signalleitung 126 und der Meßrechner 128 bilden zusammen eine
Vorrichtung 132 zum Ermitteln von Meßwerten von Zielmeßgrößen
einer Zwei-Phasen-Strömung durch das Dampferzeugerrohr 110.
Zusammen mit der Steuersignalleitung 130 und dem steuerbaren
Ventil 114 in der Flüssigkeitszuführleitung 112 bildet die
Vorrichtung 132 eine Vorrichtung 134 zum Regeln der Flüssig
keitszufuhr in das Dampferzeugerrohr 110.
Im Betriebszustand des Dampferzeugers 100 wird dem hinteren
Ende des Dampferzeugerrohrs 110 über die Fiüssigkeitszuführ
leitung 112 eine zu verdampfende Flüssigkeit, beispielsweise
Wasser, zugeführt.
Auf diese Flüssigkeit wird von der Mantelwand 115 des Dampf
erzeugerrohrs 110, die sich durch Absorption der von dem
Spiegel 102 zu dessen Brennlinie 108 hin reflektierten
Sonnenstrahlung aufheizt, Wärme übertragen, so daß sich diese
Flüssigkeit erhitzt und schließlich verdampft.
Der sich entwickelnde Dampf strömt im wesentlichen parallel
zu der Mittelachse 111 des Dampferzeugerrohrs 110 zu der
(nicht dargestellten) Dampfauslaßöffnung des Dampferzeuger
rohrs 110 hin. Ein Teil des längs der Mittelachse 111 des
Dampferzeugerrohrs 110 gerichteten Impulses des Dampfes wird
dabei auf die noch nicht verdampfte Flüssigkeit übertragen,
so daß auch diese Flüssigkeit im wesentlichen parallel zur
Mittelachse 111 des Dampferzeugerrohrs 110 strömt und sich
eine Zwei-Phasen-Strömung, umfassend eine flüssige Phase 136
und eine gasförmige Phase 138, durch das Dampferzeugerrohr
110 ausbildet, deren Strömungsrichtung 140 parallel zu der
Mittelachse 111 des Dampferzeugerrohrs 110 ausgerichtet und
in Fig. 1 durch den mit 140 bezeichneten Pfeil angegeben ist.
In Abhängigkeit von der zugeführten Heizleistung und von der
zugeführten Flüssigkeitsmenge kann sich eine Vielzahl unter
schiedlicher Zustände dieser Zwei-Phasen-Strömung durch das
Dampferzeugerrohr 110 ausbilden, wobei jedem dieser Zustände
bestimmte Werte von die Zwei-Phasen-Strömung beschreibenden
physikalischen Größen zuzuordnen sind.
In Frage kommende physikalische Größen der Zwei-Phasen-
Strömung sind beispielsweise der Gesamtmassenstrom durch
einen Querschnitt des Dampferzeugerrohrs 110, der Flüssig
keitsmassenstrom durch einen Querschnitt des Dampferzeuger
rohrs 110, der Dampfmassenstrom durch einen Querschnitt des
Dampferzeugerrohrs 110, die Strömungsgeschwindigkeit der
flüssigen Phase 136 relativ zu dem Dampferzeugerrohr 110, die
Strömungsgeschwindigkeit der gasförmigen Phase 138 relativ zu
dem Dampferzeugerrohr 110, der Dampfmassenanteil an der durch
das Dampferzeugerrohr 110 strömenden Gesamtmasse, der Dampf
volumenanteil an dem Gesamtinnenvolumen des Dampferzeuger
rohrs 110 oder ähnliches.
In Fig. 3 ist eine Momentaufnahme eines von der Zwei-Phasen-
Strömung durchströmten Querschnitts des Dampferzeugerrohrs
110 dargestellt, wobei sich die Zwei-Phasen-Strömung in einem
ersten Zustand befindet, in dem der Dampfvolumen- und der
Dampfmassenanteil groß sind, die Strömungsgeschwindigkeit der
gasförmigen Phase 138 vergleichsweise hoch (ungefähr 7 m/s)
und der Gesamtmassenstrom durch einen Querschnitt des Dampf
erzeugerrohrs 110 ebenfalls vergleichsweise hoch (ungefähr 75
g/s) ist. Die Phasengrenzfläche 142 zwischen der flüssigen
Phase 136 und der gasförmigen Phase 138 weist in diesem Zu
stand eine hohe Welligkeit auf.
In Fig. 4 ist ein weiterer Querschnitt durch die Zwei-Phasen-
Strömung in dem Dampferzeugerrohr 110 dargestellt, wobei sich
die Zwei-Phasen-Strömung in einem zweiten Zustand befindet,
in dem der Dampfmassen- und Dampfvolumenanteil geringer sind
als in dem in Fig. 3 dargestellten ersten Zustand und in dem
die Strömungsgeschwindigkeit in der gasförmigen Phase 138
(ungefähr 1 m/s) und der Gesamtmassenstrom durch einen Quer
schnitt des Dampferzeugerrohrs 110 (ungefähr 20 g/s) ver
gleichsweise niedrig sind. Die Welligkeit der Phasengrenz
fläche 142 ist in dem in Fig. 4 dargestellten zweiten Zustand
der Zwei-Phasen-Strömung ebenfalls geringer als in dem in
Fig. 3 dargestellten ersten Zustand.
Unter anderem aufgrund der stark unterschiedlichen Welligkeit
der Phasengrenzfläche 142 in den beiden vorstehend beschrie
benen Zuständen der Zwei-Phasen-Strömung sind diese Zustände
auch deutlich anhand des zeitlichen Verlaufs der in der Zwei-
Phasen-Strömung herrschenden Drücke unterscheidbar.
In Fig. 5 ist ein typischer Verlauf des Staudrucks p in der
flüssigen Phase 136 der Zwei-Phasen-Strömung in Abhängigkeit
von einer Meßzeit t für den in Fig. 3 dargestellten ersten
Zustand (in durchgezogener Linie gezeichnet) und für den in
Fig. 4 dargestellten zweiten Zustand (gebrochen gezeichnet)
dargestellt. Der zeitliche Verlauf des Staudrucks in dem er
sten Zustand wird im folgenden als erster Referenzverlauf 144
und der zeitliche Verlauf des Staudrucks in dem zweiten Zu
stand wird im folgenden als zweiter Referenzverlauf 146 be
zeichnet.
Wie aus Fig. 5 ersichtlich, unterscheiden sich der erste
Referenzverlauf 144 und der zweite Referenzverlauf 146 deut
lich hinsichtlich des Ausmaßes der Druckfluktuationen, der
Häufigkeit und Amplitude von Druckspitzen, der zeitlichen Ab
stände zwischen aufeinanderfolgenden Druckspitzen sowie der
Schwankung des zeitlichen Abstandes zwischen aufeinanderfol
genden Druckspitzen und so weiter. Aufgrund des Fluktuations
musters des Staudrucks können daher die unterschiedlichen
Strömungszustände der Zwei-Phasen-Strömung durch das Dampfer
zeugerrohr 110 eindeutig voneinander unterschieden werden,
während eine solche Unterscheidung anhand des jeweiligen
Durchschnittswerts des Staudrucks alleine nicht möglich wäre,
da zu jedem Durchschnittsstaudruck eine Vielzahl von Strö
mungszuständen existiert, die diesen Durchschnittsstaudruck
aufweisen, so daß eine eindeutige Zuordnung eines Durch
schnittsstaudrucks zu einem bestimmten Zustand der Zwei-
Phasen-Strömung nicht möglich ist.
Die Identifizierbarkeit der Zustände der Zwei-Phasen-Strömung
anhand ihres Druck-Fluktuationsmusters kann mit den vorste
hend beschriebenen Vorrichtungen 132 bzw. 134 für ein Verfah
ren zum Ermitteln von Meßwerten von Zielmeßgrößen der Zwei-
Phasen-Strömung in dem Dampferzeugerrohr 110 und ein Verfah
ren zum Regeln der Flüssigkeitszufuhr in das Dampferzeuger
rohr 110 wie folgt ausgenutzt werden:
Vor dem ersten Meß- oder Regelvorgang müssen zunächst hinrei
chend viele Referenzverläufe des als primäre Meßgröße dienen
den Staudrucks p in der flüssigen Phase 136 sowie diesen Re
ferenzverläufen jeweils zugeordnete Referenzwerte der ge
wünschten Zielmeßgröße oder der gewünschten Zielmeßgrößen,
beispielsweise des Gesamtmassenstroms und des Dampfmassen
anteils, bereitgestellt werden.
Diese Bereitstellung erfolgt durch einen sogenannten Anlern
vorgang, der wie folgt abläuft:
Ein gewünschter Strömungszustand der Zwei-Phasen-Strömung,
der "angelernt" werden soll, wird durch geeignete Variation
der die Zwei-Phasen-Strömung in dem Dampferzeugerrohr 110
beeinflussenden Parameter, beispielsweise der Flüssigkeits
zufuhr, die mittels des steuerbaren Ventils 114 verändert
werden kann, und der Heizleistung, die beispielsweise durch
ein Verschwenken des Spiegels 102 relativ zu der Einfalls
richtung der Sonnenstrahlen 106 verändert werden kann, einge
stellt.
Das innerhalb des Dampferzeugerrohrs 110 angeordnete Ende der
ersten Druckübertragungsleitung 116 wird von der flüssigen
Phase 136 der Zwei-Phasen-Strömung im wesentlichen senkrecht
zu deren Mündungsöffnung 118 angeströmt, so daß in der ersten
Druckübertragungsleitung 116 der Pitotdruck der flüssigen
Phase 136 herrscht.
Das in den Innenraum des Dampferzeugerrohrs 110 mündende Ende
der zweiten Druckübertragungsleitung 122 wird von der flüs
sigen Phase 136 der Zwei-Phasen-Strömung im wesentlichen
parallel zu deren Mündungsöffnung 124 angeströmt, so daß in
der zweiten Druckübertragungsleitung 122 der statische Druck
der flüssigen Phase 136 herrscht.
Der Differenzdruckmesser 120 erzeugt ein elektrisches Signal,
das der Differenz der Drücke, mit denen seine Eingänge beauf
schlagt werden, entspricht. Da zumindest für näherungsweise
reibungsfreie Strömungen näherungsweise inkompressibler
Fluide gilt, das die Differenz zwischen dem Pitotdruck und
dem statischen Druck des Fluids dessen Staudruck ist, ent
spricht das von dem Differenzdruckmesser 120 erzeugte Signal
dem Staudruck der flüssigen Phase 136 der Zwei-Phasen-
Strömung.
Dieses elektrische Signal wird über die Meßsignalleitung 126
an den Meßrechner 128 übermittelt, von diesem mit einer
Frequenz von beispielsweise 1 kHz bis 5 kHz während einer
Meßzeit von beispielsweise 27 Sekunden abgetastet und in Form
diskreter Datenpunkte in einem Speicher des Meßrechners 128
abgespeichert.
Ferner werden die dem eingestellten Zustand der Zwei-Phasen-
Strömung zugeordneten Referenzwerte der gewünschten Zielmeß
größen, beispielsweise des Gesamtmassenstroms und des Dampf
massenanteils, mit einer herkömmlichen Meßmethode bestimmt
und unter Zuordnung zu dem zugehörigen Referenzverlauf des
Staudrucks im Speicher des Meßrechners 128 abgelegt.
Alternativ oder ergänzend hierzu können die Referenzwerte der
Zielmeßgrößen auch aus den dem eingestellten Zustand der
Zwei-Phasen-Strömung zugrundeliegenden Parametern, beispiels
weise der Flüssigkeitszufuhr und der Heizleistung, anhand
eines theoretischen Modells berechnet und im Speicher des
Meßrechners 128 abgelegt werden.
Damit ist der Anlernschritt für den betreffenden Referenz
zustand der Zwei-Phasen-Strömung abgeschlossen, und der An
lernvorgang wird durch Einstellen eines weiteren Referenz
zustandes fortgesetzt, bis eine hinreichende Anzahl von
Referenzzuständen "angelernt" worden ist.
Ist ein solcher Anlernvorgang für einen baugleichen Dampf
erzeuger bereits durchgeführt worden, so muß dieser Anlern
vorgang nicht wiederholt werden. Vielmehr können die bereits
ermittelten Referenzverläufe und die denselben zugeordneten
Referenzwerte der Zielmeßgrößen einfach übernommen werden.
Zum Ermitteln von Meßwerten der gewünschten Zielmeßgrößen der
Zwei-Phasen-Strömung während des Normalbetriebs des Dampfer
zeugers wird wie folgt vorgegangen:
Auf die vorstehend beschriebene Weise wird mittels des Dif
ferenzdruckmessers 120 der zeitliche Verlauf des Staudrucks
in der flüssigen Phase 136 der Zwei-Phasen-Strömung während
einer Meßdauer von beispielsweise 6 Sekunden gemessen und im
Speicher des Meßrechners 128 abgespeichert. Ein solcher ge
messener Verlauf 148 des Staudrucks p in Abhängigkeit von
einer Meßzeit t ist in Fig. 6 dargestellt.
Daraufhin wird der gemessene zeitliche Verlauf 148 des Stau
drucks mit den gespeicherten zeitlichen Referenzverläufen des
Staudrucks, beispielsweise 144 und 146, verglichen.
Zum Zwecke dieses Vergleichs wird eine Anpaßfunktion der Form
an den gemessenen zeitlichen Verlauf des Staudrucks p ange
paßt, wobei t die Meßzeit, Δt eine konstante Zeitdifferenz
und die Koeffizienten an die Komponenten eines Vektors a der
Dimension k bezeichnen, der als Kenngröße für den zeitlichen
Verlauf des Staudrucks dient.
Die Dimension k des Vektors a wird vorzugsweise zu mindestens
5 und höchstens 13 gewählt; besonders gute Ergebnisse lassen
sich mit k = 11 erzielen.
Die Komponenten an des Vektors a stellen die Anpassungspara
meter dar und werden beispielsweise nach der Methode der
kleinsten Fehlerquadrate ermittelt.
Durch Anpassung der oben angegebenen Anpaßfunktion an den ge
messenen zeitlichen Verlauf des Staudrucks wird ein Meßwert
a M der Kenngröße mit Komponenten aM,n ermittelt.
In entsprechender Weise wird für jeden der gespeicherten
Referenzverläufe des Staudrucks ein Referenzwert a R der Kenn
größe mit Komponenten aR,n durch Anpassung der oben angegebe
nen Anpaßfunktion an den jeweiligen Referenzverlauf ermit
telt.
Diese Ermittlung der Referenzwerte a R kann bereits während
des Anlernvorgangs erfolgen und braucht dann nicht bei jedem
Meß- oder Regelvorgang wiederholt zu werden.
In einem weiteren Schritt wird der Abstand des Meßwerts a M
der Kenngröße von den Referenzwerten a R der Kenngröße ermit
telt. Dieser Abstand d wird als euklidischer Abstand ermit
telt nach der Formel
Alternativ dazu kann der Abstand d auch als Abstandsmaß nach
der City-Block-Metrik ermittelt werden nach der Formel
Je kleiner der Abstand d zwischen dem Meßwert a M der Kenn
größe und einem Referenzwert a R der Kenngröße ist, umso
größer ist der Grad der Ähnlichkeit zwischen dem gemessenen
zeitlichen Verlauf des Staudrucks und dem Referenzverlauf des
Staudrucks, dem der betreffende Referenzwert a R der Kenngröße
zugeordnet ist.
Daher ist davon auszugehen, daß dem aktuellen Zustand der
Zwei-Phasen-Strömung derjenige Referenzzustand am ehesten
entspricht, dessen Referenzwert der Kenngröße den geringsten
Abstand von dem Meßwert der Kenngröße aufweist. Folglich
stellen auch die diesem Referenzzustand zugeordneten Refe
renzwerte der Zielmeßgrößen die beste Annäherung an die aktu
ellen Werte dieser Zielmeßgrößen dar. Daher werden die ge
suchten Meßwerte der gewünschten Zielmeßgrößen, beispiels
weise des Gesamtmassenstroms und des Dampfmassenanteils,
gleich den Referenzwerten dieser Zielmeßgrößen gesetzt, die
demjenigen Referenzzeitverlauf zugeordnet sind, dessen Refe
renzwert a R der Kenngröße den geringsten Abstand d von dem
Meßwert a M der Kenngröße aufweist.
Da der in Fig. 6 dargestellte gemessene zeitliche Verlauf 148
des Staudrucks dem in Fig. 5 in durchgezogener Linie darge
stellten ersten Referenzverlauf 144 ähnlicher ist als dem in
Fig. 5 in gebrochener Linie dargestellten zweiten Referenz
verlauf 146, würde also beispielsweise der Meßwert des Ge
samtmassenstroms gleich dem dem ersten Referenzverlauf 144
zugeordneten Referenzwert des Gesamtmassenstroms (75 g/s)
gesetzt werden.
Anzumerken ist, daß die Beschränkung auf nur zwei Referenz
verläufe 144, 146 in Fig. 5 lediglich der Veranschaulichung
dient. In der Regel wird eine deutlich größere Anzahl von
Referenzverläufen bereitgestellt werden, um eine höhere Auf
lösung des Meßverfahrens zu erreichen.
Alternativ zu der vorstehend beschriebenen Vorgehensweise ist
es auch möglich, den Meßwert der gesuchten Zielmeßgröße
gleich einem gewichteten Mittel der Referenzwerte der Ziel
meßgröße zu setzen, wobei das Gewicht jedes der Referenzwerte
der Zielmeßgröße in Abhängigkeit von dem Abstand d zwischen
dem Meßwert a M, der Kenngröße und dem Referenzwert a R der
Kenngröße desjenigen Referenzverlaufs, dem der betreffende
Referenzwert der Zielmeßgröße zugeordnet ist, zu bestimmen
ist.
Insbesondere kann das Gewicht, mit dem ein Referenzwert der
Zielmeßgröße in das gewichtete Mittel eingeht, reziprok zu
dem jeweiligen Abstand d gewählt werden.
Der auf die vorstehend beschriebene Weise erhaltene Meßwert
der Zielmeßgröße kann zur Regelung der Flüssigkeitszufuhr in
das Dampferzeugerrohr 110 verwendet werden.
Wird beispielsweise der Gesamtmassenstrom als Zielmeßgröße
verwendet und liegt der ermittelte Meßwert des Gesamtmassen
stroms oberhalb eines vorgegebenen Sollwertes, so wird von
dem Meßrechner 128 über die Steuersignalleitung 130 ein
Steuersignal an das steuerbare Ventil 114 ausgegeben, welches
ein Schließen des steuerbaren Ventils 114 bewirkt, so daß die
Flüssigkeitszufuhr in das Dampferzeugerrohr 110 gedrosselt
und in der Folge der Gesamtmassenstrom durch das Dampferzeu
gerrohr 110 verringert wird.
Liegt andererseits der erhaltene Meßwert des Gesamtmassen
stroms unterhalb des vorgegebenen Sollwerts, so gibt der Meß
rechner 128 über die Steuersignalleitung 130 ein Steuersignal
an das steuerbare Ventil 114 aus, welches ein Öffnen des
steuerbaren Ventils 114 bewirkt, so daß die Flüssigkeits
zufuhr in das Dampferzeugerrohr 110 gesteigert und in der
Folge der Gesamtmassenstrom durch das Dampferzeugerrohr 110
erhöht wird.
In entsprechender Weise kann die Flüssigkeitszufuhr in das
Dampferzeugerrohr 110 geregelt werden, wenn als Zielmeßgröße
der Dampfmassenanteil der Zwei-Phasen-Strömung verwendet
wird. In diesem Fall kann insbesondere ein Austrocknen des
Flüssigkeitsfilms in dem Dampferzeugerrohr 110 auf einfache
Weise verhindert werden, indem dann, wenn der erhaltene Meß
wert des Dampfmassenanteils nahe bei 100% liegt, vom Meß
rechner 128 ein Steuersignal an das steuerbare Ventil 114
ausgegeben wird, welches ein Öffnen des steuerbaren Ventils
114 und damit eine Erhöhung der Flüssigkeitszufuhr in das
Dampferzeugerrohr 110 bewirkt.
Claims (35)
1. Verfahren zum Ermitteln eines Meßwerts einer Zielmeß
größe einer Mehr-Phasen-Strömung, insbesondere einer
Zwei-Phasen-Strömung, bei dem ein Wert eines Druckes der
Mehr-Phasen-Strömung als einer primären Meßgröße mittels
einer Meßeinrichtung gemessen wird, wobei
- 1. ein zeitlicher Verlauf der primären Meßgröße gemes sen wird,
- 2. der gemessene zeitliche Verlauf der primären Meß größe mit zeitlichen Referenzverläufen der primären Meßgröße, denen jeweils ein Referenzwert der Ziel meßgröße zugeordnet ist, verglichen wird und
- 3. in Abhängigkeit von dem Ergebnis des Vergleichs des gemessenen Verlaufs der primären Meßgröße mit den Referenzverläufen der primären Meßgröße der Meßwert der Zielmeßgröße aus den Referenzwerten der Zielmeß größe ermittelt wird,
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
ein statischer Druck der Mehr-Phasen-Strömung als pri
märe Meßgröße gemessen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
ein Pitotdruck der Mehr-Phasen-Strömung als primäre Meß
größe gemessen wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
ein Staudruck der Mehr-Phasen-Strömung als primäre Meß
größe gemessen wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß der Druck der Mehr-Phasen-Strömung
im unteren Drittel, vorzugsweise nahe der tiefsten
Stelle, des von der Mehr-Phasen-Strömung durchströmten
Querschnitts des horizontalen oder geneigten Rohrs
gemessen wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß der Druck der Mehr-Phasen-Strömung
im oberen Drittel, vorzugsweise nahe der höchsten
Stelle, des von der Mehr-Phasen-Strömung durchströmten
Querschnitts des horizontalen oder geneigten Rohrs
gemessen wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge
kennzeichnet, daß ein Grad der Ähnlichkeit zwischen dem
gemessenen zeitlichen Verlauf der primären Meßgröße und
jeweils einem der zeitlichen Referenzverläufe der primä
ren Meßgröße ermittelt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß
der Meßwert der Zielmeßgröße gleich dem Referenzwert der
Zielmeßgröße gesetzt wird, der demjenigen zeitlichen Re
ferenzverlauf zugeordnet ist, welcher den höchsten Grad
der Ähnlichkeit zu dem gemessenen zeitlichen Verlauf der
primären Meßgröße aufweist.
9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß
der Meßwert der Zielmeßgröße gleich einem gewichteten
Mittel der Referenzwerte der Zielmeßgröße gesetzt wird,
wobei das Gewicht jedes der Referenzwerte in Abhängig
keit von dem Grad der Ähnlichkeit zwischen dem gemes
senen zeitlichen Verlauf der primären Meßgröße und dem
jenigen zeitlichen Referenzverlauf, dem der Referenzwert
der Zielmeßgröße zugeordnet ist, bestimmt wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch ge
kennzeichnet, daß der Grad der Ähnlichkeit zwischen dem
gemessenen zeitlichen Verlauf der primären Meßgröße und
einem der zeitlichen Referenzverläufe dadurch ermittelt
wird, daß aus dem gemessenen zeitlichen Verlauf der pri
mären Meßgröße ein Meßwert einer Kenngröße und aus dem
zeitlichen Referenzverlauf hin Referenzwert der Kenn
größe ermittelt wird und ein Abstand des Meßwertes der
Kenngröße von dem Referenzwert der Kenngröße bestimmt
wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß
als Kenngröße eine skalare Größe verwendet wird.
12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß
als Kenngröße eine vektorielle Größe mit mehreren Kompo
nenten verwendet wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß
die Komponenten der Kenngröße Parameter einer Anpaßfunk
tion sind, welche an den gemessenen zeitlichen Verlauf
beziehungsweise den zeitlichen Referenzverlauf der pri
mären Meßgröße angepaßt wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß
die Anpaßfunktion mittels der Methode der kleinsten Feh
lerquadrate an den gemessenen zeitlichen Verlauf bezie
hungsweise an den zeitlichen Referenzverlauf der primä
ren Meßgröße angepaßt wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch
gekennzeichnet, daß eine Anpaßfunktion verwendet wird,
deren Funktionswert zu einem Zeitpunkt t eine Linearkom
bination der Funktionswerte der Anpaßfunktion zu anderen
Zeitpunkten darstellt, wobei die Koeffizienten der Funk
tionswerte der Anpaßfunktion zu den anderen Zeitpunkten
die Komponenten der Kenngröße sind.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß
der Funktionswert der Anpaßfunktion zu dem Zeitpunkt t
eine Linearkombination der Funktionswerte der Anpaßfunk
tion zu mindestens 5, insbesondere mindestens 7, vor
zugsweise 11 anderen Zeitpunkten darstellt.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß
der Funktionswert der Anpaßfunktion zu dem Zeitpunkt t
eine Linearkombination der Funktionswerte der Anpaßfunk
tion zu höchstens 13 anderen Zeitpunkten darstellt.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch
gekennzeichnet, daß die anderen Zeitpunkte und der Zeit
punkt t äquidistant aufeinanderfolgen.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 18, dadurch
gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen dem Meßwert der
Kenngröße und dem Referenzwert der Kenngröße über ein
Abstandsmaß nach der euklidischen Metrik ermittelt wird.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 18, dadurch
gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen dem Meßwert der
Kenngröße und dem Referenzwert der Kenngröße über ein
Abstandsmaß nach der City-Block-Metrik ermittelt wird.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch
gekennzeichnet, daß Meßwerte mehrerer Zielmeßgrößen er
mittelt werden, indem jedem zeitlichen Referenzverlauf
der primären Meßgröße Referenzwerte mehrerer Zielmeß
größen zugeordnet sind.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch ge
kennzeichnet, daß die zeitlichen Referenzverläufe der
primären Meßgröße und die denselben zugeordneten Refe
renzwerte der Zielmeßgröße dadurch bereitgestellt wer
den, daß jeweils ein Zustand der Mehr-Phasen-Strömung
eingestellt, der zugehörige Zeitverlauf der primären
Meßgröße aufgezeichnet und der zugehörige Referenzwert
der Zielmeßgröße gemessen wird.
23. Verfahren zum Regeln einer Flüssigkeitszufuhr in ein von
einer Mehr-Phasen-Strömung durchströmtes Rohr, insbeson
dere in ein horizontales oder geneigtes Dampferzeuger
rohr, in Abhängigkeit von einer Zielmeßgröße der Mehr-
Phasen-Strömung, wobei ein Meßwert der Zielmeßgröße
durch das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 22
ermittelt wird.
24. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß
als Zielmeßgröße ein Massenstrom, insbesondere der
Gesamtmassenstrom, der Mehr-Phasen-Strömung verwendet
wird.
25. Vorrichtung zum Ermitteln eines Meßwerts einer Zielmeß
größe einer Mehr-Phasen-Strömung, insbesondere einer
Zwei-Phasen-Strömung, umfassend eine Einrichtung (116,
120, 122) zum Messen eines Druckes der Mehr-Phasen-
Strömung als einer primären Meßgröße, wobei die Vorrich
tung (132)
- 1. eine Speichereinheit zum Abspeichern eines gemes senen zeitlichen Verlaufs der primären Meßgröße (148) und von jeweils einem zeitlichen Referenzver lauf (144, 146) der primären Meßgröße zugeordneten Referenzwerten der Zielmeßgröße und
- 2. eine Verarbeitungseinheit zum Vergleichen des gemes senen zeitlichen Verlaufs (148) der primären Meß größe mit den zeitlichen Referenzverläufen (144, 146) der primären Meßgröße und zum Ermitteln des Meßwertes der Zielmeßgröße aus den Referenzwerten der Zielmeßgröße in Abhängigkeit von dem Ergebnis des Vergleichs des gemessenen zeitlichen Verlaufs (148) der primären Meßgröße mit den zeitlichen Refe renzverläufen (144, 146) der primären Meßgröße
26. Vorrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet,
daß die Vorrichtung eine Einrichtung zum Messen eines
statischen Druckes der Mehr-Phasen-Strömung umfaßt.
27. Vorrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet,
daß die Vorrichtung eine Einrichtung zum Messen eines
Pitotdrucks der Mehr-Phasen-Strömung umfaßt.
28. Vorrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet,
daß die Vorrichtung (132) eine Einrichtung (116, 120,
122) zum Messen eines Staudrucks der Mehr-Phasen-Strö
mung umfaßt.
29. Vorrichtung nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet,
daß die Einrichtung (116, 120, 122) zum Messen eines
Drucks so angeordnet ist, daß der Druck der Mehr-Phasen-
Strömung im unteren Drittel, vorzugsweise nahe der tief
sten Stelle, des von der Mehr-Phasen-Strömung durch
strömten Querschnitts des horizontalen oder geneigten
Rohres meßbar ist.
30. Vorrichtung nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet,
daß die Einrichtung zum Messen eines Drucks so angeord
net ist, daß ein Druck der Mehr-Phasen-Strömung im obeen
Drittel, vorzugsweise nahe der höchsten Stelle, des von
der Mehr-Phasen-Strömung durchströmten Querschnitts des
horizontalen oder geneigten Rohres meßbar ist.
31. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 25 bis 30, dadurch
gekennzeichnet, daß mittels der Verarbeitungseinheit ein
Grad der Ähnlichkeit zwischen dem gemessenen zeitlichen
Verlauf (148) der primären Meßgröße und jeweils einem
der zeitlichen Referenzverläufe (144, 146) der primären
Meßgröße ermittelbar ist.
32. Vorrichtung nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet,
daß mittels der Verarbeitungseinheit aus dem gemessenen
zeitlichen Verlauf (148) der primären Meßgröße ein Meß
wert einer Kenngröße und aus dem zeitlichen Referenzver
lauf (144, 146) der primären Meßgröße ein Referenzwert
einer Kenngröße ermittelbar, und ein Abstand des Meßwer
tes der Kenngröße von dem Referenzwert der Kenngröße be
stimmbar ist.
33. Vorrichtung nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet,
daß mittels der Verarbeitungseinheit eine Anpaßfunktion
an den gemessenen zeitlichen Verlauf (148) beziehungs
weise den zeitlichen Referenzverlauf (144, 146) der pri
mären Meßgröße anpaßbar ist, wobei die Parameter der An
paßfunktion den Komponenten einer vektoriellen Kenngröße
entsprechen.
34. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 25 bis 33, dadurch
gekennzeichnet, daß in der Speichereinheit jedem zeit
lichen Referenzverlauf (144, 146) der primären Meßgröße
Referenzwerte mehrerer Zielmeßgrößen zuordenbar sind.
35. Vorrichtung zum Regeln einer Flüssigkeitszufuhr in ein
von einer Mehr-Phasen-Strömung durchströmtes Rohr, ins
besondere in ein horizontales oder geneigtes Dampferzeu
gerrohr, in Abhängigkeit von einer Zielmeßgröße der
Mehr-Phasen-Strömung, umfassend eine Vorrichtung zum
Ermitteln eines Meßwerts der Zielmeßgröße nach einem der
Ansprüche 25 bis 34.
Priority Applications (3)
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