DE3220785C2

DE3220785C2 - Vorrichtung zur kontinuierlichen Messung des Anteils der kondensierten Phase in einem Dampfstrom

Info

Publication number: DE3220785C2
Application number: DE3220785A
Authority: DE
Inventors: Takeshi Hitachi Sato; Kengo Hitachi Shigeta; Syogo Katsuta Tsuji; Akira Mito Uenishi
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1981-06-03
Filing date: 1982-06-02
Publication date: 1985-09-19
Also published as: US4497577A; CA1179776A; JPS57199943A; DE3220785A1; JPH0256623B2

Abstract

Eine Dampffeuchtigkeits-Meßeinrichtung umfaßt eine Lichtquelle (3, 3Δ, 3ΔΔ), einen Abschnitt, der einen Meßraum (A) bildet, wenn die Einrichtung in einen Naßdampfstrom eingesetzt ist, ein Lichtleiterbündel (6) zum Übertragen des einfallenden Lichtstrahls von der Lichtquelle zum Meßraum sowie Lichtleiterbündel (11, 15) zum Übertragen mehrerer Streulichtstrahlen mit unterschiedlichen Streuwinkeln zu einem lichtelektrischen Umsetzer (16), wobei die Streulichtstrahlen durch Auftreffen des einfallenden Lichtstrahls auf den Meßraum (A) erhalten werden. Die Tatsache, daß die Intensität der Streulichtstrahlen sich mit der Wellenlänge des einfallenden Lichts oder mit dem Streuwinkel des Streulichtstrahls gemäß der Teilchengrößen-Verteilung der Wassertröpfchen im Naßdampf ändert, wird dazu genutzt, die Teilchengrößen-Verteilung zu ermitteln. Die Dampffeuchtigkeit wird aus der Teilchengrößen-Verteilung und den physikalischen Eigenschaften des Naßdampfstroms bestimmt.

Description

- die Steuereinheit (24) ein Steuersignal zur Steuerung des Umschalters (95) der lichtelektrischen Umsetzereinheit (97) erzeugt, und

- die Synchronisiereinheit (26) ein Synchronisiersignal für die Auswerteinrichtung (27) aufgrund des Steuersignals erzeugt, so daß die Auswerteinrichtung (27) elektrische Signale, die den Intensitäten der Streulichtstrahlen für die jeweiligen Winkel (θι~θ₄) der Streulichtstrahlen entsprechen, speichern kann.

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Messung des Anteils der kondensierten Phase in einem Dampfstrom.

Die kondensierte Phase im Dampf liegt in Form von Wassertröpfchen mit sehr kleinem Durchmesser im Bereich von weniger als 1 μπι bis zu einigen μΐη vor, und die Anzahl Wassertropfenteilchen für jeden Durchraesser ist als eine bestimmte Art der Teilchengrößen-Vei·- tcilungsfunktion gegeben. Der eine kondensierte Phase enthaltende Dampf wird als Naßdampf bezeichnet. In Geräten und Maschinen, die Dampf verwenden, ergeben sich verschiedene Nachteile mit steigendem Anteil der kondensierten Phase im Naßdampf, d. h. mit zunehmender Massenkonzentration der Wassertröpfchen. Im Fall einer Dampfturbine korrodieren oder erodieren die Turbinenschaufeln und die Dampfleitungen, und die Ausgangsleistung der Turbine wird verringert. Es ist daher wichtig, den Anteil der kondensierten Phase an verschiedenen Stellen des Dampfstroms in der Turbine zu messen bzw. zu erfassen und Maßnahmen zu treffen, um schädliche Erscheinungen auszuschalten, während der Zustand des Dampfs in Verbindung mit den Betriebsbedingungen der Turbine überwacht wird.

Konventionelle Verfahren zum Messen des Anteils der kondensierten Phase sind das Drosselkalorimeter-Verfahren, bei dem von dem zu messenden Naßdampf eine Probe entnommen und der Druck vermindert wird, so sowie ein Wärmebilanz-Verfahren, bei dem die Naßdampfprobe erhitzt wird, um die Feuchtigkeit zu verdampfen, und der Anteil der kondensierten Phase aus der Wärmebilanz errechnet wird. Diese Verfahren weisen z. B. die Nachteile auf, daß es schwierig ist, in der Dampfleitung die örtliche Feuchtigkeit zu messen, und daß die Messung vergleichsweise lang dauert und es somit nicht möglich ist, eine kontinuierliche Messung der momentanen Feuchtigkeit vorzunehmen. Es ist eine Dampffeuchtigkeits-Meßeinrichtung bekannt, die auf der Grundlage von Laserlicht-Dämpfung arbeitet (vgl. »Moisture Measurements in a Low Pressure Steam Turbine Using a Laser Light Scattering Probe« von J. S. Wyler et al., Transaction of the ASME, vol. 100, Oktober 1976, S. 544-548 oder »Determination of aerosol draplet size and concentration from simple transmittance measurements« von H. R. Carlon et al., Applied Optics 15,1976, S. 2454-2456). Diese Meßeinrichtung ist so aufgebaut, daß ein Lichtsignal eines durch den zu messenden Naßdampf geschickten Laserstrahls nit einem Lichtsignal eines Lichtstrahls verglichen wird, der keinen Naßdampf durchsetzt hat. Diere Meßeinrichtung kann jedoch keine hohe Meßgenauigkeit erzielen, wenn nicht der Sautersche mittlere Durchmesser der Wassertröpfchen als Konstantwert von 0,3 μΐη oder weniger angenommen wird, so daß die Genauigkeit der Messung im Fall eines Naßdampfs mit einem Sauterschen mittleren Durchmesser von mehr als 0,3 μΐη stark verschlechtert wird. Z. B. kann diese Meßeinrichtung den Anteil der kondensierten Phase im Naßdampf mit einem Sauterschen mittleren Tröpfchen-Durchmesser von 10—30 μΐη und einem Anteil der kondensierten Phase in der Größenordnung von 5-15%, der in Dampfturbinen ein Problem darstellt, nicht mit ausreichender Genauigkeit messen.

Aus der DE-OS 25 44 575 und aus dem Aufsatz »Streulichtmessungen an Gasen und kondensierten Dämpfen« von H. Mohrmann in Zeitschrift für Naturforschung 19b, 1964, Heft 3, Seiten 179-186, ist es bekannt, Teilchengrößenverteilungen gasgetragener Partikel durch das von ihnen hervorgerufene Streulicht zu ermitteln.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Vorrichtung zur Messung des Anteils der kondensierten Phase in einem Dampfstrom, die diesen Anteil kontinuierlich und momentan und ferner innerhalb eines weiten Bereichs messen kann.

Diese Aufgabe wird anspruchsgemäß gelöst.

Im allgemeinen ist die Massenkonzentration von Wassertröpfchen in einem Naßdampfstrom gleich der Trübung, und daher ist die Beziehung zwischen der Intensität Jo eines einfallenden Lichtstrahls und der Intensität/ eines übertragenen oder eines gestreuten Lichtstrahls gegeben als:

Jo

τ = die Trübung und

/ = die Länge des Lichtwegs.

Wenn die Intensität Jo des einfallenden Lichtstrahls in dieser Gleichung als konstant angenommen wird, kann die Trübung dadurch bestimmt werden, daß die Intensität des übertragenen oder des Streulichtstrahls erfaßt wird. Zur Bestimmung des Anteils der kondensierten Phase aus der Beziehung von Gleichung (1) muß sich dieser Anteil mit der Menge gleichförmiger Wassertröpfchen gleichen Durchmessers ändern. In einem tatsächlichen Naßdampfstrqm wird jedoch für verschiedene Tropfenteilchendurchmesser eine bestimmte Teilchengrößen-Verteilung gebildet, entsprechend der Form des Strömungskanals, der Strömungsgeschwindigkeit u. dgl. Bei der Messung eines vielfachdispersen Teilchensystems wie z. B. eines Naßdampfstroms, in dem verschiedene Tröpfchengrößen und -mengen verteilt sind, muß daher zuerst die Teilchengrößen-Verteilung ermittelt und dann die Massenkonzentration auf der Grundlage der Teilchengrößen-Vertei'ung bestimmt werden.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Teilchengrößen-Verteilung aus der Intensität von Streulichtstrahlen bestimmt, und das Resultat wird zur Ermittlung des Anteils der kondensierten Phase verwendet.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigt

Fi g. 1A ein Ausfuhrungsbeispiel der Meßvorrichtung nach der Erfindung, wobei ein Detektor im Schnitt und eine elektrische Vorrichtung in Form eines Blockschalt- s bilds dargestellt sind;

Fig. IB den Detektor von Fig. IA längs dem Pfeil IB;

Fig. 2 eine Schnittansicht der wesentlichen Teile des Detektors eines weiteren Ausfuhrungsbeispiels der Meßvorrichtung;

Fig. 3 A ein Diagramm, das den Aufbau zur Messung des Dampfstromdrucks bei dem Ausführungsbeispiel nach den Fig. IA und IB zeigt;

Fig. 3B eine Schnittansicht IHB-IIIB von Fig. 3A;

Fig. 4A ein Diagramm, das den Aufbau zur Messung is der Dampfstromtemperatur bei dem Ausführungsbeispiel nach den Fig. IA und IB zeigt;

Fig. 4B eine Schnittansicht IVB-IVB von Fig. 4A;

Fig. S ein Ablaufdiagramm, das ein Verfahren zur Bestimmung des Anteils der kondensierten Phase bei den Ausführungsbeispielen der F i g. 1A und 1B und 2 erläutert;

Fig. 6 ein der Fig. IA ähnliches Diagramm, das ein weiteres Ausführungsbeispiel der Meßvorrichtung zeigt;

Fig. 7 zeigt die wesentlichen Teile von Fig. 6 in vergrößerter Darstellung; und

Fig. 8 ein Ablaufdiagramm, das ein Verfahren zum Bestimmen des Anteils der kondensierten Phase bei dem Ausfuhrungsbeispiel nach Fig. 6 erläutert.

Die Fig. IA und IB zeigen ein Ausführungsbeispiel der Meßvorrichtung. Eine Meßsonde 1 ist im wesentlichen zylindrisch, und ihr Vorderende 2 (Meßende) ist in den zu messenden Dampfstrom eingesetzt und definiert einen Meßraum A. Der Dampf strömt senkrecht zu der Zeichenebene von Fig. IA, d. h. längs Pfeilen von Fig. IB. In der Meßsonde 1 ist ein Faserbündel 6 angeordnet, das einen auf den Meßraum A des Dampfstroms abzustrahlenden Lichtstrahl leitet; ferner sind darin Faserbündel 11 und 15 angeordnet, die von den Wassertropfen im Dampf gestreute (Streulichtstrahlen) bzw. transmittierte Lichtstrahlen zu Photodetektoren 12 und 16 leiten, die z. B. Photodioden aufweisen. Der vordere Endabschnitt 2 enthält ein Prisma oder einen Reflektor 7 in Kontakt mit einem Ende des Faserbündeis 6, so daß der Lichtstrahl (der einfallende Lichtstrahl) von lichtemittierenden Elementen 3,3', 3" über einen optischen Schalter 23 durch das Faserbündel 6 geführt wird und dieser Lichtstrahl auf den Meßraum A in eine Richtung abgestrahlt wird, die in bezug auf den Übertragungsweg des Faserbündels 6 um 90° umgelenkt ist; ferner ist ein Prisma oder ein Reflektor 9 an einem Ende des Faserbündels 11 angeordnet, so daß der durchtretende Lichtstrahl, also der die gleiche Richtung wie der einfallende Lichtstrahl aufweisende Streulichtstrahl, gerade durch den Meßraum A zum Photodetektor 12 geleitet wird. Ferner wird der senkrecht zum einfallenden Lichtstrahl verlaufende Streulichtstrahl durch ein Lichteintrittsfenster 14 und das Faserbündel 15 zum Photodetektor 16 geleitet Verschiedene Streulichtstrahlen können als der senkrecht zum einfallenden Lichtstrahl verlaufende Streulichtstrahl angesehen werden, und anstelle des in der Zeichnung gezeigten, zum einfallenden Licht senkrechten Streulichtstrahls kann ein Streulichtstrahl verwendet werden, der zur Zeichenebene von Fig 1 senkrecht verläuft, und das Lichteintrittsfenster 14 und das Faserbündel 15 können dementsprechend angeordnet sein. Die Messung des Anteils der kondensierten Phase im Dampfstrom wird durch die Richtung des jeweils verwendeten senkrechten Streulichtstrahls nicht beeinträchtigt. Zur Vereinfachung des Aufbaus werden bevorzugt, wie in der Zeichnung gezeigt, die Streulichtstrahlen verwendet, die in einer zum Dampfstrom senkrechten Ebene liegen. Um zu verhindern, daß Wassertröpfchen an der Oberfläche des Lichteintrittsfensters 14 und der Reflektoren oder Prismen 7 und 9, die mit dem Dampfstrom im Meßraum A in Kontakt gelangen, haften, was die Übertragung des einfallenden Lichtstrahls und der Streulichtstrahlen nachteilig beeinflussen würde, wird in den hohlen Abschnitt 17 der Meßsonde 1 und durch in der Innenfläche gebildete Löcher zur Einführung der Lichtleiterbündel am vorderen Endabschnitt 2 ein Spülgas längs den Oberflächen der Prismen 7 und 9 und des Lichteintrittsfensters 14 eingeblasen. Wenn die Strömungsgeschwindigkeit des auf die Prismen 7 und 9 und das Lichteintrittsfenster 14 geblasenen Spülgases zu hoch ist, wird der Naßdampfstrom im Meßraum A gestört, so daß eine fehlerfreie Messung unmöglich gemacht wird. Der Druck des Spülgases 18 wird daher nach Maßgabe des Dampfdrucks im Meßraum A in geeigneter Weise eingestellt. Um die Lichtquelle und die Photodetektoren vor der Hitze des Dampfstroms zu schützen, wird dem hohlen Abschnitt 21 Kühlwasser 20 zugeführt. Die Anzahl lichtemittierender Elemente ist nicht auf drei begrenzt, sondern es können viele verwendet werden, deren jede Licht von jeweils unterschiedlicher Wellenlänge aussendet, z. B. Leuchtdioden oder Laserdioden. Diese lichtemittierenden Elemente werden sequentiell dadurch eingeschaltet, daß ihnen Spannung von einer Spannungsversorgung 4 über einen Spannungsumschalter 25 zugeführt wird, der durch ein Befehlssignal von einer Steuereinheit 24 aktiviert wird, so daß der Lichtstrahl des jeweils eingeschalteten Elements von dem optischen Schalter 23, der synchron mit dem Umschaltvorgang des Umschalters 25 betätigt wird, dem Faserbündel 6 zugeführt wird. Der von dem Faserbündel 6 auf diese Weise geleitete Lichtstrahl bildet den einfallenden Lichtstrahl 5 zum Naßdampfstrom in dem Meßraum A. Der Lichtstrahl 13, der von den Wassertropfen im Meßraum A gestreut wird und der senkrecht zu dem einfallenden Lichtstrahl verläuft, wird dem Photodetektor 16, z. B. einer Photodiode, durch das Faserbündel 15 zugeführt und in ein Spannungssignal l_s umgewandelt. Der Streulichtstrahl 10, der in die gleiche Richtung wie der einfallende Lichtstrahl 5 verläuft, erreicht dagegen das Prisma 9 und wird von dem Faserbündel 11 zu dem Photodetektor 12 geleitet, der die gleiche Charakteristik wie der Photodetektor 16 aufweist, und wird in ein Spannungssignal I_T umgewandelt Die so erhaltenen Signale l_T und I_s werden von Spannungsverstärkern 22 auf einen vorbestimmten Pegel verstärkt und einer Signalauswerteeinrichtung 27 zugeführt Die Steuereinheit 24 dient der Erzeugung eines Spannungsversorgungs-Schaltsignals, das an den Spannungs-Umschalter 25 angelegt wird aufgrund eines Befehlssignals von der Auswerteinrichtung 27, wobei gleichzeitig der Auswerteinrichtung durch eine Synchronisiereinheit 26 ein Synchronisiersignal zugeführt wird. Die Auswerteinrichtung 27 diskriminiert somit unterschiedliche Wellenlängen der Lichtstrahlen von den lichtemittierenden Elementen und speichert in einem Speicher die Signale /_s und I₁ für jede Wellenlänge. Eine Ausgangseinheit 28 hat die Funktion, eine Sichtanzeige der Teilchengröße-Verteilung und der Dampffeuchtigkeit zu liefern, die von der Auswertein-

richtung 27 erhalten werden. Ein Temperatursignal 40 und ein Drucksignal 41 werden später erläutert.

Die Meßvorrichtung nutzt die Abhängigkeit der Intensität der Lichtstrahlen, die an den Wassertröpfchen im Naßdampfstrom im Meßraum A gestreut werden, von der Wellenlänge, oder sie nutzt die Tatsache, daß sich die Intensität der Streulichtstrahlen in Abhängigkeit von der Wellenlänge des einfallenden Lichtstrahls nach Maßgabe der Teilchengrößen-Verteilung der Wassertröpfchen ändert. Durch eine Analyse der Signale I_T und I_s bei jeder Wellenlänge in der Auswerteinrichtung 27 kann die Teilchengröße-Verteilung der Wassertröpfchen ermittelt werden. Die Auswerteinrichtung 27 enthält einen üblicherweise verwendeten elektronischen Rechner, der ein Programm zur Bestimmung der Teilchengröße-Verteilung durch Analyse der Signale speichern kann und den Anteil der kondensierten Phase im Dampfstrom aus der Teilchengröße-Verteilung berechnen kann.

Unter Bezugnahme auf Fig. 2 wird ein weiteres Ausführungsbeispiel erläutert. Dieses umfaßt eine Modifikation der Anordnung der Faserbündel für den einfallenden Lichtstrahl 5 sowie die Streulichtstrahlen 10 und 13 und des Aufbaus des vorderen Endabschnitts 2 der Meßvorrichtung von Fig. 1; dabei ist der Photodetektor 16 bezüglich seiner Lage mit den lichtemittierenden Elementen 3,3' und 3" und dem optischen Schalter 23 von Fig. 1 vertauscht. Im übrigen sind Aufbau und Funktionen genau die gleichen wie bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 1. In Fig. 2 ist ein Faserbündel 52 zum Leiten des einfallenden Lichtstrahls 55 im Mittelabschnitt des zylindrischen Sensorgehäuses angeordnet, und ein Faserbündel 53 zum Leiten des Streulichtstrahls 56 zum Photodetektor sowie ein Faserbündel 54 zum Leiten des Streulichtstrahls 57 zum Photodetektor sind zu beiden Seiten des Faserbündels 52 angeordnet. Am vorderen Endabschnitt 51 ist die Endfläche 60 des Faserbündels 53 zum Leiten des vorderen Streulichtstrahls 56 so angeordnet, daß sie der Endfläche 61 des Faserbündels 54 zum Leiten des rückwärts gestreuten Lichtstrahls 57 durch den Meßraum B gegenüberliegt, so daß der Vorwärtsstreulichtstrahl 57, der aus dem in den Meßraum B eintretenden und von den Wassertropfen im Meßraum B (dem Naßdampf, der senkrecht zur Zeichenebene von Fig. 2 strömt) gestreut wird, resulliert, erfaßt werden kann. Zu diesem Zweck ist das Faserbündel 53 U-förmig ausgebildet (vgl. 62 in Fig. 2). Das Vorderende des Faserbündels 52 ist unter einem Winkel θ zu der Linie 63 geneigt, die die Endflächen 60 und 61 verbindet, und damit ist die Endfläche 64 des so Faserbündel 52 so geneigt, daß der einfallende Lichtstrahl 55 in den Raum B aus der Richtung des Winkels θ zur Linie 63 eintritt. Ebenso wie bei dem Ausfuhrungsbeispiel nach Fig. 1 wird der einfallende Lichtstrahl 55 durch Leuchtdioden oder Laserdioden erhalten, die Licht unterschiedlicher Wellenlänge emittieren und die sequentiell geschaltet werden, und der Vorwärtsstreulichtstrahl 56 sowie der Rückwärtsstreulichtstrahl 55 werden den Photodetektoren durch die Faserbündel 53 bzw. 54 zugeführt, so daß die Signale T₇-und I₅ entsprechend denjenigen von Fig. IA aus dem Streulichtstrahl 56 bzw. dem Streulichtstrahl 57 abgeleitet werden.

Der Winkel θ steht nicht in Beziehung mit der Messung des Anteils der kondensierten Phase im Dampfstrom und kann in erwünschter Weise nach Maßgabe der erwünschten Form des vorderen Endabschnitts 51, also des Meßteils, bestimmt werden. Ferner können Streulichtstrahlen jeder Richtung verwendet werden.

Wenn man annimmt, daß die Streulichtstrahlen 10 und Ϊ3 von Fig. IA dem Vorwärtsstreulichtstrahl 56 und dem Rückwärtsstreulichtstrahl 57 entsprechen, kann das Ausführungsbeispiel der Fig. IA und IB als eine spezieüe Form des Ausfuhrungsbeispiels von Fig. 2 angesehen werden, wobei der Meßteil anders ausgebildet ist. Wenn die Form des Meßteils nach Fig. 2 erwünscht ist, kann der Winkel 6>z. B. zwischen 10 und 30°gewählt werden.

Um den Anteil der kondensierten Phase im Dampfstrom aus der Teilchengrößen-Verteilung zu bestimmen, müssen der Druck und die Temperatur des Dampfstroms gemessen und die spezifischen Gewichte des Gases und der Wassertröpfchen aus dem Druck und der Temperatur bestimmt werden. Der Aufbau zur Messung von Druck und Temperatur des Dampfstroms wird unter Bezugnahme auf die Fig. IA und IB erläutert.

Der Aufbau zur Messung des Drucks ist in den Fig. 3A und 3B gezeigt. Am Außenumfang des vorderen Endabschnitts 2 sind Druckmeßlöcher 105,106 und 107 ausgebildet, die mit Druckmeßrohren 108,109 und 110 kommunizieren, die ihrerseits an entsprechende Druckerfasser in einem Rohranschlußstück 111 durch den hohlen Abschnitt 17 der Meßsonde 1 angeschlossen sind. Die Druckmesser dienen zum Umsetzen des Drucks in ein elektrisches Signal derart, daß aufgrund eines Signals 112 der Druckmesser 113 die Beziehung zwischen Druck und Spannung in eine Digitalinformation umsetzt, die als Signal 41 der Auswerteinrichtung 27 zugeführt wird. Nach Fig. 3B sind die Druckmeßlöcher 105,106 und 107 relativ zueinander so angeordnet, daß, wenn das Druckmeßloch 105 der Richtung a des Dampfstroms direkt gegenüberliegt, die Druckmeßlöcher 106 und 107 unter einem Winkel von 42° zum Druckmeßloch 105 am Rand des vorderen Endabschnitts 2 positioniert sind. Drei Druckmeßlöcher sind vorgesehen, damit einerseits durch Ausgleichen der Drücke der Druckmeßlöcher 106 und 107 miteinander die Richtung des Dampfstroms im Meßraum Λ unter einem rechten Winkel zur Strahlungsrichtung des Lichtstrahls gekreuzt werden kann und andererseits im Fall des Einsatzes eines Pitotrohrs mit zylindrischen Löchern, das normalerweise für die Messung von Fluiddrücken verwendet wird, der Druck des Druckmeßlochs 105 einen Gesamtdruck und die Drücke der Druckmeßlöcher 106 und 107 einen statischen Druck liefern.

Die Fig. 4A und 4B zeigen den Aufbau für die Temperaturmessung. Wie im Fall der Druckmessung weist derjenige Teil des vorderen Endabschnitts 2, der in den Zylinder der Meßsonde 1 eingesetzt ist, ein Loch 115 auf, und das Vorderende eines Thermoelements 116 ist in das Loch 115 vom hohlen Abschnitt 17 der Meßsonde 1 her so weit eingesetzt, daß es die Außenrandfläche der Meßsonde 1 beinahe erreicht. Eine Spannung in Form einer thermoelektrischen Kraft wird von einem Temperaturmesser 119 als äußeres Signal 118 erfaßt, und nach digitaler Umsetzung wird das Signal 40 zur Auswerteinrichtung 27 übertragen.

Nachstehend wird eine Methode zum Verarbeiten der Meßsignale und zum Berechnen der Teilchengrößen-Verteilung und des Anteils der kondensierten Phase im Dampfstrom unter Bezugnahme auf die Ausführungsbeispiele der Fig. IA und IB sowie 2 erläutert

Diese Methode basiert auf der Grundgleichung

J K(a,mi)- D² N(D)-OD AT=J₁ _

J D² ■ N(D) · iD

D₃₂

f D¹ ■ N(D) ■ UD

N(D)dD

(4)

	Intensität eines Streulichtstrahls,
K -	Streukoeffizient,
D₃₂ -	Sauterscher mittlerer Durchmesser von Was
	sertröpfchen,
*a "*	π D/A,
N(D) -	Teilchengrößen-Verteilungsfunktion von Was
	sertröpfchen,
/	Länge des Lichtwegs,
m,	Brechzahl eines Wassertröpfchens,
A	Lichtwellenlänge und
Cv -	Volumenkonzentration der Wassertröpfchen.

In dieser Gleichung seien die Wellenlänge des einfallenden Lichtstrahls X₁, A₂ und A₃, die Streukoeffizienten für die jeweiligen Wellenlängen der einfallenden Lichtstrahlen ATi, ^2 und K₃ und die Intensität der Streulichtstrahlen /(Ai), /(A₂) und /(A₃). Es ergibt sich folgende Beziehung:

von Zm(Ai), Im(X₂) und Im(X₃), die aus den Meßdaten erhalten wurden, C₎₂, C₂₃ und C₃1 entsprechend der

Gleichung (5) berechnet, wodurch Sautersche mittlere

(3) Durchmesser iur die entsprechenden Weiieniängen

s (A₂)A₁, (A₂)A₂ und (D₃₂)X₃ auf der Grundlage der in

Schritt 504 bestimmten Beziehung erhalten werden. In Schritt 506 wird D_n, das in Schritt 503 erhalten wurde,

mit (D₃₂)X₁, (A₂)A₂ und (D₃₂)X₃ verglichen, um dadurch den Wahrscheinlichkeitsfehler ε zwischen diesen Wer ten zu ermitteln. In Schritt 507 wird bestimmt, ob der Wahrscheinlichkeitsfehlere innerhalb des Toleranzwerts e_ab liegt, und wenn c„_b < c, folgt Schritt 508, in dem der Parameter der Teikhensrößen-Verteilungsfunktion N(D) korrigiert wird, wodurch die Teiichengrößen-Ver teilung geändert wird; darauf die wiederholte Durch fuhrung der Schritte 503-507 folgt. Wenn dann in Schritt 507 die Beziehung c._t > cerhalten wird, geht der Prozeß zu Schritt 509 weiter. In Schritt 509 werden KX₁, K X₂ und K A₃ auf der Grundlage der so bestimmten Tcil chergrößen-Verteilungsfunktion N(D) berechnet, und es wird der Mittelwert K erhalten. In Schritt 510 wird aus der Gleichung (2) auf der Grundlage von D₃₂ und K die Tröpfchenvolumenkonzentration Cv berechnet In Schritt 511 werden das spezifische Gewicht/»/der Was-

sertröpfchen und das spezifische Gewicht p_t des Gases aus den Druck- und Temperatur-Meßdaten errechne;., wodurch der Anteil Y der kondensierten Phase aus der folgenden Gleichung bestimmt werden kann:

30

1 +

(i)

/.[/(A₃)] K₃

/.[/(A₁)] T₁

C_n

C₂₃

C₃₁

35

(5)

40

45

Die vorliegende Erfindung verwendet die vorstehenden Gleichungen (2) und (5).

Nachstehend wird unter Bezugnahme auf das Ablaufdiagramm von Fig. 5 die Erläuterung fortgesetzt In Schritt 501 werden die Vorwärtsstreulichtintensität I_T so und die Rückwärtsstreulichtintensität I_s entsprechend den einfallenden Lichtwclieniängsn A₁, A₂ und A₃ als Meßinformation abgerufen, und Verhältnisse Zm(Ai), Im (A₂) und Im (A₃) zwischen der Vorwärts- und der Riickwärtsstreulichtintensität werden aus den jeweiligen S5 Wellenlängen abgeleitet In Schritt 502 wird die Teilchengrößen-Verteilungsfunktion N(D) angenommen. N(D) hat verschiedene Verteilungsformen einschließlich der Gammaverteilung, der logarithmischen Normalverteilung und der oberen Grenzverteilung, von denen jede entsprechend der Art der Strömung in dem Weg, in dem die Feuchtigkeit zu messen ist, ausgewählt werden kann. In Schritt 503 wird aus den angenommenen N(D) der Sautersche mittlere Durchmesser ZJ₃₂ errechnet In Schritt 504 werden C₁₂, C₂₃ und C₃₁ von Glei- chung (5) in bezug auf die Gleichungen (2) und (3) berechnet, und die Beziehung von C)₂, C₂₃ und C₃, zu D₃₂ wird bestimmt In Schritt 505 werden auf der Grundlage Mit der Durchführung der vorgenannten Prozeßschritte werden die Teilchengrößen-Verteilung N(D) und der Anteil Y der kondensierten Phase bestimmt.

Bei den vorstehend erläuterten Ausfuhrungsbeispiclen wird die Tatsache, daß die Intensität des von den Wassertröpfchen gestreuten Lichtstrahls von der Wellenlänge abhängt, dazu genutzt, die Teilchengrößen-Verteilung der Wassertröpfchen zwecks Bestimmung des Anteils der kondensierten Phase zu berechnen. Da die Intensität des von den Wassertröpfchen im Naßdampf gestreuten Lichtstrahls sich mit dem Winkel in bezug auf den einfallenden Lichtstrahl ändert, ist es jedoch möglich, die Teilchengrößen-Verteilung dadurch zu berechnen, daß die Änderung der Intensität der Streulichtstrahlen in Abhängigkeit von deren Winkel in bezug auf den einfallenden Lichtstrahl erfaßt wird, d. h., daß die Position der Streulichtstrahlen erfaßt wird, ohne daß die Wellenlänge des einfallenden Lichtstrahls geändert wird. Die Fig. 6 und 7 zeigen eine Meßvorrichtune die diese Abhängigkeit der Intensität des Streulichtstrahls von dem Streuwinkel nutzt

Die Vorrichtung nach F i g. 6 umfaßt eine einzige LED oder Laserdiode 81, die von einer Spannungsversorgung 4 gespeist wird und einfallendes Licht zum Meßraum C liefert Der von der Diode 81 ausgehende Lichtstrahl wird durch ein Faserbündel 82, das im inneren Hohlraum des Zylindergehäuses 85 der Meßsonde 1 angeordnet ist, zu einem Strahlungsfenster 83 geleitet so daß der einfallende Lichtstrahl in den MeSraum C abgestrahlt wird. Im Meßraum C strömt der Wassertröpfchen enthaltende Naßdampf in einer zur Zeichenebene von Fig. 6 senkrechten Richtung, so daß der in den Meßraum C abgestrahlte Lichtstrahl von den Wassertröpfchen gestreut wird; die Streulichtstrahlen treffen auf mehrere Lichteintrittsfenster 86,87,88 und 89, die

unter verschiedenen Winkeln zur Richtung des einfallenden Lichtstrahls positioniert und auf einer im vorderen Endabschnitt 84 vorgesehenen Oberfläche, die mit dem Meßraum C in Kontakt steht, vorgesehen sind. Die durch die Lichteintrittsfenster 86, 87, 88 und 89 durchtretenden Streulichtstrahlen haben unterschiedliche Intensität entsprechend der Teilchengrößen-Verleilung in dem Wassertröpfchen enthaltenden Naßdampf, und die durch die jeweiligen Lichteintrittsfenster durchtretenden Streulichtstrahlen werden durch Faserbündel 90,91,92 und 93, die jeweils mit den Lichteintrittsfenstern verbunden und im inneren Hohlraum des Zylindergehäuses 85 untergebracht sind, einem optischen Schalter 95 zugeführt. Die Steuereinheit 24 erzeugt ein Schalter-Umschaltsignal aufgrund eines Be- is fehls von der Auswerteinrichtung 27, und der optische Schalter 95 schaltet die von den Faserbündeln 90,91,92 und 93 kommenden Lichtstrahlen in regelmäßigen Intervallen nach Maßgabe des Schalter-Umschaltsignals von der Steuereinheit 24 um. Der so geschaltete Lichtstrahl wird einem Photodetektor 97 zugeführt, der dem Photodetektor 12 oder 16 von Fig. IA ähnlich ist, so daß der Lichtstrahl in eine Spannung umgesetzt wird. Die Spannung vom Photodetektor 97 wird im Verstärker 22 verstärkt und der Auswerteinrichtung 27 zugeführt. Das Schalter-Umschaltsignal von der Steuereinheit 24 wird andererseits einer Synchronisiereinheit 26 zugeführt, die ein Synchronisiersignal an die Auswerteinrichtung 27 anlegt, so daß synchron miit der Aktivierung des optischen Schalters 95 die Ausgangssignale der Lichteintrittsfenstcr 86, 87,88 und 89, die am Photodetektor 97 in eine Spannung umgesetzt werden, unter Klassifizierung jedes Lichteintrittsfensters im Speicher der Auswerteinrichtung 27 gespeichert werden. Das Spülgas 18 und Kühlwasser 20 werden in dergleichen Weisewie bei der Vorrichtung nach den Fig. IA und IB zugeführt. Außerdem ist der Aufbau zur Druck- und Temperaturmessung des Dampfstroms im wesentlichen gleich demjenigen nach den Fig. 3A und 3B, und das Drucksignal 41 sowie, das Temperatursignal 40 werden der Auswerteinrichtung 27 zugeführt.

Der Streulic'htstrahl jeder Richtung kann in erwünschter Weise gewählt werden. Dabei müssen jedoch die Winkel O₁ bis 0₄ der Streulichtstrahlen relativ zur Richtung des einfallenden Lichtstrahls beachtet werden. Angesichts des einfachen Aufbaus des Meßteils und der Beachtung der Winkel θ\ bis θ₄ werden jedoch bevorzugt die iitreulichtstrahlen in einer zum Dampfstrom senkrechten Ebene, die die Richtung des einfallenden Lichtstrahls enthält, benützt. Ferner werden bevorzugt mindestens drei Streulichtstrahlen verwendet, d. h., es werden mindestens drei Lichteintrittsfenster vorgesehen.

In Verbindung mit dem Ausführungsbeispiel nach den Fig. 6 und 7 wird nachstehend eine Methode zur Berechnung der Teilchengrößen-Verteilung und des Anteils der kondensierten Phase erläutert. Die Intensität /(Θ) eines Streulichtstrahls unter einem Winkel θ zur Richtung des einfallenden Lichtstrahls ist gegeben als:

a = p.D/λ, A = eine Konstante,
D = Wassertröpfchen-Durchmesser und
N(a) = Teilchengrößen-Verteilungsfunktion der Wassertröpfchen.

Wenn, wie bei diesem Ausführungsbeispiel, die Wellenlänge λ des einfallenden Lichtstrahls konstant ist, wird die Beziehung von Gleichung (7) allgemein wie folgt ausgedrückt:

/(θ) = Κ\ i(θ,ΰ,m,)/V(D)UD

m, = Brechzahl der Wassertröpfchen und

i(e,D,mj) = Mie-Streufunktion.

Im Bereich der Teilchengrößen-Verteilungsfunktion N(D) wird der Bereich des Tröpfchendurchmessers D in η Bereiche unterteilt, und die Intensität I_k(6_M) des Streulichtstrahls für jeden Bereich von D wird aus der Gleichung (8) berechnet. I_k (Θ_Μ) bezeichnet die Intensität des Streulichtstrahls unter einem "Winkel θ_ΜΓ\ή den Wert D_k des Tröpfchendurchmessers im fc-ten Bereich von D. Die Beziehung zwischen den Messungen /_m (0,), I_m(0₂), /«1(63) ^und L (θ₄) der Intensität der Streulichtstrahlen, die bei den Winkeln O₁, 0₂, 0₃ und θ₄ (vgl. Fig. 7) erfaßt wird, und dem Wert I_k (ßj wird wie folgt bestimmt:

ΙΛΘ_Μ) = Σ C₄-Λ (β«)

da

(7) ¹M(θ«) ^{= em} allgemeiner Ausdruck für I_n,(θ,), I_m(θ₂) etc.,

M = Anzahl Streulichtstrahlen, deren Intensitäten zu messen sind, oder die Anzahl Winkelpositionen von Streulichtstrahlen, und

C_k = ein Faktor, der die Teilchengrößen-Verteilung bestimmt.

Aus der Gleichung (8) ergibt sich andererseits I_m(Q_M) als:

00 Π

I_m(e_M) -K[i (Θ, D, m,) Σ C_k ■ N_k(D) dJD (10) 0 /t=i

N_k(D) = die Teilchengrößen-Verteilung im fc-ten Bereich von D.

Somit wird die tatsächliche Teilchengrößen-Verteilungsfunktion N(D) wie folgt geschrieben:

Da die Tröpfchengrößen-Verteilungsfunktion N(D) aus den Gleichungen (10) und (1D bestimmt wird, wird

32 20 735 I

13 14

der Anteil Y der kondensierten Phase im Dampfstrom Wärmebilanz-Verfahren, bei dem der untersuchte Naß-

aus der folgenden GleL&ung (12) errechnet, und zwar in dampf erhitzt wird, um die Feuchtigkeit zu verdampfen g

der gleichen Weise, wie sie unter Bezugnahme auf die und so die Feuchtigkeit aus der Wärmebilanz zu bestim- U

Ausführungsbeispiele der Fig. IA und IB sowie 2 er- men, zeigt die Vorteile der hier angegebenen Meßein- ;i>v

läutert wurde. 5 richtung wie folgt auf: (1) Es wird ein Meßraum in den |;

Naßdampfstrom eingebracht, so daß keine Probeent- *^: Y ₌ 1 Q2) nähme erforderlich ist (2) Der Lichtstrahl wird als ein

/ ι \ ' Medium eingesetzt, das ohne Probeentnahme eine

^{1 +} Vcv/ WPf) Hochgeschwindigkeitsübertragung ermöglicht, so daß

ίο der Anteil der kondensierten Phase unmittelbar gemes-

In diesem Ausfuhrungsbeispiel werden gemäß den sen werden kann, ohne daß der Dampf durch Druck- Fig. 6 und 7 Streulichtstrahlen unter vier verschiede- minderung oder Erhitzen des Naßdampfs verarbeitet

nen Winkeln θ_χ bis Θ_Α verwendet, die vorliegende Erfin- werden muß. (3) Da ein kleiner Meßraum vorgesehen

dung ist jedoch nicht auf diese Anzahl Streulichtstrah- ist, kann die örtliche Feuchtigkeit bestimmt werden.

len begrenzt Bevorzugt werden jedoch mindestens drei is Angesichts dieser Vorteile ist die angegebene Meßein-

Streulichtstrahlen unter verschiedenen Winkern ver- richtung in weitem Umfang für die Messung der Feuch-

wendet, um Q zu optimieren. tigkeitsverteilung über die Länge der statischen und der

Nachstehend wird das Ablaufdiagramm von Fig. 8 umlaufenden Schaufel einer Dampfturbine sowie für

erläutert In Schritt 801 wird die Meßinformation die Messung der Feuchtigkeit der Strömungswege einer

I_m (Θ_Μ) abgerufen. In Schritt 802 wird der Anfangswert 20 Dampfturbine einsetzbar. Wenn die Meßeinrichtung an

von C_k eingesetzt, um die Teilchengrößen-Verteilung einer bestimmten Stelle im Dampfweg der Dampftur-

N(D) vorläufig zu bestimmen. In Schritt 803 wird der bine angeordnet ist, kann sie auch als Detektor zur Bereich des Wassertröpfchendurchmessers D in η Be- Überwachung ^er Betriebszustande der Dampfturbine

reiche unterteilt, und der Wert D_k des Tröpfchendurch- eingesetzt weraen.

messers im fc-ten Bereich von D wird bestimmt. In 25 Die Meßvorrichtung ist hauptsächlich dafür gedacht.

Schritt 804 wird aus Gleichung (8) /*(ö_w) im Bereich den Anteil der kondensierten Phase im Naßdampf zu

von D_k berechnet. In Schritt 805 werden C_k ■ I_k (Θ_Μ) in messen, sie kann aber auch zum Messen der Flüssig-

Gleichung (9) und C_k · N_k (D) in Gleichung (10) be- keitsmenge, die in Form von Tröpfchen in einem Fluid-

rechnet. Die Schritte 804 und 80S werden entsprechend gemisch aus Gas und Flüssigkeit enthalten ist, eingcder Anzahl η Unterteilungen von D wiederholt. In 30 setzt werden.

Schritt 806 werden

„ Hierzu 8 Blatt Zeichnungen

von Gleichung (9) und

Σ Q · N_k(D) = B

von Gleichung (10) errechnet. Die Schritte 803 bis 806 werden entsprechend der Anzahl M von Winkelpositionen wiederholt in bezug auf die jeweiligen Winkelwerte der Streulichtstrahlen. Danach wird in Schritt 807 C_k um A C_k geändert. Die Schritte 803-807 werden £-mal 45 (mehrmals) wiederholt. In Schritt 808 wird der Optimalwert C_k .„., von C_k bestimmt unter Nutzung der Optimierungstecnnik auf der Grundlage einer M X L-Matrix der in Schritt 806 berechneten Werte A und B. In Schritt 809 wird N(D) aus der Gleichung (11) unter Nutzung des 50 Werts von C_k._op, berechnet. In Schritt 810 wird aus dem so bestimmten Wert N(D) die Volumenkonzentration Cv der Wassertröpfchen berechnet. In Schritt 811 werden Pf und p_g berechnet, und der Anteil yder kondensierten Phase wird entsprechend der Gleichung (12) be- 55 stimmt.

Wie oben erläutert, wird eine Meßvorrichtung geschaffen, die den Anteil der kondensierten Phase im Dampfstrom aus der Beziehung zwischen der Wellenlänge des einfallenden Lichts oder dem Streuwinkel des 60 Streulichtstrahls nach Maßgabe der Teilchengrößen-Verteilung von Wassertröpfchen, wenn das auf die Wassertröpfchen im Dampfstrom strahlende Licht gestreut wird, bestimmt. Ein Vergleich dieser Meßvorrichtung mit der konventionellen Meßeinrichtung, bei der unter 65 Anwendung der Drosselkalorimeter-Methode von dem zu bestimmenden Naßdampf eine Probe entnommen und der Dampfdruck vermindert wird, oder mit dem

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur kontinuierlichen Messung des Anteils der kondensierten Phase in einem Dampf- s strom,

gekennzeichnet durch die Kombination folgender, an sich bekannter Merkmale:

- eine Lichtquelle (3,3', 3"), »>

- einen ersten Lichtleiter (f, 7; 52; 82), der mit dem Licht der Lichtquelle ein Probenvolumen (A; B; C) im Dampfstrom beleuchtet,

- einen zweiten Lichtleiter (11,9; 54,93), der das transmittierte Licht (10) erfaßt, is

- einen ersten Photodetektor (12), der das transmittierte Licht (1·) des zweiten Lichtleiters aufnimmt und ein erstes Signal I_T abgibt,

- wenigstens einen weiteren Lichtleiter (15; 53; 90,91,92), der das im Probenvolumen gestreute Licht (13) unter einem Winkel zum einfallenden Licht (S) erfaßt,

- wenigstens einen weiteren Photodetektor (16), der das Streulicht des weiteren Lichtleiters aufnimmt und wenigstens ein weiteres Signal I_s ab- gibt,

- einen Druckmesser (105-107, 113), der den Druck im Probenvolumen erfaßt und ein Signa! Ip abgibt,

- einen Temperaturmesser (115-117, 119), der die Temperatur im Probenvolumen erfaßt und ein Signal I_K abgibt,

- eine Einrichtung (27) zur kontinuierlichen logischen Auswertung aller Signale.

35

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß die Lichtquelle lichtemittierende Elemente (3, 3', 3'0 zum Aussenden von Lichtstrahlen mit unterschiedlichen Wellenlängen sowie einen Umschalter (23) zur sequentiellen Zuführung der mehreren Lichtstrahlen zu dem ersten Lichtleiter (6, T) aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

- daß der erste Lichtleiter (6,7) ein Faserbündel (6) zum Übertragen des Lichts von der Lichtquelle (3, 3', 3") zum Meßraum (A) sowie ein erstes Lichtweg-Umlenkelement (7) zum Abstrahlen des einfallenden Lichtstrahls in den Meßraum (A) in einer vorbestimmten Richtung aufweist,

- daß der zweite Lichtleiter (11,9) ein Faserbündel (11) zum Übertragen des Streulichts der vorbestimmten Richtung sowie ein zweites Lichtweg-Umlenkelement (9) zum Richten des Streulichtstrahls vorbestimmter Richtung auf den ersten Photodetektor (12) aufweist, und

- daß der weitere Lichtleiter ein Faserbündel (15) mit einem weiteren Detektor (16) zum Empfang der Lichtstrahlen, die im wesentlichen senkrecht zu der vorbestimmten Richtung gestreut werden, und zum Übertragen dieser senkrecht gestreuten Lichtstrahlen aufweist,

4. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet.

40

60

65

- daß der erste Lichtleiter ein Faserbündel (52) zum Übertragen des Lichts von der Lichtquelle (3,3', 3") zu dem Meßraum (B) und zum Richten des einfallenden Lichtstrahls auf den Meßraum (B) in einer vorbestimmten Richtung aufweist,

- daß der weitere Lichtleiter ein Faserbündel (53) zum Empfangen und Übertragen des Streulichtstrahls unter einem vorbestimmten Winkel (O) zu der vorbestimmten Richtung aufweist, und

- der zweite Lichtleiter ein Faserbündel (54) aufweist, zum Empfangen und Übertragen von Streulicht, das sich entgegengesetzt zu der Richtung des in den weiteren Lichtleiter eingestrahlten Streulichts ausbreitet

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch

- eine Steuereinheit (24), die ein Steuersignal aufgrund eines Befehls von der logischen Auswerteinrichtung (27) erzeugt,

- und eine Synchronisiereinheit (26) zum Erzeugen eines Synchronisiersignals fur die logische Auswerteinrichtung (27) aufgrund des Steuersignais.

6. Einrichtung nach Anspruch S, dadurch gekennzeichnet,

daß die Steuereinheit (24) ein Steuersignal zur Steuerung der lichtemittierenden Elemente (3, 3', 3") und des Umschalters (23) der Lichtquelle erzeugt und

- daß die logische Auswerteinrichtung (27) elektrische Signale speichert, die den Intensitäten der Streulichtstrahlen bei jeweiligen Wellenlängen des einfallenden Lichtstrahls entsprechen.

7. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

- daß der weitere Lichtleiter mindestens drei Faserbündel (90-92) zum Empfang von mindestens drei Streulichtstrahlen unter verschiedenen Winkeln zur Richtung des einfallenden Lichtstrahls, der durch den ersten Lichtleiter (82) auf den Meßraum (C) gerichtet wird, aufweist,

- daß die Lichtquelle ein lichtemittierendes Element (81) aufweist, das einen Lichtstrahl vorbestimmter Wellenlänge aussendet, und

daß die Detektoren zu einem Sensor (97) zum Empfang der Streulichtstrahlen von den Faserbündeln (90-93) sowie einem Umschalter (95) zusammengefaßt sind, der sequentiell die Streulichtstrahlen umschaltet, so daß diese nacheinander auf den Sensor (97) gerichtet werden.

8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,

- daß der erste Lichtleiter ein Faserbündel (82) zum Übertragen des Lichts von der Lichtquelle (81) zu dem Meßraum in einer vorbestimmten Richtung aufweist, und

- daß jeder zweite und weitere Lichtleiter ein Faserbündel (90-93) aufweist, das den Streulicht- bzw. transmittierten Strahl empfangt und ihn unter dem jeweiligen Winkel (Θ_}-Θ_Α) zu der vorbestimmten Richtung überträgt.

9. Einrichtung nach den Ansprüchen 5 und 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß