DE2501794A1 - Verfahren zum messen einer durch ein rohr stroemenden fluidmenge mit hilfe der magnetischen kernspinresonanz - Google Patents
Verfahren zum messen einer durch ein rohr stroemenden fluidmenge mit hilfe der magnetischen kernspinresonanzInfo
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Description
KRAFTWERK UNION AKTIENGESELLSCHAFT Erlangen, den ^ ^
Hammerbacherstr. 12 u.
VPA 75 P 8901 BRD Sm/Hgr
Verfahren zum Messen einer durch ein Rohr strömenden Fluidmenge mit Hilfe der magnetischen Kernspinresonanz.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen einer durch ein Rohr strömenden Fluidmenge mit Hilfe der magnetischen
Kernspinresonanz, wobei magnetisierbare Kerne der Fluidmenge durch ein magnetisches Gleichfeld ausgerichtet und durch ein
magnetisches Wechselfeld synchronisiert werden, s,o daß anschließend
eine Auswertung der Kernmagnetisierung vorgenommen werden kann.
Aus den US-Patentschriften 3 551 794, 3 559 044 und 2 562 ist es bekannt, daß man aus der Kernmagnetisierung auf eine
quasi "mittlere" Strömungsgeschwindigkeit schließt. Zu diesem Zweck wird zum Beispiel durch gepulstes Synchronisieren
der ausgerichteten Kerne eine Laufzeitmessung vorbeiströmender Mengenanteile ermöglicht, die einen Zusammenhang mit
der Strömungsgeschwindigkeit herzustellen gestattet. Die Genauigkeit der Messung ist dabei begrenzt, weil die Geschwindigkeitsverteilung
über den Rohrquerschnitt unberücksichtigt bleibt. Das bekannte Verfahren kann deshalb nur mit Hilfe von
Eichmessungen brauchbare Volumendurchsatzergebnisse liefern, die für alle im Betrieb denkbaren Strömungsverhältnisse vorgenommen
werden müssen. Damit verbleibt als Vorteil gegenüber mechanischen Strömungsmessern lediglich, daß das Innere des
durchströmten Rohres nicht durch möglicherweise korrosionsempfindliche Einbauten gestört zu werden braucht. Auch kann
das bekannte Verfahren lediglich zur Bestimmung des Volumendurchsatzes bei einphasigen Fluiden herangezogen werden.
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- 2 - VPA 75 P 8901 BRD
Die Erfindung hat sich demgegenüber das Ziel gesetzt, eine weitaus genauere Messung zu ermöglichen, bei der sich aus
den unmittelbaren Meßwerten der Kernmagnetisierung als reproduzierbares Ergebnis der Durchsatz der Strömung selbst ermitteln
läßt. Ein solches Meßverfahren ist besonders dann wichtig, wenn die durch das Rohr strömende Menge sehr unterschiedlich
sein kann, so daß eine Eichung für jeden einzelnen Betriebszustand praktisch gar nicht möglich ist.
Das neue Verfahren zeichnet sich dadurch aus, daß durch eine zeitliche Auflösung der an einer Stelle gemessenen Kernmagnetisierung
die Geschwindigkeit von isochronen Strömungsgruppen ermittelt wird, die den Querschnitt des Rohres ausfüllen, daß
die zu den Strömungsgruppen jeweils gehörende Kernmagnetisierung bestimmt wird und daß dann die Summe der Produkte aus
Strömungsgeschwindigkeit und Kernmagnetisierung als Maß für die Massenstromdichte der Fluidmenge gebildet wird.
Bei der Erfindung wird demnach die Tatsache unterschiedlicher lokaler Strömungsgeschwindigkeiten über den Rohrquerschnitt
gesehen durch die Erfassung isochroner Strömungsgruppen, d.h. geschwindigkeitsgleichen Untermengen der Fluidmenge, unmittelbar
bei der Messung berücksichtigt und für die Auswertung herangezogen. Dabei erfolgt ein Teil der Auswertung durch eine
analytische Behandlung der Meßergebnisse. Hierfür kann zur
vollständig selbsttätigen, also ohne menschlichen Eingriff erlangten Ausgabe des Endergebnisses ein Rechner (Computer)
benutzt werden. Dies gilt besonders für den Fall, daß das neue Verfahren zur Messung in Produktionsanlagen oder dergleichen
eingesetzt wird, die über lange Zeit betrieben werden. Bei der Anwendung des Verfahrens für Versuche kann man
dagegen auch eine Auswertung durch mathematische Berechnung "von Hand" vornehmen.
Das neue Verfahren eignet sich nicht nur für eine absolute Be-
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- 3 - VPA 75 P 8901 BRD
Stimmung des Massendurchsatzes homogener Fluide durch Auflösung des Gesamtdurchsatzes in einzelne isochrone Strömungsgruppen, die entsprechend dem Geechwindigkeitsprofil in dem
durchströmten Rohr schrittweise ermittelt und summiert werden. Vielmehr kann damit auch der Fall erfaßt werden, daß eine
Zweiphasenströmung vorliegt, d.h. eine Strömung von zwei Mengenanteilen unterschiedlicher Dichte. Damit ist nicht nur der
Fall einer Mischung von zwei verschiedenen Stoffen gemeint,
sondern auch der möglicherweise noch wichtigere Fall, daß ein Stoff unter bestimmten Betriebsbedingungen sowohl in
flüssiger als auch in dampfförmiger Phase vorliegen kann. Für diesen Fall wird das Verfahren nach der Erfindung so
weitergebildet, daß zusätzlich Druck und Temperatur des Fluids bestimmt werden und daß aus einem Vergleich der Kernmagnetisierung
einer Strömungsgruppe mit den für die beiden Phasen möglichen Relaxationszeiten die Phasenzugehörigkeit der Strömungsgruppe
bestimmt und bei der Summierung berücksichtigt wird. Auch hierbei kann wiederum die für den Vergleich erforderliche
Rechenarbeit automatisiert werden, wie später noch genauer erläutert wird.
Trotz der vorstehend beschriebenen Auswertung, mit der das neue Verfahren im Vergleich zu dem eingangs geschilderten Verfahren
nicht nur eine viel größere Genauigkeit^ergibt, sondern auch
Messungen an Strömungszuständen ermöglicht, an denen die eingangs geschilderten Verfahren völlig versagen, ist gegenüber
den für die bekannten Verfahren vorgeschlagenen Anordnungen noch eine Vereinfachung möglich. Man kann nämlich für die
Aufbringung des magnetischen Wechselfeldes und für die Ermittlung
der Kernmagnetisierung eine einzige Spule verwenden, wie im folgenden mit einem Ausführungsbeispiel im einzelnen beschrieben
wird.
Bei der näheren Erläuterung der Erfindung anhand der beiliegenden Figuren wird von einer Anordnung ausgegangen, bei der
in einem Gefäß eine Flüssigkeit bei einem hohen Druck und hohen Temperaturen enthalten ist und durch plötzliche Freigabe
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einer Öffnung ausströmt. Das Gefäß kann der Reaktordruckbehälter eines Druckwasserreaktors oder ein Modell davon sein,
in dem Wasser (HpO) bei einem Druck von zum Beispiel 150 Atmosphären und einer Temperatur von 3000C enthalten ist. Das
plötzliche Ausströmen erfolgt bei dem als größter anzunehmender Unfall zu berechnenden Bruch einer Hauptkühlmittelleitung.
In diesem Zusammenhang soll erwähnt werden, daß ein solcher Unfall durch geeignete technische Gestaltung und laufende
Überwachung mit größter Wahrscheinlichkeit ausgeschlossen wird. Der für das Ausführungsbeispiel der Erfindung zugrunde
gelegte Fall ist also eine theoretische Annahme für wissenschaftliche Betrachtungen und zusätzliche Sicherheitserwägungen.
in Fig. 1
Zur Messung der aus demvhicht dargestellten Reaktordruckbehälter
oder einem Modell davon durch ein Rohr 1 mit dem Durchmesser D in Richtung des Pfeiles 2 ausströmenden Fluidmenge
3, die ein Zweiphasengemisch von Wasser und Dampf ist, wird zunächst mit einem Magneten 4, der als Polarisator bezeichnet
wird, ein magnetisches Gleichfeld aufgebracht, dessen in Richtung des Pfeils 5 verlaufende Feldstärke H_ zum
Beispiel 15 kOe beträgt. Dieses magnetische Gleichfeld hat zur Folge, daß die in der Strömung normalerweise ungeordnet
vorliegenden Spins der Wasserstoffkerne mit ihren Spin-Achsen auf das magnetische Gleichfeld ausgerichtet werden.
In Strömungsrichtung (Pfeil 2) hinter dem Magneten 4 ist ein Magnet 7 angeordnet. Er gehört zu einem als Analysator bezeichneten
Magnetsystem, in dessen Bereich 8 das Rohr 1 aus nichtmagnetischem und nichtleitendem Material hergestellt ist.
Teil 8 ist vorzugsweise ein Keramikrohr. Selbstverständlich kann das ganze Rohr 1 aus Keramik bestehen. Im übrigen genügt
nichtmagnetisches Material im Bereich des Polarisators 4.
Der Analysator umfaßt zusätzlich zu einem magnetischen Gleichfeld mit der in Richtung der Pfeile verlaufenden magnetischen
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- 5 - VPA 75 P 8901 BRD
Feldstärke H0 ein magnetisches Wechselfeld. Dieses Wechselfeld H1 wird mit einer Spule 9 aufgebracht. Es verläuft
in Richtung des Pfeils 10.
Die Feldstärke H0 hängt von der Frequenz V^ des magnetischen
Wechselfeldes ab, die wiederum vom Durchmesser D des Rohres beeinflußt wird. Zum Beispiel eignen sich für Rohre mit
D = 1, 5 und 10 cm etwa Frequenzen von 60, 25 und 10 MHz und
dementsprechend Feldstärken von etwa 14,09, 5,87 und 2,35 kOe. Damit ist H0 in bezug auf Hp gleich oder kleiner.
Die Anschlüsse 11 und 12 der Spule 9 führen zu einem zweipoligen
Schalter 13, der entgegen der Darstellung in der Figur nicht mechanisch sondern elektronisch funktioniert. Durch den
Schalter 13 ist die Spule 9 einmal mit einem Sender 14 verbunden,
zum anderen, wie gestrichelt dargestellt ist, mit einem Empfänger 15» der entsprechend der Änderung der Kernmagnetisierung
im Bereich der Spule 9 eine Spannung zu messen gestattet.
Der erfindungsgemäße Meßvorgang mit der Auswertung verläuft, als stark vereinfachtes Modell geschildert, folgendermaßen:
Wie in Fig. 2 dargestellt ist, enthält das Rohr 1 zu einem
bestimmten Zeitpunkt im Analysator im Bereich der Spule 9
eine bestimmte kernmagnetisierte Fluidmenge, die aus drei
zum Beispiel als konzentrische Zylinder 16, 17 und 18 denkbaren isochronen Strömungsgruppen mit unterschiedlicher Geschwindigkeit
Vi besteht »Die Geschwindigkeitsverteilung in dem
Rohr 1 hängt bekanntlich von verschiedenen Faktoren ab, unter anderem davon, ob es sich um eine laminare oder turbulente
Strömung handelt.
Fig. 3 zeigt die im Zeitpunkt tQ = 0 vorliegende Kernmagnetisierung
M1 am Ende des vom Sender 14 mit Hilfe der Spule 9
aufgebrachten synchronisierenden Sendeimpulses 20. Der Sende-
609830/0440 "
- 6 - VPA 75 P 8901 BRD
impuls ist in der Darstellung der Fig. 3> die. die Magnetisierung
M über der Zeit t zeigt, der Einfachheit halber als Rechteckimpuls dargestellt, obwohl er in Wirklichkeit aus dem
für die Zeit ts ausgestrahlten Hochfrequenzfeld mit der
Amplitude 2H^ besteht. Bei der folgenden Betrachtung werden
ferner Randeffekte an den Enden der Spule 9 außer Betracht gelassen.
In der Fig. 4 ist für die in Fig. 2 im Zeitpunkt t gezeichnete
Fluidmenge die die Strömung und damit den Massendurchsatz bildende Verschiebung bis zum Zeitpunkt t^ dargestellt.
Man erkennt, daß die isochrone Strömungsgruppe 18, also der innerste Zylinder sich gleichförmig bewegender Elemente, soeben
vollständig aus der Spule 9 herausgewandert ist. Der den Zylinder 18 umgebende Hohlzylinder 17 der nächsten isochronen
Strömungsgruppe ist etwa zur Hälfte aus der Spule 9 herausgewandert, während der äußere Zylinder 16 der dritten isochronen
Strömungsgruppe erst zu einem Drittel die Spule 9 verlassen hat. Daraus ergibt sich die in der Fig. 5 gezeichnete, mit
der Spule 9 als induzierte Spannung zu messende Magnetisierung
M(t), deren zeitliche Änderung eine Folge der räumlichen. Beziehung der Strömungsgruppen zur Spule 9 ist.
Demnach kann man die Magnetisierung der Geschwindigkeitsgruppe 18 mit der Spule 9 über den Empfänger 15 im Zeitpunkt t^
nicht mehr messen, weil die von der Spule 9 erfaßbare Magnetisierung
dieser Gruppe in der Zeit zwischen t = 0 und t-j entsprechend
dem Kurvenabschnitt 22 linear gegen 0 abgenommen hat, da die ganze Gruppe aus dem "Meßbereich" der Spule 9
herausgelaufen ist. Die Magnetisierung der Strömungsgruppe ist von dem auf der Ordinate ursprünglich erkennbaren Wert
auf die Hälfte gesunken. Die zugehörige Abklingkurve ist mit 23 bezeichnet. Für die Strömungsgruppe 16 sind noch 2/3 der
ursprünglichen Magnetisierung dieser Gruppe vorhanden, die im Zeitpunkt t0 den größten Wert hatte und entsprechend ihrer
Geschwindigkeit am langsamsten entsprechend der Geraden 24
abklingt.
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- 7 - VPA 75 P 8901 BRD
In Fig. 6 ist die räumliche Lage der isochronen Strömungsgruppen 16, 17 und 18 zu einem dritten Zeitpunkt t« gezeichnet.
Hierbei hat die Strömungsgruppe 17 gerade den Bereich der für den Empfänger 15 arbeitenden Spule 9 verlassen, so daß
ihre in der Fig. 7 gezeichnete, mit der Spule 9 erfaßbare Kernmagnetisierung Null geworden ist. Demnach verbleibt als
restliche Kernmagnetisierung nur die auf 1/3 der ursprünglichen Magnetisierung abgeklungene Magnetisierung der Strömungsgruppe 16.
Die Auswertung des mit der Spule 9 vermessenen zeitlichen Abklingens der Kernmagnetisierung geht nun so vor sich, daß
spannungsman zu den Momentan^Werxen der Spule 9, die mit Hilfe des
Empfängers 15 ermittelt werden und eine monoton fallende Kurve M(t) ergeben, entsprechend den Darstellungen der Fig. 3,
5 und 7 eine genügend fein unterteilte Tangentenschar an die
Kurve M(t) bildet. Daraus lassen sich dann zugehörige isochrone Strömungsgruppen nach Geschwindigkeit und Kernmagnetisierung
ableiten, die als Produkt aus diesen beiden Werten in ihrer Summe die Massenstromdichte der Menge bilden, sofern
die Kernmagnetisierungen der Strömungsgruppen ihren Geschwindigkeiten
entsprechend umgerechnet wurden. Damit kann man also im Gegensatz zu dem als Stand der Technik beschriebenen Verfahren
unmittelbar analytisch den Massendurchsatz gewinnen, ohne daß wie dort lediglich durch Eichung einer bestimmten,
mit Hilfe der Kernmagnetisierung gemessenen Laufzeit ein Volumendurchsatz zugeordnet wird.
In Fig. 1 ist noch dargestellt, daß an das Rohr 1, zum Beispiel im Bereich zwischen Polarisator 4 und Analysator 7,
ein Manometer 26 und ein Thermometer 27 angeschlossen ist.
Beide Instrumente sind so ausgebildet, daß sie die Veränderungen von Druck und Temperatur beim Durchströmen der zu messenden
Menge praktisch trägheitslos zu ermitteln gestatten. Ihre Werte werden vorzugsweise in digitaler Form aufgezeichnet,
wozu ein Rechner 28 dienen kann, der nicht nur über Leitungen 29 und 30 mit Manometer 26 und Thermometer 27 verbun-
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- 8 - VPA 75 P 8901 BRD
den ist, sondern auch über eine Leitung 31 mit dem Empfänger 15 in Verbindung steht. Deshalb ist die gleichzeitige
Zuordnung der Werte des Empfängers 15 und von Manometer 26 und Thermometer 27 möglich.
Solange für das im Rohr 1 strömende Wasser-Dampf-Gemisch ein quasistationärer thermodynamischer Zustand angenommen
werden kann, entsprechen Druck, Temperatur und Dichten des Flüssigkeits- und des Dampfanteils dem Sattigungszustand des
Wassers. Mithin sind die Meßwertanteile von Flüssigkeit und Dampf korrelierbar, da in die durch die Kernmagnetisierung
induzierte Spannung der Strömungsgruppen U.(o) =
mit: Ni der Spindichte der Geschwindigkeitsgruppe
I der Spinquantenzahl des
präzedierenden Kernes i>" dem gyromagnetischen Ver-F-n-Q
hältnis d. präzedier. K.
/v dem Planck. Wirkungsquant.
10° · 3kT · TijVi k der Boltzmann'sehen Konst.
T der absoluten Temperatur Ip der Länge des Polarisators
F der Windungsfläche d. Spule η d. Windungszahl d.Spule 9 Q der Güte der Spule 9
auch die für Wasser und Dampf unterschiedliche Relaxationszeit Tij eingeht. Die unterschiedliche Relaxationszeit drückt
sich in der monoton fallenden Kurve der mit der Spule 9 gemessenen Kernmagnetisierung über der Zeit M(t) als Knick aus.
Die Ableitung der Kurve nach der Zeit ist unstetig. Auf diese Weise gelingt es, den jeder isochronen Strömungsgruppe
entsprechenden Massendurchsatzanteil zu bestimmen, so daß
auch für Zweiphasengemische die Möglichkeit gegeben ist, nach dieser Methode der Kernresonanzmagnetisierung der Geschwindigkeit
sgrupp en den Massendurchsatz zu ermitteln.
Da das anhand der Zeichnung als Ausführungsbeispiel geschilderte Modell sehr vereinfacht ist, wird im folgenden noch
eine Tabelle angeführt, in der aus der der Kernmagnetisierung entsprechenden Spannung Ui(t) und ihrem zeitlichen Verlauf
für acht Strömungsgruppen i=1 bis 8 die Geschwindigkeit
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| Strömungs gruppe (Phasen- zustand) |
Geschwin digkeit Γ -ίΐ V1JCm-S Ί |
Spannung der Kernmagne tisierung U1Co)-IO6 |
Tangenten steigung U1Ct1)^lO4S |
Steigungs unterschied A U1Ct1).104s |
Spannung der Gleich gewicht s- magnetisie- rung IJ1(O)-IO3 |
Massen durchsatz |
I | |
| V | ~ V | V | V | I | ||||
| S09830/ | 1 (D 2 (1) |
500 1000 |
7,17 3,59 |
1,434 2,870 |
1,434 1,436 |
4,350 4,351 |
173,54 347,16 |
|
| ο -ί |
3 (D | 2000 | 1,79 | 4,302 | 1,432 | 4,344 | 693,20 | |
| ο | 4 (1) | 2500 | 1,44 | 5.747 | 1,440 | 4,376 | 872,89 | |
| 5 (ν) | 3000 | 1,68 | 7,758 | 2,016 | 1,418 | 339,42 | SS | |
| 6 (ν) | 4000 | 1,26 | 9,774 | 2,016 | 1,418 | 452,56 | VJl | |
| 7 (ν) | 5000 | 1,01 | 11,794 | 2,020 | 1,422 | 567,30 | 2501794 8901 BRD |
|
| 8 (ν) | 6000 | 0,840 | 13,810 | 2,016 | 1,418 | 678,84 | ||
| I -Λ . O ι. |
l<w flüssig ν« dampfförmig |
U(o) = 18,78 Meßwert |
Phasen- unterschei- dungskri- terium |
U(o) = 23,103 gewichte- ter Meß wert |
M=4124,9O | |||
- 10 - VPA 75 P 8901 BRD
der Differentialquotient der Spannung nach der Zeit (die Steigung der Tangente) U^, die Differenz der Differentialquotienten
geschwindigkeitsbenachbarter Strömungsgruppen^ U..
und der als Spannung Uj_ ausgedrückte Gleichgewichtswert
der Kernmagnetisierung der Strömungsgruppe aufgeführt ist, aus dem sich der Massendurchsatz als Summe der Massendurchsatzanteile
der acht Geschwindigkeitsgruppen ergibt.
Es ist klar, daß sich die in der Tabelle angegebenen Werte, soweit
sie aus dem unmittelbar meßbaren Spannungswert U^(o)
abgeleitet sind, mit einem Rechner mit Hilfe einfacher Programme selbsttätig gewinnen lassen, da die für die Ableitung
erforderlichen Operationen mathematisch einfache Funktionen umfassen. Die zur Tabelle gehörende Kurve der als Spannung U(t)
gemessenen Kernmagnetisierung M(t) ist in Fig. 8 dargestellt, wobei der Bereich der vier dampfförmigen Strömungsgruppen
durch eine Schraffur besonders hervorgehoben ist.
Die für die Summation als vergleichbare Größe gewählte Gleichgewicht
smagneti si erung Mi(o) könnte man dadurch erhalten, daß
man das Fluid dem Polarisationsfeld genügend lange aussetzt. Für die praktische Verwirklichung der Erfindung kann man
- wie hier gezeigt wurde - diese Größe aus der der Geschwindigkeit der betrachteten Gruppe umgekehrt proportionalen
partiellen Magnetisierung der Strömungsgruppe ermitteln. Unter Vernachlässigung von Fehlern zweiter Ordnung ist die
Gleichgewichtsmagnetisierung aus der gemessenen partiellen Magnetisierung durch einen Faktor zu bestimmen, der aus dem
Produkt der Relaxationszeit T1^ und der Geschwindigkeit Vj_
der Strömungsgruppe, geteilt durch die Länge lp der Polarisator
anordnung in Längsrichtung des Rohres 1 besteht:
Ü, (o)^Ui(o) Ti.VvJ
1P
3 Patentansprüche
8 Figuren
8 Figuren
609830/0440
Claims (3)
- Patentansprüchel)\ Verfahren zum Messen einer durch ein Rohr strömenden Fluidmenge mit Hilfe der magnetischen Kernspinresonanz, wobei magnetisierbar Kerne der Fluidmenge durch ein magnetisches Gleichfeld ausgerichtet und durch ein magnetisches Wechselfeld synchronisiert werden und anschließend eine Auswertung der Kernmagnetisierung vorgenommen wird, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine zeitliche Auflösung der an einer Stelle gemessenen Kernmagnetisierung die Geschwindigkeit von isochronen Strömungsgruppen ermittelt wird, die den Querschnitt des Rohres ausfüllen, daß die zu den Strömungsgruppen jeweils gehörende Kernmagnetisierung bestimmt wird und daß dann die Summe der Produkte aus Strömungsgeschwindigkeit und Kernmagnetisierung als Maß für die Massenstromdichte der Fluidmenge gebildet wird.
- 2. Verfahren nach Anspruch 1 mit einer Zweiphasenströmung, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich Druck und Temperatur der Fluidmenge bestimmt werden und daß aus einem Vergleich der Magnetisierung einer isochronen Strömungsgruppe mit den für die beiden Phasen möglichen Relaxationszeiten die Phasenzugehörigkeit der Strömungsgruppen bestimmt und bei der Summierung berücksichtigt wird.
- 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß für die Aufbringung des magnetischen Wechselfeldes und für die Ermittlung der Magnetisierung eine einzige Spule verwendet wird. ·609830/0440Al .Leerseite
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