DE3937783A1 - Sensor zur ermittlung der massenstromdichtegemittelten temperatur - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Sensor zur Ermittlung der massenstromdichtegemittelten Temperatur eines durch ein Rohr strömenden Mediums, welches im Rohr quer zur Strömungsrichtung ein Massenstromdichtegradient und ein Temperaturgradient aufweist. Insgesamt betrifft die Er­ findung einen Sensor zur Ermittlung der massenstrom­ dichtegemittelten Temperatur in einer Brennkammer eines Wasserstoff/Sauerstoffdampferzeugers, welcher vorzugsweise mit stöchiometrisch geführtem Wasserstoff und Sauerstoff sowie nach Verbrennung derselben eingespritztem Wasser arbeitet und als Dampfreserve für Dampfkraftwerke dient. Bei einem derartigen Wasserstoff/Sauerstoffdampferzeuger besteht das Problem, bereits in der Brennkammer desselben, möglichst unmittelbar nach Entstehung des Dampfes die Temperatur zu bestimmen, welche sich in dem Dampf nach einer intensiven Durchmischung und nach der Herstellung einer homogenen Dampfströmung einstellt. Vorzugsweise ist dabei der Sensor in einem einer Entnahmeöffnung der Brennkammer zugewandten Bereich derselben angeordnet.

Bislang ist lediglich bekannt, als Sensor für die Er­ fassung einer massenstromdichtegemittelten Temperatur in Richtung des Massenstromdichtegradienten hintereinander mehrere Thermoelemente anzuordnen und die von diesen Thermoelementen gelieferten Meßwerte als Stützpunkte für den Verlauf der massenstromdichtegemittelten Temperatur zu verwenden, und mit einem entsprechenden Auswerteprogramm dann die massenstromdichtegemittelten Temperatur zu er­ mitteln.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Sensor der gattungsgemäßen Art zu schaffen, welcher eine zuverlässigere und noch genauere Ermittlung des massen­ stromdichtegemittelten Temperaturgradienten erlaubt.

Diese Aufgabe wird bei einem Sensor der eingangs be­ schriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Sensor einen Trägerkörper und einen von diesem gehaltenen Widerstandskörper umfaßt, welcher von einem Meßstrom durchflossen ist und einen temperaturabhängig veränder­ lichen elektrischen Widerstand aufweist, der seinerseits zu einem Spannungsabfall führt, und daß der Widerstands­ körper so ausgebildet ist, daß sich der temperaturabhängig veränderliche elektrische Widerstand des Widerstands­ körpers mit dessen Erstreckung in Querrichtung im wesent­ lichen reziprok proportional der Massenstromdichte ändert.

Durch diese spezielle Ausbildung des Widerstandskörpers kann der zu messende temperaturabhängig veränderliche Widerstand entsprechend der Variation der Massenstrom­ dichte in der Querrichtung ebenfalls variiert werden, so daß der an dem Widerstandskörper gemessene Spannungsabfall unmittelbar einen der massenstromdichtegemittelten Tempe­ ratur entsprechenden Wert wiedergibt.

Mit dem erfindungsgemäßen Sensor ist im Gegensatz zum Stand der Technik zunächst eine einfache Meßmethode er­ reicht, da lediglich ein Meßwert gemessen werden muß, andererseits ist diese Methode wesentlich genauer, da nicht nur an einigen hintereinanderliegenden Stützstellen in der Querrichtung gemessen wird und außerdem ist die Messung wesentlich schneller durchführbar, da nicht auf­ grund der Stützstellen über ein Auswerteprogramm der Mittelwert ermittelt werden muß, sondern dieser bereits mit der Messung einer Größe, nämlich des Spannungsabfalls vorliegt.

Bei dem eingangs beschriebenen Ausführungsbeispiel wurde nun nicht angegeben, wie ein temperaturabhängig veränder­ licher Widerstand des Widerstandskörpers mit der Er­ streckung desselben in der Querrichtung erreicht werden kann.

So sieht ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel vor, daß sich die stromdurchflossene Querschnittsfläche des Widerstandskörpers mit der Erstreckung desselben in der Querrichtung ändert, wobei der Widerstandskörper in der Querrichtung stromdurchflossen ist, so daß der Strom in Richtung der Querrichtung unterschiedliche Quer­ schnittsflächen durchfließt und somit je nach Quer­ schnittsfläche einem stärkeren oder weniger starken Ein­ fluß der Temperatur unterworfen ist, so daß insgesamt der sich an dem Sensor einstellende Spannungsabfall den massenstromdichtegemittelten Wert der Temperatur ergibt.

Besonders einfach läßt sich ein derartiger Widerstands­ körper durch eine auf den Träger aufgebrachte Widerstands­ materialschicht ausbilden.

Dabei weist günstigerweise die Widerstandsmaterialschicht einen örtlich konstanten spezifischen Widerstand auf.

In besonders einfacher Weise läßt sich die Widerstands­ materialschicht dadurch aufbringen, daß sie auf den Trägerkörper aufgedampft ist.

Insbesondere dann, wenn durch die Form des Trägerkörpers bereits die stromdurchflossene Querschnittsfläche des Widerstandskörpers an jedem Punkt in Richtung der Quer­ richtung festgelegt werden soll, ist es vorteilhaft, wenn die Widerstandsmaterialschicht eine Schicht mit einer konstanten Schichtdicke auf dem Trägerkörper bildet.

Am einfachsten läßt sich die Variation der Querschnitts­ fläche der Schicht durch ein Variieren der Ausdehnung der Schicht senkrecht zur Querrichtung erreichen, wobei günstigerweise die Ausdehnung der Schicht durch die Ober­ flächenausdehnung des Trägerkörpers senkrecht zur Quer­ richtung bestimmt ist.

Es ist aber auch möglich, daß die Ausdehnung der Wider­ standsmaterialschicht in einer Richtung senkrecht zur Querrichtung und parallel zur Oberfläche des Trägerkörpers variiert.

Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel ist es aber auch denkbar, den temperaturabhängig veränderlichen Wider­ stand des Widerstandskörpers mit dessen Erstreckung in der Querschnittsfläche entsprechend der Massenstromdichte dadurch zu verändern, daß sich der temperaturabhängige Widerstand durch Variation der Weglänge des Strompfades ändert.

Im einfachsten Fall ist dabei vorgesehen, daß der Strom­ pfad einen konstanten Querschnitt quer zur Stromrichtung aufweist.

Bei der Ausbildung des Strompfades hat es sich als zweck­ mäßig erwiesen, wenn dieser eine senkrecht zur Quer­ richtung alternierend verlaufende Wegkomponente aufweist, wobei diese alternierend verlaufende Wegkomponente ent­ weder durch eine winkelförmige Ausbildung des Strompfads oder durch eine zickzackförmige Ausbildung desselben oder eine beliebig irreguläre Form von Schlangenlinien möglich ist.

Die Variation des temperaturabhängigen Widerstandes läßt sich am einfachsten durch Variation der Wegkomponente des Strompfades senkrecht zur Querrichtung, bezogen auf die jeweilige Längeneinheit in Richtung der Querrichtung, er­ reichen. Dies ist beispielsweise die unterschiedliche Steigung von Windungen oder auch die unterschiedliche Länge von Zickzackschlingen eines Zickzickpfades machbar. Konstruktiv besonders einfach ist eine Lösung, bei welcher der Strompfad durch die Windungen eines Widerstandsdrahtes festgelegt ist. Hierbei läßt sich dann günstigerweise auch die Weglänge durch die Zahl der Windungen pro Längenein­ heit der Erstreckung in der Querrichtung variieren.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind Gegen­ stand der nachfolgenden Beschreibung sowie der zeichne­ rischen Darstellung einiger Ausführungsbeispiele; in der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein von einem Medium mit unterschiedlicher Massenstrom­ dichte durchströmtes Rohr;

Fig. 2 einen Längsschnitt durch einen Dampferzeuger mit einem erfindungsgemäßen Sensor;

Fig. 3 einen Längsschnitt durch ein erstes Aus­ führungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sensors;

Fig. 4 eine Draufsicht auf ein zweites Ausführungs­ beispiel eines erfindungsgemäßen Sensors, und

Fig. 5 eine Draufsicht auf ein drittes Ausführungs­ beispiel eines erfindungsgemäßen Sensors.

Die Fig. 1 zeigt ein als Ganzes mit 10 bezeichnetes Rohr, in welchem mit 12 bezeichneter Dampf in einer Strömungs­ richtung, dargestellt durch den Pfeil 14 parallel zu einer Achse 16 des Rohrs 10 strömt.

Das Medium 12 strömt dabei mit einer in radialer Richtung R variierenden Strömungsgeschwindigkeit V und weist dabei eine ebenfalls in radialer Richtung variierende Dichte sowie eine in radialer Richtung variierende Temperatur T auf. Aus dem Produkt der Dichte und der Geschwindigkeit V ergibt sich eine Massenstromdichte, welche ebenfalls in radialer Richtung R variiert.

Ein Sensor 18, welcher sich in einer der radialen Richtung R quer und senkrecht zur Achse 16 durch das Rohr 10 hin­ durch erstreckt und dabei die Achse 16 schneidet, dient dazu, die Temperatur des Dampfes 12, gewichtet ent­ sprechend der sich in radialer Richtung R ändernden Massenströmung zu messen und damit einen massenstrom­ dichtegemittelten Temperaturwert zu ermitteln, welcher des vollständig vermischten strömenden Dampfes, d.h. des Dampfes bei gleicher Geschwindigkeit und gleicher Dichte ergibt.

Eine derartige Messung mit dem erfindungsgemäßen Sensors 18 erfolgt vorzugsweise bei einem Wasserstoff/ Sauerstoffdampferzeuger in einer Brennkammer, und zwar in einem Endbereich der Brennkammer, in welchem zwar der Dampf als solches vollständig erzeugt ist, jedoch aufgrund der Erzeugungsbedingungen in dem Dampferzeuger mit in radialer Richtung R zur Achse 16 desselben mit unter­ schiedlicher Geschwindigkeit strömt.

Ein derartiger Dampferzeuger, als Ganzes mit 20 bezeich­ net, ist in Fig. 2 dargestellt. Er umfaßt eine Brennkammer 22, welche von einem Gehäuse 24 umschlossen ist. Dieses Gehäuse 24 ist einerseits durch einen Einblaskopf 26 ab­ geschlossen, durch welchen als Gemisch aus Wasserstoff und Sauerstoff in stöchiometrischen Verhältnissen in die Brennkammer 22 eingeblasen wird und dort brennt. Zusätz­ lich ist die Brennkammer noch mit mindestens einem Ein­ spritzring 28 für Wasser versehen, welches zur Erzeugung eines gesättigten oder überhitzten Dampfes eingesetzt wird. Der in der Brennkammer 22 erzeugte Dampf tritt aus dieser an einem dem Einblaskopf gegenüberliegenden Ende durch eine Entnahmeöffnung 30 aus.

Der Sensor 18 ist in einem der Entnahmeöffnung 30 zuge­ wandten Bereich der Brennkammer angeordnet, und dient da­ zu, diejenige massenstromdichtegemittelte Temperatur des erzeugten Dampfes bei den in homogenen Strömungs- und Dichteverhältnissen, wie sie in Fig. 1 dargestellt sind zu ermitteln, so daß vorausgesagt werden kann, welche Temperatur nach Verlassen der Entnahmeöffnung 30 und nach Durchströmen einer weiteren Strecke der dann mit gleicher Dichte und homogener Temperatur aufgrund seiner voll­ ständigen Vermischung in eine Turbine eintretende Dampf aufweist.

Diese Notwendigkeit der Messung der massenstromdichte­ gemittelten Temperatur des Dampfes mittels des Sensors 18 innerhalb der Brennkammer 22 ist aufgrund der Tatsache ge­ geben, daß der Dampferzeuger 20 hinsichtlich der Menge des eingeblasenen Wasserstoffs und des eingeblasenen Sauer­ stoffs sowie des einzuspritzenden Wassers geregelt werden muß, wobei die Regelstrecke zwischen der Entstehung des Dampfes und der Messung der Temperatur möglichst kurz zu sein hat.

Ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sensors 18, dargestellt in Fig. 3 umfaßt einen Träger­ körper 32, welcher sich mit seiner Längsrichtung 34 parallel zur radialen Richtung R und damit senkrecht zur Achse 16 des Rohrs 10 oder der von dem Rohr gebildeten Brennkammer 22 erstreckt.

Vorzugsweise ist der Trägerkörper rotationssymmetrisch zur Längsachse 34 ausgebildet und trägt auf einer Außenfläche 36 einen in Form eines aufgedampften Films 48 aufge­ brachten Widerstandskörper 38, welcher aus einem Material besteht, das seinerseits einen temperaturabhängig ver­ änderlichen Widerstand aufweist.

Der den Widerstandskörper 38 bildende Film ist auf der ganzen Außenfläche 36 des Trägerkörpers 32 mit konstanter Dicke aufgebracht und endseitig jeweils mit einer Leitung 40 bzw. 42 kontaktiert, über welche von einer Stromquelle 44 ein Strom fließt, wobei mit einer Meßeinrichtung 46 der Spannungsabfall zwischen den Leitungen 40 und 42 und somit der Spannungsabfall am Widerstandskörper 38 ermittelt wird.

Die Form des Trägerkörpers 32, insbesondere dessen Außen­ fläche 36 wird bestimmt durch die Verteilung der Massen­ stromdichte in radialer Richtung und somit in Richtung der Längsachse 34, wobei sich die Querschnittsfläche A (R) des Widerstandskörpers 38 in Abhängigkeit von der Erstreckung in der radialen Richtung R durch folgende Beziehung bei­ spielhaft ergibt:

wobei in C verschiedene Proportionalitätskonstanten und unter anderem auch der spezifische elektrische Widerstand bei einer geeigneten Betriebstemperatur, der Temperaturkoeffizient des elektrischen Widerstandes und der Durchmesser eingehen.

Aufgrund dieser zu ermittelnden Querschnittsfläche A (R) entsprechend der jeweiligen Erstreckung in der Radial­ richtung R kann nun ausgehen von der Tatsache, daß der den Widerstandskörper 38 bildende Film eine konstante Dicke aufweisen soll und der Trägerkörper 32 rotationssymme­ trisch zur Längsachse 34 ausgebildet sein soll, die Form des Trägerkörpers ermittelt werden, wobei eine unter­ schiedliche Dicke des Trägerkörpers 32 quer zur Längs­ richtung 34 zu einer größeren Querschnittsfläche des auf der Außenfläche 36 aufgetragenen Films des Widerstands­ körpers 38 führt, während eine geringe Dicke des Träger­ körpers 32 auch wiederum eine geringe Querschnittsfläche zur Folge hat.

Bei einem zweiten Ausführungsbeispiel eines erfindungs­ gemäßen Sensors 18, dargestellt in der Fig. 4, sind die Teile, die mit den des ersten Sensors identisch sind, mit denselben Bezugszeichen versehen, so daß insofern, als keine weiteren Aussagen im Zusammenhang mit dem zweiten Ausführungsbeispiel gemacht werden, auf die Ausführungen zum ersten Ausführungsbeispiel verwiesen werden kann.

Im Gegensatz zum ersten Ausführungsbeispiel ist bei dem Sensor 18 der Trägerkörper 32′ durch einen Zylinder mit konstanter Querschnittsfläche gebildet, dessen Längs­ achse 34′ sich ebenfalls in radialer Richtung R erstreckt.

Auf der Außenmantelfläche 36′ des Trägerkörpers 32′ ist der Widerstandskörper 38′ als Film 48′ mit konstanter Dicke aufgedampft, wobei der Film 48′ eine Außenkontur 47 aufweist, die in einer Querrichtung 49, welche senkrecht zur Längsachse 64 und parallel zu einer Außenmantelfläche 36′ - also in azimutaler Richtung zur Längsachse 64 - ver­ läuft, eine variierende Breite aufweist. Somit variiert die Querschnittsfläche A(R) des Widerstandskörpers, welche das Produkt aus der Breite des Films 48′ und der Dicke des Films ist, mit der Breite der Außenkontur 47.

Bei einem dritten Ausführungsbeispiel eines erfindungs­ gemäßen Sensors 18′, dargestellt in der Fig. 5, sind die Teile, die mit den des ersten und des zweiten Ausführungs­ beispiels des erfindungsgemäßen Sensors identisch sind, mit denselben Bezugszeichen versehen, so daß insofern, als keine weiteren Aussagen im Zusammenhang mit dem dritten Ausführungsbeispiel gemacht werden, auf die Ausführungen zum ersten Ausführungsbeispiel verwiesen werden kann.

Wie beim zweiten Ausführungsbeispiel ist bei dem Sensor 18′ der Trägerkörper 32′ durch den Zylinder mit konstanter Querschnittsfläche gebildet, dessen Längsachse 34′ sich ebenfalls in radialer Richtung erstreckt.

Auf der Außenmantelfläche 36′ des Trägerkörpers 32′ ist der Widerstandskörper 38′′ in Form einer wendelförmigen Wicklung eines Widerstandsdrahts 50 aufgebracht, welcher koaxial zur Längsachse 34′ auf die Außenfläche 36 aufge­ wickelt ist.

Um eine Variation des temperaturabhängig veränderlichen Widerstands des Widerstandskörpers mit dessen Erstreckung in der radialen Richtung R entsprechend der Massenstrom­ dichte zu erreichen, ist die Ganghöhe G der einzelnen auf­ einanderfolgenden Windungen 52a, b, c, ... unterschiedlich gewählt, so daß der durch den Widerstandsdraht 50 fließen­ de Strom pro Längeneinheit in der radialen Richtung einen unterschiedlich langen Weg zurückzulegen hat und somit auch der temperaturabhängige Widerstand des Widerstands­ körpers 38′′ variiert. Beispielsweise ist durch eine große Ganghöhe ein geringerer temperaturabhängig veränderlicher Beitrag des Widerstandskörpers herstellbar, während durch eine geringe Ganghöhe der Strom pro Längeneinheit in der radialen Richtung R einen größeren Weg zurücklegt und somit auch der temperaturabhängig veränderliche Beitrag des Widerstandskörpers 38′ hierbei größer ist.

Claims (15)

1. Sensor zur Ermittlung der massenstromdichtegemittelten Temperatur eines durch ein Rohr strömenden Mediums, welches im Rohr quer zur Strömungsrichtung ein Massen­ stromdichtegradient und ein Temperaturgradient auf­ weist, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (18) einen Trägerkörper (32) und ein von diesem gehaltenen Widerstandskörper (38) umfaßt, welcher von einem Meßstrom durchflossen ist und einen temperaturabhängig veränderlichen elektrischen Wider­ stand aufweist, der seinerseits zu einem entsprechend veränderlichen Spannungsabfall führt, und daß der Widerstandskörper (38) so ausgebildet ist, daß sich der temperaturabhängig veränderliche elektrische Widerstand des Widerstandskörpers (38) mit dessen Er­ streckung in Querrichtung (R) entsprechend der Massen­ stromdichte ändert.

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die stromdurchflossene Querschnittsfläche (a (R)) des Widerstandskörpers (38) mit der Erstreckung des­ selben in der Querrichtung (R) ändert.

3. Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstandskörper (38) durch eine auf den Träger­ körper (32) aufgebrachte Widerstandsmaterialschicht (48) gebildet ist.

4. Sensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandsmaterialschicht (48) ein örtlich konstanten spezifischen temperaturabhängigen Wider­ stand aufweist.

5. Sensor nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandsmaterialschicht (48) auf den Trägerkörper (32) aufgedampft ist.

6. Sensor nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Widerstandsmaterialschicht (48) eine Schicht mit einer konstanten Schichtdicke auf den Trägerkörper (32) bildet.

7. Sensor nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Variation der Querschnittsfläche der Widerstandsmaterialschicht durch eine variierende Ausdehnung der Widerstandsmaterialschicht senkrecht zur Querrichtung (R) erfolgt.

8. Sensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausdehnung der Widerstandsmaterialschicht die Oberflächenausdehnung des Trägerkörpers (32) senkrecht zur Querrichtung (R) bestimmt ist.

9. Sensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausdehnung der Widerstandsmaterialschicht (48′) in einer Richtung (49) senkrecht zur Querrichtung (R) und parallel zur Oberfläche (36′) des Trägerkörpers (32′) variiert.

10. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich der temperaturabhängige Widerstand durch Varia­ tion der Weglänge des Strompfades (52) ändert.

11. Sensor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Strompfad einen konstanten Querschnitt quer zur Stromrichtung aufweist.

12. Sensor nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeich­ net, daß der Strompfad (52) eine senkrecht zur Quer­ richtung (R) alternierend verlaufende Wegkomponente aufweist.

13. Sensor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Variation des temperaturabhängigen Widerstands durch Variation der Wegkomponente des Strompfads (52) senkrecht zur Querrichtung (R) erfolgt.

14. Sensor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Strompfad durch die Windung (52) eines Wider­ standspfads (50) festgelegt ist.

15. Sensor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Weglänge des Strompfads durch die Zahl der Windungen (52) pro Längeneinheit der Erstreckung in Querrichtung (R) variiert.