DE2061650A1

DE2061650A1 - Einrichtung zur Messung elektrosta tischer Ladung in turbulent stromenden Ma tenalien

Info

Publication number: DE2061650A1
Application number: DE19702061650
Authority: DE
Inventors: Maurice Sydney Bradford York Beck (Großbritannien)
Original assignee: NAT RES DEV
Current assignee: NAT RES DEV
Priority date: 1969-12-15
Filing date: 1970-12-15
Publication date: 1971-06-16
Also published as: GB1335963A; JPS4930477B1; DE2061650C3; US3753102A; DE2061650B2

Description

r,. ικο. Jl. HOL3EB

¹^ 9 λ υ ο:; .j; λ· λ *■* nupoKr 81873

N. 197

Augsburg, den 11. Dezember 1970

National Research Development Corporation, Kingsgate House, 66-74 Victoria Street, London S.W.l, England

Einrichtung zur Messung elektrostatischer Ladung in turbulent strömenden Materialien

Die Erfindung betrifft Einrichtungen zur Messung elektrostatischer Ladung in turbulent strömenden Materialien, n:it einer, einer Förderleitung für das betreffende Material ou;;ooraneten Elektrode, auf welcher in Abhängigkeit von der

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elektrostatischen Ladungskonzentration in dem durch die Förderleitung strömenden Material ein Potential induziert wird.

Es ist bereits bekannt, daß während des Strömens verschiedener Materialien elektrostatische Ladung erzeugt werden kann und daß es zu einer Explosions- bzw, Brandgefahr kommen kann, wenn sich diese Ladung anhäuft, beispielsweise in einem Lagerbehälter, in welchen das strömende Material hineingeleitet wird. Die Ladungserzeugung kann einerseits aufgrund der Eigennatur der strömenden Materialien, wie es bei der pneumatischen Förderung von Teilchenmaterialien, wie z,D₀ Mehl oder Zement, der Fall ist, oder andererseits aufgrund einer in dem strömenden Material enthaltenen Verunreinigung, wie beispielsweise Wasser in Petroleum, erfolgen.

Zur Abschätzung des Risikogrades in jedem besonderen Fall wäre es von Vorteil, eine Einrichtung zur Messung der elektrostatischen Ladungskonzentration entweder in dem strömenden Material oder in einem Behälter, in welchen dieses Material eingeleitet wird, vorzusehen» Ein bekanntes Meßinstrument, welches für diesen Zweck verwendbar wäre, weist eine gut-

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isolierte Elektrode, auf welcher ein von der zu messenden elektrostatischen Ladungskonzentration abhängiges Potential induziert wird, sowie einen Gleichspannungsmesser zur Messung dieses induzierten Potentials auf. Ein derartiges Instrument arbeitet jedoch infolge von Ableitungswiderstandsänderungen sehr ungenau, insbesondere wenn es in Industrieanlagen eingesetzt wird.

Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, eine Einrichtung zur Messung der elektrostatischen Ladungskonzentration innerhalb turbulent strömender Materialien anzugeben, welche genauer als bekannte Meßeinrichtungen arbeitet.

Im Sinne der Lösung dieser Aufgabe beinhaltet die Erfindung eine Einrichtung zur Messung elektrostatischer Ladung in turbulentströmenden Materialien, mit einer, einer Förderleitung für das betreffende Material zugeordneten Elektrode, auf welcher in Abhängigkeit von der elektrostatischen Ladungskonzentration in dem durch die Förderleitung strömenden Material ein Potential induziert wird, welches gemäß der Erfindung durch Schaltungen gekennzeichnet ist,

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welche auf die Größe der Wechselkomponente des infolge Turbulenz induzierten Potentials ansprechen.

Der Erfindung liegt somit die Erkenntnis zugrunde, daß bei der Messung der elektrostatischen Ladungskonzentration im Falle turbulent strömender Materialien eine viel größere Genauigkeit erzielbar ist, wenn statt der direkten Messung des Mittelwertes der Ladungskonzentration durch ein Gleichspannungsverfahren, die zufälligen Schwankungen infolge von Turbulenz durch ein Wechselspannungsverfahren ermittelt werden. Es hat sich erwiesen, daß die Strömung immer dann, wenn eine große Ladungsmenge erzeugt wird und damit eine beträchtliche Explosions- bzw. Brandgefahr besteht, normalerweise turbulent ist„

Die Wechselkomponente des infolge Turbulenz induzierten Potentials ist weißem Rauschen innerhalb eines Frequenzbandes bestimmter Breite ähnlich und es kann gezeigt werden, daß die Größe der Wechselkomponente vom Mittelwert der elektrostatischen Ladungskonzentration und von der mittleren Strömungsgeschwindigkeit abhängig ist

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Wenn die letztgenannte konstant ist, was üblicherweise in den Fällen der Fall ist, in welchen die erfindungsgemäße Einrichtung verwendet wird, so stellt die Größe der Wechselkomponente direkt ein Maß für den Mittelwert der elektrostatischen Ladungskonzentration dar.

In Weiterbildung der Erfindung kann die Meßeinrichtung derart ausgelegt sein, daß sie die Größe der Weehselkomponente anzeigt und daß sie außerdem bzw, stattdessen in Abhängigkeit vom Vorhandensein eines bestimmten Wertes der Größe der
Weehselkomponente, welcher einen bestimmten Sollwert überschreitet, einen Alarm und/oder eine Steuerung auslöst.

Im Sinne der Lösung der obengenannten Aufgabe beinhaltet die Erfindung weiterhin ein Verfahren zur Messung elektrostatischer Ladung in turbulent strömenden Materialien, bei welchem in einem ersten Schritt das betreffende Material
an einer Elektrode vorbeigefördert wird, so daß auf dieser Elektrode in Abhängigkeit von der elektrostatischen Ladungskonzentration ein Potential induziert wird, und welches
/jemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet ist, daß in
einem v/eiteren Schritt ein die Größe der Weehselkomponente des infolge Turbulenz induzierten Potentials versinnbildlichendes Signal erzeugt wird.

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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen

Pig, 1 ein Schema einer erfindungs

gemäßen Einrichtung zur Messung elektrostatischer Ladung in einem Pulvermaterial,welches innerhalb eines pneumatischen Förderers transportiert wird, und

Pig, 2 ein Ersatzschaltbild der in Pig, I

dargestellten Einrichtung,

In einem Förderer wird Pulvermaterial zu einem Schüttgutbehälter gefördert und eine Ladungsmeßeinrichtung ist vorgesehen, mittels welcher sich kontinuierlich die Gefahr einer Explosion in dem Schüttgutbehälter infolge Aufladung des Pulvers innerhalb des Förderers abschätzen läßt. Gemäß Pig, 1 weist der Förderer eine zylindrische Metallwandung 1 auf, von welcher ein Teil derart herausgeschnitten ist, daß eine halbzylindrische öffnung in der Mähe des Auslasses

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des Förderers gebildet ist_e- Innerhalb dieser Öffnung ist eine Elektrode 2 in Gestalt eines halbzylindrischen Metallbleches angeordnet, welches die gleiche Gestalt wie die Wandung 1 aufweist. Die Abmessungen der Elektrode 2 sind derart gewählt, daß zwischen ihr und der Wandung 1 ein Luftspalt von etwa 3 mm Breite gebildet ist, welcher mit .einem geeigneten dielektrischen Material 3 ausgefüllt ist, so daß die Elektrode 2 von der Wandung 1 isoliert ist ₀

Im Betrieb wird infolge der elektrostatischen Ladung auf dem durch den Förderer strömenden Pulvermaterial auf der Elektrode 2 mit Bezug auf die Wandung 1 ein Potential induziert. Im normalen Betrieb weist die Strömung eine hohe Geschwindigeit auf, so daß eine beträchtliche Turbulenz vorhanden ist; die mittlere Luftgeschwindigkeit und damit die mittlere Teilchengesehwindxgkeit längs des Förderers sind etwa konstant. Aus diesem Grund weist das induzierte Potential eine in einer Richtung wirkende Komponente bzw. Gleichkomponente, deren Größe von der mittleren elektrostatischen Ladungskonzentration in der Nähe der Elektrode abhängig ist,sowie eine durch die Turbulenz hervorgerufene V/echselkomponente auf, welche Rauschcharakter hat und deren Größe ebenfalls von der mittleren elektrostatischen Ladungs-

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konzentration in der Nähe der Elektrode 2 abhängig ist, sowie eine durch die Turbulenz hervorgerufene Wechselkomponente auf, welche Rauschcharakter hat und deren Größe ebenfalls von der mittleren elektrostatischen Ladungskonzentration in der Nähe der Elektrode 2 abhängig ist. Typischerweise beträgt der Effektivwert der Wechselkomponente etwa 30 % der Größe der Gleichkomponente_Q

Die Größe der Viechseikomponente wird mittels eines Wechselspannungsmessers 4 gemessen. Der Spannungsmesser weist einen aus Widerständen 5 und 6 bestehenden Eingangsspannungsteiler auf, welchem eine Neonröhre 7 parallelgeschaltet ist, die zur überbrückung von Spannungsstoßen infolge von Überschlägen zur Elektrode 2 dient. Der Widerstand 6 ist veränderbar, so daß die Empfindlichkeit des Spannungsmessers 4 einstellbar ist. Der Widerstand 5 habe beispielsweise einen Wert von 10 M JX und der Widerstand einen Maximalwert von 100 MjT . Die Wechselkomponente der an dem Widerstand 5 anliegenden Spannung wird von einem Wechselspannungsverstärker 8 verstärkt, welcher einen Durchlaßbereich von 1 Hz bis 4000 Hz aufweist und welcher derart ausgelegt ist, daß er in diesem Frequenzbereich

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einen hohen Eingangswiderstand, Z₀B₀ größer als 1 MjI. ,hat. Das Ausgangssignal des Verstärkers 8 wird durch eine Schaltung 9 gleichgerichtet und das sich ergebende gleichgerichtete Ausgangssignal wird einem Gleichspannungsmesser zugeführt, dessen Anzeige ein Maß für die elektrostatische Ladungskonzentration am Auslaß des Förderers ist«,

Die Beziehung zwischen der Anzeige des Gleichspannungsmessers 10 und der Explosionsgefahr für ein bestimmtes Pulvermaterial bei einer bestimmten Geschwindigkeit läßt sich empirisch durch Einleiten des von dem Förderer an seinem Auslaß abgegebenen Pulvermaterials in ein Gefäß bestimmen, in welchem eine Ladungsanhäufung unter den Bedingungen des ungünstigsten Falles stattfindet. Das Pulvermaterial und die Förderluft sollten dabei trocken sein, damit eine ausreichende Ladung erzeugt wird, welche zu einer Explosion in dem Testgefäß führt, dessen Inhalt unter dem Einfluß trockener, komprimierter Luft stehen sollte.

Äusgaßgssignal der GlelchFiehterschaltung 9 ein veränderbares Potentiometer 11 Schaltung 12 augeleitet* weiche eine Triggersslsaltiu^g tie. dan« arbeitet, wenn ihre Eingangs spannung

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einen bestimmten Pegel übersteigt, welcher einem bestimmten Sicherheitsfaktor in bezug auf die Explosionsgefahr entspricht. Durch das Arbeiten der Triggersehaltung wird ein Alarm und/oder eine automatische Steuerung zur Unterbrechung der Strömung des Pulvers in dem Förderer oder zur Befeuchtung der Luft in dem Förderer ausgelöst. Die Gleichrichterschaltung 9 weist eine Glättungszeitkonstante von etwa 5s auf, so daß kurzfristige Unregelmäßigkeiten in der Ladungskonzentration im Förderer kein falsches Arbeiten der Schaltung 12 bzw. keine unstetige Anzeige des Gleichspannungsmessers 10 verursachen.

In Fig. 2 ist die Ersatzschaltung der oben beschriebenen Einrichtung dargestellt, wobei V. bzw, V₂ die Gleich- bzw. Wechselkomponente der durch die Ladung erzeugten Spannung, C. bzw. C₂ die effektive mittlere Kapazität zwischen dem Pulvermaterial und der Elektrode 2 bzw. die Kapazität zwischen der Elektrode 2 und der Wandung 1, R₁ das Zusammenwirken der durch direkte Ableitung durch die Luft übertragenen Ladung und der durch geladene, gegen die Elektrode 2 stoßende Teilchen übertragenen Ladung darstellt, während R₂ die gemeinsame Wirkung des der Kapazität C₂ zugeordneten Ableitwiderstandes und des Eingangswiderstandes des Spannungs-

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messers k darstellt. Es ergibt sich, daß bei einer gegebenen Größe von V₂ die Größe der Wechselkomponente der an der Kapazität C₂ erscheinenden Spannung V, von den Werten von CL, C₂, R. und Rp abhängig ist» Bei Frequenzen, welche ausreichend hoch sind, so daß die Impedanzen der Kapazitäten C₁ und C₂ jeweils klein im Vergleich zu den Widerständen R₁ und R₂ sind, was in dem gesamten bzw« beinahe in dem gesamten Durchlaßbereich des Verstärkers 8 der Fall ist, können die Widerstände R₁ und R₂ vernachlässigt werden, so daß die Genauigkeit der Messung einfach von den Werten der Kapazitäten C₁ und C₂ abhängig ist. Der Wert von C₂ ist eigenstabil, während der Wert G₁ dann stabil ist, wenn die mittlere Teilchendichte über den Querschnitt des Förderers gleich ist bzw. sogar dann stabil ist, falls sich die Dichteverteilung nicht mit der Zeit ändert, wenn diese nicht gleich ist.

Dieser Fall bildet einen Gegensatz zu einer Meßeinrichtung der obengenannten bekannten Bauart, bei welcher hinsichtlich der Messung von V₁ der Spannungsmesser -4 durch einen Gleichspannungsmesser zu ersetzen wäre. In diesem Falle brauchen die Kapazitäten C₁ und C₂ nicht berücksichtigt zu werden, so daß die Meßgenauigkeit allein von der Werten

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•der Widerstände R^ und Rp abhängig wäre. Da sich jedoch R₁ mit der Luftfeuchtigkeit ändern kann und da Rp verglichen mit R₁ klein ist und sich mit der Luftfeuchtigkeit und mit dem Sauberkeitszustand der Isolation der Meßelektrode ändern kann, wäre die Messung in diesem Falle stark fehlerbehaftet.

Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf Gas/ Peststoffsysteme beschränkt, wie bei der oben als Beispiel beschriebenen Einrichtung, sondern die Erfindung ist auch bei Systemen anwendbar, bei welchen das strömende Material eine flüssige Phase aufweist.

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Claims

Patentansprüche;

( 1_β !Einrichtung zur Messung elektrostatischer Ladung in turbulent strömenden Materialien, mit einer, einer Förderleitung für das betreffende Material zugeordneten Elektrode, auf welcher in Abhängigkeit von der elektrostatischen Ladungskonzentration in dem durch die Förderleitung strömenden Material ein Potential induziert wird, gekennzeichnet durch Schaltungen (4, 12), welche auf die Größe der Wechselkomponente des infolge Turbulenz induzierten Potentials ansprechen«
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Förderleitung (1) ein pneumatischer

( Förderer ist.

3# Verfahren zur Messung elektrostatischer Ladung in turbulent strömenden Materialien, bei welchem in einem

ersten Schritt das betreffende Material an einer Elektrode j ' . . . ...■"■■;.

vorbeigefördert wird, so daß auf dieser Elektrode in / Abhängigkeit von der elektrostatischen Ladungskonzentration ein Potenzial induziert wird, daduroh gekennzeichnet,

ORlGWAl. INSPECTED

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daß in einem weiteren Schritt ein die Größe der Wechselkomponente des infolge Turbulenz induzierten Potentials versinnbildlichendes Signal erzeugt wird.

4, Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das strömende Material ein pneumatisch gefördertes Teilchenmaterial ist.

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