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WO2004090477A1 - Vorrichtung zum messen der strömmungsgeschwindigkeit eines massenflusses - Google Patents

Vorrichtung zum messen der strömmungsgeschwindigkeit eines massenflusses Download PDF

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WO2004090477A1
WO2004090477A1 PCT/AT2004/000123 AT2004000123W WO2004090477A1 WO 2004090477 A1 WO2004090477 A1 WO 2004090477A1 AT 2004000123 W AT2004000123 W AT 2004000123W WO 2004090477 A1 WO2004090477 A1 WO 2004090477A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
mass flow
measuring
electrode means
point
electrodes
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/AT2004/000123
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Georg Brasseur
Anton Fuchs
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Technische Universitaet Graz
Original Assignee
Technische Universitaet Graz
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Technische Universitaet Graz filed Critical Technische Universitaet Graz
Publication of WO2004090477A1 publication Critical patent/WO2004090477A1/de
Priority to US11/246,844 priority Critical patent/US20060037407A1/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/704—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow using marked regions or existing inhomogeneities within the fluid stream, e.g. statistically occurring variations in a fluid parameter
    • G01F1/708—Measuring the time taken to traverse a fixed distance
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/56—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using electric or magnetic effects
    • G01F1/64—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using electric or magnetic effects by measuring electrical currents passing through the fluid flow; measuring electrical potential generated by the fluid flow, e.g. by electrochemical, contact or friction effects

Definitions

  • the invention relates to a method for determining the speed of a mass flow from powdery / granular bulk material in a line.
  • the invention also relates to a device for carrying out the method.
  • DE 4025 952 AI describes the measurement of the flow velocity of fine-grained bulk materials in a pneumatic or hydraulic suspension by means of a contactless measurement using capacitive sensors.
  • Two sensor electrodes are spatially opposite a sensor electrode on the outside of a measuring tube, an AC voltage being applied in phase opposition to the sensor electrodes. Downstream or upstream thereof, two transmitter electrodes and a sensor electrode are again provided, with the feed being carried out at a different frequency.
  • Statistical fluctuations are recorded using phase-sensitive rectifiers and signal processing by means of cross-correlation, and the flow velocity is deduced from these.
  • a similar measuring arrangement with 'two pairs of electrodes is known from DE 39 09 177 AI.
  • statistical fluctuations of the mass flow here coal dust, are recorded and evaluated after high signal amplification with the aid of phase-sensitive rectifiers and a delay time correlator.
  • a measuring arrangement described in WO 01/65212 A1 uses two spaced-apart, ring-shaped capacitance sensors, each surrounding a flow tube, with at least three electrodes each. Flow parameters are obtained by recording changes in capacitance at the two sensors and cross-correlation.
  • a disadvantage of these known measurement methods is the high outlay for signal evaluation, which is often caused by only very small fluctuation signals, in particular if the method is to be used under actual industrial conditions.
  • DE 3049 019 AI describes a method in which the bulk material is fluidized and two from a marking impressed on the bulk material (for example an air pulse impressed by a valve) via two electrodes which are located at the beginning and at the end of a predetermined distance Signals are derived, the time interval is determined. Apart from the fact that this process requires fluidization of the bulk material, This method requires the use of two electrodes at different locations, both of which are different from the level at which the disturbance is introduced.
  • An object of the invention is to provide a method and a measuring arrangement which are suitable for practical use and which provide reliable measurement results even in a difficult environment.
  • the number of measured values per unit of time should be large enough to be able to detect changes in the transport speed of the mass flow quickly enough.
  • the invention makes use of the fact that the introduced disturbances - in contrast to random occurring disturbances - are well known both with regard to the location and the point in time of their occurrence, as a result of which the measurement and evaluation is considerably simpler than when based on statistical disturbances. Measurement is even possible without using correlation methods.
  • the application of electrodes at several points is not necessary (measuring several points can, of course, provide greater accuracy), since the signal is always evaluated in relation to the fault location and not with regard to the difference between two measuring points ,
  • the disturbances introduced influence the complex conductivity of the mass flow and this with the aid of the electrode means and the evaluation circuit is determined at the at least one measuring point, since methods and devices which have been tried and tested are available to the person skilled in the art for measuring the complex conductivity.
  • a medium is introduced into the mass flow at the point of failure, the conductivity of which differs markedly from that of the bulk material or that the introduced disturbances lead to a local change in the dielectric constant of the mass flow.
  • an electrical interference field strength is generated at the at least one fault location.
  • the field strength can be chosen so large that periodic discharges occur.
  • the frequency of the AC measurement voltage is in the range from 10 6 to 10 9 Hz, since the measurements can be carried out with good accuracy and without too much effort in this range.
  • a device for carrying out the method according to the invention cited above with its variants, which is characterized by a measuring section of a line in which a device for introducing periodic disturbances influencing the electrical properties of the mass flow and downstream of the fault point is installed at at least one fault point At least one measuring point is provided with an electrode means, which is connected to an evaluation circuit.
  • an electrode means is provided at at least two measuring points that are spaced apart in the flow direction.
  • the electrode means should have a pair of electrodes.
  • a further refinement of the measurement can result if the electrode means of each measuring point has at least two pairs of electrodes.
  • an electrode of the electrode means is formed by the line wall or a section of the line wall.
  • a recommended variant provides that a separate evaluation circuit is provided for the electrode means of each measuring point.
  • electrode pairs from different measuring points are connected in parallel and connected to a common evaluation circuit.
  • FIG. 3 shows a schematic section similar to FIG. 1b, supplementing a measuring arrangement according to the invention
  • La, b shows a measuring section of a line LTG, which is made of plastic, for example, and through which a mass flow in the direction of arrow F takes place. It can be z. B. are granular or powdery material that is suspended in air or other gas is promoted. Examples are grain, flour, coal dust, cement, etc.
  • a disturbance can be introduced into the mass flow that influences or changes the electrical properties of the mass flow.
  • water can be injected into the mass flow using nozzles D1 ... D3, for example. This is possible, for example, in a concrete mixing plant to which cement dust is supplied by compressed air.
  • the conveying speed and, via the known or to be determined mass density of the conveying flow, the mass flow per unit of time are to be recorded.
  • the injection of water which may be slightly acidified, leads to a strong local increase in conductivity.
  • measuring electrodes ME1 ... ME6 are arranged at a measuring point MST on the circumference of the tubular line 1 in this example, e.g. B. glued to the outside of the pipe 1.
  • the measuring electrodes ME1 ... ME6 can be interconnected in different ways, it being essential that the displacement current is measured through a capacitor with the aid of an evaluation or measuring device and the dielectric of which is at least partly the mass flow in the pipeline. It is understood that in the simplest case two electrodes, i. H. one pair of electrodes is sufficient at the measuring point.
  • the tube wall can form an electrode and one or more electrodes must then be suitably insulated from the metallic tube and with the tube as a counter electrode can work together.
  • a possible evaluation circuit for the method according to the invention is described below with reference to FIG. 3.
  • a generator GEN supplies a high-frequency transmission signal S g for feeding the electrodes ME1 ... ME6 and possibly also clock signals sat, s S i, s e ; which are used in the manner described later to trigger switching operations be used.
  • the clock signals mentioned can be generated in a clock preparation TAB on the basis of a time clock s c supplied by the generator GEN.
  • a reception circuit REV is provided, which contains a filter FIL and a demodulator DEM and possibly an amplifier AMP and which delivers an output signal s a which, after appropriate processing , delivers the speed of the mass flow.
  • Controlled switches Ei, Si, ..., E ⁇ , S ⁇ allow receiving and transmitting electrodes to be controlled, ie selected, from the six electrodes ME1 ... ME6.
  • the controlled switches Et, Si are driven by the clock signals s S i and Sei, the signals s S i and s e i having complementary values, ie being inverted with respect to one another, so that each switch Si is switched on and the associated switch Ei is switched off, and can either be sent or received at an electrode MEi.
  • FIG. 3 it can be seen that in the case of transmission the transmission signal s g is applied directly to an electrode MEi, whereas in the case of reception the signal s e i received at the electrode is switched through to the reception circuit REV.
  • the disturbance introduced at the disturbance point SST is carried away by the speed of the conveyed material flow and also experiences a theological decay according to the speed profile prevailing in the pipe.
  • the field strength arrows emanating from the (transmitting) electrode MEl change due to the influence of the disturbance. For example, a higher potential will be available at the (receiving) electrode ME2 than in undisturbed state, whereas the measured potential at the (receiving) electrode ME6 will be smaller. Because of the high dielectric constant of the disturbance in the present case, fewer field lines go from the (transmitting) electrode ME1 to the (receiving) electrode ME6, because due to the anisotropy that arises, more field lines with preferential direction go to the (receiving) electrode ME2. With reference to FIGS.
  • FIG. 6 shows a block diagram to facilitate understanding of the method according to the invention.
  • “jamming vibrators” are used to denote the nozzles, but in general it is possible to introduce disturbances that influence the electrical properties of the mass flow. For example, electrical discharges can also be involved.
  • the weighted center of gravity results in the mean transport speed at which the speed profile in line 1 is taken into account.
  • the latter is also calculated in the evaluation circuit for speed profile shown in FIG. 6, the filtered and amplified demodulated received signals of the electrodes on the one hand and the counter reading on the other hand being supplied to the evaluation circuit as input variables.
  • the counter is reset when the potential values of the receiving electrodes fall back to the level of the undisturbed distribution.
  • the timing is dimensioned that shortly afterwards the control signal for the nozzle D2 will appear and this nozzle will inject.
  • the nozzle D2 is actuated at the time ts, it injects the disturbance into the flow of material to be conveyed, and at the same time the counter is started and the electrode ME5 is switched to “send”, all other electrodes being switched to “received” at the same time , This has already been explained in connection with the electrode in the EL which acts as the transmitting electrode. The disturbance will spread again and it will be measured again in the manner described above.
  • the signals s e i of the measuring electrodes which are fed to the evaluation circuit for the speed profile, can have a profile as in FIG. 7 when the measuring electrode ME1 is used as the transmitting electrode.
  • the ordinate shows the signal curve of the received voltage signal after the receiving circuit REV as a function of the counter reading.
  • the highest signal level is palpable at the measuring electrode ME2 - a disturbance at the edge of the pipe has a particularly large influence on the received signal.
  • the largest information about the entire cross-section is obtained at the measuring electrode ME4 (opposite electrode of the transmitting electrode) - even faster transported particles in the middle of the tube are in this arrangement between the transmitting and receiving electrodes and thus influence the received signal in the event of a fault.
  • the reception signals are centered.
  • the counter reading is a measure of when the fault occurs in the measuring point the time in which the fault has moved the defined distance (do).
  • Averaging center of gravity
  • Fig. 8 shows such a center of gravity using the measuring electrode ME2 as an example.
  • the distance traveled dO per time value tm gives the average transport speed.

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Abstract

Ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen der Geschwindigkeit eines Massenflusses aus pulvrigem/körnigem Schüttgut in einer Leitung (1), wobei an zumindest einer ersten Stelle der Leitung ("Störungsstelle") (SST) periodische Störungen in den Massenfluss eingebracht werden, welche dessen elektrische Eigenschaften beeinflussen, und an zumindest einer zweiten, stromab der Störungsstelle gelegenen, Stelle ("Messstelle") (MST) mit Hilfe eines Elektrodenmittels (ME1. .. ME6) ein elektrischer Strom durch den Massenfluss erzeugt wird und mittels einer Auswerteschaltung (REV) vorübergehend auftretende, auf den stromauf eingebrachten Störungen beruhende Änderungen des Stroms gemessen werden, und aus der zeitlichen Abhängigkeit zwischen gemessenen Änderungen und eingebrachter Störung die Geschwindigkeit des Massenflusses ermittelt wird.

Description

VORRICHTUNG ZUM MESSEN DER STRÖMUNGSGESCHWINDIGKEIT EINES MASSENFLUSSES
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Bestimmen der Geschwindigkeit eines Massenflusses aus pulvrigem/ körnigem Schüttgut in einer Leitung.
Ebenso bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Zum Messen der Strömungsgeschwindigkeit eines Massenflusses sind viele Verfahren und entsprechende Vorrichtungen bekannt geworden. So beschreibt beispielsweise die DE 4025 952 AI die Messung der Strömungsgeschwindigkeit von feinkörnigen Schüttgütern in einer pneumatischen oder hydraulischen Suspension durch eine berührungslose Messung mit kapazitiven Sensoren. Dabei liegen an der Außenseite eines Messrohres zwei Geberelektroden einer Sensorelektrode räumlich gegenüber, wobei an die Geberelektroden eine Wechselspannung gegenphasig angelegt wird. Stromab oder stromauf davon sind nochmals zwei Geberelektroden und eine Sensorelektrode vorgesehen, wobei hier die Speisung mit einer anderen Frequenz erfolgt. Unter Verwendung phasenempfindlicher Gleichrichter und einer Signalverarbeitung durch Kreuzkorrelation werden statistische Fluktuationen erfasst und aus diesen wird auf die Fließgeschwindigkeit geschlossen. Eine ähnliche Messanordnung mit' zwei Elektrodenpaaren geht aus der DE 39 09 177 AI als bekannt hervor. Ebenso wie bei dem zuvor genannten Dokument erfolgt die Erfassung und Auswertung statistischer Fluktuationen des Massenstroms, hier Kohlenstaub, nach hoher Signalverstärkung mit Hilfe von phasenempfmdlichen Gleichrichtern und eines Laufzeitkorrelators.
Eine in der WO 01/65212 AI beschriebene Messanordnung verwendet zwei in Abstand voneinander gelegene, ringförmige, außen ein Durchflussrohr umgebende Kapazitätssensoren mit zumindest je drei Elektroden. Strömungsparameter werden durch Erfassung von Kapazitätsänderungen an den beiden Sensoren und Kreuzkorrelation gewonnen.
Nachteilig an diesen bekannten Messverfahren ist der durch oft nur sehr kleine Fluktuationssignale bedingte hohe Aufwand für die Signalauswertung, insbesondere wenn das Verfahren bei tatsächlichen Industriebedingungen eingesetzt werden soll.
In der DE 3049 019 AI ist ein Verfahren beschrieben, bei dem das Schüttgut fluidisiert wird und aus einer dem Schüttgut aufgeprägten Markierung (z.B. ein durch ein Ventil eingeprägter Luftimpuls) über zwei Elektroden, die sich am Anfang und am Ende einer vorgegebenen Wegstrecke befinden, zwei Signale abgeleitet werden, deren zeitlicher Abstand ermittelt wird. Abgesehen davon, dass dieses Verfahren eine Fluidisierung des Schüttguts erfordert, erf ordert dieses Verfahren den Einsatz zweier Elektroden an verschiedenen Orten, die beide verschieden sind vom Einbringebene der Störung.
Ein besonderes Problem stellt ganz allgemein die Messung bei pulvrig/ körnigem Schüttgut dar. Während es zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit von Flüssigkeit und Gasen viele, zum Teil sehr unterschiedliche, jedoch genau und zufriedenstellend arbeitende Verfahren gibt, ist dies insbesondere bei abrasiv wirkendem Schüttgut, wie beispielsweise einem Zement/ Luft-Strom, nicht der Fall, zumal sich hier invasive Verfahren, z. B. Elektroden in dem Massenstrom, nicht anwenden lassen.
Eine Aufgabe der Erfindung liegt in der Schaffung eines Verfahrens und einer Messanordnung, welche für die Praxis geeignet sind und auch in schwieriger Umgebung zuverlässige Messergebnisse liefern. Dabei soll die Anzahl der Messwerte je Zeiteinheit groß genug sein, um Änderungen der Transportgeschwindigkeit des Massenstroms rasch genug erfassen zu können.
Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, bei welchem erfindungsgemäß an zumindest einer Störungsstelle der Leitung periodische Störungen in den Massenfluss eingebracht werden, welche dessen elektrische Eigenschaften beeinflussen, und an zumindest einer, stromab der Störungsstelle gelegenen, Messstelle mit Hilfe eines Elektrodenmittels ein Strom durch den Massenfluss erzeugt wird und mittels einer Auswerteschaltung vorübergehend auftretende, auf den stromauf eingebrachten Störungen beruhende Änderungen des Stroms gemessen werden, und aus der zeitlichen Abhängigkeit zwischen gemessenen Änderungen und eingebrachter Störung die Geschwindigkeit des Massenflusses ermittelt wird.
Die Erfindung macht sich zunutze, dass die eingebrachten Störungen - im Gegensatz zu zufällig auftretenden Störungen - sowohl hinsichtlich des Ortes als auch des Zeitpunktes ihrer Entstehung wohl bekannt sind, wodurch die Messung und Auswertung wesentlich einfacher ist, als bei Stützung auf statistische Störungen. Es ist sogar eine Messung ohne Anwendung von Korrelationsverfahren möglich. Im Gegensatz zur DE 3049 019 AI ist die Anbringung von Elektroden an mehreren Stellen nicht erforderlich (die Messung mehreren Stellen kann natürlich eine höhere Genauigkeit erbringen), da das Signal immer in Bezug auf die Störstelle ausgewertet wird, und nicht hinsichtlich des Unterschieds zwischen zwei Messstellen.
Vorteilhaft ist es, wenn die eingebrachten Störungen die komplexe Leitfähigkeit des Massenstroms beeinflussen und diese mit Hilfe des Elektrodenmittels und der Auswerteschaltung an der zumindest einen Messstelle ermittelt wird, da dem Fachmann zur Messung der komplexen Leitfähigkeit erprobte Verfahren und Geräte zur Verfügung stehen. Dabei kann insbesondere vorgesehen sein, dass an der Störungsstelle ein Medium in den Massenfluss eingebracht wird, dessen Leitfähigkeit von jenem des Schüttguts merklich abweicht bzw. dass die eingebrachten Störungen zu einer lokalen Änderung der Dielektrizitätszahl des Massenflusses führen.
Je nach Art des Schüttgutes kann man auch mit Vorteil vorsehen, dass an der zumindest einen Störungsstelle eine elektrische Störfeldstärke erzeugt wird. Hierbei kann die Feldstärke so groß gewählt werden, dass periodische Entladungen auftreten.
Zweckmäßig ist es auch, wenn mit Hilfe des Elektrodenmittels und der Auswerteschaltung an der zumindest einen Messstelle ein Verschiebungsstrom gemessen wird.
In der Praxis ist es angebracht, wenn die Frequenz der Messwechselspannung im Bereich von 106 bis 109 Hz Hegt, da sich in diesem Bereich die Messungen mit guter Genauigkeit und ohne zu hohen Aufwand durchführen lassen.
Die Aufgabe wird auch mit einer Vorrichtung zur Durchführung des oben zitierten erfindungsgemäßen Verfahrens mit seinen Varianten gelöst, die gekennzeichnet ist durch einen Messabschnitt einer Leitung, bei welchem an zumindest einer Störungsstelle eine Einrichtung zum Einbringen periodischer, elektrische Eigenschaften des Massenflusses beeinflussender Störungen und stromab der Störungsstelle an zumindest einer Messstelle ein Elektrodenmittel vorgesehen ist, das an eine Auswerteschaltung angeschlossen ist.
Zur Erhöhung der Messgenauigkeit und Empfindlichkeit kann es zweckmäßig sein, wenn an zumindest zwei, in Strömungsrichtung in Abstand voneinander gelegenen Messstellen je ein Elektrodenmittel vorgesehen ist.
Bei einer vorteilhaften Variante ist vorgesehen, dass das Elektrodenmittel zustündest ein Elektrodenpaar aufweist.
Eine weitere Verfeinerung der Messung kann sich ergeben, falls das Elektrodenmittel jeder Messstelle zumindest zwei Elektrodenpaare aufweist.
Im Falle metallischer Leitungen oder Rohre besteht eine mögliche und zweckmäßige Variante darin, dass eine Elektrode des Elektrodenmittels von der Leitungswandung oder einem Abschnitt der Leitungswandung gebildet ist. Besonders vorteilhaft, da keinerlei Eingriffe in eine vorhandene Leitung erfordernd, ist eine Ausbildung, bei welcher die Elektroden des Elektrodenmittels an der Außenseite eines die Leitung bildenden isolierten Rohres angeordnet sind.
Eine empfehlenswerte Variante sieht vor, dass für das Elektrodenmittel jeder Messstelle eine gesonderte Auswerteschaltung vorgesehen ist.
Andererseits kann es in machen Fällen zweckmäßig sein, wenn Elektrodenpaare verschiedener Messstellen parallel geschaltet und an eine gemeinsame Auswerteschaltung angeschlossen sind.
Die Erfindung samt weiteren Vorteilen ist im Folgenden anhand beispielsweiser Aus- führungsformen näher erläutert, die in der Zeichnung veranschaulicht sind. In dieser zeigen
Fig. la und lb in einer Seitenansicht bzw. in einem Schnitt schematisch eine von einem Massenfluss durchströmte Leitung mit Messelektroden und einer Störungseinbringung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung,
Fig. 2a und 2b in einer Darstellung wie Fig. la und lb die Fortpflanzung einer eingebrachten Störung in Flussrichtung,
Fig. 3 einen schematischen Schnitt ähnlich Fig. lb, ergänzt u eine Messanordnung nach der Erfindung,
Fig. 4 in einem Zeitdiagramm das periodisch aufeinanderfolgende, umfangversetzte
Einbringen von Störungen anhand der entsprechenden Steuersignale,
Fig. 5a bis 5i in axialer Richtung gesehen die Ausbreitung einer Störung in einem Rohr bei zeitlich und um 120° versetztem Einbringen von Störungen,
Fig. 6 den Messablauf in einem Blockdiagramm,
Fig. 7 zeitliche Verläufe der Signale der Messelektroden und
Fig. 8 die Schwerpunktbildung an einem der Signale der Fig. 7.
Aus Fig. la, b geht ein Messabschnitt einer Leitung LTG hervor, die beispielsweise aus Kunststoff besteht, und durch welche ein Massenfluss in Richtung des Pfeils F stattfindet. Dabei kann es sich z. B. um körniges oder pulverförmiges Material handeln, das in Luft oder einem anderen Gas suspendiert gefördert wird. Beispiele sind Getreide, Mehl, Kohlenstaub, Zement, etc. An einer Störungsstelle SST kann eine Störung in den Massenfluss eingebracht werden, welche die elektrischen Eigenschaften des Massenflusses beeinflusst bzw. ändert. Wenn es die Umstände erlauben, kann beispielsweise mit Hilfe von Düsen Dl ... D3 Wasser in den Massenfluss eingespritzt werden. Dies ist etwa bei einer Betonmischanlage möglich, welcher Zementstaub durch Druckluft zugeführt wird. Mit Hilfe der Erfindung soll die Fördergeschwindigkeit und, über die bekannte oder zu ermittelnde Massendichte des Förderstroms, der Massenfluss je Zeiteinheit erfasst werden. Das Einspritzen von Wasser, das gegebenenfalls leicht angesäuert sein kann, führt zu einer starken lokalen Erhöhung der Leitfähigkeit.
In einem Abstand stromab der Strömungsstelle SST sind an einer Messstelle MST an dem Umfang der rohrf örmigen Leitung 1 bei diesem Beispiel sechs Messelektroden MEl ... ME6 angeordnet, z. B. außen auf die Rohrleitung 1 aufgeklebt. Die Messelektroden MEl ... ME6 können auf verschiedene Art zusammengeschaltet werden, wobei wesentlich ist, dass mit Hilfe einer Auswerte- oder Messeinrichtung der Verschiebungsstrom durch einen Kondensator gemessen wird und dessen Dielektrikum zumindest zum Teil der Massenfluss in der Rohrleitung ist. Es versteht sich, dass im einfachsten Fall zwei Elektroden, d. h. ein Elektro- denpaar, an der Messstelle genügen.
Bezüglich der Ausgestaltung und Anordnung der Messelektroden sind viele Varianten möglich. Falls die Leitung oder das Rohr nicht aus Kunststoff bzw. einem anderen isolierenden Material besteht, sondern aus Metall, kann die Rohrwandung eine Elektrode bilden und eine oder mehrere Elektroden müssen dann, in geeigneter Weise von dem metallischen Rohr isoliert sein und mit dem Rohr als Gegenelektrode zusammenwirken können.
Fig. 2a und 2b zeigen das Fortschreiten einer Strömung S, die z. B. durch Einspritzen eines Wasserstrahls an der Störungsstelle SST als Störung So entsteht, nach einer gewissen Zeit stromab in Flussrichtung F als Störung Si und schließlich an der Messstelle als bereits stark verzerrte Störung S vorliegt. Die Verzerrung ist eine Folge des nicht konstanten Geschwindigkeitsprofils der Störung über dem Querschnitt der Leitung 1.
Es sei bereits hier angemerkt, dass es möglich ist, Messungen der Strömung auch an zwei oder mehreren Messstellen durchzuführen, um die Genauigkeit der Messung zu erhöhen.
Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die Fig. 3 eine mögliche Auswerteschaltung für das Verfahren nach der Erfindung beschrieben. Ein Generator GEN liefert ein hochfrequentes Sendesignal Sg zur Anspeisung der Elektroden MEl ... ME6 und gegebenenfalls auch Taktsignale sat, sSi, se;, die in später beschriebener Weise zur Auslösung von Schaltvorgängen verwendet werden. Die genannten Taktsignale können in einer Taktaufbereitung TAB, ausgehend von einem von dem Generator GEN gelieferten Zeittakt sc erstellt werden. Andererseits ist eine Empfangsschaltung REV vorgesehen, die ein Filter FIL und einen Demodulator DEM sowie gegebenenfalls einen Verstärker AMP beinhaltet und die ein Ausgangssignal sa liefert, das nach entsprechender Verarbeitung die Geschwindigkeit des Massenflusses liefert.
Gesteuerte Schalter Ei, Si, ..., Eβ, Sβ gestatten es Empfangs- und Sendeelektroden aus den sechs Elektroden MEl ... ME6 anzusteuern, d. h. auszuwählen. Die gesteuerten Schalter Et, Si werden von den Taktsignalen sSi und Sei angesteuert, wobei die Signale sSi und sei komplementäre Werte besitzen, d. h. zueinander invertiert sind, sodass jeder Schalter Si eingeschaltet und der zugehörige Schalter Ei ausgeschaltet ist, und an einer Elektrode MEi entweder gesendet oder empfangen werden kann. Im Zusammenhang mit Fig. 3 ist ersichtlich, dass im Sendefall das Sendesignal sg direkt an eine Elektrode MEi angelegt wird, wogegen im Empfangsfall das an der Elektrode empfangene Signal sei zu der Empfangsschaltung REV durchgeschaltet wird.
Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel und zeitlich versetzten Ansteuersignalen STI für die Störungsansteuerungen DA1, DA2, DAS, z. B. im Falle einer Flüssigkeitseinspritzung Magnetventile, geht man von einem relativ homogenen Fördergutstrom aus. Die Düse Dl erhält gemäß Fig. 4 zum Zeitpunkt Tl ein Steuersignal zur Störeinspritzung, die in Form eines gebündelten Wasserstrahls in den Fördergutstrom eingebracht wird. Mit der steigenden Flanke des Steuersignals für die Düse Dl wird zeitgleich auch ein Zähler gestartet und die Elektrodensteuerung schaltet die Messelektrode MEl auf „senden" und alle weiteren Elektroden auf Empfang. Dies geschieht mit Hilfe der Signale sSi und sei der Taktaufbereitung TAB, wobei dann der Schalter SI aktiv und der Schalter El inaktiv ist und die Schalter S2 bis S6 inaktiv und die Schalter E2 bis E6 aktiv. Wenn die Störung S noch nicht die Messstelle MST bzw. deren empfindlichen Bereich erreicht hat, ändern sich die Amplituden der Empfangssignale an den einzelnen Empfangselektroden nur geringfügig durch auftretende natürliche statistische Fluktuationen im Fördergutstrom und können als annähernd konstant betrachtet werden.
Die an der Störstelle SST eingebrachte Störung wird wie bereits in Fig. 2a gezeigt, durch die Geschwindigkeit des Fördergutstroms verschleppt und erfährt dabei auch einen Theologischen Zerfall gemäß dem im Rohr vorherrschenden Geschwindigkeitsprofil.
Wird die Störung durch die Düse Dl an der Messstelle MST wirksam, so ändern sich die von der (Sende)Elektrode MEl ausgehenden Feldstärkepfeile durch den Einfluss der Störung. An der (Empfangs)Elektrode ME2 wird beispielsweise ein höheres Potential greifbar sein, als im ungestörten Zustand, wogegen an der (Empfangs)Elektrode ME6 das gemessene Potential kleiner sein wird. Wegen der im vorliegenden Fall hohen Dielektrizitätszahl der Störung gehen weniger Feldlinien von der (Sende)Elektrode MEl zur (Empfangs)Elektrode ME6, weil durch die entstandene Anisotropie mehr Feldlinien mit Vorzugsrichtung zu der (Emp- fangs)Elektrode ME2 gehen. Unter Bezugnahme auf die Fig.5a bis 5i erkennt man, dass nicht die gesamte Störung zum selben Zeitpunkt an der Messstelle MST wirksam ist. Durch das in dem Rohr 1 bzw. der Leitung vorherrschende Geschwindigkeitsprofil gibt es schneller beförderte Teile in der Rohrmitte und langsamere am Rohrrand. Von der Störung betroffene Teilchen, beispielsweise von Zementstaub, die dann eine relative Dielektrizitätszahl von annähernd 80 aufweisen und die weiter von Elektroden entfernt sind, haben aufgrund der Sensitivitätsverteilung der gezeigten Elektrodenkonfiguration geringeren Einfluss auf die Empfangssignale als gestörte Partikel nahe dem Rohrrand. Für jeden Bereich im Leitungsquerschnitt, in dem sich gestörte Partikel befinden, ergibt sich eindeutig eine Potentialverteilung an den Elektroden MEl bis ME6. Kennt man das rheologische Modell, welches den Zerfall der Störung im Rohr beschreibt und besitzt man Daten hinsichtlich der Art der Störung (z.B. Form des Strahls, Einspritzmenge und Einspritztiefe), so ist diese Potentialzuweisung eindeutig und liefert auch bei Verwendung lediglich einer einzigen Messebene ein Geschwindigkeitsprofil des in der Leitung transportierten Schüttguts.
Fig. 6 zeigt eine Blockdarstellung zur Erleichterung des Verständnisses des erfindungsgemäßen Verfahrens. Mit „Störeiribringer" sind für den speziellen Fall einer Einspritzung die Düsen bezeichnet, doch können ganz allgemein Störungen eingebracht werden, welche die elektrischen Eigenschaften des Massenflusses beeinflussen. Es kann sich beispielsweise auch um elektrische Entladungen handeln. Das Störeinbringer-Steuersignal ist das in Fig. 3 mit Sdi bezeichnete Signal zur Ansteuerung der Düsen, wobei in Fig. 6 aus dem Block „Stör- einbringer-Steuersignar' auch die Ansteuerung der eigentlichen Elektrodensteuerung mit den Signalen sSi und sei abgeleitet wird.
Wird das gemessene Potential an jeder Empfangselektrode zum jeweiligen Zählerstand des in Fig. 6 eingezeichneten Zählers erfasst, so ergibt sich jeweils durch gewichtete Schwerpunktbildung die mittlere Transportgeschwindigkeit, bei welcher das Geschwindigkeitsprofil in der Leitung 1 berücksichtigt ist. In der in Fig. 6 gleichfalls gezeigten Auswerteschaltung für Geschwindigkeitsprofil wird letzteres berechnet, wobei der Auswerteschaltung als Eingangsgrößen die gefilterten und verstärkten demodulierten Empfangssignale der Elektroden einerseits und der Zählerstand andererseits zugeführt werden.
Der Zähler wird zurückgesetzt, wenn die Potentialwerte der Empfangselektroden wieder auf ein Niveau der ungestörten Verteilung zurückfallen. Die zeitliche Steuerung ist so bemessen, dass kurz darauf das Steuersignal für die Düse D2 auftreten und diese Düse einspritzen wird. Wie aus Fig. 4 hervorgeht, wird zum Zeitpunkt ts die Düse D2 angesteuert, sie spritzt die Störung in den Fördergutstrom und zugleich wird der Zähler gestartet und die Elektrode ME5 auf „senden" geschaltet, wobei gleichzeitig sämtliche anderen Elektroden auf „empfangen" geschaltet werden. Dies wurde bereits im Zusammenhang mit der als Sendeelektrode wirkenden Elektrode im El erläutert. Die Störung wird sich wieder ausbreiten und es wird in der oben beschriebenen Weise erneut gemessen.
Zum Zeitpunkt t9 laufen die beschriebenen Vorgänge sinngemäß mit der angesteuerten Düse D3 und der Elektrode ME3 als einziger Sendeelektrode der Konfiguration ab, wogegen sämtliche anderen Elektroden sich im Empfangsbetrieb befinden.
Danach wiederholt sich der gesamte Messzyklus, wieder mit Düse Dl beginnend.
Die Signale sei der Messelektroden, die der Auswerteschaltung für das Geschwindigkeitsprofil zugeführt werden, können bei Beschallung von der Messelektrode MEl als Sendeelektrode einen Verlauf wie in Fig. 7 haben.
Auf der Ordinate ist der Signalverlauf des empfangenen Spannungssignals nach der Empfangsschaltung REV in Abhängigkeit des Zählerstandes dargestellt. Der größte Signalpegel ist an der Messelektrode ME2 greifbar - hier hat eine am Rohrrand liegende Störung besonders großen Einfluss auf das empfangene Signal. Die größte Information über den gesamten Querschnitt erhält man an der Messelektrode ME4 (gegenüberliegende Elektrode der Sendeelektrode) - auch schneller beförderte Partikel in der Rohrmitte liegen in dieser Anordnung zwischen Sende- und Empfangselektrode und beeinflussen somit im Störungsfall das Empfangssignal.
Kennt man zu jedem Stand des Zählers die empfangenen Spannungswerte der Empfangselektroden ME2...ME6, so kann auf die Verteilung der von der Störung betroffenen Partikel zurückgerechnet werden. Eine zweite Möglichkeit wäre die Vorgabe von bekannten Störungsprofilen: Zu jedem Zeitpunkt (bzw. Zählerstand) ti werden hier die Werte der fünf Empfangselektroden aufgenommen. Diese fünf Werte werden mit Werten bekannter Profile verglichen und eine Verteilung angenähert (best fitting). Das Geschwindigkeitsprofil wird über die zeitliche Änderung dieser Verteilung ermittelt.
Zur Ermittlung der mittleren Transportgeschwindigkeit wird eine Schwerpunktbildung der Empfangssignale durchgeführt. Durch das Zurücksetzen des Zählers zum Zeitpunkt der Störeinbringung ist der Zählerstand, bei Auftreten der Störung in der Messstelle, ein Maß für die Zeit, in der sich die Störung die definierte Strecke (do) weiterbewegt hat. Eine Mittelung (Schwerpunktbildung) ermöglicht die Messung der mittleren Transportgeschwindigkeit. Abb. 8 zeigt eine solche Schwerpunktbildung am Beispiel der Messelektrode ME2. Die zurückgelegte Strecke dO pro Zeitwert tm ergibt die mittlere Transportgeschwindigkeit.
Zur Ermittlung des Massenflusses ist es für die meisten Anwendungen ausreichend, die mittlere Transportgeschwindigkeit und das Geschwindigkeitsprofil messtechnisch zu erfassen. Für die Verteilung der Partikel in der Förderleitung sind sehr genaue Partikelvertei- lungsmodelle verfügbar, die Schwerkraft- und Entmischungseffekte berücksichtigen. Für den praktischen Einsatz ist eine Massenmessung durch Kräftemessung an einem elastischen Schlauch möglich.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zum Bestimmen der Geschwindigkeit eines Massenflusses aus pulvrigem/körnigem Schüttgut in einer Leitung, dadurch gekennzeichnet, dass an zumindest einer ersten Stelle der Leitung („Störungsstelle") periodische Störungen in den Massenfluss eingebracht werden, welche dessen elektrische Eigenschaften beeinflussen, und an zumindest einer zweiten Stelle, die stromab der Störungsstelle gelegen ist, („Messstelle") mit Hilfe eines Elektrodenmittels ein elektrischer Strom durch den Massenfluss erzeugt wird und mittels einer Auswerteschaltung vorübergehend auftretende, auf den stromauf eingebrachten Störungen beruhende Änderungen des elektrischen Stroms gemessen werden, und aus der zeitlichen Abhängigkeit zwischen gemessenen Änderungen und eingebrachter Störung die Geschwindigkeit des Massenflusses ermittelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die eingebrachten Störungen die komplexe Leitfähigkeit des Massenstroms beeinflussen und diese mit Hilfe des Elektrodenmittels und der Auswerteschaltung an der zumindest einen Messstelle ermittelt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass an der Störungsstelle ein Medium in den Massenfluss eingebracht wird, dessen Leitfähigkeit von jenem des Schüttguts merklich abweicht.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die eingebrachten Störungen zu einer lokalen Änderung der Dielektrizitätszahl des Massenflusses führen.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an der zumindest einen Störungsstelle eine elektrische Störfeldstärke erzeugt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Störfeldstärke so groß gewählt wird, dass periodische Entladungen auftreten.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe des Elektrodenmittels und der Auswerteschaltung an der zumindest einen Messstelle ein Verschiebungsstrom gemessen wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz der Messwechselspannung im Bereich von 106 bis 109 Hz liegt.
9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch einen Messabschnitt einer Leitung (1), bei welchem an zumindest einer Störungsstelle (SST) eine Einrichtung (D1...D3) zum Einbringen periodischer, e- lektrische Eigenschaften des Massenflusses beeinflussender Störungen und stromab der Störungsstelle an zumindest einer Messstelle ein Elektrodenmittel (ME1...ME6) vorgesehen ist, das an eine Auswerteschaltung (REV) angeschlossen ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass an zumindest zwei, in Strömungsrichtung in Abstand voneinander gelegenen Messstellen je ein Elektrodenmittel vorgesehen ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Elektrodenmittel (MEl...ME6) zumindest ein Elektrodenpaar aufweist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Elektrodenmittel (MEl...ME6) jeder Messstelle zumindest zwei Elektrodenpaare aufweist.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Elektrode des Elektrodenmittels von der Leitungswandung oder einem Abschnitt der Leitungswandung gebildet ist.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (ME1...ME6) des Elektrodenmittels an der Außenseite eines die Leitung bildenden isolierten Rohres (1) angeordnet sind.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass für das Elektrodenmittel jeder Messstelle eine gesonderte Auswerteschaltung vorgesehen ist.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass Elektrodenpaare verschiedener Messstellen parallel geschaltet und an eine gemeinsame Auswerteschaltung angeschlossen sind.
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