AT505193B1 - Vorrichtung und verfahren zur zuverlässigen bestimmung des massendurchflusses in schneckenförderern - Google Patents

Description

2 AT 505 193 B1 TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG:

Beim Materialtransport mit Hilfe von Schneckenförderern kommt es häufig vor, dass die Materialbeladung des Fördermaterials entlang der Förderachse unterschiedlich ausgebildet ist. Für die zuverlässige Messung des zeitlichen Materialdurchsatzes durch den Schneckenförderer, insbesondere bei Schüttgütern, reicht es daher nicht aus, den Massendurchfluss mittels Kenntnis der Schneckendrehzahl zu schätzen.

Die vorliegende Erfindung beschreibt eine Vorrichtung und ein Verfahren zur zuverlässigen, nicht-invasiven und kostengünstigen Bestimmung der Schneckendrehzahl, der Materialbeladung und des Massendurchflusses von Schüttgut durch einen Schneckenförderer. Die zu messenden Größen können aus einem einzelnen Messsignal des Sensors bestimmt werden. Die ermittelte Schneckendrehzahl ist dabei die wahre vorherrschende Drehzahl und unabhängig von etwaigen Unter- und Übersetzungsgetrieben zwischen Antriebsmotor und Förderschnecke oder etwaigem Schlupf. Vorliegende Erfindung erlaubt zusätzlich auch die Bestimmung gewisser Materialeigenschaften des Fördergutes (wie z.B. Messung des Feuchtigkeitsgehalts von Hackschnitzel) während des Materialtransports durch den Schneckenförderer. STAND DER TECHNIK:

Eine Vielzahl von Erfindungen zur Durchflussmessung von Schüttgütern durch Rohrleitungen sind dem Stand der Technik bekannt. Die Mehrzahl darunter ist für die pneumatische Beförderung des Schüttgutes ausgelegt.

Berührungslos arbeitende kapazitive Sensoren zur Erkennung des Füllstandes eines dielektrischen Mediums im Inneren von Behältern mit nicht-metallischen Wänden sind bekannt und finden sich beispielsweise in der chemischen oder pharmazeutischen Industrie. Einen solchen Sensor beschreibt beispielsweise die DE 19949985C2. Ein Aufbau, bestehend aus mehreren matrixförmig angeordneten Sensorfeldern, ist der DE 10008093A1 zu entnehmen. Eine Vielzahl von kapazitiven Sensoren nutzen abgesetzte Sonden zum Ermitteln des Füllstandes (vgl. DE 69001151T2, DE 19938270A1, DE 19757190A1, DE 19721255A1, oder DE 19613813C2) oder andere nicht-berührungslose Verfahren (vgl. DE 19754093C2, DE 19516809C1, oder DE 10063557A1). Darüberhinaus sind aus der DE 19916979A1 Verfahren zur Füllstandsmessung mit einer Vielzahl nebeneinander entlang einer Füllstrecke angeordneten kapazitiven Sensoren bekannt. Die US 5722290A beschreibt den Aufbau eines kapazitiven Füllstandsmesser mit Ringoszillator.

Auch Verfahren und Vorrichtungen zur Bestimmung von Dichteprofilen in geschlossenen Fördervorrichtungen zählen zum Stand der Technik. Zu diesen Methoden gehört die Klasse der Elektrischen Kapazitäts- Tomografie (ECT) Sensoren. Ein Beispiel ist in der EP 0326266 dargestellt, in der auch entsprechende Rekonstruktionsmethoden geoffenbart sind. Eine Vorrichtung zur kapazitiven Messung unter Verminderung von Streufeldeffekten wird in der DE 4442711 A1 beschrieben. Hier werden gesteuerte Hilfselektroden (active guarding) verwendet, was wiederum einen entsprechenden schaltungstechnischen Aufwand mit sich bringt.

Zum Messen der Strömungsgeschwindigkeit eines Fördergutstromes sind viele Verfahren und entsprechende Vorrichtungen bekannt geworden. So beschreibt beispielsweise die DE 4025952 A1 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 3 AT505193 B1 auf die Fließgeschwindigkeit geschlossen. Eine ähnliche Messanordnung mit zwei Elektrodenpaaren geht aus der DE 3909177 A1 als bekannt hervor. Auch die Anmeldung WO 2005075945 A2 offenbart einen kapazitiven Durchflusssensor für Mehrphasenströmungen. In dieser Patentschrift werden dielektrischen Fluktuationen auf korrelativer Basis in zwei Messebenen ausgewertet und dadurch sowohl die Geschwindigkeit als auch die Konzentration von Material im Förderrohr bestimmt. Verfahren und Vorrichtungen zur Bestimmung von Förderparametern durch Korrelations-Durchflussmessgeräte (cross-correlation flowmeters) sind allgemein beispielsweise in „Cross-Correlation Flowmeters - Their Design and Application“, M.S. Beck, A. Plaskowski, IOP Publishing Ltd, 1987 beschrieben. Bei bekannten Durchflussmessungen dieser Art wird an zumindest zwei Stellen in Flussrichtung eine (dielektrische) Eigenschaft des Fördergutes bestimmt. Es ist erforderlich, dass diese (dielektrische) Eigenschaft an jeder Beobachtungsstelle zeitliche Fluktuationen aufweist. Diese Fluktuationen der (dielektrischen) Eigenschaft können natürlichen Ursprungs sein (z.B. Konzentrationsschwankungen bei turbulenter Strömung) oder beabsichtigt eingebracht werden (z.B. Einspritzen eines anderen Mediums in den Fördergutstrom). In den Offenbarungen JP 9159502 A und JP 9159503 A werden jeweils ein gegenüberliegend angeordnetes Paar von Elektroden zur Bestimmung der mittleren Dielektrizitätszahl des durch den Auslass eines Schneckenförderers transportierten Schüttgutes bestimmt. Bei gleich bleibenden Materialeigenschaften (d.h. konstante Feuchte, Partikelgröße etc. des Schüttgutes) bedeutet eine relative Veränderung der Dielektrizitätszahl eine relative Veränderung des Massenflusses. Es kann mit Hilfe der beschriebenen Vorrichtung ein relativer Massenfluss von Schüttgut durch ein Förderrohr bestimmt werden.

In der Offenbarung SU 777437 B wird ein Massenfluss Sensor für zweiphasige Strömungen beschrieben, in dem eine spiralförmige Struktur zur räumlichen Mittelung und zuverlässigeren Bestimmung von Strömungsparametern verwendet wird. Verfahren und Vorrichtungen dieser Art gehören seit geraumer Zeit zum Stand der Technik, was auch in Publikationen wie „J. Tol-lefsen, Capacitance sensor design for reducing errors in phase concentration measurements, Flow Measurement and Instrumentation 9, 1998, S. 25-32.“ gezeigt ist. Auch in der Offenbarung JP 2001021397 A werden in spiralförmigen Strukturen Sensorelemente, im konkreten Fall Heizdrähte, verwendet, um Parameter in mehrphasigen Strömungen zu bestimmen.

Vorliegende Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass kapazitive Sensoren zur Materialbeladung derart ausgelegt sind, dass sie auch zur Bestimmung der Schneckendrehzahl in Transportanwendungen von Schneckenförderern verwendet werden können. Die aktuelle Materialbeladung im Messvolumen und die Schneckendrehzahl können dabei aus einem einzigen Messsignal ermittelt werden. Mit diesen beiden Messgrößen kann der Materialdurchfluss durch den Schneckenförderer kostengünstig und zuverlässig bestimmt werden. Durch die kombinierte Messung aus Kammer-Füllstand und Schneckendrehzahl können vor allem auch störende Veränderungen der Materialeigenschaften während der Schüttgutförderung, vor allem Fluktuationen der Materialfeuchte, eliminiert werden, was einen wesentlichen Vorteil gegenüber Massenfluss Sensoren für Schneckenförderern nach dem Stand der Technik darstellt. Um eine räumliche Auflösung mit guter Empfindlichkeit am Rohrrand für die Bestimmung der Schneckendrehzahl zu gewährleisten, können die Elektroden in Flussrichtung verteilt werden, sodass Sendeelektroden und Empfangselektroden nicht in einer Rohrquerschnittsebene liegen. DETAILLIERTE BESCHREIBUNG:

Das Prinzip der Archimedischen Schraube und die Nutzung dieses Prinzips zum Transport von Material durch Rohre ist eine der ältesten Erfindungen der Menschheit. Der Einsatz dieser Schneckenförderer, im Besonderen für den Transport von Schüttgütern, ist breit gefächert und weit verbreitet und bietet unter anderem die Vorteile einer kontinuierlichen Förderung sowohl für horizontale als auch für geneigte Förderstrecken sowie die grobe Einstellung des gewünschten Materialdurchsatzes über die Drehzahl der Förderschnecke. Ein wichtiges Einsatzgebiet von Schneckenförderern ist die Zuführung von Brennstoffen für Feuerungsanlagen - in Haushalten vermehrt für Hackschnitzelheizungen und in industriellen Anlagen meist für fossile Brennstoffe. 4 AT 505 193 B1

Um eine automatisierte Zuführung der Brennstoffe zu ermöglichen und um eine optimale Verbrennung zu erzielen (d.h. minimale Schadstoffproduktion bei der Verbrennung und maximalem Wirkungsgrad), ist eine genaue Bestimmung der pro Zeiteinheit durch den Schneckenförderer zugeführten Masse an Brennstoffen notwendig. Auch für eine Regelung dieser Förderprozesse ist die zuverlässige Messung des Materialdurchsatzes eine Voraussetzung. Durch den Einfluss unterschiedlicher Materialbeladungen auf den Gesamtmaterialdurchsatz durch das Förderrohr ist für eine zuverlässige Bestimmung des Massendurchflusses nicht nur die Kenntnis der Schneckendrehzahl sondern auch die Messung der Materialbeladung pro Kammer der Förderschnecke im Rohr erforderlich.

Vorliegende Erfindung löst diese Aufgabe, indem sowohl die Drehzahl der Schnecke als auch die aktuelle Materialbeladung des Fördergutes im Schneckenförderer mit Hilfe eines einzelnen Signals gemessen werden kann. Zu diesem Zweck werden Messelektroden am oder im Förderrohr verwendet, die als kapazitive Sensoren betrieben werden. Diese Technik der Messung der Materialbeladung beruht darauf, dass das Fördergut durch die ihm eigene Dielektrizitätszahl Einfluss auf die Kapazität zwischen Elektroden hat, das Vorhandensein von Material im sensitiven Bereich der Elektrodenanordnung beeinflusst also messbar die Kapazität bzw. die Kapazitäten.

Dadurch, dass die Elektroden ortsfest an oder im Rohr angebracht sind, kommt es bei einer Drehung der Förderschnecke zu einer Vorbeibewegung (Relativbewegung) der Schnecke an den Paaren von Elektroden. Wird ein auf elektrischem Erdpotential liegender Metallgegenstand bzw. ein Material mit sehr hoher Dielektrizitätszahl im sensitiven Volumen eines kapazitiven Sensors der in der Erfindung verwendeten Strukturen vorbeigeführt, kommt es bei der Vorbeibewegung zu Feldabsaugungseffekten und in der Folge zu einer Verminderung der Kapazität zwischen den Elektroden. Besteht die Förderschnecke aus Metall äußert sich daher die Vorbeibewegung an den Elektroden in kurzzeitigen Einbrüchen der Kapazitäten zwischen Elektroden (Absaugung des Feldes), während bei einer Kunststoff-Förderschnecke die Kapazitäten durch die erhöhte Dielektrizitätszahl der Schnecke kurzzeitig ansteigen werden (Verkopplung). Durch die Auswertung dieser kurzzeitigen Kapazitätsänderungen in den Messsignalen, hervorgerufen durch die vorbeibewegte Schnecke, kann neben der Materialbeladung im Messbereich auch die aktuelle Schneckendrehzahl ermittelt werden.

Die weitere detaillierte Beschreibung soll anhand der Figuren verdeutlicht werden:

Figur 1 zeigt dabei skizzenhaft das Prinzip eines Schneckenförderers {d.h. Förderschnecke (3) in Förderleitung (4)) und verdeutlicht den Einfluss der unterschiedlichen Materialbeladungen des Förderguts auf den Gesamtdurchfluss durch den Schneckenförderer.

Figur 2 zeigt eine beispielhafte Anordnung der verwendeten Elektroden (1) für eine nicht leitfähige Förderleitung (4) (Figur 2a), für eine leitfähige Förderleitung (4) (Figur 2b) sowie für eine leitfähige Förderleitung (4) in dem besonders abrasives Material befördert wird, was eine nicht leitfähige Schutzbeschichtung für die Elektroden notwendig macht (Figur 2c).

Figur 3 zeigt eine zweckmäßige beispielhafte Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes, bei der ein gemeinsamer Empfängerring (Empfangselektrode (1b)) und mehrere Sendeelektroden (1a) zur Messung der Materialbeladung verwendet werden, um den Materialdurchfluss durch den Schneckenförderer zu ermitteln.

Figur 4 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes, bei dem in Flussrichtung liegende Elektroden derart ausgeführt sind, dass alle Sendeelektroden untereinander leitend verbunden sind (d.h. es wird das selbe Erregersignal für alle Elektrodenpaare verwendet) und die Materialbeladung im jeweiligen sensitiven Messvolumen dem Signal der einzelnen Empfängerelektroden proportional ist.

Claims (2)

1. 5 AT 505 193 B1 Figur 5 zeigt beispielhafte Messsignale des Erfindungsgegenstandes für langsame (Figur 5a) und schnelle (Figur 5b) Schneckendrehzahl. Aus diesen kapazitiven Signalen können über die Amplituden der Plateaus sowohl die Materialbeladung als auch über die Periodizität der signifikanten Kapazitätsänderungen die Schneckendrehzahl ermittelt werden. Wird als Förderrohr um die Schnecke zumindest ein Stück nicht leitendes Rohr (z.B. Glas, Keramik, PVC, ...) verwendet, können die Elektroden wie in Fig. 2a beispielhaft für vier Elektrodenpaare gezeigt an der Außenseite des Rohres angebracht werden. Das elektrische Feld kann durch das nicht leitfähige Rohr hindurch dringen und zu Messzwecken ausgenutzt werden. Für ein leitfähiges Rohr müssen die Elektrodenstrukturen wie in Fig. 2b und 2c an der Innenwand des Rohres angebracht werden, wobei die Struktur in Fig. 2c durch eine nicht leitfähige Beschichtung die Elektroden bei besonders abrasivem Material schützt. Werden wie in den Figuren 3 und 4 gezeigt mehrere um den Umfang verteilte Elektrodenpaare verwendet, kann die Materialverteilung genau und zuverlässig ermittelt werden. Eine grobe räumliche Auflösung des Füllstandes im Messbereich ist schon bei Verwendung weniger Elektroden in diesen Anordnungen möglich. Durch die Redundanz der verwendeten Elektroden kann einerseits Mittelung zur Erhöhung der Robustheit der Messung verwendet werden, zum Anderen können auch Plausibilitätsprüfungen implementiert werden. Zum Zweck der Kalibrierung, d.h. zur Ermittlung des Zusammenhangs zwischen Dielektrizitäts-zahl des Fördergutes und seiner Dichte, kann vor allem bei horizontalen Förderstrecken eine am Rohrboden liegende Elektrodenanordnung verwendet werden, wie dies auch in den Figuren 3 und 4 gezeigt ist. In allen Fällen kann durch die Überbestimmtheit des Messsystems bei Verwendung mehrerer Elektrodenpaare auch eine Messung der Materialeigenschaften wie des Feuchtigkeitsgehalts im Fördergut implementiert werden. Patentansprüche: 1. Vorrichtung zur Bestimmung von Materialbeladung und Schneckendrehzahl in Förderleitungen (4) von Schneckenförderern mit Hilfe von kapazitiven Sensoren, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei Elektroden (1) entlang einer Förderleitung (4) in Flussrichtung verteilt sind, sodass Sendeelektroden (1a) und Empfangselektroden (1b) nicht in einer Rohrquerschnittsebene liegen und dass die Elektroden (1) an einer Stelle der Förderleitung (4) montiert werden, innerhalb derer sich eine Förderschnecke (3) befindet.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine einzelne Empfangselektrode (1b) und stromaufwärts und/oder stromabwärts der Förderleitung (4) liegend zumindest ein segmentierter Ring von Sendeelektroden (1a) vorgesehen sind. Hiezu 2 Blatt Zeichnungen