Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Messen des Sandgehaltes eines in einem Rohr fliessenden Sand-Wassergemisches und eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
Es sind zwei Gattungen von Geräten zur Messung des Sandgehaltes in Wassersandsuspensionen bekannt.
Die Geräte der ersten Gattung ziehen zur Messung die Absorption von Gamma-Strahlen heran. Eine Strahlungsquelle ist in der Wandung eines Rohres angebracht; auf der anderen Seite des Rohrdurchmessers befindet sich ein Detektor, mit dem die Strahlungsintensität gemessen wird. Die Absorption der Gamma-Strahlen ist eine Funktion des Sandgehaltes im betrachteten Rohrabschnitt und der chemischen Zusammensetzung des Sandes. Ist diese bekannt, so kann der Sandgehalt aus der Absorption der Strahlung ermittelt werden.
Die Geräte der zweiten Gattung ziehen zur Messung den elektrischen Widerstand einer von Sand-Wassersuspension gefüllten leitenden Strecke bzw. eines Raumes heran. Dabei wird der Sand als Isolator betrachtet und die Leitfähigkeit der Strecke ist nur durch den Sandanteil des Gemisches bestimmt, das das Messvolumen erfüllt. Diese Methode misst also offensichtlich den volumetrischen Gehalt des Sandes.
Die Geräte der ersten Gattung erfassen nicht den vollen Rohrquerschnitt und können deshalb unter Umständen systematisch verfälschte Mittelwerte anzeigen. Sie arbeiten an sich zuverlässig, werden aber im Falle der Verwendung auf einem Baggerschiff auf diesem selbst, also in grosser Entfernung von der Ansaugmündung des Saugrohres eingesetzt, um dem allfälligen Verlust der Strahlungsquelle vorzubeugen, da dies radioaktive Verseuchung des Gewässers oder zumindest Unannehmlichkeiten mit den zuständigen Aufsichtsbehörden zur Folge hätte.
Bei dieser Anordnung der Messapparatur erfolgt die Bestimmung des Sandgehaltes naturgemäss mit einer gewissen Verspätung gegenüber der Ansaugoperation, wodurch die allenfalls von der Messapparatur gespeiste Steuerung eine Totzeit t enthält, die durch den Abstand d zwischen Ansaugöffnung und Messapparatur dividiert durch die mittlere Strömungsgeschwindigkeit v des Gemisches im Ansaugrohr gegeben ist, nämlich d t= v
Diese Totzeit kann zu Unstabilitäten oder Regelschwingungen der Steuerung führen und setzt auf jeden Fall die Leistungsfähigkeit sowohl der Messapparatur wie der ganzen Steuerung, sowohl im automatischen wie im Handbetrieb, herab. Die Geräte der zweiten Gattung messen einen elektrischen Widerstand.
Dieser hängt einerseits von der Geometrie der leitenden Strecke - also von deren Volumendimensionen und von der Sandkonzentration - andererseits, und in ausserordentlichem Masse, von der Leitfähigkeit des Wassers ab, die von der Menge und der Art der darin gelösten Salze bestimmt ist. Dieser Salzgehalt - oder allgemeiner: die Ionenkonzentration - kann sowohl örtlich als auch zeitlich derart schwanken, dass eine sinnvolle Messung nur durch Vergleich mit einer sandfreien Strecke des gleichen Wassers erhalten werden kann.
Die Gewinnung dieser Vergleichsstrecke ist aber offensichtlich mit erheblichen Schwierigkeiten verbunden, und es sind bis heute keine Geräte bekannt, bei welchen diese Aufgabe mit Erfolg gelöst wurde.
Zweck des vorliegenden Verfahrens und der zu seiner Aus übung geeigneten Vorrichtung ist eine laufende Überwachung und Messung der spezifischen Dichte von Flüssigkeiten bzw.
Suspensionen, die in Rohrleitungen befördert werden, insbesondere zur Messung des Sandgehaltes von Sand-Wasser Suspensionen in der Nähe der Ansaugöffnung eines Bagger saugrohres zwecks Gewinnung der für Hand- oder automati sche Steuerung eines optimalen Sandgehaltes notwendigen
Daten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Sandgehalt kurz nach dem Eintritt in das Saugrohr eines Baggers zu bestimmen, das zur Sandgewinnung durch Absaugen des För dergutes, mit Wasser als Transportmittel, vom Grunde oder der Böschung eines Gewässers eingesetzt ist. Die Vorrichtung soll für beliebige Neigungen des Saugrohres zwischen Oo und etwa 600 gegenüber der Horizontalen und für mittlere
Geschwindigkeiten des Transportgutes im Bereiche von vor zugsweise 1 bis 5 m/sec. verwendbar sein und eine oder meh rere für den Sandgehalt massgebende Regelgrössen, beispiels weise die Entfernung der Eintrittsöffnung des Saugrohres vom
Sandgrund oder der Böschung des Gewässers, steuern.
Das erfindungsgemässe Verfahren besteht darin, dass als
Messraum ein durch Schlitze vom Rohr getrenntes, in Rich tung senkrecht zur Rohrachse bewegliches Rohrsegment ver wendet wird, das in dieser Richtung von einem Fühler eines neigungsunabhängigen Messystemes gestützt wird, wobei der
Sandgehalt aus dem gemessenen Gewicht des Rohrsegmentes und dem bekannten Gewicht des leeren Rohrsegmentes und des von ihm beinhalteten Wassers ermittelt wird.
Die zur Durchführung dieses Verfahrens vorgesehene Vor richtung ist dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Messraum aufweist, der aus einem durch Schlitze vom Rohr getrennten, in Richtung senkrecht zur Rohrachse beweglich angeordneten
Rohrsegment besteht, das über eine in dieser Richtung wir kende Stütze auf ein neigungsunabhängiges Messystem ein1wirkt.
In der beiliegenden Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes schematisch dargestellt. Es zei gen:
Fig. 1, la, Ib eine schematische Darstellung der Wirkungs weise einer Ausführung des erfindungsgemässen Verfahrens,
Fig. 2 eine Ausführung der Messeinrichtung,
Fig. 3 in teilweisem Schnitt ein kraft- oder wegübertragenes
Element,
Fig. 4 eine Anordnung mit einem einzigen Dynamometer,
Fig. 5 eine Anordnung ohne Schwerkraftpendel, und
Fig. 6 das Schema einer ganzen Anlage.
Wie in Fig. 1 dargestellt, ist in der Nähe der Saugöffnung 2 eines Saugrohres 1 ein Messraum M angeordnet. Dieser Mess raum ist einerseits dadurch begrenzt, dass mindestens ein
Stück der Begrenzung in der Flucht der Rohrwandung liegt (bzw. aus dieser mit einem feinen Schnitt herausgetrennt ist), andererseits ist er nicht materiell aber geometrisch, durch eine
Schar Paralleler begrenzt, welche zur Rohrachse 7 senkrecht und in zur Rohrachse 7 parallelen, senkrechten Ebenen ver laufen, künftig Normalrichtung genannt. Sofern, gemäss
Fig. 1b der Messraum Mb zwei nicht zusammenhängende Teile der Rohrwandung aufweist, sind diese mit wägetechnischen
Mitteln, z.B. durch nichtgezeichnete Bügel miteinander starr verbunden. Das bei der Strömung im Messraum M befindliche
Messgut wird unabhängig vom Neigungswinkel a des Saugroh res durch Wägung bestimmt.
Fig. la zeigt einen durch zwei parallele ebene Schnitte orthogonal zur Rohrachse begrenzten Messraum Ma.
Fig. 1b zeigt einen durch einen zylinderförmigen Schnitt orthogonal zur Rohrachse begrenzten Messraum Mb.
Die herausgeschnittenen Rohrteile sind Bestandteile einer Wägevorrichtung, die unabhängig vom Neigungswinkel a der
Achse des Saugrohres zur Horizontalen, das Gewicht des
Messgutes durch Wägung bestimmt. Deren Resultate werden elektrisch zum Kommandoraum des Baggers übertragen und dort zur Anzeige und/oder Regclung der den Sandgehalt bestimmenden Regelgrössen verwendet. Solche Regelgrössen sind beispielsweise: Abstand der Saugdüse vom Sand, horizontale oder andere Querbewegung, wenn vorhanden Spüldüsenoder Schneidkopfführung.
In beiden Fällen, Fig. la und lb, wird der Messraum durch Flächen F und eine Schar von Geraden G begrenzt.
Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Messeinrichtung mit einem Messrohr nach Fig. la. Die durch die Schlitze 3 getrennte Saugleitung 1 ist an einem Gehäuse 4, in welchem sich Messapparaturen und Hilfseinrichtungen befinden, befestigt. Da die Schlitze 3 offen bleiben, ist das Gehäuse 4 mit Wasser gefüllt. Es weist eine Entlüftungsöffnung 9 auf, die an der höchsten Stelle des Gehäuses 4 angebracht ist. Es ist ausserdem eine Ausgleichsöffnung 10 notwendig, die mit einem, das Eindringen von Sand verhütenden Filter 10a versehen ist.
Stattdessen kann das Gehäuse 4 auch mit genügend reinem Spülwasser unter leichtem Überdruck gehalten werden, womit das Eindringen von Schmutz oder Sand verhütet wird. Da in der Saugleitung 1 zwecks Förderung ein erheblicher Unterdruck besteht, kann im Betrieb kein Sand durch die Schlitze 3 in das Gehäuse 4 eindringen; es fliesst vielmehr eine kleine Menge Wasser aus dem Gehäuse 4 durch die Schlitze 3 in die Rohrleitung. Dem Fachmann ist bekannt, wie gegebenenfalls Entlüftung, Filter oder Spülwasserversorgung anzubringen sind.
Die Schlitze 3 könnten jedoch auch mit elastisch weichen Manschetten 11 abgedichtet werden, so dass eine geringe Querbewegung in der Normalrichtung möglich ist. Im Falle der Abdichtung mit Manschetten 11 kann das Gehäuse 4 entweder wie vorstehend erläutert, mit Wasser gefüllt sein oder aber vollständig abgedichtet sein und unter Umständen unter Luft überdruck stehen.
Statt das ganze Gehäuse 4 abzudichten, können einzelne Teile, z.B. die Messzellen oder grössere Aggregate, für sich in einer trockenen, vollständig abgeschlossenen Kapsel untergebracht werden (Fig. 3).
Das Messrohr 5 ist mittels eines Lenkers 12 und eines Hebels 13 in der Normalrichtung - wie eine Waagbrücke parallelgeführt. Dank einem am Messrohr 5 fest angebrachten Auflager 14 und einem am Gehäuse 4 ebenfalls fest angebrachten Auflager 15 wirkt der linke Arm 13a des Hebels 13 für das Messrohr 5 als ein zweiter Lenker. Wird anstelle des festen Auflagers 14 eine Verbindung 14a mit zwei Gelenken gewählt, so kann die Parallelführung des Messrohres 5 mit einem zweiten Lenker 12a bewirkt werden. Der rechte Arm 13b des Hebels 13 trägt ein Gegengewicht 16, das das Gewicht des Messrohres 5 ausgleicht. Der rechte Arm 13b des Hebels 13 ist mittels einer Druckstange 17 mit einem Messelement 18, beispielsweise dem Messkopf einer Pendelwaage, gelenkig verbunden.
Ein mit Wasser gefülltes Gehäuse bietet wägetechnisch erhebliche Vorteile. Es sind keine Manschetten 11 notwendig.
Bei Ausgleich des Eigengewichtes des Messrohres 5 mit einem Gegengewicht 16, in der Luft, und falls alle Bauteile das gleiche spez. Gewicht (Stahl) aufweisen, verändert sich die Ruhelage beim Eintauchen in Wasser nicht.
Die Messung ergibt unmittelbar das Sandgewicht (vermindert um das Gewicht des vom Sand verdrängten Wassers), dies unabhängig von der Wassertemperatur, während im Falle eines abgedichteten Gehäuses die Gewichtmessung um das im Messrohr befindliche Gewicht des Wassers vermindert werden muss, d.h. es ist bei Prüf- und Justierarbeiten immer das genannte Wassergewicht rechnerisch oder experimentell zu berücksichtigen. Ausserdem wechselt das Wasser im Messrohr sein spez. Gewicht mit der Temperatur, was bei der Messung zu berücksichtigen oder apparativ zu kompensieren ist.
Statt das Messelement 18 am Arm 13b anzuschliessen, kann ein solches Messelement 1 8a auch mit einer gelenkig angebrachten Druckstange 19 unmittelbar am Messrohr 5 angeschlossen werden. Sofern das Messelement 18 oder 18a ein Doppelpendel-Waagkopf oder sonst eine Auswägeeinrichtung ist, welche zusammen mit der Waagbrücke des Messrohres beimNergenin einer beliebigen Richtung richtig anzeigt, so zeigt die ganze Messanordnung gemäss Fig. 2 auch bei zur Horizontalen um den Winkel a geneigter Lage richtig an, ebenso bei Drehung um die Achse des Saugrohres, z.B. in der Rollage des Baggerschiffes.
In Fig. 3 ist eine abgedichtete, als Messzelle geeignete Doppelpendelwaage 102 schematisch dargestellt.
An der abgedichteten Kapsel 103 sind an den gegenüberliegenden Wänden über Öffnungen 104 je der eine Rand von zwei gleichen Faltenbälgen 109 luftdicht angeschlossen. An einer durchgehenden Stange 106 mit zwei Tellern 105, ist der andere Rand der Faltenbälge ebenfalls dicht angeschlossen, womit die Kapsel 103 vollständig abgeschlossen ist. Die zu messende Kraft (oder der entsprechende Weg) wird über einen der Teller 105 ins Innere übertragen. Beim Bewegen der Stange 106 vergrössert sich das Volumen des einen Faltenbalges um den gleichen Betrag wie sich das Volumen des zweiten Balges verkleinert, womit bei Druckunterschieden zwischen dem Innern der Kapsel 103 und dem Äusseren, z.B. infolge verschiedener Wassertiefen, ausser einem konstanten Auftrieb, welcher kompensiert werden kann, keine Kräfte auf die Stange 106 wirken können, die Messung also nicht gestört werden kann.
Es ist nicht notwendig, dass die Bälge 109 an der gleichen Stange angebracht sind und sich um gleiche Wege bewegen. Wichtig ist, dass beim Bewegen die Veränderung der eingeschlossenen Volumen entgegengesetzt gleich sind. Die elastische Rückstellkraft der Faltenbälge wird in bekannter Weise in die Justierung des Messgerätes einbezogen.
An der Stange 106 ist eine Doppelpendelneigungswaage 102 angeschlossen. Die Stange 106 ist einerseits durch einen Lenker 107 und den gleichlangen Lasthebelarm 108 des rechten Pendels 114, mit Pendelgewicht 115, parallel geführt und zugleich belastet. Das linke Pendel 116 mit Pendelgewicht 115 wird mittels der Zugstange 111 und der Winkelstange 112 über den Hebelarm 108 ebenfalls belastet, wobei auch die Winkelstange 112 durch einen Lenker 107 parallel geführt wird. Alle gezeichneten Achsen, Lagerungs- und Verbindungsachsen, sind parallel zueinander. Der Einbau in das Gehäuse des Messgerätes erfolgt so, dass sich die erwähnten Achsen in zur Normalrichtung senkrechten Ebenen befinden. Die Orientierung innerhalb dieser Ebenen ist ohne besondere Bedeutung. In jedem Falle ergeben der Winkel a und der Krägwinkel eines Baggerschiffes keine Messfehler.
Die Übertragung des Messwertes erfolgt mittels eines nicht gezeichneten elektrischen Ausganges. Der Fachmann ist in der Lage, z.B. mittels einer durch die Pendel bewegten, binär kodierten Scheibe ein elektrisches Ausgangssignal zu erzeugen.
Eine Messzelle 18 oder 18a, bestehend aus einer Saitenwaage nach Schweizer Patent 447 653 ist mit Vorteil anwendbar und ergibt ebenfalls eine neigungsunabhängige Messung.
Vorteilhaft ist, dass diese Saitenwaage schon einen elektrischen numerischen Ausgang aufweist, welcher direkt zur Anzeige und zur Steuerung des Sandgehaltes verwendet werden kann. Die vorher aufgeführten Waagen müssen hingegen erst mit einem Wandler für ein elektrisches Ausgangssignal ausgestattet werden.
Infolge robuster Bauart, kann die Verwendung eines Dynamometers mit elektrischem Ausgang als Messzelle 18 oder 18a vorteilhaft sein. Auf diese Weise eingeschaltet ergäbe die Messung jedoch mit wachsender Neigung entsprechend cos a, progressiv kleinere Messwerte.
Fig. 4, 4a zeigen eine Anordnung, die mit einem einzigen Dynamometer richtige Werte ergibt. Es ist nur der Teil von Fig. 2 (links unten) gezeichnet, nämlich teilweise der Ansaugteil des Saugrohres 1, ein Teil des Messrohres 5, welches, nicht gezeichnet, wie bei Fig. 2 beschrieben, parallel geführt und ausgeglichen ist, ausserdem, durch den ringförmigen Schlitz 3 vom Saugrohr getrennt, einen Teil des Gehäuses 4.
Am Gehäuse 4 sind hintereinander liegend zwei Träger 21 mit je einer Achse 22 befestigt. Ebenfalls mit zwei Armen 23 ist eine Masse 24 als Schwerkraft-Pendelmasse angebracht.
Auf diesem Pendel 25, z.B. auf der oberen Fläche der Masse 24, ist ein Dynamometer 26 befestigt. Es ist mittels einer Stange 27, die eine zu den Achsen 22 parallele Achse 28 trägt (Fig. 4a) an einem Lager 29 des Messrohres 5 angelenkt. Die aus dem Messgut herrührende, in der Normalrichtung wirkende Kraft, wird somit immer in vertikaler Richtung aufgenommen. Damit gibt das Dynamometer 26 bei jedem Neigungswinkel a den richtigen Messwert.
Als Messzellen werden vorzugsweise elastische Dynamometer verwendet, vorzugsweise mit induktiven oder aber mit resistiven Extensometern, z.B. Dehnungsmesstreifen.
Es ist nicht notwendig, dass das Pendel 25 mit Dynamometern 26 direkt vom Messrohr 5 belastet wird; es kann z.B. auch am Arm 13b des Hebels 13 (Fig. 2) angelenkt sein.
Fig. 5 zeigt eine Anordnung, bei welcher kein Schwerkraftpendel notwendig ist. Es ist nur ein Teil von Fig. 2 (links unten) mit geschnittenem Gehäuse 4 gezeichnet. Es werden zwei vorzugsweise gleichartige Dynamometer verwendet, z.B.
mit induktiven Extensometern. Das eine Dynamometer 31 stützt mittels der Stange 32 das Messrohr 5 ab (es könnte jedoch auch am Arm 13b der Fig. 2 angebracht sein), ein gleichartiges Dynamometer 33 stützt eine Vergleichsmasse 34 ab, welche mit zwei Lenkern 35 am Gehäuse 4 angelenkt ist, so dass sie sich nur in der Normalrichtung bewegen kann. Die Dynamometer 31, 33 haben, nicht gezeichnet, elektrische Ausgänge; sie sind miteinander elektrisch gekoppelt, derart, dass das Dynamometer 31, unabhängig vom Winkel a, richtig anzeigt, wie nachstehend ausgeführt wird. Die das Dynamometer 33 belastende Gewichtskomponente der Vergleichsmasse 35 ist proportional zum Cosinus des Neigungswinkels a der Rohrachse gegen die Horizontale.
Dies bewirkt, dass das Verhältnis von Ausgangsspannung Ea zu Eingangsspannung Ei des Dynamometers 33 stets ist:
Es = cos a
Ei Wird in einem Regelkreis die Ausgangsspannung Ea konstant gehalten:
Ea = Eo = const.
so gilt für die Eingangsspannung
Ei = Eo / cos a Diese Eingangsspannung speist nun auch Dynamometer 31.
Da dessen Ausgangsspannung Ua stets proportional ist zur Gewichtskomponente Q cos a des Messgutes orthogonal zur Rohrachse und zur Eingangsspannung Ei, gilt: Ua =:Q.COS u E: = Q cos u El,lcos ci = Q Eo
Durch die vorbeschriebenen Massnahmen wird die Wägung unabhängig von der Neigung des Saugrohres.
Zur Prüfung und Justierung des Messgerätes ist am Messrohr 5 eine Stütze 41 angebracht; oberhalb dieser Stütze ist im Gehäuse 4 ein Loch 42 angebracht, welches im Betrieb mit einem Deckel 43 abgeschlossen ist. Zwecks Prüfung und Justierung wird der Deckel 43 entfernt und mit nicht gezeichneten Mitteln auf der Stütze 41 eine Waagplatte 44 mit bekanntem Eigengewicht befestigt, auf welche Waagplatte 44 die Prüfgewichte 45 aufgelegt werden.
Der Gang der Prüfung und Justierung wird nachstehend beschrieben, wobei die dem Waagenfachmann geläufige Justierung der als Waagbrücke dienenden Teile, nicht beschrieben wird. Das Messgerät 6 wird zweckmässig vor der Montage in die Saugleitung 1 mit geeigneten Mitteln abgestützt, dermassen, dass der Neigungswinkel a im gewünschten Bereich eingestellt werden kann.
Zunächst wird in horizontaler Lage, a = 00, ohne die Waagplatte 44, der Ausgleich z.B. durch Verschiebung des Gegengewichtes hergestellt, womit das Anzeigeinstrument Null anzeigt. Nun wird das Messgerät 6 um einen Winkel ci geneigt und durch Justierung der Lenkeranordnung (Parallelität der Lenker) erwirkt, dass sich die Nullanzeige bei Änderung des Winkels a nicht ändert. Nun wird die Waagplatte 44 befestigt und unter Berücksichtigung ihres Gewichtes der Anzeigewert justiert, d.h. z.B. in Übereinstimmung zur Skala kg (kp) des Anzeigeinstrumentes A, Fig. 6, gebracht, welche zweckmässig eine primäre immer gültige Skala, in kg aufweist. Diese Übereinstimmung kann mit wägetechnisch-mechanischen Mitteln oder durch Eingriff in den elektrischen Teil erfolgen.
Weitere sekundäre Skalen (z.B. '3to) können angebracht werden, z.B. solche, welche für einen Sand mit bestimmtem spez. Gewicht den Gehalt der Suspension in Gewichtsprozent oder Volumenprozent angeben. Die Umrechnung kann jeder Fachmann vornehmen.
Nun kann das Messgerät 6 in die Saugleitung 1 eingebaut werden. So eingebaut kann es gegebenenfalls über Wasser nochmals überprüft werden. Nun wird das Messgerät 6 mit der Saugleitung 1 gesenkt, bis das Gehäuse vollständig im Wasser, die Waagplatte 44 jedoch oberhalb des Wasserspiegels W, Fig. 2, liegt.
Eine eventuelle kleine Änderung der Nullanzeige infolge des Eintauchens wird berichtigt, worauf die Prüfung mit Prüfgewichten 45 wiederholt werden kann. Sollten Nebeneffekte, z.B. solche an den nunmehr eingetauchten Bälgen 109, einen nennenswerten Einfluss haben, so kann die Übereinstimmung mit der kg-Skala neu hergestellt werden.
Nun wird die Waagplatte 44 entfernt, wenn nötig die Nullstellung berichtigt, und die Öffnung 42 mit dem Deckel 43 verschlossen. Nun kann das Messgerät 6 mit der Saugleitung 1, unter Wasser, um den Winkel a geneigt, bzw. in entsprechende Tiefe gesenkt werden, ohne dass sich die Nullstellung der Anzeige ändert.
Die Prüfung im Betrieb und die eventuelle Berichtigung nach einer entsprechenden Betriebszeit ist einfach: Der betriebsmässige Verschleiss der Innenwandung des Messrohres 5 zeigt sich an durch Veränderung der Nullanzeige nach minus.
Die Grösse dieser Minusanzeige in der Nullstellung, wie sie bei reiner Wasserförderung oder in Betriebspausen (ohne Prüfgewichte) festgestellt werden kann, orientiert über die Grösse des Verschleisses. Sie zeigt somit an, wann infolge der Vergrösserung des Messraumes eine Berichtigung der Beziehung der primären zu den sekundären Skalen notwendig ist.
Die Richtigkeit der Gewichtsskala kg (kp) kann in einer Betriebspause geprüft werden durch Anheben an den Wasserspiegel, Montage der Waagplatte 44 und Auflegen von Prüfgewichten 45.
Fig. 6 zeigt das Schema der ganzen Anlage. Messelement Z ist entweder gemäss dem Weg L, links, eine Waage, z.B. eine Doppelpendelwaage 102 oder eine Saitenwaage. Als Messele ment kann hier auch ein auf einem Pendel montiertes Dynamometer verwendet werden, dieses gibt das Resultat in kg an die Anzeige A; oder Messelemente sind beispielsweise gemäss dem Weg R, rechts, die Dynamometer 31, 33, welche ihr Resultat in kp (äquivalent kg) an die Anzeige A abgeben. Die Anzeige A hat einen Ausgang zur Steuerung St.
The present invention relates to a method for measuring the sand content of a sand-water mixture flowing in a pipe and a device for carrying out this method.
There are two types of devices known for measuring the sand content in water sand suspensions.
The devices of the first type use the absorption of gamma rays to measure. A radiation source is mounted in the wall of a pipe; on the other side of the pipe diameter there is a detector with which the radiation intensity is measured. The absorption of gamma rays is a function of the sand content in the pipe section under consideration and the chemical composition of the sand. If this is known, the sand content can be determined from the absorption of the radiation.
The devices of the second type use the electrical resistance of a conductive path or a room filled with sand-water suspension to measure. The sand is regarded as an insulator and the conductivity of the route is only determined by the sand portion of the mixture that fulfills the measurement volume. So this method obviously measures the volumetric content of the sand.
The devices of the first type do not record the full pipe cross-section and can therefore, under certain circumstances, systematically display incorrect mean values. They work reliably in themselves, but if they are used on a dredger, they are used on the dredger itself, i.e. at a great distance from the suction port of the suction pipe, in order to prevent any loss of the radiation source, as this would cause radioactive contamination of the water or at least inconvenience with the competent Supervisory authorities would result.
With this arrangement of the measuring apparatus, the determination of the sand content naturally takes place with a certain delay compared to the suction operation, so that the control system fed by the measuring apparatus contains a dead time t which is divided by the distance d between the suction opening and the measuring apparatus by the mean flow velocity v of the mixture in Intake pipe is given, namely dt = v
This dead time can lead to instabilities or control oscillations in the control and in any case reduces the performance of both the measuring apparatus and the entire control, both in automatic and manual operation. The devices of the second type measure an electrical resistance.
This depends on the one hand on the geometry of the conductive path - i.e. on its volume dimensions and the sand concentration - on the other hand, and to an extraordinary extent, on the conductivity of the water, which is determined by the amount and type of salts dissolved in it. This salt content - or more generally: the ion concentration - can fluctuate both locally and over time in such a way that a meaningful measurement can only be obtained by comparing it with a sand-free stretch of the same water.
Obtaining this comparison route is obviously associated with considerable difficulties, and no devices are known to date in which this task has been successfully achieved.
The purpose of the present method and the device suitable for its implementation is continuous monitoring and measurement of the specific density of liquids or
Suspensions that are conveyed in pipelines, in particular for measuring the sand content of sand-water suspensions near the suction port of an excavator suction pipe for the purpose of obtaining the necessary manual or automatic control of an optimal sand content
Data.
The invention is based on the object to determine the sand content shortly after entering the suction pipe of an excavator, which is used for sand extraction by suction of the För dergutes, with water as a means of transport, from the bottom or the embankment of a body of water. The device is intended for any inclination of the suction pipe between Oo and about 600 relative to the horizontal and for medium
Speeds of the transported goods in the range of preferably 1 to 5 m / sec. be usable and one or more control variables that are decisive for the sand content, for example the distance of the inlet opening of the suction pipe from the
Sand bottom or the embankment of the water.
The inventive method consists in that as
In the measuring chamber, a pipe segment, which is separated from the pipe by slots and is movable in the direction perpendicular to the pipe axis, is used, which is supported in this direction by a sensor of a measuring system that is independent of the inclination
Sand content is determined from the measured weight of the pipe segment and the known weight of the empty pipe segment and the water it contains.
The device provided for carrying out this method is characterized in that it has a measuring space consisting of a space separated from the pipe by slots and arranged to be movable in the direction perpendicular to the pipe axis
There is a pipe segment that acts on a slope-independent measuring system via a support that acts in this direction.
In the accompanying drawing, exemplary embodiments of the subject matter of the invention are shown schematically. Show it:
Fig. 1, la, Ib a schematic representation of the action as an embodiment of the inventive method,
2 shows an embodiment of the measuring device,
Fig. 3 in partial section a force or path transmitted
Element,
4 shows an arrangement with a single dynamometer,
5 shows an arrangement without a gravity pendulum, and
6 shows the scheme of a whole plant.
As shown in FIG. 1, a measuring space M is arranged in the vicinity of the suction opening 2 of a suction pipe 1. This measuring space is limited on the one hand by the fact that at least one
Part of the boundary lies in line with the pipe wall (or is separated from it with a fine cut), on the other hand it is not material but geometric, by a
Flock of parallel limited, which run perpendicular to the pipe axis 7 and ver in parallel, perpendicular planes to the pipe axis 7, in the future called normal direction. If, according to
Fig. 1b the measuring space Mb has two non-contiguous parts of the pipe wall, these are with weighing
Means, e.g. rigidly connected to one another by brackets not shown. The one located in the measuring room M with the flow
The material to be measured is determined by weighing regardless of the inclination angle α of the suction pipe.
Fig. La shows a measuring space Ma delimited by two parallel planar sections orthogonally to the pipe axis.
1b shows a measuring space Mb delimited by a cylindrical section orthogonally to the pipe axis.
The cut-out pipe parts are part of a weighing device that is independent of the angle of inclination α
Axis of the suction pipe to the horizontal, the weight of the
Material to be measured determined by weighing. Their results are transmitted electrically to the excavator's control room and used there to display and / or regulate the controlled variables that determine the sand content. Such controlled variables are, for example: distance of the suction nozzle from the sand, horizontal or other transverse movement, flushing nozzles or cutting head guides if available.
In both cases, FIGS. 1 a and 1 b, the measuring space is delimited by areas F and a family of straight lines G.
Fig. 2 shows an embodiment of the measuring device with a measuring tube according to Fig. La. The suction line 1 separated by the slits 3 is attached to a housing 4 in which measuring apparatus and auxiliary devices are located. Since the slots 3 remain open, the housing 4 is filled with water. It has a ventilation opening 9 which is attached at the highest point of the housing 4. A compensation opening 10 is also necessary, which is provided with a filter 10a which prevents the ingress of sand.
Instead, the housing 4 can also be kept under a slight excess pressure with enough pure rinsing water, which prevents dirt or sand from entering. Since there is a considerable negative pressure in the suction line 1 for the purpose of conveyance, no sand can penetrate through the slots 3 into the housing 4 during operation; rather, a small amount of water flows out of the housing 4 through the slots 3 into the pipeline. The person skilled in the art knows how venting, filters or flushing water supply are to be attached, if necessary.
The slots 3 could, however, also be sealed with elastically soft sleeves 11, so that a slight transverse movement in the normal direction is possible. In the case of sealing with sleeves 11, the housing 4 can either be filled with water, as explained above, or it can be completely sealed and under certain circumstances can be pressurized with air.
Instead of sealing the entire housing 4, individual parts, e.g. the measuring cells or larger units are housed in a dry, completely closed capsule (Fig. 3).
The measuring tube 5 is guided in the normal direction by means of a link 12 and a lever 13 - like a balance bridge. Thanks to a support 14 firmly attached to the measuring tube 5 and a support 15 also firmly attached to the housing 4, the left arm 13a of the lever 13 acts as a second link for the measuring tube 5. If a connection 14a with two joints is selected instead of the fixed support 14, the parallel guidance of the measuring tube 5 can be effected with a second link 12a. The right arm 13b of the lever 13 carries a counterweight 16 which balances the weight of the measuring tube 5. The right arm 13b of the lever 13 is articulated by means of a push rod 17 with a measuring element 18, for example the measuring head of a pendulum balance.
A housing filled with water offers considerable advantages in terms of weighing technology. No cuffs 11 are necessary.
When balancing the weight of the measuring tube 5 with a counterweight 16, in the air, and if all components have the same spec. Weight (steel), the rest position does not change when immersed in water.
The measurement immediately gives the sand weight (reduced by the weight of the water displaced by the sand), regardless of the water temperature, while in the case of a sealed housing the weight measurement must be reduced by the weight of the water in the measuring tube, i.e. The specified water weight must always be taken into account mathematically or experimentally during testing and adjustment work. In addition, the water in the measuring tube changes its spec. Weight with temperature, which must be taken into account in the measurement or compensated for by equipment.
Instead of connecting the measuring element 18 to the arm 13b, such a measuring element 18a can also be connected directly to the measuring tube 5 with an articulated push rod 19. If the measuring element 18 or 18a is a double pendulum balance head or some other weighing device which, together with the balance bridge of the measuring tube, shows correctly in any direction when energizing, the entire measuring arrangement according to FIG. 2 shows correctly even when the position is inclined to the horizontal by the angle a on, as well as when rotating around the axis of the suction tube, e.g. in the rollage of the dredger.
In FIG. 3, a sealed double pendulum balance 102 suitable as a measuring cell is shown schematically.
On the sealed capsule 103, one edge of two identical bellows 109 is connected airtight to the opposite walls via openings 104. The other edge of the bellows is also tightly connected to a continuous rod 106 with two plates 105, so that the capsule 103 is completely closed. The force to be measured (or the corresponding path) is transmitted into the interior via one of the plates 105. When the rod 106 is moved, the volume of one of the bellows increases by the same amount as the volume of the second bellows decreases, so that in the case of pressure differences between the interior of the capsule 103 and the exterior, e.g. As a result of different water depths, apart from a constant buoyancy, which can be compensated, no forces can act on the rod 106, so the measurement cannot be disturbed.
It is not necessary that the bellows 109 be attached to the same rod and move equal paths. It is important that when moving, the changes in the enclosed volumes are oppositely equal. The elastic restoring force of the bellows is included in the adjustment of the measuring device in a known manner.
A double pendulum inclination balance 102 is connected to the rod 106. The rod 106 is on the one hand guided in parallel by a link 107 and the load lever arm 108 of the same length of the right pendulum 114, with pendulum weight 115, and is simultaneously loaded. The left pendulum 116 with pendulum weight 115 is also loaded by means of the pull rod 111 and the angle rod 112 via the lever arm 108, the angle rod 112 also being guided in parallel by a link 107. All drawn axes, support and connection axes, are parallel to each other. The installation in the housing of the measuring device takes place in such a way that the axes mentioned are in planes perpendicular to the normal direction. The orientation within these levels is of no particular importance. In any case, the angle α and the helix angle of a dredger do not result in any measurement errors.
The measured value is transmitted by means of an electrical output (not shown). Those skilled in the art will be able to e.g. to generate an electrical output signal by means of a binary coded disk moved by the pendulum.
A measuring cell 18 or 18a, consisting of a string balance according to Swiss patent 447 653, can be used with advantage and also results in a measurement that is independent of inclination.
It is advantageous that these string scales already have an electrical numerical output which can be used directly to display and control the sand content. The scales listed above, however, must first be equipped with a converter for an electrical output signal.
As a result of the robust construction, the use of a dynamometer with an electrical output as the measuring cell 18 or 18a can be advantageous. When switched on in this way, however, the measurement would result in progressively smaller measured values with increasing inclination corresponding to cos a.
4, 4a show an arrangement which gives correct values with a single dynamometer. Only the part of FIG. 2 (bottom left) is drawn, namely partially the suction part of the suction tube 1, a part of the measuring tube 5 which, not shown, as described in FIG. 2, is guided and balanced in parallel, and also through the annular slot 3 separated from the suction pipe, part of the housing 4.
Two carriers 21, each with an axis 22, are attached one behind the other to the housing 4. Also with two arms 23, a mass 24 is attached as a gravity pendulum mass.
On this pendulum 25, e.g. on the upper surface of the mass 24, a dynamometer 26 is mounted. It is articulated to a bearing 29 of the measuring tube 5 by means of a rod 27 which carries an axis 28 parallel to the axes 22 (FIG. 4 a). The force resulting from the material being measured and acting in the normal direction is therefore always absorbed in the vertical direction. The dynamometer 26 thus gives the correct measured value at every angle of inclination α.
The measuring cells used are preferably elastic dynamometers, preferably with inductive or with resistive extensometers, e.g. Strain gauges.
It is not necessary for the pendulum 25 to be loaded directly from the measuring tube 5 with dynamometers 26; it can e.g. also be hinged to the arm 13b of the lever 13 (Fig. 2).
Fig. 5 shows an arrangement in which no gravity pendulum is necessary. Only part of FIG. 2 (bottom left) is drawn with the housing 4 cut. Two dynamometers, preferably similar, are used, e.g.
with inductive extensometers. One dynamometer 31 supports the measuring tube 5 by means of the rod 32 (it could, however, also be attached to the arm 13b of FIG. 2), a similar dynamometer 33 supports a reference mass 34 which is hinged to the housing 4 with two links 35, so that it can only move in the normal direction. The dynamometers 31, 33 have, not shown, electrical outputs; they are electrically coupled to one another such that the dynamometer 31 displays correctly regardless of the angle α, as will be explained below. The weight component of the comparative mass 35 loading the dynamometer 33 is proportional to the cosine of the angle of inclination α of the tube axis with respect to the horizontal.
This has the effect that the ratio of output voltage Ea to input voltage Ei of dynamometer 33 is always:
Es = cos a
Ei If the output voltage Ea is kept constant in a control loop:
Ea = Eo = const.
so applies to the input voltage
Ei = Eo / cos a This input voltage now also feeds dynamometer 31.
Since its output voltage Ua is always proportional to the weight component Q cos a of the material being measured orthogonal to the pipe axis and to the input voltage Ei, the following applies: Ua =: Q.COS u E: = Q cos u El, lcos ci = Q Eo
The measures described above make the weighing independent of the inclination of the suction tube.
A support 41 is attached to the measuring tube 5 for testing and adjusting the measuring device; Above this support, a hole 42 is made in the housing 4, which is closed with a cover 43 during operation. For the purpose of testing and adjustment, the cover 43 is removed and a balance plate 44 with a known dead weight is attached to the support 41 by means not shown, on which balance plate 44 the test weights 45 are placed.
The test and adjustment process is described below, although the adjustment of the parts used as a weighing bridge, which is familiar to the specialist in balances, is not described. The measuring device 6 is expediently supported by suitable means before being installed in the suction line 1, in such a way that the angle of inclination a can be set in the desired range.
First, in a horizontal position, a = 00, without the balance plate 44, the compensation is e.g. produced by moving the counterweight, with which the display instrument shows zero. Now the measuring device 6 is inclined by an angle ci and by adjusting the handlebar arrangement (parallelism of the handlebars) it is achieved that the zero display does not change when the angle a changes. The scale plate 44 is now attached and the display value is adjusted taking into account its weight, i.e. e.g. brought into agreement with the scale kg (kp) of the display instrument A, Fig. 6, which expediently has a primary, always valid scale, in kg. This correspondence can take place with weighing-mechanical means or by intervention in the electrical part.
Further secondary scales (e.g. '3to) can be attached, e.g. those, which for a sand with a certain spec. Weight indicate the content of the suspension in percent by weight or percent by volume. Any specialist can do the conversion.
The measuring device 6 can now be installed in the suction line 1. Installed in this way, it can be checked again over water if necessary. Now the measuring device 6 with the suction line 1 is lowered until the housing is completely in the water, but the balance plate 44 is above the water level W, FIG. 2.
Any small change in the zero display as a result of immersion is corrected, whereupon the test with test weights 45 can be repeated. Should side effects, e.g. If those on the bellows 109, which are now immersed, have a significant influence, then the correspondence with the kg scale can be re-established.
The balance plate 44 is now removed, the zero position corrected if necessary, and the opening 42 closed with the cover 43. Now the measuring device 6 with the suction line 1, under water, can be inclined by the angle α or lowered to a corresponding depth without the zero position of the display changing.
The check in operation and the possible correction after a corresponding period of operation is simple: The operational wear of the inner wall of the measuring tube 5 is indicated by the change in the zero display to minus.
The size of this minus display in the zero position, as it can be determined with pure water pumping or during breaks in operation (without test weights), is based on the amount of wear. It thus indicates when, as a result of the enlargement of the measuring area, a correction of the relationship between the primary and secondary scales is necessary.
The correctness of the weight scale kg (kp) can be checked during a break in operation by lifting it to the water level, mounting the weighing plate 44 and placing test weights 45 on it.
Fig. 6 shows the scheme of the entire system. Measuring element Z is either a balance, e.g. a double pendulum balance 102 or a string balance. A dynamometer mounted on a pendulum can also be used as a measuring element; this gives the result in kg on display A; or measuring elements are, for example, according to the path R, on the right, the dynamometers 31, 33, which transmit their result in kp (equivalent kg) to the display A. The display A has an output to control St.