DD301534A7

DD301534A7 - Arrangement for the capacitive determination of mass concentrations in pipelines

Info

Publication number: DD301534A7
Application number: DD33592689A
Authority: DD
Inventors: Rolf Wagner; Guenter Zobel; Klaus Loetsch; Roland Bianchin; Klaus Hunger; Frank Winter; Hans-Joachim Heinrich
Original assignee: Freiberg Brennstoffinst
Priority date: 1989-12-20
Filing date: 1989-12-20
Publication date: 1993-02-18
Also published as: DE4025841A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur kapazitiven Bestimmung von Massenkonzentrationen in Rohrleitungen für pneumatisch bzw. hydraulisch bewegte feinkörnige Feststoffe. Das Ziel der Erfindung ist die relativ genaue Erfassung von pneumatisch bzw. hydraulisch geförderten Medien aus dielektrischem Material, um bei einer weiteren Meßsignalverarbeitung ökonomische Kriterien bzw. sicherheitsabhängige verfahrenstechnische Parameter in Anlagen optimal zu beeinflussen. Die Aufgabe besteht darin, eine Anordnung zur Messung der Massenkonzentration auf kapazitivem Weg, deren Meßempfindlichkeit über den Rohrquerschnitt konstant ist, die räumlich eine geringe Ausdehnung in Fließrichtung besitzt und die technisch einfach realisierbar ist, zu schaffen. Erfindungsgemäß sind Geber- und Sensorelektrode längs in Förderrichtung auf einem Rohrkreisbogenabschnitt in zwei oder mehreren Teilelektroden parzelliert, die untereinander elektrisch leitend verbunden und durch Spalte von einer Breite, die ein Vielfaches der Breite einer Teilelektrode betragen, getrennt.{Massenkonzentration; kapazitive Bestimmung; Feststoff, pneumatisch, hydraulisch, bewegt; Meßsonde; Meßrohr; Sinusgenerator; Geberelektrode; Sensorelektrode; Masseelektrode; Spal; C/U-Wandler}The invention relates to an arrangement for the capacitive determination of mass concentrations in pipelines for pneumatically or hydraulically agitated fine-grained solids. The aim of the invention is the relatively accurate detection of pneumatically or hydraulically conveyed media of dielectric material in order to optimally influence economic criteria or safety-related procedural parameters in systems in a further Meßsignalverarbeitung. The object is an arrangement for measuring the mass concentration on a capacitive path, the sensitivity of which is constant over the pipe cross-section, which has a small spatial extent in the flow direction and which is technically easy to implement created. According to the invention, the sensor and sensor electrodes are parceled longitudinally in the conveying direction on a tube arc section into two or more sub-electrodes which are electrically conductively connected to each other and separated by gaps of a width which is a multiple of the width of a sub-electrode. capacitive determination; Solid, pneumatic, hydraulic, moving; probe; measuring tube; Sine wave generator; Transmitter electrode; Sensor electrode; Ground electrode; Spal; C / U converter}

Description

Hierzu 1 Seite ZeichnungenFor this 1 page drawings

Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur kapazitiven Bestimmung von Massekonzentrationen in Rohrleitungen für pneumatisch bzw. hydraulisch bewegte feinkörnige dielektrische Feststoffe.The invention relates to an arrangement for the capacitive determination of mass concentrations in pipelines for pneumatically or hydraulically moved fine-grained dielectric solids.

Characteristic of the known state of the art

Die Bestimmung der Massekonzentration feinkörnigem Fördergutes in Rohrleitungen wird hauptsächlich radiometrisch, indem das Fördergut mit Hilfe geeigneter Strahlenquellen durchstrahlt wird, oder durch Anwendung des kapazitiven Meßprinzips vorgenommen.The determination of the mass concentration of fine-grained material to be conveyed in pipelines is mainly carried out radiometrically by irradiating the conveyed material with the aid of suitable radiation sources, or by applying the capacitive measuring principle.

Die DE-PS 3049035, welche sich auf den SU-UHS 522 340 bezieht, beinhaltet eine kapazitive Aerosolmassekonzentrationsmessung für strömende Medien in Rohren. Die als kapazitive Sensoren fungierenden Elektroden sind um das Meßrohr schraubenförmig angeordnet und sind außerdem in einem auf Massepotential angeordneten Schirm eingebettet. Diese 3 Elektroden sind an der Außenseite eines dielektrischen Rohres plaziert.DE-PS 3049035, which relates to SU-UHS 522 340, includes a capacitive aerosol mass concentration measurement for flowing media in pipes. The electrodes acting as capacitive sensors are helically arranged around the measuring tube and are also embedded in a screen arranged at ground potential. These 3 electrodes are placed on the outside of a dielectric tube.

Durch diese Anordnung der schraubenförmig gewendelten Elektroden soll ein gewisser Ausgleich der Meßempfindlichkeit, die in einem ungewendelten Aufbau sehr ungleichmäßig über den Meßquerschnitt verteilt ist, erreicht werden. Nachteilig bei dieser Elektrodenanordnung ist, daß die Forderung nach einer hohen Meßgenauigkeit bei der Bestimmung der Massekonzentration nur annähernd erfüllt wird und daß das durch die räumlich ausgedehnten Elektroden gebildete Ortsfrequenzfilter eine tiefe Grenzfrequenz besitzt, wodurch schnelle Meßsignaländerungen un'.erdrückt werden.By this arrangement of the helically coiled electrodes, a certain compensation of the measuring sensitivity, which is distributed very unevenly over the measuring cross section in an uncoiled structure, is to be achieved. A disadvantage of this electrode arrangement is that the requirement for a high accuracy of measurement in the determination of the mass concentration is only approximately fulfilled and that the spatial frequency filter formed by the spatially extended electrodes has a low cutoff frequency, whereby rapid measurement signal changes are un'.rückrückt.

Eine weitere Sensoranordnung ist aus der DE-PS 2806153 bekannt. Das hier beschriebene kapazitive Meßverfahren und die Anordnung prägt dem strömenden Medium eine zyklische Folge von gegeneinander versetzten elektrischen Spannungsfeldern in verteilter, räumlich überlappender zeitsequentieller Form auf. Dieses Meßprinzip bedingt eine aufwendige elektronische Steuerung und Auswertung und erfüllt nicht die Forderung nach einer konstanten Meßempfindlichkeit über den Rohrquerschnitt.Another sensor arrangement is known from DE-PS 2806153. The capacitive measuring method described here and the arrangement imposes on the flowing medium a cyclical sequence of staggered electrical voltage fields in distributed, spatially overlapping time-sequential form. This measuring principle requires a complex electronic control and evaluation and does not meet the requirement for a constant measuring sensitivity over the pipe cross-section.

Ziel dor ErfindungAim of the invention

Das Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer Elektrodenanordnung für einen kapazitiven Sensor zur relativ genauer Erfassung von pneumatisch bzw. hydraulisch geförderten Medien aus dielektrischem Material in Rohrleitungen. Aufgrund der von geförderten Medien im Meßkondensator hervorgerufenen absoluten Kapazitätsänderung, die proportional zu dessen Feststoffkonzentration und somit zur Dichte ist, sind bei einer weiteren Meßsignalverarbeitung ökonomische Kriterien bzw. sicherheitsabhängige verfahrenstechnische Parameter in Anlagen optimal zu beeinflussen.The object of the invention is to provide an electrode assembly for a capacitive sensor for relatively accurate detection of pneumatically or hydraulically conveyed media of dielectric material in pipelines. Due to the absolute change in capacitance caused by conveyed media in the measurement capacitor, which is proportional to its solids concentration and thus to the density, economic criteria or safety-related process parameters in plants must be optimally influenced in a further measurement signal processing.

Darlegung des Wesens der Erfindung 'Explanation of the essence of the invention

Aufgabe der Erfindung ist die Realisierung einer Anordnung zur Messung der Massekonzentration auf kapazitivem Weg, deren Meßempfindlichkeit über den Rohrquerschnitt konstant ist, die räumlich eine geringe Ausdehnung in Fließrichtung besitzt und die technisch einfach zu realisieren ist.The object of the invention is the realization of an arrangement for measuring the mass concentration on a capacitive path whose sensitivity is constant over the pipe cross-section, which has a small spatial extent in the flow direction and which is technically easy to implement.

Beim idealen Plattenkondensator (parallele Platten) verlaufen die Linien der elektrischen Feldstärke parallel und kreuzen die Äquipotentiallinie stets im rechten Winkel. Wird in einem solchen Kondensator das Dielektrikum gegen ein anderes mit der Dielektrizitätszahl e, + Δβ, ausgetauscht, so wird sich auch in der gleichen Weise die gemessene Kapazität zwischen den Platten verändern.In the ideal plate capacitor (parallel plates), the lines of electric field are parallel and always cross the equipotential line at right angles. If the dielectric is exchanged for another with the dielectric constant e, + Δβ in such a capacitor, the measured capacitance between the plates will also change in the same way.

Erfaßt die Störung nicht den gesamten Raum zwischen den Platten, sondern nur einen kleinen Teil, dann wird natürlich die Auswirkung auf die gemessene Kapazität kleiner sein, aber sie ist unabhängig vom Ort der Störung, das heißt, die Meßempfindlichkeit ist konstant über den Querschnitt.If the disturbance does not cover the entire space between the plates, but only a small part, then of course the effect on the measured capacitance will be smaller, but it is independent of the location of the disturbance, that is the measuring sensitivity is constant across the cross section.

Bei einem kapazitiven Sensor hingegen sind die Kondensatorplatten der Form des Förderrohres angepaßt, so daß sich kein homogenes Feld ausbilden kann. Die Folge ist zwangsläufig, daß die Meßempfindlichkeit ortsabhängig wird. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß mit einer speziellen Elektrodenform überraschend ein ausgeglichener Verlauf der Meßempfindlichkeit erzielt werden konnte. Dazu sind die Geber- bzw. Sensorelektrode längs in Förderrichtung angeordnet und auf einen jeweils bestimmten Rohrkreisbogenabschnitt in zwei oder mehreren Teilelektroden parzelliert, jedoch bleibt das entsprechende Spannungspotential durch eine elektrisch leitende Verbindung diaser Elektrodenverbände untereinander auf gleichem Niveau. Wichtig ist, daß es zwischen den streifenförmigen Teilelektroden untereinander schlitzförmige elektrodenfreie Spalte gibt, deren Breite ein Vielfaches der Breite der Teilelektroden betragen kann. Dabei ist es möglich, durch gezielte Anordnung der Teilelektroden auch spezielle Gebiete des Rohrquerschnittes bevorzugt zu bewerten. Zwischen den Sensoreloktrodenverbänden sind mit einem Spalt angeordnete Massoelektroden, die die Homogenität des elektrischen Feldes im Meßrohr gewährleisten. Die Verteilung über den Rohrkreisbogenabschnitt und die flächenhafte Ausdehnung bzw. Abmessungen der Elektrodenstreifen ist so ausgelegt, daß der Einfluß der Feldverzerrung auf die gleichmäßige Erfassung des bewegten Mediums über den Rohrquerschnitt und somit auf die Meßgenauigkeit nicht beeinträchtigt wird. Somit können Anzahl der Teilelektroden der Elektrodenkonfigurationen bzw. deren aktive Msßflächen sich voneinander unterscheiden.In the case of a capacitive sensor, on the other hand, the capacitor plates are adapted to the shape of the conveying tube, so that no homogeneous field can form. The consequence is inevitable that the measurement sensitivity is location-dependent. According to the invention the object is achieved in that surprisingly a balanced course of the measuring sensitivity could be achieved with a special electrode shape. For this purpose, the sensor or sensor electrode are arranged longitudinally in the conveying direction and parceled onto a particular pipe circular arc section in two or more sub-electrodes, however, the corresponding voltage potential remains by an electrically conductive compound diaser electrode associations with each other at the same level. It is important that there are slot-shaped electrode-free gaps between the strip-shaped partial electrodes, the width of which may be a multiple of the width of the partial electrodes. It is possible to preferentially evaluate specific areas of the pipe cross-section by targeted arrangement of the sub-electrodes. Between the Sensoreloktrodenverbänden arranged with a gap mass electrodes, which ensure the homogeneity of the electric field in the measuring tube. The distribution over the pipe arc section and the areal expansion or dimensions of the electrode strips is designed so that the influence of the field distortion on the uniform detection of the moving medium over the pipe cross-section and thus on the measurement accuracy is not affected. Thus, the number of partial electrodes of the electrode configurations or their active surfaces may be different from each other.

Ausführungsbeispiel gemäß Abbild. 1Embodiment according to image. 1

Die Abbildung 1 zeigt die schematische Darstellung des Meßsondenaufbaus und das stark verallgemeinerte Grundprinzip der zugehörigen Signalauswertung. Der kapazitive Sensor besteht aus einem dielektrischen Meßrohr 2, einer Geberelektrode 4 und einer Sensorelektrode 5, die der Geberelektrode räumlich gegenüber angeordnet ist. Beide Elektroden 4, 5 bilden jeweils einen Elektrodenverband aus schmalen Elektrodenstreifen, die elektrisch leitend verbunden sind. Zwischen den Teilelektroden bestehen Spalte 7. Die Masseelektrode 6 bildet einen auf einer Ebene angelegten Schirm um die beiden Meßelektroden 4,5. Die flächenhafte Ausdehnung der beiden Meßelekt.odenverbände 4, 5 über den jeweiligen Rohrumfangsabschnitt ist auf eine gleichmäßige Feldliniendichte im Meßrohr ausgerichtet. Das den kapazitiven Sensor umfassende Gehäuse 1 der Sonde ist ebenfalls mit Massepotential verbunden und bildet somit eine äußere Abschirmung. Ein Sinusgenerator 3 speist die Geberelektrode 4. Entsprechende Konzentrationsänderungen und das damit sich proportional verhaltende Dielektrikum eines zu transportierenden dispergierten Stoffes in der Meßsensoranordnung influenziert Verschiebungsströme an der Sensorelektrode 5, die mittels eines als Substrahierverstärker geschalteten C/U-Wandlers 8 nach dem Ladungsverstärkerprinzip in eine proportionale Spannung umwandelt und die Grundkomponente (Gleichanteil) des Ladungssignals eliminiert. Aus der Querschnittsdarstellung gemäß Fig.2 des Meßrohres 2 sind die schematischen Anordnungen der elektrisch leitend verbundenen Teilelektror en der entsprechenden Geber 4 bzw. Sensorelektrode 5 und der Masseelektroden 6 über den Rohrumfang zu erkennen. Die Masseringelektroden 6 nach Abb. 1 an den Rohrenden sind zur besseren Darstellung der hauptsächlichsten Elemente des kapazitiven Sensors in Abb. 2 nicht dargestellt.Figure 1 shows the schematic representation of the probe setup and the highly generalized basic principle of the associated signal evaluation. The capacitive sensor consists of a dielectric measuring tube 2, a donor electrode 4 and a sensor electrode 5, which is arranged spatially opposite the donor electrode. Both electrodes 4, 5 each form an electrode assembly of narrow electrode strips, which are electrically conductively connected. Column 7 exists between the sub-electrodes. The ground electrode 6 forms a screen applied on a plane around the two measuring electrodes 4, 5. The planar expansion of the two Meßelekt.odenverbände 4, 5 over the respective pipe peripheral portion is aligned with a uniform field line density in the measuring tube. The capacitive sensor housing 1 of the probe is also connected to ground potential and thus forms an outer shield. Corresponding changes in concentration and the thus proportionally behaving dielectric of a transported substance to be transported in the Meßsensoranordnung influenziert displacement currents at the sensor electrode 5, by means of a subordinate amplifier connected C / U converter 8 after the charge amplifier principle in a proportional Voltage converts and eliminates the fundamental component (DC) of the charge signal. From the cross-sectional view of Figure 2 of the measuring tube 2, the schematic arrangements of the electrically connected Teilelektror s of the corresponding sensor 4 or sensor electrode 5 and the ground electrode 6 can be seen over the circumference of the tube. The grounding electrodes 6 according to Fig. 1 at the pipe ends are not shown for better representation of the main elements of the capacitive sensor in Fig. 2.

Claims

1. Arrangement for the capacitive determination of mass concentrations in pipelines for a moving medium mitiJs capacitive probe with sensor and sensor electrodes, which are spatially opposite, characterized in that both measuring electrodes arranged longitudinally in the conveying direction F and on a particular pipe circular arc section in two or more Partial electrodes are parceled, which are electrically conductively connected to one another and separated by gaps of a width which are many times the width of a partial electrode.

2. Arrangement according to claim 1, characterized in that, seen in the longitudinal direction, between the two electrode configurations in each case a grounded potential electrode is arranged.

3. Arrangement according to claim 1, characterized in that the planar expansion and the distribution of the electrode strips over the circular arc portion of the measuring tube of the respective measuring electrodes may be different from each other. >