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Die Erfindung betrifft eine Messestrom-Durchflussvorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Erfassung des Massenstroms von Schüttgütern mit einer Durchflussmessvorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 9.
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Zur Bestimmung der Masse und des Massenstroms von festen Schüttgütern werden in der Praxis in vielfältigen Varianten Prallplatten-Durchflußmeßgeräte eingesetzt. Bei diesen wird ein Schüttgutstrom aus einer Zuteilungsrinne auf eine ebene Prallplatte geleitet, die in einem bestimmten Winkel zum Schüttgutstrom ausgerichtet ist. Dabei werden die einzelnen Teilmassen beim Aufprall in ihrem Impuls geändert, dessen Summe ein Wert für die Durchflußmasse des Schüttgutstromes ergibt. Die Prallplatte ist dabei meist so gelagert, dass nur die horizontale Komponente der Impulse als Stoßkraft auf eine Wägezelle einwirkt, durch die die Gesamtkraft der auftreffenden Teilmassen ermittelt wird.
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Eine theoretische Bestimmung der Messkraft ist meist nicht möglich, da sowohl der Stoßfaktor, der den Anteil von elastischen und plastischen Stoßverhalten berücksichtigt, als auch der Reibungskoeffizient zwischen Fördergut und der Prallplatte, der von der jeweiligen Kornzusammensetzung und Feuchte des Förderguts abhängt, Änderungen unterworfen ist. Deshalb sind die mit einer Prallplatten-Durchflußmeßeinrichtung gewonnenen Meßergebnisse über den Stoßfaktor extrem stark von der Struktureigenschaft des Schüttguts sowie von der effektiven Größe der Auftreffgeschwindigkeit abhängig. Befriedigende Genauigkeit können mit Prallplatten-Durchflußmeßgeräten daher nur erreicht werden, wenn die Schüttgutparameter konstant und zusätzlich die Materialaufgabe, d. h. die Fallhöhe und der Auftreffwinkel reproduzierbar erfolgt ist. Die beschriebenen Einflüsse werden bei Inbetriebnahme durch Materialkontrollmessungen mit Fördergut und Vergleich durch Nachwiegen auf einer statischen Waage empirisch berücksichtigt. Allerdings kann sich die Auftreffgeschwindigkeit auf der Prallplatte durch Reibungseinflüsse oder Änderung der Schüttguteigenschaften wie Feuchte und Fließfähigkeit erheblich ändern, so dass nicht nur durch die Änderung des Stoßfaktors, sondern auch durch die Änderung der Aufprallgeschwindigkeit sich die Meßgenauigkeit verschlechtern kann.
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Aus der
DE 29 50 925 A1 ist ein Verfahren zur Messung der Durchflussstärke mittels einer Prallplatten-Meßvorrichtung bekannt, bei der über eine Zuführvorrichtung die Schüttgüter über ein vertikales Rohr senkrecht auf eine schräggestellte Prallplatte geführt werden. Die Prallplatte ist horizontal gelagert und erfasst mittels einer Messvorrichtung die horizontalen Kräfte, die durch die Stoßimpulse auf die Prallplatte erzeugt werden. Da bei einer Änderung des Reibungskoeffizienten zwischen dem Schüttgut und der Prallplatte sich auch die Durchflussgeschwindigkeit ändern kann, ist bei dieser Prallplatten-Durchflußmeßvorrichtung am Prallplattenausgang eine Vorrichtung zur Geschwindigkeitsmessung vorgesehen. Diese Vorrichtung besteht aus einer Turbine bzw. einem Schaufelrad, über das der abgeführte Materialstrom geleitet wird. Dabei stellt die Drehzahl der Turbine einen Wert der Abflussgeschwindigkeit des Schüttgutstromes dar. In einer Auswertevorrichtung werden die Signale der Horizontalkraft und der Abflussgeschwindigkeit so miteinander verknüpft, dass daraus der Quotient gebildet wird, mit dem eine Korrektur der Reibkomponente auf der geneigten Platte erreichbar ist. Allerdings kann bei dieser Vorrichtung die Ablaufgeschwindigkeit noch erheblich von der Aufprallgeschwindigkeit abweichen, so dass hiermit keine Berücksichtigung unterschiedlicher Aufprallgeschwindigkeiten möglich ist.
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Weiterhin ist aus der
EP 0 593 699 B1 eine Schüttgutwaage bekannt, mit der ein Schüttgüterstrom mittels einer Prallplatte ermittelt wird. Dazu wird über eine schräge Gleitbahn der Schüttgutstrom auf eine Rutsche geleitet, mit der über einen Kraftmesser die vertikale Kraftkomponente des Schüttgutstroms ermittelt wird. Nach der schrägen Rutsche wird der Schüttgutstrom auf eine vertikale Prallplatte geleitet, die ebenfalls mit einer Kraftmessvorrichtung verbunden ist, die die horizontale Aufprallkraft erfasst. Dabei wird über die vertikale Kraftmessung auf der geneigten Rutsche ein Gewichtswert ermittelt, der etwa der mittleren Schüttgutgeschwindigkeit auf der Rutsche entspricht und entsprechend im Meßergebnis berücksichtigt wird. Da allerdings auf der relativ langen geneigten Rutsche die Abführgeschwindigkeit durch Reibungseinflüsse und dergleichen erheblich von der Anfangsgeschwindigkeit abweichen kann, entspricht diese mittlere Geschwindigkeit nicht in jedem Fall der Auftreffgeschwindigkeit auf der Prallplatte und kann so zu Meßungenauigkeiten führen. Weiteren Stand der Technik bildet die
US 5 698 794 A , aus der ein Prallplatten-Durchflussmessgerät bekannt ist, bei welchem die Bewegung der Prallplatte über Sensoren gemessen und ausgewertet wird. Aus der
DE 2 327 624 B2 ist ein weiteres Prallplatten-Durchflussmessgerät mit einer an eine Kraftmesseinrichtung gekoppelten Prallplatte bekannt, die im Weg des Materialstroms angeordnet ist. Der Materialstrom wird vor dem Auftreffen auf die Prallplatte über ein Schleuderrad mit Mitnehmern auf eine hohe Geschwindigkeit beschleunigt. In der
US 4 955 270 A ist zudem ein Durchflussmessgerät mit einer vertikalen Prallplatte offenbart, auf die der Schüttgutstrom in horizontaler Richtung auftrifft und bei welcher auch nur der horizontale Anteil der Kraft mittels eines Messgrößenaufnehmers ausgewertet werden soll. Die Prallplatte und der Kraftaufnehmer sind dabei so gelagert, dass jede Dämpfung der Prallplatte durch deren Aufhängung oder Befestigung an dem Gerätegehäuse vermieden werden soll. Weiterhin ist aus der
JP 8 233 625 A eine Wägevorrichtung für Pulver bekannt, bei der die Prallplatte, auf die das zu wiegende Pulver auftrifft, mit einer Schwingung versehen wird, um das Anhaften des Pulvers zu vermeiden. Letztlich ist aus der
DE 24 49 765 C2 eine Förderbandwaage mit Kraftmessern bekannt, die mit schwingenden Saiten arbeiten.
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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Prallplatten-Durchflußmeßgerät und ein damit durchzuführendes Verfahren zur Messung des Massenstroms von Schüttgütern zu schaffen, dessen Messgenauigkeit verbessert ist.
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Diese Aufgabe wird durch die in Patentanspruch 1 und 9 angegebene Erfindung gelöst. Weiterbildungen und vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die Erfindung hat den Vorteil, dass durch die Ermittlung der Aufprallgeschwindigkeit und der horizontalen Aufprallkräfte der Massenstrom ermittelbar ist, ohne dass es einer besonderen Materialjustage der Meßvorrichtung bedarf, Das Gerät wird damit weitgehend unabhängig von Materialeigenschaften und Zuführbedingungen des Schüttgutstroms, die sich auf die Durchflußgeschwindigkeit auswirken können.
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Die Erfindung hat weiterhin den Vorteil, daß auch Verunreinigungen oder Materialanhaftungen auf der Zuführrutsche und dem Abführrohr nicht zu Beeinträchtigungen des Meßergebnisses führen, da sich diese durch die Erfassung der horizontalen Aufprallgeschwindigkeit und der Ermittlung der horizontalen Kraftkomponente nicht auf das Meßergebnis auswirken können.
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Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels, da in der Zeichnung dargestellt ist, näher erläutert. Die Zeichnung zeigt eine schematische Darstellung eines Prallplaten-Durchflußmeßgerätes.
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In der Zeichnung ist eine schräg geneigte oszillierend angetriebene Zuführrutsche 2 dargestellt, über die der Schüttgutstrom 1 gegen eine vertikale Prallplatte 3 geleitet wird und die die horizontale Aufprallkraft mittels einer Kraftmessvorrichtung 4 erfasst und aus der Phasenverschiebung zwischen der oszillierend angetriebenen Rutsche und der daraus resultierenden oszillierenden Aufprallkraft wird die Aufprallgeschwindigkeit und der Massenstrom ermittelt.
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Das Schüttgut 1 rutscht über eine ausreichend geneigte Zuführrutsche 2 nach unten und mündet in einer Öffnung 8 eines Abführrohres 3. Gegenüberliegend zu der Öffnung 8 in schräger Verlängerung der Rutsche 2 ist eine Kraftmeßvorrichtung 4 vorgesehen, mit der die Aufprallkräfte F in horizontaler Richtung erfasst werden. Dabei wirkt das Abführrohr 3 bzw. seine hintere Seitenwand als vertikale Prallplatte. Der Schüttgutstrom 1 wird beim Auftreffen auf die hintere Seitenwand in Höhe der Kaftmeßvorrichtung 4 in vertikale Richtung umgelenkt. Um einen vertikalen Afluß des Schüttgutes 1 zu erreichen, hat das Abführrohr 3 ein Verhältnis von Querschnitt zu Länge ausgehend vom oberen Aufprallbereich nach unten, der einen Wert von < 2 aufweist. Dadurch ist sichergestellt, dass das Schüttgut 1 eine horizontale Abführgeschwindigkeit von null besitzt, da das Schüttgut das Abführrohr 3 in vertikaler Richtung verlässt. Die Kraftmeßvorrichtung 4 ist vorzugsweise als Plattenformwägezelle mit integrierter Parallelführung ausgebildet, die in der Nähe der Auftreffstelle angeordnet is.
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Die schräg geneigte Zuführrutsche 2 ist an seinem oberen Endbereich an einem Drehlager 5 angeordnet. Das Drehlager 5 ist als Wälz- oder Kugellager ausgebildet. Das Drehlager 5 kann aber auch verschleißfrei aus orthogonal kreuzenden Blattfederelementen gebildet sein, die die Zuführrutsche 2 gegenüber einem ortsfesten Geräteteil fixieren und gegenüber diesem einen vorgesehenen Schwenkwinkel zulassen. In der Nähe der Öffnung 8 ist ein Exzenterantrieb 7 vorgesehen, der über einen Lenker mit der Zuführrutsche 2 verbunden ist. Dieser Exzenterantrieb 7 besteht vorzugsweise aus einem elektrischen Getriebemotor, die der Zuführrutsche 2 eine oszillierende horizontale Schwenkbewegung mit einer Frequenz von ca. 3 Hz aufprägt. Unter der Zuführrutsche 2 ist zusätzlich ein Wegaufnehmer 6 angeordnet, der die oszillierende Bewegung der Zuführrutsche 2 erfaßt. Statt des Exzenterantriebs 7 könnte die Zuführrutsche 2 auch federnd gelagert werden, wobei die Federkonstante so gewählt werden müßte, dass die Rutsche durch den Schüttgutfluß mit einer Eigenfrequenz von ca. 3 Hz schwingen würde.
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Durch den Exzenterantrieb 7 überträgt sich die oszillierende Bewegung auch auf den Schüttgutfluß 1, so dass dieser vertikal und quer zu seiner Förderrichtung eine zusätzliche oszillierende Beschleunigung erfährt. Diese zusätzliche Vertikalbewegung verursacht auch eine oszillierende Kraft an der Prallplatte bzw. am Abführrohr 3, die durch die Wägezelle erfasst wird. Da diese Kraftwirkung oszillierend ist, hebt sich deren Wirkung über der Zeit auf und hat deshalb keinen Einfluß auf das Meßergebnis der horizontalen Aufprallkraft F. Diese oszillierende Kraftwirkung an der Kraftmeßvorrichtung wird in seiner Phase erfaßt und mit der oszillierenden Anregungsbewegung am Wegaufnehmer 6 verglichen. Durch die zu überwindende Wegstrecke zwischen dem Abwurfende der Zuführrutsche 2 und dem Auftreffpunkt an dem Abführrohr 3 entsteht eine Phasenverschiebung zwischen den beiden erfassten oszillierenden Signalen. Damit stellten die Kraftmessvorrichtung 4 und der Wegaufnehmer 5 Mittel zur Erfassung der Phasenverschiebung dar. Über die vorgegebene Wegstrecke zwischen dem Abwurfende der Zuführrutsche 2 und dem Auftreffpunkt an dem Abführrohr 3 und der Phasenverschiebungszeit zwischen den oszillierenden Signalen wird in einer nicht dargestellten Auswertevorrichtung die Durchflussgeschwindigkeit des Schüttguts 1 ermittelt, die die Aufprallgeschwindigkeit v an der Aufprallwand des Abführrohres 3 darstellt. Ermittelt man die Aufprallgeschwindigkeit v über den horizontalen Weg zwischen dem Zuführrutschenende und der Aufprallwand, so erhält man gleich die horizontale Geschwindigkeitskomponente. Da sich die Impulsänderung proportional zum Massenstrom verhält und der Massenstrom eine lineare Funktion zwischen der Aufprallkraft des Schüttgutstroms 1 und dem Quotienten der Geschwindigkeitsänderung ist, kann der Massenstrom MF nach der Formel: MF = F/Δv
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Berechnet werden. Dabei ist F die Aufprallkraft auf die Prallplatte 3 und Δv die Geschwindigkeitsänderung aufgrund der Umlenkung des Schüttgutstroms 1 in horizontaler Richtung. In der Formel geht die Änderung der Geschwindigkeit Δv im Gerät ein. Die Geschwindigkeit ist eine variable Größe, da sie von den Vorbedingungen und den Schüttguteigenschaften abhängt. Die Geschwindigkeit wird deshalb vor dem Auftreffen auf der Prallplatte 3 im freien Flug des Schüttgutstroms 1 ermittelt. Damit ist die Aufprallgeschwindigkeit v bekannt. Da die horizontale Ablaufgeschwindigkeit durch konstruktive Maßnahmen wie die vertikale Ausrichtung des Abführrohrs 3 und dessen Querschnitts-Längen-Verhältnis von kleiner 2 zu null gemacht wird, ist der Massengutstrom MF direkt proportional zur ermittelten Aufprallkraft F und der Aufprallgeschwindigkeit V.
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In einer nicht dargestellten elektronischen Auswertevorrichtung sind damit unmittelbar aus der festgestellten Aufprallkraft F und der Aufprallgeschwindigkeit v der Massenstrom MF des Schüttguts 1 ermittelbar. Dabei hat auch die Reibung des Schüttguts auf der Rutsche 2 keinen Einfluß auf das Meßergebnis des Massenstroms. Allerdings ist dabei sicherzustellen, dass innerhalb der Höhe des Schüttgutstroms 1 keine Geschwindigkeitsunterschiede auftreten, so dass möglichst größere Reibungen auf der Zuführrutsche 2 vermieden werden sollen. Dazu wird vorgeschlagen, die Zuführrutsche 2 aus einem glatten reibungsarmen Material herzustellen oder mit einer Bodenbelüftung auszurüsten, um dadurch die Reibkraft zu reduzieren und Anbackungen auf der Rutsche entgegenzuwirken.
