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Die Erfindung bezieht sich auf ein
Verfahren zur Bestimmung der Richtung und der Geschwindigkeit eines
Förderstroms
durch Messungen mittels zwei Sensorpaaren, deren geometrische Lage
gegeben ist, wobei deren Verbindungslinien sich kreuzen oder schneiden,
und wobei aus den Messsignalen der Sensoren und der geometrischer
Lage der Sensoren die Geschwindigkeit und die Richtung eines Förderstroms
bestimmt werden.
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Außerdem bezieht sich die Erfindung
auf eine Vorrichtung zur Bestimmung der Richtung und der Geschwindigkeit
eines Förderstroms
mittels zwei Sensorpaaren, deren jeweilige Verbindungslinien sich
kreuzen oder schneiden und deren geometrische Lage bekannt ist,
wobei die Sensoren mit einer Auswerteeinrichtung zur Auswertung
der durch die Messungen am Förderstrom
erzeugten Sensor-Messsignale und zur Bestimmung der Richtung und
der Geschwindigkeit des Förderstromes
verbunden sind.
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Es sind bereits Verfahren und Vorrichtungen bekannt,
mit denen die Fördergeschwindigkeit
eines Förderstrommediums
und auch die Förderrichtung bestimmt
werden kann. Beispielsweise sind solche Messungen bei Kohlebrennern
in einem Kraftwerk vorgesehen. Hierbei wird die Luft für die Verbrennung in
der Regel mit einem Drall versehen, teilweise um die Luft besser
mit der Kohle zu vermischen, teilweise um eine Art Luftschleier
um die eigentliche Flamme zu legen um die Schadstoffe zu reduzieren.
Um unter diesen Bedingungen zu messen, werden Pitot-Rohre zum Teil
in spezieller Ausführung
eingesetzt. Diese haben allerdings den Nachteil, dass sie durch
die Verunreinigungen in der Verbrennungsluft schnell verstopfen
und dementsprechend wartungsintensiv sind.
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Aus der
DE 39 09 177 A1 ist eine
Anordnung zur Strömungsgeschwindigkeitsmessung
bei der pneumatischen sowie hydraulischen Förderung feinkörniger Schüttgüter bekannt,
welche mittels kapazitiver Messsonden und durch Laufzeitkorrelation
Strömungsgeschwindigkeitsmessungen
ermöglicht. Richtungsbestimmungen
des Förderstromes
sind damit jedoch nicht durchführbar.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung
ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtungen der eingangs erwähnten Art
zu schaffen, wobei auch über
einen längeren
Zeitraum zuverlässige
und genaue Messungen möglich
sind. Dabei soll sowohl der konstruktive Aufwand als auch der Aufwand
für die
Auswertung der Messung vergleichsweise gering sein.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird hinsichtlich des
Verfahrens vorgeschlagen, dass am Förderstrom Messungen mit Hilfe
von wenigstens zwei Sensorpaaren durchgeführt werden und aus den Messsignalen
der Sensoren jeweils eines Sensorpaares Laufzeitmessungen erfolgen
und dass aus der Differenz oder der Summe oder dem Verhältnis von
wenigstens zwei Laufzeitmessungen an wenigstens zwei Sensorpaaren
bei gegebener geometrischer Lage der Sensoren und bei sich kreuzenden
oder schneidenden Verbindungslinien der Sensorpaare, die Geschwindigkeit
und die Richtung des Förderstroms
bestimmt wird.
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Hinsichtlich des Vorrichtung wird
vorgeschlagen, dass wenigstens zwei Sensorpaare vorgesehen sind,
deren jeweilige Verbindungslinien sich kreuzen oder schneiden und
deren geometrische Lage bekannt ist und dass die Sensoren mit einer
Auswerteeinrichtung zur Auswertung der durch die Messungen am Förderstrom
erzeugten Sensor-Messsignale und zur Bestimmung der Richtung und
der Geschwindigkeit des Förderstromes
verbunden sind.
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Mittels dieser Vorrichtung und dem
Verfahren kann allein aus der geometrischen Anordnung der Sensoren,
die in weiten Grenzen variiert werden kann und der Laufzeitmessung
sowohl die Geschwindigkeit eines Förderstroms als auch dessen Richtung
bestimmt werden.
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Laufzeitmessungen bedeuten in diesem
Zusammenhang, dass gemessen wird, wie lange es dauert, bis ein Ereignis,
das vom erste Sensor registriert wurde, ebenfalls vom zweiten Sensor
des gleichen Paares registriert wird. Die Sensoren können beispielsweise
eine physikalische Größe des Förderstroms
messen, zum Beispiel Temperatur, Druck, Dielektrizitätskonstante
und dergleichen, die sich ständig
zufällig ändert.
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Bevorzugt werden dabei die Laufzeitmessung(en)
mittels Kreuzkorrelation vorgenommen, da dies ein bewährtes, mathematisches
Verfahren hierfür
ist.
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Aus der
EP 0 588 599 A2 ist zwar
bereits ein Verfahren bekannt, mit dem die Geschwindigkeit und die
Richtung eines Förderstroms
bestimmt werden können.
Dazu werden vier Transducer verwendet, die als Sende-Empfänger für Ultraschallwellen
ausgebildet und paarweise schräg
gegenüberliegend
an einer Strömungsführung angeordnet
sind. Diese Transducer sind an eine Kontroll- und Steuereinrichtung
angeschlossen. Es werden damit zwar auch Laufzeitmessungen durchgeführt, allerdings
beziehen sich diese auf die Laufzeiten der Ultraschallwellen, die
auf einer Seite der Strömungsführung von
einem Transducer ausgesendet und auf der gegenüberliegenden Seite von dem
zugehörigen
Transducer aufgenommen werden. Die Laufzeit der Ultraschallsignale
der in X-Form angeordneten vier Transducer wird durch den Förderstrom
beeinflusst, was für
die Bestimmung der Geschwindigkeit und Richtung des Förderstroms
ausgewertet wird. Schon prinzipiell unterscheidet sich diese Laufzeitmessung
von der beim Erfindungsgegenstand.
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Beim Erfindungsgegenstand wird direkt
die Laufzeit von Förderstrompartikeln
zwischen den in Strömungsrichtung
hintereinander angeordneten Sensoren und damit der Förderstrom
selbst gemessen. Bedingt durch dieses Messverfahren können sehr
einfach aufgebaute Sensoren, zum Beispiel elektrostatische Sensoren
eingesetzt werden. Der Aufwand ist dadurch im Vergleich zu den vier
Transducern (Ultraschall-Sende-Empfänger) der
EP 0 588 599 A2 wesentlich
geringer.
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Nach einem Vorschlag der Erfindung
kann die Geschwindigkeit und die Richtung des Förderstroms aus dem Abstand
der einzelnen Sensoren der Sensorpaare, dem Winkel zwischen der
Verbindungslinie der einzelnen Sensoren der jeweiligen Sensorpaare
und einer willkürlich
vorgegebenen, vorzugsweise einer gewünschten Förderstromrichtung entsprechenden
Bezugsrichtung sowie aus den Laufzeiten oder dem Laufzeitverhältnis bestimmt werden.
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Zusätzliche Ausgestaltungen der
Erfindung sind in den weiteren Unteransprüchen aufgeführt. Nachstehend ist die Erfindung
mit ihren wesentlichen Einzelheiten anhand der Zeichnungen noch
näher erläutert.
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Es zeigt:
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1 eine
schematische Darstellung einer Strömungsführung für einen Förderstrom mit in die Strömungsführung ragenden
Sensoren und
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2 eine
etwa 1 entsprechende
Darstellung, hier jedoch mit anderer Sensoranordnung.
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Anhand der 1, wo eine Mess-Vorrichtung 1 mit
einer Strömungsführung 2,
Sensoren A,B,C, und D sowie einer Auswerteeinrichtung 3 dargestellt
sind, sind nachfolgend die Zusammenhänge zur gleichzeitigen driftfreien
Messung der Geschwindigkeit und der Richtung eines Förderstromes
beschrieben.
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Die Sensoren bilden zwei Paare, die
Sensoren A und B bilden ein Paar und die Sensoren C und D das andere
Paar. Die Sensoren sind dabei so angebracht, dass deren Messsignale
vom Förderstrom erzeugt
werden und sind innerhalb der Strömungsführung so angeordnet, dass sie
in Strömungsrichtung
zueinander beabstandet sind und dass sich die jeweiligen Verbindungslinien 4 und 5 schneiden
... oder kreuzen. Sie schneiden sich dann, wenn die Sensoren in
einer Ebene angeordnet sind und sie kreuzen sich bei einer räumlichen
Anordnung, wenn die Sensoren nicht in einer Ebene angeordnet sind. Der
Einfachheit halber sind die Sensoren durch Kreise angedeutet und
ohne Halterungen dargestellt. In den beiden Ausführungsbeispielen gemäß 1 und 2 sind die Sensoren in einer Ebene angeordnet.
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Aus den zwei Laufzeiten der Sensorsignale der
Sensorpaare sowie der geometrischen Anordnung der Sensoren kann
die Geschwindigkeit und die Richtung des Förderstromes bestimmt werden.
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Ein möglicher Aufbau einer erfindungsgemäßen Meß-Anordnung
ist in 1 gezeigt.
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Der Sensor A und der Sensor B bilden
ein erstes Paar und der Sensor C und der Sensor D das andere Paar.
Gegenüber
einer festen Bezugslinie 6, die zum Beispiel die gewünschte Förderrichtung
sein kann, sind diverse Winkel zur tatsächlichen Förderrichtung, die durch die
Gerade 10 gekennzeichnet ist, eingetragen.
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Zur Bezugslinie 6 bildet
die gedachte Verbindungslinie 4 zwischen den Sensoren A
und B des ersten Sensorpaares den Winkel β, (Beta 1) und die gedachte
Verbindungslinie 5 zwischen den Sensoren C und D des zweiten
Sensorpaares bildet zur Bezuglinie 6 den Winkel β2 (Beta
2). Die Förderrichtung 10 bildet
zur Bezuglinie 6 den Winkel α (Alpha).
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Die gedachte Verbindungslinie 4 zwischen den
Sensoren A und B des ersten Sensorpaares bilden mit der Förderrichtung 10 den
Winkel χ (Kappa) und
die gedachte Verbindungslinie 5 zwischen den Sensoren C
und D des zweiten Sensorpaares bilden mit der Förderrichtung 10 den
Winkel γ (Gamma).
Die Sensoren A und B des ersten Sensorpaares 1 haben den
Abstand D1 und die Sensoren C und D des zweiten Sensorpaares haben
den Abstand D2 zueinander. In diesem Fall gilt die Gleichung 1.
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Für
die in 1 dargestellten
Zusammenhänge
ergibt sich die Laufzeit t1 zwischen den
Signalen von Sensor A und Sensor B aus der Zeit, die der Förderstrom
braucht um die Strecke S1 zu passieren. Weiterhin
ergibt sich die Laufzeit t2 zwischen den
Signalen von Sensor C und Sensor D aus der Zeit die der Förderstrom
braucht um die Strecke S2 zu passieren.
Wenn die Sensoren eines Paares den Abstand D1 beziehungsweise
D2 zueinander haben, gelten folgende Gleichungen: Gleichung 2 S1 = D1·cos (χ) Gleichung 3 S2 = D2·cos (γ)
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Wenn der Förderstrom die Geschwindigkeit V
hat und der Förderstrom
um die Strecke S1 zu passieren die Zeit
t1 und um die Strecke S2 zu
passieren die Zeit t2 benötigt,
dann gelten bei einer gleichförmigen
Geschwindigkeit folgende Gleichungen: Gleichung 4 S1 = t1 · V Gleichung 5 S2 = t2 · Vsetzt
man Gleichung 2 in Gleichung 4 ein und Gleichung 3 in Gleichung
5 so ergeben sich folgende Gleichungen: Gleichung 6 D1·cos
(χ) = t1 · V Gleichung 7 D2·cos (γ) = t2 · V
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Werden beide Gleichungen miteinander
dividiert so ergibt sich:
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Aus Bild 1 ist zu ersehen, das folgende
Winkelbeziehungen gelten: Gleichung 9 χ = β1 + α Gleichung 10 γ = β2 – α
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Somit gilt Gleichung 1. Die beiden
Laufzeiten t1 und t2 müssen gemessen
werden, die Abstände
D1 und D2 der Sensoren
A-B und C-D werden bei der Konstruktion der Meßvorrichtung festgelegt. Hiermit kann
aus dem Verhältnis
der beiden Laufzeiten der Winkel α bestimmt
werden. Mit dem Winkel α kann dann
die Geschwindigkeit V bestimmt werden. Aus der Gleichung 6 und den
Winkelbeziehungen ergibt sich Gleichung 11:
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2 zeigt
eine Anordnung, bei der drei Sensoren E, F und G zwei Sensorpaare
mit einen gemeinsamen Sensor F bilden. Die drei Sensoren begrenzen
ein gleichschenkliges Dreieck und sind in einer Ebene angeordnet.
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Dementsprechend sind die Winkel β jeweils zwischen
der Bezugslinie 6 und den Verbindungslinien 4,5 identisch
und die Abstände
D3 der Sensoren E und G von dem Sensor F
sind ebenfalls identisch. Gleichung 8 vereinfacht sich dann zu Gleichung
12.
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Die Geschwindigkeit lässt sich
dann mit Gleichung 13 errechnen Gleichung 13
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Das anhand der 1 und 2 beschriebene Verfahren
bietet die Möglichkeit,
die Geschwindigkeit mittels der Laufzeiten zu bestimmen, wenn sich
die Förderrichtung
während
der Förderung ändert, oder wenn
beim Einbau der Sensoren nicht klar ist wie die Förderrichtung
ist.
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Erwähnt sei in diesem Zusammenhang,
daß die
Geschwindigkeit und die Richtung des Förderstroms außer durch
die im Ausführungsbeispiel
gezeigte Verhältnisbildung
der Laufzeiten (vergl. z.B. Gleichung 12), auch durch Bildung der
Differenz oder der Summe der Laufzeiten möglich ist.
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In 1 ist
innerhalb der Strömungsführung 2 eine
Einrichtung zur Strömungsumlenkung
mit vorzugsweise verstellbaren Drallplatten 7 zur Einstellung
eines Strömungsdralls
vorgesehen. Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Meß-Vorrichtung 1 können die Auswirkungen
einer Verstellung der Drallplatten 7 auf die Richtung des
Förderstroms
bestimmt werden.
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Die Auswerteeinrichtung kann außer einer Recheneinheit 8 eine
Anzeigeeinrichtung 9 beinhalten.
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Als Sensoren können bevorzugt elektrostatische
Sensoren vorgesehen sein, weil diese robust sind und auch unter
ungünstigen
Umgebungsbedingungen, wie sie in Kanälen zur Förderung von Staub, Ruß und dergleichen
vorherrschen, störungsfrei
einsetzbar sind.
