DE102004010661B4 - Continuous measurement of particle concentration in gases comprises measuring fluctuations in concentration using two sensors arranged along its direction of flow whose signals are used to calculate cross-correlation function - Google Patents

Continuous measurement of particle concentration in gases comprises measuring fluctuations in concentration using two sensors arranged along its direction of flow whose signals are used to calculate cross-correlation function Download PDF

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Abstract

The continuous measurement of the particle concentration in gases comprises measuring the fluctuations in concentration in a gas stream using at least two sensors arranged along its direction of flow. The signals x(t) and y(t) from adjacent sensors, between which the stream flows in a time Delta t, form a temporally staggered statistic pattern and the particle concentration is calculated from the maximum value of the cross-correlation function: psi xy( tau ) = (1/2T) integral x(t).y(t - tau )dt, where Delta t = tau . The limits of sigma are -T and +T. - An INDEPENDENT CLAIM is included for an apparatus for carrying out the above process, comprising at least two sensors (1, 2) positioned along a tube (4), through which the gas (3) flows. The signals from these pass through amplifiers (6, 7), low passes (8, 9) and a multiplex-ADU unit (10) to a microprocessor (11) which calculates the cross-correlation function and its Fourier transformation. The particle concentration and the speed of flow of the gas are calculated from these and are shown on a display (13).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Messung von Staubkonzentrationen in strömenden Gasen. Hierbei soll insbesondere durch die Unterdrückung von Störsignalen, welche die Messergebnisse verfälschend beeinflussen, die Messgenauigkeit bei der Konzentrationsbestimmung erhöht werden.The The invention relates to a method and a device for continuous Measurement of dust concentrations in flowing gases. This should be especially by the suppression from interfering signals, which falsifying the measurement results influence the measurement accuracy in determining the concentration.

Kontinuierliche Messungen des Staubgehaltes in strömenden Gasen, z. B. in Abgaskanälen, Kaminen, Straßentunnel oder ähnlichen Durchflussanordnungen von Technik und Industrie, stellen eine wichtige Maßnahme zur Überwachung bzw.continuous Measurements of the dust content in flowing gases, eg. B. in exhaust ducts, chimneys, road tunnel or similar Flow arrangements of technology and industry, represent an important measure for monitoring respectively.

Prozesssteuerung derartiger technischer Anlagen dar, um deren Funktionsfähigkeit – u.a. die ausreichende Staubabscheidung –, die Einhaltung von entsprechenden Sicherheitsstandards oder auch von Auflagen des Umwelt- und Arbeitsschutzes ausreichend gewährleisten zu können. Zur Staubmessung sind in den letzten Jahrzehnten eine Vielzahl von Messverfahren und entsprechende Geräte entwickelt worden. Als wichtigste Messverfahren sind hierzu die auf indirekten Messmethoden basierenden optischen und elektrischen Verfahren zu nennen. Die auf diesem Wege ermittelten optischen oder elektrischen Messwerte werden durch Vergleichsmessungen, die nach einem gravimetrischen Verfahren arbeiten (VDI-Richtlinie 2066, „Staubmessungen in strömenden Gasen", Blatt 1(Oktober 1975)), in Einheiten der Staubmassenkonzentration kalibriert. Bei den optischen Messverfahren durchstrahlt man das staubbeladene strömende Medium entlang einer definierten Weglänge mit einem Licht von bekannter Intensität Io und registriert das hindurchgelassene oder auch gestreute Licht mit Hilfe eines Strahlungsdetektors. So erfasst die Transmissionsmessung, häufig auch als Trübungs- oder Extinktionsmessung bezeichnet, das nach ein- oder mehrmaligem Durchgang durch die staubbeladene Gasströmung verbleibende Restlicht, dessen Intensität I in bestimmten Grenzen dem Lambert-Beerschen Gesetz T = I/Io = exp {-E·c·d}genügt. Hierbei ist T die Transmission, E der Extinktionskoeffizient, c die Staubkonzentration und d die durchstrahlte Weglänge.Process control of such technical systems in order to ensure their ability to function - including adequate dust collection - compliance with appropriate safety standards or conditions of environmental protection and occupational safety. For dust measurement, a variety of measurement methods and corresponding devices have been developed in recent decades. The most important measuring methods are the optical and electrical methods based on indirect measuring methods. The optical or electrical measured values determined in this way are calibrated in units of the dust mass concentration by comparison measurements which operate according to a gravimetric method (VDI Guideline 2066, "Measurement of dust in flowing gases", page 1 (October 1975)) The dust-laden flowing medium is irradiated along a defined path length with a light of known intensity I o and registers the transmitted or scattered light with the aid of a radiation detector, thus detecting the transmission measurement, often referred to as turbidity or extinction measurement residual light remaining several times through the dust-laden gas flow, whose intensity I is within certain limits according to Lambert-Beer's law T = I / I O = exp {-E · c · d} enough. Here, T is the transmission, E the extinction coefficient, c the dust concentration and d the irradiated path length.

Das Messergebnis wird dann als Transmission T, Trübung O (O = 1 - T) oder Extinktion E (E= log I/Io) angegeben. Bei gleichbleibenden Eigenschaften der Staubpartikel ist also die Extinktion direkt proportional der Staubkonzentration. Ein Verfahren zur Messung der Staubkonzentration in Gasen oder der Festpartikelkonzentration in Flüssigkeiten, welches nach der Transmissionsmethode arbeitet, beschreibt u.a. die Offenlegungsschrift DE OS 3715507.The measurement result is then given as transmission T, turbidity O (O = 1-T) or extinction E (E = log I / I o ). If the properties of the dust particles remain the same, the extinction is directly proportional to the dust concentration. A method for measuring the dust concentration in gases or the solid particle concentration in liquids, which operates according to the transmission method, describes, inter alia, the published patent application DE OS 3715507.

Allerdings ist bei geringer Konzentration der Staubpartikel oder auch bei kurzen Messstrecken die Abschwächung des Messstrahls ebenfalls nur sehr gering und dabei wesentlich kleiner als die durch Störgrößen, wie z.B. die durch Verschmutzung an den optischen Grenzflächen oder durch Helligkeitsschwankungen der Lichtquelle hervorgerufenen Änderungen der Lichtintensität. Eine Korrektur dieser Störeffekte ist in vielen Anwendungsfällen aufgrund ungünstiger Umgebungsbedingungen nicht vollständig möglich. Auch ist die sehr geringe Differenz zwischen der Intensität des eingestrahlten und des durch das staubbeladene Medium hindurchtretenden Lichtes bei den unter den heutigen Praxisbedingungen auftretenden oftmals niedrigen Staubkonzentationen nicht mehr mit ausreichender Genauigkeit erfassbar. Die Anwendung dieser Messmethode bleibt daher auf hohe Staubkonzentrationen bzw. große Durchmesser des Strömungskanals für den partikelbeladenen Gasstrom beschränkt.Indeed is at low concentration of dust particles or even at short Measuring distances the weakening the measuring beam is also very small and much smaller as by disturbances, such as e.g. caused by contamination at the optical interfaces or caused by brightness variations of the light source changes the light intensity. A correction of these parasitic effects is in many applications due to unfavorable Ambient conditions not completely possible. Also, the very low Difference between the intensity of the irradiated and the passing through the dust-laden medium Light in the occurring under today's practice conditions often low dust concentrations no longer with sufficient Accuracy detectable. The application of this method of measurement therefore remains to high dust concentrations or large diameter of the flow channel for the Particle loaded gas stream limited.

Um den Einfluss langsam veränderlicher Störeffekte, wie die Verschmutzung der optischen Grenzflächen, auf das Messsignal zu unterdrücken, werden neuerdings – wie auch schon in der DE OS 3715507 erwähnt – dynamische Verfahren eingesetzt, die unter der Bezeichnung dynamische Extinktion, dynamische Transmission, Flickerlicht oder optische Szintillation bekannt wurden. Bei diesen Messmethoden werden durch elektrische oder rechnerische Filterung für die Messwertbildung nur Transmissionsänderungen innerhalb eines gewissen Frequenzbereiches herangezogen, denn die Erfahrung zeigte, dass in vielen Anwendungsfällen die Staubkonzentration eine zeitlich stark schwankende Größe ist und dass eine gefilterte Signalkomponente in einem geeigneten Frequenzbereich ein kalibriertes Maß der Staubkonzentration darstellt. Dieses Messverfahren ist insbesondere für Messungen hinter filternden Staubabscheidern mit periodischer Filterabreinigung geeignet, da hierbei der zeitliche Verlauf der Staubkonzentration kurze Konzentrationsspitzen aufweist. Eine sehr langsam ansteigende Schwächung der Intensität des Lichtstrahls infolge Verschmutzung der von der Strahlung durchlaufenen optischen Grenzflächen wirkt sich bei diesem Messverfahren – im Gegensatz zur Extinktionsmessung – als eine proportionale Verringerung der Signalgröße aus, da mit der Gesamtintensität der Strahlung auch die Signalkomponenten im betrachteten Frequenzbereich abgeschwächt werden. Hierin liegt der Vorteil des letztgenannten Verfahrens gegenüber der normalen Extinktionsmessung, bei der durch Störeffekte Signaländerungen hervorgerufen werden können, die ein Vielfaches der durch den zu messenden Staub verursachten Extinktion betragen können. Jedoch lassen sich auch mit dieser Messmethode Störeffekte, die Frequenzanteile im Bereich der für die Messung verwendeten Frequenzen aufweisen, nicht unterdrücken. Dadurch verschlechtert sich aber das Signal-Rausch-Verhältnis bzw. die Messgenauigkeit des Verfahrens. Zusätzliche Störeffekte können außerdem durch die bereits erwähnten Intensitätsschwankungen der Lichtquelle, durch mechanische Schwingungen des Messsystems, thermische Linsen im Gasstrom, durch elektronische Rauschquellen im Messgerät oder durch äußere elektromagnetische Störsignale verursacht werden.In order to suppress the influence of slowly varying interference effects, such as the contamination of the optical interfaces on the measurement signal, dynamic methods are recently - as already mentioned in DE OS 3715507 - used under the name dynamic extinction, dynamic transmission, flicker or optical Scintillation were known. With these measurement methods, electrical or computational filtering only uses transmittance changes within a certain frequency range, because experience has shown that in many applications the dust concentration is a variable that varies considerably in time and that a filtered signal component in a suitable frequency range is a calibrated measure of the Represents dust concentration. This measurement method is particularly suitable for measurements behind filtering dust collectors with periodic filter cleaning, since in this case the temporal course of the dust concentration has short concentration peaks. A very Slowly increasing attenuation of the intensity of the light beam as a result of contamination of the optical interfaces passed through by the radiation, in contrast to the extinction measurement, has the effect of reducing the signal size proportionately, since the total intensity of the radiation also attenuates the signal components in the considered frequency range. This is the advantage of the latter method over the normal extinction measurement, in which signal effects can be caused by interference effects, which can be a multiple of the extinction caused by the dust to be measured. However, even with this measurement method, interference effects which have frequency components in the range of the frequencies used for the measurement can not be suppressed. As a result, however, the signal-to-noise ratio or the measurement accuracy of the method deteriorates. Additional parasitic effects may also be caused by the already mentioned intensity variations of the light source, by mechanical vibrations of the measuring system, thermal lenses in the gas stream, by electronic noise sources in the meter or by external electromagnetic noise.

In optischen Messverfahren, bei denen – wie z.B. in der Patentschrift US 4929079 beschrieben – die Bestimmung der Staubkonzentation bzw. die Partikelgröße von Staubkörnchen durch Messung des an ihrer Oberfläche gestreuten Lichtes erfolgt (Streulichtmethode) und die Streulichtintensität proportional zur Konzentration des Staubes ist, wirken sich Störgrößen, wie die Verschmutzung der optischen Grenzflächen oder Intensitätsschwankungen der Messlichtquelle, vergleichsweise proportional auf die Größe des Messsignals aus. Hintergrundstreuungen oder auch Hintergrundreflexionen innerhalb des Messgerätes oder im Gasströmungskanal ergeben ein konstantes Störsignal, das bei der Kalibrierung entsprechend berücksichtigt werden kann, solange der Hintergrund unveränderlich bleibt.In optical measuring methods, in which - as in the patent document US 4929079 described - the determination of the dust concentration or the particle size of dust grains by measuring the light scattered on their surface (scattered light method) and the scattered light intensity is proportional to the concentration of dust, disturbances, such as the pollution of the optical interfaces or intensity fluctuations of the measuring light source, comparatively affect proportional to the size of the measurement signal. Background scattering or background reflections within the meter or in the gas flow channel give a constant noise signal, which can be taken into account in the calibration, as long as the background remains invariable.

Erfolgen jedoch langsame Veränderungen des Hintergrundes, so treten Fehlmessungen auf.Respectively but slow changes of the background, erroneous measurements occur.

In beiden optischen Messverfahren können aber auch die Detektoren sowie die elektrische Signalverarbeitung die Ursache für zusätzliche Rauschkomponenten sein. Diese Rauschanteile lassen sich allerdings mit Hilfe einer Modulation des Lichtstrahls und der Verwendung eines Lock-In-Verstärkers wirksam reduzieren. Störeffekte, die von Intensitätsschwankungen des Messlichtes herrühren und sich entsprechend auf das vom Detektor gelieferte Signal auswirken, kann man mit derartigen Maßnahmen aber nicht unterdrücken.In Both optical measuring methods can but also the detectors and the electrical signal processing the cause of additional Be noise components. These noise components can, however, with Help a modulation of the light beam and the use of a Lock-in amplifier effectively reduce. parasitics, those of intensity fluctuations of the measuring light and correspondingly affect the signal delivered by the detector, can you do with such measures but do not suppress.

Unter den elektrischen Staubmessverfahren haben Verfahren, die auf der Grundlage des reibungselektrischen oder triboelektrischen Effekts arbeiten, breiteste Anwendung gefunden. Die Bestimmung der Staubkonzentration erfolgt hierbei durch Messung der Aufladung einer Elektrode durch die im Gasstrom bewegten Staubpartikel, werden doch beim Auftreffen der Partikel auf die in den Gasstrom hineinragende Elektrode infolge Reibung Ladungsträger freigesetzt. Das auf der elektrischen Wechselwirkung zwischen Elektrode und Partikelstrom basierende AC-Signal dient als Bestimmungsgröße für die Konzentration der Staubteilchen im bewegten Gasstrom. Triboelektrische Verfahren und Geräte zur Staubmessung beschreiben u.a. die Patentschriften DE-PS 10022391 C2, DE-PS 19729144 C2, US-PS 4607228 und die internationale Patentanmeldung WO 94/25865.Under The electrical dust measuring methods have procedures that are based on the Basis of the triboelectric or triboelectric effect working, widest application found. The determination of the dust concentration takes place here by measuring the charging of an electrode the dust particles moving in the gas stream, but they are on impact the particles on the projecting into the gas flow electrode due Friction charge carriers released. That on the electrical interaction between electrode and Particle flow based AC signal serves as a determinant of concentration the dust particles in the moving gas stream. Triboelectric method and devices describe for dust measurement u.a. the patents DE-PS 10022391 C2, DE-PS 19729144 C2, US-PS 4,607,228 and the international patent application WO 94/25865.

Zur Konzentrationsbestimmung elektrisch geladener Staubteilchen in einem strömenden Gasmedium ist aus der DE-OS 196 51 611 A1 auch eine Einrichtung bekannt, nach der die von den Elektroden gelieferten elektrischen Ausgangssignale einer statistischen Auswertung unterzogen werden und die Teilchenkonzentration beispielsweise durch Ermittlung der Varianz von deren Signalwechselanteilen erfolgt. Die Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit des Gasstromes erfolgt hingegen über die Ermittlung der Transportzeit der Partikel, beispielsweise unter Anwendung der Kreuzkorrelationsfunktion zweier Messsignale, die von unterschiedlichen, zeitlich um die Transportzeit der Partikel gegeneinander verschobenen Elektroden stammen.to Concentration determination of electrically charged dust particles in one flowing Gas medium is known from DE-OS 196 51 611 A1 also a device known, according to which supplied by the electrodes electrical Output signals are subjected to a statistical evaluation and the particle concentration, for example, by determining the Variance of their signal change shares occurs. The determination the flow velocity the gas stream is on the other hand the determination of the transport time of the particles, for example under application the cross-correlation function of two measurement signals, which differ from temporally shifted by the transport time of the particles against each other Electrodes come.

Die von den triboelektrischen Staubmessgeräten gelieferten Messsignale können aber gleichermaßen durch Überlagerung von elektromagnetischen Störsignalen oder auch von durch mechanische Einflüsse verursachte Störungen, z.B. durch Schwingungen der Gassäule, beträchtlich verfälscht sein.The Measuring signals supplied by the triboelectric dust measuring devices can but equally by overlaying of electromagnetic interference signals or also by disturbances caused by mechanical influences, e.g. by vibrations of the gas column, considerably falsified be.

Die triboelektrischen Vorrichtungen verwendet man auch zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit von Staubpartikeln in strömenden Gasen. Eine... entsprechende elektrische Schaltungsanordnung offenbart z. B. die Patentschrift US 4904944 .The triboelectric devices are also used to measure the flow rate of dust particles in flowing gases. A ... corresponding electrical circuit arrangement disclosed z. B. the patent US 4904944 ,

Zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit in Fluiden sind außerdem noch Korrelationsverfahren bekanntgeworden (siehe hierzu z.B. Fiedler,O.: Strömungs- und Durchflussmesstechnik; Oldenbourg-Verlag, München 1992). Sie basieren auf der Messung der Laufzeit des bewegten Fluids zwischen zwei Punkten längs der Strömungsrichtung. Man bedient sich hierbei natürlicher Inhomogenitäten des Fluids, hervorgerufen z.B. durch Temperatur-, Druck oder Konzentrationsschwankungen, die durch geeignete Sensoren während der Bewegung des Fluids als zeitlich veränderliches Signal detektiert werden können.Correlation methods have also become known for determining the flow velocity in fluids (see, for example, Fiedler, O .: Flow and flow measurement technology, Oldenbourg-Verlag, Munich 1992). They are based on the measurement of the transit time of the moving fluid between two points along the flow direction. This uses natural inhomogeneities of the fluid, caused for example by temperature, pressure or concentration fluctuations, which can be detected by suitable sensors during the movement of the fluid as a time-varying signal.

Unter Beachtung des zuvor angeführten Standes der Technik ist es daher die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur kontinuierlichen Messung der Staubkonzentration in strömenden Gasen und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zu entwickeln, mit dem durch die Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses eine Erhöhung der Messgenauigkeit bei der Konzentrationsbestimmung der Staubpartikel erreicht wird.Under Attention to the above Prior art, it is therefore the object of the invention, a Method for continuous measurement of dust concentration in flowing To develop gases and a device for carrying out the method with that by the improvement of the signal-to-noise ratio an increase the measurement accuracy in the determination of the concentration of dust particles is reached.

Erfindungsgemäß erfolgt die Lösung der Aufgabe mittels eines Verfahrens zur kontinuierlichen Messung der Staubkonzentration, mit dem die Konzentrationsschwankungen im Gasstrom von wenigstens zwei längs der Strömungsrichtung des Gases angeordneten Sensoren erfaßt werden, deren Messsignale x (t) und y (t) um die Laufzeit Δt des Strömungsmittels vom ersten zum in Strömungsrichtung benachbarten Sensor zeitlich versetzte statistische Muster enthalten, und bei dem die Staubkonzentration aus dem Maximumwert der Kreuzkorrelationsfunktion

Figure 00060001
bestimmt wir.According to the invention, the object is achieved by means of a method for the continuous measurement of the dust concentration, with which the concentration fluctuations in the gas flow of at least two sensors arranged along the flow direction of the gas are detected, the measuring signals x (t) and y (t) by the transit time .DELTA.t of Contain fluid from the first to the adjacent flow sensor adjacent staggered statistical pattern, and in which the dust concentration from the maximum value of the cross-correlation function
Figure 00060001
we determine.

Die Bestimmung des Maximums dieser Funktion kann vermittels analoger Rechenschaltung oder – nach einer Digitalisierung – durch Berechnung in einem Mikroprozessor erfolgen. Wenn die Zeitverzögerung Δt zwischen den beiden Signalfunktionen x (t) und y (t) ungleich τ ist, ist der Wert der Kreuzkorrelationsfunktion Ψxy nur gering. Für den Fall, dass Ψxy = 0 ist, besteht überhaupt kein statistischer Zusammenhang zwischen beiden Funktionen mehr. Umgekehrt ist der Zusammenhang zwischen den Messignalen x (t) und y (t) dann besonders groß, wenn die Korrelationsfunktion Ψxy einen hohen Wert aufweist. Da die dem Messsignal unterlegten Rauschanteile aber im wesentlichen unkorrelierte Komponenten darstellen, kann durch das aus den Messwerten ermittelte Maximum der Korrelationsfunktion eine weitgehende Trennnung von Signal- und Rauschwerten erreicht und dadurch das Signal-Rausch-Verhältnis beträchtlich verbessert werden. Dabei werden sowohl die Störsignale unterdrückt, die sich nicht zugleich auf beide Sensoren auswirken als auch solche Störungen, die bei beiden Sensoren wirksam werden, sofern diese nicht um den Zeitbetrag Δ t, welcher der Zeitdauer der Strömungsbewegung vom ersten zum zweiten Sensor entspricht, versetzt sind.The determination of the maximum of this function can be done by means of analog computing circuit or - after digitization - by calculation in a microprocessor. If the time delay Δt between the two signal functions x (t) and y (t) is not equal to τ, the value of the cross-correlation function Ψ xy is only small. In the case that Ψ xy = 0, there is no statistical relationship between the two functions at all. Conversely, the relationship between the measurement signals x (t) and y (t) is particularly large when the correlation function Ψ xy has a high value. Since, however, the noise components underlying the measurement signal essentially represent uncorrelated components, the maximum of the correlation function determined from the measured values achieves an extensive separation of signal and noise values, thereby considerably improving the signal-to-noise ratio. Both the interference signals are suppressed, which do not affect both sensors at the same time as well as those disturbances that are effective in both sensors, unless they are offset by the amount of time Δ t, which corresponds to the duration of the flow movement from the first to the second sensor ,

Mit der vorgeschlagenen Messmethode können erheblich genauere Konzentrationsbestimmungen erfolgen, als sie z.B. mit den bekannten Verfahren der differentiellen Extinktion, dem Flickerlichtverfahren oder auch mit triboelektrischen Messverfahren erzielt werden, denn diese Messverfahren benutzen zur Messung zwar Signalamplituden in einem eingegrenzten Frequenzband, das aber gleichwohl noch äußere, auch in diesen Frequenzbereichen noch wirksame Störsignale enthält, die ebenfalls zum Messsignal beitragen und es dadurch verfälschen.With The proposed measurement method can be much more precise concentration determinations take place when e.g. with the known methods of differential Extinction, the Flickerlichtverfahren or with triboelectric Be achieved by using these measuring methods while measuring signal amplitudes in a limited frequency band, but that still exterminates, too contains still effective interference signals in these frequency ranges, the also contribute to the measurement signal and thereby falsify it.

Der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dient eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 3.Of the execution the method according to the invention Serves a device with the features of claim 3.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der Gegenstand von mehreren Unteransprüchen.Further advantageous embodiments of the invention are the subject of several subclaims.

Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Blockschemas, das eine bevorzugte Ausführung der Erfindung zeigt, näher erläutert werden.The The invention will be described below with reference to a block diagram, which is a preferred execution The invention shows, closer explained become.

Zwei Sensoren 1 und 2 zur Detektion von Staubteilchen in einem partikelbeladenen Gasstrom 3 sind in einem vorbestimmten Abstand zueinander in der Wandung eines Strömungsrohres 4 angeordnet. Im Ausführungsbeispiel misst der optische Sensor 1 auf photoelektrischem Wege das durch die Staubpartikel im Gasstrom 3 gestreute Licht, wobei dessen Signalgröße ein Maß für die Größe der Staubkonzentration liefert. Der Sensor 2 mit seiner Elektrode 5 ist als elektrodynamischer Sensor ausgebildet, der unter Ausnutzung des triboelektrischen Effektes eine Ladungsdifferenz messtechnisch erfasst und verarbeitet, um daraus die Größe der Staubkonzentration im Gasstrom an der Stelle des Sensors 2 zu ermitteln. Die elektrischen Messsignale werden nach ihrer Verstärkung in Verstärkern 6 und 7 verstärkt und über Tiefpässe 8 und 9 einer Multiplexer-Analog/Digitalwandler-Einheit 10 zugeführt. Zur Verbesserung der Messgenauigkeit sind weitere, durch den Pfeil A angedeutete Sensoren entlang des Strömungskanals der Gasströmung möglich, deren gefilterte Signalkomponenten über eine Leitung 11 gleichfalls der Multiplexer-ADU-Einheit 10 zugeführt werden können. Die digitalisierten Messwerte xi (mit i = 1....n; n ≈ Anzahl der Sensoren) an den Ausgängen der Multiplexer-ADU-Einheit werden zur Berechnung einer Datenverarbeitungseinheit 12 mit Mikroprozessor zugeleitet, die durch eine Korrelationsanalyse, d.h. durch die Multiplikation zeitverschobener Signalkomponenten x; und deren anschließender Integration, die Korrelationsfunktion Ψxy(τ) sowie aus – deren Maximumwert die Konzentration der Staubpartikel berechnet. Weiterhin ermittelt die Datenverarbeitungseinheit 12 mit Hilfe der Fourier-Transformation in bekannter Weise aus der Korrelationsfunktion Ψxy(τ) das Amplitudenspektrum durch Berechnung der Spektralfunktion Sxy(ω). Aus der Phase arg (Sxy(ω)) der Spektralfunktion wird der Wert des Zeitparameters Δt und, mit Δt = τ sowie bekannter Entfernung des Abstandes der Sensoren zueinander, die Strömungsgeschwindigkeit v der Staubpartikel berechnet. Eine Anzeigeeinheit 13 zeigt die errechneten Werte für die Staubkonzentration c, die Laufzeit Δt des Strömungsmediums sowie die Geschwindigkeit v der Teilchen an.Two sensors 1 and 2 for the detection of dust particles in a particle-laden gas stream 3 are at a predetermined distance from each other in the wall of a flow tube 4 arranged. In the exemplary embodiment, the optical sensor measures 1 photoelectric way through the dust particles in the gas stream 3 scattered light, the signal size provides a measure of the size of the dust concentration. The sensor 2 with his electrode 5 is designed as an electrodynamic sensor, which detects and processes a charge difference by utilizing the triboelectric effect, in order to determine the size the dust concentration in the gas stream at the location of the sensor 2 to investigate. The electrical measurement signals are amplified after their amplification 6 and 7 reinforced and over low passes 8th and 9 a multiplexer analog to digital converter unit 10 fed. To improve the accuracy of measurement further indicated by the arrow A sensors along the flow channel of the gas flow are possible, the filtered signal components via a line 11 also the multiplexer ADU unit 10 can be supplied. The digitized measured values x i (with i = 1... N; n ≈ number of sensors) at the outputs of the multiplexer ADU unit are used to calculate a data processing unit 12 supplied with microprocessor by a correlation analysis, ie by the multiplication of time-shifted signal components x; and their subsequent integration, the correlation function Ψ xy (τ) as well as their maximum value calculates the concentration of the dust particles. Furthermore, the data processing unit determines 12 using the Fourier transform in a known manner from the correlation function Ψ xy (τ) the amplitude spectrum by calculating the spectral function S xy (ω). From the phase arg (S xy (ω)) of the spectral function, the value of the time parameter Δt and, with Δt = τ and known distance of the distance between the sensors, the flow velocity v of the dust particles is calculated. A display unit 13 shows the calculated values for the dust concentration c, the running time Δt of the flow medium and the velocity v of the particles.

Claims (7)

Verfahren zur kontinuierlichen Messung der Staubkonzentration in strömenden Gasen, mit dem die Konzentrationsschwankungen im Gasstrom von wenigstens zwei längs der Strömungsrichtung des Gases angeordneten Sensoren erfasst werden, deren Messignale x (t) und y (t) um die Laufzeit Δt des Strömungsmittels vom ersten zum in Strömungsrichtung benachbarten Sensor zeitlich versetzte statistische Muster enthalten, und bei dem die Staubkonzentration aus dem Maximumwert der Kreuzkorrelationsfunktion
Figure 00090001
bestimmt wird.Method for the continuous measurement of the dust concentration in flowing gases, with which the concentration fluctuations in the gas flow are detected by at least two sensors arranged along the direction of flow of the gas whose measuring signals x (t) and y (t) vary by the transit time Δt of the fluid from the first to the first Flow direction adjacent sensor contain staggered statistical patterns, and in which the dust concentration from the maximum value of the cross-correlation function
Figure 00090001
is determined. Verfahren zur kontinuierlichen Messung der Staubkonzentration nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Phasenanteil arg (Sxy(ω)) des Kreuzleistungsspektrums Sxy(ω) der Wert der Laufzeit Δt und, bei bekanntem gegenseitigem Abstand benachbarter Sensoren, die Strömungsgeschwindigkeit v der Staubpartikel ermittelt wird, wobei Sxy(ω) die Fourier-Transformierte der Kreuzkorrelationsfunktion Ψxy(τ) ist.Method for the continuous measurement of the dust concentration according to claim 1, characterized in that from the phase portion arg (S xy (ω)) of the cross power spectrum S xy (ω) the value of the transit time .DELTA.t and, with a known mutual distance of adjacent sensors, the flow velocity v of Dust particles is determined, where S xy (ω) is the Fourier transform of the cross-correlation function Ψ xy (τ). Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur kontinuierlichen Messung der Staubkonzentration nach Anspruch 1 und 2, – mit mindestens zwei in einem Strömungsrohr (4) in bekannter Distanz zueinander angeordnete Sensoreinheiten (1, 2), die zur Messung des Staubgehaltes in einem partikelbeladenen Gasstrom (3) angeordnet sind, – mit Verstärkereinheiten (6, 7), Tiefpässen (8, 9) und einer Multiplex-ADU-Einheit (10) zur Umformung und Digitalisierung der Ausgangssignale der Sensoreinheiten und – mit einer Datenverarbeitungseinheit (11) mit Mikroprozessor, die aus den digitalisierten Messwerten deren Korrelationsfunktion Ψxy(τ) sowie deren Fouriertransformation Sxy(ω) berechnet, wobei aus deren Werten die Staubkonzentration c des Gases sowie dessen Strömungsgeschwindigkeit v ermittelt und auf einer Anzeigevorrichtung (13) zur Anzeige gebracht werden.Device for carrying out the method for the continuous measurement of the dust concentration according to claim 1 and 2, - having at least two in a flow tube ( 4 ) in known distance to each other arranged sensor units ( 1 . 2 ) used to measure the dust content in a particle-laden gas stream ( 3 ), - with amplifier units ( 6 . 7 ), Lowpasses ( 8th . 9 ) and a multiplex ADC unit ( 10 ) for reshaping and digitizing the output signals of the sensor units and - with a data processing unit ( 11 ) with microprocessor which calculates from the digitized measured values their correlation function Ψ xy (τ) and their Fourier transformation S xy (ω), whose values are used to determine the dust concentration c of the gas and its flow velocity v and on a display device ( 13 ) are displayed. Vorrichtung zur kontinuierlichen Messung der Staubkonzentration nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren triboelektrische oder elektrodynamische Staubsensoren sind.Device for the continuous measurement of the dust concentration according to claim 3, characterized in that the sensors triboelectric or electrodynamic dust sensors. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren optische Sensoren sind.Device according to claim 3, characterized in that that the sensors are optical sensors. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Sensoren optische und triboelektrische/elektrodynamische Sensoren verwendet werden.Device according to claim 3, characterized in that that as sensors optical and triboelectric / electrodynamic Sensors are used. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Messanordnung zum Nachweis und der Konzentrationsbestimmung von Feststoffpartikeln oder Gasblasen in Flüssigkeiten dient.Device according to one or more of the preceding claims 3 to 6, characterized in that the measuring arrangement for detection and the concentration determination of solid particles or gas bubbles in liquids serves.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE202009004253U1 (en) * 2009-03-31 2010-08-19 Hauser, Andreas, Dipl.-Ing. Device for detecting particles contained in a gas stream

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7528755B2 (en) 2007-09-06 2009-05-05 Infineon Technologies Ag Sigma-delta modulator for operating sensors
CN105652033B (en) * 2016-03-15 2018-11-09 西安理工大学 The measuring device and method of Particle Velocity based on spider net type electrostatic transducer
CN109164023B (en) * 2018-08-27 2023-11-17 四川大学 Industrial tail gas particulate matter concentration on-line monitoring device
CN113567312B (en) * 2021-07-23 2024-01-26 中煤科工集团重庆研究院有限公司 Charge induction method dust concentration detection device with strong anti-interference capability
CN116698933B (en) * 2023-08-04 2023-10-10 深圳普达核工业数字测控有限公司 Method and device for detecting and positioning gas in closed space, electronic equipment and medium thereof

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4607228A (en) * 1984-01-13 1986-08-19 Battelle Development Corporation Apparatus and method for measuring the concentration of solid particles in a fluid stream
DE3715507A1 (en) * 1987-05-09 1988-11-17 Berufsgenossenschaft Nahrungsm Measurement of dust conc. in gas or solid particle conc. in liquid - opto-electronically measuring intensity of light pulses passed through medium
US4929079A (en) * 1987-07-10 1990-05-29 Office Natioanl D'Etudes Et De Recherches Aerospatiales styled O.N.E.R.A Optical granulometry process and devices for broad measuring ranges
WO1994025865A1 (en) * 1993-05-05 1994-11-10 Auburn International, Inc. Microprocessor controlled triboelectric instrument
DE19651611A1 (en) * 1996-12-12 1998-06-18 Bosch Gmbh Robert Device for measuring a particle state quantity
DE19729144C2 (en) * 1997-07-08 2001-02-22 Foedisch Umweltmestechnik Gmbh Process and device system for the continuous determination of the dust concentration in flowing gases
DE10022391C2 (en) * 2000-05-02 2002-03-07 Foedisch Umweltmestechnik Gmbh Process and device for extractive triboelectric dust measurement in flowing gases

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4607228A (en) * 1984-01-13 1986-08-19 Battelle Development Corporation Apparatus and method for measuring the concentration of solid particles in a fluid stream
DE3715507A1 (en) * 1987-05-09 1988-11-17 Berufsgenossenschaft Nahrungsm Measurement of dust conc. in gas or solid particle conc. in liquid - opto-electronically measuring intensity of light pulses passed through medium
US4929079A (en) * 1987-07-10 1990-05-29 Office Natioanl D'Etudes Et De Recherches Aerospatiales styled O.N.E.R.A Optical granulometry process and devices for broad measuring ranges
WO1994025865A1 (en) * 1993-05-05 1994-11-10 Auburn International, Inc. Microprocessor controlled triboelectric instrument
DE19651611A1 (en) * 1996-12-12 1998-06-18 Bosch Gmbh Robert Device for measuring a particle state quantity
DE19729144C2 (en) * 1997-07-08 2001-02-22 Foedisch Umweltmestechnik Gmbh Process and device system for the continuous determination of the dust concentration in flowing gases
DE10022391C2 (en) * 2000-05-02 2002-03-07 Foedisch Umweltmestechnik Gmbh Process and device for extractive triboelectric dust measurement in flowing gases

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
DI-Richtlinie 2066 "Staubmessung in strömenden Gasen", Blatt 1 (Oktober 1975), Blatt 2 (August 1993), Blatt 3 (Januar 1994), Blatt 4 (Januar 1989), Blatt 5 (November 1994), Blatt 6 (Januar 1989), Blatt 7(August 1993), Blatt 8 (September 1995), Blatt 10 (Oktober 2004) *
Fiedler O., "Strömungs- und Durchflussmesstech- nik", Oldenbourg-Verlag, München (1992) s.344-351 *
VDI-Richtlinie 2066 "Staubmessung in strömenden Gasen", Blatt 1 (Oktober 1975), Blatt 2 (August 1993), Blatt 3 (Januar 1994), Blatt 4 (Januar 1989), Blatt 5 (November 1994), Blatt 6 (Januar 1989), Blatt 7(August 1993), Blatt 8 (September 1995), Blatt 10 (Oktober 2004)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE202009004253U1 (en) * 2009-03-31 2010-08-19 Hauser, Andreas, Dipl.-Ing. Device for detecting particles contained in a gas stream
EP2237018A1 (en) 2009-03-31 2010-10-06 Hauser, Andreas Device and method for detecting particles in a gas flow

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