DE102010040717A1

DE102010040717A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit mittels ausgerichteten magnetischen Partikeln und deren Verwendung

Info

Publication number: DE102010040717A1
Application number: DE102010040717A
Authority: DE
Inventors: Vladimir Danov; Helmut Eckert; Andreas Schröter; Roland Weiss
Original assignee: BASF SE; Siemens AG
Current assignee: BASF SE; Siemens AG
Priority date: 2010-09-14
Filing date: 2010-09-14
Publication date: 2012-04-19
Also published as: WO2012034874A3; WO2012034874A2

Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht auf ein Verfahren und eine Vorrichtung sowie deren Verwendung zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit ferromagnetischer Partikel (5) in einer Suspension (4). Die Suspension (4) durchströmt wenigstens zwei voneinander getrennte Volumenbereiche (3, 3', wobei ein erster Volumenbereich (3) entlang einer Strömungsrichtung (9) der Suspension (4) in einem vorbestimmten Abstand d vor einem zweiten Volumenbereich (3') angeordnet wird. Der erste Volumenbereich (3) wird von einer Geberspule (6) umgeben, welche ein magnetisches Feld erzeugt, und der zweite Volumenbereich (3') wird von einer Empfangsspule (6') umgeben, durch welche ein Signal gemessen wird. Im magnetischen Feld der Geberspule (6) werden die magnetischen Partikel (5) in einer Vorzugsrichtung ausgerichtet und magnetische Partikel (5) mit Vorzugsrichtung erzeugen in der Empfangsspule (6') mit einem zeitlichen Abstand Δt das Signal. Der zeitliche Abstand Δt wird unter Verwendung des vorbestimmten Abstands d zur Ermittlung der Strömungsgeschwindigkeit verwendet.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht auf ein Verfahren und eine Vorrichtung sowie deren Verwendung zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit ferromagnetischer Partikel in einer Suspension. Die Suspension durchströmt wenigstens zwei voneinander getrennte Volumenbereiche, wobei ein erster Volumenbereich entlang einer Strömungsrichtung der Suspension in einem vorbestimmten Abstand d vor einem zweiten Volumenbereich angeordnet wird. Der erste Volumenbereich wird von einer Geberspule umgeben, welche ein magnetisches Feld erzeugt, und der zweite Volumenbereich wird von einer Empfangsspule umgeben, durch welche ein Signal gemessen wird.
Magnetische oder ferromagnetische Partikel sind in einer Reihe von technischen Prozessen von Bedeutung, beispielsweise werden bei medizinischen Diagnoseverfahren derartige Partikel zur Markierung von Zellen eingesetzt. Ebenso werden magnetische Partikel bei medizinischen Therapieverfahren (drug targeting) verwendet. Auch bei der Wasseraufbereitung können magnetische oder ferromagnetische Partikel eingesetzt werden, um bestimmte Substanzen im Abwasser auszufällen. Ein weiteres großes Anwendungsgebiet ist die Aufbereitung von Erzen, die mit Wasser oder einer anderen Flüssigkeit vermischt als Suspension vorliegen. Die magnetischen oder ferromagnetischen Partikel in der Suspension können mittels eines Magnetfelds separiert werden.
Bei den meisten Anwendungen ist es wünschenswert, die Menge der magnetischen oder ferromagnetischen Partikel zu kennen, um das Verfahren oder den Prozess exakt steuern zu können. So ist es beispielsweise bei der Gewinnung von Erzen, bei welchen über Flotationsverfahren aus dem gemahlenen Gestein (Erz) das wertstoffhaltige Material gewonnen wird, aufgrund der wechselnden chemischen Zusammensetzung des Gesteins und der Wertstoffkonzentration im Erz wichtig, die Volumenströme zu messen und zur optimalen Gestaltung des Prozesses genau zu regeln. Insbesondere müssen dabei chemische Parameter des Gesteinsmehl-Wasser-Breis (Pulpe) ständig gemessen und nachgeregelt werden.
Bei einem neu entwickelten Verfahren werden nichtmagnetische Erzpartikel mit Hilfe chemischer Oberflächenaktivierung an magnetisierbare Partikel gebunden, so dass diese Agglomerate mit Hilfe geeignet gestalteter Magnetfelder aus der Pulpe extrahiert werden können. Dieses neue Verfahren führt zu einer höheren Erzgewinnungsrate bei niedrigerem Energieaufwand als die bisherigen, auf Gasblasen basierenden Verfahren. Diese neuen Verfahren erfordern aber die Regelung von Volumenflüssen und Erzkonzentrationen, insbesondere auch der magnetisierbaren Partikel in Echtzeit.
Derzeit werden in der herkömmlichen Flotation insbesondere zwei Methoden zur Bestimmung der wesentlichen Pulpenparameter eingesetzt:

– Chemische Schnellanalyse mit seitlicher Rasterung, die typischerweise einige Minuten benötigt.
– Röntgenstrahlungsbasierte Analyse (X-Fluoreszenz bzw. X-Absorption).

Da die chemischen Analysen darauf basieren, dass im Allgemeinen große Stoffmengen umgesetzt werden und dadurch ein stark mittelnder Effekt auftritt, ist sie nicht geeignet, kurzzeitige Schwankungen, die beispielsweise in einem magnetischen Separator eine Rolle spielen können, zeitlich und bezüglich der Konzentration ausreichend genau zu erfassen.
Röntgenstrahlungsbasierte Analysemethoden sind Stand der Technik und können insbesondere auch kurzzeitige Schwankungen ausreichend genau erfassen, sie haben aber den erheblichen Nachteil, dass damit im Produktionsbereich Strahlungskontrollbereiche eingerichtet werden müssen, welche sicherheits- und kostentechnisch nachteilig sind.
Weitere Verfahren, welche üblicherweise bei der Messung von Durchflussmengen und Durchflussgeschwindigkeiten von Flüssigkeiten in Echtzeit eingesetzt werden, basieren auf bewegten mechanischen Bauteilen, welche in einer Pulpe schnell verschleißen würden. Auch eine Messung des Anteils an magnetischen oder ferromagnetischen Partikeln an der Gesamtflüssigkeitsmenge und die Unterscheidung von anderen Partikeln, z. B. Sand, ist mit diesen Methoden nicht möglich.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit ferromagnetischer Partikel anzugeben, welche die zuvor beschriebenen Probleme lösen. Insbesondere ist es Aufgabe die Strömungsgeschwindigkeit der ferromagnetischen Partikel berührungsfrei und dabei verschleißfrei, und dennoch zuverlässig zu messen. Insbesondere ist es Aufgabe nur ferromagnetische Partikel, und keine größeren oder kleineren nichtmagnetischen Partikel zu vermessen, und aus der Strömungsgeschwindigkeit die Konzentration ermitteln zu können, ohne auf gesundheitsschädliche Bestrahlungen wie z. B. Röntgenstrahlung zurückgreifen zu müssen. Dies reduziert Aufwand und Kosten, und führt zu einer Möglichkeit der besseren Prozesssteuerung. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Verwendung des Verfahrens und der Vorrichtung anzugeben.
Die angegebene Aufgabe wird bezüglich des Verfahren zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit ferromagnetischer Partikel in einer Suspension mit den Merkmalen des Anspruchs 1, bezüglich der Vorrichtung zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit ferromagnetischer Partikel in einer Suspension zur Durchführung eines Verfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs 12 und bezüglich der Verwendung des Verfahrens und der Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 13 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit ferromagnetischer Partikel in einer Suspension gehen aus den zugeordneten abhängigen Unteransprüchen hervor. Dabei können die Merkmale der Hauptansprüche untereinander und mit Merkmalen der Unteransprüche sowie Merkmale der Unteransprüche untereinander kombiniert werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit ferromagnetischer Partikel in einer Suspension, welche wenigstens zwei voneinander getrennte Volumenbereiche durchströmt, wobei ein erster Volumenbereich entlang einer Strömungsrichtung der Suspension in einem vorbestimmten Abstand d vor einem zweiten Volumenbereich angeordnet wird, und wobei der erste Volumenbereich von einer Geberspule umgeben wird, welche ein magnetisches Feld erzeugt, und wobei der zweite Volumenbereich von einer Empfangsspule umgeben wird, durch welche ein Signal gemessen wird, umfasst, dass im magnetischen Feld der Geberspule die magnetischen Partikel in einer Vorzugsrichtung ausgerichtet werden und magnetische Partikel mit Vorzugsrichtung in der Empfangsspule mit einem zeitlichen Abstand Δt das Signal erzeugen. Der zeitliche Abstand Δt wird unter Verwendung des vorbestimmten Abstands d zur Ermittlung der Strömungsgeschwindigkeit verwendet.
Durch die Verwendung wenigstens einer Geberspule, welche ferromagnetische Partikel magnetisiert und/oder im Feld ausrichtet, und wenigstens einer Empfangsspule, welche einen magnetischen Fluss misst, ist eine berührungsfreie, verschleißfreie Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit ferromagnetischer Partikel in Echtzeit möglich, ohne Röntgenstrahlung. Dadurch wird ein häufiger Austausch von Verschleißteilen, und damit Kosten gespart. Des Weiteren wird der hohe Aufwand, welcher mit dem Einsatz von Röntgenstrahlung verbunden ist, eingespart. Es ist mit dem Aufbau der Messeinrichtung mit Geber- und Empfangsspule, welche in einem vorbestimmten Abstand d angeordnet sind, eine zuverlässige Bestimmung der Zeit möglich, welche ferromagnetische Partikel in einer Suspension zum Zurücklegen einer vorbestimmten Wegstrecke d benötigen. Die Zeit ist der zeitliche Abstand Δt zwischen dem magnetisieren der Partikel durch die Geberspule bis zum Signal beim passieren dieser magnetisierten Partikel an der Empfangsspule. Die dadurch bestimmte Strömungsgeschwindigkeit, welche zeitgleich mit dem Strömen der Strömung ermittelt werden kann, kann zur Regelung oder Steuerung von Prozessen verwendet werden.
Aus der Strömungsgeschwindigkeit v, der Querschnittsfläche der Strömung A und einem magnetischen Fluss Φ abhängig von der Zeit t kann die Konzentration c an ferromagnetischen Partikeln in der Suspension ermittelt werden. Die Konzentration c ist als Quotient von der Zahl der Partikel n dividiert durch das Volumen V gegeben. Der magnetische Fluss Φ₁, welcher durch die Empfangsspule gemessen wird, ist zu einem Zeitpunkt t₁ ein Maß für die Menge der in der Suspension enthaltenen magnetischen Partikel n. Wird über ein Zeitintervall (t₂ – t₁) der magnetische Fluss gemessen, ist dadurch die Zahl an magnetischen Partikeln n gegeben, welche in diesem Zeitintervall (t₂ – t₁) die Empfangsspule passiert haben. Im Zeitintervall Δt zwischen Magnetisierung der Partikel an der Geberspule und dem Signal in der Empfangsspule hat die Flüssigkeit, d. h. die Suspension mit einer Strömungsgeschwindigkeit v einen Weg s(Δt) zurückgelegt, unter der Annahme einer gleichmäßigen Strömung mit konstanter Strömungsgeschwindigkeit v. Damit ergibt sich ein Volumen V an Suspension, welche eine Empfangsspule in einem Zeitintervall (t₂ – t₁) durchflossen hat, von s(t₂ – t₁) multipliziert mit der Querschnittsfläche A der Strömung. Die Querschnittsfläche der Strömung A ist beispielsweise der innere Querschnitt eines Rohres, um welches sich die Empfangsspule befindet, und durch welches die Suspension fließt. Das Zeitintervall (t₂ – t₁) ist z. B. die Zeit, welche in einem zeitlich begrenzten Zeitraum magnetisierte Partikel benötigt, um die Empfangsspule zu passieren.
Somit ist bei gemessener Strömungsgeschwindigkeit v das Volumen V(t₂ – t₁) bekannt, welches in einer Zeit (t₂ – t₁) durch die Messspule fließt. Gleichzeitig ist die über den magnetischen Fluss gemessene Teilchenzahl n(t₂ – t₁) bekannt, welche mit dem Volumen V(t₂ – t₁) die Messspule passiert hat. Daraus ergibt sich die Konzentration c als Quotient aus Teilchenzahl n(t₂ – t₁) dividiert durch Volumen V(t₂ – t₁). Ein Online-Monitoring der Konzentration c wird somit über das erfindungsgemäße Verfahren möglich.
Durch pulsweise Erzeugung des magnetischen Feldes der Geberspule, d. h. einem zeitlich begrenzten Einschalten des magnetischen Feldes an der Geberspule und einem darauffolgendem Abschalten, wobei Ein- und Abschalten periodisch erfolgen kann, kann an der Empfangsspule ein pulsweises Signal empfangen werden. Bei periodisch wiederholten Pulsen können Werte gemittelt und so die Zuverlässigkeit der Messung erhöht werden. Ein gepulstes magnetisches Feld an der Geberspule kann z. B. durch Strompulse, welche durch die Geberspule fließen, erzeugt werden. Dabei können die magnetischen Feld-Pulse der Geberspule in einem regelmäßigen zeitlichen Abstand voneinander erzeugt werden, indem z. B. Strompulse mit vorbestimmter Länge in regelmäßigen Abständen voneinander durch die Geberspule fließen.
Das von der Empfangsspule gemessene Signal kann durch Induktion erzeugt werden. Die magnetischen bzw. ferromagnetischen Partikel, welche die Empfangsspule passieren induzieren ein zeitlich veränderliches magnetisches Feld, welches eine Spannung in der Empfangsspule induziert, die wiederum als Signal gemessen werden kann. So ist einfach, berührungslos und abhängig von der Menge und Magnetisierung der Partikel und der Strömungsgeschwindigkeit ein Signal an der Empfangsspule messbar.
Der magnetische Fluss Φ kann während einer festgelegten Integrationszeit mit einem Fluxmeter gemessen werden.
Der erste Volumenbereich und der zweiten Volumenbereich entlang einer Strömungsrichtung der Suspension können im vorbestimmten Abstand d voneinander in einem rohrförmigen Strömungskanal angeordnet werden, insbesondere in einem Rohr mit über die Volumenbereiche hinweg gleichem Querschnitt. Änderungen der Fließgeschwindigkeit der Suspension durch Änderung des Querschnitts A werden dadurch verhindert und die Auswertung der Messergebnisse vereinfacht.
Die Partikel, insbesondere remanent ferromagnetische Partikel, können remanent aufmagnetisiert werden.
Die Geberspule kann ein magnetisches Feld mit einem maximalen Wert erzeugen, welcher größer als die Koerzitivfeldstärke des jeweiligen Materials der Partikel ist. Dies ermöglicht auch eine Messung über große Abstände d hinweg und Einflüsse von externen Magnetfeldern werden reduziert. Die Messung wird zuverlässiger, da eine remanente Magnetisierung zu keinen Messfehlern durch Verluste der Magnetisierung der Partikel über die Fließstrecke d zwischen Aufmagnetisierung und Messung führt.
Die Empfangsspule kann wenigstens zwei gegengleich verschaltete Spulen umfassen, um den magnetischen Fluss des magnetischen Feldes der Geberspule durch die gegengleiche Verschaltung zu kompensieren. Fehler externer Felder oder bei geringem Abstand Geberspule und Empfangsspule voneinander können so minimiert bzw. ausgeschlossen werden.
Mittels mehr als einer jeweils einen Volumenbereich umgebenden Empfangsspule kann jeweils ein magnetischer Fluss Φ abhängig von der Zeit t gemessen werden. Durch die Verwendung mehrerer Empfangsspulen, insbesondere in unterschiedlichen Abständen d von der oder den Geberspulen kann eine Mittelung und damit eine Erhöhung der Zuverlässigkeit der Messung erfolgen.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit ferromagnetischer Partikel in einer Suspension zur Durchführung eines zuvor beschriebenen Verfahrens umfasst in der Regel eine oder mehr Geberspulen in vorbestimmten Abstand d von einer oder mehr Empfangsspulen.
Eine erfindungsgemäße Verwendung des zuvor beschriebenen Verfahrens und/oder der zuvor beschriebenen Vorrichtung erfolgt in einer Erzgewinnungsanlage.
Die mit der Vorrichtung zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit ferromagnetischer Partikel in einer Suspension verbundenen Vorteile und die mit der Verwendung des Verfahrens und der Vorrichtung verbundenen Vorteile, sind analog den Vorteilen, welche zuvor im Bezug auf das Verfahren zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit ferromagnetischer Partikel in einer Suspension beschrieben wurden.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung mit vorteilhaften Weiterbildungen gemäß den Merkmalen der abhängigen Ansprüche werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein.
Es wird in den Figuren gezeigt:
1 eine Prinzipdarstellung des Messaufbaus zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit ferromagnetischer Partikel 5 in einer Suspension 4, und in
2 die Ausrichtung von magnetischen Partikeln 5 in einer Vorzugsrichtung im magnetischen Feld einer Geberspule 6 in dem in 1 dargestelltem Messaufbau, und in
3 die Erzeugung eines Signals durch die in Vorzugsrichtung ausgerichteten magnetischen Partikeln 5 beim passieren einer Empfangsspule 6' in dem in 1 dargestelltem Messaufbau, und in
4 eine Prinzipdarstellung des zeitlichen Verlaufs zwischen Ausrichtung der magnetischen Partikel 5 an der Geberspule 6 und Erzeugung eines Signals an der Empfangsspule 6' zur Bestimmung der Zeitdifferenz Δt und daraus der Strömungsgeschwindigkeit v(t).
In 1 ist der Messaufbau zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit ferromagnetischer Partikel 5 in einer Suspension 4 als eine Prinzipdarstellung gezeigt. Der Messaufbau bzw. die Messvorrichtung 1 umfasst einen rohrförmigen Strömungskanal 2 mit einem ersten und einem zweiten Volumenbereich 3, 3', welche von der Suspension 4 mit ferromagnetischen Partikeln 5 mit einer Strömungsgeschwindigkeit v durchströmt werden. Die Strömung weist eine Strömungsrichtung 9 auf, welche im Wesentlichen parallel zur Längsrichtung des rohrförmigen Strömungskanals 2 ist. Der erste Volumenbereich 3 ist in Strömungsrichtung 9 vor dem zweiten Volumenbereich 3' angeordnet. In der Regel sind der erste und der zweite Volumenbereich 3, 3' voneinander beabstandet angeordnet, mit einem Abstand d der jeweiligen Mittelpunkte des ersten und des zweiten Volumenbereichs 3, 3'. Es ist aber auch ein kontinuierlicher Übergang des ersten in den zweiten Volumenbereich 3, 3' möglich oder eine Überlagerung der zwei Volumenbereiche 3, 3'. Der erste Volumenbereich 3 wird von einer Geberspule 6 umschlossen und der zweite Volumenbereich 3' wird von einer Empfangsspule 6' umschlossen.
Die beiden Spulen 6 und 6' können um den rohrförmigen Strömungskanal 2 gewickelt angeordnet sein, mit einer Spulenachse, entlang der in Längsrichtung z. B. eine spiralförmige Wicklung erfolgt, welche im Wesentlichen parallel der Längsrichtung des rohrförmigen Strömungskanals 2 ist. Die Wicklungen der Geberspule 6 umschließen so den ersten Volumenbereich 3 entlang der Wandung des rohrförmigen Strömungskanals 2 und die Wicklungen der Empfangsspule 6' umschließen den zweiten Volumenbereich 3 entlang der Wandung des rohrförmigen Strömungskanals 2. Die Fläche eines Schnittes durch den rohrförmigen Strömungskanal 2 senkrecht zur Längsrichtung des Strömungskanals 2 bzw. der Strömungsrichtung 9 ergibt die Querschnittsfläche der Strömung A an dieser Stelle. Sie liegt in der Ebene einer Spulenwicklung und senkrecht zur Längsachse der Spule 6, 6'. In der Regel ist die Querschnittsfläche der Strömung A im gesamten rohrförmigen Strömungskanal 2 oder zumindest in den Bereichen des ersten und des zweiten Volumenbereichs 3, 3' gleich groß, z. B. im Bereich von Quadratzentimetern.
Die Geberspule 6, welche den ersten Volumenbereich 3 umgibt, ist als eine Magnetfelderzeugungsvorrichtung ausgebildet. Wie in 2 beispielhaft dargestellt ist, wird in dem ersten Volumenbereich 3 ein Magnetfeld erzeugt, wenn ein Erregerstrom 10 durch die Geberspule 6 fließt. Die Anzahl der Windungen der Spule 6 und der durch die Spule 6 fließende Strom 10 sind so gewählt, dass das magnetische Feld H im Inneren der Spule 6 ausreichend groß ist, um ferromagnetische Partikel 5, die in der Suspension 4 enthalten sind und im ersten Volumenbereich 3 angeordnet sind bzw. diesen durchströmen, in dem Feld auszurichten und gegebenenfalls bis zu einem festgelegten Wert aufzumagnetisieren. Die magnetischen Momente der Partikel 5 nehmen eine Vorzugsrichtung an, welche im Wesentlichen parallel der Feldrichtung ist. Die ferromagnetischen Partikel 5, welche aufmagnetisiert und ausgerichtet sind in einer Vorzugsrichtung, erzeugen einen Magnetfluss B_M, welcher von einer Empfangsspule 6' gemessen werden kann.
Wie in 3 beispielhaft dargestellt ist, induziert der magnetische Fluss B_M in der Empfangsspule 6' eine Spannung U 11, welche als Signal gemessen und verarbeitet werden kann. Diese Spannung U zu einem Zeitpunkt t₁ ist ein Maß für den magnetische Fluss Φ₁ zu diesem Zeitpunkt t₁ und damit ein Maß für die Menge der in der Suspension 4 enthaltenen magnetischen Partikel 5, welche zum Zeitpunkt t₁ durch die Empfangsspule 6' bzw. den zweiten Volumenbereich 3' bewegt werden. Die Empfangsspule kann z. B. in Form eines Fluxmeters 7 ausgebildet sein. Das Fluxmeter 7 detektiert die ausgerichteten und/oder aufmagnetisierten ferromagnetischen Partikel 5 durch eine zeitliche Integration, wobei das Messsignal ein Maß für die sich während der Integrationszeit in dem zweiten Volumenbereich 3' befindlichen und/oder diesen durchströmenden ferromagnetischen Partikel 5 ist.
Bei einem zeitlich begrenzten Strompuls 10 an der Geberspule 6 wird im ersten Volumenbereich 3 zeitlich begrenzt im Zeitintervall (t₂ – t₁) ein Magnetfeld auf- und/oder abgebaut, welches die ferromagnetischen Partikel 5 im Feld ausrichtet und/oder aufmagnetisiert, welche sich im ersten Volumenbereich 3 befinden oder diesen durchströmen im Zeitintervall (t₂ – t₁). Unter „die ferromagnetischen Partikel 5 im Feld ausrichten” ist in diesem Zusammenhang zu verstehen, dass die magnetischen Momente der ferromagnetischen Partikel 5 eine Vorzugsorientierung, insbesondere im Wesentlichen parallel der Magnetfeldrichtung annehmen. Durch die Strömung der Suspension 4 werden die ferromagnetischen Partikel 5 im rohrförmigen Strömungskanal 2 entlang der Strömungsrichtung 9 bewegt und durchströmen nach einer Zeit Δt die Empfangsspule 6' bzw. den zweiten Volumenbereich 3'.
Da sich die Empfangsspule 6' in einem vorbestimmten Abstand d von der Geberspule 6 befindet, ergibt sich die Strömungsgeschwindigkeit v(t) aus dem Quotienten d durch Δt. An der Empfangsspule 6' ist nach der Zeit Δt ein Signal zu messen, welches auf Grund der Pulsform des Strompulses 10 an der Geberspule 6 zeitlich begrenzt ist. In 4 ist der zeitliche Verlauf der Signale durch den Strompuls 10 an der Geberspule 6 und der induzierten Spannung 11 an der Empfangsspule 6' beispielhaft dargestellt. Die Form und der zeitliche Abstand der Pulse können auch von dem in 4 dargestellten abweichen. Je kürzer der Strompuls 10, desto kürzer besteht und wirkt das Magnetfeld an der Geberspule 6 auf die ferromagnetischen Partikel 5, und desto kürzer ist das gemessene Signal bzw. die induzierte Spannung 11 an der Empfangsspule 6'. Ein kurzes Signal ermöglich eine genauere Zeitbestimmung der Zeit Δt, welche die ferromagnetischen Partikel 5 von der Geberspule 6 zur Empfangsspule 6', d. h. zum zurücklegen des Abstands d benötigen, und somit eine genauere Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit v(t). Eine gewisse Zeitdauer im Bereich von Sekunden ist jedoch notwendig, um einen sicheren Nachweis der Partikel 5 über Induktion zu erreichen. In der Regel dient zur Bestimmung der Zeit Δt der Maximalwert des Feldes durch den Strompuls 10, üblicherweise bei symmetrischen Pulsen das zeitliche Mittel zwischen Pulsbeginn und Pulsende, sowie bei symmetrischen Pulsen das zeitliche Mittel zwischen Pulsbeginn und Pulsende der gemessenen induzierten Spannung (Signal) 11.
Bei bekannten Strömungsgeschwindigkeiten v(t), unter der Annahme einer gleichmäßigen Strömung mit konstanter Geschwindigkeit, kann aus dem Wert der abhängig vom Strompuls 10 gemessenen induzierten Spannung 11 die Konzentration an ferromagnetischen Partikeln bei bekannten Messvorrichtungsaufbau (Fläche A, Windungszahl der Spulen ...) ermittelt werden. Dazu kann eine Eichung der Messvorrichtung 1 sinnvoll sein. Wie zuvor schon beschrieben kann dann aus der Strömungsgeschwindigkeit v, der Querschnittsfläche der Strömung A und einem magnetischen Fluss Φ abhängig von der Zeit t die Konzentration c an ferromagnetischen Partikeln 5 in der Suspension 4 ermittelt werden.
Um Messfehler auszuschließen, insbesondere bei räumlich eng beieinander liegenden oder Überlappenden ersten und zweiten Volumenbereichen 6, 6', bei welchem das Magnetfeld der Geberspule 6 den zweiten Volumenbereich 3' teilweise oder vollständig durchdringt, kann eine Kompensationsspule 8 verwendet werden. Diese ist derart angeordnet, dass sie ebenfalls vom Luftfluss B_H (B_H = μ₀H) der Geberspule 6 durchsetzt wird, nicht jedoch vom Magnetfluss B_M der den zweiten Volumenbereich 3' passierenden ferromagnetischen Partikel 5. Dadurch kann der magnetische Fluss B_H der Geberspule 6 bzw. des Anregungsfelds H kompensiert werden (sogenannte Luftfluss B_H), welcher nicht von den ferromagnetischen Partikeln 5, d. h. von dem Magnetfluss B_M verursacht ist. Die Kompensationsspule 8 ist hinsichtlich der von ihr eingeschlossenen Fläche und der Windungszahl so ausgebildet, dass sie der Empfangsspule 6' genau gegengleich entspricht. Dies erreicht man z. B. dadurch, dass der Wicklungssinn der beiden Spulen gegensinnig ist.
Die Kompensationsspule 8 kann neben der Empfangsspule 6' angeordnet sein, jedoch ohne den rohrförmigen Strömungskanal 2 zu umschließen bzw. zu umfassen. Die Kompensationsspule 8 und die dazu gegengleiche Empfangsspule 6' können elektrisch in Reihe verschaltet sein, so dass sich im Summensignal beider Spulen der Fluss des Erregerfeldes B_H, das beide Spulen durchdringt, genau kompensiert (Nettospannung U = 0). Das mit dem angeschlossenen Fluxmeter 6 aufgenommene zeitliche Integral ist dadurch ebenfalls Null. Befinden sich in dem zweiten Volumenbereich 3' bzw. der ihn umgebenden Empfangsspule 6' Magnetpartikel, wird die Kompensation der Spulenanordnung aus Empfangsspule 6' und Kompensationsspule 8 gestört und der durch die ferromagnetischen Partikel 5 bewirkte magnetische Fluss B_M trägt zu einer Nettospannung U ≠ 0 bei, die von dem angeschlossenen Fluxmeter zeitlich integriert wird. Die integrierte Spannung U stellt somit ein Maß für den Magnetfluss und damit ein Maß für die Menge der in der Suspension 4 enthaltenen ferromagnetischen Partikel 5 dar und kann als Regelgröße in einer Prozesssteuerung verwendet werden.
Im Rahmen eines Verfahrens zur magnetischen Separation kann anhand des Messsignals der Anteil der in der Suspension 4 enthaltenen ferromagnetischen Partikel 5 bestimmt werden.
Um die Genauigkeit der Bestimmung der Zeit Δt, der Strömungsgeschwindigkeit v(t) und der Konzentration c der ferromagnetischen Partikel 5 in der Suspension 4 zu erhöhen, kann durch die Geberspule 6 wiederholt der Strompuls 10 gegeben werden, z. B. mit fester Wiederholfrequenz. Dadurch wird an der Empfangsspule 6' wiederholt eine Spannung 11 induziert und ein Signal gemessen, insbesondere mit der festen Wiederholfrequenz. Eine Mittelung über mehrere Wiederholungen kann die Genauigkeit der Messungen erhöhen. Eine vorbestimmte Änderung der Amplitude des Strompulses 10 bei unterschiedlichen Pulsen und eine abhängige Messung der Signalmaxima der induzierten Spannung U 11 oder des durch Integration bestimmten magnetischen Flusses Φ kann für eine Eichung bzw. Korrelierung des magnetischen Flusses Φ mit der Partikelzahl 5 dienen. Bei sich ändernden Strömungsgeschwindigkeiten v(t) können durch wiederholte Pulse zeitlich online die Strömungsgeschwindigkeiten v(t) und/oder Konzentration c bestimmt und abhängig von der Zeit beobachtet werden. Diese Informationen können zur Prozesssteuerung verwendet werden.
Ein Beispiel für die Verwendung von Strompulsen mit fester Wiederholfrequenz ist die Erzeugung eines magnetischen Wechselfelds an der Geberspule 6, das die in der Suspension 4 enthaltenen ferromagnetischen Partikel 5 mit einer festgelegten Frequenz abwechselnd in entgegengesetzte Richtungen aufmagnetisiert. Das magnetische Wechselfeld bewirkt, dass die ferromagnetischen Partikel 5 innerhalb der Geberspule 6 kontinuierlich ummagnetisiert werden, so dass der durch die ferromagnetischen Partikel 5 erzeugte zusätzliche Magnetfluss B_M~ in der Empfangsspule 6' sich periodisch mit der Frequenz des als Anregungsfeld dienenden magnetischen Wechselfelds ändert. Die zeitliche Änderung des magnetischen Flusses bewirkt die Induktion einer Spannung in der Empfangsspule 6', die der Änderung des magnetischen Flusses dΦ proportional ist und die somit ein Maß für den Anteil der ferromagnetischen Partikel 5 in der Empfangsspule 6' bzw. dem zweiten Volumenbereich 3' darstellt.
Die zuvor beschriebene Suspension 4 kann z. B. aus Wasser, Öl oder Blut und magnetischen oder ferromagnetischen Partikeln 5 bestehen bzw. diese enthalten. Es sind aber auch Gemische, z. B. Wasser/Öl Gemische mit magnetischen oder ferromagnetischen Partikeln 5 als Suspension 4 möglich.
Eine Messung und/oder Datenauswertung beim erfindungsgemäßen Verfahren kann elektronisch oder durch einen Computer erfolgen. So kann z. B. durch eine elektronische Schaltung die Differenz der gemessenen Spannungen an einer Empfangsspule 6' und einer Kompensationsspule 8 ermittelt und ausgewertet werden. Die elektronische Schaltung kann ebenfalls zur Steuerung bzw. Regelung und/oder zur Erzeugung des Strompulses 10, welcher zur Erregung der Geberspule 6 verwendet wird, dienen. Mit einem Computerprogramm kann aus der Zeitdifferenz Δt zwischen Erzeugung des Strompulses 10 und der gemessenen induzierten Spannung 11 an der Empfangsspule 6' eine Strömungsgeschwindigkeit v ermittelt werden, insbesondere in-situ, d. h. zeitnah und zeitabhängig, und/oder gepulst mit fester Frequenz. Die Strömungsgeschwindigkeit ergibt sich über die Formel v(t) = d/Δt wobei v(t) die Strömungsgeschwindigkeit, d der vorbestimmte Abstand zwischen den Volumenbereichen 3 und 3' bzw. Spulen 6 und 6' ist, und Δt die ermittelte Zeitdifferenz zwischen dem Strompuls 10 zur Ausrichtung und/oder Aufmagnetisierung der Partikel 5 in der Suspension 4 in der Geberspule 6 und der dazugehörigen, gemessenen induzierten Spannung 11 in der Empfangsspule 6'.
Aus der Strömungsgeschwindigkeit v(t), der Querschnittsfläche der Strömung A und einem magnetischen Fluss Φ abhängig von der Zeit t kann die Konzentration c an magnetischen oder ferromagnetischen Partikeln 5 in einer Suspension 4 zeitabhängig über einen Computer ermittelt werden. Die Konzentration c ist als Quotient von der Zahl der Partikel n dividiert durch das Volumen V gegeben. Der magnetische Fluss Φ, welcher durch die Empfangsspule 6' gemessen wird, ist zu einem Zeitpunkt t ein Maß für die Menge der in der Suspension 4 enthaltenen magnetischen Partikel n 5. Wird über ein Zeitintervall (t₂ – t₁) der magnetische Fluss Φ gemessen, ist dadurch die Zahl an magnetischen Partikeln n 5 gegeben, welche in diesem Zeitintervall (t₂ – t₁) die Empfangsspule 6' passiert haben. Im gleichen Zeitintervall hat die Flüssigkeit, d. h. die Suspension 4 mit einer Strömungsgeschwindigkeit v einen Weg s(t₂ – t₁) zurückgelegt, unter der Annahme einer gleichmäßigen Strömung mit konstanter Strömungsgeschwindigkeit v in dem kurzen Zeitintervall. Damit ergibt sich ein Volumen V an Suspension 4, welche eine Empfangsspule 6' in einem Zeitintervall (t₂ – t₁) durchflossen hat, von s(t₂ – t₁) multipliziert mit der Querschnittsfläche A der Strömung. Die Querschnittsfläche der Strömung A ist beispielsweise der innere Querschnitt eines Rohres, um welches die Empfangsspule 6' sich befindet, und durch welches die Suspension 4 fließt.
Somit ist bei gemessener Strömungsgeschwindigkeit v(konzt.) das Volumen V(t₂ – t₁) bekannt, welches in einer Zeit (t₂ – t₁) durch die Empfangsspule 6' fließt. Gleichzeitig ist die über den magnetischen Fluss Φ gemessene Teilchenzahl n(t₂ – t₁) bekannt, welche mit dem Volumen V(t₂ – t₁) die Empfangsspule 6' passiert hat. Daraus ergibt sich die Konzentration c als Quotient aus Teilchenzahl n(t₂ – t₁) dividiert durch Volumen V(t₂ – t₁), c = n(t₂ – t₁)/V(t₂ – t₁) = n(t₂ – t₁)/(s(t₂ – t₁) × A) = n(t₂ – t₁)/(d × A × (t₂ – t₁)/Δt) = n(t₂ – t₁) × Δt/(d × A × (t₂ – t₁)) mit n(t₂ – t₁) ~ Φ, d. h. der Teilchenzahl proportional dem gemessenen magnetischem Fluss, und v(t) = d/Δt = s(t₂ – t₁)/(t₂ – t₁) gleich konst. angenommen.
Ein Online-Monitoring der Strömungsgeschwindigkeit v und der Konzentration c von ferromagnetischen Partikeln 5 in einer Suspension 4 wird somit über das erfindungsgemäße Verfahren möglich.
Die Erfindung ist nicht auf die zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Kombinationen der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele sind ebenfalls möglich.

Claims

Verfahren zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit ferromagnetischer Partikel (5) in einer Suspension (4), welche wenigstens zwei voneinander getrennte Volumenbereiche (3, 3') durchströmt, wobei ein erster Volumenbereich (3) entlang einer Strömungsrichtung (9) der Suspension (4) in einem vorbestimmten Abstand d vor einem zweiten Volumenbereich (3') angeordnet wird, und wobei der erste Volumenbereich (3) von einer Geberspule (6) umgeben wird, welche ein magnetisches Feld erzeugt, und wobei der zweite Volumenbereich (3') von einer Empfangsspule (6') umgeben wird, durch welche ein Signal gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, dass im magnetischen Feld der Geberspule (6) die magnetischen Partikel (5) in einer Vorzugsrichtung ausgerichtet werden und magnetische Partikel (5) mit Vorzugsrichtung in der Empfangsspule (6') mit einem zeitlichen Abstand Δt das Signal erzeugen, wobei der zeitliche Abstand Δt unter Verwendung des vorbestimmten Abstands d zur Ermittlung der Strömungsgeschwindigkeit verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Strömungsgeschwindigkeit, der Querschnittsfläche der Strömung A und einem magnetischen Fluss Φ abhängig von der Zeit t die Konzentration c an ferromagnetischen Partikeln (5) in der Suspension (4) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das magnetische Feld der Geberspule (6) pulsweise erzeugt wird, insbesondere durch Strompulse, welche durch die Geberspule (6) fließen.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetischen Feld-Pulse der Geberspule (6) in einem regelmäßigen zeitlichen Abstand voneinander erzeugt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das von der Empfangsspule (6') gemessene Signal durch Induktion erzeugt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der magnetische Fluss Φ während einer festgelegten Integrationszeit mit einem Fluxmeter (7) gemessen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Volumenbereich (3) und der zweiten Volumenbereich (3') entlang einer Strömungsrichtung (9) der Suspension (4) im vorbestimmten Abstand d voneinander in einem rohrförmigen Strömungskanal (2) angeordnet werden, insbesondere in einem Rohr mit über die Volumenbereiche (3, 3') hinweg gleichem Querschnitt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Partikel (5), insbesondere remanent ferromagnetische Partikel (5), remanent aufmagnetisiert werden.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Geberspule (6) ein magnetisches Feld mit einem maximalen Wert erzeugt, welcher größer als die Koerzitivfeldstärke des jeweiligen Materials der Partikel (5) ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangsspule (6') wenigstens zwei gegengleich verschaltete Spulen (6', 8) umfasst, um den magnetischen Fluss des magnetischen Feldes der Geberspule (6) durch die gegengleiche Verschaltung zu kompensieren.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels mehr als einer jeweils einen Volumenbereich (3') umgebenden Empfangsspule (6') jeweils ein magnetischer Fluss Φ abhängig von der Zeit t gemessen wird.
Vorrichtung zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit ferromagnetischer Partikel (5) in einer Suspension (4) zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11.
Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11 und/oder der Vorrichtung nach Anspruch 12 in einer Erzgewinnungsanlage.