DE102018003755A1

DE102018003755A1 - measurement methods

Info

Publication number: DE102018003755A1
Application number: DE102018003755.0A
Authority: DE
Inventors: Stephan Ester
Original assignee: Woehler Technik GmbH
Current assignee: Woehler Technik GmbH
Priority date: 2018-05-09
Filing date: 2018-05-09
Publication date: 2019-11-14

Abstract

Bei einem Messverfahren für die Bestimmung der Staubmasse in einem Abgas mit einem schwingfähigen, mit einer Filtervorrichtung versehenen, von dem Abgas durchströmbaren Schwingrohr, bei dem aus der Abweichung von der vorbestimmten Resonanzfrequenz des Schwingrohrs eine Auswertevorrichtung die in der Filtervorrichtung aufgefangene Staubmasse berechnet wird, wird das Schwingrohr periodisch abgebremst und nach Erreichen einer Ruhelage diese vermessen, wird nach dem Vermessen das Schwingrohr aus der Ruhelage ausgelenkt und nach Erreichen einer stationären Lage die Auslenkung aus der Ruhelage bestimmt und wird nach der Bestimmung der Auslenkung das Schwingrohr freigegeben und erneut in Schwingung versetz und wird die durch die aufgefangene Staubmasse verschobene Resonanzfrequenz des Schwingrohrs neu bestimmt und so fort.In a measuring method for the determination of the dust mass in an exhaust gas with a vibratable, provided with a filter device, can be flowed through by the exhaust tube, in which from the deviation from the predetermined resonant frequency of the vibrating tube an evaluation device is calculated the collected dust in the filter device, the Periodically decelerating the oscillating tube and measuring it after reaching a rest position, the oscillation tube is deflected out of the rest position after measuring and determines the deflection from the rest position after reaching a stationary position and the oscillation tube is released and vibrated again after the determination of the deflection the redefined by the collected dust mass resonance frequency of the vibrating tube and so on.

Description

Die Erfindung betrifft ein Messverfahren für die Bestimmung der Staubmasse in einem Abgas mit einem schwingfähigen, mit einer Filtervorrichtung versehenen, von dem Abgas durchströmbaren Schwingrohr, bei dem aus der Abweichung von der vorbestimmten Resonanzfrequenz des Schwingrohrs eine Auswertevorrichtung die in der Filtervorrichtung aufgefangene Staubmasse berechnet wird.The invention relates to a measuring method for the determination of the dust mass in an exhaust gas with an oscillatable, provided with a filter device, by the exhaust flow-through oscillating tube, in which from the deviation from the predetermined resonant frequency of the oscillating tube an evaluation device, the dust collected in the filter device is calculated.

Derartige Messverfahren finden insbesondere bei Feststofffeuerungen Verwendung und sind beispielsweise in der DE 10 2007 041 369 A1 und der DE 10 2009 049 955 A1 erläutert.Such measuring methods are used in particular in solid fuel firing and are for example in the DE 10 2007 041 369 A1 and the DE 10 2009 049 955 A1 explained.

Zwischenzeitlich sind seit dem Anmeldedatum dieser beiden Patentanmeldungen durch die erste Verordnung zur Durchführung des Bundes-Immissionsschutzgesetzes, der Verordnung über kleine und mittlere Feuerungsanlagen, 1.BImSchV, die erlaubten Partikelmengen in den Abgasen von Feuerungsanlagen deutlich verschärft worden und liegen, abhängig von der Größe der Feuerungsanlage, bei einem niedrigsten Grenzwert unter 0,02 g/m³.In the meantime, since the filing date of these two patent applications by the first ordinance for the implementation of the Federal Immission Control Act, the Ordinance on Small and Medium Firing Plants, 1.BImSchV, the permitted particle quantities in the exhaust fumes of combustion plants have been significantly tightened and are dependent on the size of the Furnace, with a lowest limit below 0,02 g / m ³ .

Solche Vorgaben verlangen nach einer hochpräzisen Messtechnik für die Bestimmung der Staubmassen. Ein Hauptproblem der der herkömmlichen Verfahren stellen instationäre Wärmeströmungen dar. Es kann mehr als zwölf Minuten dauern, bis sich stationäre Wärmeströme eingestellt haben und mit erhöhter Genauigkeit gemessen werden kann. Dieses Problem wird auch bei einer Messvorrichtung gemäß WO 2013/143523 A1 nicht gelöst, bei der die Messsonde mit einer Wägevorrichtung mit einer Filtervorrichtung durch einen beheizten Ansaugschlauch verbunden ist und bei der die Wägevorrichtung in dem Wiegemodul thermisch isoliert ausgebildet ist. Diese Maßnahmen verhindern die Kondensation innerhalb des Wiegemoduls.Such specifications require a high-precision measuring technique for the determination of dust masses. A major problem with conventional methods is transient heat flows. It may take more than twelve minutes for steady state heat flows to settle and be measured with increased accuracy. This problem is also in a measuring device according to WO 2013/143523 A1 not solved, in which the measuring probe is connected to a weighing device with a filter device through a heated suction hose and in which the weighing device is formed thermally insulated in the weighing module. These measures prevent condensation within the weighing module.

Vor diesem Hintergrund macht die Erfindung es sich zur Aufgabe, ein hochpräzises Messverfahren für die Bestimmung der Staubmasse in einem Abgas zur Verfügung zu stellen, das sich insbesondere auch hinsichtlich instationärer Vorgänge selbst überwacht und korrigiert.Against this background, the object of the invention is to provide a high-precision measuring method for determining the dust mass in an exhaust gas, which itself monitors and corrects itself in particular with regard to unsteady processes.

Gelöst wird diese technische Problematik bei einem Messverfahren für die Bestimmung der Staubmasse in einem Abgas mit einem schwingfähigen, mit einer Filtervorrichtung versehenen, von dem Abgas durchströmbaren Schwingrohr, bei dem aus der Abweichung von der vorbestimmten Resonanzfrequenz des Schwingrohrs eine Auswertevorrichtung die in der Filtervorrichtung aufgefangene Staubmasse berechnet wird, gemäß des Anspruchs 1 durch die Maßnahmen, dass das Schwingrohr periodisch abgebremst und nach Erreichen einer Ruhelage diese vermessen wird, dass nach dem Vermessen das Schwingrohr aus der Ruhelage ausgelenkt und nach Erreichen einer stationären Lage die Auslenkung aus der Ruhelage bestimmt wird und dass nach der Bestimmung der Auslenkung das Schwingrohr freigegeben und erneut in Schwingung versetzt wird und dass die durch die aufgefangene Staubmasse verschobene Resonanzfrequenz des Schwingrohrs neu bestimmt wird und so fort.This technical problem is solved in a measuring method for determining the dust mass in an exhaust gas with a vibratable, provided with a filter device, can be flowed through by the exhaust tube, in which from the deviation from the predetermined resonant frequency of the vibration tube, an evaluation device collected in the filter device dust mass is calculated according to claim 1 by the measures that the vibrating tube is braked periodically and after reaching a rest position, this is measured that after measuring the swing tube deflected from the rest position and after reaching a stationary position, the deflection is determined from the rest position and that after the determination of the deflection, the vibration tube is released and vibrated again and that the shifted by the collected dust mass resonance frequency of the vibration tube is redetermined and so on.

Die Erfindung geht von einer Modellierung des Schwingrohrs durch ein idealisiertes Feder-Massependel aus, das durch die Gleichung c = F/Δx beschrieben werden kann mit der Federkonstanten c, der das System belastenden Kraft F und der Auslenkung Δx in X-Richtung x. Den Zusammenhang zwischen der zu bestimmenden Masse m, der Federkonstanten c und der Resonanzfrequenz f wird dann durch die Gleichung $f = \frac{1}{2 π' \sqrt[2]{c / m}}$

beschriebenThe invention is based on a modeling of the vibration tube by an idealized spring mass pendulum, which can be described by the equation c = F / Δx with the spring constant c, the system loading force F and the deflection .DELTA.x in the X direction x. The relationship between the mass m to be determined, the spring constant c and the resonance frequency f is then given by the equation

f = \frac{1}{2 π' \sqrt[2]{c / m}}

described

Gemäß der Erfindung werden diese drei Parameter der Schwingungsgleichung periodisch überwacht, um Rückschlüsse auf die tatsächlich aufgefangene Staubmasse in dem Abgas zurückschließen zu können. Hierzu wird das Schwingrohr in regelmäßigen Zeitabständen abgebremst und seine durch beispielsweise Temperatureinflüsse veränderte Position vermessen und somit gleichsam ständig eine neue Ausgangsposition festgelegt. Aus dieser Ruhelage wird das Schwingrohr sodann ausgelenkt und nach Erreichen einer stationären Lage wird auch diese vermessen, so dass die Auslenkung aus der Ruhelage bestimmt werden kann. Ist dies geschehen, wird das Schwingrohr freigegeben und erneut in Schwingung versetzt, so dass die durch die aufgefangene Staubmasse verschobene Resonanzfrequenz des Schwingrohrs neu bestimmt werden kann. Dieses Vorgehen wiederholt sich über den gesamten Messvorgang.According to the invention, these three parameters of the oscillation equation are periodically monitored in order to be able to draw conclusions about the actually collected dust mass in the exhaust gas. For this purpose, the oscillating tube is braked at regular intervals and its measured by, for example, temperature changes position and thus constantly set a new starting position as it were. From this rest position, the vibrating tube is then deflected and after reaching a stationary position, this is also measured, so that the deflection can be determined from the rest position. Once this is done, the vibration tube is released and vibrated again, so that the shifted by the collected dust mass resonance frequency of the vibration tube can be redetermined. This procedure is repeated over the entire measuring process.

Als zweckmäßig hat sich dabei herausgestellt, dass das Auslenken des Schwingrohrs durch das Aufbringen einer definierten Kraft erfolgt, diese mithin bekannt ist. Für das Aufbringen dieser Kraft bieten sich eine Vielzahl von Möglichkeiten an, bspw. ein Druckluftimpuls, der Einfluss der Schwerkraft durch ein periodisches Kippen der Messanordnung um 90° oder auch Piezo-Stäbchen.It has been found to be expedient in this case that the deflection of the vibration tube takes place by the application of a defined force, which is therefore known. For applying this force, there are a variety of possibilities, for example. A compressed air pulse, the influence of gravity by a periodic tilting of the measuring arrangement by 90 ° or piezoelectric rods.

Als besonders Vorteilhaft für das Aufbringen der Kraft hat sich ein elektromagnetischer Aktor erwiesen, dessen Kraft durch die Anzahl der Wicklungen und dem die Wicklungen durchfließenden Strom vergleichsweise einfach und exakt bestimmbar ist.Particularly advantageous for applying the force, an electromagnetic actuator has been found, the force of which is comparatively easy and accurately determined by the number of windings and the current flowing through the windings.

Es kann damit, da die aufgebrachte Kraft F wie auch das Maß Δx der Auslenkung bekannt ist, nach der Auslenkung des Schwingrohrs eine Neuberechnung seiner Federkonstanten erfolgen.It can thus, since the applied force F as well as the measure .DELTA.x the deflection is known to take place after the deflection of the vibrating tube recalculating its spring constant.

Da Temperaturänderungen auch Änderungen im elektrischen Verhalten eines Aktors hervorrufen, sollte in die Neuberechnung der Federkonstanten die aufgebrachte Kraft temperaturkorrigiert eingehen. Die hierzu nötigen Komponenten lassen sich beispielsweise durch eine Temperaturüberwachung mittels Thermoelementen unmittelbar bestimmen oder durch das Erfassen der elektrischen Kenngrößen des Aktors bestimmen. Since temperature changes also cause changes in the electrical behavior of an actuator, the applied force should be corrected for temperature in the recalculation of the spring constant. The components required for this purpose can be determined directly, for example, by a temperature monitoring by means of thermocouples or determined by detecting the electrical characteristics of the actuator.

Für die Bestimmung der aufgefangenen Staubmasse ist die Position des Schwingrohrs möglichst exakt zu bestimmen.For the determination of the collected dust mass, the position of the vibration tube should be determined as exactly as possible.

Hierzu sind grundsätzlich alle Verfahren geeignet, die mit einer ausreichenden Genauigkeit die Position bestimmen könne, bspw. optische Verfahren wie eine Vermessung mit Lichtschranken, Interferrometer oder einer Triangulation. Alternativen stellen akustische Verfahren dar.For this purpose, basically all methods are suitable which can determine the position with sufficient accuracy, for example optical methods such as a measurement with light barriers, interferometers or triangulation. Alternatives represent acoustic methods.

Bevorzugt erfolgt bei dem Verfahren nach der Erfindung das Vermessen der Auslenkung und/oder der Ruhelage des Schwingrohrs mit einem optischen, induktiven oder kapazitiven Wegesensor.Preferably, in the method according to the invention, the measurement of the deflection and / or the rest position of the vibration tube with an optical, inductive or capacitive displacement sensor.

Solche induktiven oder kapazitive Sensoren können regelmäßig Teil eines Schwingkreises darstellen, dessen Resonanzfrequenz die Messgröße darstellt. Die elektrischen Komponenten eines solches Schwingkreises sind, wie auch die Geometrie eines das Schwingrohr aufnehmenden Gehäuses und das Schwingrohr selbst, hinsichtlich ihrer Geometrie, temperaturabhängig.Such inductive or capacitive sensors can regularly represent part of a resonant circuit whose resonance frequency represents the measured variable. The electrical components of such a resonant circuit, as well as the geometry of the housing receiving the vibration tube and the vibration tube itself, with respect to their geometry, temperature dependent.

Entsprechend sollte insbesondere vorgesehen sein, dass die Temperatur der Sensorspule in der Ruhelage und/oder in der ausgelenkten Lage des Schwingrohrs bestimmt wird. Es kann dann in die Neuberechnung der Federkonstanten die gemessene Auslenkung temperaturkorrigiert eingehen.Accordingly, it should be provided in particular that the temperature of the sensor coil in the rest position and / or in the deflected position of the vibration tube is determined. It can then enter into the recalculation of the spring constant the measured deflection temperature corrected.

Das sich fortwährend neu kalibrierende schwingfähige System erlaubt einen hochgenauen Rückschluss auf die von der Filtervorrichtung aufgefangene Staubmasse. Die Periodendauer sollte dabei zwischen 10 s und 20 s betragen.The constantly recalibrating oscillatory system allows a highly accurate inference to the collected dust from the filter device. The period should be between 10 s and 20 s.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102007041369 A1 [0002]
DE 102009049955 A1 [0002]
WO 2013/143523 Al [0004]

Claims

Measuring method for the determination of the dust mass in an exhaust gas with a vibratable, provided with a filter device, can be flowed through by the exhaust tube, wherein from the deviation of the predetermined resonant frequency of the vibrating tube an evaluation device, the dust collected in the filter device is calculated, characterized in that the oscillating tube is braked periodically and after reaching a rest position, this is measured that after measuring the oscillating tube deflected from the rest position and after reaching a stationary position, the deflection is determined from the rest position and that released after the determination of the deflection of the vibrating tube and again in oscillation is offset and that the shifted by the collected dust mass resonance frequency of the vibration tube is redetermined and so on.

Measuring method according to Claim 1 , characterized in that the deflection of the vibration tube is effected by the application of a defined force.

Measuring method according to Claim 2 , characterized in that the application of the force is effected by an electromagnetic actuator.

Measuring method according to one or more of the preceding claims, characterized in that after the deflection of the vibration tube, a recalculation of its spring constant.

Measuring method according to Claim 4 , characterized in that received in the recalculation of the spring constant, the applied force temperature corrected.

Measuring method according to one or more of the preceding claims, characterized in that the deflection and / or the rest position of the vibration tube is measured by an optical, inductive or capacitive displacement sensor.

Measuring method according to Claim 6 , characterized in that the temperature of the sensor in the rest position and / or in the deflected position of the vibration tube is determined.

Measuring method according to Claim 7 , characterized in that in the recalculation of the spring constant, the measured deflection is received temperature corrected.

Measuring method according to one or more of the preceding claims, characterized by a period of between 10 s and 20 s.