DE1925153B2

DE1925153B2 - Verfahren und Schaltungsanordnung zur Messung des Mengenstroms von teilchenförmigen! Material

Info

Publication number: DE1925153B2
Application number: DE1925153A
Authority: DE
Inventors: Maurice Sidney Bradford Yorkshire Beck (Grossbritannien)
Original assignee: National Research Development Corp UK
Current assignee: National Research Development Corp UK
Priority date: 1968-05-17
Filing date: 1969-05-16
Publication date: 1979-05-10
Also published as: DE1925153C3; DE1925153A1; US3636763A; GB1270112A

Description

bekannt, gemäß welchem mittels einer in den Förderstrom hineinragenden Elektrode die elektrischen Ladungen von auf die Elektrode auftreffenden Materialteilchen aufgefangen und die aufgefangenen Ladungen als Maß für den jeweiligen Mengenstrom gemessen werden. Hierbei treten aber die gleichen Nachteile wie bei. dem gerade zuvor beschriebenen bekannten Verfahren auE.

Schließlich ist aus Jer US-PS 32 18 852 ein Verfahren zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit von Flüssigkeiten bekannt, wobei mitteis eines elektroakustischer! Wandlers das vom. strömenden, Medium erzeugte Strömungsgeräusch elektrisch erfaßt und als Maß für die Strömungsgeschwindigkeit gemessen wird, welch letztere wegen der praktisch konstanten Dichte von Flüssigkeiten auch ein Maß für den Mengenstrom ist.

Dieses bekannte Verfahren: läßt sich aber zur Messung des Mengestroms von pneumatisch geförderten teilchenförmigen Materialien nicht anwenden, da bei der pneumatischen Förderung von teilchenfönnigem Material die Strömungsgeschwindigkeit des Trägermediums als im wesentlichen konstant angesehen werden kann, während die Dichte des geförderten Materials, d h. die Konzentration der Materialteilchen im Trägermedium, variabel und für den Mengenstrom bestimmend ist

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verhältnismäßig einfaches und mit relativ einfacher technischer Ausrüstung durchführbares Meßverfahren für den Mengenstrom hydrodynamisch geförderter teilchenförmiger Materialien zu finden, zu dessen Durchführung weder komplizierte Korrelationsmethoden zur Ermittlung der Zeitverzögerung zwischen den zeitlich versetzten Durchgängen einer Strömungsstörung an zwei hintereinander angeordneten MsBstellen und der für solche Korrelationsaufgaben erforderliche technische Aufwand, noch in den Förderstrom hineinragende Meßsonden oder Elektroden notwendig sind.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst daß an einer Stelle der Förderleitung zufällige, durch Turbulenzen im Trägermedium bedingte Bewegungsschwankungen der Materialteilchen in ein elektrisches Rauschsignal umgesetzt und die Leistung dieses Rauschsignals als Maß für den Mengenstrom gemessen wird.

Dabei wird die Erkenntnis ausgenutzt, daß bei hydrodynamischer, z. B. pneumatischer Förderung von teilchenförmigen! Material mittels eines Trägermediums, z. B. Luft, bei gegebener, konstanter Strömungsgeschwindigkeit des Trägermeüiums sich eine ebenfalls konstante, ganz bestimmte Strömungsgeschwindigkeit der Materialteikhen einstellt. Dabei ist bei gegebenem Trägermedium und gegebenem Fördermaterial das Verhältnis des Mittelwerts der Strömungsgeschwindigkeit des Trägermediums zum Mittelwert der Strömungsgeschwindigkeit der Materialteilchen über einen weiten Bereich von Strömungsgeschwindigkeiten praktisch konstant. Da die Strömungsgeschwindigkeit, d. h. ihr Mittelwert, eine Konstante ist und damit bei der Mengenstrommessung als Eichkonstante Berücksichtigung finden kann, stellt die jeweilige Konzentration der Materialteilchen im Strömungsquerschnitt bzw. die jeweilige Beladung des Strömungsquerschnittes mit den zu fördernden Materialteilchen unmittelbar ein Maß für den jeweiligen Mengenstrom pro Zeiteinheit dar. Da die Anzahl bzw. die Häufigkeit der im strömenden Material durch Turbulenzen des Ti Jgermediums bedingten, statistisch verteilten zufälligen Strömungsstörungen bzw. Bewegungsschwankungen der Materislteüchen in Form von Abweichungen vom Mittelwert der Strömungsgeschwindigkeit der Materialteilchen von der Menge bzw. der Konzentration der Materialteilchen innerhalb des Strömungsquerschnittes abhängig ist, läßt sich die jeweilige Konzentration der Materialteilchen im Strömungsquerschnitt durch Umsetzung von deren zufälligen Bewegungsschwankungen in das genannte elektrische Rauschsignal messen, und man erhält den

ίο Mengenstrom pro Zeiteinheit, indem man die mittels des Rauschsignals gemessene augenblickliche Menge der Materialteflchen im Förderquerschnitt mit dem konstanten Mittelwert der Strömungsgeschwindigkeit der Material teilchen multipliziert

is Zweckmäßige Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens, deren Vorteile für den Fachmann auf der Hand liegen, sowie eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Beziehung zwischen dem Men^nstrom der geförderten Materiaiteüchen und dem unter Verwendung eines kapazitiven Meßfühlers erzeugten elektrischen Rauschsignal wird nachstehend abgeleitet:

Die Anzahl Q von jeweils im Bereich des Meßfühlers

befindlichen Materialteflchen ist zur Beladung ω der Förderleitung proportional.

Die turbulenzbedingten Bewegungsschwankungen der Materiaiteüchen weisen eine Gaußsche Verteilung auf, die durch ein bandbegrenztes weißem Rauschen

jo angenähert werden kann, dessen Leistungsdichteverteilung 4>t(Qb\s zu einer Grenzfrequenz f_c im wesentlichen gleichförmig ist die ihrerseits zur Anzahl der unabhängigen Teilchenbewegungsschwankungen proportional ist d. h.

f_c~ Qoder f_c~ ω

Die Gesamtleistung a² des vom Meßfühler erzeugten kapazitiven Rauschsignals x(t) hängt von der Anzahl Q der Teilchen und von der Dielektrizitätskonstante ε des geförderten Materials ab, d. h.

o²~e²Q^lbzw.o²~e²o)²

und diese Gesamtleistung ist außerdem durch die Gleichung

β» =

M gegeben. Für F< /Ί-gilt

und folglich

ε²ω~

Das Frequenzspekln >m gangssignals m(t)\si

des Meßfülilsraus-

wobei ACi G\(jf)d\e Traiisformationsfunktion der MeB-anordnung ist.

Bei konstanter dynamischer Ansprechempfindlichkeit der Meßanordnung und sich ein gutes Stück üLer deren Frequenzgang hinaus erstreckendem Rauschspektrum ist

OO

= 0_x(f)

I φ ι

J ^m

und folglich

Das obige Integral ist der Gesamtleistung bzw. dem quadratischen Mittelwert Pdes Signals m(t)g\e\ch.

Ein Quadrieren des Signals m(i) und ein Glatten des quadrierten Signals ergibt dann

wobei m²{t) der quadratische Mittelwert von m(f) ist. Es gilt daher:

ua uiC LstrOmüngsgCSCi

w'iiiuigKcit ucä

M =

IO

konstant ist, errechnet sich der Mengenstrom M folgendermaßen:

wobei K eine Eichkonstante ist.

Anstelle der Dielektrizitätskonstante des geförderten Materials können auch andere Stoffeigenschaften dieses jo Materials zur Umsetzung der Bewegungsschwankungen der Materialteilchen in das elektrische Rauschsignal verwendet werden, beispielsweise die elektrische Leitfähigkeit oder die Dichte des geförderten Materials.

Die Leitfähigkeit kann beispielsweise bei einer Flüssigkeit als Trägermedium und die Dichte des geförderten Materials bei einer Flüssigkeit oder einem Gas als Trägermedium Anwendung finden. Im letzteren Fall können durch Bewegungsschwankungen der Materialteilchen bedingte Dichteschwankungen durch Ultraschiillmessung erfaßt werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die Zeichnungen mehr im einzelnen beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 schematisch eine Anordnung zur Mengenstrommessung pneumatisch geförderten Pulvermaterials.

F i g. 2 ein Schaltbild einer Auswerteschaltung,

F i g. 3 eine Kompensationsschaltung zur Berücksichtigung von Änderungen der Dielektrizitätskonstanten 5η des geförderten Materials und

F i g. 4 eine alternative Kompensationsschaltung.

Bei der in Fig. 1 gezeigten Meßanordnung ist ein kapazitiver MeBfühler I durch eine Elektrode in Form eines von der übrigen Wand 2 einer pneumatischen Förderleitung 3 durch eine Isolation 4 elektrisch isolierten Wandteils 2^s gebildet Der MeBfühler 1 ist an eine nachstehend mit Bezug auf Fig.2 beschriebene Auswerteschaltung 5 angeschlossen, der eine Kompensationsschaltung 6 zur Kompensation von durch Änderungen der Dielektrizitätskonstanten des geförderten Materials bedingten Meßfehlern nachgeschaltet ist Der Kompensationsschaltung 6 wird ein die jeweilige Dielektrizitätskonstante des geförderten Materials darstellendes Signal ε zugeführt, das von einem es nicht dargestellten fvfeBwandier geliefert wird, der beispielsweise in einem am Anfang der Förderleitung 3 befindlichen Aufgabetrichter oder einem am Ende der Förderleitung befindlichen Sammelbehälters angeordnet ist. Das Ausgangssignal der Kompensationsschaltung 6 wird in einer Quadrierschaltung 7 quadriert und in einer Glättungsschaltung B geglättet, bevor es zu einer Anzeigeeinrichtung 9 gelangt. Durch die Quadratur des kompensierten Ausgangssignals der Auswerteschaltung 5 erreicht man, daß das zur Anzeige gelangende Signal in linearer Beziehung zum Mengenstrom steht, wodurch die Eichung der Anzeigeeinrichtung vereinfacht wird.

Gemäß Fig. 2 besteht die Auswerteschaltung 5 aus einer Kapazitätsmeßbrückc 21, die eine kapazitätsveränderliche Diode Di und Kondensatoren C2 und C3 enthält. Der Ausgang der Kapazitätsmeßbrückc ist an die Basis eines Transistors TR 1 eines Oszillators 22 angeschlossen, der unter Schwellenwertbedingiingen betrieben wird, so daß die Oszillatorschwingiingen entsprechend dem Ausgangssignal des Meßfühlers 1 iimpmüdcmViOdüitci i wciuüii. Züi Dcirtuuuuiiiuii des Oszillatorausgangssignals dient eine Glciehrichtersehaltung 23 mit einer Diode D3. Das demodulierte Signal wird in einem Gleichstromverstärker 24 verstärkt, der zwei Transistoren 77? 2 und 77? 3 aufweist. Ein am Ausgang des Transistors 77? 3 abgegriffenes Gegenkopplungssignal wird über eine Gegenkopplungsschaltung 25 der kapazitätsveränderlichen Diode D1 der Kapazitätsmeßbrückc zugeführt. Ein Wechselstromvcrstärker 26 VAifert das endgültige Ausgangssignal der Auswerteschaltung 5.

Die in F i g. 3 im einzelnen gezeigte Kompensationsschaltung weist im wesentlichen zwei Bausteine auf, nämlich einen Leistungsverstärker 3i. dessen Eingang mit dem die jeweilige Dielektrizitätskonstante des geförderten Materials darstellenden Signal t gespeist wird, und einen Wechselstromverstärker 33, der eine etwa dem Faktor Eins entsprechende, jedoch durch Beeinflussung seiner Gegenkopplung veränderliche Verstärkung besitzt. Zur Beeinflussung der Verstärkung des Wechselstromverstärkers 33 dient eine Heizelement-Heißleiter-Kombination 3Z die einen in den Gegenkopplungskreis des Wechselstromverstärkers geschalteten Heißleiter THi und ein diesen beheizendes, vom Ausgangssignal des Leistungsverstärkers 3t gespeistes Heizelement umfaßt. Die verhältnismäßig hohe Wärmekapazität der Heizelement-Heißleiter-Kombination 32 bewirkt, daß nur verhältnismäßig langsame Änderungen der Dielektrizitätskonstanten des geförderten Materials wirksam werden, während sich nur kurzzeitige Schwankungen der Dielektrizitätskonstanten nicht auf die Kompensation auswirken. Die mit R 7 und /?8 bezeichneten Widerstände sind su gewählt, daß sich eine etwa lineare Beziehung zwischen dem jeweiligen Wert des gesamten Gegenkopplungswiderstandes RF des Wechselstromverstärkers 31 und dem jeweiligen Wert der Dielektrizitätskonstante des geförderten Materials ergibt

Zur Kompensation von Umgebungstemperatureinflüssen auf den Heißleiter 77/1 und somit auf die Verstärkung des Wechselstromverstärkers 33 ist in der Eingangsleitung dieses Wechselstromverstärkers ein weiteres Kompensationsglied mit einem Heißleiter TH2 und Widerständen /?9 und RiO angeordnet, wobei diese Bauelemente genau gleich wie die Bauelemente THi, R 7 und /? 8 im Gegenkopplungskreis ausgelegt sind, so daß sich der Gesamteingangswiderstand RJ unter ümgebungstemperatureinfiüssen genau in der gleichen Weise wie der Gesamtgegenkoppiungswiderstand RFverändert

Eine alternative Kompensationsschaltung ist in Fig.4 dargestellt. Hierbei wird das die jeweilige Dielektrizitätskons'ante des geförderten Materials darstellende Signal ε ebenso wie das Ausgangssignal der Auswerteschaltung quadriert und geglättet, wobei die dazu dienenden Quadrier- und Glättungsschaltungen 41 und 42 >"it den Quadrier- und Glättungsschaltungen 7

und 8 für das Ausgangssignal der Auswerteschaltung gleichartig sind. Das von der Auswerteschaltung kommende und quadrierte und geglättete Signal M'und das quadrierte und geglättete Dielektrizitätskonstantensignal f-² werden einer Potentiometerschaltung 43 zugeführt, wobei das Dielektrizitätskonstantensignal den Potentiometerschleifer betätigt.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche;

% Verfahren zur Messung⁷ des. M'engenstrojns von teilchenföimugenri Material, das mittels-eines mit rar wesentlichen konstanter mittlerer Sttömungsge- s schwindigkeit strömenden Trägermediiuns hydrodynamisch, durch eine Förderleüung-transportiert wird; dadurch gekennzeichnet,, daß¹, an einer Stellt der Förderleitung zufällige;, durch' Turbulenzen im Trägermedium bedingte Bewegungsschwan- klingen der Malemalteilchen in ein elektrisches Räuschsignal umgesetzt und die Leistung: dieses Rauschsignals als, Maß für den Mengenstrom gemessen wudl

2i Verfahren nach Anspruch, I,. dadurch gekennzeichnet, daß- die Umsetzung; der Bewegungsschwanfcungen der Materialteilchen in das elektrische Rauschsignali durch Abtasten der durch die Bewegungsschwankungen auftretenden dielektrischen Schwankungen im geförderten. Material erfolgt

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch; gekennzeichnet, daß' zum Zwecke der Kompensation von durch Änderungen der Dielektrizitätskonstanten des geförderten: Materials- bedingten Meßfehlern ein von der jeweiligen Dielektrizitätskonstanten des geförderten Materials abhängiges- Kompensationssignal mit dem Rauschsigna] kombiniert wird

4. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch einen in der Förderleitung (3>): angeordneten kapazitiven Meßfühler (t) und dV.-ch eine diesem nachgeschaltete, eine Kapa^itätsrneßbrücke (C2, CZ, D I) enthaltende Auswertesdialtr ig(5)L

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung (5) einen Oszillatorkreis (22) enthält, an welchen der Ausgang der Kapazitätsmeßbrücke zur Amplitudenmodulation der Oszilatorschwingungen angeschlossen ist

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet daß der Meßfühler (1) einen Teil der Förderleitungswand (2) bildet

7. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 6 zur Durchführung des Verfahrens nach « Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet daß der Auswerteschaltung (5) eine Kompensationsschaltung (6) nachgeschaltet ist die einen Wechselstromverstärker (33) mit etwa dem Faktor Eins entsprechender, jedoch durch einen in seine Cegenkopp- lungsleitung geschalteten Heißleiter (77/1) veränderlicher Verstärkung und einen mit einem zur jeweiligen Dielektrizitätskonstanten des geförderten Materials proportionalen Signal gespeisten Leistungsverstärker (3t) aufweist, dessen Ausgangs- >5 signal ein Heizelement zur Beheizung des Heißleiters speist

8. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 6 zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der «o Auswerteschaltung (5) eine Kompensationsschaltung in Form einer Potentiometerschaltung (43) nachgeschaltet ist deren Potentiometerschleifer durch ein von der jeweiligen Dielektrizitätskonstanten des geförderten Materials abhängiges Signal «5 betätigt wird.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung des Mengenstroms von teilchenförmigen) Material nach demiOberbegriff des Anspruchs I.

Bei der pneumatischen Förderung pulverförmigen festem Materials, durch= eine Förderleitung ist das Verhältnis: von Förderluft zu gefördertem Material gewöhnlich! gcoß> und beträgt beispielsweise etwa 500'τ t^:, so daft sieb die Maiemalteilchen frei rad unabhängig voneinander im Förderluftstrom bewegen können. Hierbei treten in der im Mittelwert gleichförmigen Materialteilchenbewegung zufällige bzw. statistische Störungen, dl Ir.. Abweichungen: vom Mittelwert der Teilchenbewegungsgeschwihdijgkeit in Förderrichtung auf;, die auf Turbulenzen des Trägermediums, z. B. der Förderluft beruhen.

& ist bereits vorgeschlagen worden, die Strömungsgeschwindigkeit pulverförmiger fester Materialien innerhalb pneumatischer Fördereinrichtungen dadurch zu bestimmen, daß die Durchlaufzeit der eben erwähnten, durch Turbulenzen im Trägennedium bedingten zufälligen Störungen der Teilchenbewegung zwischen zwei Stellen der Förderleitung gemessen wird, die um: eine bekannte Distanz voneinander entfernt sind Da sich aber die Form der im Trägennedium auftretenden Turbulenzen und somit auch der statistischen Störungen der Teilchenbewegung fertwährend ändert sind komplizierte Korrelationsmethoden erforderlich, um eine an der ersten Meßstelle der Förderleitung festgestellte Strömungsstörung bei ihrem zeitlich versetzten Durchgang an der zweiten Meßstelle wiedererkennen und die Zeitverzögerung zwischen den beiden Durchgängen dieser Strömungsstörung an den beiden hintereinander angeordneten Meßstellen ermitteln zu können.

Die Durchführung dieser Korrelationsmethoden erfordert natürlich einen entsprechenden technischen Aufwand

Es ist ferner aus der US-PS 33 59 796 bekannt den Mengenstrom von pneumatisch durch thw Förderleitung hindurch gefördertem pulverigem Material dadurch zu messen, daß innerhalb des Forderstromes in der Förderleitung eine elektrisch an eine Meßschaltung angeschlossene Kugel angeordnet und die beim Aufprall von Materialteilchen auf diese Kugel übertragene elektrische Ladung als Maß für den Mengenstrom gemessen wird. Dabei wird davon ausgegangen, daß die Materialteilchen sich während ihres Transports durch die Förderleitung durch Kollisionen mit der Förderleitungswand infolge von Reibungselektrizität aufgeladen haben, so daß sie beim Aufprall auf die Kugel Ladungen an diese abgeben können. Dieses bekannte Verfahren ist insbesondere zur Mengenstrommessung bei kleinen Förderströmen oder bei extrem feinkörnigen Materialien als Alternative zu einem ebenfalls bekannten, in diesen Fällen aber nicht mehr anwendbaren optischen Verfahren vorgesehen. Das eben erwähnte bekannte Verfahren hat aber den Nachteil, daß insbesondere bei adhesiven Fördermaterialien sich auf der im Förderstrom befindlichen Kugel samt deren Halterung leicht eine Schicht von sich daran ansetzenden Materialteilchen ablagern kann, wodurch eine brauchbare Messung unmöglich wird» und andererseits können abrasive Fördermaterialien zum schnellen Verschleiß der Kugel und ihrer Halterung führen.

Ein sehr ähnliches Verfahren zur Messung des Mengenstroms von pneumatisch geförderten pulverigen Materialien, deren Materialteilchen eine statische elektrische Ladung tragen, ist aus der US-PS 24 91 445