DE1925153C3

DE1925153C3 - Verfahren und Schaltungsanordnung zur Messung des Mengenstroms von teilchenförmigen! Material

Info

Publication number: DE1925153C3
Application number: DE1925153A
Authority: DE
Inventors: Maurice Sidney Bradford Yorkshire Beck (Ver. Koenigreich)
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: 1980-01-17
Also published as: DE1925153A1; GB1270112A; US3636763A; DE1925153B2

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 auf.

Schließlich ist aus der US-PS 32 18 852 ein Verfahren zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit von Flüssigkeilen bekannt, wobei mittels eines elektroakustischen 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 Mengensirom ist.

Dieses bekannte Verfahren läßt sich aber zur Messung des Mengestroms von pneumatisch geförderten teilchenförmigen Materialien nicht anwenden, da bei der pneumatischen Förderung von teilchenförmigem 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 teilchenförmigen Materialien zu finden, zu dessen Durchführung weder komplizierte Korrelationsmethoden zur Ermittlung der Zeitverzögerung zwischen den zeitlich versetzten Durchgängen einer Strömungsstörung an zwei hintereinander angeordneten Meßstellen 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 teilchenförmigem Material mittels eines Trägermediums, z. B. Luft, bei gegebener, konstanter Strömungsgeschwindigkeit des Trägermediums sich eine ebenfalls konstante, ganz bestimmte Strömungsgeschwindigkeit der MateriaUeilchen einstellt. Dabei ist bei gegebenem Trägermedium und gegebenem Fördermaterial das Verhältnis des Mittelwerts der Strömungsgeschwindigkeit des Trägermediums zum Mittelwert der Strömungsgeschwindigkeit der MateriaUeilchen 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 MateriaUeilchen unmittelbar ein Maß für den jeweiligen Mengenstrom pro Zeiteinheit dar. Da die Anzahl bzw. die Häufigkeit der im strömenden Material durch Turbulenzen des Trägermediums bedingten, statistisch verteilten zufälligen Strömungsstörungen bzw. Bewegungsschwankungen der Materialieilchen in Form von Abweichungen vom Mittelwert der Strömungsgeschwindigkeit der Materialteilchen von der Menge bzw. der Konzentration der MateriaUeilchen innerhalb des Strömungsquerschnittes abhängig ist, läßt sich die jeweilige Konzentration der MateriaUeilchen im Strömungsquerschnitt durch Umsetzung von deren zufälligen Bewegungsschwankungen in das genannte elektrische Rauschsignal messen, und man erhält den

to Mengenstrom pro Zeiteinheit, indem man die mittels des Rauschsignals gemessene augenblickliche Menge der MateriaUeilchen im Förderquerschnitt mit dem konstanten Mittelwert der Strömungsgeschwindigkeit der MateriaUeilchen multipliziert.

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 Mengenstrom der geförderten MateriaUeilchen und de:^ unter Verwendung eines kapazitiven Meßfühlers erzeugten elektrischen Rauschsignal wird nachstehend abgeleitet:

Die Anzahl Q von jeweils im Bereich des Meßfühlers befindlichen MateriaUeilchen ist zur Beladung ω der Förderleitung proportional.

Die turbulenzbedingten Bewegungsschwankungen der MateriaUeilchen weisen eine Gaußsche Verteilung auf, die durch ein bandbegrenztes weißes Rauschen angenähert werden kann, dessen Leistungsdichteverteilung <£_A(7])bis zu einer Grenzfrequenz f_c\m wesentlichen gleichförmig ist, die ihrerseits zur Anzahl der unabhängigen Teilchenbewegungsschwankungen proportional ist, d.h.

f_c~ QOder f_c~

Die Gesamtleistung σ² des vom Meßfühler erzeugten kapazitiven Rauschsignals x(t) hängt von der Anzahl Q der Teilchen und von der Dielektrizitätskonstante l des geförderten Materials ab, d. h.

o²~e²Q²bzv/.o²~e²o)²

und diese Gesamtleistung ist außerdem durch die Gleichung

gegeben. Für f<f_cg\\t
und folglich

Das Frequenzspektrum
gangssignals m(t)\si

des Meßfühlerauswobei K\ G\(jf) die Transformationsfunktion der Meßanordnung ist.

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

und folglich

Das obige Integral ist der Gesamtleistung bzw. dem quadratischen Mittelwert /'des Signals m(t)g\ckn.

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

wobei wi²(f) der quadratische Mittelwert von m(f) ist. Ets gilt daher:

m^lU) - '²...

L^ti u!C uiri/TTiun^SgCSCii Winu!£i\Cii *jCS ΐπ«ΐι£Γΐίΐι!ΐ

konstant ist, errechnet sich der Mengenstrom M folgendermaßen:

m²(t)

/Vf = Km¹UVr²

wobei Keine Eichkonstante ist.

Anstelle der Dielektrizitätskonstante des geförderten Materials können auch andere Stoffeigenschaften dieses 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 Ultraschallmessung erfaßt werden.

Ein AusführunEsbeisDiei 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 des geförderten Materials und

F i g. 4 eine alternative Kompensationsschaltung.

Bei der in Fig. 1 gezeigten Meßanordnung ist ein kapazitiver Meßfühler 1 durch eine Elektrode in Form eines von der übrigen Wand 2 einer pneumatischen Förderleitung 3 durch eine Isolation 4 elektrisch isolierten Wandteils 2' gebildet. Der Meßfühler I 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 e zugeführt, das von einem nicht dargestellten Meßwandler geliefert wird, der beispielsweise in einem am Anfang der Förderleitung 3 befindlichen Aufgabetrichter oder einem am Ende der Förderleitung befindlichen Sammelbehälters angeordnet ist. Das Ausgiingssigmil der Kompensationsschaltung 6 wird in einer Quadrierschaluing 7 quadriert und in einer Glättungsschnltung 8 geglättet, bevor es zu einer Anzeigeeinrichtung 9 gelangt. Durch die Quadratur des kompensierten Atisgangssignals der Auswerteschaltung 5 erreicht man, daß das zur Anzeige gelangende Signal in linearer Beziehung zum Mengenstrom steht, wodurch die Eichung der Anzcigecinrichlung vereinfacht wird.

Gemäß F i g. 2 besteht die Auiwerteschiillung 5 uns einer Kapazitätsmeßbrücke 21. die eine kapaziliitsverändcrliche Diode I) I und Kondensatoren C2 und CM enthält. Der Ausgang der Kapazitätsmeßbrücke ist an die Basis eines Transistors TR 1 eines Oszillators 22 angeschlossen, der unter Schwcllenwertbcdingungeri betrieben wird, so daß die Oszillatorschwingungcn entsprechend dem Ausgangssignal des Meßfühlers 1

Oszillatoraiisgangssignals dient eint" Gleichrichterschal· Hing 23 mit einer Diode D3. Das demodulierte Signal wird in einem Gleichstromverstärker 24 verstärkt, der /v/c\ Transistoren TR 2 und TR 3 aufweist. Ein am Ausgang des Transistors 77? 3 abgegriffenes Gegen koppltingssignal wird über eine Gegenkopplungsschal fing 25 der kapazitätsveränderlichen Diode DX dei Kapiiziiätsmeßbrückc zugeführt. Ein Wcchsclstromver stärk*' 26 liefert das endgültige Ausgangssignal dci Auswerteschaltung 5.

Die in Fig. 3 im einzelnen gezeigte Kompensation* schaltung weist im wesentlichen zwei Bausteine auf nämlich einen Leistungsverstärker 3t, dessen Eingang mit dem die jeweilige Dielektrizitätskonstante de< geförderten Materials darstellenden Signal t gespeisi wird, und einen Wechselstromverstärker 33, der eine etwa dem Faktor Eins entsprechende, jedoch durer Bceinflussung seiner Gegenkopplung veränderliche Verstärkung besitzt. Zur Beeinflussung der Verstärkung des Wechselstromverstärkers 33 dient eine Heizelement-Heißleiter-Kombination 32, die einen in der Gegenkopplungskreis des Wechselstromverstärker' geschalteten Heißleiter TH 1 und ein diesen beheizen des, vom Ausgangssignal des Leistungsverstärkers 31 gespeistes Heizelement umfaßt. Die verhältnismäßiE hohe Wärmekapazität der Heizelement-Heißleiter-Kombination 32 bewirkt, daß nur verhältnismäßig langsame Änderungen der Dielektrizitätskonstanter des geförderten Materials wirksam werden, währenc sich nur kurzzeitige Schwankungen der Dielektrizitäts konstanten nicht auf die Kompensation auswirken. Die mit R 7 und /?8 bezeichneten Widerstände /nd se gewählt, daß sich eine etwa lineare Beziehung zwischer dem jeweiligen Wert des gesamten Gegenkopplungswiderstandes RF des Wechselstromverstärkers 3t unc dem jeweiligen Wert der Dielektrizitätskonstante de; geförderten Materials ergibt.

Zur Kompensation von Umgebungstemperaturein· flüssen auf den Heißleiter TWl 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 R10 angeordnet wobei diese Bauelemente genau gleich wie die Bauelemente THX, R 7 und RS im Gegenkopplungskreis ausgelegt sind, so daß sich der Gesamteingangswiderstand Ri unter umgebungstemperatureinflüssen genau in der gleichen Weise wie der Gesamtgegenkopplungswiderstand /fFverändert.

7 8

Eine alternative Kompensationsschaltung ist in und 8 für das Ausgangssignal der Auswerteschaltung

Fig.4 dargestellt. Hierbei wird das die jeweilige gleichartig sind. Das von der Auswerteschaltung

Dielektrizitätskonstante des geförderten Materials kommende und quadrierte und geglättete Signal/W'und

darstellende Signal e ebenso wie das Ausgangssignal der das quadrierte und geglättete Dielektrizitätskonstan-

Auswerteschaltung quadriert und geglättet, wobei die > tensignal f.~² werden einer Potentiometerschaltung 43

dazu dienenden Quadrier- und Glättungsschaltiingen 41 zugeführt, wobei das Dielektrizitätskonstantensignal

und 42 mit den Quadrier- und Glättungsschaltungen 7 den Potentiometerschleifer betätigt.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

|. Verfahren zur Messung des Mengenstroms von teilchenförmigen! Material, das mittels eines mit im wesentlichen konstanter mittlerer Strömungsgeschwindigkeit strömenden Trägermediums hydrodynamisch durch eine Förderleitung transportiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß an einer Stelle der Förderleitung zufällige, durch Turbulenzen im Trägermedium bedingte Bewegungsschwankungen der Maiterialteilchen in ein elektrisches Rauschsignal umgesetzt und die Leistung dieses Rauschsignals als Maß für den Mengenstrom gemessen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umsetzung der Bewegungsschwankungen der Materialteilchen in das elektrische Rauschsignal 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 Rauschsignal kombiniert wird.
4. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch einen in der Förderleitung (3) angeordneten kapazitiven Meßfühler (1) und durch eine diesem nachgeschaltcte, eine ^apaziurfsmeßbrücke (C2, C3, D1) enthaltende Aus», erteschaltung (5).
5. Schaltungsanordnung nach A ,spruch 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 gekenn2.eichnet, 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 Gegenkopplungsleitung geschalteten Heißleiter (TH 1) veränderlicher Verstärkung und einen mit einem zur jeweiligen Dielektrizitätskonstanten des geförderten Materials proportionalen Signal gespeisten Leistungsverstärker (31) aufweist, dessen Ausgangssignal 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 Auswerteschaltung (5) eine Kompensationsschaltung in Form einer Potentiometerschaltung (43) nachgeschaltet ist, deren Potentiometerschleifer durch ein von der jeweiligen Dielektrizitätskonstanten des geförderten Materials abhängiges Signal betätigt wird.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung des Mengenstroms von teilchenförmigen! Material nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Bei der pneumatischen Förderung pulverförmigen festen Materials durch eine Förderleitung ist das Verhältnis von Förderluft zu gefördertem Material gewöhnlich groß und beträgt beispielsweise etwa 500:1, so daß sich die Materialteilchen frei und unabhängig voneinander im Förderluftstrom be.vegen

ίο können. Hierbei treten in der im Mittelwert gleichförmigen Materialteilchenbewegung zufällige bzw. statistische Störungen, d. h. Abweichungen vom Mittelwert der Teilchenbewegungsgeschwindigkeit in Förderrichtung auf, die auf Turbulenzen des Trägermediums, z. B. der Förderluft, beruhen.

Es ist bereits vorgeschlagen worden, die Strömungsgeschwindigkeit pulverförmiger fester Materialien innerhalb pneumatischer Fördereinrichtungen dadurch zu bestimmen, daß die Durchlaufzeit der eben erwähnten, durch Turbulenzen im Trägermedium 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 Trägermedium auftretenden Turbulenzen und somit auch der statistischen Störungen der Teilchenbewegung fortwährend 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 durph eine Förderlei-

ίο tung hindurch gefördertem pulverigem Material dadurch zu messen, daß innerhalb des Förderstromes 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 Material teilchen sich während ihres Transports durch die Förderleitung durch Kollisionen mit der Förderleitungswand infolge vun 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