DE2018618A1 - Vorrichtung zur Messung des Massenstromes von in einem Strömungsmittel transportierten Feststoffteilchen - Google Patents

Vorrichtung zur Messung des Massenstromes von in einem Strömungsmittel transportierten Feststoffteilchen

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DE2018618A1 DE19702018618 DE2018618A DE2018618A1 DE 2018618 A1 DE2018618 A1 DE 2018618A1 DE 19702018618 DE19702018618 DE 19702018618 DE 2018618 A DE2018618 A DE 2018618A DE 2018618 A1 DE2018618 A1 DE 2018618A1
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Samuel Babcock Pittsburgh; Pysnik Joseph Monroeville; Pa. Prellwitz (V.St.A.)
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Description

"Vorrichtung zur Messung des Massenstromes von in einem Strömungsmittel transportierten Feststoffteilchen»
Die Erfindung befasst sich mit einer Vorrichtung zur Messung eines Stromes feiner Feststoffteilchen, die in einer durch eine Leitung oder ein Rohr getragenen Fluidströmung transportiert werden, und betrifft insbesondere den Transport von Feststoff, beispielsweise Kohle oder Eisenerz in einer aus Druckluft, Sauerstoff oder einem anderen geeigneten Gas bestehenden Fluid·trömung in einem metallurgischen oder industriellen Verfahren.
Zur Bestimmung der Menge der transportierten Feststoffteilchen müssen an den in dem gasförmigen Medium suspendierten Feststoffteilchen cewisse Messungen vorge-
Pafentanwälte Dipl.-Ing. Martin Licht, Dipl.-Wirtsch.-lng. Axel Hansrnann, Dipl.-Phys. Sebastian Herrmann — 2 -
ORfGINALIHSPECTED
nommen werden. Vorgewogenes Material oder eingestellte) mechanische Zufuhrvorrichtungen sind bezüglich ihrer Anwendbarkeit erheblichen Beschränkungen unterworfen. Im Handel erhältliche Durchflussmesser sind mit in das Durchflussregler ragenden Vorsprängen versehen, die das Durchflussrohr verbauen, indem sie Material anhäufen, oder die abgetragen werden. Andere im Handel erhältliche Durchflussmesser sind deshalb nachteilig, weil sie erfordern, dass das Fluid elektrisch leitend ist, oder weil sie Leitungskrümmer ©der Kaie verlangen, die dem Verschleiss ctareh Reibung ausgesetzt sind.
Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, eine Vorrichtung zur Messung des Massemstromes fluidgetragener Feststoffteilchen zu schaffen, die die Strömung der Feststoff teil eilen nicht behindert. Des weiteren soll die Massenstrommessxsi&g ohne Veränderung der Strömungsrichtung erfolgen können«, Aiaeh soll die zu schaffende Vorrichtung in der Lage sein, den Strom oder Durchfluss jeder beliebigen Feststoffteilchenart zu messen.
Des weiteren soll die neuartige Vorrichtung so beschaffen k sein, dass sie die Durchfliassgeechwindigkeit unabhängig von Veränderungen bezüglich der Geschwindigkeit und Dichte des Transportmediums bestimmt.
Diese Aufgabe wird nun erfinduiagsgemäss mit einer Vorrichtung zur Messung des Stromes feiner Teilchen gelöst, die in einer Fluidströmung durch eine Leitung transportiert werden, wobei sich die erfindungsgemässe Vorrichtung dadurch kennzeichnet, dass sie zwei mit Abstand nebeneinander angeordnete Kondensatoren aufweist, die in Bezug auf die Leitung elektrisch isoliert sind, und von denen der eine Kondensator an einer Zustromseitigen Stelle und der andere Kondensator abs trosse ei tig zu dieser Stelle an-
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geordnet sind und jeder Kondensator eine sich in Abhängigkeit von Änderungen in der Dichte des Teilchenflusses ändernde Kapazität aufweist, wodurch auf einen zustromseitigen Wechsel mit einer zeitlichen Verzögerung ein abströmeeitiger Wechsel folgt. Zu der so gekennzeichneten Vorrichtung gehört ausserdem eine elektrische Schaltung, die ait an jede« Kondensator angeschlossenen Mitteln zur Erzeugung eines elektrischen Ausgangssignals versehen ist, dessen Spannung mit den Änderungen der Kapazität des Kondensators variiert. Ferner ist die obige Vorrichtung ■it Mitteln zur Korrelation der von beiden Kondensatoren gelieferten Spannungen alt der zeitlichen Verzögerung versehen, um eine erste Spannung zu erzeugen, die die Geschwindigkeit des Teilchenflusses anzeigt. Schliesslich sind Mittel zur Erzeugung einer zweiten Spannung vorhanden, die die Teilchenflussdichte wiederspiegeln und Mittel, die die erste und die zweite Spannung multiplizieren, um eine dritte Spannung zu erzeugen, die die Durchflussmenge als Materialgeschwindigkeit in Kilogramm pro Sekunde angeben.
Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes sind in der Zeichnung, auf die sich die folgende Beschreibung bezieht, schematisch dargestellt.
In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 eine Ansicht der Messkondensatoren in ihrer Beziehung zur Transportleitung zusammen mit Messkomponenten des Durchflussmesser»,
Fig. 2 eine Schnittansicht-längs der Linie II—II in
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Fig. 3 eine Reihe Wellenformen, bezogen auf einen gene ins amen Zeitmaßstab, woraus die Arbeitsweise des Durchflussmessers ersichtlich ist,
Fig. 4A und 4B perspektivische Ansichten zweier Kondensatorarten,
Fig. 5 ein Schaubild, das die Dichte-Kapazität-Charakteristiken der beiden Kondensatorarten wiedergibt und
Fig. 6 eine Ansicht des Transportrohres mit Einzelheiten anderer Ausführungsformen des Durchflussmessers.
In Fig. 1 bezeichnet das Bezugszeichen 2 eine Leitung, durch die sich ein fluidgetragener Feststoff S bewegt. Ein Abschnitt dieser Leitung ist durch eine nichtmetallische Leitung 4 ersetzt, die aus einem Keramikmaterial, beispielsweise Porzellan besteht. Der Innendurchmesser der Leitung 2 und des nichtmetallischen Abschnitts 4 ist derselbe, so dass die Rohrleitung eine glatte Bohrung durch den Durchflussmesser bildet. Der nichtmetallische Abschnitt 4 ist vollständig von einem metallischen Schild 6 umgeben, der Schutz und Stütze bildet. Der Schild 6 ist an jedem Ende in Flansche 8 eingepasst, die die Leitung 2 mit dem Schild 6 verbinden«, Ein O-fiing 10, der innerhalb des Schildes 6 angebracht ist, hält den nichtmetallischen Abschnitt 4 an seinem Platz. Eine Druckausgleichsleitung 12, die die auf den nichtmetallischen Abschnitt 4 einwirkenden Spannungen reduziert, verbindet die Leitung 2 mit dem Raum innerhalb des Schildes 6 über ein Filter 14. Auf der Ausβenselte des nichtmetallischen Abschnitts 4 sind ein zustromseitiger Satz paralleler, spiralförmigei* Kondensatorplatten 16 und ein abstrom-
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seitiger Satz spiralförmiger Kondensatorplatten 18 angeordnet« Die Platten der Kondensatoren 16 und 18 sind an Koaxialkabel 20 und 22 angeschlossen.
Die Koaxialkabel 20 und 22 verbinden die Kondensatoren 16 und 18 nit Kapazitätswandlern 24 und 260 Die Wandler 24 und 26 sind identisch und können je einer C-Leitungseinheit Modell 201 entsprechen, hergestellt durch die Lyon Research Corporation, Cambridge, Massachusetts^ Die Wandler 2k und 26 sind an Vorverstärker 28 und 30 angeschlossen, die identisch aufgebaut sind und von denen jeder einem Modell 19-lOlA entsprechen kann, her— ' gestellt durch die Consolidated Electrodynamics Corporation, Bridgeport, Connecticut, die ebenfalls die Einzelteile mit den im folgenden angeführten, kennzeichnenden Modellnummern herstellt. Die Vorverstärker 28 und 30 sind an identische Spannungstolger 32 und angeschlossen, von denen jeder ein Modell 19-105-1 sein kann. Die Spannungsfolger 32 und 3k sind über Kopplungskondensatoren kO und k2 mit Vergleichsvorrichtungen und 38 verbunden. Diese Vergleichsvorrichtungen 36 und 38 können je einer Hälfte einer Vergleichsvorrichtung des Modells 19-501-2 entsprechen. Die Ausgänge der Vergleichsvorrichtungen 36 und 38 sind an einen Zeitverzögerungsspannungskreis kk angeschlossen. Der Ausgang des Kreises kk steht mit einem Voltmeter k6 und einem Vervielfacher 48, beispielsweise einem Modell 19-309 in Verbindung.
Der Ausgang des Spannungsfolgers 32 1st auch an einen Dichteverstärker 50, beispielsweise eines Modells 19-lOlA angeschlossen. Der Ausgang 52 des Verstärkers 50 steht mit dem Vervielfacher 48 in Verbindung. Der Ausgang des Vervielfachers 48 ist an ein Voltmeter 54 und einen Integrator 56, beispielsweise eines Modells19-407» an-
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geschlossen. Der Ausgang des Integrators $6 wiederum ist an ein Voltmeter 58 angeschlossen.
Die Kapazität eines einfachem Kondensators, bestehend aus zwei parallelen, leitendem Platten, hängt von der Dielektrizitätskonstanten des zwischen den Platten vorhandenen Materials ab» Falls das Material Luft ist, so existiert eine bestimmte Kapazität, die sich ändert, wenn die Luft mit einem anderen Material vermischt wird. So wird durch Zusetzen von Mafcerialkörnern zu dieser Luft die Dielektrizitätskonstante verändert, und die Kapazität kann dann als Mass für die Menge der in der Luft zwischen den Flatten vtxrmamdenen Körnern verwendet werden, wobei angenommen wird, dass die Körner alle aus dem gleichen homogenen Material bestehen. Eine unerwünschte, nicht lineare Beziefemg zwischen der Kapazität und der Menge der Körner in einer Leitung tritt dann auf, wenn die Kondensaforplatt@ny wie in Fig· 4A gezeigt, rund um ein Rohr angeordnete, zylindrische Abschnitte sind, wenn die Kondensatorplatten jedoch schmale, spiralförmige Bänder sind, wie sie aas Figo 4B ersichtlich sind, so ist die in Fig. 5 gezeigte, lineare Abhängigkeit vorhandene Die Kapazität der Spiralkondensutoren 16 und 18 zeigt die Sichte des Materials in der Leitung 2 an. Die Wandler 24 und 26 erregen die Kondensatoren 16 und 18, so dass jeder Wandler eine Spannung erzeugt, die proportional der Kapazität des Kondensators ist, mit dem er in Verbindung steht» Die Spannung ist dann ein Mass für die Dichte des Materials im der Leitung. Der Ausgang doe Spannungsfolgers 32 wird als die Dichtespannung verwendet.
Wenn durch die Leitung 2 Kittels einer pneumatischen Vorrichtung fest© MaterialMIrner transportiert werden, dann ist der Fluss nicht glois&fiireig, sondern schwankt
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zwischen sehr dichten Zonen, in denen das Rohrleitungs— YOlumen nahezu gefüllt ist, oftmals Klumpen genannt, und Zonen zwischen den Klumpen, wo das Rohrleitungsvolumen nahezu leer ist. Da die Kapazität der Kondensatoren l6 und 18 sich beim Durchgang der Klumpen ändert, ist, falls die beiden Kondensatoren in einem festen Abstand nebeneinander angeordnet sind, die Zeitdifferenz zwischen den SpannungsSchwankungen der Ausgänge der getrennten Wandler 24, 26 ein Mass für die Geschwindigkeit des Klumpens oder des in der Leitung vorhandenen Materials·
In Fig. 3 ist ein Muster für die von den Wandlern 24 und 26 beim Materialdurchfluss durch das Rohr 2 gelieferten SpannungsSchwankungen dargestellt. Die Wellenform 24w stammt von dem Wandler 24, während die Wellenform 26w der Wandler 26 liefert. Bei einigen ziemlich grossen Spitzen, die den in der Leitung 2 vorhandenen Materialklumpen entsprechen, tritt eine unregelmässige, zufällige Wellenform auf· Die Wellenformen 24w und 26w sind sehr ähnlich und sind um die Zeit, die ein Klumpen für die Bewegung von dem Kondensator l6 zum Kondensator 18 benötigt, auseinandergeschoben·
Der Ausgang der Wandler 24 und 26 wird durch die Verstärker 28 und 30 verstärkt· Die Spannungsfolger 32 und 34 vergrössern die Stromkapazitäten der Verstärker 28 und 30.
Die Ausgänge der Wandler 24 und 26 besitzen eine grosse
auf Gleidistromspannungsbasis,/die sich kleine Schwankungen stützen. Durch Kopplung der Kondensatoren 40 und 42 wird die Gleichstromspannung blockiert, so dass nur die Schwankungen die Vergleichevorrichtungen 36 und 38erreichen können. Das Koppeln der Kondensatoren ermöglicht
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ausserdem den Gleichstromschwankungen, positive und negative Werte anzunehmen und gestattet somit Nullüberkreuzungen· Die Vergleichsvorrichtungen 36 und 38 sind Verstärker mit einem hohen Verstärkungsgrad ohne Rückkopplung und mit einer geerdeten Bezugsspannung, die die Wellenformen 36w und 38w von Fig. 3 erzeugt, wenn die Wellenformen 24w und 26w die Nullinie kreuzen» Die Ausgänge der Vergleichsvorrichtungen 36 und 38 sind an den Kreis 44 angeschlossen, der eine Spannung erzeugt, die proportional der zwischen den Wellenformen 36w und 38w auftretenden Zeitverzögerung ist, und zwar bestimmt mit der Nullüberkreuzungsmethode. Wenn die Kondensatoren 16 und 18 um den gezeigten Abstand voneinander getrennt sind, dann gibt die von dem Voltmeter 46 angezeigte Spannung den Materialdurchfluss durch die Leitung 2 in Meter pro Sekunde an.
Der Ausgang des Spannungsfolgers 32 wird in dem Verstärker 50 so verstärkt, dass ein Spannungsausgangssignal erzeugt wird, das die Materialdichte zwischen den Platten des Kondensators 16 in Gramm pro Kubikzentimeter darstellt. Wenn das Spannungsausgangssignal 52 durch die . Querschnittsfläche der Leitung 2 am Kondensator l6 dividiert wird, so stellt es Gramm pro Zentimeter Dichte dar, und diese Spannung wird dem Vervielfacher 48 zugeführt.
Der Vervielfacher 48 vervielfacht das Spannungsausgangssignal 52 und die von dem Voltmeter 46 angezeigte Spannung, um eine von dem Voltmeter 54 angezeigte Ausgangsspannung zu erzeugen, die die Materialgesohwindigkeit in der Leitung 2 in Gran pro Sekunde wiedergibt« Der Integrator 56 integriert die Ausgangsspannung über jede gewünschte Zeitspanne, um auf diese Weise eine durch das Voltmeter 58 angezeigte Ausgangsspannung zu schaffen, die den Gesamtfluss in Gramm darstellt.
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Bei den in Fig. 6 gezeigten Ausfiihrungsformen entsprechen Konstruktion und Betriebsweise im allgemeinen denjenigen von Fig. 1 mit der Ausnahme der Tatsache, dass eine Leitung 60 an die Leitung 2 angeschlossen ist, durch die gewisse Mengen des Transportfluids in die Leitung 2 eingeführt werden, und dass auf der Leitung 2 ein Kerndichtemesser montiert ist, der das Dichtesignal für einen Verstärker 50 liefert.
Wenn das Verhältnis des gasförmigen Transportmediums zu den transportierten Feststoffteilchen gross ist, so ergibt sich ein verhältnlsmässig glatter oder stetiger Durchfluss, und es treten keine Klumpen auf. Der Spannungsausgang der Wandler 24 und 26 ist dann zu stetig, um eine angemessene Zahl von Nullüherquerungen zu liefern, so dass die von dem Voltmeter 46 angezeigte Spannung nicht genau entwickelt werden kann. Wenn sich jedoch in der Leitung 2 Hohlräume ausbilden, dann lassen sich die in der Ausgangsspannung der Wandler 24 und 26 auftretenden Abfälle oder Senken in derselben Weise verwenden wie die durch klumpen erzeugten Spitzen. Hohlräume oder Blasen lassen sich in der Leitung 2 dadurch echaffen, dass schlagartig eine Menge eines komponierten, gasförmigen Mediums, beispielsweise Pressluft, durch die Leitung 60 in die Rohrleitung 2 eingeblasen wird. Wenn eine solche Blase sich an dem Kondensator l6 vorbeibewegt, so fällt die Ausgangsspannung des Wandlers 24 ab, und sobald die Blase den Kondensator 18 passiert, dann fällt die Autgangsspannung des Wandlers 26 ebenfalls ab, wie dies durch die Wellenformen 64 und 66 in Fig. 3 dargestellt ist. Die Vergleichsvorrichtungen 36 und 38 werden dann auf ein unterschiedliches Nullüberquerungsniveau eingestellt, um so die gut begrenzten Täler der Wellenformen64 und 66 festzustellen. Dadurch entstehen die Wellenformen 68 und 70, die den Wellenformen 36w und 38w
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ähnlich sind. Der übrige Teil des Durchflussmessers arbeitet in der oben beschriebenen Weise.
Da zusammen mit den Feststoffteilchen Feuchtigkeit transportiert wird und dadurch die Dichtemessungen des Kondensators 16 beeinflusst werden, kann eine andere Dichtebestimmung Verwendung finden, wie sie in Fig. 6 ■ dargestellt ist. Auf der Zustromseite des Kondensators IS befindet sich ein Kerndichtemesser 62, beispielsweise ein Modell PGV, hergestellt von der Oiraart Company. Der Ausgang dieses Messgeräteis 62 ist an den Dichteverstärker 50 angeschlossen. Der Ausgang des Dichteverstärkers 50 steht dann mit dem Vervielfacher 48 in Verbindung und wird in der oben beschriebenen Weise verwendet.
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Claims (1)

  1. - il - Ke/Lü
    PATENTANSPRÜCHE:
    Vorrichtung zur Messung des Massenstromes feiner Teilchen, die in einer Fluidströmung durch eine Rohrleitung transportiert werden, gekennzeichnet durch zwei mit Abstand nebeneinander angeordnete und gegen die Rohrleitung (2) elektrisch isolierte Kondensatoren (l6, 18), von denen der eine Kondensator (l6) an einem zustromseitigen Ort und der andere Kondensator (18) abstromseitig zu dem ersteren angeordnet ist und jeder Kondensator (l6, 18) eine Kapazität aufweist, die sich mit der Dichteänderung des Teilchenstromes ändert, wobei auf eine zustromseitige Kapazitätsveränderung eine ähnliche abstromaeitige Änderung mit einer zeitlichen Verzögerung folgt, einen elektrischen Schaltkreis (20, . 22) mit an jeden Kondensator angeschlossenen Einrichtungen (24, 26) zur Erzeugung eines elektrischen Ausgangssignals, dessen Spannung sich mit der wechselnden Kapazität des Kondensators ändert, Einrichtungen (36, 38) zur Korrelation der von beiden Kondensatoren abgegebenen Spannungen mit der zeitlichen Verzögerung, um eine erste Spannung zu erzeugen, die die Geschwindigkeit des Teilchenstromes anzeigt, und durch Einrichtungen (50) zur Erzeugung einer zweiten Spannung, die für die Dichte des Teilchenstromes kennzeichnend ist sowie durch eine Vorrichtung (48) zur Multiplizierung der ersten und der zweiten Spannung, um eine dritte Spannung zu erzeugen, die die Durchflussmenge bei der Materialgeschwindigkeit in Gramm pro Sekunde angibt.
    2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (56) zum Integrieren der dritten Spannung (54) über der Zeit, um eine vierte Spannung (58)
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    zu erzeugen, die den Gesamtteilchenstrom in dieser Zeitspanne angibt.
    3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mit jedem Kondensator (l6f 18) ver— bundene Einrichtung zur Erzeugung einer Ausgangsspannung, die sich mit der Kapazitätsänderung des Kondensators ändert, einen Kapazitatswandler (24, 26) aufweist, der ein elektrisches Ausgangssignal liefert, das proportional der Kapazität ist, sowie einen an den Wandler (24, 26) angeschlossenen Kopplungskondensator, der nur Änderungen im elektrischen Ausgangssignal durchlässt, wobei die zu beiden Kondensatoren gehörenden Wandler (24, 26) dieselbe Charakteristik aufweisen.
    4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Erzeugung der zweiten Spannung, die für die Dichte des Teilchenflusses kennzeichnend ist, eine Verbindung von einem Kapazitätswandler (24, 26) zu der Vervielfachervorrichtung (48) aufweist.
    5» Vorrichtung nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Erzeugung der zweiten Spannung, die für die Dichte des Teilchenstromes kennzeichnend ist, einen Kerndichtemesser (62) aufweist, der zu dem Leitungsrohr (2) gehört und dessen Ausgang an die Vervielfacher— vorrichtung (48) angeschlossen ist.
    6. Vorrichtung nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (36, 38) zur Korrelation der von beiden Kondensatoren abgegebenen Spannungen zwei Vergleichsvorrichtungen aufweist, von denen je eine an jeden Kopplurigskondensator angeschlossen ist, um dadurch der Vergleichsvorrichtung zu ermöglichen, Änderungen in dem zugehörigen elektrischen Ausgangssignal mit einem be-
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    stimmten Pegel zu vergleichen und den Zustand immer dann zu ändern, wenn der Änderungspegel von der einen Seite zur anderen des festgelegten Pegelwertes schwankt, wobei beide Vergleichsvorrichtungen dieselbe Charakteristik aufweisen, und dass eine Vorrichtung (44) vorgesehen ist, mit der die zwischen den korrelierten Änderungen bezug- \ lieh der Ausgangszustände der Vergleichsvorrichtungen } auftretenden zeitlichen Verzögerungen in die erste Spannung umsetzbar sind, die von einem ersten an den Ausgang der umwände1vorrichtung (44) angeschlossenen Voltmeter (46) angezeigt wird und ein Mass für die durchschnittliche Teilchengeschwindigkeit zwischen den Kondensatoren (l6, 18) bildet.
    7* Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Erzeugung des zweiten Signals einen an den Vervielfacher (48) angeschlossenen Verstärker (50) aufweist, und dass der Ausgang des Verstärkers (50) zur Anzeige der Strömungsmenge mit einem Voltmeter (54) verbunden ist.
    8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7» dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrleitung (2) ein rundes Rohr ist, das sich an den Stellen der beiden Kondensatoren (16, 18) aus elektrisch isolierendem Material (4) auf- . baut, und dass die Kondensatoren (l6, 18) aus dieses Rohr umgebenden Platten (l6) bestehen.
    9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Kondensator in Form eine* eich aus schmalen, mit Abstand nebeneinander liegenden,parallelen Bändern zusammensetzenden Spirale (l6) rund um das Rohr (2) gewickelt ist, wobei die flache Seite jedes Bandes nahe an der Aussenseite des Rohres angeordnet 1st.
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    lOo Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (60) zum periodischen Einführen von Fluidbestandteilen in die Rohrleitung (2) auf der Zustromseite des zustromseitigen Kondensators (l6), um dadurch in einer gleichmässigen Teilchenströmung Hohlräume oder Blasen zu erzeugen und dadurch Strömungsschwankungen herbeizuführen.
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