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Einrichtung zur Messung der Konzentration von Schwebeteilchen Die
Erfindung bezieht sich auf Meßgeräte, insbesondere auf Einrichtungen zur Messung
der Konzentration von schwebenden Teilchen, und ist hauptsächlich zur Benutzung
in Anlagen bestimmt, die eine konstante Konzentration von Schwebeteilchen bei ihrem
Transport erfordern.
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Es sind Einrichtungen zur Konzentrationsmessung bei pneumatischer
Förderung von Schwebeteilchen mit Hilfe eines Strömungsmittels über eine mit einem
Element zur Einführung von Schwebeteilchen ausgestattete Rohrleitung bekannt, in
deren Innenraum ein Strömungsmittel-Verbrauchsgeber (Fühler)
eingebaut
ist und an deren Meßstrecke ein Geber (Fühler) für Verbrauch von Schwebeteilchen
bei ihrem Transport angeordnet ist, wobei man nach den Größen der von den beiden
Gebern gelieferten Signale die Konzentration von Schwebeteilchen beurteilt (s. z.
B. die SU-Zeitsehrift~nTeploenergetike", 1957, Nr. 8, S. 44).
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Die Mängel dieser Einrichtungen sind dadurch bedingt, daß die in
der Regel als Drosselklappen ausgeführten Geber unmittelbar in der die Schwebeteilchen
tragenden Strömung angeordnet werden müssen und dies zu ihrem schnellen Verschleiß
sowie zur Verstopfung von Druckentnahmeöffnungen führt, wobei die Genauigkeit und
die Zuverlässigkeit der Messungen schnell sinken und diese Einrichtungen sich für
stationäre industrielle Messungen als untauglich erweisen.
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Für die Messung des Strömungsmittel- und Schwebeteil.-chenverbrauchs
setzen die erwähnten bekannten Einrichtungen die Anwendung von Gebern voraus, die
auf geringe Druckunterschiede ansprechen, und da derartige Geber fehlen, wird die
Empfindlichkeit der Meßeinrichtungen und die Zuverlässigkeit der Messungen in industriellen
Verhältnissen herabgesetzt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Beseitigung der erwähnten
Mängel eine Einrichtung zur Messung der Konzentration von schwebenden Teilchen zu
entwickeln, deren Aufbau eine hohe Empfindlichkeit, große Genauigkeit und Zuverlässigkeit
der Messungen in industriellen Verhältnissen gewährleisten kann.
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Diese Aufgabe wird bei einer Einrichtung zur Messung
der
Konzentration von Schwebeteilchen bei deren pneumatischer Förderung mit Hilfe eines
Strömungsmittels über eine mit einem Element-zur Einführung von Schwebeteilchen
ausgestattete Rohrleitung, in deren Innenraum ein Strömungsmittel-Verbrauchsgeber
eingebaut ist und an deren Meßstrecke ein Geber für Verbrauch von Schwebeteilchen
bei deren Transport angeordnet ist, wobei man aus den Größen der von den beiden
Gebern gelieferten Signale die Konzentration von Schwebeteilchen ermittelt, erfindungsgemäß
gelöst -durch eine zusätzliche Rohrleitung, die in bezug auf die Hauptrohrleitung
so angeordnet ist, daß ein Ende dieser zusätzlichen-Rohrleitung, das in bezug auf
die Bewegungsrichtung des Strömungsmittels als ausgangsseitiges Ende erscheint,
in einer Zone der Geschwindigkeitsstabilisierung von Schwebeteilchen auf der Meßstrecke
liegt, die durch die erwähnte Zone und durch ein Element zur Einführung- der Teilchen
begrenzt ist, und daß das andere Ende sich außerhalb der Meßstrecke in einer Zone
befindet, die frei -von geförderten Schwebeteilchen ist, wobei der Geber des Schwebeteilchenverbrauchs
in der zusätzlichen Rohrleitung angeordnet ist.
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Die gemäß der Erfindung ausgeführte Einrichtung ergibt eine hohe
Empfindlichkeit, Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Messungen unter industriellen
Verhältnissen sowie eine Verminderung des Druckverlustes in den Rohrleitungen.
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Die Erfindung wird-in der nachstehenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen
unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. Es zeigen
Fig.
1 ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsge mäßen Einrichtung zur Messung
der Konzentration von Schwebeteilchen mit einer zusätzlichen Rohrleitung, die im
Innenraum der Hauptrohrleitung angeordnet ist (Längsschnitt); Fig. 2 ein zweites
Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Messung der Konzentration
von Schwebeteilchen mit einer zusätzlichen Rohrleitung, die außerhalb der Hauptrohrleitung
angeordnet ist (Längsschnitt); und Fig. 3 die Arbeitskennlinien der erfindungsgemäßen
Einrichtung mit der außerhalb der Hauptrohrleitung angeordneten zusätzlichen Rohrleitung
bei verschiedenen Temperaturverhältnissen des Strömungsmittels und der Schwebe teilchen
bei ihrem Transport.
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Die Einrichtung zur Messung der Konzentration von Schwebeteilchen
enthält erfindungsgemäß eine Hauptrohrleitung 1 (Fig. 1), durch die Schwebeteilchen
(gegebenenfalls Kohlenstaub) mit Hilfe eines Strömungsmittels (Luft) pneumatisch
gefördert werden. Die Rohrleitung 1 ist mit einem Element 2 zur Einführung der zu
fördernden Schwebeteilchen ausgestattet, das von einer Seite eine Meßstrecke 3 der
Rohrleitung 1 begrenzt. Von der anderen Seite wird die Meßstrecke durch eine Zone
4 der Geschwindigkeitsstabilisierung von Schwebeteilchen abgegrenzt.
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In den Grenzen der Meßstrecke 3 ist in der Rohrleitung 1 eine zusätzliche
gerade Rohrleitung 5 so eingebaut, daß ihr
Ende, das bezüglich der
in der Zeichnung mit einem Pfeil angegebenen Bewegungsrichtung des Strömungsmittels
als ausgangsseitiges Ende erscheint, in der Zone 4 der Geschwindigkeitsstabilisierung
von Schwebeteilchen liegt, und das eingangsseitige Ende sich außerhalb der Meßstrecke
3 in einer Zone befindet, die frei von den zu transportierenden Schwebeteilchen
ist.
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In den Zonen der Hauptrohrleitung 1 und der zusätzlichen Rohrleitung
5, die frei von Schwebeteilchen sind und eine ausreichend gleichmäßige Strömungsgeschwindigkeit
aufweisen, befinden sich zur Erfassung des Strömungsmittel- bzw.
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Schwebeteilchenverbrauchs dienende Geber.6 und 7. Sie stellen Wärmegrenzschichtgeber
dar, deren Wirkungsweise auf der Abhängigkeit der Temperatur eines von einer Wärmequelle
mit konstanter Leistung erwärmten Körpers vom Verbrauch der diesen Körper umfließenden
Strömung beruht. Die Ausgänge der Geber 6 und 7 sind an eine in bekannter Weise
mit Halbleiterbauelementen aufgebaute Vergleichsschaltung 8 angeschlossen, die einen
der Konzentration von Schwebeteilchen proportionalen Verhältniswert der Signale
von den Gebern 6 und 7 liefert.
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Der Ausgang der Vergleichsschaltung 8 ist an den Eingang eines Gerätes
9 zur Registrierung der Teilchenkonzentration geschaltet, das ein in Konzentrationseinheiten
geeichtes Millivoltmeter darstellt. Den Strömungsmittelverbrauch bestimmt man mittels
eines an den Ausgang des Gebers 6 angeschlossenen Registriergeräts 10, das als ein
in Einheiten des Strömungsmittelverbrauchs geeichtes Millivoltmeter ausgeführt ist.
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In einigen Fällen kann die zusätzliche Rohrleitung 11
(Fig.
2) zweckmäßigerweise außerhalb der Hauptrohrleitung 1 angeordnet werden.
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Es sind Ausführungsbeispiele der Einrichtung zur Messung der Konzentration
von Schwebeteilchen möglich, bei denen zur Erfassung des Strömungsmittel- und Schwebeteilchenverbrauchs
Geber für veränderliches Druckgefälle, Hitzdrahtanemometer-und Turbogeber benutzt
werden können.
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Wenn der Einbau des Strömungsmittel-Verbrauchsgebers in der Hauptrohrleitung
vor dem Element zur Einführung von Schwebeteilchen wegen ungenügender Länge dieses
Abschnittes der Hauptrohrleitung unmöglich ist, kann dieser Geber im Rohrabschnitt
angeordnet werden, der Schwebeteilchen enthält. Dabei ist die Benutzung des erwähnten
Wärmegrenzschichtgebers besonders zweckmäßig, der eine geringe Empfindlichkeit gegenüber
vorhandenen Schwebeteilchen bis zu deren bestimmten Konzentration aufweist.
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Die Wirkungsweise der erfindungsgemäß ausgeführten Einrichtung zur
Messung der Konzentration von Schwebeteilchen beruht auf der Abhängigkeit des Druckgefälles
fEH in der Meßstrecke, in der die Beschleunigung der durch das Element 2 eingeführten
zu transportierenden Teilchen erfolgt, von der Bewegungsgröße GW dieser Teilchen
pro Flächeneinheit des Querschnitts F der Rohrleitung 1:
wobei G den Schwebeteilchenverbrauch beim Transport und W die Teilchengeschwindigkeit
bedeuten.
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Das Druckgefälle an den Enden der zusätzlichen Rohrleitung 5, Ii
ruft die Bewegung des reinen Strömungsmittels durch diese Rohrleitung hervor. Dabei
kann der Bremsdruck am Eingang der zusätzlichen Rohrleitung 5, 11 gleich dem Bremsdruck
im entsprechenden Querschnitt der Hauptrohrleitung 1 gesetzt werden. Praktisch sind
auch die statischen Druckwerte in den Rohrleitungen 1 und 5, 1-1, bezogen auf den
Ausgangsquerschnitt der zusätzllchen Rohrleitung 5, 11 gleich. Es gilt deswegen
für den Fall, wenn die Reibungsverluste in der Meßstrecke 3 im Vergleich mit der
Energieabgabe des Strömungsmittels für die Teilchenbeschleunagung vernachlässigbar
sind, wenn der Strömungsmittelverbrauch beim Durchströmen der zusätzlichen Rohrleitung
5, 11 viel kleiner als der Verbrauch in der Hauptrohrleitung 1 ist, wenn die längs
der Achse der Rohrleitung 1 gerichtete Geschwindigkeitskomponente der in die Strömung
durch das Element 2 eingeführten Teilchen klein gegenüber der Teilchengeschwindigkeit
in der Geschwindigkeits-Stabilisierungszone 4 ist und wenn die stabilisierte Teilchengeschwindigkeit
annähernd gleich der Strömungsmittelgeschwindigkeit ist:
Hierbei bedeuten 91 W1 und P2 " W22 den dyziamischen 2 2 Druck in den Rohrleitungen
1 bzw. 5, 11, µ die MasseSkonzentration, s den Widerstandskoeffizient der Rohrleitung
5, 11.
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Aus der Beziehung (2) erhält man
G1 und G2 bedeuten den Massendurchsatz des Strömungsmittels in den Rohrleitungen
1 und 5, 11; T1 und T2 die Temperaturwerte der Strömungen in den Rohrleitungen 1
und 5, 11; F1 und F2 die Querschnittsflächen der Rohrleitungen 1 und 5, 11.
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Aus den Beziehungen (2) und (3) folgt, daß die Messung der Konzentration
von Schwebeteilchen in der Rohrleitung 1 mit Hilfe der erfindungsgemäß ausgeführten
Einrichtung auf indirektem Wege durch Messung der Kenngrößen erfolgen kann, die
den Strömungsmittelverbrauch in den Rohrleitungen 1 und 5, 11 kennzeichnen. Als
solche Kenngrößen können dynamischer Druck, Geschwindigkeits- und Verbrauchswerte
sowie Druckgefälle auftreten.
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Werden die oben angeführten Bedingungen nicht eingehalten, sc wird
der Ausdruck (3) etwas komplizierter, dabei werden aber die Charakteristiken der
Einrichtung nicht schlechter.
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Zur Illustrierung sind in Fig. 3 Arbeitekennlinien der mit einer
zusätzlichen Rohrleitung 11 ausgestatteten Einrichtung zur Messung der Konzentration
von dem Dampferzeugerbrenner eines Kraftwerkes zugeführtem Kohlenstaub bei verschiedenen
VerhELtniowertenkder Teilchen und der Strömungsmitteltemperaturen T und T1 angeführt.
An der Abstissenachse sind die Konzentrationswerte /u (kg/kg) und an der Ordinatenachse
die Verhältniswerte der Strdmungamittel-Durchsatzmengen in den Rohrleitungen 5,
11 und 1 abgetragen.
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Aus dieser graphischen Darstellung kann man ersehen,
daß
die Empfindlichkeit der Einrichtung im Konzentrationsbereich von O-< /u <
2 genügend hoch ist, wobei sie mit Konzentrationsminderung ansteigt und mit Konzentrationsvergrößerung
fällt.
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Falls notwendig, kann die Empfindlichkeit erhöht werden, indem man
die Meßstrecke der Rohrleitung 1 mit kleinerer Querschnittsfläche im Vergleich mit
dem übrigen Teil dieser Rohrleitung 1 ausführt. Dies führt zur Steigerung der Geschwindigkeit,
bis zu welcher die zu fördernden Teilchen beschleunigt werden, zur Vergrößerung
des Druckgefälles an den Enden der zusätzlichen Rohrleitung 5, 11 und folglich zur
Vergrößerung des Verbrauchs des die Rohrleitung 1 durchströmenden Strömungsmittels.
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Zweckmäßigerweise wird in manchen Fällen die erfindungsgemäße Einrichtung.mit
einer breiter werdenden Meßstrecke ausgeführt, wobei der Öffnungswinkel mit der
Bedingung gleicher statischer Druckwerte an ihren Grenzen beim Nichtvorhandensein
von Schwebeteilchen bestimmt wird. Bei Benutzung der äußeren zusätzlichen Rohrleitung
11 wird das Signal des Gebers 7 in diesem Falle beim Fehlen von Teilchen gleich
Null sein.
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Die erfindungsgemäß ausgeführte Einrichtung.kann auch für pneumatische
Förderanlagen benutzt werden, die mit Un terdruck arbeiten und keinen Zugteil er
für die zu transportierenden Teilchen aufweisen, z. B. beim Entladen von pulverförmigen
und körnigen Stoffen. In diesem Falle wird das Eingangsendb der zusätzlichen Rohrleitung
5 außerhalb der Rohrleitung 1 in der von Schwebeteilchen freien Zone angeordnet.
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Das Ausgangsende der zusätzlichen Rohrleitung 5, 11 wird beim Betrieb
der Einrichtung in allen Fällen ständig durch das Strömungsmittel ausgespült und
dadurch wird seine Verstopfung mit Teilchen bei deren Transport vermieden.
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Wenn die Länge der Meßstrecke in der Rohrleitung 1 für die volle Beschleunigung
von Schwebeteilchen genügt, so hängen die Meßergebnisse nicht vom Fraktionsbestand
dieser Teilchen ab.
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Die wichtigsten Vorteile der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Messung
der Konzentration von Schwebeteilchen ergeben sich aus der Möglichkeit, die Strömungsmittel-
und Schwebeteilchen-Verbrauchsgeber in den von Schwebeteilchen freien Zonen anzuordnen
und infolgedessen beliebige bekannte Geber z. B. für veränderliches Druckgefälle,
Hitzdrahtanemometer, Wärmegrenzschichtgeber u. a. mit größerer Empfindlichkeit,
Genauigkeit und Zuverlässigkeit zu benutzen.
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Die erfindungsgemäß'ausgeführte Einrichtung zeichnet sich durch einfachen
Aufbau, billige Herstellung sowie bequeme Bedienung beim Dauerbetrieb aus und erfordert
kein hochqualifiziertes Bedienungspersonal. In den Rohrleitungen, in denen diese
Einrichtung eingebaut wird, ruft sie nur einen geringen Druckabfall hervor.