DE2544976A1

DE2544976A1 - Verfahren und vorrichtung zum bestimmen des durchflusses eines massestroms

Info

Publication number: DE2544976A1
Application number: DE19752544976
Authority: DE
Inventors: Karl Dr Ing Brotzmann; Hans Georg Dipl Phy Fassbinder
Original assignee: Eisenwerke Gesellschaf Maximilianshuette mbH
Current assignee: Eisenwerke Gesellschaf Maximilianshuette mbH
Priority date: 1975-10-08
Filing date: 1975-10-08
Publication date: 1977-04-14
Also published as: FR2327519B1; JPS5246842A; FR2327519A1

Description

Dip[.-lng. H. Sauenland · Or.-lng R. König ■ Dipl.-lng. K. Bergen Patentanwälte · 4odo Düsseldorf 3D · Cecilienallee ys · Telefon 433732

6. Oktober 1975 30 337 K

Eisenwerk-Gesellschaft-Maximilianshütte nut).H.,

8458 Sulzbach-Rosenberg

"Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen des Durchflusses

eines Massestroms"

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Bestimmen des Durchflusses eines Massestroms, insbesondere eines Mehrphasenstroms aus einem pulverförmigen Feststoff und/oder einer Flüssigkeit und einem Gas.

Es sind eine Reihe von Verfahren und Vorrichtungen zum Durchflußmessen bei strömenden Medien bekannt, mit denen die durch einen bestimmten Querschnitt strömende Masse ^e Zeiteinheit bestimmt wird. Bekannt ist es beispielsweise, die Menge eines einen Vorratsbehälter verlassenden Schüttgutstromes durch kontinuierliches Wiegen des Vorratsbehälters und Differenzieren der Gewichtsabnahme nach der Zeit zu bestimmen. Dies kann mit den unterschiedlichsten Waagen geschehen, doch ist die Meßgenauigkeit sehr stark von Umwelteinflüssen, insbesondere von Erschütterungen abhängig, wie sie sich gerade beim Schüttguttransport oder -einsatz kaum vermeiden lassen. Hinzu kommt, daß das Wiegesignal nicht direkt, sondern zeitverzögert anfällt und demzufolge auch nur eine zeitverzögerte Durchflußregelung möglich ist. Außerdem ist es technisch außerordentlich aufwendig, hunderte von Tonnen fassende oder wiegende Be-

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hälter wiegbar zu lagern. Zumal beispielsweise beim Frischen von Roheisen zu Stahl mehrere Behälter für die verschiedensten Zuschlagstoffe und Legierungsmittel erforderlich sind.

Des weiteren ist es bekannt, Schüttgut- bzw. Mehrphasenströme volumetrisch mittels einer Vorrichtung mit konstantem Schöpfvolumen zu messen, das mit dem Schüttgut gefüllt und anschließend entleert wird. Nach diesem Prinzip arbeiten beispielsweise Zellenraddosierer, bei denen sich die Durchflußmenge aus der Zahl der Füllungen des Schöpfvolumens je Zeiteinheit ergibt. In ähnlicher Weise arbeiten Förderschnecken, Bandförderer und Drehteller. All diese Geräte erreichen aber nur dann eine gute Messgenauigkeit, wenn sich die Beschaffenheit des Schüttgutes und insbesondere dessen Dichte nicht ändert. Gerade bei Schüttgut ist aber eine konstante Dichte bzw. ein konstantes Schüttgewicht kaum gegeben; denn die Schüttgutteilchen besitzen zumeist eine unterschiedliche Dichte, Größe und Form. Schließlich beeinträchtigen auch Ansätze und der nicht zu vermeidende Werkstoff verschleiß der Meßvorrichtung die Genauigkeit.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, das mit einfachen Mitteln ein Messen der Durchflußmenge bei strömenden Medien, insbesondere Mehrphasen- und Schüttgutströmen auch unter rauhen Betriebsbedingungen und bei sich ändernder Beschaffenheit des Meßgutes mit hoher Meßgenauigkeit erlaubt.

Die Lösung dieser Aufgabe basiert auf dem physikalischen Phänomen, daß ein bewegtes Teilchen scheinbar beschleunigt und von seiner Bahn abgelenkt wird, wenn seine Bewegung durch Trägheitskräfte an die Drehbewegung eines Bezugskörpers gekoppelt ist. Die dabei wirksame Trägheitskraft wird üblicherweise als Corioliskraft bezeichnet; sie ist der Masse des bewegten

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Teilchensproportional und eignet sich daher zur Massenbzw. Durchflußmengenbestimmung.

Im einzelnen besteht die Erfindung darin, daß bei einem Verfahren der eingangs erwähnten Art der Massestrom etwa achsparallel auf eine mit Leitelementen versehene Oberfläche eines rotierend angetriebenen Bezugskörpers geleitet und das Antriebsmoment des Körpers oder eine damit physikalisch verbundene Größe gemessen wird. Das Drehmoment des rotierenden Bezugskörpers ändert sich entsprechend der Corioliskraft, wobei die Drehmomentänderung der Masse des strömenden Meßguts proportional, mithin eine sehr genaue Massen- bzw. Mengenbestimmung möglich ist.

Der Massestrom, beispielsweise ein pneumatisch gefördertes bzw. strömendes Schüttgut wie Kalkstaub oder Feinerz, sollte achsparallel, beispielsweise senkrecht auf die mit Leitelementen versehene Oberfläche des rotierenden Bezugskörpers auftreffen. In der Praxis spielen geringe Abweichungen jedoch keine wesentliche Rolle, sofern nur die aus einem winkligen Auftreffen des Massestroms resultierende Komponente senkrecht zur Drehachse gering im Verhältnis zu der Komponente parallel zur Drehachse ist.

Da die Masse der schweren Phase, d.h_o des Feststoff- oder Flüssigkeitsanteils eines Massestroms im Vergleich zu der Masse des im Massestrom enthaltenden Gases, normalerweise Luft oder ein Fördergas, sehr groß ist, kann die Gasmenge bei der Mengenbestimmung aus der Drehmomentänderung unbeachtet bleiben. Da auch das Leerlaufdrehmoment bekannt und im wesentlichen konstant ist, läßt sich die Schüttgutmenge+ leicht von einer entsprechend geeichten Skala ablesen, deren Nullpunkt dem Leerlaufdrehmoment entspricht.

Die besonderen Vorteile des erfindungsgemäßen Meßverfahrens

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bestehen darin, daß die Drehmomentänderung ausschließlich durch die Trägheitskraft und damit ausschließlich durch die Masse des Meßguts im Massestrom aus Meßgut und einem Gas bestimmt wird und sich somit die tatsächliche Durchflußmenge auf einfache Weise messen läßt. Die Abhängigkeit zwischen der Durchflußmenge und der Drehmomentänderung ist dabei so eindeutig, daß ein Eichen der Meßvorrichtung nicht erforderlich ist, sondern sich eine Meßkurve oder Skala ohne weiteres errechnen läßt.

Um die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Verfahrens zu veranschaulichen, sei nachfolgend der Zusammenhang zwischen der Meßgutmasse des zu messenden Massestroms und der Drehmomentänderung rechnerisch aufgezeigt.

Auf ein Massenelement dm des Massestroms, das sich auf der Scheibe im Abstand zwischen r und (r + dr) vom Mittelpunkt der Scheibe (Bezugskörper) entfernt befindet, wirkt die von den Leitschaufeln erzwungene Corioliskraft ein, die physikalisch definiert ist durch

dk = 2 dm Qu

wobei dk = der von dm herrührende Anteil der Corioliskraft, W = Vektor der Winkelgeschwindigkeit und 4Λ = Vektor der Relativgeschwindigkeit der Teilchen auf der Scheibe

Da erfindungsgemäß/Wund W senkrecht aufeinander stehen, gilt

Da k nur eine tangentiale Komponente besitzt, steht k senkrecht auf r. Daher kann für die Berechnung sowohl von dk als auch des Drehmoments auf die vektorielle Betrachtung ver-zich-

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tet werden, und es gilt für diesen Fall dk = 2 dm · w · v.

Das Massenelement dm läßt sich folgendermaßen definieren: Versteht man unter q den Strömungsquerschnitt für den Mehrphasenstrom auf dem Bezugskörper im Abstand r vom Zentrum, dann ist dm gegeben durch

dm = q . d . dr,

wobei d die Dichte des Massestroms ist, da q . dr das Volumenelement und d die Dichte des Mehrphasenstroms in diesem Volumenelement und das Produkt beider das Masseelement dm ist. Daher gilt

dk = 2. q„ d.v.U). dr

Nun ist aber q . d . ν nichts anderes als der gesuchte Massestrom, der, da aus dem Volumenelement ebensoviel Masse ausfließen muß wie einfließt, auch vom Radius unabhängig sein muß. Somit ergibt sich

dk = 2 . m .u/ . dr

und m = -J3T = der gesuchte Massenstrom dk verursacht ein Bremsmoment dM an der Scheibe von Betrag = 2.m.u/.r.dr

Das gesamte Bremsmoment ergibt sich durch Integration über den Scheibenradius r

M = 2 . m .u/ g ν . dr

* 2

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wobei R der Außenradius der Scheibe ist.

Somit ergibt sich der Zusammenhang zwischen dem Massestrom m und dem Drehmoment M aus der äußerst einfachen Gleichung

R²

Mithin zeigt sich, daß bei dem erfindungsgemäßen Verfahren lediglich das Antriebsmoment des Bezugskörpers unter Berücksichtigung des Leerlaufmoments oder die Drehmomentänderung zwischen dem unbelasteten und dem belasteten Zustand gemessen zu werden braucht. Dies kann beispielsweise an der Antriebswelle des Bezugskörpers mit Hilfe von Dehnungsmeßstreifen geschehen.

Wegen des direkten Messens der Durchflußmenge des Massestroms, unabhängig von dessen Dichte und Geschwindigkeit, eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren besonders zum Mengenmessen bei Gas/Feststoff-, Gas/Flüssigkeit-Strömen oder Gas/Flüssigkeit/ Feststoff-Strömen zum Bestimmen der schweren Phase (Feststoff oder Feststoff und Flüssigkeit). Ansätze in den Zuführungsleitungen sind dabei völlig unschädlich, während Ansätze an dem Bezugskörper keinen nennenswerten Einfluß auf das Meßergebnis ausüben.

Schließlich besteht ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens darin, daß die direkte Abhängigkeit des Drehmoments als Meßsignal vom Massenfluß eine Summenbildung sehr vereinfacht und damit eine leichte Ermittlung der Gesamtmenge erlaubt.

Vorzugsweise besteht der Bezugskörper aus einer mit radialen Leitschaufeln versehenen Scheibe, deren Leitschaufeln das flüssige oder pulverförmige bzw_ö körnige Meßgut vorzugsweise senkrecht zur Auf tr eff richtung, d.h. im wesentlichen senkrecht

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zur Rotationsachse wegschleudern. Der Bezugskörper bzw. die Scheibe kann dabei mittels eines Elektromotors angetrieben und bei konstanter Drehzahl die sich entsprechend der Trägheitskraft ändernde Leistungsaufnahme des Elektromotors gemessen werden. Das Messen der Leistungsaufnahme ist sehr einfach und kann beispielsweise über die Stromaufnahme erfolgen, da die Spannung normalerweise konstant ist. Insoweit stelltdie Stromaufnahme ein von der Durchflußmenge abhängiges Signal dar, andererseits läßt sich bei einem elektromotorischen Antrieb auch die Leistungsaufnahme konstant halten und die Drehzahländerung messen, wenngleich diese nicht linear verläuft.

Sofern nicht der gesamte Massestrom gemessen werden soll, oder kann, genügt es, aus dem Hauptstrom einen definierten Teilstrom abzuzweigen und dessen Durchflußmenge nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zu bestimmen. Im Wege einer einfachen Umrechnung läßt sich dabei aus der Durchflußmenge des Teilstroms die Gesamtmenge des Hauptstroms errechnen,,

Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann beispielsweise aus einer Meßkammer mit einer Zuleitung für den Massestrom und einem vor der Mündung der Zuleitung angeordneten, rotierend angetriebenen Bezugskörper mit einer Meßvorrichtung zum Bestimmen des Drehmoments bzw. einer damit physikalisch verbundenen Meßgröße bestehen. Vorzugsweise besteht der Bezugskörper aus einer mit radialen Leitschaufeln versehenen, rotierend angetriebenen Scheibe, deren elektromotorischer Antrieb außerhalb der Meßkammer angeordnet sein kann, um ihn aus dem Einflußbereich des Meßguts zu bringen. Die Außenkanten der vorzugsweise untereinander gleichen und in gleichen Abständen angeordneten Leitschaufeln können dabei parallel zur Drehachse der Scheibe verlaufen. Um mit Sicherheit den gesamten Massestrom bzw. -teilstrom zu erfassen, sollte der Durchmesser des Bezugs-

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-s-

körpers größer sein als der Durchmesser des Massestroms bzw. der Zuleitung.

Die Erfindung wird anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels nachfolgend des näheren erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung in schematischer Darstellung und

Fig. 2 eine graphische Darstellung des Zusammenhangs zwischen der zeitlichen Durchflußmenge und der Stromaufnahme für zwei verschiedene Masseströme.

Die erfindungsgemäße Meßvorrichtung besteht aus einer Meßkammer 1 mit einer Zuleitung 2 für den Massestrom 3. Vor der Mündung der Zuleitung 2 befindet sich ein Bezugskörper in Form einer Scheibe 4, die am Ende einer von einem Elektro motor 6 angetriebenen Welle sitzt. Der Motor 6 ist über ein Meßgerät 7 zum Messen der Leistungsaufnahme, beispielsweise ein Amperemeter, mit einer Spannungsquelle verbunden. Die Motorwelle 5 ist staub- und/oder flüssigkeitsdicht mittels einer Durchführung 8 in der Meßkammerwandung gelagert.

Das durch die Zuleitung 2 anströmende Meßgut trifft direkt an der Einmündung der Leitung 2 in die Meßkammer 1 auf Leitschaufeln 9 der Scheibe 4, die das Meßgut erfassen und in Pfeilrichtung 10 radial wegschleudern; dies läßt sich durch eine entsprechende Gestaltung der Auftrefffläche der Scheibe erleichtern; so kann die Scheibenoberiäche kegelförmig oder konkav ausgebildet sein, was sich insbesondere bei einem zum Anbacken neigenden und wenig rieselfähigen Massestrom bewährt. Bei stark rieselfähigen Massestrbmen oder bei Flüssigkeiten kann die Auftrefffläche dagegen konvex gestaltet sein. Auch die Leitschaufeln können der Rieselfähigkeit des

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Meßguts entsprechend gestaltet, beispielsweise gekrümmt sein.

Das Diagramm der Fig. 2 gibt einmal als ausgezogene Gerade den rechnerisch ermittelten Zusammenhang zwischen der Durchflußmenge und der Leistungs- bzw. Stromaufnahme und zum anderen in Form der eingezeichneten Punkte denselben durch Versuche mit einem Bleischrot- und einem Wasser/Luft-Strom ermittelten Zusammenhang wieder. Dabei zeigt sich die exakte Übereinstimmung der rechnerisch ermittelten Werte mit den durch die Versuche ermittelten Meßwerten.

Weitere Versuche wurden mit einer Meßvorrichtung der in Fig. dargestellten Art durchgeführt. Dabei betrug der Scheibendurchmesser 10 cm und lag die Scheibenfrequenz bei 25 U/sec. woraus sich eine Winkelgeschwindigkeit von 157 ergibt. Die Meßvorrichtung wurde mit 8 kg/sec. fluidisierten Kalkstaubs beschickt, so daß sich die Leistungsaufnahme nach der Gleichung M = L= .M= ² . m . r² = 157² . 8 . 0.05² zu 502 Watt errechnet. Die tatsächlich gemessene Leistungsaufnahme lag bei 505 Watt und wiecht damit nur unwesentlich von dem rechnerisch ermittelten Wert ab.

Der vorstehend geschilderte Versuch und das Diagramm der Fig. 2 zeigen, wie exakt sich die Durchflußmenge nach dem erfindungsgemäßen Verfahren bestimmen läßt, ohne daß dazu ein besonderer Aufwand getrieben werden muß. Vielmehr läßt sich eine Vorrichtung der in Fig. 1 dargestellten Art praktisch überall installieren, wo es darum geht, Masse- bzw. Schüttgutströme mengenmäßig zu erfassen.

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Claims

Eisenwerk-Gesellschaft Maximilianshütte m.b.H., 8458 Sulzbach-Rosenberg

Patentansprüche;

Verfahren zum Bestimmen der Durchflußmenge eines Massestroms, insbesondere eines Mehrphasenstroms aus einem pulverförmigen Feststoff und/oder einer Flüssigkeit und einem Gas, dadurch gekennzeichnet, daß der Massestrom etwa achsparallel auf eine mit Leitelementen versehene Oberfläche eines rotierend angetriebenen Bezugskörpers geleitet und die Änderung des Antriebsmoments des Bezugskörpers oder eine damit physikalisch verbundene Größe gemessen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Drehmoment an der Antriebswelle des Bezugskörpers gemessenvird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Bezugskörper elektromotorisch angetrieben und bei konstanter Drehzahl die Änderung der Leistungsaufnahme des Motors gemessen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Bezugskörper elektromotorisch angetrieben und bei konstanter Leistungsaufnahme die Drehzahländerung des Motors gemessen wird.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein de-

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finierter Teilstrom des Massestroms auf den rotierenden Bezugskörper geleitet wird.

Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine Meßkammer (1) mit einer Zuleitung (2) und einem vor der Mündung der Zuleitung (2) angeordneten rotierend angetriebenen Bezugskörper (4, 9) mit einer Meßvorrichtung (7).

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine mit radialen Leitschaufeln (9) versehene, von einem außerhalb der Meßkammer (1) angeordneten Elektromotor (6) angetriebene Scheibe (4).

8. Vorrichtung nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß die Außenkanten der Leitschaufeln (9) parallel zur Drehachse der Scheibe (4) verlaufen und/ oder die Leitschaufeln (9) untereinander gleich und/oder gleich angeordnet sind.

9. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Bezugskörperdurchmesser größer ist als der Durchmesser des Massestroms (3).

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