DE2800157A1 - DEVICE FOR MONITORING THE ELECTROSTATIC CHARGE TRANSPORTED BY A FLOATING MATERIAL - Google Patents
DEVICE FOR MONITORING THE ELECTROSTATIC CHARGE TRANSPORTED BY A FLOATING MATERIALInfo
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Description
8900 AUGSBUKG8900 AUGSBUKG
TELEFOIf B16475 TELEX 63310S P*<al dTELEFOIf B16475 TELEX 63310S P * <al d
W.263W.263
Augsburg, den 2. Januar 1978Augsburg, January 2, 1978
National Research Development Corporation, Kingsgate House, 66-74 Victoria Street, London SWl,National Research Development Corporation, Kingsgate House, 66-74 Victoria Street, London SWl,
EnglandEngland
Einrichtung zur Überwachung der mit einem strömenden aaterial transportierten elektrostatischen LadungDevice for monitoring the electrostatic charge transported with a flowing material
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur kontinuierlichen überwachung der mit einem durch eine Rohrleitung strömenden fließfähigen elektrisch isolierenden Material je Zeiteinheit transportierten elektrostatischen Ladungsmenge.The invention relates to a device for the continuous monitoring of the with one through a pipeline flowing, flowable electrically insulating material per unit of time transported amount of electrostatic charge.
Die Entstehung und der Transport elektrostatischer Ladung durch elektrisch isolierendes, durch ein FördersystemThe creation and transport of electrostatic charge through electrically insulating, through a conveyor system
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strömendes Material stellt eine allgemeine Ue fahr dar, der insbesondere bei der Handhabung flüchtiger Kohlenwasserstoff-Brenn- bzw. Kraftstoffe Bedeutung zukommt. üs ist aesnalb wichtig, die Ladungsdichte überwachen zu können, um die Ladung mit Hilfe an sich bekannter Verfahren neutralisieren zu können.flowing material is a general Ue driving especially when handling volatile hydrocarbon fuels or fuels is important. üs is aesnalb It is important to be able to monitor the charge density in order to neutralize the charge using methods known per se to be able to.
Bei der Betrachtung möglicher Meßmittel lnuio jedoen die Ungenauigkeit des Begriffes "isolierend" im Zusammenhang mit dem strömenden isolierenden Material berücksichtigt werden. Es kann daher beispielsweise eine Bauart einer Überwachungseinrichtung in Betracht gezogen werden, die sich für Materialien eignet, von denen während des He iovor gangs nur eine sehr geringfügige Ladungsmenge an die wand der Heßkammer abgegeben wird. Derartige r-iaterialien haben eine lange Relaxations zeit.When considering possible means of measurement, lnuio jedoen the inaccuracy of the term "isolating" in context must be taken into account with the flowing insulating material. It can therefore, for example, a type of Monitoring device should be considered, which is suitable for materials, of which iovor gangs during the heating only a very small amount of charge is delivered to the wall of the heating chamber. Such materials have a long relaxation time.
Andere Materialien wie beispielsweise gewisse Arten von flüssigen Brennstoffen, für welche sich auf der Grundlage herkömmlicher Leitfähigkeitsmessungen eine lange Relaxationszeit vorhersagen läßt, zeigen dagegen tatsächlich eine vergleichsweise schnelle Relaxation.Other materials such as certain types of liquid fuels for which the On the other hand, they actually show a long relaxation time based on conventional conductivity measurements a comparatively quick relaxation.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung der eingangs genannten Art so auszubilden, daßThe invention is based on the object of designing a device of the type mentioned at the outset in such a way that
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sie sich insbesondere für die Überwachung der elektrostatischen Ladung von Materialien der letzteren Art eignet.They are particularly useful for monitoring the electrostatic Loading of materials of the latter type is suitable.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des iiauptanspruchs angegebene Anordnung gelöst.This object is achieved according to the invention by the arrangement specified in the characterizing part of the main claim solved.
Die Beziehung zwischen dem in der Erdungsleitung gemessenen Strom und der jeweiligen Ladungsdichte läßt sich für jedes iiaterial aus der Kenntnis des volumetrischen Kengenstromes ableiten.The relationship between the current measured in the ground line and the respective charge density leaves for every material from the knowledge of the volumetric Derive Kengenstromes.
Vorzugsweise ist die Heßkammer im wesentlicnen vollständig von einer geerdeten elektrostatiscnen Abschirmung umschlossen.Preferably the heating chamber is essentially complete enclosed by a grounded electrostatic shield.
Die Heßkammer kann eine im wesentlichen zylindrische B'orm haben, wobei das Verhältnis des Innendurchmessers ihres erweiterten Abschnitts zum Innendurchmesser des Einlasses im Bereich von \/2~: 1 bis \/ΪΟ : 1 liegt. Die «iuadratwurzelform der Verhältnisangaben ist gewählt, um das jeweilige, durch den Wurzelradikanten dargestellte Quers chnittsverhältnis hervorzuheben.The heating chamber can have an essentially cylindrical shape, the ratio of the inner diameter of its enlarged section to the inner diameter of the inlet being in the range from 1/2 : 1 to 1/2 : 1. The square root form of the ratios is chosen in order to emphasize the respective cross-sectional ratio represented by the root radical.
Vorzugsweise ist die Länge der Iießkammer im Hinblick auf die Eigenschaften des zu überwachenden strömendenPreferably the length of the flow chamber is in view on the properties of the flowing to be monitored
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_7_ 280Q157_ 7 _ 280Q157
Materials so gewählt, daß die Verweilzeit eines Elements des strömenden Materials in der Meßkammer beträchtlich kleiner als die Relaxationszeitkonstante des Materials ist.Material selected so that the dwell time of an element of the flowing material in the measuring chamber is considerably shorter than is the relaxation time constant of the material.
Aus der die elektrischen Eigenschaften beispielsweise
flüssiger, in Rohrleitungen strömender Brennstoffe betreffenden Forschungsliteratur geht hervor, daß für den Ladungsaustausch
zwischen einem isolierenden Strömungsmittel und der Strömungskanalwand komplexe und erst unvollständig bekannte
Zusammenhänge bestehen. Gemäß der Erfindung ist die Meßicammer
so ausgebildet und die Meßanordnung so getroffen, daß die
jeweilige Ladungsdichte im strömenden isolierenden Material zuverlässig von einem vorgebenen Zusammenhang zwischen der
Ladungsdichte und dem gemessenen Ladungsotrom zur iießkammer-Viand
abgeleitet werden kann.The research literature relating to the electrical properties of, for example, liquid fuels flowing in pipelines shows that there are complex and incompletely known relationships for the charge exchange between an insulating fluid and the flow channel wall. According to the invention, the measuring chamber is designed and the measuring arrangement made so that the
respective charge density in the flowing insulating material can be reliably derived from a given relationship between the charge density and the measured charge current to the iießkammer-Viand.
Es ist nicht erforderlich, im einzelnen die verschiedenen Mechanismen zu betrachten, die für die Aufnahme und Abgabe
elektrostatischer Ladung durch ein in Berührung mit der
elektrisch leitfähigen, jedoch isolierten Viand einer Rohrleitung strömendes Medium verantwortlich gemacht werden.
Diese Mechanismen führen gewöhnlich zu einer resultierenden Aufladung des Strömungsmittels, wobei der LadungsZuwachs des
Strömungsmittels als "Strömungsstrom" bezeichnet wird.
Da der Einfluß der Oberflächenberührung wichtig oder sogarIt is not necessary to consider in detail the various mechanisms that are responsible for the uptake and release of electrostatic charge by one in contact with the
electrically conductive, but insulated viand of a pipeline flowing medium can be made responsible.
These mechanisms usually result in a charge of the fluid, the charge increase in the fluid being referred to as "flow stream".
Because the influence of the surface contact is important or even
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vorherrschend für den Aufladungsmechanismus des Strömungsmittels ist, kann die strömende Haterialmasse nur dann als elektrisch homogen betrachtet werden, wenn die Strömung turbulent ist. Dieser Zustand kann natürlich nur für Rohrleitungen mit hoher Fördergeschwindigkeit angenommen werden. Wird der Strömungsstrom in einer sehr langen Rohrleitung mit i., die lineare Strömungsgeschwindigkeit mit u und der Innendurchmesser der Rohrleitung mit d bezeichnet, so läßt sich der Strömungsstrom durch folgende, allgemein anerkannte Beziehung ausdrücken:is predominant for the charging mechanism of the fluid, the flowing mass of material can only then can be considered electrically homogeneous when the flow is turbulent. This state can of course only be used for pipelines be accepted with high conveying speed. Will the flow stream in a very long pipe with i., the linear flow velocity with u and the inner diameter of the pipeline with d, so can the flow stream through the following, in general express recognized relationship:
= k uadb = ku a d b
Die Exponenten a und b sind jeweils größer als Eins und können ihrerseits wieder von den Werten von u und d abhängig sein. Genaue Werte sind für die Erläuterung der Erfindung jedoch unwesentlich, weshalb angenommen sei, daß a=b=2, so daßThe exponents a and b are each greater than one and can in turn be derived from the values of u and d be dependent. Exact values are not essential for the explanation of the invention, which is why it is assumed that a = b = 2, so that
= k u2d2 (1)= ku 2 d 2 (1)
In dem strömenden Medium häuft sich deshalb in jedem Bereich, in welchem ein Strömungsstrom in die Materialströmung hinein stattfindet, eine fortschreitend größer werdende Ladung an. Die an jedem Punkt entlang der Länge derIn the flowing medium therefore accumulates in every area in which a flow stream in the material flow takes place inside, a progressively increasing charge. The at each point along the length of the
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Rohrleitung jeweils durch die sich anhäufende Ladung erreichte Ladungsdichte kann mit dq bezeichnet werden. Die Geschwindigkeit der Ladungsanhäufung kann ungleichförmig sein, da Strömungshindernisse wie beispielsweise in der Rohrleitung angeordnete Filter besonders produktive Ladungsquellen darstellen. Der Begriff "Strömungsstrom" wird manchmal zur Bezeichnung des Produktes dqx (wobei χ der volumetrische Mengenstrom ist) benützt; dieses Produkt wird jedoch in der vorliegenden Beschreibung als transportierte Ladungsmenge je Zeiteinheit bezeichnet.Pipeline charge density achieved in each case by the accumulating charge can be denoted by dq. the Charge accumulation speed may be non-uniform, as flow obstacles such as filters arranged in the pipeline are particularly productive charge sources represent. The term "flow stream" is sometimes used to refer to Designation of the product dqx (where χ is the volumetric flow rate) used; however, this product is in the referred to in the present description as the amount of cargo transported per unit of time.
Einen ebenfalls komplexen Vorgang stellt die Entladung dar, wenn ein stehendes Stromungsmittelvolumen mit einer Ladungsdichte dq einer elektrisch leitfähigen, geerdeten Wand ausgesetzt ist. Betrachtet man das Strömungsmittel als Dielektrikum, so ist ein exponentieller Abfall der Ladungsdichte zu erwarten, der von dem Verhältnis der Leitfähigkeiten und der relativen Dielektrizitätskonstanten abhängt. Für Brenn- bzw. Kraftstoffe hoher Reinheit würde dieses Verhältnis eine sehr lange Zeitkonstante ergeben. In der Praxis können bestimmte Vorgänge wie beispielsweise Ionenrekombinationen auftreten, welche die tatsächliche Zeitkonstante auf Werte im Bereich von 1 s herabsetzen. Der tatsächliche Abfallverlauf braucht deshalb nicht mehr streng exponentiell zu sein, jedoch ist es zweckmäßig, eineDischarge represents an equally complex process when a stationary volume of flow medium with a Charge density dq of an electrically conductive, grounded Wall is exposed. If the fluid is viewed as a dielectric, there is an exponential decrease in the charge density to be expected, which depends on the ratio of the conductivities and the relative dielectric constants. For fuels of high purity, this ratio would result in a very long time constant. In the In practice, certain processes such as ion recombination may occur, which is the actual time constant reduce to values in the range of 1 s. The actual course of waste therefore no longer needs to be strict to be exponential, however, it is convenient to have a
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Zeitkonstante (bzw. Relaxationszeit) T im herkömmlichen Sinne zu verwenden. Demgemäß ist die nach dem Verstreicnen einer Zeitspanne t erreichte Ladungsdichte dq, durch folgenden Ausdruck gegeben:Time constant (or relaxation time) T in the conventional Sense to use. Accordingly, the charge density dq, achieved after the lapse of a period of time t is through given the following expression:
e"fc/T (2)e " fc / T (2)
Die Relaxation muß in ännlicher Weise berücksichtigt werden, wenn die Erzeugung eines Strömungsstromes i^ inThe relaxation must be taken into account in a similar way if the generation of a flow stream i ^ in
einem kurzen, auf Erdpotential liegenden Rohrleitungsabschnitt betrachtet wird. Die Gleichung 1 ist dann zu folgender Gleichung zu ergänzen:a short pipe section at ground potential is looked at. Equation 1 is then to be added to the following equation:
is = k uV (1 - e ) (3) i s = k uV (1 - e) (3)
wobei t nunmehr die von der Strömung zum Durchströmen der Rohrleitung benötigte Zeit ist.where t is now the time required by the flow to flow through the pipeline.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung sowie die Anwendung der Gleichungen 2 und 3 zur Bestimmung der Ladungsdichte in einer Iießkamriier wird nachstehend mit Bezug auf die anliegenden Zeichnungen im einzelnen beschrieben. Es zeigt:An embodiment of the invention and the use of equations 2 and 3 to determine the charge density in a Iießkamriier is referred to below with reference to the attached drawings described in detail. It shows:
ilg. 1 eine in eine Kraftstofförderronr-ilg. 1 into a fuel delivery tube
leitung eingebaute Einrichtung nach der Erfindung, undline built-in device according to the invention, and
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Pig. 2 schematisch die in .tf'ig. 1 gezeigtePig. 2 schematically the in .tf'ig. 1 shown
Einrichtung mit zusätzlichen Komponenten zur Neutralisation der Ladung des in der Rohrleitung strömenden Kraftstoffes.Equipment with additional components to neutralize the charge of the in the pipeline flowing fuel.
Gemäß Fig. 1 ist eine im wesentlichen zylindrische, metallene Meßkammer 10 an ihrem einen Ende mit einem Einlaßstutzen 12 und an ihrem anderen Ende mit einem ähnlichen Auslaßstutzen 16 zur Verbindung mit einer Rohrleitung 14 versehen. Der Einlaßstutzen 12 und der Auslaßstutzen 16 sind jeweils in Isolierbuchsen 18 montiert, so daß die keßkammer 10 auch nach dem Einbau in die Rohrleitung 14 elektrisch isoliert ist.According to Fig. 1, a substantially cylindrical, metal measuring chamber 10 is at one end with an inlet port 12 and at its other end with a similar outlet connection 16 for connection to a pipe 14 Mistake. The inlet port 12 and the outlet port 16 are each mounted in insulating sleeves 18 so that the keßkammer 10 is also electrically isolated after installation in the pipeline 14.
Außerdem ist auf den Isolierbuchsen 18 eine mit der Meßkammer 10 koaxiale und diese im wesentlichen vollständig umschließende elektrostatische Abschirmung 20 montiert, die jedoch sowohl von der Meßkammer 10 als auch von der Rohrleitung 14 elektrisch isoliert ist. Die Abschirmung ist mit einem ErdungsanSchluß 22 versehen. Die Meßkammer ist ebenfalls mit einem Anschluß 24 versehen, von welchem aus eine elektrische Leitung durch eine in der Abschirmung gebildete Wanddurchführung hindurchgeführt ist.In addition, one with the measuring chamber 10 is coaxial and essentially complete on the insulating bushes 18 surrounding electrostatic shield 20 mounted, which, however, is electrically isolated both from the measuring chamber 10 and from the pipeline 14. The shield is provided with an earthing connection 22. The measuring chamber is also provided with a terminal 24 from which an electrical line through one in the shield formed wall duct is passed.
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Die Meßkammer ist für eine Rohrleitung 14 mit bestimmtem Innendurchmesser ausgelegt. Die Anschlußstutzen 12 und Io der Meßkammer weisen den gleichen Innendurchmesser wie die Rohrleitung 14 auf, während die Heßkammer 10 über den größten Teil ihrer Länge einen größeren, das Dreifache des Rohrleitungsdurchmessers betragenden Innendurchmesser besitzt. Der übergang zwischen dem Durchmesser des Einlaßstutzens 12 und dem größeren Durchmesser des erweiterten Abschnitts der Meßkammer 10 erfolgt abrupt, wie die Form des Übergangsabschnittes 25 zeigt, dessen Kegelhalbwinkel vorzugsweise größer als 60 ist und bei dem jede Stromlinienform des Übergangsprofils vermieden werden sollte.The measuring chamber is for a pipe 14 with designed with a certain inner diameter. The connecting pieces 12 and Io of the measuring chamber have the same inner diameter like the pipeline 14, while the heating chamber 10 has a larger, three times the pipe diameter Has inner diameter. The transition between the diameter of the inlet port 12 and the larger diameter of the enlarged section of the measuring chamber 10 occurs abruptly, as the shape of the transition section 25 shows, its cone half-angle is preferably greater than 60 and in which any streamlined shape of the transition profile is avoided should.
In der Auslegung der Iießkammer 10 für einen bestimmten lichten Rohrleitungsdurchmesser liegt implizit die Auslegung für einen spezifischen Bereich von Strömungsgeschwxndigkeiten. Aus diesen Daten wird die Länge der Heßkammer 10 vorzugsweise derart errechnet, daß die Verweilzeit eines mit der mittleren Strömungsgeschwindigkeit in die Meßkammer 10 eintretenden Elements der Materialströmung in der Meßkammer beträchtlich kleiner als die Relaxationszeit des Strömungsmittels ist. In der Rohrleitung lh ist außerdem ein Durchflußmesser 26 einer herkömmlichen Bauart angeordnet, so daß der volumetrische Mengenstrom während der LadungsmessungThe design of the flow chamber 10 for a specific clear pipe diameter implicitly includes the design for a specific range of flow velocities. The length of the heating chamber 10 is preferably calculated from these data in such a way that the dwell time of an element of the material flow entering the measuring chamber 10 at the mean flow velocity in the measuring chamber is considerably shorter than the relaxation time of the fluid. A flow meter 26 of conventional design is also arranged in the pipeline lh , so that the volumetric flow rate during the charge measurement
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gemessen werden kann. In Fig. 1 ist der Durchflußmesser stromab der Meßkammer 10 angeordnet, jedoch kann er genauso stromauf der Heßkammer liegen.can be measured. In Fig. 1 is the flow meter arranged downstream of the measuring chamber 10, but it can just as well be upstream of the heating chamber.
Zur Ausführung der Messung wird ein Elektrometer 28 zwischen den Anschluß 2 4 der Meßkammer 10 und Erde geschaltet, wonach man das Strömungsmittel während einer ausreichend langen Zeitdauer durch die Heßkammer 10 hindurchströmen läßt, daß sich die Ladungsverteilung stabilisieren kann. Die Größe des durch das Elektrometer 28 angezeigten Stromes und der gemessene Mengenstrom werden sodann aufgezeichnet. Zu Eichungszwecken ist es erforderlich, mit herkömmlicnen Mitteln mindestens eine direkte Messung der Ladungsdichte für das gleiche Strömungsmittel vorzunehmen und mit der entsprechenden Stromanzeige des Elektrometers 2 8 zu vergleichen. Zu verschiedenen Zeiten vorgenommene Messungen sind, falls Luft in der Meßkammer 10 eingeschlossen v/erden kann, nicht unbedingt miteinander vergleichbar. Um dieses Problem auszuschließen, ist es deshalb wünschenswert, die Meßkammer 10 vertikal anzuordnen, wobei das Einlaßende nach unten weist.To carry out the measurement, an electrometer 28 is connected between the connection 2 4 of the measuring chamber 10 and earth, after which the fluid is allowed to flow through the heating chamber 10 for a sufficiently long period of time, that the charge distribution can stabilize. The magnitude of the current indicated by the electrometer 28 and the measured flow rate are then recorded. For calibration purposes, at least one direct measurement of the charge density is required using conventional means for the same fluid and to compare with the corresponding current display of the electrometer 28. Measurements taken at different times are included if air is trapped in the measuring chamber 10 can, not necessarily comparable with each other. In order to rule out this problem, it is therefore desirable to use the To arrange measuring chamber 10 vertically, with the inlet end facing downwards.
Fig. 2 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel eines Regelsystems, das eine in die Rohrleitung 14 eingeschaltete Meßkammer 10 mit einer elektrostatischen Abschirmung 20, weiter ein Elektrometer 2 8 und einen Durchflußmesser 26Fig. 2 shows schematically an embodiment of a Control system, which is connected to the pipeline 14 measuring chamber 10 with an electrostatic shield 20, an electrometer 28 and a flow meter 26
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gemäß der Anordnung in rig. 1 aufweist. Die nohrleitung 14 verläuft außerdem durch einen Ladungsneutralisator 30, der stromauf der Meßkaminer IC angeordnet ist. Der iteutralisator arbeitet in an sich bekannter Weise in Abhängigkeit vom Ausgangssignal einer Steuereinheit 32 und neutralisiert die jeweils gemessene Ladung des Materialstromes. Die Steuereinheit 32 empfängt über gegebenenfalls erforderliciie Wandler- oder Verstärkerkomponenten Signale, welche einerseits die Stärke des durch das Elektrometer 2 8 fließenden Stromes und andererseits den vom Durchflußmesser 26 gemessenen Mengenstrom darstellen. Die Steuereinheit 32 enthält Mittel zur Ableitung eines Ausgangssignals aus den beiden Eingangssignalen, welches das zur Kompensation der gesamten Ladungsmenge oder zur Herabsetzung der Ladungsmenge auf einen sicheren Wert erforderliche Maß der Neutralisation bestimmt.according to the arrangement in rig. 1 has. The pipe 14 also runs through a charge neutralizer 30, which is arranged upstream of the measuring chamber IC. The iteutralizer works in a manner known per se as a function of the output signal a control unit 32 and neutralizes the respectively measured charge of the material flow. The control unit 32 receives signals via converter or amplifier components that may be required, which on the one hand the strength of the current flowing through the electrometer 28 and, on the other hand, that measured by the flow meter 26 Represent mass flow. The control unit 32 contains means to derive an output signal from the two input signals, which is used to compensate for the total amount of charge or the degree of neutralization required to reduce the amount of charge to a safe level.
Versuche haben die Beziehung zwischen der Gröiae eier Ladungsdichte in dem in der Rohrleitung strömenden Medium und der vom Elektrometer 2 8 angezeigten Stromstärke für einen Kraftstoff mittlerer Leitfähigkeit bewiesen, die jedoch immer noch nicht vollständig einer theoretischen Analyse zugänglich ist. Zu Diskussions zwecken werden zwei Mechanismen so betrachtet, als ob sie unabhängig voneinander wirksam wären, jedoch darf die Möglichkeit nicht außer Acht gelassen werden, daß eine Wechselwirkung zwischen diesenExperiments have the relationship between the size of eggs Charge density in the medium flowing in the pipeline and the current intensity indicated by the electrometer 2 8 for Proven a fuel of medium conductivity, which however is still not completely a theoretical one Analysis is accessible. For discussion purposes there are two Mechanisms are viewed as if they were effective independently of one another, but the possibility must not be disregarded let there be an interaction between these
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beiden Mechanismen besteht. Eine solche Wechselwirkung kann sich beispielsweise so auswirken, daß ein gedachter Wert für T eingeführt wird, der beträchtlich von dem normalerweise in Betracht gezogenen Wert abweicht. Eine mögliche Ursache der Wechselwirkung ist die erhöhte Turbulenz, die sich aus dem absichtlich nicht stromlinienförmigen Eintrittsabschnitt der Meßkammer ergibt. Insbesondere ist zu bemerken, daß die mit Hilfe der erfindungsgemäßen Meßkammer erhaltenen Resultate nicht bezeichnend für die mit einem isolierten Rohrleitungsabschnitt gleichförmigen Innendurchmessers, in welchem die Strömung turbulent ist, erhaltenen Ergebnisse sind.consists of both mechanisms. Such an interaction can, for example, have an effect that an imaginary Value for T is introduced which deviates considerably from the value normally taken into account. One possible cause of the interaction is the increased turbulence resulting from the intentionally non-streamlined Entrance section of the measuring chamber results. In particular, it should be noted that with the aid of the invention The results obtained in the measuring chamber are not indicative of those which are uniform with an insulated pipe section Inside diameter in which the flow is turbulent are results obtained.
Die beiden Mechanismen v/erden durch vom Elektrometer angezeigte aufgefangene Ströme i und i dargestellt.The two mechanisms are grounded by the electrometer displayed captured currents i and i.
O XO X
Aus der obigen Erläuterung geht hervor, daß von der vor dem Eintritt des strömenden Mediums in die Kammer 10 in dem Medium angehäuften Ladung ein von der Meßkammer aufgefangener Relaxationsstrom i abgezogen wird, der jedoch durch eine neue Komponente des Strömungsstromes iFrom the above explanation it can be seen that before the entry of the flowing medium into the chamber 10 The accumulated charge in the medium is withdrawn by a relaxation current i collected by the measuring chamber, which however, by a new component of the flow stream i
verringert wird, die beim Hindurchströmen des Mediums durch die Meßkammer erzeugt werden kann. Bezeichnet man den Volumenstrom mit v1 und die Ladungsdichte des in diewhich can be generated when the medium flows through the measuring chamber. The volume flow is denoted by v 1 and the charge density of the in the
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Meßkammer 10 eintretenden Mediums mit dq , so istMeasuring chamber 10 entering medium with dq, so is
ic = ν·i c = ν
Durch Substitution aus den Gleichungen 2 und 3 und durch Einsetzen der entsprechenden Werte U1 und d. für die lineare Strömungsgeschwindigkeit in der Meßkammer 10 bzw. den Innendurchmesser der Heßkammer erhält man:By substituting equations 2 and 3 and inserting the corresponding values U 1 and d. for the linear flow velocity in the measuring chamber 10 or the inner diameter of the heating chamber one obtains:
ic = (V' dq0 - k U1 2 U1 2) (1 - e"t/T)i c = (V 'dq 0 - k U 1 2 U 1 2 ) (1 - e " t / T )
Es zeigt sich, daß in Abhängigkeit von der exponentiellenIt turns out that depending on the exponential
2 Abnahme, da der Wert von U1 von IZd1 abhängig ist, eine fast nahezu direkte Proportionalität der Größe von i zur2 decrease, since the value of U 1 depends on IZd 1 , an almost direct proportionality of the size of i to
Ladungsdichte herbeigeführt werden kann, indem der Durchmesser dl groß gewählt wird. Die Länge der Meßkammer 10 wird am besten so gewählt, daß die Verweilzeit eines Elements des strömenden Mediums in der Meßkammer beträchtlich kleiner als die Relaxationszeitkonstante des Mediums ist. Der Einfluß jedes Elements des strömenden Mediums unterliegt dann jeweils nur während der Anfangsphase der Relaxationskurve der Messung, wenn die Entladungsgeschwindigkeit am höchsten ist.Charge density can be brought about by making the diameter dl large. The length of the measuring chamber 10 is best chosen so that the residence time of an element of the flowing medium in the measuring chamber is considerable is smaller than the relaxation time constant of the medium. The influence of each element of the flowing medium is then only subject to the measurement during the initial phase of the relaxation curve when the discharge speed is at is highest.
Eine Betrachtung der die Größe i bestimmenden Faktoren hat theoretisch gezeigt, daß die erfindungs-A consideration of the factors determining the size i has shown theoretically that the invention
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gemäße Messung die angehäufte Ladungsdichte durch eine Stromentnahme darstellt, die im allgemeinen Klein ist und von dem Verhältnis t/T abhängt, und daß das strömende Medium mit der um die entnommene Ladungsmenge verringerten ursprünglichen Ladung weiterströmt.as measured, represents the accumulated charge density by a current draw, which is generally small and depends on the ratio t / T, and that the flowing medium decreased with the amount of charge removed original charge continues to flow.
Die Messung des aufgefangenen Stromes für einen bestimmten Kraftstoff hat jedoch gezeigt, daß ein Strom i zu beobachten ist, der eine derartige Größe aufweist, daß der erwartete Wert von i darin nicht identifiziert werdenThe measurement of the collected current for a particular fuel has shown, however, that a current i is observed which is of such a size that the expected value of i cannot be identified therein
kann. Es muß berücksichtigt werden, daß derartige Messungen mit einem Fehler behaftet sind, der bis zu 20 % betragen kann und deshalb i verdeckt. Der Wert von i scheint tatsächlich der in der Hauptströmung transportierten gesamten Ladungsmenge je Zeiteinheit zu entsprechen,' diecan. It must be taken into account that such measurements are afflicted with an error which can amount to up to 20% and therefore covers i. The value of i actually seems to correspond to the total amount of charge transported in the main flow per unit of time, 'the
ix = v1 dqix = v 1 dq
beträgt, die durch eine direkte Messung der Ladungsdichte in der Rohrleitung feststellbar ist. Außerdem scheint keine Verringerung der Ladungsdichte in der aus der Meßkammer austretenden Strömung aufzutreten, was auf einen LadungsverschiebungsVorgang hindeutet.which can be determined by direct measurement of the charge density in the pipeline. Besides, none seem Reduction of the charge density in the flow emerging from the measuring chamber to occur, which indicates a charge displacement process suggests.
Das Ergebnis kann auch mit Induktionseinflüssen durch die bewegte, mit dem strömenden Medium zum stromabseitigenThe result can also be due to induction influences by the moving, with the flowing medium to the downstream
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Meßkammerende hin transportierte Ladung in Zusammenhang gebracht werden. Bei einer Veränderung der Strömungsgeschwindigkeit tritt eine nahezu lineare Veränderung von i auf, was auf das Fehlen einer wesentlichenCharge transported towards the end of the measuring chamber to be brought. When the flow velocity changes there is an almost linear change in i, which indicates the lack of a substantial one
exponentiellen Abklingkomponente des Stromes hindeutet.exponential decay component of the current.
Unabhängig davon, welcher der beiden Mechanismen bei der Entstehung des abgeleiteten Stromes als vorherrschend erscheint ( und in welchem I<iaße der eine oder der andere Mechanismus von den Eigenschaften des strömenden Mediums abhängig ist), kann die Messung nach dem gleichen, nachstehend zusammengefaßten Meßverfahren erfolgen:Regardless of which of the two mechanisms is predominant in the formation of the diverted current appears (and in what form would one or the other Mechanism depends on the properties of the flowing medium), the measurement can be made according to the same, below summarized measuring procedures are carried out:
1) Zu Eichzwecken wird die Beziehung zwischen der Ladungsdichte der Hauptströmung und dem aufgefangenen Strom für das betrachtete strömende Medium festgestellt.1) For calibration purposes, the relationship between the charge density of the main flow and the trapped Current determined for the flowing medium under consideration.
2) Es wird sichergestellt, daß die Ladungsdichten im Zustrom und im Abstrom nicht wesentlich voneinander verschieden sind. Die Beziehung t/T ist dann befriedigend, unabhängig davon, ob der tatsächliche Wert von T bekannt ist oder nicht.2) It is ensured that the charge densities in Inflow and outflow are not significantly different from each other are different. The relationship t / T is then satisfactory, regardless of whether the actual value of T is known or not.
3) Der volumetrische Mengenstrom des strömenden Mediums wird gemessen.3) The volumetric flow rate of the flowing medium is measured.
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4) Der abgeleitete Strom wird gemessen und die Ladungsdichte oder die transportierte Ladungsmenge je Zeiteinheit wird aus den Gleichungen 1 und 3 abgeleitet. 4) The dissipated current is measured and the charge density or the amount of charge transported per unit of time is derived from equations 1 and 3.
Wie bereits erwähnt, ist bei der beschriebenen Heßanordnung der Innendurchmesser d. der keßkammer 10 beträchtlich größer als der Innendurchmesser d der Rohrleitung. Daraus ergibt sich eine Herabsetzung der Erzeugung eines Strömungs-As already mentioned, the inner diameter d is in the described heating arrangement. the keßkammer 10 considerably larger than the inner diameter d of the pipeline. This results in a reduction in the generation of a flow
2 2 stromes auf einen Bruchteil d /d.. des in der Rohrleitung erzeugten Strömungsstromes und die außerdem herbeigeführten turbulenten Strömungsbedingungen ermöglichen eine brauchbare ifessung der Ladungsdichte. Obwohl bei jedem Durchmesserverhältnis d./d, das größer als 1 ist, ein gewisser Vorteil erzielt wird, ist dieser bei wesentlich unter dem Wert n/2 liegenden Durchmesserverhältnissen klein und kann durch wesentlich über dem Wert \/ΐθ~ liegende Durchmesserverhältnisse nicht mehr wesentlich gesteigert werden. In ähnlicher Weise sollte die Länge der Meßkammer vorteilhafterweise so gewählt werden, daß der Wert von t unterhalb von 0,5T liegt, obwohl der Eichvorgang natürlich auch andere Werte gestattet.2 2 current to a fraction d / d .. of that in the pipeline generated flow stream and also brought about turbulent flow conditions allow a useful measurement of the charge density. Though at any diameter ratio d./d, which is greater than 1, a certain advantage is achieved, this is significantly below the The diameter ratios lying in the value n / 2 are small and can be made possible by diameter ratios significantly above the value \ / ΐθ ~ can no longer be increased significantly. Similarly, the length of the measuring chamber should be advantageous can be chosen so that the value of t is below 0.5T, although the calibration process is of course different Values allowed.
Der Gesichtspunkt der Wirtschaftlichkeit von Betankungsanlagen erfordert die Verwendung kleinstmöglicher Rohr-The point of view of the profitability of refueling systems requires the use of the smallest possible pipe
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— Zuleitungen und noons trau glicher Strömungsgeschwindigkeiten im Räumen der elektrischen Sicherheit. Trotzdem besteht hier eine besondere Gefahr, und die Verwendung einer Meßeinrichtung der beschriebenen Art ermöglicht eine kontinuierliche überwachung der Ladungsdichte im Kraftstoff bzw. der transportierten Ladungsmenge je Zeiteinheit, wobei eine überwacnungsperson ohne besondere Qualifikation genügt, um bei Auftreten einer Gefahr eine Warnung zu veranlassen. Der überwachte Parameter kann natürlich auch als Eingangssignal für ein automatisches Warnsystem oder zur automatischen Steuerung einer Ladun03neutralisation oder anderer geeigneter iiaßnahmen Anwendung finden. Eine geschlossene Regelschleife ist in Fig. 2 gezeigt; alternativ dazu kann ein stromab der IfeJüSteile gelegener Neutralisator in einem offenen Steuerkreis Anwendung finden. - On lines and noons of daily flow velocities in areas of electrical safety. Nevertheless, there is a particular danger here, and the use of a measuring device of the type described enables continuous monitoring of the charge density in the fuel or the amount of charge transported per unit of time, a person supervising without special qualifications being sufficient to initiate a warning when a danger occurs. The monitored parameters may, of course, as an input signal for an automatic warning system or for automatically controlling a Ladun 0 3neutralisation or other suitable iiaßnahmen find application. A closed loop control is shown in Figure 2; alternatively, a neutralizer located downstream of the IfeJüSteile can be used in an open control circuit.
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