-
Verfahnere zurßestimmung der mittleren strämungsgeschwindigkeit
-
vut ; L rgel Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der
mittleren Strömungsgeschwindigkeit von Schüttgut, bei dem dem Schüttgut eine Markierung
aufgeprägt wird, aus der am Anfang und am Ende einer vorgegebenen Wegstrecke ein
erstes und ein zweites Signal abgeleitet wird, und der zeitliche Abstand beider
Signale ermittelt wir g in # derartiges Verfahren ist beispielsweise aus Technisches
Messen tm, 1979, Heft 4, Seite 145 - 149, insbesondere Seite 147 4.9 "Laufzeitverfahre-n"
bekannt. Dieses Verfahren beruht auf der Markierung eines Stromabschnitts des Schüttgutes
und mesung der (aufzeit diser Markierung zwischen zwei dahin ter lisgenden Mejßquerschnitten.
Aus dem Abstund der Meßquerschnitte, also der vorgegebenen Wegstrecke, und der Zeitdifferenz
zwischen den Schwerpunkten des ersten und des zweiten Signals kann die mittlere
Strömungsgeschwindigkeit berechnet werden. Weiterhin können als Markierung auch
in der Strömung bereits vorhandene Gasblasen, Feststoffpartikel oder auch örtliche
Druck- und Geschwindigkeitsschwankungen benutzt werden.
-
Die statistische Verteilung dieser Inhomogenitäten muß zwischen den
Meßquerschnitten so weit erhalten bleiben, daß sie zur Identifizierung benutzt werden
kann. Diese Markierungen können von Kondensatoren ermittelt werden deren Kapazität
von den Störungen beeinflußt wird.
-
Weiterhin ist aus den VDI-Berichten Nr. 86, 196d, Seite 59-ti3, insbesondere
Seite 61, "Impulsfrequenzverfahren für die Durchflußmessung von Gasen" ein Verfahren
bekannt, bei dem Ladungsträger in gasförmigen, nicht leitenden Meßstoffen erzeugt
werden, die als Ladungsfolge mit der gleichen Geschwindigkeit wie der Meßstrom abwärts
wandern und auf eine Empfängerelektrode auftreffen. Der von der Empfängerelektrode
aufgenommene Ladungsimpuls löst dann an der Sendeelektrode einen neuen Impuls aus.
Somit
ergibt sich eine Sendefrequenz der Impulse, die der Geschwindigkeit des Meßstoffes
direkt proportional ist. Dieses Meßverfahren ist speziell für Gase ausgebildet und
gibt keinen Hinweis zur Messung der mittleren Strömungsgeschwindigkeit von Schüttgütern.
-
Beide he-kannten Verfahren lassen sich nicht auf fluidisierte ätlgüler
übertragen, deren Fließverhalten etwn dem einer Flüssigkeit entspricht. In dem fluidisierten
Schüttgut vorhandene Gasblasen oder örtliche Druck- und Geschwindigkeitsschwankungen
gleichen sich so schnell aus,daß sie beim Durchlaufen einer für genaue Messungen
benötigten vorgegebenen Wegstrecke nicht mehr vorhanden sind. Andererseits kann
ein fluidisiertes Schüttgut nicht als nicht-leitender Stoff angesehen werden, da
es durch Aufladung und Transport der Schüttgutteilchen elektrische Ladungen transportieren
kann.
-
Liem gegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, für fluidisierte
Schüttgüter ein Verfahren zu bestimmen, das ohne Verunruinigung des Schüttgutes
eine genaue Bestimmung der mittleren Lrömungsgeschwindigkeit erlaubt Diese Aufgabe
wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Schüttgut fluidisiert wird, daß die
Markierung eine kurzzeitige Veränderung des Flächengewichts des fluidisierten Schüttgutes
ist, und daß die Markierung aus Veränderungen der Kapazität zwischen zwei Elektroden
nachgewiesen wird, zwischen welchen Elektroden das Schüttgut hindurchfließt.
-
Eine weitere erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe ist dadurch gekennzeichnet,
daß das Schüttgut fluidisiert wird, daß die Markj ilung eine kurzzeiLie Aufladung
des fluidisierten Schüttgutes ist, und daß die Markierung zumindestans am Wigstrecke
aus Veränderungen der kapazität zwischen zwie lektrodun nachgewiesen wird, zwischen
welchen Elektroden das Schüttgut hindurchfließt. Zweckmäßigerweise wird die Markierung
impulsförmig gegeben, jedoch ist es auch möglich, das Signal beispielsweise als
Sinus zu geben und die Laufzeit aus der Phasendifferenz zwischen Anfang und Ende
der Wegstrecke zu bestimmen. Eine besonders
elegante Ausgestaltung
der Erfindung ereicht die Veränderung des Flächengewichts durch Einblasen eines
fluidisierenden Gases. Es kann jedoch die Veränderung des Flächengewichts auch durch
einen mechanischen Eingriff in das fluidisierte Schüttgut erreicht werden, beispielsweise
ueber eine Schwinge oder einen Tauchkörper, die in das fluidisierte Schüttgut gedrückt
werden.
-
Eine besonders wichtige Verwendung des Verfahrens zur Bestimmung der
mittleren Strömungsgeschwindigkeit ergibt sich im Waagenbau zur Bestimmung des Massenstroms
des Schüttgutes durch Multiplikation der mittleren Strömungsgeschwindigkeit mit
dem Flächengewicht des SchUttgutes. Das Flächengewicht des Schüttgutes kann dabei
in bekannter Weise bestimmt werden, etwa durch radiometrische Methoden. Insbesondere
für die Verwendung im Waagenbau ist eine möglichst genaue Messung der mittleren
Strömungsgeschwindigkeit notwendig, während für andere Zwecke, beispielsweise die
quantitative Überwachung von Produktionsanlagen, relativ ungenaus Messungen ausreichen.
-
Das Verfahren ermöglicht eine Messung der mittleren strömungsgeschwindigkeit
ohne eine Störung des Materialflusses und ohne Verunreinigung des Schüttgutes mit
Fremdkörpern. Das Verfahren mit der Markierung mittels elektrischer Aufladung ist
insbesondere für Schüttgut mit hohem spezifischen Widerstand und/oder hoher Dielektrizitätskonstante
vorteilhaft. Die Figuren zeigen schematisch Ausführungsbeispiele der Erfindung.
Es zeigen: Fig. 1 eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, bei dem die
Markierung eine Veränderung des Flächengewichts des Schüttgutes Ist, Fig. 2 eine
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, bei dem die Markierung eine kurzzeitige
Aufladung des Schüttgutes ist.
-
Fig. 1 zeigt einen Ausschnitt aus der Förderrinne 1, die mit dem Neigungswinkel
A gegen die Waagerechte geneigt ist. In der Förderrinne 1 befindet sich ein Fluidisierungsboden
2, der beispielsweise aus offenporiger Keramik, einem offenporigen Kunststoff
oder
Sintermetall bestehen kann. Der unter dem Fluidisierungsbeden bcFindliche Raum der
Förderrinne 1 wird über einen Stutzen 4 und ein Ventil 5 mit der Druckluft verbunden,
der Durchlaß des Ventils 5 wird so eingestellt, daß das Schüttgut 3 oberhalb des
Fluidisierungsbodens 2 fluidisiert wird. Oberhalb des fluidisierte ',chüttgutes
befinden sich an genau definierten Stellen die Elektroden 15, die mit einem Impedanzwandler
10 verbunden sind, der sich in einem Abschirmgehäuse 6 befindet. Der Impedanzwandler
10 besitzt einen sehr hochohmigen Eingang mit einer Spannungsquelle 8 verbunden.
Auf dem Fluidisierungsboden 2 befinden sich unterhalb der Elektroden 15 netzförmige
Elektroden 9, die in in der 7eiehnung nicht dargestellter Weiser geerdet sind.
-
in beiden # lektroden 15 schließen die vorgegebene Wegstrecke t,'ifi,
er die die Messung erfdgt, dabei liegt die Elektrode 15a in # lußrichtung des fluidisierten
Schättgutes 3 geschen, am Anfang der Wegstrecke und die Elektrode 15b am Ende der
Wegstrecke.
-
Mit der unter der Elektrode 15a befindlichen Stelle des Fluidisierungsbodens
2 ist ein Stutzen 11 fest verbunden, der über ein Ventil 12 mit einer Druckluftquelle
verbunden ist.
-
Wenn die Elektroden 15 quer zur Ebene des fluidisierten Schüttgutes
3 stehende Zylinder sind, ist der Stutzen 11 als Rohr etwa mit dem Elektrodendurchmesser
konzipiert, das senkrecht auf dem Fluidisierungsboden 2 steht. Sind die Enden der
Elektroden 15 dagegen .l15 plJr,lllol J cl zur Ebene tiers fluidisierten Schüttgutes
3 und heil' iur 1-1 # ließrichtung bejindliche Zylinder konzipiert, ist der lutzn
11 ein parallel zu diesen Zylindern verlaufendes Rohr, das vorn Fluidisierungsboden
2 angeschnitten wird. Das Schüttgut 3 sieht die Elektroden 15 bzw. den Stutzen 11
also einmal annähernd punktförmig und das andere Mal annähernd spaltförmig. In der
Fig. 1 befinden sich die Elektroden 15 oberhalb des Schüttgutes 3; soweit der spezifische
Widerstand des Schüttgutes hoch genug ist, ist das jedoch nicht funktionsnotwendig,
die Elektroden können in diesem Fall auch in das Schüttgut eintauchen.
-
Die Funktionsweise des in der Fig. 1 ausgeführten Beispiels ist wie
folgt: Zunächst wird der Querschnitt des Ventils 5 so eingeregelt, daß im Stutzen
4 und im unteren Teil der Förderrinne 1, der durch den
Fluidisßrungsboden
2 begrenzt wird, sich ein derartiger Überdurck einstellt, daß das schältgut 3 fluidiset
wird. Aufgrund des Neigungswinkels a gegen die Senkrschte fließt das Schüttlget
dann wie eine Flüssigkeit; nach unten, in dr,r Fig. 1 also vutt rechts nach- links.
Die Elektroden 15 und 9 bilden jeweils einen Kondensator, dessen Kapazität durch
die geometrische Anordnung und die Dielektrizitätskonstante des zwischen den Elektroden
befindlichen Mediums gegeben ist. In der Praxis ergeben sich Kapazitätswerte der
Größenordnung relative Dielektrizitätskonstante mal 10 pF. Die relative Dielektrizitätskonstante
von Schüttgut ist größer als 1, während die für Luft etwa 1 ist. Wie bereits ausgeführt,
bildet die zwischen den Elektroden 15 befindliche Strecke die Meßstrecke. Zu Beginn
der Messung wird durch kurzzeitiges Öffnen des Ventils 12 ein derartiger Luftimpuls
auf den Stut un 11 gegebun, daß dieser durch den # luidisierungsbeden 2 hindurch
das Schüttgut 3 beiseite bläst. Demgemäß wird gleichzeitig eine Verringerung der
Kapazität des von den Llektrodün 15a und 9 gebildeten Kondensators z.B. durch ein
Trägerfrequenzverfahren gemessen, wie im unteren Teil der Fig. 1 dargestellt. Die
durch kurzzeitiges Öffnen des Ventils 12 dem fluidisierten Schüttgut aufgeprägte
Markierung kann jedoch auch in anderer, in der Zeichnung nicht dargestellter Weise
aufgebracht werden. Beispielsweise befindet sich vor Beginn der Meßstrecke eine
Schwinge oberhalb des fluidisierten Schüttgutes, die kurzzeitg bis etwa zum Fluidisierungsboden
2 in das Schüttgut gestoßen wird und den Fluß des Schüttgutes unterbricht. Statt
einer Schwinge kann sinngemäß auch ein Tauchkörper verwendet werden. Sobald die
auf diese Weise bewirkte Verringerung des Flächeng3ewichtes den von den Eluktroden
15a und 9 gebildeten Kondensator erreicht hat, mißt dieser wiederum eine Verringerung
der Kapazität.
-
Diese Messung der Kapazitätsänderung dient zur Festlegung der Anfangszeit
der Messung to. Die dem Schüttgut aufgeprägte Markierung, also die Veränderung des
Flächengewichts des Schüttgutes und damit der relativen Dielektrizitätskonstante
wandert mit dem Schüttgut in Flußrichtung des Schüttgutes, wobei sich die Markierung
infolge Nachrutschens des Schüttgutes in die Markierung langsam wieder ausgleicht.
Der Abstand zwischen den Elektroden 15 wird nun so gewählt, daß die Markierung beim
Passieren des aus
den Elektroden 15b und 9 gebildeten Kondensators
noch deutlich meßber ist. Andererseits sollte der Abstand der Elektroden 15 zur
Erhöhung der Meßgenauigkeit möglichst groß sein. Wie im unteren Teil der Fig. 1
dargestellt, verursacht die Störung beim Passieren des aus den Elektroden 15b und
9 gebildeten Kondensa-Lers jur Zeit t1 wiederum eine Änderung der Kapazität, die
breiter und weniger stark ausgeprägt ist, als die Kapazitätsänderung am Anfang der
Meßstrecke zur Zeit to. Die Zeitdifferenz to - t1 ist die Laufzeit der Markierung
und damit die mittlere Laufzeit über die durch den Elektrodenabstand vorgegebene
Wegstrecke. Der Quotient Wegstrecke durch Laufzeit stellt die mittlere Strömungsgeschwindigkeit
des Schüttgates dar.
-
Der untere Teil der Fig. 1 zeigt die Impulsformen in sehr schematisierter
Weise, in Wirklichkeit sind die Impulse erheblich durch Störungen überlagert. Zur
Erhöhung der Genauigkeit ist es daher zweckmäßig, den eben geschilderten Meßablauf
mehrfach zu wiederholen oder ein fortlaufend erzeugtes Störsignal wirken zu lassen
und die einzelnen Messungen mittels einer Korrelationsmethode auszuwerten. Wie oben
bereits ausgeführt, ist vliese Methode besonders geeignet für ein Schüttgut mit
hoher relativer Dielektri itätskonstante, da der Effekt der Kapazitätsänderung in
diesem Fall besonders ausgeprägt ist.
-
In Fig. 2 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, bei
welchem die Markierung des Schüttgutes durch eine kurzzeitige Aufladung bewirkt
wird, nämlich durch ein Aufsprühen von elektrischen Ladungen auf das Schüttgut,
Gleiche Bezugszeichen entsprechen gleichen Bauteilen wie in der Fig. 1. Das fluidisierte
Schüttgut 3 läuft infolge des Neigungswinkels A wiederum von der rechten Seite der
Fig. 2 zur linken Seite. Die Elektrode 25a riecht in d Schüttgut 3 ein, damit ein
möglichst großes 'iclaüttgut;volumen mit ladungsträgern beladen wird. Am Ende der
vorgegebenen Wegstrecke befindet sich die Elektrode 25b, die wiederum In das Shätgut
eintaucht. Das Eintauchen der Elektroden 25 in das Schüttgut ist besonders vorteilhaft,
da auf diese Weise ein möglichst großes Schüttgutvolumen beladen werden kann bzw.
aus einem möglichst großen Schüttgutvolumen Ladungsträger- gesammelt werden können.
Es ist jedoch nicht notwendig,
daß die Elektroden 25 voll in das
fluidisierte Schüttgut 3 eintauchen, es ist genauso mögLich, daß die Elektroden
das Schüttgut nur an der Oberfläche berühren, ähnlich wie in Fig. 1 dargestellt.
Zu Beginn der Messung wird ein Schalter 20 kurzzeitig geschlossen, der die Elektrode
25a mit dem z.B. negativen Pol der Hochspannungsbatterie 22 verbindet. Bei hinreichender
Spannung und entsprechender Geometrie der Elektrode werden Elektronen in das Schüttgut
3 gesprüht. Bei geringeren Spannungen erfolgt lediglich eine Aufladung der Schüttgutteilchen
an der Oberfläche der Elektrode 25a. Gleichzeitig zeigt das Meßinstrument 21 die
an die Elektrode 25a angelegte Spunnung an. Infolge der Lul 1.-fähigkeit des Schüttgutes
3 zeigt das Meßinstrument 27, des einer einen Impedanzwandler 10 mit der Elektrode
25b verbunden ist, zum selben Zeitpunkt to einen dem Leitungsstrom entsprechenden
Impuls an. Bei hinreichend hohem spezifischen Widerstand des Schüttgutes 3 bleibt
von der mittels der Elektrode 25a dem Schüttgut aufgeprägten und mit dem Schüttgut
fließenden Ladung auch am Ort der Elektrode 25b eine ausreichende Landungsmenge
vorhanden, die mit der Elektrode 25b gesammelt werden kann und als Impuls zur Zeit
t1 nachgewiesen werden kann. Die Zeitkonstante einer derartigen Anordnung hängt
im wesentlichen vom Widerstand und der Kapazität des Gutes zwischen den beiden Elektroden
ab. Entsprechend diesen Überlegungen zeigen sich besonders güns-Lige Einsatzmöglichkeiten
für Schüttgüler mit buhum spezifis Widerstand und oder hoher relotiver Dielektrizitälskonstante.
-
lxperimentell hat sich dabei gezeigt, daß die lebensdauer der Markierung
durch elektrische Aufladung innerhalb der in der Praxis gegebenen Grenzen unabhängig
von der Fluidisierung bzw.
-
dem Transport des fluidisierten Schüttgutes sind.
-
Bei zahlreichen Schüttgütern, insbesondere solchen mit relativ geringem
spezifischen Widerstand, erübrigt sich das Meßinstrument 21, da der mit dem dort
gemessenen Impuls gleichzeitige, am Instrument 27 gemessene Impuls infolge der elektrischen
Leitung zwischen den Elektroden 25a und 25b gemessene Impuls ausreichend hoch und
scharf ist, um die Ausgangszeit to festzulegen, Wie fr das in der Fig. 1 @@schri1@bune
ausführungspiel, ampfieb@@ sich auch hier eine ständige wiederholung der messung
der mittle ren Strömungsgeschwindigkeit und eine Auswertung mittels Korreletionsmethoden.
-
Weiterhin kann erfindungsgemäß statt lediglich einer Veränderung des
Flächengewichts auch eine Veränderung des Flächengewichts und der Dichte bzw. lediglich
eine Veränderung der Dichte vorgenommen werden.
-
Leerseite