WO2003012375A2

WO2003012375A2 - Verfahren und vorrichtung zur messung des massenstroms

Info

Publication number: WO2003012375A2
Application number: PCT/EP2002/008303
Authority: WO
Inventors: Jens Happel
Original assignee: Mic Measuring Ideas Consulting Gmbh
Priority date: 2001-07-28
Filing date: 2002-07-25
Publication date: 2003-02-13
Also published as: WO2003012375A3; DE10137009C1; EP1419366A2; US20050001169A1; US7102133B2

Abstract

Eine Vorrichtung (1) dient zur Messung des Massenstroms eines partikulär vorliegenden, mit Hilfe eines Gases transportierten Feststoffes (2). Sie weist eine Einrichtung (5) zur Erzeugung eines elektromagnetischen Feldes (6) auf, in dem ein Meßbereich definiert ist. Außerdem eine an einen Detektor (11) angeschlossenen Auswerteeinrichtung (7) für die zumindest am Feststoff (2) reflektierte elektromagnetische Strahlung. Die Auswerteeinrichtung (7) hat einen an den Detektor (11) zur Erfassung von reflektierter, elektromagnetischer Strahlung angeschlossenen Differentiator (13), an den ein Gleichrichter (17) zur Betragsbildung angeschlossen ist. Der Massenstrom wird hierbei allein aus dem Reflexionsmaß gebildet. Dazu wird die Reflexion zumindest am Feststoff (2) in es Meßbereiches des elektromagnetischen Feldes (6) gemessen, aus dem zeitlichen Verlauf des Meßsignales der Differenzialquotient nach der Zeit und daraus der Betrag gebildet. Durch die Inhomogenität des elektromagnetischen Feldes (6) ergibt sich ein Meßsignal, welches das Integral gebildet über die Zeit von dem Betrag de r nach der Zeit abgeleiteten reflektierten Leistung ist. Dieses Meßsignal ist proportional zu dem Massenstrom.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Messung des Massenstroms

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Messung des Massenstroms eines partikular vorliegenden Feststoffes, der mit Hilfe eines Gases transportiert wird, wobei in einem elektro- magnetischen Feld ein Meßbereich definiert ist und wobei die vom Feststoff reflektierte elektromagnetische Strahlung ausgewertet wird. Außerdem bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung zur Durchfuhrung des Verfahrens, die eine Einrichtung zur Erzeugung eines elektromagnetischen Feldes, in dem ein Meß- bereich definiert ist, aufweist und mit einer an einen Detektor angeschlossenen Auswerteeinrichtung für die zumindest am Feststoff reflektierte elektromagnetische Strahlung.

Zur Bestimmung des Massenstromes, auch Durchsatz genannt, eines Feststoffes, der mit einem Transportgas, zum Beispiel Luft, vorzugsweise durch ein Rohr gefordert wird, sind eine Reihe unterschiedlicher Verfahren und Vorrichtungen bekannt.

Mit Massenstrom wird im Folgenden immer der Transport einer Ge- wichtsemheit eines Stoffes in einer bestimmten Zeiteinheit verstanden, zum Beispiel Kg/s oder t/h.

Der Feststoff ist vorzugsweise zerkleinert oder gemahlen, so daß er in der Regel als Pulver oder Staub vorliegt. Er kann jedoch auch von Natur aus eine kornige Erscheinung haben, wie dies zum Beispiel be Getreide der Fall ist. Als elektromagnetische Wellen können zum Beispiel Mikrowellen, sichtbares Licht oder Infrarot verwendet werden.

Bei allen bisher bekannten Meßverfahren, die zur Massenstrom- bestimmung elektromagnetische Wellen verwenden, wird einerseits die Konzentration und zusätzlich die Geschwindigkeit des Feststoffes gemessen. Zur Konzentrationsmessung wird dabei häufig die Dämpfung der Amplitude einer elektromagnetischen Welle bestimmt und/oder die Phasenverschiebung, zur Geschwindigkeits- messung wird häufig die Frequenzverschiebung aufgrund des Dopplereffektes verwendet. Beide Meßergebnisse werden dann miteinander multipliziert und es ergibt sich der Massenstrom. Diese Massenstrom-Meßgeräte bestehen somit prinzipiell aus zwei Meßgeräten . Verfahren und Vorrichtungen, die nach diesem Prinzip arbeiten sind beispielsweise aus der WO90/03668, Patent Abstracts of Japan, vol8, no. 109 (P-275), 22. Mai 1984, JP-A-59 019814, US- A-4 580441 bekannt. Aus der US 5,500,537 ist es bekannt, die Konzentration des ge- förderten Feststoffes an Hand der reflektierten Energie oder Leistung zu bestimmen. Die Messung der Strömungsgeschwindigkeit erfolgt durch Messung der Frequenzverschiebung an der reflektierten Strahlung aufgrund des Dopplereffektes. Auch hierbei sind somit zwei Messungen und zwei voneinander ge- trennte Auswertungen erforderlich. Dementsprechend ist ein entsprechender Aufwand für die Meß-und Auswertegeräte und auch eine doppelte Fehlermöglichkeit vorhanden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs erwähnten Art zu schaffen, wobei ein vereinfachtes, weitgehend fehlerfreies Messen bei gleichzeitig verringertem Aufwand möglich ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens vor- geschlagen, daß der Massenstrom allein aus dem Reflexionsmaß gebildet wird, daß dazu die Reflexion zumindest am Feststoff innerhalb des Meßbereiches des elektromagnetischen Feldes gemessen wird, daß aus dem zeitlichen Verlauf des Meßsignales der Differenzialquotient nach der Zeit oder eine Ableitung höherer Ordnung und daraus der Betrag gebildet wird.

Dieses nach der Betragsbildung zur Verfugung stehende Signal wird zweckmaßigerweise insbesondere zur Signalberuhigung IΠ- tegriert.

Durch dieses Meßverfahren wird nur noch ein einziger Meßeffekt ausgewertet, um den Massenstrom zu bestimmen.

Durch die Inhomogenität des elektromagnetischen Feldes ergibt sich ein Meßsignal, welches das Integral gebildet über die Zeit von dem Betrag der nach der Zeit abgeleiteten reflektierten Leistung ist. Dieses Meßsignal ist proportional zu dem Massenstrom. Vereinfacht ausgedruckt werden bei diesem Meßverfahren die Par- tikel gezahlt, denn jedes Partikel erzeugt unabhängig von der Konzentration und der Geschwindigkeit mit der gefordert wird das gleiche Signal. Zudem erzeugen größere Partikel ein größeres Signal als kleinere Partikel der gleichen Art.

Bei dem erfmdungsgemaßen Meßverfahren kann die insgesamt reflektierte Strahlung gemessen werden.

Dies ist ausreichend, denn es wird bei der Signalgenerierung in einem Zwischenschritt die Ableitung der reflektierten Leistung gebildet, so daß konstante Anteile an reflektierter Leistung aus der Rechnung fallen. Damit fuhrt reflektierte Leistung von Rohrwanden und/oder festhaftetenden Ablagerungen nicht zu einem falschen Ergebnis.

Da der Anteil an reflektierter Leistung von Rohrwanden und/oder Ablagerungen oft sehr viel großer ist als der vom Feststoff re- flektierten, kann dies aber zu einem schlechteren Signal- Rauschverhaltnis fuhren.

Es ist in diesem Fall vorteilhaft, nur die am Feststoff reflektierte Strahlung zu messen und dazu unter Ausnutzung des Dopplereffekts die frequenzverschobene, reflektierte Strahlung zu messen.

Weiterhin ist es möglich an Stelle der reflektierten Leistung lediglich das Verhältnis oder die Differenz aus abgestrahlter und reflektierter Leistung zur generierung des Massenstromsig- nals zu verwenden, wenn die abgestrahlte Leistung konstant oder bekannt ist oder einer bekannten zeitlichen Variation unterworfen wird.

Die erfindungsgemaße Vorrichtung zur Durchfuhrung des Verfahrens ist insbesondere dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinrichtung einen an den Detektor zur Erfassung von reflektierter, elektromagnetischer Strahlung angeschlossenen Differentia- tor aufweist, an den ein Gleichrichter zur Betragsbildung angeschlossen ist.

Wie schon in Verbindung mit dem erfmdungsgemaßen Verfahren beschrieben, kann damit der Massenstrom bestimmt werden indem nur ein einziger Meßeffekt ausgewertet wird. Der meßtechnische Auf- wand ist dadurch entsprechend gering und die Meßvorrichtung weist eine erheblich reduzierte Fehlermoglichkeit auf.

Zwischen dem Differentiator und dem Gleichrichter ist zweck- maßigerweise eine Zwischenstufe zur Nullpunktverschiebung ge- schaltet, die vorzugsweise einen Kondensator zur Gleichspannungs-Abtrennung aufweist.

Dadurch kann der Nullpunkt, der nach der Ableitung nicht in der Mitte liegt, entsprechend verschoben werden und es wird mit dem Kondensator der konstante Gleichstromanteil abgetrennt.

Nach einer Ausfuhrungsform der Erfindung kann ein Teil der Signalaufbereitung durch eine analoge Schaltung und ein anderer Teil der Signalaufbereitung durch eine digitale Schaltung vor- gesehen sein, wobei insbesondere für die Ableitung mit Bildung des Differenzialquotienten eine analoge Schaltung und für die Betragsbildung und die Integration eine digitale Schaltung vorgesehen ist. Weiterhin besteht die Möglichkeit, daß der Ausgang des Gleichrichters mit dem dort anstehenden Ausgangssignal, gegebenenfalls nach Glättung durch einen Kondensator, an eine digitale Funktionseinheit mit einem A/D-Wandler und einem Prozessor angeschlossen ist. Schließlich kann für die Signalgenerierung eine digitale Schaltung vorgesehen sein, wobei der Detektor gegebenenfalls nach einer Impedanzanpassung, direkt an einen A/D-Wandler und dieser an einen Prozessor angeschlossen ist.

Im letzteren Fall bildet der Prozessor zunächst die Ableitung, dann den Betrag der Ableitung und schließlich führt er die Integration darüber durch. Die Verwendung eines digitalen Prozessors hat den Vorteil, das er auch relativ einfach die Kalibrierung bzw. Umrechnung des Signals in eine für den Nutzer geeignete Größe durchführen kann.

Zur Erzeugung eines elektromagnetischen Feldes kann ein Laser vorgesehen sein.

Alternativ dazu kann bei einer höheren Staub- beziehungsweise Partikeldichte zur Erzeugung einer elektromagnetischen Welle ein Mikrowellengenerator vorgesehen sein. Aufgrund ihrer größeren Wellenlänge wird die Mikrowelle schlechter reflektiert, so daß bei höheren Partikelkonzentrationen die Sättigung des Signals wesentlich später erreicht wird. So bietet es sich an in Kohlekraftwerken, in denen große Mengen an Kohle zer- mahlen werden, Mikrowellen zur Massenstrombestimmung einzusetzen. Zusatzliche Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Unteranspruchen aufgeführt. Nachstehend ist die Erfindung mit ihren wesentlichen Einzelheiten anhand der Zeichnungen noch naher erläutert.

Es zeigt:

Fig.l eine schematische Darstellung einer Massenstrom-Meß- vorrichtung in Verbindung mit einem Stromungskanal,

Fig.2 und

Fig.3 zwei Diagramme, wobei die von einem Partikel reflektierte Leistung über der Zeit aufgetragen ist,

Fig.4 ein etwa Fig. 2 entsprechendes Diagramm mit der reflektierten Leistung eines Partikels über der Zeit,

Fig.5 ein Diagramm mit Darstellung der reflektierten Leistung nach Bildung des Differenzialquotienten nach der Zeit,

Fig.6 ein Diagramm mit Darstellung des Betrags der Ableitung der reflektierten Leistung,

Fig.7 bis

Fig.10 Diagramme etwa entsprechend Fig.4 und Fig.6 bei unterschiedlichen Fordergeschwindigkeiten, Fig.11 bis

Fig.16 schematische Darstellungen zum Vergleich der Massen- stromsignale bei unterschiedlichen Fördergeschwindig- keiten,

Fig.17 bis

Fig.22 schematische Darstellungen zum Vergleich der Massen- stromsignale bei unterschiedlichen Feststoffkonzen- trationen,

Fig.23 eine schematische Darstellung einer Massenstrom-Meßvorrichtung mit an verschiedenen Stellen eines Strö- mungskanales eingekoppelter und ausgekoppelter Mikro- welle,

Fig.24 eine Seitenansicht der in Fig.17 gezeigten Anordnung und

Fig.25 eine etwa Fig.17 entsprechende Darstellung einer Massenstrom-Meßvorrichtung in Verbindung mit einem Strömungskanal unter Verwendung eines Lasers zur Erzeugung eines elektromagnetischen Feldes.

Eine in Fig. 1 gezeigte Vorrichtung 1 dient zur Messung des Massenstroms eines partikulär vorliegenden Feststoffes 2, der mit Hilfe eines Gases innerhalb eines Strömungskanales 3 transportiert wird. Der Feststoff 2 ist durch einzelne Partikel an- gedeutet.

An den Strömungskanal 3 ist seitlich eine erfindungsgemäße Meßvorrichtung 4 angeschlossen, mit der der Massenstrom oder Durchsatz des Feststoffes 2 gemessen werden kann. Die Meßvorrichtung 4 weist einen Sender mit einem Oszillator 5 zur Erzeugung eines elektromagnetischen Feldes 6 sowie einen Empfanger mit einer Auswerteeinrichtung 7 zur Messung der von den Partikeln des Feststoffes reflektierten Leistung oder der- gleichen Reflexionsmaß auf.

Das Reflexionsmaß kann, wie vorerwähnt, proportional zu einer Funktion der reflektierten Leistung aber auch proportional zu einer Funktion der reflektierten Energie oder einer Funktion der reflektierten Intensität oder einer Funktion des reflek- tierten Strahlungsflußes sein.

Innerhalb des elektromagnetischen Feldes ist ein den Querschnitt des Stromungskanal überdeckender Meßbereich definiert, m dem die vom Feststoff reflektierte elektromagnetische Strahlung ausgewertet wird. Dies erfolgt, wie nachstehend noch detailliert beschrieben, indem der Massenstrom allein aus dem Reflexionsmaß gebildet wird. Dazu wird die Reflexion zumindest am Feststoff innerhalb des Meßbereiches des elektromagnetischen Feldes gemessen, aus dem zeitlichen Verlauf des Meßsignales der Differenzialquotient nach der Zeit und daraus der Betrag gebildet.

Bei der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung 1 wird als elektromagnetisches Feld ein Mikrowellenfeld durch einen Gunn-Oszillator 5 mit einer Gunndiode erzeugt. Die erzeugte Mikrowelle wird von der Gunndiode über einen Hohlleiter 10 zu einer Hornantenne 15 geleitet und von dieser durch eine Wandungsoffnung 9 des Stromungskanals 3 m den Stromungskanal 3 abgestrahlt. Das in den Stromungskanal 3 abgestrahlte, elektromagnetische Feld 6 ist durch strichlinierte Pfeile Pf 1 angedeutet. Der Hohlleiter als Zwischenelement ist insbesondere dann zweckmäßig, wenn der Stromungskanal und/oder der Feststoff sehr heiß ist . Die vom Feststoff 2 reflektierten Wellen, welche durch Pfeile Pf 2 angedeutet sind, gelangen über die Hornantenne 15 und den Hohlleiter 10 zu einem Detektor 11, der im Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 durch eine Schottkydiode 12 als Reflexionsempfän- ger gebildet ist. Der Detektor ist Teil der Auswerteeinrichtung 7.

Der aus Sender und Empfänger bestehende Sensor ist hier als Transceiver ausgeführt, daß heißt der Sensor sendet und empfängt gleichzeitig. Gunndiode und Schottky Diode sind in einem Gehäuse zusammen eingebaut. Diese Mikrowellenmodule sind standardmäßig erhältlich (z.B Macom 86849-M01).

Die Schottkydiode 12 setzt die Mikrowelle in ein elektrisches Spannungssignal um. Diese Spannung, die an der Schottkydiode 12 abfällt ist nicht über den gesamten Meßbereich proportional zur Leistung. Dies ist aber zur Generierung des Massenstromsignals unerheblich, da beliebige Funktionen der Leistung dafür geeignet sind. Die Spannung die an der Schottkydiode abfällt, resultiert sowohl aus der abgestrahlten Leistung als auch aus der empfangenen Leistung, deshalb wird in diesem Ausführungsbeispiel das Massenstromsignal nicht an Hand der gemessenen Leistung gebildet, sondern aus dem Verhältnis von abgestrahlter zu empfangener Leistung bestimmt.

Der an die Schottkydiode 12 angeschlossene Funktionsblock beinhaltet einen Differenziator 13, mit dem die Ableitung des von der Schottkydiode gelieferten Signales erfolgt. Es wird somit der Differenzialquotient nach der Zeit gebildet. Es schließt sich eine Zwischenstufe 14 mit einem Kondensator 26 an, mittels der eine Nullpunktverschiebung vorgenommen wird und wodurch eine Abtrennung des konstanten Gleichstromanteils erfolgt. Anschließend wird das Signal einer Gleichrichterstufe 16 mit einer Bruckengleichπchter 17 zugeführt und dort gleichgerichtet. Mathematisch wird danit eine Betragsbildung des mit dem Differenziator 13 abgeleiteten Meßsignales vorgenommen. Mit einem Kondensator 18 wird das gleichgerichtete Signal geglättet. Dieses Signal stellt das Massenstromsignal dar und ist das Integral gebildet über die Zeit von dem Betrag der nach der Zeit abgeleiteten, reflektierten Leistung.

Dieses Signal kann nun einer digitalen Einheit, bestehend aus A/D-Wandler 19 und Prozessor 20, zugeführt werden. Der Prozessor kann das Signal in eine für den Anwender smvolle Große umwandeln.

Es besteht auch die Möglichkeit, die digitale Einheit direkt hinter die Schaltung zu setzten, die das Signal ableitet. In diesem Fall muß der Prozessor die Nullpunktsverschiebung und das Gleichrichten des Signals miterledigen, was prinzipiell möglich ist, aber Prozessoren mit einer höheren Rechenleistung erfordert. Es ist ebenfalls möglich den Prozessor direkt an die Schottkydiode zu setzten, dann benotigt man allerdings A/D- Wandler mit einer wesentlich höheren Genauigkeit und Prozessoren mit noch mehr Rechenleistung.

In den Figuren 2 bis 16 sind die der Erfindung zugrunde liegen- den, physikalischen Zusammenhange verdeutlicht.

Die Figuren 2 und 3 zeigen die von einem Feststoffpartikel reflektierte Leistung über der Zeit bei unterschiedlichen Fordergeschwindigkeiten. Es ist zur Vereinfachung angenommen, daß das elektromagnetische Feld zunächst linear bis zu einer ersten Position auf PO ansteigt, dann konstant bis zu einer zweiten Position verlauft, um dann wieder linear auf Null abzufallen. Entsprechend diesem angenommenen Feldverlauf stellt sich bei einer Fordergeschwindigkeit V_x die reflektierte Leistung eines Partikels so wie m Fig.2 gezeigt dar.

Wird nun die Fordergeschwindigkeit auf V₂ = 2 * Vi verdoppelt, ergibt sich der in Fig.3 gezeigte Kurvenverlauf.

Die Flache unter den Kurven m Fig.l und Fig.2 entsprechen der Energie, die ein Partikel beim Passieren des Feldes reflektiert. Erkennbar ist, daß bei doppelter Geschwindigkeit ein Partikel nur halb soviel Energie reflektiert wie bei einfacher Geschwindigkeit. Da bei doppelter Geschwindigkeit und gleicher Partikelkonzentration aber doppelt so schnell einem Partikel ein weiteres Partikel folgt, ist die insgesamt reflektierte Energie aller Partikel, die sich gerade in dem Feld befinden, genau so groß, wie wenn die Partikel mit einfacher Geschwmdig- keit transportiert werden (vergleiche US 5 550 537) .

Letztlich ist somit die insgesamt reflektierte Energie ein Maß für die Konzentration und nicht für den Massenstrom. Die Figuren 4 bis 6 zeigen, wie allein aus der Messung der reflektierten Leistung oder dergleichen Refexionsmaß der Massen- ström bestimmt werden kann.

Fig.4 zeigt die reflektierte Leistung P(t) eines Feststoffpar- tikels bei einer Feldgeometrie, wie sie auch in Fig.2 und 3 zugrundegelegt wurde.

Steigt die Feldstarke des Feldes linear an, so kann die reflek- tierte Leistung P(t) mit a * t beschrieben werden mit der Vereinfachung, daß die Menge der reflektierten Leistung unabhängig vom Winkel die die Flugrichtung des Partikels zum Sensor bildet, konstant ist. Außerdem wird zur Vereinfachung angenommen, das die Geschwindigkeit der Partikel konstant ist.

Ist die reflektierte Leistung konstant PO so gilt:

Gleichung 3 P(t) = PO fallt die reflektierte Leistung linear so gilt:

Gleichung 4: P (t) = -a * t + Pl .

Werden diese Gleichungen nach der Zeit abgeleitet, so gilt für den linear steigenden Teil:

Gleichung 5: dP(t)/dt = a

für den konstanten Teil:

Gleichung 6: dP(t) /dt = 0

und für den linear fallenden Teil

Gleichung 7 dP(t) /dt = -a

Mathematisch gesehen ist, wie n Fig.5 erkennbar, die Flache unter der Kurve für den linear fallenden Teil negativ und für den linear steigenden Teil positiv. Dies ist in Fig. 5 11 durch ein Pluszeichen und Minuszeichen in den schraffierten Flachen zum Ausdruck gebracht. Es soll aber die tatsachlich Flache unter den Kurven gebildet werden. Deshalb wird der Betrag davon gebildet (Fig.6). Die so schraffierte Flache ist das Integral gebildet über die Zeit von dem Betrag der nach der Zeit abgeleiteten reflektierten Leistung.

Das Integral über den Betrag der Ableitung nach der Zeit der reflektierten Leistung ist somit proportional dem Massenstrom. Im weiteren wird das Integral gebildet über die Zeit von dem Betrag der nach der Zeit abgeleiteten reflektierten Leistung Massenstromsignal genannt.

Als Gleichung 8: Massenstromsignal = 11 -— ^Al I dt

^J (dt) dabei bedeutet: P = reflektierte Leistung t = Zeit

Das so gebildete Meßergebnis ist proportional zum Massenstrom, da unabhängig von der Geschwindigkeit eines Partikels jedes Partikel ein gleich großes Massenstromsignal erzeugt. Dies wird in Fig.7 bis 10 verdeutlicht, wobei in Fig.7 und 8 die Geschwindigkeit V= Vj ist während in Fig.9 und 10 die Geschwindigkeit V= V₂=2*Vι ist. Das Massenstromsignal ist bei beiden Geschwindigkeiten gleich, da die Fläche unter der Kurve bei beiden Geschwindigkeiten gleich ist.

Für Geschwindigkeit V = Vi errechnet sich die Fläche wie folgt:

Gleichung 9: Massenstromsignal Vi = a*tl+a* (t3-t2) mit (t3-t2)=tl gilt

Gleichung 10: Massenstromsignal Vi = 2a*tl für Geschwindigkeit V= V2 = 2*V1 errechnet sich die Fläche wie folgt:

Gleichung 11: Massenstromsignal V₂ = 2a* (tl) /2+2a* (t3- t2)/2 mit (t3-t2) = tl gilt (vgl. Fig.10): Gleichung 12: Massenstromsignal V₂ = 2a * tl

Damit erzeugt jedes Partikel beim Durchqueren des Feldes unabhängig von seiner Geschwindigkeit ein identisches Signal, vorausgesetzt die Partikel haben die gleiche Geometrie und ihren sonstigen stofflichen Eigenschaften sind identisch. Zum Ver- gleich sei an Fig.2 und 3 erinnert, dort wird lediglich die reflektierte Energie betrachtet. In diesem Fall erzeugt ein doppelt so schnell fliegendes Partikel nur ein halb so großes Signal, wie ein Partikel das halb so schnell das Feld durchquert.

Die Konsequenz wird in den Figuren 11 bis 16 deutlich. In den Figuren 14 bis 16 ist ein Förderzustand dargestellt, bei dem die Feststoffpartikel mit der doppelten Geschwindigkeit das Feld durchqueren wie in dem in den Figuren 11 bis 13 dargestellten Förderzustand. In Fig.12 und 15 ist das bereits erläuterte Massenstromsignal für den jeweiligen Förderzustand gezeigt.

In Fig.13 und 16 ist zu erkennen, daß bei dem auf der rechten Seite dargestelltem Förderzustand, bei dem mit einem doppelt so großen Massenstrom gefördert wird wie bei dem auf der linken Seite dargestellten, auch ein doppelt so großes Massenstromsig- nal gemessen werden kann. Die einzeln im Zeitfenster liegenden schraffierten Flächen sind alle gleichgroß, aber bei dem rechten Förderzustand befinden sich doppelt so viele schraffierte Rechtecke wie bei dem Förderzustand auf der linken Seite .

Um zu verdeutlichen, daß das nach den Maßgaben dieses Patentes erzeugte Massenstromsignal wirklich mit dem Massenstrom korreliert und nicht mit der Geschwindigkeit, ist in den Figuren 17 bis 22 gezeigt, daß bei zwei Förderzuständen mit glei- eher Geschwindigkeit, aber unterschiedlicher Konzentration ebenfalls das Massenstromsignal mit dem Massenstrom korreliert und nicht mit der Geschwindigkeit.

In diesen Figuren ist zu sehen, daß bei dem auf der linken Seite dargestellten Förderzustand die Konzentration nur halb so groß ist wie bei dem Förderzustand, der auf der rechten Seite dargestellt ist. Da beide Förderzustände die gleiche Geschwindigkeit haben, ist auch das Massenstromsignal eines Partikels bei beiden Förderzuständen identisch (Fig.18 und 21). Der auf der linken Seite dargestellte Förderzustand fördert nur mit dem halben Massendurchsatz wie der auf der rechten Seite dargestellte, entsprechend verhält sich auch das Massenstromsignal. Im Zeitfenster auf der linken Seite gemäß Fig. 19 befinden sich nur halbsoviele schraffierte Einzelflächen wie auf der rechten Seite gemäß Fig.22.

Anschaulich ausgedrückt, werden bei diesem Meßverfahren die Partikel gezählt, denn jedes Partikel erzeugt unabhängig von der Konzentration und der Geschwindigkeit mit der gefördert wird das gleiche Signal.

Größere Partikel erzeugen ein größeres Signal als kleinere Partikel der gleichen Art. Wenn ein größeres Partikel k mal mehr Leistung reflektiert als ein kleineres, so gilt: P2 = k * Pl . Wird nun das Massenstromsignal gebildet ergibt sich:

Gleichung 13: f|*^ |_Ä= f M^ » | _Ä , ,f, W<»|_Λ ^J ( (ddtt)) J| ^J'^l ( (Ödtt)) ' ^ΛJj¹ ( (ddtt)) '

Es ist also auch das Massenstromsignal k mal größer, wenn ein größeres Partikel k mal mehr Leistung reflektiert. Es werden also nicht nur Partikel gezählt sondern auch das Gewicht eines einzelnen Partikels richtig erfaßt. Es kann deswegen abschließend gesagt werden, daß das Integral über den Betrag der nach der Zeit abgeleiteten reflektierten Leistung sehr gut mit dem Massenstrom korreliert. In der Regel ist der Zusammenhang sogar linear, was aber nicht immer so sein muß .

Es ist theoretisch ausreichend lediglich die insgesamt reflektierte Leistung zu messen, denn es wird bei der Signalgenerierung in einem Zwischenschritt die Ableitung der reflek- tierten Leistung gebildet wird, damit fallen konstante Anteile an reflektierter Leistung sowieso aus der Rechnung, so daß reflektierte Leistung von Rohrwanden und/oder festhaftetenden Ablagerungen nicht zu einem falschen Ergebnis fuhren. Da der An- teil an reflektierter Leistung von Rohrwanden und/oder Ablagerungen oft sehr viel großer ist als der vom Feststoff reflektierten, fuhrt dies aber zu einem schlechteren Signal-Rausch- verhaltnis. Es ist deshalb meist gunstiger nur die Leistung der am Feststoff reflektierten elektromagnetischen Welle zu messen. Hierzu kann der Dopplereffekt genutzt werden, indem nur die Leistung von frequenzverschobener elektromagnetischer Welle bei der Erzeugung des Massenstromsignals verwendet wird. Weiterhin ist es möglich an Stelle der reflektierten Leistung lediglich das Verhältnis oder die Differenz aus abgestrahlter und reflektierter Leistung zur Generierung des Massenstromsignals zu verwenden. Insbesondere dann, wenn die abgestrahlte Leistung konstant oder bekannt ist oder einer bekannten zeitlichen Variation unterworfen wird.

Die Äquivalenz der Messung des Verhältnisses aus reflektierter zu abgestrahlter Leistung zu einer reinen Leistungsmessung, sei kurz am Beispiel einer konstanten abgestrahlten Leistung erläutert .

Gleichung 14: J^"| (* ) (dP, (t)) dt dt

(dt) - ri (dt)

mit P_a=abgestrahlte Leιstung=konstant P_r (t) =reflektierte Leistung

Da sich mathematisch die konstant abgestrahlte Leistung als Konstante vor das Integral ziehen laßt, bzw. der Kehrwert davon, muß lediglich über diesen konstanten Faktor bei der Um- rechnung dieses Signals in die Einheit Gewichtseinheit pro Zeiteinheit hinweg kalibriert werden, so daß ebenfalls der Massendurchsatz bestimmt werden kann.

Bei dem hier gezeigten Beispiel, ist die Ausdehnung des Feldes großer gewesen als die Partikelgroße, der Meßeffekt ist aber unabhängig vom Verhältnis der Feldausdehnung zur Partikelgroße.

Weiterhin wurde der Meßeffekt nur an einigen speziellen Feldern gezeigt und immer die Einschränkung gemacht, daß die reflek- tierte Leistung unabhängig vom Winkel ist, die die Flugrichtung des Partikels zum Sensor bildet. Dies ist jedoch nur zur Vereinfachung der Darstellung geschehen. Der Meßeffekt funktioniert auch ohne diese Einschränkung und bei beliebigen Feldern. Entscheidend ist, daß die reflektierte Leistung nur von der Ge- ometrie der Partikel, den spezifischen Materialeigenschaften und der abgestrahlten Leistung des Sensors abhangt.

So gilt für die reflektierte Leistung zweier Partikel von denen das eine doppelt so schnell fliegt wie das andere, bei einem beliebigen Feld und unter Berücksichtigung des Winkels, die die Flugrichtung des Partikels zum Sensor bildet:

Es gelte:

Gleichung 15: Vι=2*V₂

damit gilt

Gleichung 16: Pι(t)=P₂(2t)

Für gewohnlich wird in einem elektrischen Meßgerat an einem Detektor eine Spannung oder ein Strom erzeugt, der proportional zu der zu messenden Große ist. Es gibt jedoch Falle, wo dies nicht möglich ist und die Spannung oder der Strom der am Detektor erzeugt wird lediglich proportional zu einer Funktion der zu messenden Große ist. In diesem Fall muß Gleichung 16 erwei- tert werden zu

Gleichung 17: f (Pi (t) ) =f (P₂ (2t) )

Pι=reflektιerte Leistung von Partikel 1 P₂=reflektιerte Leistung von Partikel 2 t=Zeιt

V]= Geschwindigkeit von Partikel 1 V₂= Geschwindigkeit von Partikel 2 f= Symbol für Funktion

Zu beweisen ist, daß ein Partikel das doppelt so schnell durch das Feld eines Sensors fliegt wie ein zweites gleichartiges, das gleiche Signal erzeugt. Als Formel ausgedruckt in Gleichung 18.

Gleichung 18

Dies soll an dem wesentlich allgemein guitigeren Fall

Gleichung 19:

gezeigt werden. Dieser Fall ist allgemein gültiger weil die konstante Zeit T₀ durch die variable Zeit T ersetzt wird. T₀ ist damit nur ein spezieller Sonderfall von t. Darüber hinaus werden sämtliche Funktionen der Leistung P berücksichtigt.

Zum Beweis wird Gleichung 17 in den linken Teil der Gleichung 19 eingesetzt.

df(PΛt))_t df(P 2t))_l dt dt

Gleichung 20: Jo d t i d t

nun wird 2t substituiert mit u, daraus ergibt sich

Gleichung 21: u=2t

dies ist äqivalent zu

u Gleichung 22:

in Gleichung 22 wird u nun nach der Zeit t abgeleitet

du _ Gleichung 23: dt

dies ist äqivalent zu

du , — = dt

Gleichung 24: ²

Im folgenden wird nun Gleichung 22 und Gleichung 24 in Gleichung 20 eingesetzt. Weiterhin wird zunächst die äußere und dann die innere Ableitung innerhalb der Betragszeichen gebildet. Gleichung 25:

mit Gleichung 23 gilt

Gleichung 26: dt

Gleichung 26 wird nun in Gleichung 25 eingesetzt, daraus ergibt sich Gleichung 27

2*t df(P (u))d_Uld ^2* _f' df(P₂(u)) du

Gleichung 27: J du dt¹2 ₀ du 2

Konstante dürfen auch aus dem Betrag herausgezogen werden, weshalb gekürzt werden darf, so ergibt sich aus Gleichung 28

Gleichung 28:

=

Da das Ergebnis eines Integrals nicht von der Bezeichnung der Variablen und Konstanten abhängt kann für Gleichung 28 ge- schrieben werden als

Gleichung 29:

Damit ist die Behauptung bewiesen. Die Konstante 2 kann ohne weiteren Beweis durch eine beliebige andere Konstante ersetzt werden, damit ergibt sich der allgemeingültigste Fall als Gleichung 32:

wenn Gleichung 30 V =a* V₂ gilt, dann gilt ebenso

Gleichung 31 P_i (t)=P₂(a*t) damit gilt

- _*τ„ d f(P₂ (t)) , d f(P₂( t)) _i dt Gleichung 32: o d ^ϋ t^t ' = Jo ¹ d t

Das bedeutet die Signalgroße G

als Gleichung 33-

ist unabhängig von der Geschwindigkeit. Jedes Partikel gleicher Art das durch das Feld eines Sensor fliegt, der diese Meßgroße generiert, erzeugt das gleiche Signal G unabhängig von seiner Geschwindigkeit. Es muß nun lediglich die Summe aller dieser Signale gebildet werden und über eine bestimmte Zeit gemessen werden, dann erhalt man ein Signal, das proportional zu der Partikelzahl ist, die in dieser bestimmten Zeit durch das Feld transportiert wurde. Da nicht nur Partikel gezahlt werden sondern gleichzeitig auch größere Partikel mehr Signal erzeugen, wird auch das Gewicht der Partikel erfaßt, so daß letztlich das Signal proportional dem Massenstrom ist. Wie bereits vorerwähnt, funktioniert diese Art den Massenstrom zu bestimmen auch dann, wenn nicht die Leistung direkt herangezogen werden kann, sondern eine Funktion der Leistung, zum Beispiel P².

Dies ist erkennbar, wenn für P_x un P₂ jeweils P_x ² und P₂ ² in G, beziehungsweise Gleichung 33 eingesetzt wird.

Gleichung 34

Gleichung 35:

Es ergibt sich, wenn jeweils innerhalb des Betrags die äußere Ableitung gebildet wird:

Gleichung 36

Gleichung 37:

Mit der bewiesenen Gleichung 18 beziehungsweise 19 folgt unmittelbar:

Gl = G2, da

Gle chung 36 / 37 : - O_{t Λ}

Dies hat eine unmittelbare Konsequenz falls als elektromagnetische Welle Mikrowelle verwendet wird. Zur Messung der Leistung der reflektierten Mikrowelle können relativ preisgünstige Schottkydioden verwendet werden. Diese haben aller- dings den Nachteil, daß bei hohen Leistungen die Ausgangsspannung nicht proportional zur Leistung ist. Die Schottkydiode zeigt bei hohen Leistungen eine Art Sattigungsverhalten, deshalb flacht die Kennlinie der Schottkydiode dort ab. Da aber mit der Signalgroße G nicht die Leistung ermittelt werden soll, sondern das Massenstromsignal lediglich an Hand der Kennlinie, bzw. der Ausgangsspannung der Schottkydiode als Funktion der Leistung ermittelt wird, bedeutet dies keinen Nachteil, und die preisgünstigen Schottkydioden können uneingeschränkt genutzt werden ohne, daß die Kennlinie linearisiert werden muß.

Die Figuren 23 und 24 zeigen eine Meßanordnung etwa vergleichbar mit Fig.l. Sender und Empfänger bilden hier jedoch keine Einheit, sondern sind separat angeordnet. Es sind mehrere Empfanger vorhanden, wobei verdeutlicht werden soll, daß der oder die Empfanger ober- und unterhalb sowie links und rechts von dem Sender angebracht sein können.

Abluft ist meist geringfügig mit Staub versetzt. Aus Umwelt- schutzgrunden und zur Einhaltung der gesetzlichen Vorschriften ist es oft notig, die Staubmenge zu messen. Dies kann mit den erfindungsgemaßen Vorrichtungen entsprechend zum Beispiel Fig.l oder Fig.23/24 geschehen.

In Fig.25 ist zum Beispiel an einen Schornstein oder Abluftkanal als Stromungskanal 3 ein Laser 21 angebracht. An der Schornstein- oder Abluftkanal-Innenwand sind mehrere Reflektoren 22 angebracht, die den Laser so hin und her reflektieren, daß ein möglichst großer Bereich des Querschnitts erfaßt. Der oder die Detektoren, die die reflektierte Leistung messen, können seitlich oder ober- und unterhalb des Lasers 21 angebracht sein. Der Empfänger kann eine Sammeloptik 23 aufweisen, die das reflektierte Licht auf eine Photozelle 24 fokussiert. Ist die Reflektion zu schwach, kann ein Photomultiplier 25 zwi- sehen Sammeloptik 23 und Photozelle 24 gesetzt werden. Die Potozelle generiert aus dem reflektierten Leistung der elektromagnetischen Welle eine Spannung bzw. ein Stromsignal das im nächsten Schritt abgeleitet werden muß. Dazu und für die weiteren Schritte kann die Meßvorrichtung gemäß Fig.l verwendet werden.

Anstatt der dort als Detektor verwendeten Schottkydiode 12 wird die Photozelle 24 oder ein Phototransistor eingesetzt.

Alternativ zu der Anordnung gemäß Fig.25 kann bei Verwendung eines Lasers, dieser den Querschnitt des Strömungskanals 3 ab- scannen, wobei der Laserstrahl kontinuierlich oder diskontinuierlich über den Querschnitt streift, so daß dieser möglichst komplett erfaßt wird.

Bei einer höheren Staub- bzw. Partikeldichte ist es Vorteilhaft, als elektromagnetische Welle die Mikrowelle zu verwenden. Auf Grund ihrer größeren Wellenlänge wird sie schlechter reflektiert, so daß bei höheren Partikelkonzentrationen die Sättigung des Signals wesentlich später erreicht wird. Bei- spielweise in Kohlekraftwerken, in denen große Mengen an Kohle zermahlen werden, kann deshalb die Mikrowelle zur Massenstrom- bestimmung vorteilhaft eingesetzt werden.

Claims

Ansprüche

1. Verfahren zur Messung des Massenstroms eines partikular vorliegenden Feststoffes, der mit Hilfe eines Gases trans- portiert wird, wobei in einem elektromagnetischen Feld ein Meßbereich definiert ist und wobei die vom Feststoff reflektierte elektromagnetische Strahlung ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Massenstrom allem aus dem Reflexionsmaß gebildet wird, daß dazu die Reflexion zumin- dest am Feststoff (2) innerhalb des Meßbereiches des elektromagnetischen Feldes (6) gemessen wird, daß aus dem zeitlichen Verlauf des Meßsignales der Differenzial- quotient nach der Zeit oder eine Ableitung höherer Ordnung und daraus der Betrag gebildet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das nach der Betragsbildung zur Verfugung stehende Signal insbesondere zur Signalberuhigung integriert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Reflexionsmaß proportional zu einer Funktion der reflektierten Leistung oder einer Funktion der reflektierten Energie oder einer Funktion der reflektierten Intensität oder einer Funktion des reflektierten Strahlungsflußes

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die insgesamt reflektierte Strahlung gemessen wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß nur die am Feststoff (2) reflektierte Strahlung gemessen wird und daß dazu unter Ausnutzung des Dopplereffekts die frequenzverschobene, reflektierte Strahlung gemessen wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge- kennzeichnet, daß bei konstanter oder bekannter oder einer bekannten zeitlichen Variation unterworfener, abgestrahlter Leistung, das Massenstromsignal aus der Differenz aus abgestrahlter und reflektierter Strahlung oder aus dem Verhältnis aus abgestrahlter zu reflektierter Strahlung generiert wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als elektromagnetische Strahlung Laser- licht oder Mikrowelle verwendet wird.

8. Vorrichtung zur Messung des Massenstroms eines partikular vorliegenden, mit Hilfe eines Gases transportierten Feststoffes (2) , mit einer Einrichtung (5) zur Erzeugung eines elektromagnetischen Feldes (6), in dem ein Meßbereich de- finiert ist und mit einer an einen Detektor (11) angeschlossenen Auswerteeinrichtung (7) für die zumindest am Feststoff (2) reflektierte elektromagnetische Strahlung, zur Durchfuhrung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinrichtung (7) einen an den Detektor (11) zur Erfassung von reflektierter, elektromagnetischer Strahlung angeschlossenen Differentiator (13) aufweist, an den ein Gleichrichter (17) zur Betragsbildung angeschlossen ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Differentiator (13) und den Gleichrichter (17) eine Zwischenstufe (14) zur Nullpunktverschiebung ge- schaltet ist, die vorzugsweise einen Kondensator (26) zur Gleichspannungs-Abtrennung aufweist .

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeich- net, daß zur Glattung des Ausgangssignales des Gleichrichters (17) e Kondensator (18) vorgesehen ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der Signalaufbereitung durch eine analoge Schaltung und ein anderer Teil der Signalaufbereitung durch eine digitale Schaltung vorgesehen ist und daß insbesondere für die Ableitung mit Bildung des Differenzialquotienten eine analoge Schaltung und für die Betragsbildung und die Integration eine digitale Schaltung vorgesehen ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Gleichrichters (17) mit dem dort anstehenden Ausgangssignal, gegebenenfalls nach Glattung durch einen Kondensator (18), an eine digitale Funktionseinheit mit einem A/D-Wandler (19) und einem Prozessor (20) angeschlossen ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch ge- kennzeichnet, daß für die Signalgenerierung eine digitale

Schaltung vorgesehen ist und daß dazu der Detektor (11) gegebenenfalls nach einer Impedanzanpassung, direkt an einen A/D-Wandler und dieser an einen Prozessor angeschlossen ist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Erzeugung eines elektromagnetischen Feldes (6) einen Laser (21) aufweist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß eine Ablenkeinrichtung zum Scannen des Laserstrahls innerhalb des Meßbereiches vorgesehen ist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des Meßbereiches ein oder mehrere Reflektoren (22) für den Laserstrahl angebracht sind.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor (11) eine Photozelle (24) oder einen Phototransistor, vorzugsweise mit einer davor angeordneten Sammeloptik (23) , gegebenenfalls mit einem dazwischen befindlichen Photomultiplier (25) aufweist.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (5) zur Erzeugung eines elektromagnetischen Feldes (6) einen Mikrowellengenerator aufweist .

19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikrowellengenerator eine Gunndiode (8) aufweist, daß der Detektor (11) eine Schottkydiode (12) als Empfangselement aufweist und daß die Gunndiode und die Schottkydiode zusammen in einem Mikrowellenmodul als Transceiver einge- baut sind.

20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Mikrowellenmodul und dem vorgesehenen Meßbereich ein Hohlleiter (10), gegebenenfalls mit einer am Ende angeordneten Hornantenne (15) vorgesehen ist.

21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Massenstrom-Meßvorrichtung (4) an eine Strömungsführung (3) wie beispielsweise einen Schornstein, einen Abluftkanal oder dergleichen Kanal angeschlossen ist und daß dazu wenigstens eine seitliche Öffnung in der Kanalwand vorgesehen ist, durch die das generierte, elektromagnetische Feld (6) quer zur Massen- stromförderrichtung in den Kanal einstrahlbar und die reflektierte Strahlleistung oder dergleichen auskoppelbar sind.