WO2009018597A1 - Apparatus for determining flow parameters of a particle-fluid flow - Google Patents

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WO2009018597A1
WO2009018597A1 PCT/AT2008/000284 AT2008000284W WO2009018597A1 WO 2009018597 A1 WO2009018597 A1 WO 2009018597A1 AT 2008000284 W AT2008000284 W AT 2008000284W WO 2009018597 A1 WO2009018597 A1 WO 2009018597A1
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flow
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PCT/AT2008/000284
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Anton Fuchs
Hubert Zangl
Georg Brasseur
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Technische Universität Graz
Forschungsholding Tu Graz Gmbh
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    • G01F1/712Measuring the time taken to traverse a fixed distance using auto-correlation or cross-correlation detection means

Definitions

  • the invention relates to a device for determining flow parameters of a particle-fluid flow, having a particle-responsive sensor array which has an equidistant pitch in planes perpendicular to the flow direction, and an evaluation unit which supplies the signals to the sensor unit to be attributed to particle passages are and which is arranged to determine a particle velocity based on these signals.
  • material is transported in the form of two- and multi-phase flows through delivery lines.
  • Typical examples of such transport are the pneumatic conveying of bulk solids and material transport in liquid-solid flows.
  • the delivery parameters of interest in such transport are material velocity and material concentration. From them the mass flow, i. the amount of material moved by the conveyor section per unit time is calculated.
  • a device of the type described in the introduction is described, for example, in O. Fiedler et al., "Measurement of Local Particle Velocities and Velocitiy Distributions in Gas-Solid Flows by Means of the Spatial Filter Method", Powder Technology 94, (1997), pp , 51-57, in particular using the example of quartz sand in an air flow, wherein a CCD camera array is used. It is also discussed here that the evaluation can be carried out by using an FFT analysis or by period measurement of the resulting signals.
  • Such speed measurement methods are also referred to as spatial filter methods or “spatial filtering", in which connection reference may be made to document DD 218 170 A1, in which the speed measurement is explained by means of linear CCD arrays using the example of goods moved on a conveyor belt becomes.
  • the two sensor arrays each have an equidistant division and are arranged on a flow-through pipe, for. one at the bottom of the pipe and one opposite at the top.
  • the sensors respond to pressure fluctuations caused by vortices in the flow and are preferably piezoelectric sensors.
  • the sensor signals are evaluated in order to obtain information as to whether a sediment layer has deposited at the bottom of the tube or how high such a layer is. In contrast to the state of the art from which the invention proceeds, particles not present in the flow are detected here.
  • a particle-fluid flow is to be understood as meaning flows which are preferably, but not exclusively, conducted in lines and which consist of gases and / or liquids.
  • the term "particle” is intended to include not only solids, such as grains of sand or grains, but more generally areas entrained by a flow having different physical properties from the actual flow fluid, such properties may be optical and / or electrical or density related "Particles" may thus be, for example, gas bubbles in a liquid or oil pearls in water, and finally also living things in water.
  • the term “sensor array” is intended to denote an arrangement which, in conjunction with one or more sensors, includes a pattern arranged in the direction of flow, eg a grating or a plurality of sensors, the passage of particles through the area of influence of the sensor array leading to periodic signals,
  • capacitive sensor arrays should be included, in particular SR Woodhead, JE Amadi-Echendu, "Solid Phase Velocity Measurements Utilizing Electrostatic Sensors and Cross Correlation Signal Processing.” Proceedings of the Instrumentation and Measurement Technology Conference, 24-26 April 1995, p. 774-777, and noted that an “array” in the simplest case, only two electrodes or sensors However, using an array with a larger number of electrodes or sensors may result in better signal quality.
  • the flow parameters of interest are material velocity and material concentration, as this is simply a measure of mass flow, i. can calculate the amount of material moving through the conveyor section per unit of time. Due to uneven distribution of material speed and material concentration in the delivery line, it would be necessary for a reliable determination of the mass flow to perform a spatially resolving measurement of the two delivery parameters, in other words to determine the distribution profile over the conveyor line cross section.
  • a disadvantage of the known methods and devices is therefore that at best a mean mass flow can be determined, but not a measurement which can provide the distribution of the particles in directions perpendicular to the conveying direction, in other words the distribution profile.
  • a second sensor array which has a different pitch within planes normal to the flow direction, and their signals are also fed to the evaluation, which set up is to determine a particle velocity as a function of the location in planes perpendicular to the flow direction from the signals supplied by both arrays.
  • normal / oblique is to be understood to mean that the electrodes or their planes are usually normal to the flow direction, but also layers at an angle to the flow direction possible or advantageous under certain measurement conditions or due to local conditions are unavoidable.
  • An easily realizable and less complex embodiment of the invention provides that the first and the second sensor array are arranged in the flow direction at a distance from each other.
  • first and / or the second sensor array is formed as an electrode array inside and / or outside the flow, a choice can be made according to the flow to be examined.
  • the first and / or second sensor array has an optical grating, which as well as a flow section in the beam path between a light source and a photodetector.
  • the first and / or second sensor array comprises an array of light sources, in the beam path, a flow section and a photodetector Hegen or that the first and / or second sensor array has an array of photodetectors which receives light emitted by a light source and passing through a flow section.
  • the first have the second sensor array such divisions that the output signals of these arrays are in clearly distinguishable frequency ranges.
  • FIG. 1 shows an exemplary, prior art embodiment for determining the speed with the aid of capacitive principles and a sensor array consisting of electrodes distributed equidistantly along the conveyor line
  • FIG. 2 shows an exemplary, quasi-periodic measurement signal (sum signal) for a construction according to FIG. 1 according to the prior art
  • FIG. 5 for particle layers within a round or square pipe cross section exemplary measuring signals (sum signals) for a construction according to FIG. 4 for determining the particle velocity and the particle position,
  • FIG. 5 for measuring signals (sum signals) for a construction according to FIG. 4 for determining the particle velocity and the particle position
  • FIG. 6 shows a further exemplary embodiment of the subject invention with a fanned-out grating as a second sensor array for determining the particle positions and the exemplary measuring signals for two different particle trajectories
  • FIG. 8 shows a further exemplary embodiment of the invention using capacitive principles, including associated measuring signals
  • FIG. 9 shows a further expedient embodiment of the invention with capacitive sensors, in which the electrodes for coding the particle position in the form of second sensor arrays are provided upstream and downstream of a first sensor array for the speed measurement, and
  • FIG. 10 shows a flow chart for the determination of the velocity and the particle distribution according to the invention from the frequency spectra of the measuring signals.
  • a sensor array SA 1 which uses transmitting electrodes S1 to S3 and receiving electrodes E1 to E4.
  • An alternating voltage transmission signal s is fed to the transmission electrodes S1, S3 connected to one another via electrical connections 2, a reception signal e is picked up by the reception electrodes El,... E4 which are likewise connected to one another via electrical connections 3 and one here not described in detail, the expert known evaluation unit 4, which can also provide the transmission signal s.
  • Capacitive principles namely the evaluation of the different relative dielectric constants in the individual phases of the flow, are described, for example, in the aforementioned article by S.R. Woodhead, J.E. Amadi-Echendu described and belong to the skilled person known prior art.
  • suitable sensors are those that can be influenced by a property of the transported material, wherein fluctuations in the material composition of the transported media, caused by their multi-phase expression, are converted by means of these sensors in evaluable signals.
  • optical principles may be mentioned, i. the evaluation of the different optical properties, such as optical density and reflection in the individual phases of the flow. Such as. in the DD 218 170 Al or in the already mentioned article by K. Christof ori and K. Michel described.
  • Fig. 1 two particles pl and p2 are shown, which lead in their passage through the sensor array SAl to receive signals, namely due to a change in capacitance .DELTA.C, to which reference is made to FIG.
  • the goal of mounting first sensors as the first sensor array SAl is to form a periodically repeating pattern of the sensitivity ranges.
  • a sensitivity range is that region in the delivery line 1 in which a sensor can be influenced by a property of the transported material.
  • a pattern of the sensitivity ranges is the course of the sum of the sensitivities (gradient of change in the sensor output signal relative to a change in the influencing material property) of all sensors along a particle trajectory.
  • the periodically repeating pattern of the sensitivity ranges of the first transducers causes a quasi-periodic signal for the sum of the transducers for media flowing at a constant rate.
  • the periodicity of the measurement signal will have lower frequency than for a fast moving flow.
  • the speed information can thus be determined from the frequency of the measurement signal, which can be realized in practice by a Fourier transform.
  • a weighting of the sensor signals before the summation can be advantageously used for a pre-filtering in certain applications. Even higher-order functions for transformation, such as rms value generation, may be useful for some applications.
  • FIG. 3 shows the received signal e or the capacitance change ⁇ C for two particles p 1 and p 2 moved at different velocities vi and v 2, respectively, and the associated Fourier transforms (on the right in FIG. 3).
  • the invention is based on a device according to the prior art, as has just been described by means of examples (capacitive, optical).
  • the approach of the invention is to distribute sensors in the form of at least one additional second sensor array so that a spatial coding of the line cross-section is realized.
  • the arrangement of electrodes at equidistant intervals for determining the velocity of the medium being conveyed is thus in the invention by a suitable arrangement of further sensors, e.g. Electrodes upstream of the velocity measurement, extended for spatial coding, whereby a clear assignment of the particle trajectories to the corresponding cross-sectional area of the delivery line can be made.
  • ⁇ I is the change in luminous flux, generally signal intensity.
  • a coding is realized in the exemplary embodiment shown in FIG. 4 with the aid of optical measuring principles, namely light sources 5, 6 and photodetectors 7, 8. Either the shading of the transported particles (transmitted light method) or the backscattering of light by particles (scattered light method) is evaluated. In the expedient construction according to FIG.
  • the equidistant section of sensors, the first sensor array SA1, is followed by two further obliquely arranged planes, which are rotated by 90 ° relative to one another in the line cross section, as the second sensor array SA2.
  • an optical grating 9 is shown by dashed lines, which is arranged in the beam path between the light source 5 and the photodetector 7.
  • Such an arrangement of a single light source and a single photodetector in conjunction with a grating can be used both as a first and as a second sensor array.
  • an array of light sources eg of laser diodes
  • the particle position with regard to the x and y coordinates can be calculated in a structure according to FIG. 4 from:
  • FIG. 6 shows a further embodiment of the invention, the downstream of a first sensor array, a second sensor array SA2 in the form of a fanned-out grating to Determining the particle positions has, wherein the representations b) and c) of FIG. 6 show exemplary measurement signals for two different particle trajectories or particles pl and p2. With dmm and dmax the minimum or maximum distance between two sensor elements is designated, with ⁇ S the change of the signal strength.
  • the corresponding arrays are designed so that they receive signals in different, technically easy, e.g. provide frequency bands separable by means of bandpasses. This is made possible by clearly distinguishable lattice spacings-spacings of the sensor elements-and FIG. 6 shows this in an obvious way.
  • FIG. 7 shows, with reference to two diagrams, the spectral energy distribution PSD for the case of lower velocity and a higher particle concentration in the lower tube cross section (FIG. 7a) or in the case of a higher velocity and a higher particle concentration in the upper tube cross section (FIG. 7b).
  • the desired spatial coding can be forward and / or downstream of the equidistant first sensor array SA1 by a unique sequence of wide and narrow distances of sensors.
  • FIG. 8 shows a second sensor array SA2 laying upstream of the first sensor array and the corresponding signals ⁇ C for four particles p1, p2, p3 and p4, whereas
  • FIG. 9 shows a device according to the invention in which both upstream of the first sensor array SA1 as well as downstream of this first sensor array SAl a second sensor array SA2 'and SA2 "is arranged.
  • the particle sizes and the distribution of the particles can be determined.
  • the particle size also has an influence on the measurement signal.
  • shading or backscattering is influenced by the size of the particles.
  • the particle frequencies or their distribution can be estimated from the variance of the measurement signals.
  • the relationship between signal amplitudes caused by flowing particles and the signal power of the measurement signal provides a useful determination of the particle dimensions.
  • Fig. 10 shows the measuring procedure already described several times above with a device according to the invention again with reference to a basic flow chart.
  • "Analysis frequency range 1 or frequency range 2" is to be understood as the possible splitting of the frequency ranges, as has already been explained above in connection with FIG. 5.
  • a further, redundant downstream level with a second device according to the invention, i. do a duplication and calculate a correlation between upstream and downstream levels.
  • the correlation result is very poor and can be discarded.
  • the invention is applicable to non-all-sided flows , such as a channel open at the top, or a portion of a stream which is not narrowly defined, such as a sea current.
  • the invention is not limited to optical or capacitive measuring principles, but depending on the size and density of the "particles" for their detection in first and second sensor arrays, gamma or beta rays can also be used, for example, or ultrasound.

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Abstract

Disclosed is an apparatus for determining flow parameters of a particle-fluid flow. Said apparatus comprises a first sensor array (SA1) that reacts to particles and has an equidistant division within planes extending vertical/at an angle to the direction of flow (z) in accordance with the position of the particle path, and an evaluation unit (4) to which the sensor unit signals (e) of the sensor unit are fed that can be attributed to passing particles and which is designed to determine a particle velocity on the basis of said signals. In addition to the first sensor array (SA1), a second sensor array (SA2; SA2'; SA2') is provided which has a different division within planes extending vertical/at an angle to the direction of flow in accordance with the position of the particle path, and the signals of which are likewise fed to the evaluation unit (4). The evaluation unit (4) is designed to determine a particle velocity as a function of the location on planes extending perpendicular to the direction of flow from the signals that both arrays feed to the evaluation unit (4).

Description

VORRICHTUNG ZUM BESTIMMEN VON STRÖMUNGSPARAMETERN EINER PARTIKEL - FLUIDUM - STRÖMUNG DEVICE FOR DETERMINING FLOW PARAMETERS OF A PARTICLE FLUIDUM FLOW
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Bestimmen von Strömungsparametern einer Partikel - Fluidum -Strömung, mit einem auf Partikel ansprechenden Sensorarray, welches in Ebenen senkrecht zur Strömungsrichtung eine äquidistante Teilung aufweist, sowie mit einer Auswerteeinheit, welcher die auf Partikeldurchgänge zurückzuführenden Signale der Sensoreinheit zugeführt sind und die zur Ermittlung einer Partikelgeschwindigkeit auf Basis dieser Signale eingerichtet ist.The invention relates to a device for determining flow parameters of a particle-fluid flow, having a particle-responsive sensor array which has an equidistant pitch in planes perpendicular to the flow direction, and an evaluation unit which supplies the signals to the sensor unit to be attributed to particle passages are and which is arranged to determine a particle velocity based on these signals.
In einer Vielzahl von Anwendungen in Industrie und Wissenschaft wird Material in Form von Zwei- und Mehrphasenströmungen durch Förderleitungen transportiert. Typische Beispiele für einen solchen Transport sind die pneumatische Förderung von Schüttgütern und der Materialtransport in Flüssigkeits-Feststoff Strömungen.In a variety of applications in industry and science, material is transported in the form of two- and multi-phase flows through delivery lines. Typical examples of such transport are the pneumatic conveying of bulk solids and material transport in liquid-solid flows.
Die Förderparameter, an denen man bei einem solchen Transport interessiert ist, sind die Materialgeschwindigkeit und die Materialkonzentration. Aus ihnen kann der Massenfluss, d.h. die durch den Förderquerschnitt pro Zeiteinheit bewegte Menge an Material, errechnet werden.The delivery parameters of interest in such transport are material velocity and material concentration. From them the mass flow, i. the amount of material moved by the conveyor section per unit time is calculated.
Eine Vorrichtung der eingangs angegebenen Art ist beispielsweise in O. Fiedler et al., "Mea- surement of Local Particle Velocities and Velocitiy Distributions in Gas-Solid Flows by Means of the Spatial Filter Method", Powder Technologie 94, (1997), pp. 51 - 57, beschrieben, insbesondere am Beispiel von Quarzsand in einer Luftströmung, wobei ein CCD-Kamera Array verwendet wird. Es wird hier auch darauf eingegangen, dass die Auswertung durch Anwendung einer FFT-Analyse oder durch Periodenmessung der sich ergebenden Signale erfolgen kann. Derartige Verfahren zur Geschwindigkeitsmessung werden auch als Ortsfilterverfahren oder „Spatial Filtering" bezeichnet, wobei in diesem Zusammenhang auf das Dokument DD 218 170 Al verwiesen werden kann, in welchem die Geschwindigkeitsmessung am Beispiel von auf einem Förderband bewegten Gütern mit Hilfe von linearen CCD- Arrays erläutert wird.A device of the type described in the introduction is described, for example, in O. Fiedler et al., "Measurement of Local Particle Velocities and Velocitiy Distributions in Gas-Solid Flows by Means of the Spatial Filter Method", Powder Technology 94, (1997), pp , 51-57, in particular using the example of quartz sand in an air flow, wherein a CCD camera array is used. It is also discussed here that the evaluation can be carried out by using an FFT analysis or by period measurement of the resulting signals. Such speed measurement methods are also referred to as spatial filter methods or "spatial filtering", in which connection reference may be made to document DD 218 170 A1, in which the speed measurement is explained by means of linear CCD arrays using the example of goods moved on a conveyor belt becomes.
Eine Anordnung zur Messung der Geschwindigkeit selbstleuchtender, weil heißer Kohlepartikel in einem Heizkraftwerk ist in K. Christofori und K. Michel, „Velocimetry with Spatial Filters Based on Sensor Arrays", Flow Meas. Instrum., Vol. 7, No. 3/4, pp. 265 - 272, 1996 beschrieben. Diese Anordnung verwendet gleichfalls eine CCD-Struktur, auf welche mit Hilfe einer Optik ein Bild der strömenden Partikel abgebildet wird. Der CCD-Struktur ist bereits eine Gitterstruktur inhärent, sodass kein besonderes Gitter im Strahlengang erforderlich ist. Die Literaturstelle geht näher auf die Übertragungsfunktion eines Ortsfilters sowie auf die Signalverarbeitung ein.An arrangement for measuring the speed of self-luminous, because hot coal particles in a cogeneration plant is in K. Christofori and K. Michel, "Velocimetry with Spatial Filters Based on Sensor Arrays", Flow Meas. Instrum., Vol. 7, No. 3/4 , pp. 265-272, 1996. This arrangement also employs a CCD structure on which an image of the flowing particles is imaged by means of optics already a grid structure inherent, so no special grid in the beam path is required. The literature deals more closely with the transfer function of a spatial filter as well as the signal processing.
Es ist auch bekannt geworden, zwei Sensorarrays anzuwenden, wie die US 2007/083340 Al (Bailey et al.) zeigt. Die beiden Sensorarrays weisen je eine äquidistante Teilung auf und sind an einem durchströmten Rohr angeordnet, z. eines am Boden des Rohres und eines oben gegenüberliegend. Die Sensoren sprechen auf durch Wirbel in der Strömung hervorgerufene Druckschwankungen an und sind bevorzugt Piezosensoren. In einem Signalprozessor werden die Sensorsignale ausgewertet, um eine Information dahingehend zu erhalten, ob sich an dem Boden des Rohres eine Sedimentschicht abgesetzt hat bzw. wie hoch eine solche Schicht ist. Im Gegensatz zu dem Stand der Technik, von welchem die Erfindung ausgeht, werden hier nicht in der Strömung vorhandene Partikel erf asst.It has also become known to use two sensor arrays, as shown by US 2007/083340 A1 (Bailey et al.). The two sensor arrays each have an equidistant division and are arranged on a flow-through pipe, for. one at the bottom of the pipe and one opposite at the top. The sensors respond to pressure fluctuations caused by vortices in the flow and are preferably piezoelectric sensors. In a signal processor, the sensor signals are evaluated in order to obtain information as to whether a sediment layer has deposited at the bottom of the tube or how high such a layer is. In contrast to the state of the art from which the invention proceeds, particles not present in the flow are detected here.
An dieser Stelle sollen die in Zusammenhang mit der Erfindung verwendeten Begriffe, soweit erforderlich, definiert werden:At this point, the terms used in connection with the invention should be defined, if necessary, as follows:
Unter eine Partikel - Fluidum -Strömung sollen Strömungen verstanden werden, die bevorzugt, jedoch nicht ausschließlich, in Leitungen geführt sind, und die aus Gasen und/ oder Flüssigkeiten bestehen. Der Begriff „Partikel" soll hier nicht nur Feststoffe, wie z.B. Sandkörner oder Getreidekörner beinhalten, sondern ganz allgemein von einer Strömung mitgeführte Bereiche mit von dem eigentlichen Strömungsfluidum unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften. Solche Eigenschaften können z.B. optischer und/ oder elektrischer Art sein oder die Dichte betreffen. „Partikel" können somit, nur um Beispiele zu nennen, auch Gasblasen in einer Flüssigkeit oder Ölperlen in Wasser sein und schließlich auch Lebewesen in Wasser.A particle-fluid flow is to be understood as meaning flows which are preferably, but not exclusively, conducted in lines and which consist of gases and / or liquids. The term "particle" is intended to include not only solids, such as grains of sand or grains, but more generally areas entrained by a flow having different physical properties from the actual flow fluid, such properties may be optical and / or electrical or density related "Particles" may thus be, for example, gas bubbles in a liquid or oil pearls in water, and finally also living things in water.
Der Begriff „Sensorarray" soll andererseits eine Anordnung bezeichnen, die in Verbindung mit einem oder mehreren Sensoren ein in Strömungsrichtung angeordnetes Muster beinhaltet, z.B. ein Strichgitter oder eine Vielzahl von Sensoren, wobei der Durchgang von Partikeln durch den Einflussbereich des Sensorarrays zu periodischen Signalen führt, aus welchen die Geschwindigkeit von Teilchen ermittelt werden kann. Außer optischen Sensorarrays sollen insbesondere auch kapazitive Sensorarrays umfasst sein. In dieser Beziehung sei auf S.R. Woodhead, J.E. Amadi-Echendu, „Solid Phase Velocity Measurements Utilising Electrostatic Sensors and Cross Correlation Signal Prozessing", Proceedings of the Instrumentation and Measurement Technology Conference, 24 - 26 April 1995, p. 774 - 777 verwiesen und angemerkt, dass ein „Array" im einfachsten Fall nur zwei Elektroden oder Sensoren aufweisen muss, die Verwendung eines Arrays mit einer größeren Anzahl von Elektroden oder Sensoren jedoch zu einer besseren Signalqualität fuhren kann.On the other hand, the term "sensor array" is intended to denote an arrangement which, in conjunction with one or more sensors, includes a pattern arranged in the direction of flow, eg a grating or a plurality of sensors, the passage of particles through the area of influence of the sensor array leading to periodic signals, In addition to optical sensor arrays, capacitive sensor arrays should be included, in particular SR Woodhead, JE Amadi-Echendu, "Solid Phase Velocity Measurements Utilizing Electrostatic Sensors and Cross Correlation Signal Processing." Proceedings of the Instrumentation and Measurement Technology Conference, 24-26 April 1995, p. 774-777, and noted that an "array" in the simplest case, only two electrodes or sensors However, using an array with a larger number of electrodes or sensors may result in better signal quality.
In vielen Fällen, wie bei der Förderung von Schüttgut, sind die interessierenden Strömungsparameter Materialgeschwindigkeit und Materialkonzentration, da man daraus einfach den Massenfluss, d.h. die durch den Förderquerschnitt pro Zeiteinheit bewegte Materialmenge berechnen kann. Durch ungleichmäßige Verteilung von Materialgeschwindigkeit und Materialkonzentration in der Förderleitung wäre es für eine zuverlässige Bestimmung des Massenflusses notwendig, eine räumlich auflösende Messung der beiden Förderparameter durchzuführen, mit anderen Worten also das Verteilungsprofil über dem Förderleitungs- querschnitt zu ermitteln. Ein Nachteil der bekannten Verfahren und Vorrichtungen liegt somit darin, dass bestenfalls ein mittlerer Massenfluss bestimmbar ist, nicht jedoch eine Messung, welche die Verteilung der Partikel in Richtungen senkrecht zur Förderrichtung, mit anderen Worten das Verteilungsprofil liefern kann.In many cases, such as in the production of bulk material, the flow parameters of interest are material velocity and material concentration, as this is simply a measure of mass flow, i. can calculate the amount of material moving through the conveyor section per unit of time. Due to uneven distribution of material speed and material concentration in the delivery line, it would be necessary for a reliable determination of the mass flow to perform a spatially resolving measurement of the two delivery parameters, in other words to determine the distribution profile over the conveyor line cross section. A disadvantage of the known methods and devices is therefore that at best a mean mass flow can be determined, but not a measurement which can provide the distribution of the particles in directions perpendicular to the conveying direction, in other words the distribution profile.
Eine Aufgabe der Erfindung liegt in der Schaffung einer ein Ortsfilterverfahren verwendenden Vorrichtung, mit deren Hilfe ohne großen konstruktiven Aufwand auch das Verteilungsprofil ermitteln kann.It is an object of the invention to provide a device using a spatial filter method, with the aid of which the distribution profile can be determined without great constructive effort.
Diese Aufgabe wird mit einer Vorrichtung der eingangs genannten Art gelöst, bei welcher erfindungsgemäß zusätzlich zu dem ersten Sensorarray ein zweites Sensorarray vorgesehen ist, welches innerhalb von Ebenen normal zur Strömungsrichtung eine unterschiedliche Teilung aufweist, und deren Signale gleichfalls der Auswerteeinrichtung zugeführt sind, welche dazu eingerichtet ist, aus den ihr von beiden Arrays zugeführten Signalen eine Partikelgeschwindigkeit als Funktion des Ortes in Ebenen senkrecht zur Strömungsrichtung zu ermitteln.This object is achieved with a device of the type mentioned, in which according to the invention, in addition to the first sensor array, a second sensor array is provided which has a different pitch within planes normal to the flow direction, and their signals are also fed to the evaluation, which set up is to determine a particle velocity as a function of the location in planes perpendicular to the flow direction from the signals supplied by both arrays.
Dank der Erfindung mit ihrer räumlichen Codierung der Messaufnehmer wird eine eindeutige Zuordnung eines empfangenen Messsignals zu einem bestimmten Gebiet des Querschnitts ermöglicht, es können ein Geschwindigkeitsprofil und ein Konzentrationsprofil bestimmt werden und schließlich lassen sich auch Informationen über Ausmaß und Geometrie von Partikeln oder Partikelanhäufungen ableiten.Thanks to the invention with its spatial coding of the sensors, an unambiguous assignment of a received measurement signal to a specific region of the cross section is possible, a velocity profile and a concentration profile can be determined, and finally information about the extent and geometry of particles or particle accumulations can be derived.
Der verwendete Begriff „normal/ schräg" soll dahingehend verstanden werden, dass die Elektroden bzw. deren Ebenen üblicherweise normal zur Strömungsrichtung stehen, jedoch auch Lagen schräg zur Strömungsrichtung möglich bzw. unter bestimmten Messbedingungen vorteilhaft bzw. auf Grund örtlicher Gegebenheiten nicht zu vermeiden sind. Eine einfach realisierbare und wenig komplexe Ausführung der Erfindung sieht vor, dass das erste und das zweite Sensorarray in Strömungsrichtung gesehen in Abstand voneinander angeordnet sind.The term "normal / oblique" is to be understood to mean that the electrodes or their planes are usually normal to the flow direction, but also layers at an angle to the flow direction possible or advantageous under certain measurement conditions or due to local conditions are unavoidable. An easily realizable and less complex embodiment of the invention provides that the first and the second sensor array are arranged in the flow direction at a distance from each other.
Es ist weiters möglich, dass das erste und/ oder das zweite Sensorarray als Elektrodenarray innerhalb und/ oder außerhalb der Strömung ausgebildet ist, eine Wahl kann entsprechend der zu untersuchenden Strömung getroffen werden.It is further possible that the first and / or the second sensor array is formed as an electrode array inside and / or outside the flow, a choice can be made according to the flow to be examined.
Eine vor allem bei entsprechend klaren Strömungen, wie Wasser oder Gasen mit nicht zu hoher Partikeldichte kann es zweckmäßig sein, wenn das erste und/ oder zweite Sensorarray ein optisches Gitter aufweist, welches ebenso wie ein Strömungsabschnitt im Strahlengang zwischen einer Lichtquelle und einem Fotodetektors liegt.One especially with correspondingly clear flows, such as water or gases with not too high particle density, it may be expedient if the first and / or second sensor array has an optical grating, which as well as a flow section in the beam path between a light source and a photodetector.
Bei einer weiteren optischen Realisierung kann in sinnvoller Weise vorgesehen sein, dass das erste und/ oder zweite Sensorarray ein Array von Lichtquellen aufweist, in deren Strahlengang ein Strömungsabschnitt sowie ein Photodetektor Hegen bzw. dass das erste und/ oder zweite Sensorarray ein Array von Fotodetektoren besitzt, welches von einer Lichtquelle ausgesandtes, einen Strömungsabschnitt durchsetzendes Licht auffängt.In a further optical realization can be provided in a meaningful way that the first and / or second sensor array comprises an array of light sources, in the beam path, a flow section and a photodetector Hegen or that the first and / or second sensor array has an array of photodetectors which receives light emitted by a light source and passing through a flow section.
Um die Signalverarbeitung zu erleichtern, kann weiters vorgesehen sein, dass das erste das zweite Sensorarray solche Teilungen aufweisen, dass die Ausgangssignale dieser Arrays in deutlich unterscheidbaren Frequenzbereichen liegen.To facilitate the signal processing, it can further be provided that the first have the second sensor array such divisions that the output signals of these arrays are in clearly distinguishable frequency ranges.
Die Erfindung samt weiteren Vorteilen ist im Folgenden an Hand beispielsweiser Ausführungsformen näher erläutert, die in der Zeichnung veranschaulicht sind. In dieser zeigenThe invention together with further advantages is explained in more detail below by way of example embodiments, which are illustrated in the drawing. In this show
Fig. 1 eine beispielhafte, zum Stand der Technik gehörende Ausführungsform zur Bestimmung der Geschwindigkeit mit Hilfe kapazitiver Prinzipien und einem Sensorarray, bestehend aus äquidistant entlang der Förderleitung verteilten Elektroden,1 shows an exemplary, prior art embodiment for determining the speed with the aid of capacitive principles and a sensor array consisting of electrodes distributed equidistantly along the conveyor line,
Fig. 2 ein beispielhaftes, quasiperiodisches Messsignal (Summensignal) für einen Aufbau gemäß Fig. 1 nach dem Stand der Technik,2 shows an exemplary, quasi-periodic measurement signal (sum signal) for a construction according to FIG. 1 according to the prior art, FIG.
Fig. 3 an Hand von Diagrammen die Auswertung des Messsignals mittels Fourier- Transformation zur Bestimmung der Geschwindigkeit in einem Aufbau gemäß Fig. 1 nach dem Stand der Technik, Fig. 4 eine einfache beispielhafte Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes unter Nutzung optischer Prinzipien, wobei nach einem ersten äquidistanten Sensorarray zur Geschwmdigkeitsbestimmung zwei schräge Messebenen als zweites Sensorarray für die Bestimmung der Partikelposition vorgesehen ist,3 with reference to diagrams, the evaluation of the measurement signal by means of Fourier transformation for determining the speed in a structure according to FIG. 1 according to the prior art, 4 is a simple exemplary embodiment of the subject invention using optical principles, wherein after a first equidistant sensor array for Geschwmdigkeitsbestimmung two oblique planes of measurement is provided as a second sensor array for the determination of the particle position,
Fig. 5 für Partikellagen innerhalb eines runden oder quadratischen Rohrleitungsquerschnitts beispielhafte Messsignale (Summensignale) für einen Aufbau gemäß Fig. 4 zur Bestimmung der Partikelgeschwindigkeit und der Partikelposition,5 for particle layers within a round or square pipe cross section exemplary measuring signals (sum signals) for a construction according to FIG. 4 for determining the particle velocity and the particle position, FIG.
Fig. 6: eine weitere beispielhafte Ausfuhrungsform des Erfindungsgegenstandes mit einem aufgefächerten Gitter als zweites Sensorarray zur Bestimmung der Partikelpositionen sowie den beispielhaften Messsignalen für zwei unterschiedliche Partikeltrajektorien,6 shows a further exemplary embodiment of the subject invention with a fanned-out grating as a second sensor array for determining the particle positions and the exemplary measuring signals for two different particle trajectories,
Fig. 7 beispielhafte Frequenzspektren für Partikel mit geringer Geschwindigkeit und Partikelpositionen vorwiegend im unteren Bereich eines Rohrquerschnittes sowie für Partikel mit hoher Geschwindigkeit und Partikelpositionen vorwiegend im oberen Bereich des Rohrquerschnittes,7 shows exemplary frequency spectra for particles with low velocity and particle positions predominantly in the lower region of a tube cross section and for particles with high velocity and particle positions predominantly in the upper region of the tube cross section,
Fig. 8 ein weiters Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Nutzung kapazitiver Prinzipien samt zugehörigen Messsignalen,8 shows a further exemplary embodiment of the invention using capacitive principles, including associated measuring signals,
Fig. 9 eine weitere zweckmäßige Ausführungsform der Erfindung mit kapazitiven Sensoren, bei welcher die Elektroden zur Kodierung der Partikelposition in Form zweiter Sensorarrays stromauf und stromab eines ersten Sensorarrays für die Geschwindigkeitsmessung vorgesehen sind und9 shows a further expedient embodiment of the invention with capacitive sensors, in which the electrodes for coding the particle position in the form of second sensor arrays are provided upstream and downstream of a first sensor array for the speed measurement, and
Figur 10 ein Ablaufdiagramm für die Bestimmung der Geschwindigkeit und der Partikelverteilung gemäß der Erfindung aus den Frequenzspektren der Messsignale.FIG. 10 shows a flow chart for the determination of the velocity and the particle distribution according to the invention from the frequency spectra of the measuring signals.
Das Verfahren bzw. eine Vorrichtung zur Bestimmung der Partikelgeschwindigkeit mit Hilfe äquidistanter, entlang der Förderrichtung verteilter Messaufnehmer nach dem Stand der Technik wird nun an Hand der Fig. 1 bis 3 verdeutlicht. Ein solches Verfahren ist auch für die industriell häufig verwendete pneumatische Dünnstromförderung anwendbar, bei welcher die Feststoffpartikel dispers in der Gasphase vorliegen.The method and a device for determining the particle velocity with the aid of equidistant sensors distributed along the conveying direction according to the prior art will now be made clear with reference to FIGS. 1 to 3. Such a method is also applicable to the industrially frequently used pneumatic Dünnstromförderung in which the solid particles are dispersed in the gas phase.
Dank der Erfindung mit ihrer räumlichen Codierung der Messaufnehmer wird eine eindeutige Zuordnung eines empfangenen Messsignals zu einem bestimmten Gebiet des Querschnitts ermöglicht, es können ein Geschwindigkeitsprofil und ein Konzentrationsprofil bestimmt werden und schließlich lassen sich auch Informationen über Ausmaß und Geometrie von Partikeln oder Partikelanhäufungen ableiten.Thanks to the invention with its spatial coding of the sensors, a clear assignment of a received measurement signal to a specific region of the cross section is made possible, it is possible to have a velocity profile and a concentration profile Finally, information on the extent and geometry of particles or particle accumulations can be derived.
Entlang der Flussrichtung der beförderten Medien, d.h. in Längsrichtung einer Förderleitung 1, hier als z-Richtung angenommen, werden geeignete Messaufnehmer in äquidistanten Abständen angebracht. Bei dem gezeigten Beispiel wird ein Sensorarray SA 1 verwendet, das Sendeelektroden Sl bis S3 und Empfangselektroden El bis E4 verwendet. Ein Wechselspan- nungs-Sendesignal s wird den über elektrische Verbindungen 2 miteinander verbundenen Sendeelektroden Sl,.... S3 zugeführt, ein Empfangsignal e wird von den gleichfalls über elektrische Verbindungen 3 miteinander verbundenen Empfangselektroden El, ....E4 abgenommen und einer hier nicht näher beschriebenen, dem Fachmann bekannten Auswerteeinheit 4 zugeführt, die auch das Sendesignal s liefern kann. Kapazitive Prinzipien, nämlich die Auswertung der unterschiedlichen relativen Dielektrizitätszahlen in den einzelnen Phasen der Strömung, sind beispielsweise in dem bereits genannten Artikel von S.R. Woodhead, J.E. Amadi-Echendu beschrieben und gehören zum dem Fachmann bekannten Stand der Technik.Along the flow direction of the conveyed media, i. in the longitudinal direction of a conveyor line 1, here assumed as z-direction, suitable sensors are mounted at equidistant intervals. In the example shown, a sensor array SA 1 is used which uses transmitting electrodes S1 to S3 and receiving electrodes E1 to E4. An alternating voltage transmission signal s is fed to the transmission electrodes S1, S3 connected to one another via electrical connections 2, a reception signal e is picked up by the reception electrodes El,... E4 which are likewise connected to one another via electrical connections 3 and one here not described in detail, the expert known evaluation unit 4, which can also provide the transmission signal s. Capacitive principles, namely the evaluation of the different relative dielectric constants in the individual phases of the flow, are described, for example, in the aforementioned article by S.R. Woodhead, J.E. Amadi-Echendu described and belong to the skilled person known prior art.
Ganz allgemein sind geeignete Messaufnehmer solche, die durch eine Eigenschaft des transportierten Materials beeinflussbar sind, wobei Schwankungen in der Materialzusammensetzung der beförderten Medien, hervorgerufen durch deren mehrphasige Ausprägung, mit Hilfe dieser Messaufnehmer in auswertbare Signale umgesetzt werden. Als weiteres Beispiel sind optische Prinzipien zu nennen, d.h. die Auswertung der unterschiedlichen optischen Eigenschaften, wie optischer Dichte und Reflexion in den einzelnen Phasen der Strömung. Wie z.B. in der DD 218 170 Al oder in dem schon genannten Artikel von K. Christof ori und K. Michel beschrieben.In general, suitable sensors are those that can be influenced by a property of the transported material, wherein fluctuations in the material composition of the transported media, caused by their multi-phase expression, are converted by means of these sensors in evaluable signals. As another example, optical principles may be mentioned, i. the evaluation of the different optical properties, such as optical density and reflection in the individual phases of the flow. Such as. in the DD 218 170 Al or in the already mentioned article by K. Christof ori and K. Michel described.
In Fig. 1 sind zwei Partikel pl und p2 dargestellt, welche bei ihrem Durchgang durch das Sensorarray SAl zu Empfangssignalen führen, nämlich auf Grund einer Kapazitätsänderung ΔC, wozu auf Fig. 2 verwiesen wird. Das Ziel der Anbringung von ersten Messaufnehmern als erstes Sensorarray SAl ist die Ausbildung eines sich periodisch wiederholenden Musters der Sensitivitätsbereiche. Ein Sensitivitätsbereich ist jener Bereich in der Förderleitung 1, in welchem ein Messaufnehmer durch eine Eigenschaft des transportierten Materials beeinflussbar ist. Ein Muster der Sensitivitätsbereiche ist der Verlauf der Summe der Sensitivitäten (Gradient aus Änderung des Messaufnehmerausgangssignals bezogen auf eine Änderung der beeinflussenden Materialeigenschaft) aller Messaufnehmer entlang einer Partikeltrajek- torie. Das sich periodisch wiederholende Muster der Sensitivitätsbereiche der ersten Messaufnehmer bewirkt für mit konstanter Geschwindigkeit strömende Medien ein quasiperiodisches Signal für die Summe der Messaufhehmer. Bei langsam bewegter Mehrphasenströmung wird die Periodizität des Messsignals geringere Frequenz aufweisen als für eine schnell bewegte Strömung. Die Geschwindigkeitsinformation kann demnach aus der Frequenz des Messsignals ermittelt werden, was in der Praxis durch eine Fourier-Transformation realisiert werden kann. Eine Gewichtung der Messaufnehmersignale vor der Summation kann bei bestimmten Applikationen vorteilhaft zu einer Vorfilterung verwendet werden. Auch Funktionen höherer Ordnung zur Transformation, wie zum Beispiel Effektivwertbildung, können für manche Anwendungen sinnvoll sein.In Fig. 1, two particles pl and p2 are shown, which lead in their passage through the sensor array SAl to receive signals, namely due to a change in capacitance .DELTA.C, to which reference is made to FIG. The goal of mounting first sensors as the first sensor array SAl is to form a periodically repeating pattern of the sensitivity ranges. A sensitivity range is that region in the delivery line 1 in which a sensor can be influenced by a property of the transported material. A pattern of the sensitivity ranges is the course of the sum of the sensitivities (gradient of change in the sensor output signal relative to a change in the influencing material property) of all sensors along a particle trajectory. The periodically repeating pattern of the sensitivity ranges of the first transducers causes a quasi-periodic signal for the sum of the transducers for media flowing at a constant rate. With slowly moving multiphase flow, the periodicity of the measurement signal will have lower frequency than for a fast moving flow. The speed information can thus be determined from the frequency of the measurement signal, which can be realized in practice by a Fourier transform. A weighting of the sensor signals before the summation can be advantageously used for a pre-filtering in certain applications. Even higher-order functions for transformation, such as rms value generation, may be useful for some applications.
Fig. 3 zeigt das Empfangssignal e bzw. die Kapazitätsänderung ΔC für zwei mit unterschiedlicher Geschwindigkeit vi bzw. v2 bewegte Partikel pl und p2 sowie die zugehörigen Fourier-Transformierten (rechts in Fig. 3).FIG. 3 shows the received signal e or the capacitance change ΔC for two particles p 1 and p 2 moved at different velocities vi and v 2, respectively, and the associated Fourier transforms (on the right in FIG. 3).
Die Erfindung geht von einer Vorrichtung nach dem Stand der Technik aus, wie sie an Hand von Beispielen (kapazitiv, optisch) soeben beschrieben wurde.The invention is based on a device according to the prior art, as has just been described by means of examples (capacitive, optical).
Für die präzise Bestimmung des Massenflusses, d.h. jener Masse an Material, die pro Zeiteinheit durch den Querschnitt einer Förderleitung strömt, ist es erforderlich, ein Geschwindigkeitsprofil zu ermitteln. Der Ansatz der Erfindung liegt darin, Messaufnehmer in Form zumindest eines zusätzlichen zweiten Sensorarrays so zu verteilen, dass eine räumliche Kodierung des Leitungsquerschnittes realisiert wird.For precise determination of mass flow, i. the mass of material flowing per unit time through the cross section of a delivery line, it is necessary to determine a velocity profile. The approach of the invention is to distribute sensors in the form of at least one additional second sensor array so that a spatial coding of the line cross-section is realized.
Die Anordnung von Elektroden in äquidistanten Abständen zur Bestimmung der Geschwindigkeit des geförderten Mediums ist somit in der Erfindung durch eine geeignete Anordnung von weitere Messaufnehmern, z.B. Elektroden stromauf der Geschwindigkeits- messung, zur räumlichen Kodierung erweitert, wobei eine eindeutige Zuweisung der Parti- keltrajektorien zum entsprechenden Querschnittsgebiet der Förderleitung getroffen werden kann.The arrangement of electrodes at equidistant intervals for determining the velocity of the medium being conveyed is thus in the invention by a suitable arrangement of further sensors, e.g. Electrodes upstream of the velocity measurement, extended for spatial coding, whereby a clear assignment of the particle trajectories to the corresponding cross-sectional area of the delivery line can be made.
Wie in Fig. 4 gezeigt, ist es im einfachsten Fall möglich, mit zwei zusätzlichen, schräg zur Flussrichtung gestellten Messebenen ein Profil der Materialgeschwindigkeit über dem Rohrleitungsquerschnitt zu bestimmen. Die Positionen bzw. Trajektorien der Partikel können durch die Kodierung in den beiden Messebenen eindeutig bestimmt werden, wie dies in der Fig. 5 in den Zeitsignalen für zwei Partikelpositionen verdeutlicht ist. ΔI ist beispielsweise die Änderung des Lichtstroms, im Allgemeinen der Signalintensität. Eine Kodierung wird bei dem in Fig. 4 gezeigten Ausfuhrungsbeispiel mit Hilfe optischer Messprinzipien, nämlich Lichtquellen 5, 6 und Photodetektoren 7, 8 realisiert. Es wird entweder die Abschattung der beförderten Partikel (Durchlichtverfahren) oder die Rückstreuung von Licht durch Partikel (Streulichtverfahren) ausgewertet. In dem zweckmäßigen Aufbau nach Fig. 4 sind dem äquidistanten Abschnitt von Messaufnehmern, dem ersten Sensorarray SAl, zwei weitere, schräg angeordnete Ebenen, die im Leitungsquerschnitt gesehen um 90° gegeneinander verdreht sind, als zweites Sensorarray SA2 nachgeschaltet. In b) der Fig. 4 ist strichliert ein optisches Gitter 9 eingezeichnet, das in dem Strahlengang zwischen der Lichtquelle 5 und dem Photodetektor 7 angeordnet ist. Eine solche Anordnung aus einer einzigen Lichtquelle und einem einzigen Photodetektor in Verbindung mit einem Strichgitter kann sowohl als erstes als auch als zweites Sensorarray verwendet werden. Weiters kann sowohl für das erste als auch für das zweite Sensorarray an Stelle einer einzigen Lichtquelle ein Array von Lichtquellen, z.B. von Laserdioden, verwendet werden, ebenso wie entweder ein einziger Photodetektor zum Einsatz kommen kann, dem das Licht aller Lichtquellen eines Arrays zugeführt ist, oder ein Array von Photodetektoren.As shown in Fig. 4, it is possible in the simplest case, to determine a profile of the material velocity over the pipe cross-section with two additional, set to the flow direction measuring planes. The positions or trajectories of the particles can be uniquely determined by the coding in the two measurement planes, as illustrated in FIG. 5 in the time signals for two particle positions. For example, ΔI is the change in luminous flux, generally signal intensity. A coding is realized in the exemplary embodiment shown in FIG. 4 with the aid of optical measuring principles, namely light sources 5, 6 and photodetectors 7, 8. Either the shading of the transported particles (transmitted light method) or the backscattering of light by particles (scattered light method) is evaluated. In the expedient construction according to FIG. 4, the equidistant section of sensors, the first sensor array SA1, is followed by two further obliquely arranged planes, which are rotated by 90 ° relative to one another in the line cross section, as the second sensor array SA2. In b) of FIG. 4, an optical grating 9 is shown by dashed lines, which is arranged in the beam path between the light source 5 and the photodetector 7. Such an arrangement of a single light source and a single photodetector in conjunction with a grating can be used both as a first and as a second sensor array. Furthermore, an array of light sources, eg of laser diodes, can be used for both the first and the second sensor array instead of a single light source, just as either a single photodetector can be used, to which the light of all light sources of an array is fed. or an array of photodetectors.
Durch die Schrägstellung dieser Ebenen ändern sich zwangsläufig die Abstände zwischen den Ebenen für ein achsparallel befördertes Partikel. Die Zeitunterschiede Δty und Δtx im Zeitbereich wirken sich für unterschiedliche Partikeltrajektorien im Rohrquerschnitt in Form von Frequenzverschiebungen im Frequenzbereich aus und sind auf diese Weise messtechnisch erfassbar und auswertbar.Due to the inclination of these planes, the distances between the planes inevitably change for an axially parallel transported particle. The time differences Δt y and Δt x in the time domain have an effect on different particle trajectories in the pipe cross-section in the form of frequency shifts in the frequency domain and can be detected and evaluated in this way by measurement.
Die Partikelposition hinsichtlich der x- und y- Koordinaten kann bei einem Aufbau nach Fig. 4 berechnet werden aus:The particle position with regard to the x and y coordinates can be calculated in a structure according to FIG. 4 from:
Figure imgf000010_0001
Figure imgf000010_0001
mit dx und dy als Offset.with d x and d y as offset.
Es ist dabei unerheblich, ob der Rohrleitungsquerschnitt eine runde oder eine quadratische Geometrie aufweist.It is irrelevant whether the pipe cross-section has a round or a square geometry.
Aus Fig. 6 geht eine weitere Ausführungsform der Erfindung hervor, die stromab eines ersten Sensorarrays ein zweites Sensorarray SA2 in Form eines aufgefächerten Gitters zur Bestimmung der Partikelpositionen besitzt, wobei die Darstellungen b) und c) der Fig. 6 beispielhafte Messsignale für zwei unterschiedliche Partikeltrajektorien bzw. Partikel pl und p2 zeigen. Mit dmm und dmax ist der minimale bzw. maximale Abstand zwischen zwei Sensorelementen bezeichnet, mit ΔS die Änderung der Signalstärke.From Fig. 6 shows a further embodiment of the invention, the downstream of a first sensor array, a second sensor array SA2 in the form of a fanned-out grating to Determining the particle positions has, wherein the representations b) and c) of FIG. 6 show exemplary measurement signals for two different particle trajectories or particles pl and p2. With dmm and dmax the minimum or maximum distance between two sensor elements is designated, with ΔS the change of the signal strength.
An dieser Stelle sei auf eine in der Praxis nicht unwichtige Ausgestaltung der ersten bzw. zweiten Sensorarrays hingewiesen. Um bei Vorhandensein lediglich eines Ausgangssignals, wie dies z.B. bei kapazitiven Sensorelementen oft der Fall ist, eine Trennung der Ausgangssignale eines ersten von jenen eines zweiten Sensorarrays einfach vornehmen zu können, werden die entsprechenden Arrays so ausgelegt, dass sie Signale in unterschiedlichen, technisch leicht, z.B. mittels Bandpässen trennbare Frequenzbereichen liefern. Dies wird durch deutlich unterscheidbare Gitterabstände - Abstände der Sensorelemente - ermöglicht und Fig. 6 zeigt dies in augenscheinlicher Weise.Reference should be made to a not unimportant in practice embodiment of the first or second sensor array. In the presence of only one output signal, e.g. In the case of capacitive sensor elements, it is often the case to be able to easily separate the output signals of a first from those of a second sensor array, the corresponding arrays are designed so that they receive signals in different, technically easy, e.g. provide frequency bands separable by means of bandpasses. This is made possible by clearly distinguishable lattice spacings-spacings of the sensor elements-and FIG. 6 shows this in an obvious way.
Fig. 7 zeigt an Hand von zwei Diagrammen die spektrale Energieverteilung PSD für den Fall geringerer Geschwindigkeit und einer höheren Partikelkonzentration im unteren Rohrquerschnitt (Fig. 7a) bzw. für den Fall einer höheren Geschwindigkeit und einer höheren Partikelkonzentration im oberen Rohrquerschnitt (Fig. 7b).7 shows, with reference to two diagrams, the spectral energy distribution PSD for the case of lower velocity and a higher particle concentration in the lower tube cross section (FIG. 7a) or in the case of a higher velocity and a higher particle concentration in the upper tube cross section (FIG. 7b). ,
Wie in den Fig. 8 und 9 gezeigt, kann die gewünschte räumliche Kodierung durch eine eindeutige Sequenz breiter und schmaler Abstände von Messaufnehmern dem äquidistanten ersten Sensorarray SAl vor- und/ oder nachgeschaltet sein. Fig. 8 zeigt einen stromauf des ersten Sensorarrays legendes zweites Sensorarray SA2 und für vier Partikel pl, p2, p3 und p4 die entsprechenden Signale ΔC, wogegen in Fig. 9 eine Vorrichtung nach der Erfindung dargestellt ist, bei welcher sowohl stromauf des ersten Sensorarrays SAl als auch stromab von diesem ersten Sensorarray SAl je ein zweites Sensorarray SA2' und SA2" angeordnet ist.As shown in FIGS. 8 and 9, the desired spatial coding can be forward and / or downstream of the equidistant first sensor array SA1 by a unique sequence of wide and narrow distances of sensors. FIG. 8 shows a second sensor array SA2 laying upstream of the first sensor array and the corresponding signals ΔC for four particles p1, p2, p3 and p4, whereas FIG. 9 shows a device according to the invention in which both upstream of the first sensor array SA1 as well as downstream of this first sensor array SAl a second sensor array SA2 'and SA2 "is arranged.
Man erkennt, dass sich abhängig von der Position bzw. abhängig von der Trajektorie eines mit konstanter Geschwindigkeit durch den Messaufbau beförderten Feststoffpartikels pl...p4 geometriebedingt ein eindeutiges Signalmuster ergibt, das entsprechend der Geschwindigkeit in der Zeitachse gestaucht und gedehnt sein kann, wozu auf die Darstellungen der Fig. 8 und 9 unter b) verwiesen wird. Dieses Signalmuster erlaubt eine räumliche Detektion und somit die Bestimmung eines Geschwindigkeitsprofils.It can be seen that depending on the position or depending on the trajectory of a solid particle transported at a constant speed through the measuring structure pl ... p4 geometry results in a unique signal pattern that can be compressed and stretched according to the speed in the time axis, what to the illustrations of Fig. 8 and 9 under b) is referenced. This signal pattern allows a spatial detection and thus the determination of a velocity profile.
Unter Nutzung der Tatsache, dass kleine Partikel zu einer entsprechend geringen Erhöhung der Dielektrizitätszahl eines Einheitsvolumens beitragen, wogegen große Partikel einen höheren Einfluss auf die Dielektrizitätszahl und in der Folge auf das kapazitive Messsignal haben, lassen sich bei Kenntnis der Partikelpositionen und ihrer deterministischen Empfind- lichkeiten für die Anordnung der Messaufnehmer die Partikelgrößen und die Verteilung der Partikel bestimmen. Für optische Prinzipien hat die Partikelgröße ebenfalls einen Einfluss auf das Messsignal. Hier werden Abschattung oder Rückstreuung von der Größe der Partikel beeinflusst. Die Partikelhäufigkeiten bzw. deren Verteilung kann aus der Varianz der Messsignale geschätzt werden. Sowohl für optische als auch für kapazitive Messprinzipien liefert der Zusammenhang zwischen Signalamplituden, hervorgerufen durch strömende Partikel, und der Signalleistung des Messsignals eine zweckmäßige Bestimmung der Partikeldimensionen.Taking advantage of the fact that small particles contribute to a correspondingly small increase in the dielectric constant of a unit volume, whereas large particles have a greater influence on the relative permittivity and subsequently on the capacitive measurement signal, knowledge of the particle positions and their deterministic sensitivity can be used. For the arrangement of the sensors, the particle sizes and the distribution of the particles can be determined. For optical principles, the particle size also has an influence on the measurement signal. Here shading or backscattering is influenced by the size of the particles. The particle frequencies or their distribution can be estimated from the variance of the measurement signals. For both optical and capacitive measurement principles, the relationship between signal amplitudes caused by flowing particles and the signal power of the measurement signal provides a useful determination of the particle dimensions.
Fig. 10 zeigt den oben bereits mehrfach beschriebenen Messablauf mit einer Vorrichtung nach der Erfindung nochmals an Hand eines prinzipiellen Ablauf diagramms. Unter „Analyse Frequenzbereich 1 bzw. Frequenzbereich 2" ist die mögliche Aufspaltung der Frequenzbereiche zu verstehen, wie sie weiter oben in Zusammenhang mit Fig. 5 bereits erläutert wurde.Fig. 10 shows the measuring procedure already described several times above with a device according to the invention again with reference to a basic flow chart. "Analysis frequency range 1 or frequency range 2" is to be understood as the possible splitting of the frequency ranges, as has already been explained above in connection with FIG. 5.
Um eine Plausibilitätsprüfung zu implementieren, ist es auch möglich, eine weitere, redundante stromab liegende Ebene mit einer zweiten Vorrichtung gemäß der Erfindung vorzusehen, d.h. eine Verdopplung vorzunehmen und eine Korrelation zwischen stromaufwärts und stromabwärts liegenden Ebenen zu berechnen. Für den Fall stark turbulenter Strömung und Partikeltrajektorien, die besonders von einer achsparallelen Bahn abweichen ist das Korrelationsergebnis sehr schlecht und kann verworfen werden Wenngleich die Strömung im allgemeinen innerhalb einer Leitung mit geschlossenem Querschnitt geführt sein wird, ist die Erfindung auch auf nicht allseitig begrenzte Strömungen anwendbar, wie auf einen an der Oberseite offenen Kanal oder auf einen Abschnitt einer nicht im engeren Sinn begrenzten Strömung, wie einer Meeresströmung. Ebenso ist es für das erfindungsgemäße Messprinzip belanglos, welche Sensoren in den Sensorarrays verwendet werden, wobei auch das Messprinzip des ersten Sensorarrays ein anderes sein kann, als jenes des zweiten Sensorarrays. Die Erfindung ist natürlich nicht auf optische oder kapazitive Messprinzipien eingeschränkt, sondern es können in Abhängigkeit von Größe und Dichte der „Partikel" zu deren Erfassung in ersten und zweiten Sensorarrays beispielsweise auch Gamma- oder Beta-Strahlen eingesetzt werden oder auch Ultraschall. In order to implement a plausibility check, it is also possible to provide a further, redundant downstream level with a second device according to the invention, i. do a duplication and calculate a correlation between upstream and downstream levels. In the case of highly turbulent flow and particle trajectories, which deviate especially from an axis-parallel orbit, the correlation result is very poor and can be discarded. Although the flow will generally be guided within a closed cross-sectional conduit, the invention is applicable to non-all-sided flows , such as a channel open at the top, or a portion of a stream which is not narrowly defined, such as a sea current. Likewise, it is irrelevant for the measuring principle according to the invention which sensors are used in the sensor arrays, wherein the measuring principle of the first sensor array may be different from that of the second sensor array. Of course, the invention is not limited to optical or capacitive measuring principles, but depending on the size and density of the "particles" for their detection in first and second sensor arrays, gamma or beta rays can also be used, for example, or ultrasound.

Claims

ANSPRÜCHE
1. Vorrichtung zum Bestimmen von Strömungsparametern einer Partikel - Fluidum - Strömung, mit einem auf Partikel ansprechenden Sensorarray (SAl) , welches in Ebenen normal/ schräg zur Strömungsrichtung (z) eine äquidistante Teilung aufweist, sowie mit einer Auswerteeinheit (4) , welcher die auf Partikeldurchgänge zurückzuführenden Signale (e) der Sensoreinheit zugeführt sind und die zur Ermittlung einer Partikelgeschwindigkeit auf Basis dieser Signale eingerichtet ist,A device for determining flow parameters of a particle fluid flow, with a particle - responsive sensor array (SAl) which has an equidistant division in planes normal / oblique to the flow direction (z), and with an evaluation unit (4) which controls the signals due to particle passages (e) are supplied to the sensor unit and that is arranged to detect a particle velocity on the basis of these signals,
dadurch gekennzeichnet, dasscharacterized in that
zusätzlich zu dem ersten Sensorarray (SAl) ein zweites Sensorarray (SA2; SA2', SA2") vorgesehen ist, welches innerhalb von Ebenen normal/ schräg zur Strömungsrichtung eine unterschiedliche Teilung aufweist, und deren Signale gleichfalls der Auswerteeinrichtung (4) zugeführt sind, welche dazu eingerichtet ist, aus den ihr von beiden Arrays zugeführten Signalen eine Partikelgeschwindigkeit als Funktion des Ortes in Ebenen senkrecht zur Strömungsrichtung zu ermitteln.a second sensor array (SA2, SA2 ', SA2 ") is provided in addition to the first sensor array (SA1), which has a different pitch within planes normal / oblique to the flow direction, and whose signals are likewise fed to the evaluation device (4) is configured to determine from the signals supplied to it by both arrays a particle velocity as a function of the location in planes perpendicular to the flow direction.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und das zweite Sensorarray (SAl, SA2) in Strömungsrichtung gesehen in Abstand voneinander angeordnet sind.2. Apparatus according to claim 1, characterized in that the first and the second sensor array (SAl, SA2) are seen in the flow direction spaced from each other.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und/ oder das zweite Sensorarray (SA2; SA2', SA2") als Elektrodenarray innerhalb und/ oder außerhalb der Strömung ausgebildet ist.3. Device according to claim 1, characterized in that the first and / or the second sensor array (SA2, SA2 ', SA2 ") is formed as an electrode array inside and / or outside the flow.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und/ oder zweite Sensorarray ein optisches Gitter (9) aufweist, welches ebenso wie ein Strömungsabschnitt im Strahlengang zwischen einer Lichtquelle (5, 6) und einem Fotodetektors (7, 8) liegt.4. Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the first and / or second sensor array comprises an optical grating (9) which, like a flow section in the beam path between a light source (5, 6) and a photodetector (7 , 8).
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und/ oder zweite Sensorarray ein Array von Lichtquellen aufweist, in deren Strahlengang ein Strömungsabschnitt sowie ein Photodetektor liegen.5. Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that the first and / or second sensor array comprises an array of light sources, in the beam path, a flow section and a photodetector are.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und/ oder zweite Sensorarray (SAl, SA2) ein Array von Fotodetektoren (7, 8) besitzt, welches von einer Lichtquelle ausgesandtes, einen Strömungsabschnitt durchsetzendes Licht auffängt.6. Device according to one of claims 1 to 5, characterized in that the first and / or second sensor array (SAl, SA2) has an array of photodetectors (7, 8) which from a light source emitted, a flow section passing through the light intercepts.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das erste das zweite Sensorarray (SAl, SA2) solche Teilungen aufweisen, dass die Ausgangssignale dieser Arrays in deutlich unterscheidbaren Frequenzbereichen liegen. 7. Device according to one of claims 1 to 6, characterized in that the first the second sensor array (SAl, SA2) have such divisions that the output signals of these arrays are in clearly distinguishable frequency ranges.
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