WO2012139554A2 - Verfahren zur messung der grössen von in einem fluidstrom dispergierten partikeln und anlage dafür - Google Patents

Verfahren zur messung der grössen von in einem fluidstrom dispergierten partikeln und anlage dafür Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a method for measuring the sizes of particles dispersed in a line following a fluid flow according to the preamble of claim 1 and to a system for measuring the sizes of particles dispersed in a line following fluid flow according to the preamble of claim 8.
  • DE 195 21 786 AI discloses a method for monitoring a particle flow in a conduit by periodic excitation. In this case, it is not measured directly in the gas-particle suspension, but instead a detector is connected by means of an opening to the line which conducts the fluid stream dispersed particles.
  • This method then takes a measurement of changes in the pressure of the excited fluid and not the signals representative of the particles.
  • the means for measuring signals consist of at least one pressure transducer or elements for measuring the electro-acoustic impedance. A direct measurement of the particle velocity and a use of an LDA are neither addressed nor suggested in the document.
  • US 2009/0323061 A1 describes a method for determining the size of nanoparticles using light scattering.
  • the present invention has and aims to provide a simple and reliable measurement of the sizes of particles dispersed in a fluid stream.
  • This object is achieved with a method for measuring the sizes of particles dispersed in a fluid stream according to claim 1 and a system for measuring the sizes of particles dispersed in a fluid stream according to claim 8.
  • a method of measuring the sizes of particles dispersed in a fluid conduit following a conduit wherein an acoustic vibration is imparted to the fluid-particle flow following the conduit as an excitation vibration and a response of the particles to the excitation vibration is measured; and wherein for determining the
  • Quantities of the particles is evaluated by comparing the excitation oscillation and the response vibration with respect to vibration velocity, vibration amplitude and / or phase shift.
  • the "diameter of a particle of equal sinking speed" is physically determined.
  • the response vibration of the particles is documented by measuring their vibration velocity.
  • the response vibration of the particles is documented by measuring their vibration amplitude.
  • the response vibration of the particles is documented by measuring the phase shift.
  • the response speed is measured with a laser Doppler anemometer.
  • the excitation and measurement of the vibrations of the particles take place at least substantially perpendicular to the flow direction of the fluid-particle stream. It can also be provided that the attenuation of the acoustic excitation oscillation in the fluid-particle suspension (in the fluid-particle aerosol, in the present documentation is generally referred to as a suspension even in the case of a gas-particle combination / dispersion) becomes.
  • the invention further provides a system for measuring the sizes of particles dispersed in a fluid conduit following a conduit, comprising:
  • Excitation means for imparting acoustic vibration as excitation vibration to the fluid-particle flow following the conduit
  • Detector means to measure a response vibration of the particles to the excitation vibration
  • Processing means for determining the sizes of the particles by comparison of the excitation oscillation and the response oscillation with respect to vibration velocity, oscillation amplitude and / or phase shift are designed to document the vibration velocity of the response vibration of the particles. Furthermore, it can be provided with preference and the same advantages, as stated above for the procedural embodiment, that the detector devices are designed to document the oscillation amplitude of the response oscillation of the particles. Yet another preferred embodiment is that the detector means are designed to document the phase shift of the response vibration of the particles. Furthermore, it is preferred if the detector devices include a laser Doppler anemometer for measuring the response speed.
  • excitation means and detector means are arranged such that excitation and measurement of the vibrations of the particles at least substantially perpendicular to the flow direction of the fluid id-particle flow. It may be further provided that means for measuring the attenuation of the acoustic exciter vibration in the fluid-particle suspension are included.
  • Fig. 2 is a graphical representation of the relation of on a
  • Fluid-particle suspension (a fluid-particle aerosol) as an excitation vibration of impressed sound vibration and a response vibration of the particles in the fluid-particle suspension made clear on it
  • Fig. 3 shows the relation of a fluid-particle suspension as
  • Fig. 4 shows the relation of a fluid-particle suspension as
  • Fig. 5 shows the relation of a fluid-particle suspension as
  • the underlying idea is to acoustically vibrate particles suspended in a fluid stream and to use these particle vibrations for particle size analysis.
  • the relative velocity v rel is the difference between the current (oscillating) exciter speed c and the (also oscillating) particle velocity u:
  • the measuring arrangement is shown schematically in a schematic diagram of a system 1 for measuring the sizes of particles dispersed in a fluid stream 2 (not shown) by means of an optical-acoustic measuring method.
  • a fluid-particle suspension (a fluid-particle aerosol, in the present documentation is generally referred to as a suspension in a gas-particle combination / dispersion) is in a flow direction 2 'of the fluid stream 2 in a line 3 in the form eg a straight pipe section is guided, at which a sound exciter 4 as excitation device E in the fluid flow direction 2 'in front of a laser Doppler anemometer (LDA) 5 is arranged as a detector device D.
  • LDA laser Doppler anemometer
  • the sound generator 4 is impressed by the design and arrangement of the fluid-particle suspension at least substantially perpendicular to the fluid flow direction 2 'sound of a certain frequency and energy as exciter oscillation.
  • the sound propagates at the speed of sound c s (approx.
  • the design and arrangement tion of sound generator 4 and LDA 5 is set or adjustable so that the impingement of the sound on the fluid-particle suspension by the sound generator 4, ie the excitation oscillation, in a spatial measuring range or measuring field 6 of the LDA 5 is effective.
  • the sound generator 4 can also be arranged behind the LDA 5 in the fluid flow direction 2 'if it is ensured or can be supported that the impact of the sound on the fluid-particle suspension is counteracted by the inclination Fluid flow direction 2 'by the angle ⁇ corresponding to the deflection of the sound due to the flow velocity v s of the fluid-particle suspension.
  • processing devices V for determining the sizes of the particles by comparing the excitation oscillation and the response oscillation in terms of oscillation velocity, oscillation amplitude and / or phase shift that is, in that for the purpose of determining the sizes of the particles, an evaluation is carried out by comparing the excitation oscillation and the response oscillation with respect to oscillation speed, oscillation amplitude and / or phase shift.
  • an attenuation measuring device A may be provided which serves to determine the attenuation of the acoustic excitation oscillation in the fluid-particle suspension (the fluid-particle aerosol) and in the determination of the variables in FIG Fluid flow to be considered 2 dispersed particles.
  • FIG. 2 schematically shows the behavior to be expected and to be determined with the LDA 5 based on the excitation oscillation of the sound generator 4 and the response vibration of the particles.
  • the response vibration of the particles is dependent on their mass, the excitation frequency and the sound pressure phase-shifted and with reduced vibration velocity.
  • the vibration velocity v of air and of particles is plotted against the phase angle a.
  • the phase shift angle ⁇ and the swing speed difference ⁇ can be seen between the excitation vibration velocity of air and the response velocity of particles.
  • FIGS. 4 and 5 show the same situation for an excitation frequency of 100 Hz and 20 kHz.
  • the particle size determined in this way depends only on the parameters viscosity of the gas r ⁇ c , solid density p s and the speed of the excitation sound v 0 .
  • the first condition is easy to estimate. Is from a typical solids loading of the gas from 0, 1 kg / m 2 and a solid consistency of 2 kg / 1 assumed as a volume concentration is from 5 x 10 '5. It follows the mean free Wegrän ⁇ ge / to
  • the smallest possible measuring volume of the LDA must be ensured. This will be possible with small focal lengths, which is also advantageous in terms of sound attenuation.
  • the resolution of the LDA to be fulfilled in each case can be easily determined taking into account u ⁇ 10 ⁇ 4 m / s, frequency-dependent about 10 4 measurements per second. For example, it is possible to work with a time interval of 0.5 * 10 "4 s at 100 Hz, 10 " 6 s at 20 kHz.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Größen von in einem einer Leitung (3) folgenden Fluidstrom (2) dispergierten Partikeln, wobei dem der Leitung (3) folgenden Fluid-Partikel-Strom eine akustische Schwingung als Erregerschwingung aufgeprägt wird und eine Antwortschwingung der Partikel auf die Erregerschwingung gemessen wird, und wobei zur Ermittlung der Größen der Partikel eine Auswertung durch Vergleich der Erregerschwingung und der Antwortschwingung hinsichtlich Schwinggeschwindigkeit, Schwingungsamplitude und/oder Phasenverschiebung erfolgt. Ferner betrifft die Erfindung eine Anlage zur Messung der Größen von in einem einer Leitung (3) folgenden Fluidstrom dispergierten Partikeln, enthaltend: Erregereinrichtungen (E), um dem der Leitung (3) folgenden Fluid-Partikel-Strom eine akustische Schwingung als Erregerschwingung aufzuprägen, Detektoreinrichtungen (D), um eine Antwortschwingung der Partikel auf die Erregerschwingung zu messen, und Verarbeitungseinrichtungen (V) zur Ermittlung der Größen der Partikel durch Vergleich der Erregerschwingung und der Antwortschwingung hinsichtlich Schwinggeschwindigkeit, Schwingungsamplitude und/oder Phasenverschiebung.

Description

Verfahren zur Messung der Größen von in einem Fluidstrom
dispergierten Partikeln und Anlage dafür
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Größen von in einem einer Leitung folgenden Fluidstrom dispergierten Partikeln nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Anlage zur Messung der Größen von in einem einer Leitung folgen- den Fluidstrom dispergierten Partikeln nach dem Oberbegriff des Anspruchs 8.
Seit etwa 20 Jahren gibt es Bestrebungen, die Partikelgrößenverteilung in Prozessen insbesondere online zu messen. Aus der Pra- xis bekannte Verfahren sind die Laserbeugung (Malvern, Hosokawa- Alpine bzw. Xoptis LTD, siehe xoptix.co.uk) und die Lichtstreuung (Dantec Dynamics, siehe DantecDynamics.com). Die Laserbeugung ist kein echtes Online-Verfahren, denn sie bedarf der Probenahme eines Teilstromes aus dem Prozess. Damit einhergehend ist eine Ka- librierung erforderlich. Die Nutzung der Lichtstreuung wird, als zusätzliches "Hilfsmittel", auch bei Laserbeugern eingesetzt. Ob sich mit diesem Prinzip alleine die Bestimmung der Korngrößenverteilung verlässlich in einem weiten Bereich der Konzentration und der Partikelgröße realisieren lässt, ist jedoch fraglich. Erfah- rungsberichte über den Einsatz entsprechender Geräte sind nicht bekannt .
Die DE 195 21 786 AI offenbart ein Verfahren zum Überwachen eines Partikelstromes in einer Leitung durch periodische Erregung. Da- bei wird nicht direkt in der Gas-Partikel-Suspension gemessen, sondern ein Detektor ist mittels einer Öffnung mit der den Fluidstrom dispergierten Partikeln führenden Leitung verbunden. Bei
Bestätigungskopie| diesem Verfahren erfolgt dann eine Messung von zu Änderungen des Druckes des erregten Fluids und nicht der der Partikel repräsentativen Signalen. Die Einrichtungen zur Messung von Signalen bestehen aus wenigstens einem Druckaufnehmer oder Elementen zum Messen der elektro-akustischen Impedanz. Eine direkte Messung der Partikelgeschwindigkeit sowie eine Verwendung eines LDAs sind in der Druckschrift weder angesprochen noch angeregt.
In der US 2009/0323061 AI ist ein Verfahren zur Ermittlung der Größe von Nanopartikeln unter Nutzung der Lichtstreuung beschrieben .
In dem Artikel "Laser detection of sound" von Vignola et al., in: The Journal of the Acoustical Society America, Vol. 90, 1991, No. 3, S. 1275-1286, - ISSN: 0,001-4966, wird die Messung von Turbulenzen in Fluiden diskutiert. Hierzu werden Tracer-Partikel benutzt, die aufgrund ihrer "Kleinheit" den Turbulenzen nahezu verzögerungsfrei folgen. Mithilfe einer LDA-Messung werden Richtung und Geschwindigkeit der Tracer-Partikel bestimmt. Zur Simulation einer turbulenten Strömung in Wasser wird eine stehende Schallwelle benutzt. Dies hat für den Autor den Vorteil, das turbulente "Strömungsfeld" zu kennen und damit Aussagen treffen zu können, inwieweit Tracer-Partikel der turbulenten Strömung tatsächlich folgen. Im Unterschied zu dem technischen Gebiet der vorliegenden Erfindung gibt es aber bei dieser bekannten Technologie weder einen einer Leitung folgenden Fluidstrom, noch erfolgt eine Befas- sung mit der Ermittlung von Partikelgrößen.
Die in dem Artikel "Flow Tracing Fidelity of Scattering Aerosol in Laser Doppler Velocimetrie" , Mazumder et al., in: Applied Op- tics, Vol. 14, 1975, No. 4, S. 894 - 901, behandelte Technik be- fasst sich mit ähnlicher Aufgabenstellung und Lösung, wie die Technologie gemäß der vorstehend behandelten Publikation von Vig- nola et al., allerdings wird als Fluid Luft benutzt. Im Hinblick auf das vorliegend betroffene technische Gebiet geht Mazumder et al . nicht über Vignola et al. hinaus.
Die vorliegende Erfindung hat und erreicht das Ziel, eine einfache und verlässliche Messung der Größen von in einem Fluidstrom dispergierten Partikeln zu schaffen. Dieses Ziel wird mit einem Verfahren zur Messung der Größen von in einem Fluidstrom dispergierten Partikeln nach dem Anspruch 1 und einer Anlage zur Messung der Größen von in einem Fluidstrom dispergierten Partikeln nach dem Anspruch 8 erreicht. Gemäß der Erfindung wird somit ein Verfahren zur Messung der Größen von in einem einer Leitung folgenden Fluidstrom dispergierten Partikeln geschaffen, wobei dem der Leitung folgenden Fluid- Partikel-Strom eine akustische Schwingung als Erregerschwingung aufgeprägt wird und eine AntwortSchwingung der Partikel auf die Erregerschwingung gemessen wird, und wobei zur Ermittlung der
Größen der Partikel eine Auswertung durch Vergleich der Erregerschwingung und der Antwortschwingung hinsichtlich Schwinggeschwindigkeit, Schwingungsamplitude und/oder Phasenverschiebung erfolgt .
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird in anderen Worten und im Unterschied zum gesamten Stand der Technik physikalisch der "Durchmesser eines Partikels gleicher Sinkgeschwindigkeit" ermittelt. Dabei erfolgt eine Anregung des Partikelkollektives mittels einer akustischen Erregerschwingung und Messung der Antwortschwingung in einem Fluidstrom, also nicht in einem ruhenden Fluid. Vorteilhafterweise kann weiter vorgesehen sein, dass die Antwortschwingung der Partikel durch Messung ihrer Schwinggeschwindigkeit dokumentiert wird. Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung be- steht darin, dass die Antwortschwingung der Partikel durch Messung ihrer Schwingungsamplitude dokumentiert wird. Es kann ferner mit Vorteil vorgesehen sein, dass die Antwortschwingung der Partikel durch Messung der Phasenverschiebung dokumentiert wird. Noch weiter kann mit Vorzug vorgesehen sein, dass die Antwortge- schwindigkeit mit einem Laser-Doppler-Anemometer gemessen wird. Weiterhin ist es bevorzugt, wenn die Erregung und Messung der Schwingungen der Partikel zumindest im Wesentlichen senkrecht zur Strömungsrichtung des Fluid-Partikel-Stroms erfolgen. Es kann ferner vorgesehen sein, dass die Abschwächung der akustischen Erregerschwingung in der Fluid-Partikel-Suspension (in dem Fluid-Partikel-Aerosol; in den vorliegenden Unterlagen wird generell von einer Suspension auch bei einer Gas-Partikel-Kombination/Dispersion gesprochen) berücksichtigt wird.
Durch die Erfindung wird ferner eine Anlage zur Messung der Größen von in einem einer Leitung folgenden Fluidstrom dispergierten Partikeln geschaffen, enthaltend:
Erregereinrichtungen, um dem der Leitung folgenden Fluid- Partikel-Strom eine akustische Schwingung als Erregerschwingung aufzuprägen,
Detektoreinrichtungen, um eine Antwortschwingung der Partikel auf die Erregerschwingung zu messen, und
Verarbeitungseinrichtungen zur Ermittlung der Größen der Par- tikel durch Vergleich der Erregerschwingung und der Antwortschwingung hinsichtlich Schwinggeschwindigkeit, Schwingungsamplitude und/oder Phasenverschiebung. Eine vorzugsweise Weiterbildung davon besteht darin, dass die Detektoreinrichtungen ausgelegt sind, um die Schwinggeschwindigkeit der Antwortschwingung der Partikel zu dokumentieren. Weiterhin kann mit Vorzug und denselben Vorteilen, wie oben zur verfahrensmäßigen Ausgestaltung angegeben ist, vorgesehen sein, dass die Detektoreinrichtungen ausgelegt sind, um die Schwingungsamplitude der Antwortschwingung der Partikel zu dokumentieren. Noch eine weitere vorzugsweise Ausgestaltung besteht darin, dass die Detek- toreinrichtungen ausgelegt sind, um die Phasenverschiebung der Antwortschwingung der Partikel zu dokumentieren. Ferner ist es bevorzugt, wenn die Detektoreinrichtungen ein Laser-Doppler- Anemometer zur Messung der Antwortgeschwindigkeit enthalten. Noch eine andere vorzugsweise Ausgestaltung besteht darin, dass die Erregereinrichtungen und Detektoreinrichtungen derart angeordnet sind, dass Erregung und Messung der Schwingungen der Partikel zumindest im Wesentlichen senkrecht zur Strömungsrichtung des Flu- id-Partikel-Stroms erfolgen. Es kann noch weiter vorgesehen sein, dass Einrichtungen zur Messung der Abschwächung der akustischen Erregerschwingung in der Fluid-Partikel-Suspension enthalten sind.
Weitere bevorzugte und/oder vorteilhafte Ausgestaltungen der Er- findung und ihrer einzelnen Aspekte ergeben sich aus Kombinationen der abhängigen Ansprüche sowie aus den gesamten vorliegenden Anmeldungsunterlagen .
Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung lediglich exemplarisch näher erläutert, in der Fig. 1 in einer Prinzipskizze eine Anlage zur Messung der Größen von in einem Fluidstrom dispergierten Partikeln zeigt,
Fig. 2 eine graphische Darstellung der Relation von auf eine
Fluid-Partikel-Suspension (ein Fluid-Partikel-Aerosol) als Erregerschwingung aufgeprägter Schallschwingung und einer Antwortschwingung der Partikel in der Fluid- Partikel-Suspension darauf verdeutlicht,
Fig. 3 die Relation von auf eine Fluid-Partikel-Suspension als
Erregerschwingung aufgeprägter Schallschwingung mit einer Frequenz von 5 kHz und Antwortschwingungen von Partikeln verschiedener Größen in der Fluid-Partikel-Suspension zeigt,
Fig. 4 die Relation von auf eine Fluid-Partikel-Suspension als
Erregerschwingung aufgeprägter Schallschwingung mit einer Frequenz von 0,1 kHz und Antwortschwingungen von Partikeln verschiedener Größen in der Fluid-Partikel-Suspension zeigt, und
Fig. 5 die Relation von auf eine Fluid-Partikel-Suspension als
Erregerschwingung aufgeprägter Schallschwingung mit einer Frequenz von 20 kHz und Antwortschwingungen von Partikeln verschiedener Größen in der Fluid-Partikel-Suspension zeigt .
Anhand der nachfolgend beschriebenen und in den Zeichnungen dar- gestellten Ausführungs- und Anwendungsbeispiele wird die Erfindung lediglich exemplarisch näher erläutert, d.h. sie ist nicht auf diese Ausführungs- und Anwendungsbeispiele beschränkt. Verfahrens- und Vorrichtungsmerkmale ergeben sich jeweils analog auch aus Vorrichtungs- bzw. Verfahrensbeschreibungen.
Einzelne Merkmale, die im Zusammenhang mit einem konkreten Ausführungsbeispiel angeben und/oder dargestellt sind, sind nicht auf dieses Ausführungsbeispiel oder die Kombination mit den übrigen Merkmalen dieses Ausführungsbeispiels beschränkt, sondern können im Rahmen des technisch Möglichen, mit jeglichen anderen Varianten, auch wenn sie in den vorliegenden Unterlagen nicht ge- sondert behandelt sind, kombiniert werden.
Gleiche Bezugszeichen in den einzelnen Figuren und Abbildungen der Zeichnung bezeichnen gleiche oder ähnliche oder gleich oder ähnlich wirkende Komponenten. Anhand der Darstellungen in der Zeichnung werden auch solche Merkmale deutlich, die nicht mit Bezugszeichen versehen sind, unabhängig davon, ob solche Merkmale nachfolgend beschrieben sind oder nicht. Andererseits sind auch Merkmale, die in der vorliegenden Beschreibung enthalten, aber nicht in der Zeichnung sichtbar oder dargestellt sind, ohne wei- teres für einen Fachmann verständlich.
Die zu Grunde liegende Idee ist, in einem Fluidstrom suspendierte Partikel akustisch zum Schwingen anzuregen und diese Partikelschwingungen zur Korngrößenanalyse zu nützen. Die Koppelung der Erregerschwingung (= Schall) und der damit erzeugten Partikelschwingungen wird physikalisch durch das Gleichgewicht Schlepp¬ kraft Fs der Strömung plus Massenträgheitskraft FT dargestellt:
FS + FT = 0 ( 1 )
Die Schleppkraft der Strömun ist gegeben durch
Figure imgf000009_0001
wobei :
pc Feststoffdichte
vre! Relativgeschwindigkeit der Partikelschwingung
dp Durchmesser der Partikel
c Widerstandsbeiwert mit
24
c.„ =■
Re
wobei :
Re Reynoldszahl für laminare Umströmung der Partikeln. Diese ist gegeben für Rey- noldszahlen Re < 1 mit
Rc=dp-V-'-pc (4) wobei:
?C Viskosität des Gases
Die Massenträgheitskraft erhält man zu
d · 71
FT=^—.ps.b (5)
o
wobei:
ps Feststoffdichte
b Beschleunigung mit b=^ (6)
dt
Die Relativgeschwindigkeit vrel ist dabei die Differenz zwischen der aktuellen (oszillierenden) Erregergeschwindigkeit c und der (ebenfalls oszillierenden) Partikelgeschwindigkeit u:
vrel=c-u (7)
Nach Einsetzen und Umformen erhält man daraus dv r,el
= ~Cd-vrel (8)
dt
wobei :
Figure imgf000011_0001
Die Gleichung (8) ist nicht geschlossen lösbar, sie kann aber in eine Fourierreihe entwickelt oder numerisch gelöst werden. Letzteres ist der Weg, der vorliegend gegangen wurde.
In der Fig. 1 ist die Messanordnung schematisch in einer Prinzip- skizze einer Anlage 1 zur Messung der Größen von in einem Fluid- strom 2 dispergierten Partikeln (nicht dargestellt) mittels eines ein optisch-akustischen Messverfahrens gezeigt.
Eine Fluid-Partikel-Suspension (ein Fluid-Partikel-Aerosol; in den vorliegenden Unterlagen wird generell von einer Suspension auch bei einer Gas-Partikel-Kombination/Dispersion gesprochen) wird in einer Strömungsrichtung 2' des Fluidstroms 2 in einer Leitung 3 in Form z.B. eines geraden Rohrstückes geführt, an der ein Schallerreger 4 als Erregereinrichtung E in der Fluidstrom- Strömungsrichtung 2' vor einem Laser-Doppler-Anemometer (LDA) 5 als Detektoreinrichtung D angeordnet ist.
Über den Schallerreger 4 wird durch dessen Auslegung und Anordnung der Fluid-Partikel-Suspension zumindest im Wesentlichen senkrecht zu deren Fluidstromströmungsrichtung 2' Schall einer gewissen Frequenz und Energie als Erregerschwingung aufgeprägt. Der Schall breitet sich mit der Schallgeschwindigkeit cs (ca.
340 m/s in Luft) aus und wird entsprechend der Strömungsgeschwindigkeit vs der Fluid-Partikel-Suspension um den Winkel φ in Flu- idstromströmungsrichtung 2' abgelenkt. Die Auslegung und Anord- nung von Schallerreger 4 und LDA 5 ist so eingestellt oder einstellbar, dass die Aufprägung des Schalls auf die Fluid-Partikel- Suspension durch den Schallerreger 4, also die Erregerschwingung, in einem räumlichen Messbereich oder Messfeld 6 des LDAs 5 wirk- sam ist.
Entsprechend kann der Schallerreger 4 in der Fluidstromströmungs- richtung 2 ' auch hinter dem LDA 5 angeordnet sein, wenn dabei dafür Sorge getragen ist oder getragen werden kann, dass die Auf- prägung des Schalls auf die Fluid-Partikel-Suspension unter einer Neigung entgegen der Fluidstromströmungsrichtung 2' um den Winkel φ entsprechend der Ablenkung des Schalls infolge der Strömungsgeschwindigkeit vs der Fluid-Partikel-Suspension erfolgt. Für die Ablenkung des Schalls gilt tan<p = ^- (10) wobei:
vs Strömungsgeschwindigkeit der Fluid-Partikel-Suspension
cs Schallgeschwindigkeit
Durch die Aufprägung des Schalls auf die Fluid-Partikel-Suspension, also die Erregerschwingung, werden die Partikel in dem Schallfeld zu einer "Antwortschwingung" angeregt. Die Schwinggeschwindigkeit u dieser Antwortschwingung der Partikel in der Flu- id-Partikel-Suspension (in dem Fluid-Partikel-Aerosol) wird mit dem Laser-Doppler-Anemometer 5 gemessen.
Weiterhin gibt es noch Verarbeitungseinrichtungen V zur Ermittlung der Größen der Partikel durch Vergleich der Erregerschwin- gung und der Antwortschwingung hinsichtlich Schwinggeschwindigkeit, Schwingungsamplitude und/oder Phasenverschiebung. D.h., dass zur Ermittlung der Größen der Partikel eine Auswertung durch Vergleich der Erregerschwingung und der Antwortschwingung hinsichtlich Schwinggeschwindigkeit, Schwingungsamplitude und/oder Phasenverschiebung erfolgt. Ferner kann vorzugsweise eine Ab- schwächmesseinrichtung A vorgesehen sein, die dazu dient, die Ab- schwächung der akustischen Erregerschwingung in der Fluid-Parti- kel-Suspension (dem Fluid-Partikel-Aerosol) zu ermitteln und bei der Bestimmung der Größen der in dem Fluidstrom 2 dispergierten Partikeln zu berücksichtigen.
Die Daten-, Signal- und/oder Informationsübertragung zwischen einerseits der Erregereinrichtung E und Detektoreinrichtung D sowie ggf. Abschwächmesseinrichtung A und andererseits den Verarbeitungseinrichtungen V erfolgt beispielsweise über Kabel K.
Die Fig. 2 zeigt schematisch das zu erwartende und mit dem LDA 5 zu ermittelnde Verhalten anhand der Erregerschwingung von dem Schallerreger 4 und der Antwortschwingung der Partikel. Die Antwortschwingung der Partikel erfolgt abhängig von deren Masse, der Erregerfrequenz und dem Schalldruck phasenverschoben und mit reduzierter Schwinggeschwindigkeit. Auf der Ordinate des Diagramms ist die Schwinggeschwindigkeit v von Luft und von Partikeln aufgetragen über dem Phasenwinkel a. Zu sehen ist der Phasenveschie- bungswinkel Δα und die Schwinggeschwindigkeitsdifferenz Δν zwi- sehen der Erregerschwinggeschwindigkeit von Luft und der Antwortschwinggeschwindigkeit von Partikeln.
Mathematisch-physikalische Simulation Betrachtet man für sehr kleine Winkeländerungen (und damit sehr kleine Zeitabschnitte At) die Erregergeschwindigkeit c als jeweils konstant, so lässt sich Gleichung (8) abschnittsweise lösen:
Figure imgf000014_0001
ln vre, = -Cd - t + ln v0 (12)
wobei :
v0 Geschwindigkeit des Erregerschalls zur Zeit t = 0
(folgt aus der Randbedingung t - 0, vrei = vo ) oder, nach Umformen
v„, = e-C"-' - v0 (13) In der Fig. 3 ist das Ergebnis einer beispielhaften Berechnung für einen Feststoff der Dichte 2.700 g/1, Luft, eine Erregerfre¬ quenz f von 5 kHz, einen Schalldruck von 0,2 Pa (entsprechend etwa 70 db) sowie Partikelgrößen von 1, 5, 10 und 50 μπι angegeben. Auf der Ordinate ist die Schwinggeschwindigkeit über der Zeit t auf der Abszisse aufgetragen. Die Dimension der Schwinggeschwindigkeiten c (für Luft), ui (für Partikel der Größe 1 μπι) , u2 (für Partikel der Größe 5 μπι) , u3 (für Partikel der Größe 10 μπι) und • U (für Partikel der Größe 50 μπι) ist m/s, und die Dimension der Zeitachse ist s.
Wie die Graphik für das vorstehend erläuterte Zahlenbeispiel zeigt, schwingen "1 μm-Partikel" fast "im Gleichschritt" mit der Erregerschwingung. "5 μπι-Partikel" und "10 μm-Partikel" erscheinen noch aufgelöst, "50 μm-Partikel" sind nicht mehr von der Nulllinie unterscheidbar.
In den Fig. 4 und 5 ist die gleiche Situation für eine Erregerfrequenz von 100 Hz und 20 kHz gezeigt. In Fig. 4 ist die Dimension der Erregergeschwindigkeit c (für Luft), ui (für Partikel der Größe 1 μπι) , u2 (für Partikel der Größe 5 μιτί) , u3 (für Partikel der Größe 10 μπι) und u4 (für Partikel der Größe 50 μπι) in m/s und der Zeitachse t in s aufgetragen. In der Fig. 5 ist die Erregergeschwindigkeit c, die Partikelgeschwindigkeit ux (für Partikel der Größe 0,5 μπι) , u2 (für Partikel der Größe 1 μπι) , u3 (für Partikel der Größe 5 μπι) und u4 (für Partikel der Größe 10 μπι) in m/s und der Zeitachse t in s aufgetragen.
Dabei zeigt sich eine eindeutige Frequenzabhängigkeit der Auflö¬ sung: je niedriger die Frequenz, desto gröber (oder größer) die wahrnehmbaren Partikel und umgekehrt. Ins praktische übertragen heißt das, dass für enge Korngrößenverteilungen eine Messung mit einer Erregerfrequenz ausreicht oder ausreichen kann, während breite Korngrößenverteilungen vorteilhafterweise mit mehreren Frequenzen erfasst werden, was auch getaktet erfolgen kann. Praktische Umsetzung
In der Praxis ist die Erregergeschwindigkeit c als f(t) vorgegeben, die Partikelgeschwindigkeit u wird gemessen. Damit ist vrei eine bekannte Größe. Gesucht wird der Partikeldurchmesser dp . Hierzu muss Gleichung (12) mit (9) nach dp aufgelöst werden:
Figure imgf000015_0001
wobei:
t Zeitintervall Bei der Würdigung dieser Gleichung ist zu beachten, dass der An¬ satz aus der numerischen Lösung entlehnt ist, d.h., dass
ν„, (',) = < Μ ) " «(', ) (15)
wobei :
i Laufvariable Ansonsten würde Gleichung (15) bei u = umax zu Singularitäten führen. Alternativ kann, wie schon weiter oben erwähnt wurde, auch der Weg über eine Fourier-Analyse gegangen werden. Zu beachten ist weiterhin, dass in der Zeit alle Teilchen auch Geschwindigkeiten u < umax annehmen, also von gröberen Partikeln nicht a priori unterscheidbar sind. Dieses Problem kann gelöst werden, indem die erfassten Partikelgrößen über ein Filter Messkanälen zugeordnet werden. Dabei soll gelten, dass die kumulier- ten Messergebnisse im jeweils "feineren" Messkanal von allen gröberen Messergebnissen subtrahiert werden usw., so dass die Anteile feinerer Partikel aus den "gröberen" Messkanälen verschwinden. Aus der Anzahl der Messergebnisse je Kanal, dividiert durch die Gesamtheit der Ereignisse kann schließlich eine Partikelgrößen- Verteilung generiert werden.
Es wurde somit nachgewiesen, dass die so bestimmte Partikelgröße nur von den Parametern Viskosität des Gases r\c , Feststoffdichte ps sowie der Schnelle des Erregerschalls v0 abhängt.
Neben der Schallablenkung (wie oben beschrieben) kann auch die Schallabschwächung in der Fluid-Partikel-Suspension über die Ab¬ schwächmesseinrichtung A berücksichtigt werden. Dies kann recht einfach über die zusätzliche Messung des Schalldruckes an der dem Schallerreger 4 gegenüber- liegenden Seite der Leitung 3 bewerkstelligt werden, wobei entsprechend der Strömungsgeschwindigkeit vs der Fluid-Partikel-Suspension der Ablenkwinkel φ zu berück¬ sichtigen ist, um die korrekte Lage des Detektors zur Schalldruckmessung zu bestimmen oder einzustellen. Da die Schallab- Schwächung in der Fluid-Partikel-Suspension dem Quadrat der Entfernung proportional ist, kann auf die Schallintensität im Messbereich oder Messvolumen des LDAs geschlossen werden. Für die Konzentration der Partikel wird vorausgesetzt, dass sie nur so groß ist, dass die freie Beweglichkeit der Einzelteilchen oder Partikel nicht beeinträchtigt ist. Darüber hinaus wäre es ein idealer Zustand, wenn sich zum Zeitpunkt der Messung nur jeweils ein Teilchen im Messvolumen des LDAs befände.
Die erste Bedingung ist einfach abzuschätzen. Wird von einer typischen Feststoffbeladung des Gases von 0, 1 kg/m2 und einer Fest- stoffdichte von 2 kg/1 ausgegangen, so ergibt sich eine Volumenkonzentration von 5*10"5. Daraus folgt die mittlere freie Wegrän¬ ge / zu
1 = ^20000- dp «27 -dp (16) Damit ist im trockenen Inline-Betrieb die Forderung nach freier Beweglichkeit erfüllt.
Zur Erfüllung der zweiten Bedingung ist auf ein möglichst kleines Messvolumen der LDA zu achten. Das wird sich mit kleinen Brenn- weiten realisieren lassen, was im Übrigen auch hinsichtlich der Schallabschwächung vorteilhaft ist.
Die jeweils zu erfüllende Auflösung des LDAs kann einfach bestimmt werden unter Berücksichtigung von u ^ 10~4 m/s, frequenz- abhängig etwa 104 Messungen in der Sekunde. Beispielsweise kann mit einem Zeitintervall von 0,5*10"4 s bei 100 Hz, 10"6 s bei 20 kHz gearbeitet werden.
Die Erfindung ist anhand der Ausführungsbeispiele in der Be- Schreibung und in der Zeichnung lediglich exemplarisch dargestellt und nicht darauf beschränkt, sondern umfasst alle Variati- onen, Modifikationen, Substitutionen und Kombinationen, die der Fachmann den vorliegenden Unterlagen insbesondere im Rahmen der Ansprüche und der allgemeinen Darstellungen in der Einleitung dieser Beschreibung sowie der Beschreibung der Ausführungsbei- spiele entnehmen und mit seinem fachmännischen Wissen sowie dem Stand der Technik kombinieren kann. Insbesondere sind alle einzelnen Merkmale und Ausgestaltungsmöglichkeiten der Erfindung kombinierbar .
Bezugszeichenliste
1 Anlage zur Messung der Größen von in einem Fluidstrom dis- pergierten Partikeln
2 Fluidstrom
2' Fluidstromströmungsrichtung
3 Leitung
4 Schallerreger
5 Laser-Doppler-Anemometer (LDA)
6 Messfeld des LDAs
A Abschwächmesseinrichtung
D Detektoreinrichtung
E Erregereinrichtung
K Kabel
V Verarbeitungseinrichtungen

Claims

An sprüche
Verfahren zur Messung der Größen von in einem einer Leitung (3) folgenden Fluidstrom (2) dispergierten Partikeln, dadurch gekennzeichnet, dass dem der Leitung (3) folgenden Fluid-Partikel-Strom eine akustische Schwingung als Erregerschwingung aufgeprägt wird und eine Antwortschwingung der Partikel auf die Erregerschwingung gemessen wird, und dass zur Ermittlung der Größen der Partikel eine Auswertung durch Vergleich der Erregerschwingung und der Antwortschwingung hinsichtlich Schwinggeschwindigkeit, Schwingungsamplitude und/oder Phasenverschiebung erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Antwortschwingung der Partikel durch Messung ihrer Schwinggeschwindigkeit dokumentiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Antwortschwingung der Partikel durch Messung ihrer Schwingungsamplitude dokumentiert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antwortschwingung der Partikel durch Messung der Phasenverschiebung dokumentiert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antwortgeschwindigkeit mit einem Laser-Doppler-Anemometer (5) gemessen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erregung und Messung der Schwin- gungen der Partikel zumindest im Wesentlichen senkrecht zur Strömungsrichtung (21) des Fluid-Partikel-Stroms erfolgen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschwächung der akustischen Erregerschwingung in der Fluid-Partikel-Suspension berücksichtigt wird.
Anlage zur Messung der Größen von in einem einer Leitung (3) folgenden Fluidstrom (2) dispergierten Partikeln, dadurch gekennzeichnet, dass enthalten sind:
Erregereinrichtungen (E) , um dem der Leitung (3) folgenden Fluid-Partikel-Strom eine akustische Schwingung als Erregerschwingung aufzuprägen,
Detektoreinrichtungen (D) , um eine Antwortschwingung der Partikel auf die Erregerschwingung zu messen, und
Verarbeitungseinrichtungen (V) zur Ermittlung der Größen der Partikel durch Vergleich der Erregerschwingung und der Antwortschwingung hinsichtlich Schwinggeschwindigkeit, Schwingungsamplitude und/oder Phasenverschiebung.
Anlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektoreinrichtungen (D) ausgelegt sind, um die Schwinggeschwindigkeit der Antwortschwingung der Partikel zu dokumentieren .
Anlage nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektoreinrichtungen (D) ausgelegt sind, um die
Schwingungsamplitude der Antwortschwingung der Partikel zu dokumentieren . Anlage nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektoreinrichtungen (D) ausgelegt sind, um die Phasenverschiebung der Antwortschwingung der Partikel zu dokumentieren.
Anlage nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektoreinrichtungen (D) ein Laser- Doppler-Anemometer (5) zur Messung der Antwortgeschwindigkeit enthalten.
Anlage nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Erregereinrichtungen (E) und Detektoreinrichtungen (D) derart angeordnet sind, dass Erregung und Messung der Schwingungen der Partikel zumindest im Wesentlichen senkrecht zur Strömungsrichtung (2') des Fluid- Partikel-Stroms erfolgen.
Anlage nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass Einrichtungen (A) zur Messung der Abschwä- chung der akustischen Erregerschwingung in der Fluid-Parti- kel-Suspension enthalten sind.
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