AT505032B1 - Verfahren und vorrichtung zum ermitteln der förderparameter eines partikel führenden, durch eine leitung strömenden fluidums - Google Patents

Description

2 AT 505 032 B1

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Ermitteln der Förderparameter eines Partikel führenden, durch eine Leitung strömenden Fluidums, mit einer Elektrodenanordnung, die zumindest zwei Elektroden besitzt, wobei die Koppelkapazität zwischen zumindest zwei, am Umfangsbereich der Leitung gelegenen Elektroden gemessen wird und aus den Messwerten zumindest die Strömungsgeschwindigkeit erfasster Partikel ermittelt wird.

Ebenso bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung zum Ermitteln der Förderparameter eines Partikel führenden, durch eine Leitung strömenden Fluidums, mit einer am Umfangsbereich der Leitung gelegenen Elektrodenanordnung, die zumindest zwei Elektroden besitzt, einer Messeinrichtung zur Echtzeitmessung der Koppelkapazität zwischen den zumindest zwei Elektroden sowie mit einer Auswerteeinheit, welcher die von der Messeinrichtung gemessenen Messwerte zugeführt sind und die zur Ermittlung zumindest der Strömungsgeschwindigkeit erfasster Partikel eingerichtet ist.

Sensoren und Messgeräte für die Bestimmung von Förderparametern, wie beispielsweise der Fördergeschwindigkeit und der Materialkonzentration von Fördergut in Förderleitungen, sind aus dem Stand der Technik in einer Vielzahl von Ausführungsformen bekannt, wobei die angewandten Prinzipien, auf deren Basis Sensoren verwendet werden, dabei sehr unterschiedlich sind: Für eine kapazitive Füllstandsmessung beschreibt beispielsweise die DE 19949985 C2 einen geeigneten Sensor. Ein Aufbau, bestehend aus mehreren matrixförmig angeordneten Sensorfeldern, ist der DE 10008093 A1 zu entnehmen. Aus der DE 19916979 A1 ist ein Verfahren zur Füllstandsmessung mit einer Vielzahl nebeneinander entlang einer Füllstrecke angeordneter kapazitiver Sensoren bekannt. Auch in der EP 0760467 A1 wird eine Füllstandsmessung in einem Rohr mit Hilfe eines kapazitiven Verfahrens beschrieben.

Die Bestimmung der komplexen Dielektrizitätskonstante kann beispielsweise mit einer Vorrichtung von ineinander greifenden Randfeldelektroden erfolgen, wie dies in der DE 4131999 C2 geoffenbart ist.

Auch Verfahren und Vorrichtungen zur Bestimmung von Dichteprofilen in geschlossenen Fördervorrichtungen zählen zum Stand der Technik. Zu diesen Verfahren gehört die Klasse der „Elektrischen Kapazitäts-Tomografie'-Sensoren. Ein Beispiel ist in der EP 0326266 dargestellt, in der auch entsprechende Rekonstruktionsmethoden geoffenbart sind. Eine Vorrichtung zur kapazitiven Messung unter Verminderung von Streufeldeffekten ist in der DE 4442711 A1 beschrieben. Hier werden gesteuerte Hilfselektroden („active guarding“) verwendet, was allerdings einen entsprechend hohen schaltungstechnischen Aufwand mit sich bringt.

Zum Messen der Strömungsgeschwindigkeit eines Fördergutstromes sind viele Verfahren und entsprechende Vorrichtungen bekannt geworden. So beschreibt beispielsweise die DE 4025952 A1 die Messung der Strömungsgeschwindigkeit von feinkörnigen Schüttgütern in einer pneumatischen oder hydraulischen Suspension durch eine berührungslose Messung mit kapazitiven Sensoren. Dabei liegen an der Außenseite eines Messrohres zwei Geberelektroden einer Sensorelektrode einander räumlich gegenüber, wobei an die Geberelektroden eine Wechselspannung gegenphasig angelegt wird. Stromab oder stromauf davon sind nochmals zwei Geberelektroden und eine Sensorelektrode vorgesehen, wobei hier die Speisung mit einer anderen Frequenz erfolgt. Unter Verwendung phasenempfindlicher Gleichrichter und einer Signalverarbeitung durch Kreuzkorrelation werden statistische Fluktuationen erfasst und aus diesen wird auf die Fließgeschwindigkeit geschlossen.

Eine ähnliche Messanordnung mit zwei Elektrodenpaaren geht aus der DE 3909177 A1 als bekannt hervor. Verfahren und Vorrichtungen zur Bestimmung von Förderparametern durch Korrelations-Flussmessgeräte sind beispielsweise in „Cross-Correlation Flowmeters - Their Design and Application“, M. S. Beck, A. Plaskowski, IOP Publishing Ltd, 1987, beschrieben. 3 AT 505 032 B1

Das Dokument DE 40 25 841 A1 beschreibt die Messung der Massenkonzentration von Fördergut in Rohrleitungen mit Hilfe einer Bestimmung der Dielektrizitätszahl. Es werden dabei spezielle, nämlich geschlitzte in Teilelektroden geteilte Messelektroden verwendet. Die spezielle Elektrodenausbildung soll zu einer homogeneren Feldverteilung führen. Gemessen wird lediglich eine Kapazität, eine Frequenzauswertung, Geschwindigkeitsmessung oder die Anwendung einer Fouriertransformation sind durch das Dokument nicht geoffenbart.

Bei Durchflussmessungen nach Verfahren der oben angegebenen Art wird an zumindest zwei Stellen in Flussrichtung eine dielektrische Eigenschaft des Fördergutes bestimmt. Es ist erforderlich, dass diese dielektrische Eigenschaft an jeder Beobachtungsstelle zeitliche Fluktuationen aufweist, welche entweder natürlichen Ursprungs sein können, z. B. Konzentrationsschwankungen bei turbulenter Strömung, oder beabsichtigt eingebracht werden, z. B. durch Einspritzen eines anderen Mediums in den Fördergutstrom.

Andere Vorrichtungen bzw. Verfahren setzen die zusätzliche Anwendung von Magnetfeldern bzw. freien Ladungsträgern voraus. So beschreibt das Dokument JP 2004117011 ein elektromagnetisches Durchflussmessgerät, bei welchem mit Hilfe einer Spule ein Wechsel-Magnetfeld erzeugt wird. Auf Grund der Lorentzkraft wird auf bewegte Ladungsträger eine Kraft ausgeübt, welche der Geschwindigkeit proportional ist. Dies wiederum führt zwischen einem Elektrodenpaar zu einem Wechselspannungssignal, welches verstärkt und mittels einer Fouriertransformation ausgewertet wird, um eine mittlere Fördergeschwindigkeit anzeigen zu können. Nachteilig ist nicht nur der hohe Aufwand, bedingt durch die Notwendigkeit der Verwendung von Spulen einerseits und Elektroden andererseits, sondern auch der Umstand, dass dieses bekannte Verfahren geladene Partikel voraussetzt. Fluktuationen, ein Geschwindigkeitsprofil oder die Materialdichte sind mit dem bekannten Verfahren gleichfalls nicht erfassbar.

Magnetfelder zur Erzeugung von Signalen, welche für den Durchfluss in einem Rohr repräsentativ sind, werden auch bei der in der US 6 615 149 B1 (entsprechend WO 01/90702 A2) - zusätzlich zu Elektroden - verwendet. Auch hier erfolgt eine Signalverarbeitung durch Fouriertransformation.

Wird Material in Fördervorrichtungen transportiert, bildet sich in der Regel ein Geschwin-digkeits- und ein Partikelkonzentrationsprofil über dem Rohrquerschnitt aus. Die Abweichung von einem gleichmäßigen oder konstanten Profil ist besonders bei pneumatisch beförderten Material unter Dünnstrom Förderbedingungen in horizontalen und vertikalen Rohren zu erkennen. Um den Massenfluss durch die Fördervorrichtung in Mehr-Phasen-Strömungen zuverlässig bestimmen zu können, ist es notwendig, die beiden Strömungsparameter Geschwindigkeit und Materialdichte schnell und genau zu bestimmen.

Nachteilig an den oben beschriebenen bekannten Verfahren und Vorrichtungen ist der Umstand, dass Elektrodenanordnungen an entfernt voneinander gelegenen Stellen eines Rohres vorgesehen werden müssen, der Aufwand für die Mess- und Auswerteschaltungen hoch ist und ein Einbau in bestehende Förderanlagen aufwändig und kostspielig ist.

Eine Aufgabe der Erfindung liegt in der Schaffung eines Verfahrens bzw. einer entsprechenden Vorrichtung, welche mit geringem Aufwand besonders bei Dünnstrom-Förderbedingungen zuverlässige und der Praxis genügende Messwerte hinsichtlich der wesentlichen Förderparameter zu liefern vermag. Außerdem soll die Messung der Förderparameter unabhängig von der Strömungsrichtung, d. h. auch bei Umkehr der Flussrichtung möglich sein.

Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren der eingangs erwähnten Art gelöst, bei welchem erfindungsgemäß die Messwerte einer Kurzzeit-Fouriertransformation unterworfen werden und eine ausgewählte Anzahl n der erhaltenen Frequenzkomponenten aufsummiert wird, um einen Parti-kel-Geschwindigkeits- und/oder Dichtewert zu erhalten. 4 AT 505 032 B1

Ebenso wird die Aufgabe mit einer Vorrichtung der zu Beginn genannten Art gelöst, bei welcher erfindungsgemäß die Auswerteeinheit dazu eingerichtet ist, die Messwerte einer Kurzzeit-Fouriertransformation zu unterwerfen und eine ausgewählte Anzahl n der erhaltenen Frequenzkomponenten einer Summenbildung zu unterwerfen, um einen Partikel-Geschwindigkeits-und/oder Dichtewert zu erhalten.

Dank der Erfindung ist es prinzipiell möglich, in nur einer einzelnen, orthogonal zur Ausbreitungsrichtung der Strömung liegenden Messebene dielektrische Eigenschaften der Strömung aufzunehmen und durch Auswerten des Frequenzspektrums ein Partikel-Geschwindigkeitsprofil des Rohrquerschnittes zu ermitteln. Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt darin, dass sie keine zusätzlichen Spulen zur Erzeugung von Magnetfeldern benötigt und geladene Partikel keine Voraussetzung für die Messung sind.

Bei einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung ist es vorgesehen, dass einzelne Frequenzkomponenten vor dem Summieren gewichtet werden. Durch diese Gewichtung kann eine Anpassung an spezifische Gegebenheiten erreicht werden, wodurch einzelne Frequenzen bevorzugt, abgeschwächt oder überhaupt verworfen werden.

Vorteilhaft kann es auch sein, wenn aus der Anzahl der je Zeiteinheit auftretenden Messwerte die Partikeldichte in der Strömung ermittelt wird, wobei die Auswerteeinheit entsprechend ausgebildet ist.

Weiters kann vorgesehen sein, dass aus der Amplitude der auftretenden Messwerte eine Partikelgröße ermittelt wird. Aussagen über die Partikelgröße sind in vielen Fällen wichtig und auch hier wird die Auswerteeinheit entsprechend ausgebildet.

Eine andere zweckmäßige Ausführung zeichnet sich dadurch aus, dass bei mehreren, zumindest längs eines Leitungsumfanges verteilten Elektroden durch Auswertung der Messung an unterschiedlichen Elektrodenpaaren ein Geschwindigkeitsprofil der Strömung ermittelt wird, wobei dementsprechend die Elektrodenanordnung mehrere, längs eines Leitungsumfanges verteilte Elektroden aufweist. Auf diese Weise lässt sich eine räumliche Aufteilung des Messgebietes erreichen.

Die Empfindlichkeit der Messung lässt sich erhöhen, falls die Elektrodenanordnung je mehrere, längs zweier benachbart zueinander gelegener Leitungsumfänge verteilte Elektroden aufweist.

Eine vereinfachte, in vielen Fällen jedoch zweckmäßige Variante sieht vor, dass die Elektrodenanordnung zwei, benachbart zueinander, an Leitungsumfängen gelegene ringförmige Elektroden aufweist.

Bei einer anderen Variante ist vorgesehen, dass die einzelnen Elektroden mit einer gesteuerten Auswahlschaltung verbunden sind, welche je zwei Elektroden mit einem Eingang der Messeinrichtung verbindet.

Die Messung an einzelnen Elektrodenpaaren kann zeitlich sequentiell oder zeitlich parallel durchgeführt werden.

Falls eine Anzahl von Elektrodenpaaren vorhanden ist, kann durch Auswertung der Messung an unterschiedlichen Elektrodenpaaren ein Elektrodenpaar ermitteln werden, welches das stärkste Signal liefert und dieses Elektrodenpaar kann zur weiteren Messung verwendet werden.

Schließlich kann auch die ausgewählte Anzahl n der Frequenzkomponenten gleich 1 sein, d. h. es wird lediglich eine einzige Frequenzkomponente verwendet, die zuvor empirisch als am zweckmäßigsten gefunden wurde. Naturgemäß kann dadurch der Schaltungsaufwand geringer gehalten werden. 5 AT 505 032 B1

Die Erfindung samt weiterer Vorteile ist im folgenden an Hand beispielsweiser Ausführungsformen näher erläutert, die in der Zeichnung veranschaulicht sind. In dieser zeigen:

Fig. 1 und 1a eine beispielhafte Ausführungsform der Erfindung mit acht um den Umfang eines Rohres verteilten Elektroden E-i bis E8 in einer Ansicht normal zur Achse des Rohres,

Fig. 2 eine Ausführungsform der Erfindung mit 16 Elektroden, die zusammen acht Elektrodenpaare bilden,

Fig. 3 eine Ausführungsform der Erfindung mit zwei durchgehenden Elektrodenringen,

Fig. 4 bzw. 4a eine Ausführungsform der Erfindung mit einem in zwei Teile unterteilten Elektrodenring,

Fig. 5 bzw. 5a in einer Darstellung entsprechend Fig. 1 und 1a eine Erfindung mit beispielhafte Partikelströmung im Rohrinneren,

Fig. 6a und 6b in Diagrammen den zeitlichen Verlauf eines Messsignals an einem Elektrodenpaar sowie das zugehörige, dieses Signal erzeugende Auftreten einzelner Partikel,

Fig. 7 beispielhafte Frequenzspektren für unterschiedliche Partikelgeschwindigkeiten.

Fig. 8 an Hand einer aufgenommenen Kennlinie den Zusammenhang zwischen Summationswerten für Frequenzanteile und der mittleren Partikelgeschwindigkeit,

Fig. 9 ein vereinfachtes Blockschaltbild einer Vorrichtung nach der Erfindung und

Fig. 10 ein Beispiel für ein Ablaufdiagramm zur Ermittlung der Flussgeschwindigkeit nach der

Erfindung.

Grundsätzlich kann die Bestimmung von Koppelkapazitäten, die zu einer gemeinsamen, zur Flussrichtung normal stehenden Messebene gehören, auf verschiedene Art und Weise erfolgen. In den Fig. 1 bis 4 sind vier beispielhafte Ausführungsformen beschrieben, die sich dem der Erfindung zugrunde liegenden Prinzip bedienen: In allen vier Varianten wird das Innere einer Leitung LEI, hier eines Förderrohres, in einer Messebene e erfasst. Diese Messebene wird von kapazitiven Sensoren gebildet, d. h. Elektroden, die einen oder mehrere Kondensatoren, im allgemeinen Elektrodenpaare, formen und als Dielektrikum ein in dem Rohr strömendes Fluidum und Partikel in diesem Fluidum verwenden.

Zum Einsatz kann die Erfindung im Besonderen in der Dünnstrom-Fördertechnik kommen, z. B. Schotter, Kunststoffgranulat, Hackschnitzel, etc. also, bei Teilchen, die üblicherweise mit hohem Anteil von Förderluft und hohen Fördergeschwindigkeiten befördert werden. Übliche Rohrdurchmesser liegen in der Größenordung von ca. 10 cm. Die Erfindung kann aber problemlos für beliebig kleine/große Durchmesser angepasst werden, wenn auch das Fluidum entsprechende Partikelgrößen aufweist. Die Fördergeschwindigkeiten können von einigen cm/s bis zu vielen m/s reichen. Auch hier ist eine Ausweitung des Messbereiches nach oben und unten durch Anpassung der Messrate möglich.

Durch eine Teilung der Elektroden entlang des Umfanges einer Leitung kann eine räumliche Auflösung des Strömungsquerschnitts erreicht werden. Gemäß Fig. 1 und 1 a sind längs eines Rohrumfanges acht Elektroden E^ bis E8 gleichmäßig verteilt. Die Koppelkapazitäten Ci2 (zwischen E, und E2), Ci8 (zwischen Ei und E8), C27 (zwischen E2 und E7), Ci7 (zwischen Ei und E7) und C78 (zwischen E7 und E8) sind eingezeichnet. Der sensitive Bereich für die Kapazität Ci7 ist in Fig. 1a durch Andeutung von Feldlinien eingezeichnet - Änderungen der Strömung in diesem Bereich verändern den Wert der Kapazität Ci7 besonders. Es ist verständlich, dass die Kopplungskapazität für unterschiedliche Elektrodenkombination dabei von unterschiedlichen Bereichen des Querschnittes bestimmt wird. Dieser Umstand kann zur Ermittlung von räumlichen Verteilungen ausgenutzt werden.

Die Ausführung nach Fig. 2 zeigt eine Messebene e, welcher je acht, an zueinander benachbarten Umfängen gelegene Elektroden E1a... E8a und E1b... E8b zugeordnet sind. Wie bei der Ausbildung nach Fig. 1 kann auch hier die Nutzung verschiedener Schaltmuster und Kombinationen aus Elektroden, insbesondere aus Nachbarelektroden zur Bestimmung eines Profils verwendet werden. Die Ausbildung des elektrischen Feldes erfolgt in dieser Ausführungsform großteils 6 AT 505 032 B1 parallel zur Flussrichtung, sofern benachbarte Elektroden als Paar einen Kondensator bilden, z. B. die Elektroden E1a und E1b.

Die einfache Ausführungsform der Erfindung nach Fig. 3 zeigt zwei durchgehende, parallel und benachbart zueinander liegende, ringförmige Elektroden Ea und Eb, die einen einzigen Kondensator bilden, dessen elektrisches Feld sich parallel zur Flussrichtung ausbilden kann.

Bei der gleichfalls einfachen in den Fig. 4 und 4a dargestellten Ausführungsform der Erfindung sind längs eines Umfanges der Leitung LEI lediglich zwei, fast halbkreisförmige Elektroden Eo und Eu vorgesehen, deren zur Rohrache normale Symmetrieebene die Messebene e ist.

Bei den Ausführungsformen nach Fig. 3 und Fig. 4 ist es zwar nicht möglich, eine Verteilung der Geschwindigkeit und/ oder der Konzentration über den Rohrquerschnitt zu rekonstruieren, eine Bestimmung von höchster und niedrigster vorkommenden Partikelgeschwindigkeit sowie einer durchschnittlichen Partikelgeschwindigkeit und durchschnittlichen Partikelkonzentration ist aber auch mit diesen einfachen Anordnungen möglich. Diese einfachen Ausführungsformen sind jedoch wegen ihres geringen schaltungs- und rechnungstechnischen Aufwandes besonders empfehlenswert und auch in vielen Fällen ausreichend.

Die Anbringung der Elektroden im Bereich der Messebene ist keinesfalls auf den äußeren Umfang des Förderrohres beschränkt. Besteht das Förderrohr aus einem metallischen Leiter, können die Elektroden auch an der Innenseite, elektrisch isoliert vom Rohr, angebracht und die von den Elektroden zu einer Messeinrichtung führenden Messleitungen herausgeführt werden. Für elektrisch nicht leitende Förderrohre wird in der Praxis aufgrund des möglicherweise abrasiven Verhaltens des Fördermaterials eine Ausführungsform des Rohres mit in der Rohrwand eingearbeiteten oder auf der Rohraußenseite montierten Elektroden am sinnvollsten sein.

Zur Ermittlung der Koppelkapazität stehen mehrere Methoden zur Verfügung, die dem Fachmann wohl bekannt sind und dem Stand der Technik angehören, z. B. Messung mittels Messbrücken, Potentialmessung, „capacitance-to-digital“-Konverter, Verstimmung eines Schwingkreises, etc.

Wie bereits erwähnt, können bei Ausführungsformen der Erfindung auswählbare Elektroden, d. h. einen Kondensator bildende Elektrodenpaare vorgesehen sein. Die Kapazität zwischen gewählter Sende- und Empfangselektrode wird z. B. dadurch bestimmt, dass eine Elektrode mit einem hochfrequenten Signal beaufschlagt wird und an der anderen Elektrode des Paares ein Signal empfangen wird, dessen Amplitude vom bekannten Abstand der Elektroden untereinander und der Beschaffenheit des Dielektrikums (d. h. εΓ des Rohrinhaltes) abhängt. In Fig. 1 wurde bereits die Ausbreitung des elektrischen Feldes durch das Innere des Rohres hindurch gezeigt, wenn die Elektroden E, und E7 als Empfangs- bzw. Sendeelektroden verwendet werden. Partikel, die sich bei dieser Konfiguration im sensitiven Bereich des Rohres, d. h. im sich ausbreitenden Feld befinden, liefern entsprechend ihrer Geschwindigkeit einen spektralen Beitrag zum Messergebnis.

An dieser Stelle sei auf die Fig. 9 und 10 vorgegriffen, um das Messverfahren und eine dazu verwendete Vorrichtung besser erläutern zu können. Gemäß Fig. 9 sind z. B. acht Elektroden Εί ... E8 an einem Außenumfang einer Rohrleitung LEI angebracht, in welcher ein mit Partikeln beladenes Fluidum strömen kann, beispielsweise ein Holzspäne führender Luftstrom. Die Elektroden sind mit einer Auswahlschaltung verbunden, welcher eine Kapazitätsmesseinrichtung CME folgt und deren Ausgangssignale sind einer Auswerteeinheit AWE zugeführt. Diese Auswerteeinheit AWE kann wiederum die Auswahlschaltung ansteuern. Das durch die Auswerteeinheit ermittelte Ergebnis kann einer Anzeige/Aufzeichnungseinheit AZE zugeführt werden.

Bei der Erfindung werden auf kapazitivem Weg Änderungen der Beschaffenheit des Materialflusses bestimmt. Das bedeutet, dass jedes Partikel mit einer Dielektrizitätskonstante εΓ größer 7 AT 505 032 B1 als 1 einen Beitrag zu dem kapazitiven Ergebnis der Messung liefert. Die Erfindung ist sowohl bei Dicht- als auch für Dünnstrom Förderung anwendbar. Bei pneumatischer Dichtstromförderung treten nur geringe Unterschiede in den Partikelgeschwindigkeiten einzelner Materialpfropfen auf, auch die Partikelkonzentration ist dabei sehr homogen. Im Gegensatz dazu weist eine Förderung unter Dünnstrom-Bedingungen eine Vielzahl unterschiedlicher Partikelgeschwindigkeiten und Partikelverteilungen im Förderrohr auf. Die besonderen Vorteile der vorliegenden Erfindung sind demnach vor allem in der Dünnstromförderung nutzbar.

Eine Partikelkonzentration bzw. Materialdichteverteilung im Rohr wird durch die Proportionalität zwischen Partikelanzahl im sensitiven Bereich zwischen zwei Elektroden und der messbaren Elektrodenkapazität erreicht: bei dichterem Auftreten von Partikeln wird damit auch die Die-lektrizitätszahl des zwischen Messelektroden liegenden Materials erhöht und somit erhöht sich auch die gemessene Kapazität. Für Dünnstrom-Förderprozesse granulären Materials ist die Anzahl der Partikel im Fördervolumen sehr gering, die Partikelkonzentration kann hier auch dadurch ermittelt werden, indem die von einzelnen Partikeln verursachten Signalschwankungen detektiert und gezählt werden.

Die Messebene e hat eine geringe aber dennoch endliche Abmessung in Flussrichtung, d. h. genau genommen ist das Wort Ebene jedenfalls nicht in einem geometrischen Sinn zu verstehen. Schnell beförderte Partikel haben eine entsprechend kürzere Verweildauer in diesem sensitiven Messbereich. Langsam beförderte Partikel befinden sich längere Zeit im sensitiven Bereich der Messelektroden.

Es ist nun allgemein bekannt, dass mit mathematischen Verfahren (z. B. der Fourier Transformation) der Zeitbereich eines Signals in den Frequenzbereich transformiert werden kann.

Langsame Vorgänge bzw. lang andauernde Signalmerkmale finden sich im Frequenzspektrum im niedrigen Frequenzbereich wieder, schnelle Vorgänge bzw. kurz andauernde Signalmerkmale im höheren Frequenzbereich. Statische Vorgänge, d. h. Vorgänge, die einen konstanten Signalverlauf bedingen, werden als Gleichanteil im Frequenzspektrum wiedergegeben. Die Transformation vom Zeitbereich der Signale in deren Frequenzbereich erfolgt beispielsweise durch eine Kurzzeit Fourier Transformation, d. h. es werden die Änderungen des Spektrums über der Zeit ausgewertet.

Die unterschiedlichen Geschwindigkeiten der Partikel, bzw. die unterschiedliche Verweildauer der Partikel innerhalb der Messebene, werden bei der Erfindung dadurch ausgewertet, dass das Frequenzspektrum der kapazitiven Messdaten, d. h. das Ausgangssignal der Kapazitätsmesseinrichtung CME analysiert wird.

Die Möglichkeit der Bestimmung der Geschwindigkeits- und Dichteverteilung in der Fördervorrichtung soll an Hand der Fig. 5 und 5a durch die über den Rohrquerschnitt variierende Partikelkonzentration und die unterschiedlichen Partikelgeschwindigkeiten verdeutlicht werden. Für die Bestimmung der Partikelkonzentration liefert in Fig. 5 die Kapazität zwischen Elektrode E2 und E3 beispielsweise einen geringeren Wert als die Kapazität zwischen den Elektroden E6 und E7 weil die Partikelkonzentration zum Boden des Rohres hin zunimmt und mehr Partikel als Dielektrikum (z. B. er,Partikei = 6) zur Verfügung stehen. Ebenso wird die ermittelte Partikelgeschwindigkeit in unterschiedlichen sensitiven Messbereichen andere Werte aufweisen.

In Fig. 6a und 6b ist beispielhaft gezeigt, dass für das langsame Partikel P2 die Verweildauer t2 in der Messebene länger als die Verweildauer ti für das schnelle Partikel Pi ist. Wie in Fig. 6 gezeigt kann aus dem gemessenen Kapazitätswerten über der Zeit sowohl - eine Aussage über die Häufigkeit der auftretenden Partikel, d. h. eine Materialkonzentration bzw. bei Verwendung mehrerer um den Umfang verteilten Elektroden in der Messebene ein Materialkonzentrationsprofil, 8 AT 505 032 B1 - eine Aussage über die Größe der Partikel in der Messebene, d. h. über die Amplitude der Signale der Messebene e, wobei große Partikel entsprechend mehr Volumen mit erhöhtem εΓ aufweisen und eine höhere Signalamplitude hervorrufen, als auch - eine Aussage über die Verweildauer der Partikel und damit ihrer Frequenzanteile bzw. Geschwindigkeit, bzw. Geschwindigkeitsprofil bei Verwendung mehrerer um den Umfang verteilten Elektroden in der Messebene getroffen werden.

Die Fig. 7a bis d zeigen beispielhafte Signale im Frequenzbereich, die durch Anwendung der Fast Fourier Transformation (FFT) oder „Kurzzeit Fouriertransformation“ in Fig. 10 ermittelt wurden. Man erkennt, dass mit zunehmender Geschwindigkeit des geförderten Mediums (höhere Partikelgeschwindigkeiten) die höheren Frequenzanteile zunehmen. Durch Summation mehrere Frequenzkomponenten kann das Rauschen, das diese Signale aufweisen, reduziert werden, man erhält den Summationswert. Es ergibt sich ein Zusammenhang zwischen Geschwindigkeit und Summationswert, wie er in Fig. 8 dargestellt ist. Eine solche Kennlinie kann im Zuge einer Kalibrierung der Vorrichtung aufgenommen werden. Im weiteren ist es dann möglich, mit Hilfe dieser Kennlinie aus dem Summationswert die Fördergeschwindigkeit oder auch den Volumenstrom (je nach gewählter Kalibrierung) zu bestimmen. Aufgrund des annährend linearen Verlaufes der Kennlinie genügt es zumeist, den Summationswert mit einem Faktor zu multiplizieren, um die jeweils gesuchte Messgröße zu bestimmen.

Die Wahl des Betriebes wird durch ein zuvor definiertes Schaltmuster (Fig. 10) und die Auswahlschaltung AWS festgelegt. Werden eine oder mehrere Elektroden als Sender betrieben, d. h. die entsprechende Elektrode wird mit einem hochfrequentem Signal beaufschlagt, bildet sich, entsprechend dem Dielektrikum des Rohrinhaltes, ein elektrisches Feld im Rohrinneren aus. Teilvolumina des Rohrinhaltes, in denen sich Material mit höherer Dielektrizitätskonstante befindet, bevorzugen die Ausbreitung des elektrischen Feldes im Vergleich zu Bereichen in denen nur Luft vorherrscht. Befindet sich beispielsweise Material mit höherem εΓ zwischen den Elektroden E5 und E6 und Luft zwischen den Elektroden E6 und E7 wird bei Betreiben der Elektrode E6 als Sender und E5 und E7 als Empfänger die Ausbreitung des elektrischen Feldes zwischen E6 und E5 bevorzugt und somit auch die messbare Kapazität zwischen E5 und E6 erhöht. Bei einer Anordnung nach Fig. 1 oder Fig. 4 entwickelt sich das elektrische Feld demnach hauptsächlich in der Querschnittsebene des Rohres, d. h. normal zur Flussrichtung.

Im Gegensatz dazu ist in Fig. 2 die kapazitive Messebene e durch zwei Ringe von Elektroden realisiert. Alle Elektroden eines Ringes arbeiten dabei in derselben Betriebsart, also entweder als Empfänger oder als Sender und bilden mit der im Nachbarring liegenden Elektrode einen kapazitiven Sensor oder ein Elektrodenpaar. Die Sendeelektroden dieser Sensoren werden entweder zeitlich parallel, d. h. „frequency division multiple access“ (FDMA) oder „code division multiple access“ (CDMA) oder sequentiell, d. h. „time division multiple access“ (TDMA) mit einem hochfrequenten Wechselsignal angesteuert. Bei einer Anordnung wie in Fig. 2 entwickelt sich das elektrische Feld hauptsächlich parallel zur Flussrichtung, wobei der Abstand der beiden Elektrodenringe die Eindringtiefe und die Empfindlichkeit der Anordnung für zentrale Regionen bzw. Außenregionen des Rohrinhaltes bestimmt.

Vor der eigentlichen Messung ist es erforderlich, jene Frequenzen im Fourier Raum auszuwählen, bei denen der Zusammenhang zwischen Geschwindigkeit und relativer spektraler Amplitude am genauesten ermittelbar ist. Im einfachsten Fall wird ein linearer Zusammenhang zwischen diesen Größen angenommen, die Messunsicherheiten sowie die Proportionalitätskonstanten können dann experimentell ermittelt werden. Eine theoretische Bestimmung ist bei Kenntnis der Bewegungseigenschaften des Förderguts denkbar. Analog dazu kann der Zusammenhang zwischen Signalenergie (der zeitliche quadratische Mittelwert des Signals) und der Partikelkonzentration bestimmt werden. Bei geringer Partikelkonzentration ist es auch möglich, die Anzahl der Partikel durch Zählen der Signalspitzen zu ermitteln.

Bei der eigentlichen Messung wird zunächst ein Schaltmuster ausgewählt. Je nach Schaltmus- 9 AT 505 032 B1 ter werden unterschiedliche Segmente angesteuert und damit ändert sich die räumliche Verteilung der Empfindlichkeit des Sensors. Die Kapazitätsverläufe werden aufgenommen und daraus zunächst die Partikelkonzentration innerhalb des empfindlichen Bereichs durch über den zuvor bestimmten Zusammenhang ermittelt. Weiters werden die Signalverläufe jeweils einer Kurzzeit-Fouriertransformation unterworfen. Das Ergebnis wird mit der Partikelkonzentration normiert. Aus den normierten Signalen kann über den zuvor ermittelten Zusammenhang die Geschwindigkeit des Förderguts innerhalb des empfindlichen Bereichs bestimmt werden.

An dieser Stelle sei erwähnt, dass bei kreuz-korrelativen Verfahren, wie sie auch dem eingangs genannten Stand der Technik angehören, an zwei unterschiedlichen Stellen Signale abgegriffen werden, um eine Laufzeit zwischen diesen Messebenen ermitteln zu können, die Erfindung jedoch nur mit einer „Messebene“ e arbeitet.

Der Vorteil von nebeneinander liegenden Elektroden, wie sie in Fig. 2 und Fig. 3 gezeigt sind, liegt darin, dass sich die Feldlinien im Wesentlichen parallel zur Flussrichtung ausbilden und man dadurch eine günstigere räumliche Verteilung der Empfindlichkeit erhält. Um das auch für Kreuzkorrelation ausnutzen zu können, müsste man noch eine zweite derartige Anordnung mit insgesamt 4 bzw. 3 Elektrodenringen verwenden.

Die Fouriertransformation ist in der Theorie ein Integral „über alle Zeit“ das sich in der Praxis natürlich nicht realisieren lässt und weiters für ein Signal konstant. Da die Signale nur über einen kurzen Zeitraum aufgenommen und davon eine Fouriertransformation berechnet wird, kann sich die Kurzzeit-Fouriertransformation über der Zeit ändern und somit eine Änderung der Geschwindigkeit über der Zeit festgestellt werden. Mathematisch: mit x[i] als dem i-ten Messwert, N der Anzahl der aufgenommen (ausgewerteten) Messwerte und der diskreten Frequenz k.

Die Bestimmung der Geschwindigkeit erfolgt wie beschrieben durch die Auswertung der Kurzzeit-Fouriertransformation KFT. Man kann z. B. eine gewichtete Summe über die Amplituden sämtlicher Frequenzen derart verwenden, dass: wobei c eine Proportionalitätskonstante darstellt und g(i) Gewichte darstellen, im einfachsten Fall sind alle Gewichte g(i)= 1. Durch diese Gewichte wird im Prinzip eine Auswahl der Frequenzen getroffen, wobei auch alle Gewichte bis auf eines Null sein können, was bedeutet, dass nur eine einzige Spektrallinie ausgewertet wird.

Zur Ermittlung der Geschwindigkeit aus den durch die Transformation erhaltenen Messdaten bietet der Stand der Technik natürlich auch zahlreiche allgemeine Schätzverfahren, die sich hinsichtlich der erreichbaren Genauigkeiten sowie des erforderlichen Rechenaufwandes unterscheiden. Im einfachsten Fall kann - wie oben angegeben - eine gewichtete oder ungewichtete Summe über die Amplituden der Frequenzkomponenten als Schätzer für die Geschwindigkeit verwendet werden; dieser Schätzer ist linear und aufgrund des geringen Rechenaufwandes vorteilhaft. Eine andere Möglichkeit sind beispielsweise sogenannte Maximum-Likelihood (ML) Schätzer, bei denen für einen bestimmten Verlauf der Frequenzkomponenten durch Lösung eines Maximalwertproblems jene Geschwindigkeit berechnet wird, welche die höchste Wahrscheinlichkeit aufweist, genau jenen Verlauf der Frequenzkomponenten zu liefern. Die Bestimmung des ML Schätzers erfordert dabei im Allgemeinen vergleichsweise aufwändige, iterative und nichtlineare Rechenoperationen.

Claims (20)

10 AT 505 032 B1 Dank der Verwendung einer einzigen Messebene und dem damit verbundenen symmetrischen Aufbau in Flussrichtung (vgl. Fig. 1 bis Fig. 5) kann die Erfindung ohne Modifikationen für die Messung in beiden Förderrichtungen, z. B. bei Druck- und Saugförderung, verwendet werden. Angemerkt sei noch, dass es in bestimmten Fällen zur Erhöhung der Empfindlichkeit sinnvoll sein kann, durch Auswertung der Messung an unterschiedlichen Elektrodenpaaren ein Elektrodenpaar zu ermitteln, welches das stärkste Signal liefert und die Auswahleinheit so anzusteuern, dass dieses Elektrodenpaar zur weiteren Messung verwendet wird. Patentansprüche: 1. Verfahren zum Ermitteln der Förderparameter eines Partikel führenden, durch eine Leitung strömenden Fluidums, mit einer Elektrodenanordnung, die zumindest zwei, Elektroden besitzt, wobei die Koppelkapazität zwischen zumindest zwei, am Umfangsbereich der Leitung gelegenen Elektroden gemessen wird und aus den Messwerten zumindest die Strömungsgeschwindigkeit erfasster Partikel ermittelt wird dadurch gekennzeichnet, dass die Messwerte einer Kurzzeit-Fouriertransformation unterworfen werden und eine ausgewählte Anzahl n der erhaltenen Frequenzkomponenten aufsummiert wird, um einen Parti-kel-Geschwindigkeits- und/oder Dichtewert zu erhalten.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass einzelne Frequenzkomponenten vor dem Summieren gewichtet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Anzahl der je Zeiteinheit auftretenden Messwerte die Partikeldichte in der Strömung ermittelt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Amplitude der auftretenden Messwerte eine Partikelgröße ermittelt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei mehreren, zumindest längs eines Leitungsumfanges verteilten Elektroden durch Auswertung der Messung an unterschiedlichen Elektrodenpaaren ein Geschwindigkeits- und/oder Dichteprofil der Strömung ermittelt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass durch Auswertung der Messung an unterschiedlichen Elektrodenpaaren ein Elektrodenpaar ermitteln wird, welches das stärkste Signal liefert und dieses Elektrodenpaar zur weiteren Messung verwendet wird.

7. Verfahren nach einem Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung an einzelnen Elektrodenpaaren zeitlich sequentiell durchgeführt wird.

8. Verfahren nach einem Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung an einzelnen Elektrodenpaaren zeitlich parallel durchgeführt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die ausgewählte Anzahl n der Frequenzkomponenten gleich 1 ist.

10. Vorrichtung zum Ermitteln der Förderparameter eines Partikel führenden, durch eine Leitung (LEI) strömenden Fluidums, mit einer am Umfangsbereich der Leitung gelegenen Elektrodenanordnung, die zumindest zwei, Elektroden (Ε^.,Εβ; E1a, E1b...E8a, E8b: Ea, Eb: E0, Eu)besitzt 1 1 AT 505 032 B1 einer Messeinrichtung (CME) zur Echtzeitmessung der Koppelkapazität zwischen den zumindest zwei Elektroden sowie mit einer Auswerteeinheit (AWE), welcher die von der Messeinrichtung gemessenen Messwerte zugeführt sind und die zur Ermittlung zumindest der Strömungsgeschwindigkeit erfasster Partikel eingerichtet ist dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (AWE) dazu eingerichtet ist, die Messwerte einer Kurzzeit-Fouriertransformation zu unterwerfen und eine ausgewählte Anzahl n der erhaltenen Frequenzkomponenten einer Summenbildung zu unterwerfen, um einen Partikel-Geschwindigkeits- und/oder Dichtewert zu erhalten.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (AWE) dazu eingerichtet ist, die einzelnen erhaltenen Frequenzkomponenten vor der Summenbildung zu gewichten.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (AWE) dazu eingerichtet ist, aus der Anzahl der je Zeiteinheit auftretenden Messwerte die Partikeldichte in der Strömung zu ermitteln.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (AWE) dazu eingerichtet ist, aus der Amplitude der auftretenden Messwerte eine Partikelgröße zu ermitteln.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenanordnung mehrere, längs eines Leitungsumfanges verteilte Elektroden ((E1... E8) aufweist.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenanordnung je mehrere, längs zweier benachbart zueinander gelegener Leitungsumfänge verteilte Elektroden (Eia, E1b... E8a, E8b) aufweist.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenanordnung zwei, benachbart zueinander, an Leitungsumfängen gelegene ringförmige Elektroden (Ea, Eb) aufweist.

17. Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Elektroden mit einer gesteuerten Auswahlschaltung (AWS) verbunden sind, welche je zwei Elektroden mit einem Eingang der Messeinrichtung (CME) verbindet.

18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (AWE) dazu eingerichtet ist, durch Auswertung der Messung an unterschiedlichen Elektrodenpaaren ein Geschwindigkeits- und oder Dichteprofil der Strömung zu ermitteln.

19. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (AWE) dazu eingerichtet ist, durch Auswertung der Messung an unterschiedlichen Elektrodenpaaren ein Elektrodenpaar zu ermitteln, welches das stärkste Signal liefert und die Auswahleinheit so anzusteuern, dass dieses Elektrodenpaar zur weiteren Messung verwendet wird.

20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die ausgewählte Anzahl n der Frequenzkomponenten gleich 1 ist. Hiezu 3 Blatt Zeichnungen