DD290952A5 - ARRANGEMENT FOR DETERMINING THE FLOW SPEED OF TWO AND MULTIPLE PHASE FLOWS IN TUBE SYSTEMS - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Bestimmung der Flieszgeschwindigkeit von Zwei- und Mehrphasenstroemungen in Rohrsystemen, insbesondere von feinkoernigen Schuettguetern in einer pneumatischen oder hydraulischen Suspension. Das Ziel der Erfindung besteht darin, den technischen Aufwand bei der Flieszgeschwindigkeitsbestimmung gegenueber bekannten Methoden gering zu halten bei gleichzeitiger Eliminierung von aeuszeren Einfluszfaktoren auf die elektronischen Bauelemente. Die Aufgabe besteht darin, eine Anordnung zur Erfassung der Flieszgeschwindigkeit von Zwei- und Mehrphasenstroemungen in Rohrsystemen mittels beruehrungsloser Messung durch kapazitive Sonden vorzuschlagen. Erfindungsgemaesz besteht die kapazitive Sonde aus mindestens zwei Geberelektroden, die einer Sensorelektrode raeumlich gegenueberliegt. In die Geberelektroden werden Spannungen entgegengesetzter Phasenlage eingelegt. An der Sensorelektrode erfolgt eine elektronische Verstaerkung der empfangenen Signale. Zwei Geberelektroden sind jeweils zu einem Paar zusammengefaszt, das mit einer Spannung unterschiedlicher Frequenz gespeist wird.{Sonde, kapazitiv; Flieszgeschwindigkeit; Messung, beruehrungslos, hydraulisch; Suspension; Rohrsystem; Laufzeit; Korrelator; Geberelektrode; Sensorelektrode; Schaltung, elektronisch; Verstaerker}The invention relates to an arrangement for determining the Flieszgeschwindigkeit of two- and Mehrphasenstroemungen in pipe systems, in particular feinkoernigen Schuettguetern in a pneumatic or hydraulic suspension. The aim of the invention is to keep the technical effort in the Flieszgeschwindigkeitsbestimmung against known methods low while eliminating aeuszeren Einfluszfaktoren on the electronic components. The object is to propose an arrangement for detecting the Flieszgeschwindigkeit of two- and Mehrphasenstroemungen in pipe systems by berührungslosen measurement by capacitive probes. According to the invention, the capacitive probe consists of at least two sensor electrodes, which lies opposite a sensor electrode in space. In the encoder electrodes voltages of opposite phase are inserted. At the sensor electrode there is an electronic amplification of the received signals. Two sensor electrodes are each combined to form a pair which is fed with a voltage of different frequency. {Probe, capacitive; Flieszgeschwindigkeit; Measurement, contactless, hydraulic; Suspension; Pipe system; Running time; correlator; Transmitter electrode; Sensor electrode; Circuit, electronic; Amplifier}

Description

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Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Bestimmung der Fließgeschwindigkeit von feinkörnigen Schüttgütern in einer pneumatischen oder hydraulischen Suspension durch Rohrsysteme und sonstige Aggregate mittels berührungsloser Messung durch kapazitive Sonden. Die Laufzeit zwischen den Ausgangssignalen zweier Meßkanäle bestimmt ein Korrelator, der über den bekannten Abstand zweier Meßkondensatoren auf dem Meßrohr die Geschwindigkeit der natürlichen Fluktuationen berechnet.The invention relates to an arrangement for determining the flow rate of fine-grained bulk materials in a pneumatic or hydraulic suspension through pipe systems and other aggregates by means of non-contact measurement by capacitive probes. The transit time between the output signals of two measuring channels determines a correlator which calculates the speed of the natural fluctuations over the known distance of two measuring capacitors on the measuring tube.

Charakteristik der bekannton technischen LösungenCharacteristic of the bekannton technical solutions

Bekannterweise verursachen Feststoffpartikel in der Suspension von Mehrphasenströmungen aufgrund der statistischen Verteilung dieser Partikel Schwankungen der Feststoffkonzentration. Diese Schwankungen der Mediendichte rufen in einem Meßrohr, auf dem sich die Kondensatorplatten eines Meßkondensators gegenüberliegen, Schwankungen des Dielektrikums und damit der Förderung proportionale Kapazitätsschwankungen hervor, welche eine nachfolgende Elektronikbaugruppe in entsprechende Spannungsschwankungen wandelt.As is known, solid particles in the suspension of multiphase flows cause fluctuations in the solids concentration due to the statistical distribution of these particles. These fluctuations in the density of media cause in a measuring tube, on which face the capacitor plates of a measuring capacitor, fluctuations in the dielectric and thus the promotion of proportional capacitance fluctuations, which converts a subsequent electronic assembly into corresponding voltage fluctuations.

Ein Korrelationsgeschwindigkeitsmeßsystem speziell für Gas-Feststoffsuspensionen unter Verwendung kapazitiver Meßsonden wurde von Boeck, Th. in „Automatisierungstechnische Praxis" München 28 (1986) Heft 10, S. 496-502 „Korrelative Durchsatzmessung von pneumatisch geförderten Schüttgütern" vorgestellt. Diese Veröffentlichung beschreibt das grundlegende Meßprinzip. Paarig auf dem Meßrohranfang angeordnete Elektroden liegen sich gegenüber und erfassen die der Strömung eigenen Fluktuationen über dem Rohrquerschnitt. Kleinste Kapazitätsänderungen verursachen ein Meßsignal, aus welchem der Korrelator die Laufzeit ermittelt.A correlation speed measuring system especially for gas-solid suspensions using capacitive probes was presented by Boeck, Th. In "Automation Engineering Practice" Munich 28 (1986) Issue 10, pp 496-502 "Correlative flow measurement of pneumatically conveyed bulk materials". This publication describes the basic measuring principle. Paired electrodes arranged on top of the measuring tube face each other and detect fluctuations in the flow over the pipe cross-section that are characteristic of the flow. Smallest capacitance changes cause a measurement signal from which the correlator determines the transit time.

Eine Möglichkeit der Konstruktion von kapazitiven Meßsonden wurde in der DE-PS 3433148 C2 umfassend dargelegt. Irr wesentlichen funktioniert diese Sonde folgern.^ maßen:One way of constructing capacitive probes has been set out comprehensively in DE-PS 3433148 C2. Irr essentially this probe works conclude.

Eine elektrische Spannungsquelle speist ein Signal beliebiger Form in eine gemeinsame Geberelektrode, welche mehrere Sensorelektroden räumlich so zugeordnet sind, daß sie mit der Geberelektrode Kondensatoren bilden, deren Dielektrikum sich mit der medienabhängigen Fluktuation der Feststoffpartikel ständig ändert. Die Sensorelektroden liegen paarweise nebeneinander und sind durch einen sehr schmalen Spalt getrennt. Die Meßsignale in Form von Kapazitätsschwankungen werden auf elektronischem Wege in Spannungsschwankungen gewandelt. Aus den Signalen eines Sensorelektrodenpaares wird die Differenz gebildet, das Nutzsignal vom Träger befreit und auf den zu analysierenden Fluktuationssignalfrequenzbereich beschnitten.An electrical voltage source feeds a signal of any shape in a common donor electrode, which are spatially associated with a plurality of sensor electrodes so that they form with the donor electrode capacitors whose dielectric constantly changes with the media-dependent fluctuation of the solid particles. The sensor electrodes lie next to each other in pairs and are separated by a very narrow gap. The measuring signals in the form of capacitance fluctuations are converted by electronic means into voltage fluctuations. From the signals of a sensor electrode pair, the difference is formed, frees the useful signal from the carrier and cut to the fluctuation signal frequency range to be analyzed.

Zur sicheren Funktion der Differenzsignalbildung ist es notwendig, daß beide Operationsverstärkerstufen, welche als erste elektronische Baugruppen im Signalweg der Sonde liegen, symmetrisch arbeiten. Aus diesem Grund ist nach erfolgter Veränderung der Meßstrecke jeweils ein neuer Abgleich dieser Baugruppen erforderlich. Außerdem besteht die Möglichkeit des Einflusses äußerer Störgrößen, wieTemperatur, Luftfeuchte u. ä. auf die elektronischen Bauelemente des Differenzbildners und der beiden vorgeschalteten ersten Operationsverstärker, woraus sich die Möglichkeit einer Veränderung des Meßfehk i ergibt. Ein weiterer schaltungsbedingter Nachteil dieser Anordnung besteht darin, daß die Ausgangssignale der ersten Operationsverstärker sich aus der Überlagerung vom hochfrequenten Signalträger und dem förderungsbedingten Nutzsignal zusammensetzen. Die Summe beider Signale bei vollständig mit Medium gefülltem Förderrohr muß unterhalb der Aussteuei ungsgrenze liegen, damit es zu keiner Signalbegrenzung kommt.For safe operation of the difference signal formation, it is necessary that both operational amplifier stages, which are the first electronic modules in the signal path of the probe, work symmetrically. For this reason, a new adjustment of these modules is required after the change of the test section. In addition, there is the possibility of the influence of external disturbances, such as temperature, humidity u. Ä. On the electronic components of the subtractor and the two upstream first operational amplifier, resulting in the possibility of changing the Meßfehk i results. Another circuit-related disadvantage of this arrangement is that the output signals of the first operational amplifier are composed of the superposition of the high-frequency signal carrier and the delivery-related useful signal. The sum of both signals when completely filled with medium delivery pipe must be below the Ausleuei ing limit, so there is no signal limit.

Ziel der ErfindungObject of the invention

Das Ziel der Erfindung besteht darin, den technischen Aufwand bei der Fließgeschwindigkeitsbestimmung gegenüber bekannten Methoden gering zu halten bei gleichzeitiger Eliminierung von äußeren Einflußfaktoren auf die Elektronikbaugruppe.The aim of the invention is to keep the technical effort in the flow rate determination compared to known methods low while eliminating external factors influencing the electronics assembly.

Darlegung des WesensPresentation of the essence

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Anordnung zur Erfassung der Fließgeschwindigkeit von Zwei- und Mehrphasenströmungen in Rohrsystemen mittels berührungsloser Messung durch kapazitive Sonden vorzuschlagen. Erfindungsgemäß besteht die Anordnung zur Bestimmung der Fließgeschwindigkeit von Zwei- und Mehrphasenströmungen in Rohrsystemen aus einer Sonde mit mindestens zwei Geberelektroden, die einer Sensorelektrode am Umfang eines Förderrohres diametral gegenüberliegt. An die Geberelektroden werden Spannungen entgegengesetzter Phasenlage angelegt. An der Sensorelektrode erfolgt eine elektronische Verstärkung der empfangenen Signale. Zwei Geberelektroden sind jeweils zu einem Paar zusammengefaßt. Jedes weitere Paai wird mit einer Spannung einer anderen Frequenz gespeist. Die erfindungsgemäße kapazitive Sonde vollzieht die Bildung der Signaldifferenz auf nichtelektronischem Weg im Meßrohr selbst und erfordert deshalb nur einen Signalnachverstärker, dessen Verstärkung im Interesse einer großen Meßempfindlichkeit sehr groß gewählt werden kann. Aufgrund der internen Differenzbildung wird die elektronische Differenzbildung unnötig, was eine weitern Verringerung des technischen Aufwandes zur Folge hat.The object of the invention is to propose an arrangement for detecting the flow rate of two- and multi-phase flows in pipe systems by means of non-contact measurement by capacitive probes. According to the invention, the arrangement for determining the flow rate of two-phase and multi-phase flows in pipe systems consists of a probe with at least two sensor electrodes, which is diametrically opposite a sensor electrode on the circumference of a conveyor pipe. Voltages of opposite phase are applied to the sensor electrodes. An electronic amplification of the received signals takes place at the sensor electrode. Two sensor electrodes are each combined into a pair. Each additional pair is fed with a voltage of a different frequency. The capacitive probe according to the invention carries out the formation of the signal difference in a nonelectronic way in the measuring tube itself and therefore requires only a signal repeater whose gain can be very large in the interest of a large sensitivity. Due to the internal difference formation, the electronic difference formation becomes unnecessary, which results in a further reduction of the technical effort.

Ausführungsbeispielembodiment

Die Erfindung wird nachfolgend an einem Beispiel erläutert. Die zugehörige Figur zeigt die wichtigsten Baugruppen der kapazitiven Sonde. Erfindungsgemäß befinden sich auf dem Umfang eines Förderrohres 1 die Geberelektrodenpaare 2,3 und 2', 3' und diametralgegenüber die Sensorelektroden 4,4'. Wechselspannungsgeneratoren 5,5' speisen die Geberelektroden direkt bzw. über eine Inverterstufe 6,6' mit Sinusspannungen unterschiedlicher Frequenz. Diese Generatorspannung wird ebenfalls zur Taktung der phasenempfindlichen Gleichrichter 7, T genutzt. Die Sensorelektroden 4,4' empfangen die Wirkungen der beiden dielektrischen Verschiebeströme, deren Größe von der Beschaffenheit des momentan im Wirkungsbereich des jeweiligen Kondensators befindlichen strömenden Dielektrikums und dessen Wirkungsrichtung von der Polarität der jeweiligen Geberelektrodenspannung abhängig ist. Aufgrund der Gegenphasigkeit der Geberspannungen kommt es zur Differenzbildung. Nur bei vorhandenen Differenzen der beiden Teilkapazitäten, die infolge förderungsbedingter Fluktuationen entstehen, kommt es überhaupt zum Auftreten eines Signals an der Sensorelektrode 4 oder 4', das dann in einem elektronischen Verstärker 8 oder 8'verstärkt wird.The invention will be explained below by way of example. The accompanying figure shows the most important components of the capacitive probe. According to the invention, the sensor electrode pairs 2, 3 and 2 ', 3' and diametrically opposite the sensor electrodes 4, 4 'are located on the circumference of a conveying tube 1. AC voltage generators 5, 5 'feed the sensor electrodes directly or via an inverter stage 6, 6' with sinusoidal voltages of different frequencies. This generator voltage is also used to clock the phase-sensitive rectifier 7, T. The sensor electrodes 4, 4 'receive the effects of the two dielectric displacement currents, the magnitude of which depends on the nature of the flowing dielectric currently in the area of action of the respective capacitor and the direction of its action on the polarity of the respective sensor electrode voltage. Due to the antiphase nature of the encoder voltages, subtraction occurs. Only in the case of existing differences between the two sub-capacitances, which arise as a result of fluctuations due to conveyance, does a signal ever occur at the sensor electrode 4 or 4 ', which is then amplified in an electronic amplifier 8 or 8'.

Der phasenempfindliche Gleichrichter selektiert das Nutzsignal aus dem Signalgemisch heraus und unterdrückt dabei gleichzeitig Signale benachbarter Geberelektrodenpaare. Nachfolgende Bandpässe 9,9' beschneiden den zu analysierenden Fluktuationssignalfrequenzbereich. Ein den kapazitiven Sonden nachgeschalteter Korrelator 10 bestimmt durch die Auswertung des Maximums der Kreuzkorrelationsfunktion die Laufzeit der Ausgangssignale, woraus die Geschwindigkeit der Mehrphasenströmung bestimmbar ist.The phase-sensitive rectifier selects the useful signal out of the composite signal and simultaneously suppresses signals from adjacent sensor electrode pairs. Subsequent bandpasses 9, 9 'clip the fluctuation signal frequency range to be analyzed. By means of the evaluation of the maximum of the cross-correlation function, a correlator 10 arranged downstream of the capacitive probes determines the transit time of the output signals, from which the speed of the multiphase flow can be determined.

Claims (2)

1. Anordnung zur Bestimmung der Fließgeschwindigkeit von Zwei- und Mehrphasenströmungen in Rohrsystemen, dadurch gekennzeichnet, daß auf einem Meßrohr mindestens zwei Geberelektroden einer Sensorelektrode räumlich gegenüberliegen, daß an die Geberelektroden Spannungen entgegengesetzter Phasenlage gelegt werden und daß das entstehende Signal an der Sensorelektrode einer bekannten elektronischen Schaltungsanordnung zur Signalverarbeitung zugeführt wird.1. Arrangement for determining the flow rate of two- and multi-phase flows in pipe systems, characterized in that on a measuring tube spatially opposed at least two sensor electrodes of a sensor electrode that voltages are applied to the encoder electrodes opposite phase position and that the resulting signal at the sensor electrode of a known electronic Circuit arrangement for signal processing is supplied. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils zwei Geberelektroden zu einem Paar zusammengefaßt sind und an jedes weitere Paar Geberelektroden Spannungen anderer Frequenzen angelegt werden.2. Arrangement according to claim 1, characterized in that in each case two encoder electrodes are combined to form a pair and voltages of other frequencies are applied to each further pair of donor electrodes.