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Title:
METHOD AND DEVICE FOR MEASURING A MASS FLOW
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2003/012375
Kind Code:
A2
Abstract:
Disclosed is a device (1) used to measure the mass flow of a particular solid (2) transported with the aid of a gas. Said device comprises a device (5) which is used to create an electromagnetic field (6), a measuring area being defined therein. An evaluation device (7) for the electromagnetic radiation which is reflected at least on the solid is connected to a detector (11). The evaluation device (7) is provided with a differentiator (13) which is connected to the detector (11) for detecting reflected electromagnetic radiation. A rectifier (17) is connected to the differentiator in order to form an amount, whereby the mass flow is obtained from the reflection mass. The reflection is measured, at least on the solid (2) within the measuring area of the magnetic field (6), whereupon the differential quotient is formed as a function of time from the chronological progression of the measuring signal and the amount is obtained therefrom. A measuring signal is obtained from the non-homogeneity of the electromagnetic fiel (6), forming the integral over time of the amount of the reflected power derived from time. Said measuring signal is proportional to the mass flow.

Inventors:
HAPPEL JENS (DE)
Application Number:
PCT/EP2002/008303
Publication Date:
February 13, 2003
Filing Date:
July 25, 2002
Export Citation:
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Assignee:
MIC MEASURING IDEAS CONSULTING (DE)
HAPPEL JENS (DE)
International Classes:
G01F1/66; G01F1/74; G01N21/53; G01N22/00; (IPC1-7): G01F1/66; G01N21/85; G01N22/00
Foreign References:
US5550537A1996-08-27
DE19643256A11998-04-30
US4423623A1984-01-03
Other References:
ANONYMOUS: "Detection in Readback Circuits. September 1971." IBM TECHNICAL DISCLOSURE BULLETIN, Bd. 14, Nr. 4, 1. September 1971 (1971-09-01), Seiten 1168-1169, XP002220727 New York, US
Attorney, Agent or Firm:
MAUCHER, BÖRJES & KOLLEGEN (Freiburg i. Br., DE)
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Claims:
Ansprüche
1. Verfahren zur Messung des Massenstroms eines partikulär vorliegenden Feststoffes, der mit Hilfe eines Gases trans portiert wird, wobei in einem elektromagnetischen Feld ein Meßbereich definiert ist und wobei die vom Feststoff re flektierte elektromagnetische Strahlung ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Massenstrom allein aus dem Reflexionsmaß gebildet wird, daß dazu die Reflexion zumin dest am Feststoff (2) innerhalb des Meßbereiches des elektromagnetischen Feldes (6) gemessen wird, daß aus dem zeitlichen Verlauf des Meßsignales der Differenzial quotient nach der Zeit oder eine Ableitung höherer Ordnung und daraus der Betrag gebildet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das nach der Betragsbildung zur Verfügung stehende Signal ins besondere zur Signalberuhigung integriert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Reflexionsmaß proportional zu einer Funktion der reflektierten Leistung oder einer Funktion der reflektier ten Energie oder einer Funktion der reflektierten Intensi tät oder einer Funktion des reflektierten Strahlungsflußes ist.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die insgesamt reflektierte Strahlung gemessen wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß nur die am Feststoff (2) reflektierte Strahlung gemessen wird und daß dazu unter Ausnutzung des Dopplereffekts die frequenzverschobene, reflektierte Strahlung gemessen wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge kennzeichnet, daß bei konstanter oder bekannter oder einer bekannten zeitlichen Variation unterworfener, abge strahlter Leistung, das Massenstromsignal aus der Differenz aus abgestrahlter und reflektierter Strahlung oder aus dem Verhältnis aus abgestrahlter zu reflektierter Strahlung generiert wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge kennzeichnet, daß als elektromagnetische Strahlung Laser licht oder Mikrowelle verwendet wird.
8. Vorrichtung zur Messung des Massenstroms eines partikulär vorliegenden, mit Hilfe eines Gases transportierten Fest stoffes (2), mit einer Einrichtung (5) zur Erzeugung eines elektromagnetischen Feldes (6), in dem ein Meßbereich de finiert ist und mit einer an einen Detektor (11) ange schlossenen Auswerteeinrichtung (7) für die zumindest am Feststoff (2) reflektierte elektromagnetische Strahlung, zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinrichtung (7) einen an den Detektor (11) zur Erfassung von reflek tierter, elektromagnetischer Strahlung angeschlossenen Differentiator (13) aufweist, an den ein Gleichrichter (17) zur Betragsbildung angeschlossen ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Differentiator (13) und den Gleichrichter (17) eine Zwischenstufe (14) zur Nullpunktverschiebung ge schaltet ist, die vorzugsweise einen Kondensator (26) zur GleichspannungsAbtrennung aufweist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeich net, daß zur Glättung des Ausgangssignales des Gleich richters (17) ein Kondensator (18) vorgesehen ist.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch ge kennzeichnet, daß ein Teil der Signalaufbereitung durch eine analoge Schaltung und ein anderer Teil der Signalauf bereitung durch eine digitale Schaltung vorgesehen ist und daß insbesondere für die Ableitung mit Bildung des Differenzialquotienten eine analoge Schaltung und für die Betragsbildung und die Integration eine digitale Schaltung vorgesehen ist.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch ge kennzeichnet, daß der Ausgang des Gleichrichters (17) mit dem dort anstehenden Ausgangssignal, gegebenenfalls nach Glättung durch einen Kondensator (18), an eine digitale Funktionseinheit mit einem A/DWandler (19) und einem Pro zessor (20) angeschlossen ist.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch ge kennzeichnet, daß für die Signalgenerierung eine digitale Schaltung vorgesehen ist und daß dazu der Detektor (11) gegebenenfalls nach einer Impedanzanpassung, direkt an einen A/DWandler und dieser an einen Prozessor ange schlossen ist.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch ge kennzeichnet, daß die Einrichtung zur Erzeugung eines elektromagnetischen Feldes (6) einen Laser (21) aufweist.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß eine Ablenkeinrichtung zum Scannen des Laserstrahls inner halb des Meßbereiches vorgesehen ist.
16. Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeich net, daß innerhalb des Meßbereiches ein oder mehrere Re flektoren (22) für den Laserstrahl angebracht sind.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor (11) eine Photozelle (24) oder einen Phototransistor, vorzugsweise mit einer davor angeordneten Sammeloptik (23), gegebenenfalls mit einem dazwischen befindlichen Photomultiplier (25) aufweist.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch ge kennzeichnet, daß die Einrichtung (5) zur Erzeugung eines elektromagnetischen Feldes (6) einen Mikrowellengenerator aufweist.
19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikrowellengenerator eine Gunndiode (8) aufweist, daß der Detektor (11) eine Schottkydiode (12) als Empfangsele ment aufweist und daß die Gunndiode und die Schottkydiode zusammen in einem Mikrowellenmodul als Transceiver einge baut sind.
20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Mikrowellenmodul und dem vorgesehenen Meßbe reich ein Hohlleiter (10), gegebenenfalls mit einer am Ende angeordneten Hornantenne (15) vorgesehen ist.
21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 20, dadurch ge kennzeichnet, daß die MassenstromMeßvorrichtung (4) an eine Strömungsführung (3) wie beispielsweise einen Schorn stein, einen Abluftkanal oder dergleichen Kanal ange schlossen ist und daß dazu wenigstens eine seitliche Öff nung in der Kanalwand vorgesehen ist, durch die das ge nerierte, elektromagnetische Feld (6) quer zur Massen stromförderrichtung in den Kanal einstrahlbar und die re flektierte Strahlleistung oder dergleichen auskoppelbar sind.
Description:
Verfahren und Vorrichtung zur Messung des Massenstroms Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Messung des Massenstroms eines partikulär vorliegenden Feststoffes, der mit Hilfe eines Gases transportiert wird, wobei in einem elektro- magnetischen Feld ein Meßbereich definiert ist und wobei die vom Feststoff reflektierte elektromagnetische Strahlung ausge- wertet wird. Außerdem bezieht sich die Erfindung auf eine Vor- richtung zur Durchführung des Verfahrens, die eine Einrichtung zur Erzeugung eines elektromagnetischen Feldes, in dem ein Meß- bereich definiert ist, aufweist und mit einer an einen Detektor angeschlossenen Auswerteeinrichtung für die zumindest am Fest- stoff reflektierte elektromagnetische Strahlung.

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

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

Der Feststoff ist vorzugsweise zerkleinert oder gemahlen, so daß er in der Regel als Pulver oder Staub vorliegt. Er kann je- doch auch von Natur aus eine körnige Erscheinung haben, wie dies zum Beispiel bei Getreide der Fall ist. Als elektromagne- tische Wellen können zum Beispiel Mikrowellen, sichtbares Licht oder Infrarot verwendet werden.

Bei allen bisher bekannten Meßverfahren, die zur Massenstrom- bestimmung elektromagnetische Wellen verwenden, wird einerseits

die Konzentration und zusätzlich die Geschwindigkeit des Fest- stoffes gemessen. Zur Konzentrationsmessung wird dabei häufig die Dämpfung der Amplitude einer elektromagnetischen Welle be- stimmt und/oder die Phasenverschiebung, zur Geschwindigkeits- messung wird häufig die Frequenzverschiebung aufgrund des Dopplereffektes verwendet. Beide Meßergebnisse werden dann mit- einander multipliziert und es ergibt sich der Massenstrom.

Diese Massenstrom-Meßgeräte bestehen somit prinzipiell aus zwei Meßgeräten.

Verfahren und Vorrichtungen, die nach diesem Prinzip arbeiten sind beispielsweise aus der W090/03668, Patent Abstracts of Japan, vol8, no. 109 (P-275), 22. Mai 1984, JP-A-59 019814, US- A-4 580441 bekannt.

Aus der US 5,500, 537 ist es bekannt, die Konzentration des ge- förderten Feststoffes an Hand der reflektierten Energie oder Leistung zu bestimmen. Die Messung der Strömungsgeschwindigkeit erfolgt durch Messung der Frequenzverschiebung an der reflek- tierten Strahlung aufgrund des Dopplereffektes.

Auch hierbei sind somit zwei Messungen und zwei voneinander ge- trennte Auswertungen erforderlich. Dementsprechend ist ein ent- sprechender Aufwand für die Meß-und Auswertegeräte und auch eine doppelte Fehlermöglichkeit vorhanden.

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

Zur Lösung dieser Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens vor- geschlagen, daß der Massenstrom allein aus dem Reflexionsmaß gebildet wird, daß dazu die Reflexion zumindest am Feststoff innerhalb des Meßbereiches des elektromagnetischen Feldes ge- messen wird, daß aus dem zeitlichen Verlauf des Meßsignales der

Differenzialquotient nach der Zeit oder eine Ableitung höherer Ordnung und daraus der Betrag gebildet wird.

Dieses nach der Betragsbildung zur Verfügung stehende Signal wird zweckmäßigerweise insbesondere zur Signalberuhigung in- tegriert.

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

Durch die Inhomogenität des elektromagnetischen Feldes ergibt sich ein Meßsignal, welches das Integral gebildet über die Zeit von dem Betrag der nach der Zeit abgeleiteten reflektierten Leistung ist. Dieses Meßsignal ist proportional zu dem Massen- strom.

Vereinfacht ausgedrückt werden bei diesem Meßverfahren die Par- tikel gezählt, denn jedes Partikel erzeugt unabhängig von der Konzentration und der Geschwindigkeit mit der gefördert wird das gleiche Signal. Zudem erzeugen größere Partikel ein größeres Signal als kleinere Partikel der gleichen Art.

Bei dem erfindungsgemäßen Meßverfahren kann die insgesamt re- flektierte Strahlung gemessen werden.

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

Da der Anteil an reflektierter Leistung von Rohrwänden und/oder Ablagerungen oft sehr viel größer ist als der vom Feststoff re- flektierten, kann dies aber zu einem schlechteren Signal- Rauschverhältnis führen.

Es ist in diesem Fall vorteilhaft, nur die am Feststoff reflek- tierte Strahlung zu messen und dazu unter Ausnutzung des

Dopplereffekts die frequenzverschobene, reflektierte Strahlung zu messen.

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

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des Verfah- rens ist insbesondere dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerte- einrichtung einen an den Detektor zur Erfassung von reflektier- ter, elektromagnetischer Strahlung angeschlossenen Differentia- tor aufweist, an den ein Gleichrichter zur Betragsbildung ange- schlossen ist.

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

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

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

Nach einer Ausführungsform der Erfindung kann ein Teil der Sig- nalaufbereitung durch eine analoge Schaltung und ein anderer Teil der Signalaufbereitung durch eine digitale Schaltung vor-

gesehen sein, wobei insbesondere für die Ableitung mit Bildung des Differenzialquotienten eine analoge Schaltung und für die Betragsbildung und die Integration eine digitale Schaltung vor- gesehen ist.

Weiterhin besteht die Möglichkeit, daß der Ausgang des Gleich- richters mit dem dort anstehenden Ausgangssignal, gegebenen- falls nach Glättung durch einen Kondensator, an eine digitale Funktionseinheit mit einem A/D-Wandler und einem Prozessor an- geschlossen ist.

Schließlich kann für die Signalgenerierung eine digitale Schal- tung vorgesehen sein, wobei der Detektor gegebenenfalls nach einer Impedanzanpassung, direkt an einen A/D-Wandler und dieser an einen Prozessor angeschlossen ist.

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

Zur Erzeugung eines elektromagnetischen Feldes kann ein Laser vorgesehen sein.

Alternativ dazu kann bei einer höheren Staub-beziehungsweise Partikeldichte zur Erzeugung einer elektromagnetischen Welle ein Mikrowellengenerator vorgesehen sein. Aufgrund ihrer größeren Wellenlänge wird die Mikrowelle schlechter reflek- tiert, so daß bei höheren Partikelkonzentrationen die Sättigung des Signals wesentlich später erreicht wird. So bietet es sich an in Kohlekraftwerken, in denen große Mengen an Kohle zer- mahlen werden, Mikrowellen zur Massenstrombestimmung einzu- setzen.

Zusätzliche Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Unteransprüchen aufgeführt. Nachstehend ist die Erfindung mit ihren wesentlichen Einzelheiten anhand der Zeichnungen noch näher erläutert.

Es zeigt : Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Massenstrom-Meß- vorrichtung in Verbindung mit einem Strömungskanal, Fig. 2 und Fig. 3 zwei Diagramme, wobei die von einem Partikel reflek- tierte Leistung über der Zeit aufgetragen ist, Fig. 4 ein etwa Fig. 2 entsprechendes Diagramm mit der reflektierten Leistung eines Partikels über der Zeit, Fig. 5 ein Diagramm mit Darstellung der reflektierten Leistung nach Bildung des Differenzialquotienten nach der Zeit, Fig. 6 ein Diagramm mit Darstellung des Betrags der Ablei- tung der reflektierten Leistung, Fig. 7 bis Fig. 10 Diagramme etwa entsprechend Fig. 4 und Fig. 6 bei unterschiedlichen Fördergeschwindigkeiten,

Fig. 11 bis Fig. 16 schematische Darstellungen zum Vergleich der Massen- stromsignale bei unterschiedlichen Fördergeschwindig- keiten, Fig. 17 bis Fig. 22 schematische Darstellungen zum Vergleich der Massen- stromsignale bei unterschiedlichen Feststoffkonzen- trationen, Fig. 23 eine schematische Darstellung einer Massenstrom-Meß- vorrichtung mit an verschiedenen Stellen eines Strö- mungskanales eingekoppelter und ausgekoppelter Mikro- welle, Fig. 24 eine Seitenansicht der in Fig. 17 gezeigten Anordnung und Fig. 25 eine etwa Fig. 17 entsprechende Darstellung einer Massenstrom-Meßvorrichtung in Verbindung mit einem Strömungskanal unter Verwendung eines Lasers zur Er- zeugung eines elektromagnetischen Feldes.

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

An den Strömungskanal 3 ist seitlich eine erfindungsgemäße Meß- vorrichtung 4 angeschlossen, mit der der Massenstrom oder Durchsatz des Feststoffes 2 gemessen werden kann.

Die Meßvorrichtung 4 weist einen Sender mit einem Oszillator 5 zur Erzeugung eines elektromagnetischen Feldes 6 sowie einen Empfänger mit einer Auswerteeinrichtung 7 zur Messung der von den Partikeln des Feststoffes reflektierten Leistung oder der- gleichen Reflexionsmaß auf.

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

Innerhalb des elektromagnetischen Feldes ist ein den Quer- schnitt des Strömungskanal überdeckender Meßbereich definiert, in dem die vom Feststoff reflektierte elektromagnetische Strah- lung ausgewertet wird.

Dies erfolgt, wie nachstehend noch detailliert beschrieben, in- dem der Massenstrom allein aus dem Reflexionsmaß gebildet wird.

Dazu wird die Reflexion zumindest am Feststoff innerhalb des Meßbereiches des elektromagnetischen Feldes gemessen, aus dem zeitlichen Verlauf des Meßsignales der Differenzialquotient nach der Zeit und daraus der Betrag gebildet.

Bei der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung 1 wird als elektromag- netisches Feld ein Mikrowellenfeld durch einen Gunn-Oszillator 5 mit einer Gunndiode erzeugt. Die erzeugte Mikrowelle wird von der Gunndiode über einen Hohlleiter 10 zu einer Hornantenne 15 geleitet und von dieser durch eine Wandungsöffnung 9 des Strö- mungskanals 3 in den Strömungskanal 3 abgestrahlt.

Das in den Strömungskanal 3 abgestrahlte, elektromagnetische Feld 6 ist durch strichlinierte Pfeile Pf 1 angedeutet.

Der Hohlleiter als Zwischenelement ist insbesondere dann zweck- mäßig, wenn der Strömungskanal und/oder der Feststoff sehr heiß ist.

Die vom Feststoff 2 reflektierten Wellen, welche durch Pfeile Pf 2 angedeutet sind, gelangen über die Hornantenne 15 und den Hohlleiter 10 zu einem Detektor 11, der im Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 durch eine Schottkydiode 12 als Reflexionsempfän- ger gebildet ist. Der Detektor ist Teil der Auswerteeinrichtung 7.

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

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

Der an die Schottkydiode 12 angeschlossene Funktionsblock bein- haltet einen Differenziator 13, mit dem die Ableitung des von der Schottkydiode gelieferten Signales erfolgt. Es wird somit der Differenzialquotient nach der Zeit gebildet.

Es schließt sich eine Zwischenstufe 14 mit einem Kondensator 26 an, mittels der eine Nullpunktverschiebung vorgenommen wird und wodurch eine Abtrennung des konstanten Gleichstromanteils er- folgt.

Anschließend wird das Signal einer Gleichrichterstufe 16 mit einer Brückengleichrichter 17 zugeführt und dort gleichgerich- tet. Mathematisch wird danit eine Betragsbildung des mit dem Differenziator 13 abgeleiteten Meßsignales vorgenommen. Mit einem Kondensator 18 wird das gleichgerichtete Signal ge- glättet. Dieses Signal stellt das Massenstromsignal dar und ist das Integral gebildet über die Zeit von dem Betrag der nach der Zeit abgeleiteten, reflektierten Leistung.

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

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

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

Die Figuren 2 und 3 zeigen die von einem Feststoffpartikel re- flektierte Leistung über der Zeit bei unterschiedlichen Förder- geschwindigkeiten. Es ist zur Vereinfachung angenommen, daß das elektromagnetische Feld zunächst linear bis zu einer ersten Position auf PO ansteigt, dann konstant bis zu einer zweiten Position verläuft, um dann wieder linear auf Null abzufallen.

Entsprechend diesem angenommenen Feldverlauf stellt sich bei einer Fördergeschwindigkeit V1 die reflektierte Leistung eines Partikels so wie in Fig. 2 gezeigt dar.

Wird nun die Fördergeschwindigkeit auf V2 = 2 * V1 verdoppelt, ergibt sich der in Fig. 3 gezeigte Kurvenverlauf.

Die Fläche unter den Kurven in Fig. 1 und Fig. 2 entsprechen der Energie, die ein Partikel beim Passieren des Feldes reflek- tiert. Erkennbar ist, daß bei doppelter Geschwindigkeit ein Partikel nur halb soviel Energie reflektiert wie bei einfacher Geschwindigkeit. Da bei doppelter Geschwindigkeit und gleicher Partikelkonzentration aber doppelt so schnell einem Partikel ein weiteres Partikel folgt, ist die insgesamt reflektierte Energie aller Partikel, die sich gerade in dem Feld befinden, genau so groß, wie wenn die Partikel mit einfacher Geschwindig- keit transportiert werden (vergleiche US 5 550 537).

Letztlich ist somit die insgesamt reflektierte Energie ein Maß für die Konzentration und nicht für den Massenstrom.

Die Figuren 4 bis 6 zeigen, wie allein aus der Messung der re- flektierten Leistung oder dergleichen Refexionsmaß der Massen- strom bestimmt werden kann.

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

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

Ist die reflektierte Leistung konstant PO so gilt : Gleichung 3 : P (t) = PO

fällt die reflektierte Leistung linear so gilt : Gleichung 4 : P (t) =-a * t + Pl.

Werden diese Gleichungen nach der Zeit abgeleitet, so gilt für den linear steigenden Teil : Gleichung 5 : dP (t)/dt = a für den konstanten Teil : Gleichung 6 : dP (t)/dt = 0 und für den linear fallenden Teil : Gleichung 7 : dP (t) /dt =-a Mathematisch gesehen ist, wie in Fig. 5 erkennbar, die Fläche unter der Kurve für den linear fallenden Teil negativ und für den linear steigenden Teil positiv. Dies ist in Fig. 5 11 durch ein Pluszeichen und Minuszeichen in den schraffierten Flächen zum Ausdruck gebracht. Es soll aber die tatsächlich Fläche unter den Kurven gebildet werden. Deshalb wird der Betrag davon gebildet (Fig. 6). Die so schraffierte Fläche ist das Integral gebildet über die Zeit von dem Betrag der nach der Zeit abge- leiteten reflektierten Leistung.

Das Integral über den Betrag der Ableitung nach der Zeit der reflektierten Leistung ist somit proportional dem Massenstrom.

Im weiteren wird das Integral gebildet über die Zeit von dem Betrag der nach der Zeit abgeleiteten reflektierten Leistung Massenstromsignal genannt. Als Gleichung 8 : Massenstromsignal = f (aP (t)) lt (at)

dabei bedeutet : P = reflektierte Leistung t = Zeit Das so gebildete Meßergebnis ist proportional zum Massenstrom, da unabhängig von der Geschwindigkeit eines Partikels jedes Partikel ein gleich großes Massenstromsignal erzeugt. Dies wird in Fig. 7 bis 10 verdeutlicht, wobei in Fig. 7 und 8 die Ge- schwindigkeit V= V1 ist während in Fig. 9 und 10 die Geschwin- digkeit V= V2=2*V, ist.

Das Massenstromsignal ist bei beiden Geschwindigkeiten gleich, da die Fläche unter der Kurve bei beiden Geschwindigkeiten gleich ist.

Für Geschwindigkeit V = V1 errechnet sich die Fläche wie folgt : Gleichung 9 : Massenstromsignal V1 = a*tl+a* (t3-t2) mit (t3-t2) =tl gilt Gleichung 10 : Massenstromsignal V1 = 2a*tl für Geschwindigkeit V= V2 = 2*V1 errechnet sich die Fläche wie folgt : Gleichung 11 : Massenstromsignal V2 = 2a* (tl)/2+2a* (t3- t2)/2 mit (t3-t2) = tl gilt (vgl. Fig. 10) : Gleichung 12 : Massenstromsignal V2 = 2a * tl Damit erzeugt jedes Partikel beim Durchqueren des Feldes unab- hängig von seiner Geschwindigkeit ein identisches Signal, vor- ausgesetzt die Partikel haben die gleiche Geometrie und ihren sonstigen stofflichen Eigenschaften sind identisch. Zum Ver- gleich sei an Fig. 2 und 3 erinnert, dort wird lediglich die re- flektierte Energie betrachtet. In diesem Fall erzeugt ein doppelt so schnell fliegendes Partikel nur ein halb so großes

Signal, wie ein Partikel das halb so schnell das Feld durch- quert.

Die Konsequenz wird in den Figuren 11 bis 16 deutlich.

In den Figuren 14 bis 16 ist ein Förderzustand dargestellt, bei dem die Feststoffpartikel mit der doppelten Geschwindigkeit das Feld durchqueren wie in dem in den Figuren 11 bis 13 darge- stellten Förderzustand.

In Fig. 12 und 15 ist das bereits erläuterte Massenstromsignal für den jeweiligen Förderzustand gezeigt.

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

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

In diesen Figuren ist zu sehen, daß bei dem auf der linken Seite dargestellten Förderzustand die Konzentration nur halb so groß ist wie bei dem Förderzustand, der auf der rechten Seite dargestellt ist. Da beide Förderzustände die gleiche Geschwin- digkeit haben, ist auch das Massenstromsignal eines Partikels

bei beiden Förderzuständen identisch (Fig. 18 und 21). Der auf der linken Seite dargestellte Förderzustand fördert nur mit dem halben Massendurchsatz wie der auf der rechten Seite darge- stellte, entsprechend verhält sich auch das Massenstromsignal.

Im Zeitfenster auf der linken Seite gemäß Fig. 19 befinden sich nur halbsoviele schraffierte Einzelflächen wie auf der rechten Seite gemäß Fig. 22.

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

Größere Partikel erzeugen ein größeres Signal als kleinere Par- tikel der gleichen Art. Wenn ein größeres Partikel k mal mehr Leistung reflektiert als ein kleineres, so gilt : P2 = k * Pl.

Wird nun das Massenstromsignal gebildet ergibt sich : Gleichung 13 : f ! M= f'))) ,, r, (, (at) (öt) (at) Es ist also auch das Massenstromsignal k mal größer, wenn ein größeres Partikel k mal mehr Leistung reflektiert. Es werden also nicht nur Partikel gezählt sondern auch das Gewicht eines einzelnen Partikels richtig erfaßt.

Es kann deswegen abschließend gesagt werden, daß das Integral über den Betrag der nach der Zeit abgeleiteten reflektierten Leistung sehr gut mit dem Massenstrom korreliert. In der Regel ist der Zusammenhang sogar linear, was aber nicht immer so sein muß.

Es ist theoretisch ausreichend lediglich die insgesamt reflek- tierte Leistung zu messen, denn es wird bei der Signalge- nerierung in einem Zwischenschritt die Ableitung der reflek-

tierten Leistung gebildet wird, damit fallen konstante Anteile an reflektierter Leistung sowieso aus der Rechnung, so daß re- flektierte Leistung von Rohrwänden und/oder festhaftetenden Ab- lagerungen nicht zu einem falschen Ergebnis führen. Da der An- teil an reflektierter Leistung von Rohrwänden und/oder Ablage- rungen oft sehr viel größer ist als der vom Feststoff reflek- tierten, führt dies aber zu einem schlechteren Signal-Rausch- verhältnis. Es ist deshalb meist günstiger nur die Leistung der am Feststoff reflektierten elektromagnetischen Welle zu messen. Hierzu kann der Dopplereffekt genutzt werden, indem nur die Leistung von frequenzverschobener elektromagnetischer Welle bei der Erzeugung des Massenstromsignals verwendet wird.

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

Die Äquivalenz der Messung des Verhältnisses aus reflektierter zu abgestrahlter Leistung zu einer reinen Leistungsmessung, sei kurz am Beispiel einer konstanten abgestrahlten Leistung er- läutert. (p, (t » ( P. (r » Gleichung 14 : f j dt-p f (at) (dt n mit Pa=abgestrahlte Leistung=konstant Pr (t) =reflektierte Leistung Da sich mathematisch die konstant abgestrahlte Leistung als Konstante vor das Integral ziehen läßt, bzw. der Kehrwert da- von, muß lediglich über diesen konstanten Faktor bei der Um-

rechnung dieses Signals in die Einheit Gewichtseinheit pro Zeiteinheit hinweg kalibriert werden, so daß ebenfalls der Massendurchsatz bestimmt werden kann.

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

Weiterhin wurde der Meßeffekt nur an einigen speziellen Feldern gezeigt und immer die Einschränkung gemacht, daß die reflek- tierte Leistung unabhängig vom Winkel ist, die die Flugrichtung des Partikels zum Sensor bildet. Dies ist jedoch nur zur Ver- einfachung der Darstellung geschehen. Der Meßeffekt funktio- niert auch ohne diese Einschränkung und bei beliebigen Feldern.

Entscheidend ist, daß die reflektierte Leistung nur von der Ge- ometrie der Partikel, den spezifischen Materialeigenschaften und der abgestrahlten Leistung des Sensors abhängt.

So gilt für die reflektierte Leistung zweier Partikel von denen das eine doppelt so schnell fliegt wie das andere, bei einem beliebigen Feld und unter Berücksichtigung des Winkels, die die Flugrichtung des Partikels zum Sensor bildet : Es gelte : Gleichung 15 : V1=2*V2 damit gilt Gleichung 16 : P1 (t) =P2 (2t) Für gewöhnlich wird in einem elektrischen Meßgerät an einem Detektor eine Spannung oder ein Strom erzeugt, der proportional

zu der zu messenden Größe ist. Es gibt jedoch Fälle, wo dies nicht möglich ist und die Spannung oder der Strom der am Detek- tor erzeugt wird lediglich proportional zu einer Funktion der zu messenden Größe ist. In diesem Fall muß Gleichung 16 erwei- tert werden zu Gleichung 17 : f (P1 (t) ) =f (P2 (2t)) P1=reflektierte Leistung von Partikel 1 P2=reflektierte Leistung von Partikel 2 t=Zeit V1= Geschwindigkeit von Partikel 1 V2= Geschwindigkeit von Partikel 2 f= Symbol für Funktion Zu beweisen ist, daß ein Partikel das doppelt so schnell durch das Feld eines Sensors fliegt wie ein zweites gleichartiges, das gleiche Signal erzeugt. Als Formel ausgedrückt in Gleichung 18. 2*tao n'. -- Gleichung 18 : o at _ p Ö t Dies soll an dem wesentlich allgemein gültigeren Fall 'V a/ (P)) f pf p' » pr J dt Gleichung 19 : o 8 = 0 gezeigt werden. Dieser Fall ist allgemein gültiger weil die konstante Zeit To durch die variable Zeit T ersetzt wird. To ist

damit nur ein spezieller Sonderfall von t. Darüber hinaus werden sämtliche Funktionen der Leistung P berücksichtigt.

Zum Beweis wird Gleichung 17 in den linken Teil der Gleichung 19 eingesetzt. f 1-Idt f 1-Idt Gleichung 20 : o At = o At nun wird 2t substituiert mit u, daraus ergibt sich Gleichung 21 : u=2t dies ist äqivalent zu u K<BR> <BR> <BR> Gleichung 22 : 2 in Gleichung 22 wird u nun nach der Zeit t abgeleitet du Gleichung 23 : dt dies ist äqivalent zu <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> du/2 = dt<BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> Gleichung 24: Im folgenden wird nun Gleichung 22 und Gleichung 24 in Glei- chung 20 eingesetzt. Weiterhin wird zunächst die äußere und dann die innere Ableitung innerhalb der Betragszeichen gebil- det. C 0 f (P2 (u)) a u j du Claf (p2 (2t,) ldt 8 u e t 2 Gleichung 25 : 0 at 0

mit Gleichung 23 gilt #u/#t = 2 gleichung 26: Gleichung 26 wird nun in Gleichung 25 eingesetzt, daraus ergibt sich Gleichung 27 2*r a. f p2O)) a u du 2* a f (PZ (u)) 2 du l I Gleichung 27 : 0 Ö u Ö-o Ö u 2 Konstante dürfen auch aus dem Betrag herausgezogen werden, wes- halb gekürzt werden darf, so ergibt sich aus Gleichung 28 2ft1a f (P, (u » 21 du 2ft1a f (P, (u » 1 du Gleichung 28 : o Da das Ergebnis eines Integrals nicht von der Bezeichnung der Variablen und Konstanten abhängt kann für Gleichung 28 ge- schrieben werden als 2*t üf (P 2 (U » 2*T a f (P, (t » f 1 1 dt f 1 2 1 dt J Gleichung 29 : 0 au 0 at

Damit ist die Behauptung bewiesen. Die Konstante 2 kann ohne weiteren Beweis durch eine beliebige andere Konstante ersetzt werden, damit ergibt sich der allgemeingültigste Fall als Gleichung 32 : wenn Gleichung 30 : 1 2 gilt, dann gilt ebenso Gleichung 31 : (t) P2 (a 8 t) To ci *To f af PZtyat f af p2 (t » dt Gleichung 32 : o Das bedeutet die Signalgröße G G= flAt (P (t)) ldt als Gleichung 33 : at ist unabhängig von der Geschwindigkeit. Jedes Partikel gleicher Art das durch das Feld eines Sensor fliegt, der diese Meßgröße generiert, erzeugt das gleiche Signal G unabhängig von seiner Geschwindigkeit. Es muß nun lediglich die Summe aller dieser Signale gebildet werden und über eine bestimmte Zeit gemessen werden, dann erhält man ein Signal, das proportional zu der Partikelzahl ist, die in dieser bestimmten Zeit durch das Feld transportiert wurde. Da nicht nur Partikel gezählt werden son- dern gleichzeitig auch größere Partikel mehr Signal erzeugen, wird auch das Gewicht der Partikel erfaßt, so daß letztlich das Signal proportional dem Massenstrom ist.

Wie bereits vorerwähnt, funktioniert diese Art den Massenstrom zu bestimmen auch dann, wenn nicht die Leistung direkt herange- zogen werden kann, sondern eine Funktion der Leistung, zum Bei- spiel P2.

Dies ist erkennbar, wenn für Pi un P2 jeweils pl2 und Pz2 in G, beziehungsweise Gleichung 33 eingesetzt wird. Gi f (3 t Gleichung 34 : 0

Gleichung 35 : Es ergibt sich, wenn jeweils innerhalb des Betrags die äußere Ableitung gebildet wird : Gleichung 36 :

Gleichung 37 : Mit der bewiesenen Gleichung 18 beziehungsweise 19 folgt un- mittelbar : Gl = G2, da '"a (p (t » 2''"a (pz (t) > Gleichung 36/37 :-G, =2 f at dt=Gz =2 at clt f Dt c9t

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

Die Figuren 23 und 24 zeigen eine Meßanordnung etwa vergleich- bar mit Fig. 1. Sender und Empfänger bilden hier jedoch keine Einheit, sondern sind separat angeordnet. Es sind mehrere Empfänger vorhanden, wobei verdeutlicht werden soll, daß der oder die Empfänger ober-und unterhalb sowie links und rechts von dem Sender angebracht sein können.

Abluft ist meist geringfügig mit Staub versetzt. Aus Umwelt- schutzgründen und zur Einhaltung der gesetzlichen Vorschriften ist es oft nötig, die Staubmenge zu messen. Dies kann mit den erfindungsgemäßen Vorrichtungen entsprechend zum Beispiel Fig. 1 oder Fig. 23/24 geschehen.

In Fig. 25 ist zum Beispiel an einen Schornstein oder Abluftka- nal als Strömungskanal 3 ein Laser 21 angebracht. An der Schornstein-oder Abluftkanal-Innenwand sind mehrere Reflekto- ren 22 angebracht, die den Laser so hin und her reflektieren, daß ein möglichst großer Bereich des Querschnitts erfaßt. Der oder die Detektoren, die die reflektierte Leistung messen,

können seitlich oder ober-und unterhalb des Lasers 21 ange- bracht sein. Der Empfänger kann eine Sammeloptik 23 aufweisen, die das reflektierte Licht auf eine Photozelle 24 fokussiert.

Ist die Reflektion zu schwach, kann ein Photomultiplier 25 zwi- schen Sammeloptik 23 und Photozelle 24 gesetzt werden. Die Potozelle generiert aus dem reflektierten Leistung der elektro- magnetischen Welle eine Spannung bzw. ein Stromsignal das im nächsten Schritt abgeleitet werden muß. Dazu und für die wei- teren Schritte kann die Meßvorrichtung gemäß Fig. 1 verwendet werden.

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

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

Bei einer höheren Staub-bzw. Partikeldichte ist es Vorteil- haft, als elektromagnetische Welle die Mikrowelle zu verwenden.

Auf Grund ihrer größeren Wellenlänge wird sie schlechter re- flektiert, so daß bei höheren Partikelkonzentrationen die Sättigung des Signals wesentlich später erreicht wird. Bei- spielweise in Kohlekraftwerken, in denen große Mengen an Kohle zermahlen werden, kann deshalb die Mikrowelle zur Massenstrom- bestimmung vorteilhaft eingesetzt werden.