DE1798182A1

DE1798182A1 - Verfahren und Einrichtung zur Messung der je Zeiteinheit gefoerderten Menge koernigen,mittels eines Stroemungsmittels gefoerderten Gutes

Info

Publication number: DE1798182A1
Application number: DE19681798182
Authority: DE
Inventors: Andzrej Plaskowski; Beck Maurice Sidney
Original assignee: NAT RES DEV
Current assignee: NAT RES DEV
Priority date: 1967-09-06
Filing date: 1968-09-05
Publication date: 1971-09-16
Also published as: GB1235856A; DE1798182C3; US3595078A; DE1798182B2

Description

»in* ing. B. HOLZEB

89 AUGSBURG

122

Augsburg, den 4-. September 1968

1«

suτ«

National Research Development Corporation, Kingsgate House, 66-74-, Victoria Street, London S.W.1, England

Verfahren und Einrichtung zur Messung der je Zeiteinheit geförderten Menge körnigen, mittels eines Strömungsraittels geförderten Gutes

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Messung der je Zeiteinheit geförderten Menge körnigen, mittels eines Strömungsmittels geförderten Gutes· Sie betrifft insbesondere, aber nicht ausschließlich, die Messung der je Zeiteinheit geförderten Menge von pulverisierten Feststoffen in pneumatischen Förderanlagen,

Pneumatische Förderanlagen sind einfache, zuverlässige und wirksame Mittel zur Förderung von pulverisierten,

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BAO ORIGINAL

festen Stoffen und werden bei vielen industriellen Verfahren verwendet.

Die automatische Steuerung solcher förderanlagen • erfordert häufig kontinuierliche Messungen der Je Zeiteinheit geförderten Menge der betreffenden Stoffe.

Dies führt zu Schwierigkeiten, wenn pneumatische Förderanlagen zum Transport von Feststoffen verwendet werden, da die Mehrzahl der bekannten Vorrichtungen zum Messen der je Zeiteinheit geförderten Menge solcher Materialien nur dann befriedigend arbeitet, wenn sich die betreffenden Feststoffe nicht in fließendem Zustand befinden. Das geförderte Material mud infolgedessen von der Förderbahn abgenommen werden, wodurch derartige \ Förderanlagen etwas von ihrer wesentlichen Einfachheit ΐ und Zuverlässigkeit verlieren. Es wurden bereits vom i Druckabfall abhängige Vorrichtungen analog den Venturi- und Pitot-Rohren vorgeschlagen, aber diese erfordern ein den Druckabfall erzeugendes Hindernis innerhalb der · betreffenden Förderbahn, wobei jedoek dl· Gefahr einer | Verstopfung der Förderbahn besteht· Hn anderer Hachteil j / solcher bekamter Vorrichtungen ist 4er, dal kein· hohe ^

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, „,.,, 0AO ORIGINAL

Genauigkeit erzielt wird, da der gemessene Druckabfall von der Strömung sowohl der Feststoffe als auch, des !Trägermittels herrührt.

Es wurde auch bereits ein atomares Verfahren zum Hessen der Strömungsmenge von pulverförmiger. Stoffen vorgeschlagen, bei dem sich in der Föi'derbahn kein echtes Hindernis "befindet. Jedoch arbeitet dieses Verfahren nur bei Schwerkraft-Strömungssystemen zufriedenstellend und das betreffende Material muß an der Heßstelle durch eine scharfe Doppelkrümmung hindurchgeleitet werden, so daß also auch hierbei die Gefahr einer Verstopfung der .Forderbahn besteht.

Es wurde festgestellt, .daß auch bei der Strömung fester Stoffe beispielsweise längs pneumatischer Förderbahnen ein "Rauschen" auftritt, das die Form von zufälligen, kleinen Verdichtungen und Verdünnungen hat, die sich der allgemeinen Haterialströmung überlagern und nit gleicher Geschwindigkeit aitwandern.

Es versteht sich, daß ähnliche Überlegungen angestellt werden, wenn andere Strömungsmittel als Luft als Transport-

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medium verwendet werden und das körnige Gut beispieleweise die !form einer Flüssigkeit in Tropfenform hat. ·

Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, die Strömungsmenge je Zeiteinheit bei der Förderung körnigen Gutes mittels eines StrömungemittelB mit einfachen Mitteln und genauerem Meßergebnis als bisher messen zu können.

Im Sinne der Lösung dieser Aufgabe beinhaltet die Erfindung ein Verfahren und eine Einrichtung zur Messung der je Zeiteinheit feeförderten Menge körnigen, mittels eines Strömungsmittels geförderten Gutes und ein derartiges Verfahren ist gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß an Stellen einer das Fördergut führenden Bahn_f welche voneinander einen bekannten Abstand längs dieser Bahn haben, zufällige durch Mengenabweichuxigen bedingte Störungen ermittelt und die an diesen Stellen ermittelten Störwerte derart miteinander in Beziehung gesetzt werden, daß sich ein Maß für die von den betreffenden Störungen zur Zurücklegung dieser Abßtands st recke beaötlgtf©. -J*e»fzeit ergibt. Die erfinduagsgemäße Einrichtung enthalt mindestens zwei, an der da« körnige Gut führenden Bahn

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GAS _βΑ0 ORIGINAL

rait bekannt em gegenseitigem Abstand angeordnete Heßfühler zur Ermittlung kleiner Mengenveränderungen in dem vorbeiströmenden Gut und enthält ferner eine Vergleicheranordnung, welche die von den betreffenden Störungen zur Zurücklegung der zwischen den beiden Heßfühlern gelegenen Strecke benötigte Laufzeit dadurch ableitet, daß sie die von den Heßfühlern erzeugten Signale miteinander in Beziehung setzt.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich zur Messung der !fördermenge je Seiteinheit bei pulverisierten, mittels einer pneumatischen Förderanlage geförderten Feststoffen, wobei die beiden Meßfühler die Poim von Kondensatoren haben Können, deren Elektroden einen xeil der Wandung der pneumatischen förderanlage bilden und wobei die durch zufällige augenblickliche Nengenabweichungen bedingten Störungen durch Änderungen der Elektro&enkapaaitäten der Kondensatoren ermittelt werden.

Die Strömungsmenge je Zeiteinheit in pneumatischen iox-dcrbahnen kann dadurch bestimmt werden, daß awei Parameter gemessen werden. Diese aindi

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(1) die Strömungsgeschwindigkeit des geförderten Materials v(t),

(2) die Masse der betreffenden Peststoff menge je Bannlängeneinheit w(t).

Wenn sich diese Größen mit der Zeit verändern, wird die gesamte, im Zeitabschnitt T über die Förderbahn geförderte Masse durch folgende Gleichung bestimmt:

t m T

J v(t) . w(t) . dt (1)

t m O

Die beiden Parameter können getrennt oder gleichzeitig gemessen werden und entsprechend werden zwei Ausführungsformen der Erfindung beispielsweise beschrieben. ;

In den beiliegenden Zeichnungen, stellen dar: j'

'·■ . ι

j. Figur 1 ein Schema einer Ausführungsform

der erfindungsgemäßen Heßein- > richtung, bei welcher die Förder-•geschwindigkeit des Feststoffes

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BADOWeiMAL

and die Masse des Feststoffes ■unabhängig voneinander gemessen werden,

Figur 2 ein typisches Diagramm einer

Schwingung, welche der Ausgang eines der beiden in Figur 1 gezeigten Umformer liefert, der gemessene Kapazitätswerte in eine andere elektrische Größe umformt,

Figur 3a einen Ausschnitt einer Auto-

Korrelationsfunktion des Ausganges des in der Ausführungsform" gemäß Figur 1 verwendeten Umformers,

Figur 3*> die Impulsantwort des betreffenden

Abschnittes der Förderstrecke,

Figur 3c die Korrelationsfunktion der Um

formerausgänge und

die Figuren 4a, Blockschemen von Schaltungen zur 4b und 4c

mathematischen Analyse der erfindung

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gemäßen Einrichtung.

Gemäß Figur 1 der Zeichnungen weist eine pneumatische Förderbahn 1 in einer Wandung 2 zwei Elektroden 3 und 4 auf, die einen bekannten Abstand _1 voneinander haben· Jede der Elektroden 3 und 4 bildet einen Teil der Wandung 2, der durch eine isolierende Verbindung von der restlichen Wandung 2 getrennt ist. Die Elektroden 3 und 4 bilden Jeweils mit der restlichen Wandung 2 Kondensatoren, wobei das durch die Förderbahn 1 strömende Luft-Feststoffgemxsch das Dielektrikum darstellt. Veränderungen im Luft-Feststoffgemisch rufen somit in diesen Kondensatoren Kapazitätsänderungen hervor. Diese Kapazitätsänderungen werden von den mit den Elektroden 3 und 4 verbundenen Meßumformern 6 aufgenommen. Die Umformer 6 erzeugen auf eine später zu beschreibende Weise Signale, welche die erwähnten kleinen Störungen in der Ilenge der an den Elektroden 3 und 4 vorbeiströmenden Feststoffe angeben. Diese Signale werden auf eine später noch zu beschreibende Weise in einem Rechner 7 verarbeitet, um die von den Störungen zur Zurücklegung der Strecke zwischen den Elektroden benötigte Laufzeit zn ermitteln. Da der Abstand I₁ zwischen den Elektroden 3 und 4 bekannt ist, wird aus der Laufzeit die Geschwindigkeit der Feststoff strömung abgeleitet. Eine IT-Strahlung s-

- θ - 109838/0097

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quelle 8 schielte eine «^-Strahlung durch die Förderbahn 1 zu einem Detektor 9 und die an dieser Stelle in der Förderbahn 1 enthaltene Feststof!menge wird in bekannter Weise mittelbar aus dem Betrag der beim Durchdringen der Förderbahn 1 absorbiertenZT-Strahlung abgeleitet.

Die Umformer 6 sind so ausgelegt, daß sie Änderungen in der Nennkapazität ihrer Elektroden selbst kompensieren und für niederfrequente Änderungen der Elektrodenkapazität unempfindlich, sind. Eine große Zahl von kleinen Kapazitätsänderungen, die von einzelnen, das Feld der Elektrode 3 durchquerenden Feststoffteilchen hervorgerufen werden, erzeugt ein Kapazitätsrauschen x(t). Dieses Rauschen unterließt der Gauß¹sehen Funktion und kommt annäherungsweise einem bandbegrenzten weißen Hauschen gleich, das ein Energiespektrum .0LCf) hat. Bei geeigneter Auslegung

uv

haben die Umformer eine Grenzfrequenz, die niedriger liegt als die Grenzfrequenz des Energiespektrums β (£).

Das Frequenzspektrum des Ausgangssignals des uiit der Elektrode 3 verbundenen Umformers ist:

"⁹ " 109830/0097

wobei K.. G.(jf) die Frequenzantwort des Umformers darstellt. Das Ausgangssignal des Umformers ist ein ' Bandpaßrauschen.

Der Abstand zwischen den Elektroden 3 und ^LV dar pneumatischen Förderbahn 1,- längs welchem die Geschwindigkeit der Strömung gemessen wird (Figur 1), kann durch ^ das Modell in Figur M-a. dargestellt werden. Das Rauschen an der Elektrode 3 ist x(t); davon wird ein '!eil K-,x(t) um eine reine Zeitverzögerung'ZTverzögert und wird an der Elektrode 4 mit dem Betrag γ (t) wirksam, wobei T"die Laufzeit des pulverförmigen Stoffes zwischen den Elektroden darstellt. Dieses verzögerte Rauschen y (t) kann nicht ; unmittelbar gemessen vrerden, da das Rauschmuster teilweise eine zufällige "Verformung erfährt, während der pulverförmige Stoff von der einen Elektrode zur anderen strömt. Nach"dem Prinzip der linearen Überlagerung kann diese Verformung durch eine einzige Ersatzrauschquelle ζ (t) dargestellt werden, deren Rauschen zum verzögerten Rauschen χ (t) zu addieren ist, um ein gemessenes Kapazitätsrauschen x(t) an der Elektrode ^L\ zu erhalten.

Das Blockdiagramm nach Fi^ur 4-a kann nach Figur 4b

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umgeformt werden. Da die Umformer an "beiden ließstellen identisch sind, kann eine weitere Yereiiif achung vorgenommen werden. Dalier hebt sich jede Phasenverzögerung in den umf'onaern auf und beeinflußt auch, nicht die relative Phase der. mit m(t) Td.zw. n(t) be zeichnet en Umformeraus gangs signale. Dieser Sachverhalt führt zu einem Modell nach Figur 4-c und Figur 2 zeigt ein typisches Diagramm einer Schwingung, welche das Ausgangssignal des mit der Elektrode J verbundenen Umformers darstellt, wobei das Ausgaiigssignal des mit der Elektrode 4 verbundenen Umformers ähnlich ist.

Die G-eschvj-indigkeit der geförderten Feststoff menge wird aus der Laufzeit der Strömungsstörungen abgeleitet, welche durch Anwendung von Korrelationsverf aliren ermittelt wercden. Dies ist notwendig, da die ermittelten-Ausgangsgrößen der Eleictroden 3 "und 4 infolge der zufälligen Effekte, die während der zur Zurücklegung der Strecke zwischen den Elektroden 3 und 4- benötigten . Laufzeit auftreten, nicht gleich sind und die, die Strecke zwischen den Elektroden 3 "u^cL 4 durchquerenden Störungen nicht unmittelbar ersichtlich sind.

— ΊΊ —

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Die Laufzeit einer Störung zum Durcliqueren der Strecke zwischen den Elektroden 3 und"4· wird folgendermaßen abgeleitet;

Wenn zwei Punktionen a(t) und b(t) durch eine Übertragungsfunktion der Form;

DCt) - a(t) - T₁) (3)

miteinander verbimden sind, wobei a(t) eine nichtperiodische Punktion ist, die über eine gewisse Zeit als statistisch stationär angesehen werden kann, dann kann gezeigt werden, daß die Wechselkorrelationsfunktion zwischen den beiden Werten, die durch

/_al) (JT) - -1 ja(t) . b(t -Γ) dt • $ T -ί

. : ■ gegeben ist, einen Maximalwert belif=*'C^/] hat, wobei ΈΊ die Zeitverzögerung des Systems darstellt, d.h. wenn die Korrelationszeitverzögerung gleich der reinen Zeitverzögerung des Systems ist.

-

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Das Ausgangssignal des mit der Elektrode 3 verbundenen Umformers ist m(t) und das des mit der Elektrode 4- verbundenen Umformers ist ηCt). Beide Ausgangsgrößen sind miteinander verbunden durch die Beziehung

n(t) = K₃ . m(t -Τ.)

wobei "C die tatsächliche Zeitverzögerung der Laufzeit der Strömungsstörungen zum Durchqueren der Strecke zwischen den Elektroden 3 und 4- darstellt.

Gleichung (5) hat dieselbe Form wie Gleichung (3)₅ weshalb die Signale m(t) und n(t) miteinander durch eine Funktion ähnlich der Gleichung (4-) in Beziehung gesetzt werden können.

Es läßt sich zeigen, daß die Signale m(t), n(t) durch folgende Autokorrelationsfunktion miteinander verbunden sind:

Ecn (6)

wobeiβ eine zweite zeitabhängige Größe darstellt, h( β )

;,;.■■- 13 -109838/00 9 7

^m Original

die Inipulsantwort des Modells in Figur 4c und E der erwartete Fehler in der Schätzung § ( )f) ist, der durch das gefilterte Ersatzrauschen ζ (t) erzeugt wird. Ebenso isb die Wechselkorrelation;

J · ^m(* -O dt (7)

ti 0

und die Autokorrelation des Umformerausganges gegeben durch:

t -ί') dt (8)

Die Impulsantvrort h(fl ) des Modells nach Figur 4c hat die Werte:

h( |3 )■ » 0 f ür ρ f t

Gemäß der Beziehung (9) hat das Integral in Gleichung (6) nur einen Wert beiß => iTund ist sonst Null, weshalb

/_mn(n -Kj-ÄnCr-iD + Ecn ^- cio)

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Die Beziehung zwischen §_miX"& ) ^nm in Figur-3c gezeigte Form an. Die Zeitverzögerung des Iiaximalwertes der Iiorrelationsfuiiktion § ( 2f) tritt auf bei Jf¹ = ^ , welches die Laufzeit des pulverförmigen Stoffes für die Strecke sicischen den Elektroden 5 "⁰^cL 4 ist.

Die Geschwindigkeit der Feststoffströmung ist

dann gegeben durch

τ »

und' die Strömungsmenge je Zeiteinheit ist gegeben durch

t = 1 see
H = Y j W(t) .dt

wobei W(t) die in der Förderbahn strömende Hasse darstellt, die wie beschrieben, durch die Absorption derϊΓ-Strahlung durch das in der Förderbahn 1 strömende Gut ermittelt wird.

Der Rechner 7 verarbeitet die Daten, indem er sie stichprobenmäßig herausgreift und demgemäß muß die Gleichung (7) in Form von endlichen Diffex^enzen ausge-

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drückt werden. Für ein Stichproben-Intervall von dsec

K = Kp

(11)

L + 1 K = Kp - L

Dabei ist Kp der Ilomentanwert der Veränderlichen t. = o. L, wobei L eine ganze Zahl ist, a = i . <f und wobei i eine ganze Zahl ist. Das ^ -Zeichen bedeutet die Jeweilige Abweichung vom Mittelwert. Die Benutzung dieses endlichen Differenzwertes ändert nicht die Form der Korrelationsfunktion und bewirkt, daß die Korrelationsfunktion einen Hull-Mittelwert hat. Sie schließt die Möglichkeit eines numerischen überfließens im Rechner aus.

Wie Figur 1 zeigt, kann der Rechner 7 ein digitaler On-Line-Computer sein, der einen Eingangsmultiplexer hoher Geschwindigkeit zum Lesen der Signale m(t) undn(t) aufweist. Eine geeignete Geschwindigkeit für den Multiplexer zur Stichprobenentnahme könnte 0,5 Ws sein. Der Rechner ist so programmiert, daß er die Gleichung (11)

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berechnet, den Maximalwert der -Funktion JZ) ( 20 lokalisiert und die geförderte Strömungsmenge aus Gleichung (11) berechnet, wenn ein atomares Verfahren zur Messung des geförderten pulverförmigen Stoffes verwendet wird. In einer zweiten Ausführungsform kann auclx die weiter unten stehende Gleichung (12) benutzt werden.

Es wird darauf hingewiesen, daß in der oben beschriebenen Ausführungsform keine Annahmen über die Beziehung zwischen den Ausgangsgrößen der Umformer und der in der Förderbahn 1 geförderten Stoffmenge getroffen wurden. Deshalb ist eine Sättigung der Ausgangssignale der Umformer annehmbar. Jedoch werden in einer zweiten Ausführungsform der Erfindung Umformer benutzt, deren Ausgangsgrößen linear oder in anderer bestimmter Weise mit der in der Förderbahn 1 geförderten Stoffmenge in Beziehung stehen, um den Durchschnittswert der in der Förderbahn 1 geförderten Stoffmenge bestimmen zu können. Dies kann durch eine Veränderung in den bei der ersten Ausführungsform verwendeten Umformern erfolgen, wenn die Dielektrizitätskonstante des geförderten Gutes entweder bekannt ist oder gemessen werden kann«

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Die Dielektrizitätskonstante kann durch eine Kapazitätselektrode und einen geeigneten Umformer gemessen werden,' welch letzterer in einem nicht gezeigten Zufuhrbehälter oder in einem nicht gezeigten Behälter, in den das pulverförniige Gut gefördert wird, angeordnet ist. In diesem Pail muß darauf geachtet werden, daß die Ausgangssignale aus den Umformern 6 nicht sättigen.

Bei der zweiten Ausführungsform wird die Geschwindigkeit des geförderten Gutes wie vorher bestimmt, jedoch wird die durchschnittlich geförderte Stoffmenge wie folgt ermittelt.

In den Fällen, bei denen die Dielektrizitätskonstante des pulverförmigen Gutes entweder merkbar konstant ist oder sich nur infolge von FeuchtigkeitsSchwankungen verändert α und meßbar ist, kann gezeigt werden, daß die Geschwindigkeit und die geförderte Stoffmenge aus der mit der Gleiclrung (11) gegebenen Wechselkorrelationsfunktion bestimmt werden kann, • wobei folgendes gilt;

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wobei Tli(t)~] die geförderte Stoffmenge ist, die in Gleichung (11) einen Mittelwert über einen Integrationsberexcli L darstellt. Ii,. ist eine Eiclikonstante für die Installierung, £ ist die Melektrizitätskonstante des pulverförmigen Gutes, j#"_,-(i) ist der llaximalwert der Wechselkorrelation, i ist die entsprechende Ver-

*
sog er'uiig und f(i) ist eine funktion dieser Verzögerung.

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Claims

Patent anspräche

1, Verfahren zur Messung der je Zeiteinheit geförderten Menge körnigen, mittels eines Strömungsmittels geförderten Gutes, dadurch gekennzeichnet, daß an Stellen einer das Fördergut führenden Bahn, welche voneinander einen bekannten Abstand längs dieser Bahn haben, zufällige, durch Mengenabweichungen bedingte Störungen ermittelt und die an diesen Stellen ermittelten Störwerte derart miteinander in Beziehung gesetzt werden, daß sich ein Maß für die von den betreffenden Störungen zur Zurücklegung dieser Abstandsstrecke benötigte Laufzeit ergibt.

2· Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet _t daß zur Ermittlung der genannten Störungen Konzentrationsschwankungen des körnigen, Bitteis des Strömungsmittel θ geförderten Gutes dienen.

5· Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß außerdem an mindestens einer Meßstelle der das körnige Gut führenden Bahn die Masse dieses körnigen Gutes je Bahnlängeneinheit gemessen wird·

4·· Anwendung des Verfahrens nach eine» der Ansprüohe 1 bis 3 auf die Messung pulverisierter, mittels einer pneu-

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matischen Förderanlage geförderter Feststoffe.

5· Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch zwei, an der das körnige Gut führenden Bahn mit "bekanntem gegenseitigem Abstand angeordnete Meßfühler zur Ermittlung kleiner Mengenänderungen in dem vorbei strömenden Gut und durch eine Vergleicher anordnung, welche die von den betreffenden Störungen zur Zurücklegung der zwischen den beiden Meßfühlern gelegenen Strecke benötigte Laufzeit dadurch ableitet, daß sie die von den Meßfühlern erzeugten Signale miteinander in Beziehung setzt.

6« Anwendung einer Einrichtung nach Anspruch 5 auf pneumatische Förderanlagen.

7ο Einrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch, gekennzeichnet, daß jeder der beiden Meßfühler eine Elektrode aufweist, deren Kapazität sich entsprechend den kleinen Mengenänderungen des an der betreffenden Elektrode vorbaiatrömenden Gutes ändert·

8* Einrichtung nach Anspruch 6 und 7» dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden einen Teil der Wandung einer pneumatischen Förderleitung bilden.

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9. Einrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßfühler je einen Umformer aufweisen, welch letzterer jeweils ein von den jeweiligen Inderungen der Elektrodenkapazität abhängiges elektrisches Signal erzeugt«

10. Einrichtung nach eine« der Ansprüche 5 bis 9_t gekennzeichnet durch eine an der das körnige Gut führenden Leitung angebrachte Anordnung zur Messung der Ifasse des geförderten körnigen Gutes je Bahnlängeneinheit·

11. Vorrichtung nach Anspruch 1O₉ dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung zur Messung der Masse des körnigen Gutes eine an einer Seite der Förderbahn angebrachte Strahlungsquelle und eine die beim Durchdringen des Fördergutes in Querrichtung von diesen absorbierte Strahlungsmenge anzeigende Einrichtung aufweist.

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