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Die
Erfindung betrifft einen Impaktor mit den Merkmalen des Oberbegriffs
des Patentanspruchs 1. Ein solcher Impaktor kann insbesondere zur
Feinstaubmessung verwendet werden. Er ist aber ganz allgemein zur
Messung der Konzentration von Teilchen bestimmter Partikelklassen
in Suspensionen aus einem Fluid und darin suspendierten Teilchen
geeignet. Bei einem gasförmigen
Fluid können
die Teilchen nicht nur fest, sondern auch flüssig sein. In jedem Fall müssen die
Teilchen eine signifikant größere Dichte
als das Fluid aufweisen, was zwar bei einem gasförmigen Fluid generell der Fall
sein wird, aber bei einem flüssigen
Fluid zu überprüfen ist.
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STAND DER
TECHNIK
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Impaktoren
mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 sind bekannte
Vorrichtungen zur Partikelklassen-abhängigen Messung von Aerosolen,
wie beispielsweise bei der Bestimmung der Feinstaubbelastung von
Luft. Bei der Feinstaubbelastung von Luft geht es insbesondere um
Teilchen in der Luft, die eine Teilchengröße von unterhalb 10 um aufweisen.
Um derartige Teilchen Partikelklassen-selektiv abzuscheiden, wird
die Luft durch eine Klassierdüse
geführt,
vor der eine Prallplatte angeordnet ist. Auf der Prallplatte scheiden
sich die Teilchen ab, die aufgrund ihrer größeren Trägheit dem der Prallplatte ausweichenden
Luftstrom nicht folgen können,
sondern ihre Austrittsrichtung aus der Klassierdüse auf die Prallplatte hin
zumindest im Wesentlichen beibehalten. Die Partikelklasse der Teilchen, die
sich auf der Prallplatte abscheiden, hängt von der Strömungsgeschwindigkeit
der Luft durch die Klassierdüse,
der Form der Klassierdüse,
insbesondere ihrem Durchmesser, und der Form sowie des Abstands
der Prallplatte vor der Klassierdüse ab. Wenn mehrere derartige
Anordnungen aus einer Klassierdüse
und einer Prallplatte in Reihe geschaltete werden, spricht man von
einem Kaskadenimpaktor, bei dem die einzelnen Stufen so auszubilden
sind, dass nacheinander immer feinere Teilchen auf den Prallplatten
abgeschieden werden. Die Bestimmung der Masse der abgeschiedenen
Teilchen einer bestimmten Partikelklasse erfolgt bei einem herkömmlichen Impaktor,
indem vor Beginn und nach der Sammlung die Masse jeder Prallplatte
exakt bestimmt wird und eine Massendifferenz der Masse der abgeschiedenen
Teilchen zugeordnet wird. Dabei besteht jedoch die Gefahr, dass
sich die Masse der Prallplatte selbst beispielsweise durch Verunreinigungen
bei ihrem Ein- oder Ausbau in den bzw. aus dem Impaktor ändert oder
dass auf der Prallplatte zunächst
abgeschiedene Teilchen beim Ausbau der Prallplatte aus dem Impaktor
wieder herabfallen und so nicht in die Massendifferenz eingehen.
Außerdem
ist es nahezu unmöglich,
den zeitlichen Verlauf des Anfalls der Teilchen in der betrachteten
Suspension zu erfassen oder überhaupt
sehr kurzfristig zu Messergebnisse zu kommen.
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Aus
der Zeitschrift Rev. Sci. Instrum. 15/4, 516, (1980) ist ein Kaskadenimpaktor
bekannt, bei dem in jeder Impaktorstufe die Abscheiderate der Teilchen
in Form eines Elektrometerstroms gemessen wird. Voraussetzung hierfür ist jedoch,
dass die Teilchen vorher gleichmäßig elektrisch
aufgeladen wurden.
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Aus
der Zeitschrift Staub. Reinhalt. Luft, Band 37, Nr. 9, 335, (1977)
ist ein Doppelstufenimpaktor mit einer photoelektrischen Messeinrichtung bekannt,
die in jeder Impaktorstufe die Dichte der auf der Prallplatte abgeschiedenen
Teilchen mittels Lichtextinktion misst.
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Aus
der
DE 43 13 238 C2 ist
ein Kaskadenimpaktor bekannt, bei dem vor und hinter jeder Impaktorstufe
die Aerosolkonzentration gemessen wird und aus der Differenz der
beiden zu einer Impaktorstufe gehörenden Messwerte die Menge
der in der Impaktorstufe abgeschiedenen Teilchen bestimmt wird.
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Mit
den drei zuletzt beschriebenen Impaktoren ist zwar grundsätzlich die
Erfassung eines zeitlichen Verlaufs von in einer bestimmten Partikelklasse innerhalb
einer Suspension anfallenden Teilchen bestimmbar. Die Impaktoren
arbeiten jedoch sämtlich relativ
ungenau, da sie die typischerweise kleine Masse der in einer Impaktorstufe
abgeschiedenen Teilchen nur indirekt und mit vergleichsweise großem Fehler
bestimmen.
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Aus
der WO 94/29716 ist eine Vorrichtung zur Bestimmung von in Luft
enthaltenen Teilchen verschiedener Partikelklassen bekannt, bei
der die Luft parallel durch Luftfilter mit verschiedenen Abscheidegrenzen
gesaugt wird. Jedes Luftfilter ist dabei auf einem für Biegeschwingungen
elastischen Ansaugrohr gelagert. Die Eigenfrequenz jeder elastischen
Anordnung aus Luftfilter und Ansaugrohr ist von der Masse der in
dem Luftfilter abgeschiedenen Teilchen abhängig. Bei der bekannten Vorrichtung
ist eine optische Messanordnung zur Bestimmung dieser Eigenfrequenz
vorgesehen, um die Masse der in jedem Luftfilter abgeschiedenen
Teilchen fortlaufend zu erfassen. Aufgrund der relativ niedrigen
Eigenfrequenz mit für
die optische Erfassung relativ großen Amplituden der Schwingung
des jeweiligen Luftfilters weist auch diese bekannte Vorrichtung
keine hohe Genauigkeit bei der Bestimmung der Masse der in den einzelnen Partikelklassen
anfallenden Teilchen auf. Zudem ist der Aufbau der bekannten Vorrichtung
sehr platzintensiv, insbesondere wenn der Anfall von Teilchen in verschiedenen
Partikelklassen bestimmt werden soll. Eine Kaskadierung ist nicht
möglich,
sondern die einzelnen Luftfilter müssen parallel auf jeweils eigenen elastischen
Ansaugrohren gelagert werden, wobei jede einzelne elastische Anordnung
vergleichsweise große
Abmessungen aufweist.
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Zur
Bestimmung kleiner Massen sind sogenannte Quarzwaagen bekannt, bei
denen die Eigenfrequenz eines Schwingquarzes bzw. die Änderung der
Eigenfrequenz eines Schwingquarzes durch Erhöhung seiner Masse aufgrund
der zu wägenden Masse
beobachtet und ausgewertet wird.
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Aus "Quarz Crystal Micro
Balance Arrays" (http://www.sandia.gov/mstc/technologies/microsensors/quartzcyrstalmicro.html)
ist es bekannt, einen Schwingquarz zur Beobachtung der Belastung
von Wasser mit Fremdstoffen zu verwenden. Abhängig von einer Beschichtung
des Schwingquarzes beispielsweise mit einem Polymer, ändert sich
dessen Eigenfrequenz mit dem Vorhandensein bestimmter Fremdstoffe
in dem Wasser, in das er eingetaucht wird. Die Änderung weist dabei einen Zeitverlauf
auf, über
den sich ein Gleichgewicht der Fremdstoffe an bzw. in Beschichtung
der Schwingquarze einzustellen scheint.
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Aus "Miniature Airborne
Particle Mass Monitors" (http://www.lblgov/tech-Transfer/techs/Ibnl1850.html)
ist eine Vorrichtung bekannt, bei der durch Thermophorese Teilchen
aus Luft auf einem Schwingquarz einer Quarzwaage abgeschieden werden,
um ihre Masse zu erfassen. Es ist nicht zu erkennen, wie dabei eine
Klassierung der Teilchen in eine bestimmte Partikelklasse oder die
Zuordnung der angefallenen Teilchen zu einem bestimmten Luftvolumen
erfolgen soll.
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AUFGABE
DER ERFINDUNG
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Impaktor mit den Merkmalen
des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 aufzuzeigen, bei dem die Masse
der auf der Prallplatte abgeschiedenen Teilchen schnell und fehlerfrei
bestimmbar ist, um auch kurzfristige Änderungen bei der Zusammensetzung der
gemessenen Suspension erfassen zu können.
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LÖSUNG
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Die
Aufgabe der Erfindung wird durch einen Impaktor mit den Merkmalen
des unabhängigen
Patentanspruchs 1 gelöst.
Bevorzugte Ausführungsformen
des neuen Impaktors sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis
10 definiert.
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BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Bei
dem neuen Impaktor weist die Prallplatte einen Schwingquarz auf,
mit dem ihre Masseänderung
aufgrund der aufgefangenen Teilchen in situ messbar ist. Bei dem
neuen Impaktor ist also direkt die Prallplatte als Waagschale einer
Quarzwaage ausgebildet. Überraschender
Weise kann mit dieser Quarzwaage trotz der Anströmung der Prallplatte durch
die aus der Klassierdüse
austretende Suspension die Masse der aufgefangenen Teilchen so hoch aufgelöst werden,
dass ein aktueller Massestrom der Teilchen der interessierenden
Partikelklasse genau erfasst werden kann. Es können auch mehrere voneinander
unabhängige
Messvorgänge,
in denen jeweils die über
einen gewissen Zeitraum auf der Prallplatte abgeschiedene Teilchenmenge
zu erfassen ist, ohne Unterbrechung zur Entnahme der Prallplatte
für eine
externe Zwischenwägung
direkt hintereinander durchgeführt
werden. Die Endmasse der Prallplatte am Ende eines vorhergehenden
Messvorgangs ist die Anfangsmasse der Prallplatte bei dem darauf
folgenden Messvorgang. Weiterhin ist auch keine über das normale Maß hinausgehende
Wartung des neuen Impaktors erforderlich, um dessen Funktion über längere Zeiträume ununterbrochen
zu gewährleisten. Selbst
wenn beispielsweise bei sehr hoher Beladung der Prallplatte zunächst abgeschiedene
Teilchen der interessierenden Partikelklasse wieder von der Prallplatte
herabfallen, so wird dies durch die damit einhergehende punktuelle
Masseänderung
der Prallplatte erkannt und kann entsprechend korrigiert werden.
Lose Partikel wie Staub oder Flusen beeinflussen das Messergebnis
bei dem neuen Impaktor nicht, da sie nicht an den Schwingquarz ankoppeln
und so seine Eigenfrequenz nicht erhöhen. Zur Reinigung der Prallplatte
des Impaktors von zuvor aufgefangenen Teilchen, reicht es aus, diese
mit einem Lappen und einem einfachen Lösungsmittel vorsichtig abzuwischen.
Weder dabei noch während
der Messung auftretende Feuchtigkeit beeinträchtigt das Messergebnis, da
der Schwingquarz im Gegensatz zu beispielsweise Filterpapier gegenüber Feuchte
inert ist. Wenn der Schwingquarz dennoch ausfallen sollte, was aufgrund
seines Verhaltens bei der Messung sofort erkannt würde, kann
der problemlos ausgetauscht werden. Die aktuelle Güte des Schwingquarzes
kann beispielsweise in Form der Schärfe seiner Eigenfrequenz bestimmt
werden. Dabei kann ein auftretender Verlust an Schärfe zunächst als
Hinweis darauf gewertet werden, dass der Schwingquarz gereinigt
werden muss. Bei einem nach einer Reinigung verbleibenden Schärfeverlust
kann der Schwingquarz auszutauschen sein, was bei dem neuen Impaktor
jedoch nur selten der Fall ist.
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Bei
dem neuen Impaktor ist es nicht erforderlich, dass der Schwingquarz
mit einer speziellen Beschichtung versehen ist. Vielmehr kann die
Prallplatte unmittelbar aus dem Schwingquarz bestehen.
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Der
Schwingquarz kann scheibenförmig sein,
und um eindeutige Messverhältnisse
zu gewährleisten,
sollte er mit seiner zu seinen Hauptflächen normal verlaufenden Symmetrieachse
auf die Klassierdüse
ausgerichtet sein.
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Um
den Schwingquarz mit geringem konstruktivem Aufwand eindeutig zu
lagern, ohne seine Schwingfähigkeit
oder seine Funktion als von dem wesentlichen Teil einer Suspension
ungehindert überströmte Prallplatte
eines Impaktors zu beeinträchtigen,
kann er in einzelnen Punkten an seinem Rand mit Federn abgestützten Halteelementen
gegen ortsfeste flache Widerlager gehalten werden. Dabei ist es
bevorzugt, wenn der Schwingquarz in drei um seine normale Symmetrieachse
rotationssymmetrisch zueinander angeordneten Punkten gehalten wird.
In diesem Fall ist eine Anlage an allen Widerlagern ohne Verspannung
des Schwingquarzes gewährleistet.
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Zur
Abfrage der aktuellen Masse der Prallplatte des neuen Impaktors
kann eine Messeinrichtung vorgesehen sein, die eine Eigenfrequenz
des Schwingquarzes mit einem Abfragesignal ausliest, das eine sich ändernde
Frequenz aufweist und mit dem der Schwingquarz elektrisch zu Schwingungen angeregt
wird. Ein solches Abfragesignal wird auch als Sweep-Signal bezeichnet.
Die Antwort auf das Abfragesignal ist das Resonanzverhalten des Schwingquarzes,
wobei die Frequenz des Abfragesignals von Interesse ist, bei der
das Antwortsignal des Schwingquarzes eine Resonanzüberhöhung aufweist.
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Die
Messeinrichtung kann insbesondere auch dazu vorgesehen sein, die
Eigenfrequenz des Schwingquarzes oder eine Änderung dieser Eigenfrequenz
oder die entsprechende Masseänderung der
Prallplatte bzw. der auf ihr aufgefangenen Teilchen fortlaufend
aufzuzeichnen. Dabei kann sie eine Korrektur in Bezug auf plötzliche
Masseverringerungen vornehmen, die wie bereits oben angesprochen wurde,
darauf beruhen können,
dass zu der interessierenden Partikelklasse gehörende Teilchen wieder von der
Prallplatte herabfallen.
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Vorzugsweise
weist der neue Impaktor mehrere Impaktorstufen mit jeweils einer
Klassierdüse und
einer einen Schwingquarz aufweisenden Prallplatte in Reihenschaltung
auf, wobei die Prallplatten der verschiedenen Impaktorstufen für das Auffangen von
Teilchen verschiedener Partikelklassen vorgesehen sind. Hierzu reicht
es aus, die Durchmesser der Klassierdüsen, deren Länge oder
deren Abstand zu den Prallplatten unterschiedlich auszugestalten.
Alle anderen Bestandteile der Impaktorstufen neben den Klassierdüsen können beispielsweise
vollständig identisch
ausgebildet sein.
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Wenn
der neue Impaktor als ein solcher so genannter Kaskadenimpaktor
ausgebildet ist, ist es besonders bevorzugt, wenn jede Impaktorstufe
als ein auswechselbares Impaktormodul ausgebildet ist. So kann im
Falle eines Ausfalls einer Impaktorstufe diese rasch ersetzt werden. Überdies
können
verschiedene Impaktorstufen beliebig zu einem Kaskadenimpaktor zusammengestellt
werden, oder es kann eine einzelne, für den jeweiligen Anwendungsfall
ausreichende Impaktorstufe separat zum Einsatz kommen.
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Neben
den Impaktorstufen weist der neue Impaktor typischerweise einen
Fluideinlass und einen Absaugstutzen an seinem Ausgang auf. An den Absaugstutzen
wird eine Absaugpumpe angeschlossen, die einen möglichst konstanten Volumenstrom durch
den Impaktor bereitstellt.
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Es
ist günstig,
wenn jedes auswechselbare Impaktormodul zugleich auch einen Abschnitt
einer die Suspension führenden
Wandung des Impaktors ausbildet. Zudem kann jedes Impaktormodul
aus zwei Untereinheiten aufgebaut sein, von denen sich nur die Untereinheit
mit der Klassierdüse
zwischen den einzelnen Impaktormodulen unterscheidet, während die
Untereinheit mit der den Schwingquarz umfassenden Prallplatte auch über verschiedene
Impaktorstufen für
verschiedene Partikelklassen hinweg identisch sein kann.
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Die
schnelle Verfügbarkeit
von Messergebnissen bei dem neuen Impaktor kann dazu genutzt werden,
den Betrieb des Impaktors, insbesondere in Bezug auf die durch ihn
strömende
Menge an Fluid – sowohl
pro Zeiteinheit als auch absolut –, zu steuern. So kann die
Fluidmenge erhöht
werden, wenn die Massezunahme der Prallplatten keinen Mindestwert erreicht
und umgekehrt. Eine erwartete, aber nicht beobachtete Massezunahme
bzw. Veränderung
der Massezunahme mit der Fluidmenge kann zudem als Hinweis auf eine
Störung
des neuen Impaktors ausgwertet werden. Auch eine Eichung des neuen
Impaktors beispielsweise unter Verwendung von Aerosolen bekannter
Zusammensetzung wird durch die schnelle Verfügbarkeit seiner Messergebnisse
beschleunigt.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der
Beschreibung und den Zeichnungen. Die in der Beschreibungseinleitung
genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer
Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ
zur Wirkung kommen, ohne dass die Vorteile zwingend von erfindungsgemäßen Ausführungsformen
erzielt werden müssen.
Weitere Merkmale sind den Zeichnungen – insbesondere den dargestellten
Geometrien und den relativen Abmessungen mehrerer Bauteile zueinander
sowie deren relativer Anordnung und Wirkverbindung – zu entnehmen.
Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen
der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche ist ebenfalls
abweichend von den gewählten
Rückbeziehungen
der Patentansprüche
möglich
und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in
separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung
genannt werden. Diese Merkmale können
auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden. Ebenso
können in
den Patentansprüchen
aufgeführte
Merkmale für weitere
Ausführungsformen
der Erfindung entfallen.
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KURZBESCHREIBUNG
DER FIGUREN
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand eines konkreten Ausführungsbeispiels
unter Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen näher
erläutert
und beschrieben.
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1 zeigt
einen Längsschnitt
durch einen Impaktor mit drei Impaktorstufen.
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2 skizziert
die Selektion der in einer Suspension enthaltenen Teilchen in einer
der Impaktorstufen des Impaktors gemäß 1.
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3 zeigt
einen Schnitt durch eine Prallplatte mit einem Schwingquarz einer
der Impaktorstufen des Impaktors gemäß 1.
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4 zeigt
eine Draufsicht auf die Prallplatte gemäß 3.
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5 skizziert
die Antwort des Schwingquarzes einer Prallplatte des neuen Impaktors
auf ein Sweep-Signal; und
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6 zeigt
die Frequenzverschiebung der Eigenfrequenz der Schwingquarze der
drei Impaktorstufen des Impaktors gemäß 1 mit zunehmender Masse
von auf ihnen aus einer Suspension abgeschiedenen Teilchen.
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FIGURENBESCHREIBUNG
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1 zeigt
einen Impaktor 1, der als dreistufiger Kaskadenimpaktor
mit Vorabscheider ausgebildet ist. Jede der Impaktorstufen 2 bis 4 und
auch der Vorabscheider 5 umfasst jeweils eine Klassierdüse 6 bis 9,
die auf eine Prallplatte 10 bis 13 gerichtet ist. Von
einer Suspension aus einem Fluid, wie beispielsweise Luft, und darin
suspendierten Teilchen, die über
einen Ansaugstutzen 14 durch den Impaktor 1 gesaugt
wird, scheiden sich auf den Prallplatten 10 bis 13 jeweils
die Teilchen ab, die aufgrund ihrer Trägheit ihre von der vorgeschalteten
Klassierdüse 6 bis 9 vorgegebene
Richtung auf die Prallplatte 10 bis 13 hin beibehalten
und nicht wie der Rest der Suspension der Prallplatte 10 bis 13 seitlich
ausweichen können.
Dies ist in 2 skizziert, die exemplarisch und
schematisch die Klassierdüse 6 der
Impaktorstufe 2 und die ihr nachgeschaltete Prallplatte 10 zeigt. Ein
großes
schwereres Teilchen 15 aus einer durch die Klassierdüse 6 strömenden Suspension 16 gelangt
auf die Prallplatte 10 und wird auf dieser abgeschieden,
während
ein kleines leichteres Teilchen 17 dem Rest der Suspension
folgt und der Prallplatte 10 seitlich ausweicht. Die Abscheidegrenze
jeder Impaktorstufe und auch des Vorabscheiders 9 wird durch
den Durchmesser 18 der Klassierdüse 6, den Abstand 19 der
Prallplatte 10 von der Klassierdüse 6 und den Durchmesser 20 der
Prallplatte 10 sowie den Volumenstrom der Suspension 16 durch
die Klassierdüse 6,
der jedoch bei allen Klassierdüsen 6 bis 9 des
Impaktors 1 gemäß 1 gleich
ist, bestimmt. Da jeder der Impaktorstufen 2 bis 4 eine
andere Impaktorstufe 3 oder 4 bzw. der Vorabscheider 5 vorgeschaltet
ist, werden in jeder Impaktorstufe 2 bis 4 Teilchen
einer Partikelklasse auf der Prallplatte 10 bis 12 abgeschieden,
die durch eine obere und eine untere Abscheidegrenze definiert ist,
wobei die obere Abscheidegrenze durch die vorgeschaltete Anordnung
bestimmt wird. Es versteht sich, dass bei dem Impaktor 1 gemäß 1 der
Durchmesser der Klassierdüsen
von der Klassierdüse 9 des
Vorabscheiders 5 über
die Klassierdüsen 6 bis 8 der
drei Impaktorstufen 2 bis 4 stetig abnimmt. Jede
der Impaktorstufen 2 bis 4 und auch der Vorabscheider 5 ist in
Form eines auswechselbaren Impaktormoduls ausgebildet, das zugleich
den entsprechenden Abschnitt einer die Suspension führenden
Wandung 21 des Impaktors 1 ausbildet. Während der
Vorabscheider 5 und auch der Absaugstutzen 14 jeweils
durch ein einteiliges Impaktormodul ausgebildet werden, weisen die
Impaktormodule der Impaktorstufen 2 jeweils eine Untereinheit,
die die jeweilige Klassierdüse
ausbildet, und eine Untereinheit, die die jeweilige Prallplatt umfasst,
auf. Dabei sind die die Prallplatten umfassenden Teilmodule der
Impaktorstufen 2 bis 4 identisch aufgebaut. Zumindest
können
sie identisch aufgebaut sein und jeweils die in den folgenden 3 und 4 gezeigte
Konstruktion aufweisen.
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In
den 3 und 4 ist nicht die gesamte die
Prallplatte 10 umfassende Untereinheit 22 des Impaktormoduls
wiedergegeben, in deren Bereich die Wandung 21 einen Anschluss 23 beispielsweise zur
Druckmessung und Durchbrechungen 24 zur Aufnahme von Halterohren 25 für die in
den 3 und 4 gezeigte Teilanordnung umfasst.
Diese Teilanordnung weist als Prallplatte 10 einen Schwingquarz 26 auf,
der die Form einer typischerweise 0,1 bis 1 mm dicken, runden Scheibe
hat. Gehalten wird der Schwingquarz in drei symmetrisch um seine Symmetrieachse 30 rotationssymmetrisch
angeordneten Punkten durch flache Widerlager 27, die an
der Oberfläche
des Schwingquarzes 26 anliegen, und Halteelemente 28,
die unterhalb der Widerlager 27 den Schwingquarz 26 elastisch
abstützen.
Die Elastizität
der Abstützung
beruht dabei auf einem die Halteelemente 28 beaufschlagenden
Federblech 29. Der Schwingquarz 26 kann bei der
hier beschriebenen Art seiner Lagerung ohne weiteres unterschiedliche
Dicken aufweisen, ohne dass an dem in den 3 und 4 gezeigten
Aufbau irgendetwas geändert
werden müsste.
Die Halteelemente 28 und die Widerlager 27 dienen
zugleich zur elektrischen Kontaktierung des Schwingquarzes 26,
um dessen Eigenfrequenz abzufragen. Diese Eigenfrequenz hängt von
der Masse des Schwingquarzes 26 einschließlich der
Masse der auf ihm abgeschiedenen Teilchen ab. Auf die Art der Abfrage
der Eigenfrequenz des Schwingquarzes 26 wird im Zusammenhang
mit 5 noch näher
eingegangen werden. Die Widerlager 27 befinden sich wie
der wesentliche Teil der in den 3 und 4 gezeigten
Teilanordnung und das hier nicht wiedergegebene Gehäuse 21 des
Impaktors 1 auf Erdpotential. Demgegenüber sind die Halteelemente 28 durch
eine Isolierung 31 elektrisch isoliert und werden von einer
elektrischen Schaltung 32 mit einem Abfragesignal beaufschlagt.
Konkret kann es sich bei den Halteelementen 28 um vergoldete Kontaktstifte
handeln. Ein die Isolierung 31 ausbildender Isolierkörper 33 wird
an einem Grundkörper 34 der
Teilanordnung durch eine Halteschraube 35 gehalten, wobei
die Schraube 35 in einen in den Grundkörper 34 eingebetteten
Isolierkörper 36 eingreift,
in dem ein Innengewinde ausgebildet ist. Die Abstützung des
Isolierkörpers 33 auf
der Schraube 35 und das Widerlager für das Federblech 29 wird von
einer Mutter 37 auf der Schraube 35 gebildet.
Die äußere Oberfläche 38 des
Grundkörpers 34 ist
ebenso wie die äußere Oberfläche 39 eines
mit diesem verschraubten, die Widerlager 27 ausbildenden
und ebenfalls aus Edelstahl bestehenden Halterings 40 poliert,
um in dem Impaktor 1 gemäß 1 eine statische
Aufladung durch die über
die Oberflächen 38 und 39 strömende Suspension
zu vermeiden. Die Widerlager 27 sind in Form flacher Haltenasen 41 ausgebildet,
die die Überströmung der
Prallplatte 10 durch das Fluid und die von diesem mitgeführten, auf der
Prallplatte 10 nicht abgelagerten Teilchen möglichst
wenig behindert. Die Haltenasen 41 bauen nur in der Größenordnung
von 0,2 mm über
der Oberfläche
des Schwingquarzes auf. Durch die Anordnung der elektrischen Schaltung 32 an
dem Grundkörper 34 sind
die Wege, d. h. die elektrischen Leitungen zu dem Schwingquarz 26 bzw.
von diesem zu der elektrischen Schaltung 32 nur kurz, wodurch
die Gefahr des Einfangens von Störungen
minimiert ist. Eine elektrische Kontaktierung der elektrischen Schaltung 32 von
außen
erfolgt durch die Halterohre 25. Diese können auch
neben den Anschluss 23 für eine Vakuummessung oder eine
Temperaturmessung mittels eines hindurch geführten Thermoelements genutzt werden.
In die elektrische Schaltung 32 sind vorzugsweise Signalfilter
integriert, so dass das von der elektrischen Schaltung 32 nach
außen
abgegebene Messsignal bereits soweit aufbereitet ist, dass es weitestgehend
störungsunempfindlich
ist.
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In 5 ist
skizziert, wie die Eigenfrequenz des Schwingquarzes 26 abgefragt
werden kann. Hierzu wird an einen Eingang 42, typischerweise
von außerhalb
des Impaktors 1 gemäß 1, ein
sogenanntes Sweep-Signal 43 angelegt, dessen Spannungsverlauf über der
Zeit links in 5 skizziert ist. Das Sweep-Signal 43 weist
eine Dauer 44 von beispielsweise 5 ms auf und deckt bei
einer sinusförmigen
Grundform mit einer Amplitude von 10 V einen Frequenzbereich von
beispielsweise 9,990 bis 10,002 MHz ab, um die Eigenfrequenz eines Schwingquarzes 26 abzufragen,
die in diesem Frequenzbereich liegt. Die in 5 skizzierte
Abfrageanordnung umfasst hinter dem Eingang 42 einen Widerstand 45 von
hier 1 kΩ.
Anschließend
erfolgt eine Verzweigung zu dem Schwingquarz 26, und nach
einer Diode 46, hier einer DAA119,
eine Verzweigung zu einem Kondensator 47 von hier 1,6 nF.
Sowohl der Schwingquarz 26 als auch der Kondensator 47 sind rückwärtig mit
der Erde 48 kontaktiert. Bei dieser Anordnung ergibt sich
für das
in 5 links dargestellte Sweep-Signal 43 das
in 5 rechts dargestellte Antwortsignal 49 an
dem Ausgang 55, das bei der Eigenfrequenz des Schwingquarzes 26 eine
Resonanzerhöhung 50 aufweist.
Aus der genauen Lage der Resonanzerhöhung 50 in Bezug auf
den zeitlichen Verlauf des Sweep-Signals 43 ist die genaue
Eigenfrequenz des Schwingquarzes bestimmbar. Hieraus kann wiederum
die aktuelle Masse des Schwingquarzes bzw. die Masse der auf ihm
abgeschiedenen Teilchen exakt bestimmt werden. Die einzelnen Impaktorstufen 2 bis 4 des
Impaktors 1 gemäß 1 können mit
dem Sweep-Signal 43 nacheinander im Multiplexverfahren
abgefragt werden. Aufgrund der nur sehr kurzen Dauer des Sweep-Signals 43 resultiert hieraus
immer noch eine quasi kontinuierliche Überwachung der Eigenfrequenz
des in jede Prallplatte 10–12 integrierten Schwingquarzes 26 bzw.
der Masse der auf der jeweiligen Prallplatte 10–12 abgeschiedenen
Teilchen.
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6 skizziert
die Frequenzverschiebung für
die Eigenfrequenz von drei hintereinander geschalteten Impaktorstufen,
wobei der Frequenzverlauf 51 der ersten Impaktorstufe 2,
der Frequenzverlauf 52 der zweiten Impaktorstufe 3 und
der Frequenzverlauf 53 der dritten Impaktorstufe 4 entspricht.
Dabei wurde dem Impaktor 1 eine Suspension mit weitgehend
konstanter Zusammensetzung zugeführt,
und die einzelnen Impaktorstufen 2 bis 4 waren
so ausgelegt, dass in der ersten Impaktorstufe 2 Teilchen
einer Größe von etwa
2 μm, in
der zweiten Impaktorstufe 3 Teilchen mit einer Größe von 0,5 μm und in
der dritten Impaktorstufe 4 Teilchen mit einer Größe von ungefähr 0,2 μm auf der
jeweiligen Prallplatte 10 bis 12 abgeschieden
wurden. Zu einem Zeitpunkt 54 wurden die Eigenfrequenzen
der einzelnen Schwingquarze zu null gesetzt, und anschließend ist
die nach dem Nullsetzen erfolgte Frequenzverschiebung aufgezeichnet.
Es ist zu erkennen, dass sich bereits nach vergleichsweise kurzer
Zeit von wenigen 10 sek. ein konstanter Trend bei der Veränderung
der Eigenfrequenz bei jedem der Frequenzverläufe 51 bis 53 zeigt.
Aus jedem Frequenzverlauf 51 bis 53 kann sehr
genau auf die aktuelle Konzentration der Teilchen der entsprechenden
Partikelklasse in der gemessenen Suspension geschlossen werden.
Die absolute Frequenzverschiebung ermöglicht es, die Gesamtbeladung
der jeweiligen Suspension mit den Teilchen der jeweiligen Partikelklasse
zu bestimmen.
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- 1
- Impaktor
- 2
- Impaktorstufe
- 3
- Impaktorstufe
- 4
- Impaktorstufe
- 5
- Vorabscheider
- 6
- Klassierdüse
- 7
- Klassierdüse
- 8
- Klassierdüse
- 9
- Klassierdüse
- 10
- Prallplatte
- 21
- Wandung
- 22
- Teilmodul
- 23
- Anschluss
- 24
- Durchbrechung
- 25
- Halterohr
- 26
- Schwingquarz
- 27
- Widerlager
- 28
- Halteelement
- 29
- Federblech
- 30
- Achse
- 41
- Haltenase
- 42
- Eingang
- 43
- Sweep-Signal
- 44
- Dauer
- 45
- Widerstand
- 11
- Prallplatte
- 12
- Prallplatte
- 13
- Prallplatte
- 14
- Absaugstutzen
- 15
- Teilchen
- 16
- Suspension
- 17
- Teilchen
- 18
- Durchmesser
- 19
- Abstand
- 20
- Durchmesser
- 31
- Isolierung
- 32
- elektronische
Schaltung
- 33
- Isolierkörper
- 34
- Grundkörper
- 35
- Schraube
- 36
- Isolierkörper
- 37
- Mutter
- 38
- Oberfläche
- 39
- Oberfläche
- 40
- Haltering
- 46
- Diode
- 47
- Kondensator
- 48
- Erde
- 49
- Antwortsignal
- 50
- Resonanzüberhöhung
- 51
- Frequenzverlauf
- 52
- Frequenzverlauf
- 53
- Frequenzverlauf
- 54
- Zeitpunkt
- 55
- Ausgang