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Die Erfindung betrifft eine Probenaufnahme für eine Messeinrichtung zum berührungslosen Messen einer Staubprobe gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. Sie betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Probenaufnahme.
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In vielen industriellen Bereichen werden staubartige Substanzen über Rohrleitungen transportiert. Derlei staubartige Substanzen können beispielsweise Staubkohle, Zement, Mehl oder andere pulverartige Stoffe umfassen. Um die Eigenschaften dieser staubartigen Substanzen zu überwachen, kann eine Messtasche vorgesehen sein, in welcher sich eine Probe des Staubs ansammelt, die dann über einen geeigneten Messkopf beispielweise optisch vermessen werden kann, möglicherweise mit einer spektroskopischen Messung. Damit kann zum Beispiel eine Feuchtigkeit oder die Homogenität einer Stoffmischung überwacht werden. Falls der Messkopf nicht direkt mit dem zu messenden Staub in Kontakt treten darf, kann ein geeignetes Trennelement für die jeweilige Messmethode eingesetzt werden um den Messkopf vor dem Staub zu schützen. Beispielsweise kann das Trennelement für eine optische Messung ein Fenster, für eine dielektrische Messung einen Isolator, für eine Bestimmung der Permeabilitätszahl nichtmagnetische Materialien oder für eine Bestimmung einer akustische Impedanz eine entsprechend geeignete Membran aufweisen.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte messtaschenförmige Probenaufnahme bereitzustellen, welche es ermöglicht, die Eigenschaften einer Staubprobe genauer zu bestimmen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung und ein Verfahren gemäß den beiden unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungen ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen, der Beschreibung und den Figuren.
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Eine erfindungsgemäße Probenaufnahme für eine Messeinrichtung zum berührungslosen Messen, insbesondere zum spektroskopischen Messen, einer Staubprobe, hat eine von einem Gehäuse umgebene Messtasche zum Aufnehmen der Staubprobe, und ein in das Gehäuse eingelassenes Trennelement, dessen erste Seite der Messtasche und dessen gegenüberliegende zweite Seite der Messeinrichtung zugewandt ist. Dieses Trennelement kann eine Anschlussfläche für einen Messkopf darstellen. Es wird in seiner konkreten Ausgestaltung, insbesondere in seinem Material, an das beabsichtigte Messverfahren angepasst, also insbesondere an eine optische Messung, etwa mit einem Prozess-Spektrometer, eine Impedanzmessung, eine Messung magnetischer Eigenschaften wie Permeabilitätszahl μ oder Dielektrizitätskonstante, einer akustischen und Ultraschallabtastung, einer Messung mit Mikrowellen oder ähnliche bekannte Messmethoden. Um ein genaues Bestimmen von Eigenschaften einer Staubprobe zu ermöglichen, umfasst die Probenaufnahme wenigstens eine Versorgungseinrichtung zur Führung eines Fluids, mittels welchem die Probenaufnahme von Staub reinigbar und/oder gezielt temperierbar ist. Bei dem Fluid kann es sich insbesondere um ein Gas, also um Gasmischungen wie insbesondere Druckluft oder auch um Reingase wie beispielsweise CO2 oder N2, handeln. Es kann vorteilhaft sein, bei einem Temperieren das gleiche Fluid zu verwenden, welches zur Reinigung der Proben dient, da somit eine zusätzliche Medienversorgung entfällt. Es kann in der Versorgungseinrichtung auch vorgesehen sein, zum Temperieren der Probenaufnahme und des Sensors und zum Reinigen der Probenaufnahme jeweils ein unterschiedliches Fluid zu verwenden. Die Nutzung von Lüftern und/oder modernen Kühlern und/oder Pumpen für das Temperieren der Messeinrichtung ist möglich, wird hier aber als wartungsarme (und nicht wartungsfreie) Lösung betrachtet, was bei vielen Industrieprozessen unerwünscht ist. Das Temperieren der Probenaufnahme hat den Vorteil, dass auch wärmeempfindliche optische Sonden oder allgemein temperaturempfindliche Messsonden uneingeschränkt an die Probenaufnahme angeschlossen werden können, ohne dass durch eine hohe oder niedrige in der Messtasche vorliegende Temperatur Messergebnisse verfälscht oder verhindert werden.
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Insbesondere kann hier auch ein Temperatursensor vorgesehen sein, der ein Regeln eines temperierenden Fluidstromes in der Versorgungseinrichtung ermöglicht. Somit kann ein Kühlen und/oder Heizen also gezielt bedarfsabhängig erfolgen. Dieser Temperatursensor kann dann auch mit einem Heizelement, beispielsweise einem Peltierelement, kombiniert werden, so dass für die Messeinrichtung eine konstante Temperatur eingestellt werden kann. In Folge können auch Sonden, welche nur in einem schmalen Temperaturband betreibbar sind, verwendet werden.
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Das Reinigen der Probenaufnahme von Staub bringt den Vorteil mit sich, dass eine aktuelle Messung nicht von Altstaub, welcher möglicherweise von einer bereits zuvor erfolgten Messung stammt, verfälscht wird. Die Eigenschaften einer Staubprobe können also genauer bestimmt werden, da einerseits mehr, das heißt auch temperaturempfindliche Sensortypen verwendet werden können und andererseits ein Einfluss von alten Probenresten auf aktuelle Messergebnisse verhindert wird. Es wird also eine ruhende Messung von stets aktuellen, nicht durch alte Probenreste verunreinigten, Staubproben ermöglicht.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Versorgungseinrichtung zumindest eine Austrittsöffnung aufweist, welche die Versorgungseinrichtung fluidisch mit der Messtasche koppelt und in Richtung der ersten Seite des Trennelements weist, so dass die erste Seite des Trennelements aus der Austrittsöffnung mit einem Fluidstrom beaufschlagbar ist. Das hat den Vorteil, dass Staub auf der ersten Seite des Trennelements, welcher nicht gemessen werden soll, mit dem Fluid weggeblasen wird und somit eine Messung nicht beeinflussen kann.
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Hier ist insbesondere vorgesehen, dass die Austrittsöffnung die Form eines Fächerschlitzes aufweist. Unter einem Fächerschlitz ist hier eine sich schlitzförmige Düse zu verstehen, welche zur Folge hat. Das hat den Vorteil, dass das Trennelement flächig mit dem Fluidstrom beaufschlagt wird und eine gleichmäßige Reinigung des Trennelements erzielt wird. Überdies wird so eine laminare Strömung an der ersten Seite des Trennelements erzielt, bei der keine Wirbel entstehen. Somit wird auch ein Verkratzen oder Verschleiß des Trennelements durch Staubpartikel vermieden.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Gehäuse über zumindest zwei konzentrische ringförmige Elemente verfügt und die Versorgungseinrichtung und/oder die Austrittsöffnung zumindest teilweise durch Oberflächen und/oder Aussparungen in den Oberflächen aneinander angrenzender Elemente gebildet sind, wobei insbesondere eines der ringförmigen Elemente das Trennelement umschließt. Die Probenaufnahme hat also mehrere Elemente, welche beispielsweise ineinander gesteckt sind. Das hat den Vorteil, dass die Versorgungseinrichtung relativ einfach geformt werden kann, indem beispielsweise die einzelnen, noch nicht zusammengefügten Elemente gefräst oder in einer bestimmten Weise gegossen sind, so dass sich auf einfache Weise bei einem Zusammenfügen der Elemente insbesondere auch nicht-geradlinige Abschnitte der Versorgungseinrichtungen ergeben. Somit kann die Versorgungseinrichtung weitgehend unabhängig von fertigungstechnischen Beschränkungen strömungsoptimiert ausgelegt sein und ist überdies im Zweifelsfall, beispielsweise bei einer Verstopfung, leicht zu reinigen, indem die Elemente wieder auseinandergenommen und einzeln gereinigt werden. Die Versorgungseinrichtung ist also leicht zugänglich.
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Hierbei kann vorgesehen sein, dass die Austrittsöffnung und/oder die Versorgungseinrichtung über zumindest zwei nicht parallel verlaufende Flächen zweier benachbarter ringförmiger Elemente verfügt. Insbesondere kann eine Austrittsöffnung hier so geformt sein, dass die nicht parallel verlaufenden Flächen in Ausströmrichtung der Austrittsöffnung auseinander verlaufen. Das hat den Vorteil, dass so in einfacher Weise ein sich aufweitender Fluidstrahl geformt werden kann, welcher im Falle des Austritts über die Austrittsöffnung das Trennelement in oben beschriebener Weise vorteilhaft gleichmäßig und flächig reinigt. Es kann so auch innerhalb der Versorgungseinrichtung ein Bereich geschaffen werden, in dem das Fluid gegebenenfalls expandieren kann und somit gezielt abkühlt und zu einer verbesserten Kühlung in dem entsprechenden Bereich beiträgt.
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In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass eine Mehrzahl von Austrittsöffnungen vorhanden ist und diese kreisförmig um das Trennelement angeordnet sind. Insbesondere sind hier sechs oder insbesondere mehr als sechs Austrittsöffnungen vorteilhaft. Die genaue Anzahl ist hier prozessabhängig und richtet sich nach den Eigenschaften des wegzublasenden Staubs. Das hat den Vorteil, dass ein besonders gleichmäßiges Freiblasen des Trennelements erzielt werden kann. Dieses gleichmäßige Freiblasen kann auch dadurch unterstützt werden, dass in die Versorgungseinrichtung an mehr als einem Ort eine Fluideinspeisung erfolgt, insbesondere an zwei oder mehr gegenüberliegenden Seiten der Versorgungseinrichtung. Somit wird ein besonders gleichmäßiger Druck des Fluids an den unterschiedlichen Austrittsöffnungen gewährleistet.
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Es kann auch vorgesehen sein, dass die Versorgungseinrichtung zumindest teilweise um das Trennelement herum verläuft. Das hat den Vorteil, dass mehrere Austrittsöffnungen von der Versorgungseinrichtung versorgt werden können und gleichzeitig der Kühleffekt verstärkt wird.
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Schließlich kann in einer Ausführungsform vorgesehen sein, dass ein Teil der Versorgungseinrichtung ringförmig um das Trennelement verläuft und insbesondere der ringförmige Teil der Versorgungseinrichtung der zweiten Seite des Trennelements näher ist als der ersten Seite. Dieser Teil der Versorgungseinrichtung bildet dann also einen Temperierungskanal. Das hat den Vorteil, dass gezielt der Bereich der Probenaufnahme um das Trennelement temperiert wird. Diese Temperierung erfolgt dann besonders gleichmäßig und insbesondere auf der Seite des Trennelements, beziehungsweise des Gehäuses um das Trennelement, welche der Messtasche abgewandt und der Messeinrichtung zugewandt ist, sodass die Messeinrichtung sich gegebenenfalls weniger erhitzt oder abkühlt als ohne Versorgungseinrichtung. Bei dem Temperieren kann es sich also um ein gezieltes Heizen und auch um ein gezieltes Kühlen handeln.
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Die Erfindung beinhaltet auch ein Verfahren zum Betreiben einer Probeaufnahme für eine Messeinrichtung zum berührungslosen Messen einer Staubprobe. Bei dem Verfahren wird eine Staubprobe in einer von einem Gehäuse umgebenen Messtasche aufgenommen und anschließend durch ein in das Gehäuse eingelassenes Trennelement, dessen erste Seite der Messtasche und dessen gegenüberliegende zweite Seite der Messeinrichtung zugewandt sind, hindurch von der Messeinrichtung analysiert wird. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass die Probenaufnahme mittels eines durch wenigstens eine Versorgungseinrichtung geführten Fluids gezielt temperiert und/oder, insbesondere vor oder nach dem Analysieren von Staub, gereinigt wird. Auch damit ergeben sich die eingangs erwähnten Vorteile.
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In einer vorteilhaften Variante des Verfahrens ist ein Beaufschlagen der ersten Seite des Trennelements mit einer, insbesondere laminaren, Strömung des Fluids durch eine Austrittsöffnung, welche die Versorgungseinrichtung fluidisch mit der Messtasche koppelt, vorgesehen. Es kann sich bei der Strömung auch um eine turbulente Strömung handeln. Eine laminare Strömung hat hier den Vorteil, dass die beaufschlagte erste Seite des Trennelements so einem besonders geringem Verkratzen unterliegt. Auch hier sei auf die oben genannten Vorteile verwiesen.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung sowie anhand der Figuren. Dabei zeigen:
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1 eine schematische Schnittdarstellung einer beispielhaften Ausführungsform einer Probenaufnahme;
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2 einen vergrößerten Ausschnitt von 1, in dem eine Auslassöffnung zu sehen ist; und
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3 einen vergrößerten Ausschnitt von 1, in dem ein Temperierungskanal zu sehen ist.
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In den FIG werden gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer beispielhaften Probenaufnahme. Die Probenaufnahme 1 ist dabei auf einem Flansch 13 angeordnet, welcher zu einer Rohrleitung, welche Staub führt, gehört. Die Probenaufnahme 1 ist hier im gezeigten Beispiel im Wesentlichen durch eine Mehrzahl von ringförmigen Elementen 9, 10, 11, 12, einem als Optik ausgeführten Trennelement 4, sowie zwei gegenüberliegende Gasanschlüsse 14 gebildet. Die Gasanschlüsse 14 könnten auch Anschlüsse für ein anderes Fluid sein. Die unterschiedlichen ringförmigen Elemente 9, 10, 11, 12 sind in dem Beispiel konzentrisch um eine Achse A angeordnet und ineinander gesteckt und bilden ein Gehäuse 2. Die Versorgungseinrichtung 7 wird hier, wie auch eine Austrittsöffnung 8, durch Oberflächen und Aussparungen in aneinander anliegenden, benachbarten, ringförmigen Elementen 9, 10, 11, 12 gebildet. Zwischen den unterschiedlichen ringförmigen Elementen 9, 10, 11, 12 sind hier einige Dichtungen 15 angeordnet, um die Versorgungseinrichtung 7 gegen eine Messtasche 3 und einen Außenraum abzudichten.
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Das als Optik ausgeführte Trennelement 4, welches im gezeigten Beispiel die Form einer runden Scheibe hat, verfügt über eine erste Seite 5, welche der Messtasche 3 zugewandt ist, und eine zweite Seite 6, welche einer Messeinrichtung zugewandt ist. Im vorliegenden Beispiel ist das Trennelement 4 in ein erstes ringförmiges Element 9 des Gehäuses 2 eingelassen, so dass die beiden Seiten 5, 6 bündig in das ringförmige Element übergehen. Hierdurch wird in diesem Fall ein unnötiges Verschmutzen verhindert, es kann auch eine andere konkrete Ausgestaltung gewählt werden.
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Benachbart zu dem ersten ringförmigen Element 9 ist hier beispielsweise ein zweites ringförmiges Element 10 angeordnet, welches auch an das dritte ringförmige Element 11, das vierte ringförmige Element 12 und die Messtasche 3 angrenzt. Das dritte ringförmige Element 11 grenzt im gezeigten Beispiel an das erste ringförmige Element 9, das zweite ringförmige Element 10, das vierte ringförmige Element 12 und an den Flansch 13 an und nimmt den Gasanschluss 14 auf. Es verfügt über eine Bohrung, welche zur Versorgungseinrichtung 7 gehört, und bildet mit dem ersten ringförmigen Element 9 und dem zweiten ringförmigen Element 10 über Aussparungen in der Oberfläche einen ringförmigen Teil der Versorgungseinrichtung 7, welcher einen Temperierungskanal 16 für ein über den Gasanschluss 14 in die Versorgungseinrichtung 7 zu leitendes Gas bildet.
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Das vierte ringförmige Element 12 grenzt an die Messtasche 3, den Flansch 13 sowie an das zweite ringförmige Element 10 und das dritte ringförmige Element 11 an. Dabei kann über die Form des dritten ringförmigen Elements 12 auch die Form der Messtasche 3 beeinflusst werden. Im vorliegenden Fall ist die Form trichterartig. Über Aussparungen und einen Vorsprung bildet das vierte ringförmige Element 12 gemeinsam mit dem zweiten ringförmigen Element 10 die Austrittsöffnung 8, welche die Versorgungseinrichtung 7 fluidisch mit der Messtasche 3 koppelt.
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Im Betrieb der Probenaufnahme 1 wird nun über die beiden im vorliegenden Fall gegenüberliegenden Gasanschlüsse 14 eine Pressluft in die Versorgungseinrichtung 7 eingebracht, beispielsweise mit einem Druck von 6 bis 8 Bar. Diese Pressluft wird nun über die Austrittsöffnung 8 in die Messtasche 3 geblasen und es wird dabei Staub wie zum Beispiel Kohlestaub oder ähnliche Partikel, welcher sich an der ersten Seite 5 des als Optik ausgeführten Trennelements 4 angesammelt hat, wegblasen. Die spezielle Form der Austrittsöffnung 8 ermöglicht hier ein großflächiges, laminares Bestreichen der ersten Seite 5 mit dem Luftstrom, so dass Kratzer in der Optik durch verwirbelte Staub- beziehungsweise Partikelteilchen vermieden werden. Da die Messtasche 3 prozesstechnisch bedingt eine hohe Temperatur von über 100 Grad Celsius aufweisen kann, wird im gezeigten Beispiel die Pressluft auch durch den Temperierungskanal 16 geblasen. Damit wird im gezeigten Beispiel das erste ringförmige Element 9 und damit das als Optik ausgeführte Trennelements 4, welches ja von dem ringförmigen Element 9 gehalten wird, gekühlt. Es könnte z.B. aber auch auf einer bestimmten Temperatur gehalten, also temperiert, werden. Damit kann auf der zweiten Seite 6 des Trennelements 4 auch eine empfindlichere Sensorik als üblich angeordnet sein. Der Temperierungskanal 16 ist hier Teil der Versorgungseinrichtung 7 und als ringförmiger Kanal über eine oder mehrere Bohrungen mit dem Gasanschluss 14 verbunden. In 1 ist diese Verbindung nicht zu erkennen, da sie nicht in der gezeigten Schnittebene liegt.
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Da die Probenaufnahme 1 somit gekühlt wird und vor jeder Messung die erste Seite 5 des als Optik ausgeführten Trennelements 4 von Staub befreit werden kann, ist ein genaues und insbesondere spektrometrisches Messen von Eigenschaften von Staub in der Messtasche 3 möglich.
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2 zeigt einen Ausschnitt von 1, in dem eine Austrittsöffnung 8 dargestellt ist. Gut zu erkennen ist hier die Messtasche 3, an welche das erste ringförmige Element 9, das zweite ringförmige Element 10 und das vierte ringförmige Element 12 sowie das mit dem ersten ringförmigen Element 9 verbundene Trennelement 4 angrenzen. Die Austrittsöffnung 8 koppelt hier fluidisch wieder die Versorgungseinrichtung 7 mit der Messtasche 3 und wird durch die beiden aneinander angrenzenden zweiten und vierten ringförmigen Elemente 10, 12, unter anderem durch deren Oberflächen 17, 18, gebildet. Die Austrittsöffnung 8 hat die Form eines Fächerschlitzes, da hier die Oberfläche 17 des zweiten ringförmigen Elements 10 und die weitere Oberfläche 18 des vierten ringförmigen Elements 12 so orientiert sind, dass sie nicht parallel verlaufen, und zwar dergestalt, dass sie in Richtung eines Gas- oder Pressluftstromes, der aus der Versorgungseinrichtung 7 durch die Austrittsöffnung 8 in die Messtasche 3 strömt, auseinanderlaufen. Im Prinzip kann dieser Fächerschlitz anteilig in beliebiger Aufteilung durch die beiden benachbarten ringförmigen Elemente 10, 12 gebildet werden; beispielsweise können drei Seiten eines solchen Fächerschlitzes von einem der beiden ringförmigen Elemente 10, 12 und eine weitere Seite von dem anderen ringförmigen Element 12, 10 gebildet werden. Über den Fächerschlitz kann die erste Seite 5 des Trennelements 4 flächig mit einer Gasströmung beaufschlagt werden, so dass eine gleichmäßige Reinigung erfolgt. Im Prinzip können hier beliebig viele derartige Austrittsöffnungen 8 vorgesehen sein, beispielsweise ist auch ein einziger großer ringförmiger Fächerschlitz entlang des gesamten Umfangs des Trennelements 4 möglich.
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3 zeigt einen weiteren Ausschnitt aus 1, bei dem der Temperierungskanal 16 besonders gut zu erkennen ist. Durch diesen Temperierungskanal 16 beziehungsweise das Durchströmen des Temperierungskanals 16 mit einem Gas, beispielsweise Pressluft, kann eine Überhitzung einer in der Nähe angeordneten Messsonde bei Bedarf vermieden werden. Im gezeigten Beispiel ist der Temperierungskanal 16 gebildet durch drei aneinander angrenzende ringförmige Elemente, das erste ringförmige Element 9, das zweite ringförmige Element 10 und das dritte ringförmige Element 11. Diese verfügen über jeweilige Aussparungen, die bei einem Zusammenfügen der Elemente zur Bildung des Temperierungskanals 16 führen. Gegenüber dem Außenraum und der Messtasche 3 ist der Temperierungskanal 16 hier durch zwei Dichtungen 15 zwischen den ersten und zweiten ringförmigen Elementen 9, 10 und den ersten und dritten ringförmigen Elementen 9, 11 abgedichtet. Im gezeigten Beispiel ist der Temperierungskanal 16 gut als der zweiten Seite 6 des Trennelements 4 näherliegend als der ersten Seite 5 des Trennelements 4 zu erkennen. Damit wird die Kühlung vor allem auf der messtaschenabgewandten Seite der Probenaufnahme 1 erfolgen.
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Die Versorgungseinrichtung 7 ist im gezeigten Beispiel mit dem Temperierungskanal 16 fluidisch gekoppelt. Der Temperierungskanal 16 ist hier also Teil der Versorgungseinrichtung. Diese Kopplung kann durch eine einfache Bohrung oder Aussparung erfolgen und ist in der 3 nicht dargestellt. Wird der Temperierungskanal 16 von einem Gas durchströmt, so kann dieses Gas Wärme von den an die Messtasche 3 angrenzenden ringförmigen Elementen 9, 12 aufnehmen. Allgemein formuliert kann der Temperierungskanal 16 Wärme abführen, welche aus der Messtasche 3 auf das Gehäuse 2 übertragen wird und dort nicht erwünscht ist.
