-
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur kontinuierlichen Messung zumindest eines Parameters von Stoffen nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 und eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Messung zumindest eines Parameters von Stoffen nach dem Oberbegriff von Anspruch 6.
-
Solche Vorrichtungen und Verfahren werden beispielsweise zur kontinuierlichen Messung von Staubkonzentrationen in Rauchgasen und vor allem in der Industrie eingesetzt. Sie lassen sich allerdings auch für andere gewerbliche und kommunale Einsatzzwecke verwenden, wie der Überwachung der Einhaltung von Feinstaubgrenzwerten im Baugewerbe oder der Landwirtschaft. Dabei erfolgt eine Entnahme von Messgas aus einem Gasstrom in der Regel durch eine Sonde, weshalb von einer extraktiven Messung gesprochen wird.
-
Andererseits ist auch eine kontinuierliche Messung direkt in der Umgebungsluft bzw. Abluft möglich, wobei man von einer in-situ-Messung spricht.
-
Da beispielsweise die Staubkonzentration in der Industrie bei Anfahrprozessen, aber vor allem im Baugewerbe bzw. in der Landwirtschaft, aufgrund zeitlich begrenzter Aktivitäten mit starken Emissionen, eine hohe Dynamik aufweist, besteht die Möglichkeit, dass bisherige Sensorsysteme in die Sättigung gelangen. Dies führt zu inkorrekt detektierten Messwerten und einer fehlerhaften Messwertspeicherung, welche die in größeren zeitlichen Abständen, von z.B. einer halben Stunde bzw. einer Stunde, aufzuzeichnenden Mittelwerte verfälscht. Hintergrund ist die Sättigung der Sensoren, sodass nur der maximal im Messwertbereich des Sensors liegende Messwert aufgenommen wird und jegliche wertmäßig darüber liegende Staubkonzentration für die weitere Aufzeichnung und somit auch für den Zeit-Mittelwert verloren geht.
-
Um dies zu vermeiden, wird derzeit ein Verdünnungssystem 10 zum Schutz der Messsensorik 12 genutzt (vgl. 1), welches mittels Einleitung eines definierten Volumenstromes 14 die Staubkonzentration im mit dem über eine Messgasentnahmesonde 16 entnommenen Messgas 18 vereinten Gesamtvolumenstrom 20 definiert verringert. Um diese Verdünnung zu realisieren, muss das Verdünnungsgas 22 mittels eines Luftaufbereitungssystems 24 so gereinigt werden, dass das Verdünnungsgas 22 den Anforderungen an Instrumentenluft (I-Luft) entspricht. Dabei handelt es sich um gereinigte, trockene und staubfreie Umgebungsluft.
-
Weiterhin ist für die Einleitung des Verdünnungsgases 22 ein gesteuertes Gebläse 26 zu integrieren, um den einzuleitenden Volumenstrom 14 in seiner Menge variieren zu können. Die Regelung 28 wird durch im Messgasvolumenstrom 18, wie im Verdünnungsgasvolumenstrom 14 zu ermittelnden Kennwerten 30, 32 der physikalischen Größen Druck (p), Geschwindigkeit (v), Temperatur (T) und Feuchtigkeit (H) mit Informationen versorgt und stellt daraufhin die Verdünnung mit dem definierten Verhältnis in einem Mischbehälter 34 ein. Nach Vermessung dieses erzeugten Gesamtvolumenstroms 20 in der Messsensorik 12 wird Abgas 36 ausgegeben.
-
Der Einsatz einer kostenintensiven, präzisen Regelung 28, die nicht nur von den Kennwertbestimmern 30, 32, sondern auch von der Messsensorik 12 Steuersignale empfängt und Steuersignale an das Gebläse 26 und die Luftaufbereitung 24 ausgibt, sowie die aufwändige und ebenfalls kostenintensive Luftaufbereitung 24 zum Erhalt von I-Luft führen zu hohen Systemkosten. Weiterhin sind aufgrund der großen Anzahl an zusätzlichen, mechanischen Bauteilen die Wartungs- und Instandhaltungskosten sehr hoch.
-
Die zuvor genannten Eigenschaften führen dazu, dass diese Messsysteme in einer Vielzahl an potenziellen Einsatzorten nicht wirtschaftlich betrieben werden können, was ihrem flächendeckenden Einsatz bisher im Wege steht.
-
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die kontinuierliche Messung von Stoffparametern zu ermöglichen, ohne dass die Messsensorik in ihren Sättigungsbereich eintritt, wobei die Messung kostengünstig und wartungsarm erfolgen soll. Insbesondere soll eine kontinuierliche Messung von Partikeln in Messgasen bereitgestellt werden, bei der die Erfassung von dynamischen Konzentrationen ohne Einsatz von Verdünnungsgas möglich ist und bei der gleichzeitig die Sensorik vor übermäßiger Verschmutzung durch das partikelhaltige Messgas geschützt ist. So soll der Wartungsaufwand der Messsysteme weitestgehend minimiert und eine kostengünstige Alternative für den Einsatz in Partikelmesssystemen mit stark dynamischem Messwertverlauf geschaffen werden.
-
Diese Aufgabe wird gelöst mit dem erfindungsgemäßen Verfahren nach Anspruch 1 und der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach Anspruch 6. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Unteransprüchen und der Beschreibung angegeben.
-
Erfinderseits wurde erkannt, dass die gestellte Aufgabe dadurch in überraschender Art und Weise besonders einfach gelöst werden kann, wenn das Erreichen des Sättigungsbereichs der Sensorik durch eine elektrostatische Filterung der Stoffe verhindert wird. Es wird somit die Stoffkonzentration in der Messsensorik bevorzugt gezielt so reduziert, dass die Messsensorik in ihrem optimalen Arbeitspunkt bleibt.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren zur kontinuierlichen Messung von Stoffen in einem Gasstrom, wobei Mittel zur Messung zumindest eines Parameters der Stoffe und Mittel zur Zuführung der Stoffe zu den Mitteln zur Messung bestehen, wobei die Mittel zur Messung einen Sättigungsbereich aufweisen, ist dadurch gekennzeichnet, dass die Stoffkonzentration in den Mitteln zur Zuführung durch elektrostatische Filterung reduziert wird, damit der Sättigungsbereich nicht erreicht wird.
-
„Kontinuierlich“ bedeutet dabei, dass Messgas zumindest über einen bestimmten Zeitraum fortlaufend gemessen wird. „Messen“ bedeutet dabei das Bestimmen zumindest eines physikalischen und/oder chemischen Parameters, wobei bevorzugt die Partikelkonzentration bestimmt wird. „Stoffe“ können alle Arten von Materialien sein, insbesondere kann es sich um Feststoffe, beispielsweise Partikel, aber auch um Gase oder Aerosole, darunter auch chemische Stoffe, wie SO3 oder dgl. handeln. „Parameter“ können beliebige physikalische und/oder chemische Parameter des Stoffes sein, wobei es sich bevorzugt um eine Staubkonzentration in einem Messgas handelt.
-
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass die elektrostatische Filterung zugeschaltet wird, wenn die Gefahr besteht, dass der Sättigungsbereich erreicht wird. Dadurch kann schon frühzeitig auf ein mögliches Erreichen des Sättigungsbereichs reagiert werden und so der optimale Arbeitspunkt der Messsensorik eingehalten werden. Hierzu könnte beispielsweise ein Schwellwert verwendet werden, der unterhalb eines Sättigungswertes der Messsensorik liegt.
-
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Gefahr des Erreichens des Sättigungsbereichs durch Flankenanalyse in Bezug auf die kontinuierliche Messwertkurve erkannt wird. Beispielsweise kann die erste Ableitung dieser Messwertkurve im Zusammenhang mit dem aktuellen Messwert daraufhin analysiert werden, ob der Sättigungsbereich erreicht wird. Dann kann durch elektrostatische Filterung der Messwert gezielt und dynamisch abgesenkt bzw. anschließend wieder erhöht werden.
-
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass die elektrostatische Filterung mit zumindest einem Elektrofilter, der bevorzugt ein Elektroa bscheider ist, vorgenommen wird. Damit ist die elektrostatische Filterung besonders wirkungsvoll möglich.
-
Grundsätzlich wurde erkannt, dass beispielsweise für die extraktive, kontinuierliche Messwertermittlung bei einer Strömungsgeschwindigkeit des Messgases von bis zu 15m/s der Einsatz eines Filterungsverfahrens, z.B. nach dem elektrostatischen Prinzip mittels E-Filter möglich ist. Verbessert werden kann die Filterwirkung dabei durch eine gezielte Anpassung der Filterarchitektur, z.B. in Oberflächenbeschaffenheit der Abscheideelektrode oder der effektiven Filterlänge. Dabei kann die Verdünnung mit einer einzelnen Zuleitung erfolgen, in welcher ein Filtersystem, bestehend aus einem oder mehreren, hintereinander geschalteten Filtern, integriert ist. Dieser bzw. diese Filter können durch eine Steuerungseinheit entsprechend der Stoffkonzentration in ihrer Filterintensität gezielt eingestellt werden. Somit wird eine präzise Verdünnung des angesaugten Messgases realisiert.
-
Es wurde erkannt, dass mit einem Elektrofilter die Reinigung einströmender, nicht explosiver bzw. nicht brennbarer Gase mit einem Wirkungsgrad von über 95% erreicht werden kann, wenn die Strömungsgeschwindigkeit sich in einem niedrigen Bereich von unter 2m/s befindet. In einer vorteilhaften Weiterbildung ist daher vorgesehen, dass der elektrostatische Filter mit einer Strömungsgeschwindigkeit der Stoffe von höchstens 2m/s, bevorzugt höchstens 1m/s, insbesondere höchstens 0,7m/s angeströmt wird. Wenn die Strömungsgeschwindigkeit im elektrostatischen Filter größer ist als die gewünschte Strömungsgeschwindigkeit, dann kann ein Teil des Volumenstromes abgezweigt werden, wobei die Abzweigleitung oder die Abzweigleitungen ebenfalls ein Filtersystem aufweisen kann bzw. können. Weiterhin kann der Filterraum mit einem gegenüber der Zuführleitung vergrößerten Durchmesser ausgebildet werden.
-
Die Filterwirkung kann noch weiter verbessert werden, wenn innerhalb des elektrostatischen Filters die Strömungsgeschwindigkeit auf höchstens 0,5m/s, bevorzugt höchstens 0,2m/s, insbesondere höchstens 0,1m/s verringert wird. Hierzu kann der Filterraum mit einem gegenüber der Zuführleitung vergrößerten Durchmesser ausgebildet werden.
-
Die Herabsetzung der Strömungsgeschwindigkeit kann auch durch eine Parallelschaltung mehrerer Strömungsleitungen erfolgen.
-
„Durchmesser“ beschränkt Leitung bzw. Zuleitung nicht auf solche mit einen kreisrunden Querschnitte. Es sind auch andere Querschnitte, wie eckige oder ovale möglich, wobei dann „vergrößerter Durchmesser“ eine vergrößerte durchströmte Fläche meint.
-
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass die herausgefilterten Stoffe der Messung zu einem späteren Zeitpunkt wieder zugeführt werden, wenn keine Gefahr besteht, dass der Sättigungsbereich erreicht wird, wobei die Zuführung bevorzugt durch eine Reinigung des Filters erfolgt. Dadurch können sehr einfach exakte Mittelwertbestimmungen für die Messwerte über einen bestimmten Zeitraum vorgenommen werden, weil nun keine Stoffe für die Messung verloren gehen und so quasi eine temporäre Messbereichserweiterung vorgenommen wird.
-
Unabhängiger Schutz wird beansprucht für die erfindungsgemäße Vorrichtung zur kontinuierlichen Messung von Stoffen in einem Gasstrom, wobei Mittel zur Messung zumindest eines Parameters der Stoffe und Mittel zur Zuführung der Stoffe zu den Mitteln zur Messung bestehen, wobei die Mittel zur Messung einen Sättigungsbereich aufweisen, die dadurch gekennzeichnet ist, dass Mittel zur elektrostatischen Filterung der Stoffe bestehen und Mittel zur Steuerung, die angepasst sind, die Mittel zur elektrostatischen Filterung so zu steuern, dass die Stoffkonzentration in den Mitteln zur Zuführung so reduziert wird, dass der Sättigungsbereich nicht erreicht wird.
-
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Mittel zur Zuführung zumindest zwei parallele Leitungswegbereiche aufweisen, wobei in zumindest einem Leitungswegbereich die elektrostatische Filterung vornehmbar ist. Dadurch kann ein durch Filterung von Messgas erzeugtes Spülgas sehr einfach hergestellt und dem Messgas zugeführt werden. Durch diese Volumenstromtrennung können auch Leitungen mit unterschiedlichen oder gleich großen Durchmessern zum Einsatz kommen, um das Verhältnis des Spülgases zum Messgas gezielt zu beeinflussen. Außerdem können die Zuleitungen von Messgas und von Spülgas mit Drosselventilen versehen sein, um das Mischungsverhältnis gezielt einzustellen. Darüber hinaus können sowohl für das Messgas als auch für das Spülgas mehrere Zuleitungen bestehen, die bevorzugt selektiv abschaltbar ausgebildet sind, beispielsweise mit Drossel- oder Schaltventilen.
-
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Mittel zur Filterung zumindest einen Elektrofilter, bevorzugt zumindest einen Elektroabscheider aufweisen. Diese Filter sind besonders einfach herstellbar und betreibbar. Es können auch zwei oder mehrere Elektrofilter parallel und/oder in Reihe geschaltet sein, wodurch die gefilterte Stoffmenge und damit die Reinheit des erzeugten Spülgases gezielt eingestellt werden kann. Der Aufbau und die Wirkungsweise eines solchen elektrostatischen Filters kann beispielsweise der
EP 3 396 352 A1 entnommen werden, deren diesbezüglicher Inhalt hiermit einbezogen wird.
-
Die dynamische Einstellung des temporären Verdünnungsverhältnisses kann bei vorliegender Erfindung also entweder mittels Zu- bzw. Abschaltung von elektrostatischen Filtern und/oder Spülgaszuleitungen einerseits und/oder andererseits durch definierte Ansteuerung des elektrostatischen Filters oder der elektrostatischen Filter anhand ermittelter Filterkennlinien vorgenommen werden.
-
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Mittel zur Filterung Mittel zur Reinigung aufweisen, die angepasst sind, die gefilterten Stoffe freizusetzen, wobei die Mittel zur Reinigung bevorzugt als Klopf- und/oder Vibrationsmittel ausgebildet sind. Dadurch können die gefilterten Stoffe auch dann später wieder der Messung zugeführt werden, wenn sie sich nicht durch einfaches Abschalten und Durchströmen des Elektrofilters mit Messgas von diesem lösen und austragen lassen.
-
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Vorrichtung angepasst ist, das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen.
-
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass den Mitteln zur Filterung Mittel zur Konditionierung vorgelagert sind, wobei die Mittel zur Konditionierung bevorzugt zumindest ein Mittel aus der Gruppe umfassend Trocknungsmittel und Temperierungsmittel aufweist. Dadurch kann im Zuleitungssystem eine kostengünstige Regeltechnik eingesetzt werden. Für den Einsatz ist die Einhaltung der Randbedingungen des Messgases notwendig. So muss das eingeleitete Messgas eine Temperatur von mindestens 5°C über dessen Taupunkt aufweisen sowie weder explosiv noch brennbar sein. Hintergrund ist das Durchlaufen des elektrostatischen Feldes, in welchem es durch den Einsatz der Hochspannung zwischen der Sprühelektrode und der Abscheideelektrode sowie an Partikeln im Messgas zur Funkenbildung kommen kann. Zur Reduktion der Randbedingungen ist vorgesehen dem System eine vorgelagerte Konditionierungseinheit als optionales Modul hinzuzufügen, wodurch der Einfluss von Feuchtigkeit und gegebenenfalls Niederschlagserscheinungen bei Unterschreitung des Taupunkts des jeweiligen Gases oder Gasgemisches vermieden werden können.
-
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden also ein Verfahren und eine Vorrichtung angegeben, mit denen ein sehr wirksamer Sensorschutz ermöglicht wird und außerdem der Messbereich von kontinuierlichen Stoffmesssystemen erweitert werden kann.
-
Die Kennzeichen und weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden anhand der Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele im Zusammenhang mit den Figuren deutlich werden. Dabei zeigt rein schematisch:
- 1 eine Vorrichtung und das entsprechende Verfahren nach dem Stand der Technik in einer Blockbilddarstellung,
- 2 die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren in einer ersten bevorzugten Ausführungsform in einer Blockbilddarstellung,
- 3 die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren in einer zweiten bevorzugten Ausführungsform in einer Blockbilddarstellung,
- 4 die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren in einer dritten bevorzugten Ausführungsform in einer Blockbilddarstellung,
- 5 die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren in einer vierten bevorzugten Ausführungsform in einer Blockbilddarstellung,
- 6 den Messungsablauf in einer beispielhaften Messwertdarstellung für die Ausführungsform nach 2,
- 7 einen erfindungsgemäß eingesetzten elektrostatischen Filter in einer ersten Schnittansicht und
- 8 den elektrostatischen Filter nach 7 in einer zweiten Schnittansicht.
-
In 2 ist eine erste bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 50 dargestellt.
-
Es ist zu erkennen, dass diese Vorrichtung 50 eine Entnahmesonde 52 für zu untersuchendes Gas 54 aufweist, einen elektrostatischen Filter 56 und Messsensorik 58.
-
Dem Gas 54, das entweder in einem Raum vorliegt oder in einem Bereich (beispielsweise ein Schornstein) geführt wird, wird dabei von der Entnahmesonde 52 Messgas 60 entnommen und einem elektrostatischen Filter 56 zugeführt. Anschließend wird das den Filter verlassende Mischgas 62 der Messsensorik 58 zugeführt und vermessen. (Im Folgenden wird immer dann von „Mischgas“ anstelle von „Messgas“ gesprochen, wenn das Messgas einer Behandlung, z.B. einer Filterung oder einer Spülung unterzogen wurde.) Dabei wird der elektrostatische Filter 56 so mittels einer Steuereinheit 64 geregelt, dass die Messsensorik 58 nicht in ihren Sättigungsbereich gelangt. Das aus der Messsensorik 58 austretende Mischgas wird als Abgas 66 ausgegeben.
-
Bei dieser Ausgestaltung 50 wird erwartet, dass eine ausreichend hohe Filterwirkung durch den elektrostatischen Filter 56 bereitgestellt wird. Dabei sollten die Strömungsgeschwindigkeiten durch den elektrostatischen Filter 56 beispielsweise nicht größer als 0,5m/s sein.
-
In 3 ist eine zweite bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 100 dargestellt.
-
Es ist zu erkennen, dass diese Vorrichtung 100 eine Entnahmesonde 102 für zu untersuchendes Gas 104 aufweist, einen Volumenstromteiler 106, einen elektrostatischen Filter 108, einen Volumenstrommischer 110, Messsensorik 112 und eine Steuereinheit 114.
-
Dem Gas 104, das wiederum entweder in einem Raum vorliegt oder in einem Bereich (beispielsweise ein Schornstein) geführt wird, wird dabei von der Entnahmesonde 102 Messgas 116 entnommen und dem Volumenstromteiler 106 zugeführt.
-
Der Volumenstromteiler 106 unterteilt das Messgas 116 in einen Messgasanteil 118 und einen Spülgasanteil 120. Der Spülgasanteil 120 wird durch den elektrostatischen Filter 108 geführt und anschließend mit dem Messgasanteil 118 in dem Volumenstrommischer 110 wieder zusammengeführt, also gemischt. Das erzeugte Mischgas 122 wird der Messsensorik 58 zugeführt und dort vermessen. Dabei wird der elektrostatische Filter 108 so mittels der Steuereinheit 114 geregelt, dass die Messsensorik 112 nicht in ihren Sättigungsbereich gelangt. Das aus der Messsensorik 112 austretende Mischgas wird als Abgas 124 ausgegeben.
-
Für die Vorrichtung 100 bilden der Volumenstromteiler 106, der elektrostatische Filter 108 und der Volumenstromvereiniger 110 gemeinsam die Filtereinheit 126.
-
Im vorliegenden Fall ist der Volumenstromteiler 106 ein rein statisches Bauelement, bei dem eine Eingangsleitung mit zwei unterschiedlichen Ausgangsleitungen unveränderbar gekoppelt ist.
-
Es kann sich bei dem Volumenstromteiler 106 allerdings auch um ein variables Bauelement (nicht gezeigt) handeln, bei dem beispielsweise der Durchlass eines Ausgangs variabel ausgebildet ist oder sich bei Vergrößerung des Durchlasses eines Ausgangs der Durchlass des anderen Ausgangs verkleinert. Dann kann auch dieser Volumenstromteiler von der Steuereinheit 114 in Abhängigkeit von dem Messsignal geregelt werden.
-
Anstelle eines ungefilterten Messgasanteils 118 könnte auch in diesem Zweig ein elektrostatischer Filter 108 verwendet werden, so dass zwei parallel geschaltete elektrostatische Filter 108 bestehen und kein ungefilterter Messgaszweig.
-
In 4 ist eine dritte bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 150 dargestellt.
-
Es ist zu erkennen, dass diese Vorrichtung 150 eine Entnahmesonde 152 für zu untersuchendes Gas 154 aufweist, einen Volumenstromteiler 156, zwei elektrostatische Filter 158, 160, einen Volumenstromvereiniger 162, Messsensorik 164 und eine Steuereinheit 166.
-
Dem Gas 154, das entweder in einem Raum vorliegt oder in einem Bereich (beispielsweise ein Schornstein) geführt wird, wird dabei von der Entnahmesonde 152 Messgas 168 entnommen und dem Volumenstromteiler 156 zugeführt.
-
Der Volumenstromteiler 156 unterteilt das Messgas 168 in einen Messgasanteil 170 und zwei Spülgasanteile 172, 174. Jeder Spülgasanteil 172 kann durch einen eigenen elektrostatischen Filter 158, 160 geführt und anschließend mit dem Messgasanteil 170 in dem Volumenstrommischer 162 wieder zusammengeführt, also gemischt werden. Das erzeugte Mischgas 176 wird der Messsensorik 164 zugeführt und dort vermessen. Dabei werden die elektrostatischen Filter 158, 160 so mittels der Steuereinheit 166 geregelt, dass die Messsensorik 164 nicht in ihren Sättigungsbereich gelangt. Das aus der Messsensorik 164 austretende Mischgas wird als Abgas 178 ausgegeben.
-
Für die Vorrichtung 150 bilden der Volumenstromteiler 156, die elektrostatischen Filter 158, 160 und der Volumenstrommischer 162 gemeinsam die Filtereinheit 180.
-
Im Gegensatz zur Vorrichtung 100 nach 3 bestehen hier somit zwei unterschiedliche Spülgasleitungsanteile 172, 174, die durch die separaten elektrostatischen Filter 158, 160 gezielt in Bezug auf die enthaltenen Stoffe beeinflusst werden können. So kann die Stoffkonzentration im erzeugten Mischgas 176 noch besser eingestellt werden.
-
Es können also beliebig viele Spülgasleitungen und Messgasleitungen parallel bestehen, wobei auch ganz auf Messgasleitungen verzichtet werden kann, wobei dann alle Leitungen mit einem zuschaltbaren elektrostatischen Filter versehen sind.
-
In 5 ist eine vierte bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 200 dargestellt.
-
Es ist zu erkennen, dass diese Vorrichtung 200 eine Entnahmesonde 202 für zu untersuchendes Gas 204 aufweist, einen ersten elektrostatischen Filter 206, einen zweiten elektrostatischen Filter 208, Messsensorik 210 und eine Steuereinheit 212.
-
Dem Gas 204, das hier in dem Schornstein 214 einer nicht näher dargestellten Verbrennungsanlage 216 geführt wird (es handelt sich also um eine „Emissionsmessung“), wird dabei von der Entnahmesonde 202 Messgas 218 entnommen und dem ersten elektrostatischen Filter 206 zugeführt. Vor dort wird das vorpräparierte Mischgas 220 dem zweiten elektrostatischen Filter 210 zugeführt, der wiederum die Messsensorik 210 speist 222.
-
Dabei werden die elektrostatischen Filter 208, 210 so mittels der Steuereinheit 212 geregelt, dass die Messsensorik 210 nicht in ihren Sättigungsbereich gelangt. Das aus der Messsensorik 210 austretende Mischgas wird als Abgas 224 ausgegeben.
-
Der Antrieb dieser Zuführung stammt aus einem Ejektor 226, der mittels eines Gebläses 228, das Umgebungsluft 230 ansaugt, betrieben wird, wobei der Ejektor 226 das Abgas 224 ansaugt und die Mischung von Abgas 224 und Umgebungsluft 230 als Abluft 232 ausgibt.
-
Im Gegensatz zur Vorrichtung 100 nach 2 bestehen hier somit zwei in Reihe geschaltete elektrostatische Filter 206, 208, durch die die Stoffkonzentration im erzeugten Mischgas 222 noch besser eingestellt werden kann.
-
Es ist zu erkennen, dass man bei der vorliegenden Erfindung einen oder mehrere elektrostatische Filter 56, 108, 158, 169, 206, 208 verwenden kann. Diese Filter 56, 206, 208 können dabei in der Messgasleitung selbst vorliegen, wie in 2 und 5 gezeigt. Oder die Filter 108, 158, 160 können in eigenen Spülgasleitungen vorliegen, wie in 3 und 4 gezeigt. Auch in solchen Spülleitungen können dabei wiederum mehrere elektrostatische Filter (nicht gezeigt) vorhanden sein.
-
Für die Vorrichtung 200 bilden die elektrostatischen Filter 206, 208 gemeinsam die Filtereinheit 234.
-
Anhand von 6 soll der Messungsablauf mithilfe einer beispielhaften Messwertdarstellung für die Ausführungsform nach 2 erläutert werden.
-
In diesem Fall wird die Staubkonzentration in dem Messgas 54 bestimmt, wobei die Messsensorik 58 nach dem Prinzip der optischen Streulichtmessung auf Infrarotbasis in üblicher Art und Weise arbeitet, was dem Fachmann ohne Weiteres geläufig ist.
-
Der verwendete elektrostatische Filter 56 ist in den 7 und 8 in Schnittansichten näher dargestellt.
-
Es ist zu erkennen, dass der Elektrofilter 56 ein elektrisch isolierendes Gehäuse 70 aufweist. Das Gehäuse ist als Zylinder ausgebildet mit zwei versetzt zueinander gegenüberliegend angeordneten Gasleitungen 72, 74, nämlich einer Gaszuleitung 72 für das zugeführte Messgas 60 und einer Gasableitung 74 für das den Elektrofilter 56 verlassende Mischgas 62.
-
Im Inneren des Gehäuses 70 ist eine Kammer 76 ausgebildet, die von einer hohlzylindrischen Metallhülse 78 begrenzt wird. Diese Metallhülse 78 bildet die Abscheideelektrode 78, an die über den elektrischen Anschluss 80 ein Potential angelegt werden kann. Hierbei handelt es sich vorzugsweise um Erdpotential.
-
In der Mitte der Kammer 76 ist eine Sprühelektrode 82 so angeordnet, dass die Abscheideelektrode 78 hierzu konzentrisch angeordnet ist. Diese Sprühelektrode 82 besitzt eine Dicke von maximal 1 mm. Sie ist bevorzugt als glatte Industrienadel 82 aus Edelstahl ausgebildet, weil diese im Gegensatz zu Drähten und dergleichen eine sehr lange Lebensdauer im Betrieb aufweist und außerdem keiner gesonderten Spannmittel bedarf. Außerdem besitzt die Sprühelektrode 82 einen elektrischen Anschluss 84 zur Anlegung eines Potentials, vorliegend bevorzugt eine hohe Gleichspannung, zum Beispiel von maximal 15 kV, wobei die Spannungsversorgung vorzugsweise gepulst erfolgt. Die Bezugsspannung an der Sprühelektrode kann dabei sowohl positiv als auch negativ sein.
-
Dadurch, dass die Querschnittsfläche der Gaszuleitung 72 wesentlich geringer ist, als die deutlich größere Querschnittsfläche der Kammer 76, wobei beispielsweise ein Verhältnis von 1 zu 10 besteht, wird die Strömungsgeschwindigkeit in der Kammer 76 wesentlich verlangsamt, so dass die Elektroabscheidung durch eine Geschwindigkeitsabsenkung des Gasstromes sehr wirksam erfolgt.
-
Die Elektroabscheidung erfolgt dabei durch das Anlegen von beispielsweise 15 kV negativ gepulste Gleichspannung an der Sprühelektrode 82, womit Elektronen freigesetzt werden. Diese Elektronen werden in dem sich ausbildenden sehr starken elektrischen Feld zwischen der Sprühelektrode 82 und der Abscheideelektrode 78 stark beschleunigt und treffen u.a. auf die Staubpartikel (nicht gezeigt). Diese Staubpartikel werden dadurch elektrisch aufgeladen. Aufgrund des starken elektrischen Feldes werden die aufgeladenen Staubpartikel zur Abscheideelektrode 78 transportiert. Dort werden sie entladen und aufgrund von Haftkräften angelagert.
-
Auf diese Weise kann eine vollständige Filterung der Staubpartikel aus dem Messgas 60 erfolgen. Der Anteil der durch den Elektrofilter 56 herausgefilterten Staubpartikel kann durch gezielte Änderung des angelegten Potentials an die Sprühkathode 82 eingestellt werden. In Abhängigkeit von dem Betrieb des Elektrofilters 56 kann somit die Staubpartikelkonzentration in dem den Elektrofilter 56 verlassenden Mischgas 62 gezielt verändert werden.
-
In 6 ist zu erkennen, dass die Messsensorik 58 eine bestimmte obere Messbereichsgrenze aufweist. Bei Überschreitung dieser Messbereichsgrenze liegt eine Sättigung der Messsensorik 58 vor, so dass keine Messwerte größer als diese Messbereichsgrenze bestimmt werden können.
-
Es ist nun in der Steuereinheit 64 ein Schwellwert definiert, der ausreichend unterhalb der Messbereichsgrenze liegt, so dass in üblichen Anwendungsfällen die Staubkonzentration mittels der Elektrofilters 56 ausreichend abgesenkt werden kann, ohne dass der Messbereichsgrenzwert überschritten wird.
-
In 6 ist nun zum einen ein tatsächlicher Verlauf einer Staubkonzentration gezeigt und die tatsächlich von der Messsensorik 58 ausgegebenen Messwerte, wenn es die Messbereichsgrenze nicht geben würde (in 6 als „Staubkonzentration“ bezeichnet).
-
Es wird deutlich, dass die zu erwartenden Messwerte in dem Zeitabschnitt 1 (in 6 durch die eingekreiste „1“ verdeutlicht) zwischen den Zeiten T1 und T2 den Messbereichsgrenzwert überschreiten würden. Da in diesem Zeitraum die Messsensorik 58 in Sättigung gehen würde, könnten nur Messwerte in Höhe des Messbereichsgrenzwertes ausgeben und erfasst werden, so dass die jeweiligen aktuellen Messwerte verfälscht wären. Außerdem wären aber auch die darauf basierenden Mittelwerte fehlerbehaftet, da die oberhalb des Messbereichsgrenzwertes vorliegenden Staubkonzentrationen übergangen würden.
-
Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, dass die Steuerungseinheit 64 bei Überschreiten des Schwellwertes durch den aktuellen Messwert den Elektrofilter 56 einschaltet und so regelt, dass der Messwert unterhalb der Messbereichsgrenze bleibt. Dieses Einschalten des Elektrofilters 56 erfolgt in 6 zum Zeitpunkt T1, der durch die erste senkrechte Hilfslinie (von links gesehen) angegeben ist.
-
Um einschätzen zu können, wie stark der Elektrofilter 56 hierzu eingestellt werden muss, wie viele Staubpartikel also herausgefiltert werden sollen, ermittelt die Steuereinheit 64 den Flankenanstieg, also die erste Ableitung der Messwertkurve bei Überschreitung des Schwellwertes und stellt das Potential an der Sprühkathode 82 in Abhängigkeit von der zuvor ermittelten Kennlinie des Elektrofilters 56 so ein, dass die Messbereichsgrenze sicher nicht überschritten wird.
-
Die zweite senkrechte Hilfslinie zum Zeitpunkt T2 bezeichnet den Zeitpunkt, wenn die tatsächlichen Messwerte die Messbereichsgrenze wieder unterschreiten würden. Allerdings erfolgt durch das Durchströmen des Elektrofilters 56 immer eine Mitnahme von bereits gefilterten Staubpartikeln, die also von der Abscheideelektrode 78 abgeweht und zur Messsensorik 58 ausgegeben werden.
-
Dadurch verlängert sich der zeitliche Abschnitt bis zum Zeitpunkt T3, der durch die dritte senkrechte Hilfslinie verdeutlicht ist, bis die Messwerte wieder unterhalb des Schwellwertes fallen. Zu diesem Zeitpunkt wird der Elektrofilter 56 durch die Steuereinheit 64 abgeschaltet. Die Filterung der Staubpartikel wird somit in dem Zeitabschnitt zwischen T1 und T3 vorgenommen. Um sicherzugehen, dass die Unterschreitung stabil vorliegt, kann auch hierbei eine Flankenanalyse bezüglich des negativen Flankenanstiegs erfolgen.
-
Aufgrund des zuvor beschriebenen Auswehens der an der Abscheideelektrode 78 anhaftenden Staubpartikel liegt der eigentliche Messwert bis zum Zeitpunkt T4, der durch die vierte senkrechte Hilfslinie verdeutlicht wird, immer noch oberhalb des zu erwartenden Messwertes für die tatsächlich im Messgas 60 enthaltenen Staubkonzentration. Der Zeitraum 2 (in 6 durch eine eingekreiste „2“ bezeichnet) zwischen den Zeiten T3 und T4 beschreibt somit den zeitlichen Abschnitt in dem eine Filterreinigung erfolgt.
-
Diese Filterreinigung erfolgt dabei passiv durch Auswehen der Staubpartikel. Es kann allerdings auch vorteilhaft eine aktive Filterreinigung beispielsweise durch Klopfmittel und/oder durch Vibrationsmittel (beides nicht gezeigt in den 7 und 8) eingesetzt werden, wodurch der Zeitraum 2 verkürzt werden würde.
-
Bei Überschreiten des messbaren Maximums der Staubpartikelkonzentration werden somit temporär und anteilig Staubpartikel definiert abgeschieden und zu einem späteren Zeitpunkt der Messung wieder zugeführt. Dadurch werden in der Messsensorik 58 erhöhte Sensormesswerte über die Zeit der Selbstreinigung des Elektrofilters 56 nach dessen Abschaltung erfasst.
-
Genauer gesagt geschieht die vollständige Registrierung der Staubpartikelkonzentration im Mischgas 62 im Folgenden in der Vorrichtung 50 (die Integrale unter den Kurven für die Staubkonzentration und den Messerwerten sind in 6 sind identisch). Vor Abschaltung des Elektrofilters 56 werden die Sensormesswerte auf ihren Anstieg überprüft und bei einer definierten Stabilität die Zeitspanne seit Einschaltung des Elektrofilters 56 ermittelt. Mittels des Integrals der aufgenommenen, durch den Elektrofilter 56 beeinflussten Sensormesswerte, über der ermittelten Zeitspanne T1-T4, ist die Berechnung der insgesamt durch die Vorrichtung 50 geflossenen Staubpartikelmenge möglich. Diese wird den zuvor und danach ermittelten Messwerten im gerätespezifischen Messbereich hinzugefügt und ermöglicht somit die Bereitstellung von gesetzlich geforderten Mittelwerten der Staubpartikelkonzentration im Gas 54 über einen definierten Zeitbereich. Dabei sind Halbstunden-, Stunden- oder Tagesmittelwerte übliche Berechnungsgrößen.
-
Auch wenn dieses Messbeispiel anhand der Vorrichtung 50 in Bezug auf Staubpartikelkonzentrationen beschreiben wurde, ist doch klar, dass diese Vorgehensweise auch für andere, wie beispielsweise in den 3 bis 5 gezeigten Vorrichtungen 100, 150, 200 Gültigkeit hat. Für den Fall der Verwendung mehrerer Elektrofilter 158, 160, und/oder eines oder mehrerer Spülgase(s) 120, 172, 174 ist die Vorrichtung dabei nicht auf die Filterfunktion eines Elektrofilters, sondern auf die Filterfunktion der gesamten Filtereinheit 126, 180, 234 abzustellen. Außerdem können mit dieser Vorgehensweise auch andere physikalische und/oder chemische Parameter von Gasen bestimmt werden als Staubpartikelkonzentrationen.
-
Zusätzlich könnte vor den jeweiligen Elektrofiltern 56, 108, 158, 160, 206, 208 ein Konditionierungsmittel (nicht gezeigt) angeordnet sein, um das den Elektrofiltern zugeführte Messgas 60, 120, 172, 174, 218 so zu konditionieren, dass weder der Taupunkt des Messgases 60, 120, 172, 174, 218 erreicht oder unterschritten wird noch das Messgas 60, 120, 172, 174, 218 explosiv oder brennbar ist. So sollte das eingeleitete Messgas 60, 120, 172, 174, 218 eine Temperatur von mindestens 5°C über dessen Taupunkt aufweisen. Hintergrund ist das Durchlaufen des elektrostatischen Feldes in den Elektrofiltern 56, 108, 158, 160, 206, 208, in welchem es durch den Einsatz der Hochspannung zwischen der Sprühelektrode 82 und der Abscheideelektrode 78 sowie an Partikeln im Messgas 60, 120, 172, 174, 218 zur Funkenbildung kommen kann. Durch geeignete Konditionierung wird der Einfluss von Feuchtigkeit und gegebenenfalls Niederschlagserscheinungen bei Unterschreitung des Taupunkts des jeweiligen Gases oder Gasgemisches vermieden.
-
Aus der vorstehenden Darstellung ist deutlich geworden, dass mit der vorliegenden Erfindung eine kontinuierliche Messung zumindest eines Parameters von Stoffen ermöglicht wird, ohne dass die Messsensorik in ihren Sättigungsbereich eintritt, wobei die Messung kostengünstig und wartungsarm erfolgen kann. Insbesondere wird eine kontinuierliche Messung von Partikeln in Messgasen bereitgestellt, bei der die Erfassung von dynamischen Konzentrationen ohne Einsatz von externem Verdünnungsgas möglich ist und bei der gleichzeitig die Sensorik vor übermäßiger Verschmutzung durch das partikelhaltige Messgas geschützt ist. So wird der Wartungsaufwand der Messsysteme weitestgehend minimiert und es wird eine kostengünstige Alternative für den Einsatz in Stoffmesssystemen mit stark dynamischem Messwertverlauf geschaffen. Bei Überschreiten des messbaren Maximums des gemessenen Stoffparameters werden temporär und anteilig Stoffanteile definiert abgeschieden und zu einem späteren Zeitpunkt der Messung wieder zugeführt. Dadurch können in der Messsensorik 58 erhöhte Sensormesswerte über die Zeit einer (Selbst-)Reinigung des elektrostatischen Filters 56 nach dessen Abschaltung erfasst werden. Dadurch wird die Bereitstellung von Mittelwerten der Stoffparameter über einen definierten Zeitbereich, wie Halbstunden-, Stunden- oder Tagesmittelwerte, sicher ermöglicht. Insgesamt wird ein sehr wirksamer Sensorschutz ermöglicht und außerdem kann der Messbereich von kontinuierlichen Stoffmesssystemen erweitert werden.
-
Soweit nichts anders angegeben ist, können sämtliche Merkmale der vorliegenden Erfindung frei miteinander kombiniert werden. Auch die in der Figurenbeschreibung beschriebenen Merkmale können, soweit nichts anderes angegeben ist, als Merkmale der Erfindung frei mit den übrigen Merkmalen kombiniert werden. Eine Beschränkung einzelner Merkmale des Ausführungsbeispiels auf die Kombination mit anderen Merkmalen des Ausführungsbeispiels ist dabei ausdrücklich nicht vorgesehen, diese einzelnen Merkmale können selbständig zur Kombination mit anderen Merkmalen, insbesondere im Anspruchssatz angegebenen Merkmalen verwendet werden. Außerdem können gegenständliche Merkmale umformuliert auch als Verfahrensmerkmale Verwendung finden und Verfahrensmerkmale umformuliert als gegenständliche Merkmale. Eine solche Umformulierung ist somit automatisch mit offenbart.
-
Bezugszeichenliste
-
- 10
- Verdünnungssystem 10 nach dem Stand der Technik
- 12
- Messsensorik
- 14
- definierter Volumenstrom
- 16
- Messgasentnahmesonde
- 18
- Messgas
- 20
- Gesamtvolumenstrom
- 22
- Verdünnungsgas
- 24
- Luftaufbereitungssystem
- 26
- gesteuertes Gebläse
- 28
- Regelung
- 30, 32
- Kennwertermittlung
- 34
- Mischbehälter
- 36
- Abgas
- 50
- erste bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung
- 52
- Entnahmesonde
- 54
- zu untersuchendes Gas
- 56
- elektrostatischer Filter
- 58
- Messsensorik
- 60
- Messgas
- 62
- das den Filter 56 verlassende Mischgas
- 64
- Steuereinheit
- 66
- Abgas
- 70
- elektrisch isolierendes Gehäuse 70 des Elektrofilters 56
- 72
- Gaszuleitung
- 74
- Gasableitung
- 76
- Kammer
- 78
- hohlzylindrische Metallhülse, Abscheideelektrode
- 80
- elektrischer Anschluss
- 82
- Sprühelektrode, glatte Industrienadel aus Edelstahl
- 84
- elektrischer Anschluss
- 100
- zweite bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung
- 102
- Entnahmesonde
- 104
- zu untersuchendes Gas
- 106
- Volumenstromteiler
- 108
- elektrostatischer Filter
- 110
- Volumenstrommischer
- 112
- Messsensorik
- 114
- Steuereinheit
- 116
- Messgas
- 118
- Messgasanteil
- 120
- Spülgasanteil
- 122
- Mischgas
- 124
- Abgas
- 126
- Filtereinheit aus Volumenstromteiler 106, elektrostatischem Filter 108 und Volumenstromvereiniger 110
- 150
- dritte bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung
- 152
- Entnahmesonde
- 154
- zu untersuchendes Gas
- 156
- Volumenstromteiler
- 158, 160
- elektrostatische Filter
- 162
- Volumenstromvereiniger
- 164
- Messsensorik
- 166
- Steuereinheit
- 168
- Messgas
- 170
- Messgasanteil
- 172, 174
- Spülgasanteile
- 158, 160
- elektrostatische Filter
- 176
- Mischgas
- 178
- Abgas
- 180
- Filtereinheit aus Volumenstromteiler 156, elektrostatischen Filtern 158, 160 und Volumenstromvereiniger 162
- 200
- vierte bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung
- 202
- Entnahmesonde
- 204
- zu untersuchendes Gas
- 206
- erster elektrostatischer Filter
- 208
- zweiter elektrostatischer Filter
- 210
- Messsensorik
- 212
- Steuereinheit
- 214
- Schornstein
- 216
- Verbrennungsanlage
- 218
- Messgas
- 220
- vorpräparierte Mischgas
- 222
- finales Mischgas
- 224
- Abgas
- 226
- Ejektor
- 228
- Gebläse
- 230
- Umgebungsluft
- 232
- Abluft
- 234
- Filtereinheit aus elektrostatischen Filtern 206, 208
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-