DE10324231B4 - Isoelektrostatische Sonde für die Entnahme von geladenen Partikeln und Ionen aus Gasströmen - Google Patents

Abstract

Isoelektrostatische, ein elektrisches Feld nicht beeinflussende Sonde für die Entnahme von geladenen Partikeln und Sonden aus Gasströmen, welche selbst elektrostatischen Feldern ausgesetzt sind, wobei die isolierte zylindrische metallische Sondenoberfläche mindestens an der Spitze durch Anschluss eines Spannungsgenerators auf dem Spannungsniveau geführt wird, welches in geringem Abstand zur Sonde in Ausströmrichtung des Gases gemessen wird, so dass eine feldneutrale Umgebung in der Nähe der Entnahmestelle geschaffen wird, weitgehend ohne das ursprünglich vorliegende Feld zu verzerren, wobei
– ein Trägerrohr aus einem gut haltbaren Isolator gefertigt ist,
– wobei auf dem Trägerrohr an dessen vorderem Ende ein isolierter, vom Trägerrohr in Richtung Gasstrom abstehender, kugelförmiger Spannungsmesskopf angeordnet ist,
– wobei mit dem Spannungsmesskopf eine Messleitung verbunden und zu einem externen Spannungsmessgerät geführt ist,
– wobei der vorn Spannungsmessgerät ermittelte Messwert als Soll-Regelwert dem Spannungsgenerator zugeführt wird,
– wobei eine isolierte Leitung vom Spannungsgenerator zu einem vom...

Description

• Die Erfindung ist eine isoelektrostatische Sonde für die Entnahme von geladenen Partikeln und Ionen aus Gasströmen Die Vorrichtung dient zur Verbesserung der Möglichkeit der Entnahme von repräsentativen Teilvolumenströmen, welche aus Anlagen stammen, die durch ihre Konstruktion selbst bedingt, geladene Partikel erzeugt und/oder, z.B. zum Zwecke der Verminderung der Staubbelastung in Gasströmen, mit hochgespannten elektrischen Strömen behandelt werden.
• Der erste Fall bezieht sich auf Anlagen, welche Partikel (z.B.: Holzstaub- oder Nährmittel-Mehle) enthält, die durch ihre Beschaffenheit (z.B.: Feinheit und/oder spezifischer Widerstand) und ihre Behandlung (Trocknung/Transport/Siebung/Windsichtung), zu elektrostatischer Aufladung neigen, und deren Gehaltsbestimmung, sofern dazu eine Entnahme nötig ist.
• Der zweite Fall bezieht sich auf die elektrostatische Gas-Reinigung (im Folgenden „EGR" genannt) nahezu jeder Art und deren (Rest-) Staub-Gehaltsbestimmung, sofern dazu eine Entnahme nötig ist. Die Gehaltsbestimmung meint hier: qualitative und/oder quantitative Analyse, z.B. die Effektivitätsoptimierung und/oder die Einhaltung von Emissionsgrenzwerten, aber auch das Ausbreitungsverhalten nach dem Verlassen des Quellquerschnittes.
• Elektrostatische Ladung ist in der Lage kleine Gegenstände zu bewegen und im Falle des inneren Funkenüberschlages, explosionsfähige Gemische zu entzünden (siehe „Grundzeuge der Physik", Prof. Dr. H. Püning, 3. u. 4. Auflage, Vlg. d. Aschendorffschen Verlagsbuchhandlung, Münster 1926, "Natur und Technik", Gerhardt, Kruse, Steinkopf u. Stiegler, Bd. 2, Vlg. Cornelsen-Velhagen & Klasing, 11. Auflage 1974, Seite 128ff/„Physik", Wahl u. Baumann, Vlg. Girardet-Essen, 1976, Seite 297ff/„Fachkunde Elektrotechnik", mehrere Autoren, Vlg. Europa-Lehrmittel (Wuppertal); 1977, Seite 17f, 138f, 284/„Fachkunde f. Elektroberufe", Hille u. Schneider, Vlg. Teubner-Stuttgart, 5. Auflage, 1975, Seite 4, 92f). Die Kenntnis der genaueren Zusammensetzung eines bewegten heterogenen zündfähigen Gemisches, ist für die Verhinderung und die Verminderung der Folgen einer Staub-Verpuffung unentbehrlich Es ist bekannt, dass auch Schadstoffe zu heterogener Selektion, Ad- und Absorption neigen.
• Zum Stand der Technik gehört aus sinnverwandten Gründen die „isokinetische Absaugung" nach VDI 2066, die physikalisch in Kombinationsnotwendigkeit mit dem Gegenstand dieses Patentanspruchs steht, deren Kenntnis vorausgesetzt ist und deren dazu nötige Einrichtungen und Vorgehensweisen in diesem Falle nicht darstellt ist. Aus der JP 08-086 735 A ist bereits eine Entnahmesonde bekannt, welche elektrisch aufgeladen wird. Eine Messung der in der Umgebung der Sonde vorhandenen Spannung wird jedoch nicht durchgeführt.
• Problem-Beschreibung: Bei Beobachtungen von, und teilweise bei eigenhändigen Messungen von Emissionen aus Industrieanlagen durch höheren Auftrag, wurde die Erfahrung gemacht, das übliche Versorgungs-Spannungen der elektrischen Gas-Reinigung („EGR"), im Bereich um 50 kV liegen.
• Desweiteren wurden weit hinter den Anlagenteilen zur elektrischen Gas-Reinigung Funkenüberschläge von in den Abgasstrom ragenden Metallsonden zur „elektr. Erde" von ca. 50 mm gesehen, gehört und manchmal auch körperlich „erfahren".
• Ferner wurde an vergleichbarer Anlagenstelle Korona-Leuchten innerhalb einer Kaminöffnung bei einem Gasdruck von ca. 900 mbar gesehen. Das bedeutet, dass die elektrischen Ladezustände innerhalb des Hauptgasstromes, erheblich, im Sinne der Elektrostatik, erhalten geblieben sind.
• Grund für Vorhandensein von Ladung weit hinter den Anlagen zur elektrischen Gas- Reinigung ist schlechter Wirkungsgrad, Reststaubgehalt, Isolation der Wände durch Beschichtung, hohe Gasgeschwindigkeit, großer Massen-Durchsatz, hoher Innenwiderstand, Influenz und innere Kraftfeldschwäche wegen der Rohrkonstruktion (Abschirmung).
• Das bedeutet, das vergleichbare Kräfte wie sie zur Reinigung des Abgases benutzt werden, physikalisch weiter bestehen. Das bedeutet, das sofern (was meistens ganz oder teilweise der Fall ist) eine elektrisch gut leitfähige Sonde auf Erdpotential liegt, die aufgeladenen Partikel wegen der unterschiedlichen Art, Form und Größe in unterschiedlichem Maße zur Sonde, besonders wegen der „Spitzenwirkung" und der Kamingeometrie, zur Spitze ("Norm-Düse", siehe VDI 2066) einer Probenahmesonde hin abgelenkt werden, dort in der nächsten Nähe entladen werden und zum dann nicht mehr repräsentativen Teilgasstrom gelangen (Überbewertung). Die Sprühwirkung der Sondenspitze ist in der Lage Partikel in nächster Nähe zu entladen, doch auch die Strömungsgeschwindigkeit im Gasstrom verhindert das Ansaugen nicht mehr wesentlich (Trägheit). Vorgenannter Zustand verzerrt schon im Gas-Anström-Vorfeld nicht nur das Ursprungs-Feld in der Transportgeometrie (Abgaskamin), sondern gravierend die Partikel-Konzentration und die -Zusammensetzung.
• Wenn die Sonde aus gut leitfähigem Material, nicht geerdet, aber isoliert montiert wird, was vollständig nahezu unmöglich ist, stellt sich die Sonde auf ein resultierendes Spannungsniveau, abhängig von Ladungsverlust, Ladungs-An- und -Abstrom und innere Teilprobegas-Entladung ein, welches jedoch das Ursprungs-Feld im Kamin verzerrt (Zufälligkeits-Bewertung).
• Nahezu umgekehrt zum Erdungszustand einer Metallsonde verhält es sich, wenn die Sonde aus Isolierstoff besteht, denn dann erhält die Sonde auf der Oberfläche eine Ladung durch die anströmenden Ladungsteilchen, welche sie auf nahezu gleiche Spannung bringt und dadurch die Partikel abstößt und auch das urprüngliche Kamin-Feld verzerrt (Unterbewertung).
• Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde eine Entnahmesonde anzugeben, welche eine Beeinflussung des elektrischen Feldes im Entnahmeraum weitgehend vermeidet und eine ungestörte und repräsentative Probenentnahme ermöglicht. Diese Aufgabe wird durch eine isoelektrostatische Sonde mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche beschreiben vorteilhafte Ausgestaltungen der Sonde.
• Bei der Sonde wird die isolierte zylindrische metallische Sondenoberfläche, mindestens an der Spitze, durch Anschluss eines Hochspannungsgenerators auf dem Spannungsniveau geführt, welches in geringem Abstand zur Sonde in Anströmrichtung hochohmig gemessen wird.
• Die Einstellung der Generatorspannung kann manuell, besser aber automatisch erfolgen.
• Die isoelektrostatische Entnahmesonde stellt nach/bei hochohmiger Messung des anströmenden elektrischen Spannungszustands als Sollgröße, möglichst mehrmals im Querprofil, jedoch mindestens an der Entnahmestelle (Norm-Düse), und dynamische elektrische Spannungs-Gleichstellung der Sondenoberfläche, entweder selbsttätig (Sonderfall), jedoch mittels Hochspannungsgeneratorsteuerung und -zuführung zur Oberfläche der besonders konstruierten Sondenspitze, eine ursprungsfeldneutrale Umgebung in der Nähe der Entnahmestelle her, weitestgehend ohne das ursprünglich vorliegende Feld zu verzerren, was eine Kaskade einzelner der oben genannten Vorrichtung nötig macht, oder im weniger komplizierten Fall, mit etwas weniger Kompensationsqualität, eine Stufen-Spannungs-Absenkung in Richtung der Kaminwand, ermöglicht.
• Die Sonde dient der genauen Gehalts-Analyse allgemein und kann zur genaueren Bestimmung und damit der besseren Steuerung der Unterschreitung von Zündgrenzen in relevanten Anlagen dienen. Es kann die Überwachung von Trennvorrichtungen verbessern, die den Zweck haben Partikel- und Größenselektionen vorzunehmen Da die Bestimmung von Schadstoffen aus feststoffbefeuerten Industrieanlagen mit EGR, mit Kosten sowohl auf Betreiberseite, als auch auf Überwachungsseite verbunden ist, kann nur die allen physikalischen Grundkräften rechnungstragende genaue Inhaltsanalyse, die kostensparende Schadstoffermittlung, die gesetzliche Grenzwertermittlung, -festlegung und deren Einhaltung sicherstellen, beziehungsweise den damit beauftragten zugelassenen Messfirmen, die Arbeit erleichtern. Bei hoher Integrationsdichte sonst einzeln zu erfassender Größen, verbessert sich die Handhabbarkeit der Messtechnik und durch Standardisierung die Vergleichbarkeit ermittelter Analyseergebnisse.
• Sofern und da die Vermeidung von Umweltschäden, deren Erkennung, Analyse, Legislative, Exekutive, Prävention und Haftung, sowohl mit Erkenntnis- als auch mit Kostenproblemen zu kämpfen hat, ist die Sonde nützlich Einfachere Handhabbarkeit und bessere Vergleichbarkeit mindern Messkosten, ja machen Messungen manchmal erst möglich.
• Für die richtige Ermittlung der Materiekonzentration aus dem Weltraum in einer Sonnenlicht-Schattenlage oder einer Sonnenlicht-Lage, mit klassischen Raumschiffs-Antrieben energetisch versorgt, ist die Sonde anwendbar.
• Die technische Ausführung der nicht hochintegrierten Bauformen ist Stand der feinmechanischen Fertigung unter Zuhilfenahme von Keramiken, silicium-organischen-Elastomeren und -Harze, bzw. der per-halogenisierten Polymere als Isolatoren.
• Die technisch vollendetere Ausführung hochintegrierter Bauformen geschieht durch Anwendung der Techniken von photo-lithografischer Aufdampf-Verfahren, entsprechender Ätz-Verfahren und der, welche zur Herstellung von elektronischen Schaltungen und Halbleitern beschrieben sind.
• Die Sonde wird nunmehr an Hand von Ausführungsbeispielen mit Hilfe der Zeichnungen näher dargestellt. Es zeigen
• 1: das Grundprinzip der Entnahmesonde
• 2 bis 5: weitere Ausgestaltungen der Entnahmesonde und
• 6: eine Detaildarstellung aus 5.
• Der Abstand des Kugel-Messfühlers zur Sonde ist wegen Überschlagsgefahr, zur Verminderung der Rückkoppelung und zur Vermeidung der Feld-Verzerrung nötig. Zur Verminderung der beiden letztgenannten unvermeidlichen Einflüsse, ist der synchrone wechselseitige zeitliche Versatz des Spannungs-Messzeitpunktes am Messkopf, die Übergabe des Messwertes in einen elektronischen Schiebespeicher, während einer jeweiligen Spannungsgenerator-Pause und dessen Abfrage von dem Spannungsgenerator als Regelwert. Eine Kugelform für den Spannungs-Messkopf ist aus strömungstechnischen und elektrostatischen Gründen wichtig (und dessen Funktionsfähigkeit muss entweder regelmäßig mechanisch oder bei gleichzeitiger Unterbrechung der Messung, durch Anlegen von Gegenspannung, freigelegt und damit wiederhergestellt werden).
• Dann ergibt sich eine dynamische Grobkompensation oben beschriebener Effekte (1.).
• Um auch bei der überwiegend üblichen, rechtwinkelig zum Gasstrom montierten Entnahmesonde das Ursprungs-Feld im Kamin nicht trotzdem noch zu stark zu verzerren, ist es nötig, mehrere isolierte vorgenannte Spannungsführungs-Segmente, hintereinander axial-zylindrisch entlang der Sonde vorzusehen. Dadurch ergibt sich eine dynamische Teilkompensation (2).
• Aufwandsverminderung: Um die Anzahl der einzeln zu „führenden" Spannungs-Abschnitte entlang der Sonde zu vermindern, ist, aber bei verminderter Qualität der Messung, die axial-zylindrische Verlängerung der Segment-Trenn-Isolierungen zwischen den, dadurch anzahlenmäßig halbierten, zu „führenden" axialen Abschnitten auf die Länge letzterer denk- und durchführbar. Dann mittelt sich der elektrostatische Messfehler, durch abwechselnd positiv/negative Effekte, in einem elektrostatischen Wellen-Feldprofil teilweise aus. Das ergibt eine dynamische Durchschnitts-Kompensation (3).
• Bei Hinnahme von Qualitätsabstrichen und gerade bei nicht wechselnden Spannungs- Zuständen im Hauptgasstrom ist denk- und machbar, der Verzicht auf nachgeschaltete zur Kaminwand zeigenden Spannungs-Führ-Vorrichtungen, wenn, zu ermittelnde absteigende Widerstände, innerhalb der Isolierung zwischen jedem axial-zylindrischen Metallsegment leitend angebracht sind und nur die Sondenspitze geführtspannungsversorgt wird. Dann muss, damit ein Spannungsabbau entlang der Segmente in Richtung Kaminwand erfolgt, auch am letzten axial-zylindrischen Metallsegment ein Endwiderstand gegen „Erde" angebracht sein. Das ergibt eine Quasilinear-Kompensation Auch hier kann die Verlängerung der axialen Segmentisolierung im Sinne der dynamischen Durchschnitts-Komp. vorgenommen werden (4).
• Bei der technischen Ausführung aller Segmentisolierungen ist darauf zu achten, dass in Abhängigkeit von der vorhandenen Grundspannung und der Anzahl der Isolier-Trennungen, der Spannungsüberschlag von einem zum anderen Segment verhindert ist, was bei eingliedriger Ausführung und einer Spannung von 50 kV unter nicht erschwerlichen Umständen (keine Ionisations-Beförderung), eine Wegstrecke von 50 mm erfordert!
• Feldeffekt-Transistor-Integration: Indem eine Rohr-Sondenbasis aus Isolierstoff mit voneinander isolierten zylindrischen Metallsegmenten solcher Zahl versehen ist, welche von der maximalen Spannungshöhe im Gasstrom, dividiert durch die typabhängige Spitzen-Sperrspannung von Feldeffekt-Transistoren (im Folgenden FET genannt) abhängig ist (plus Sicherheits-Factor), und diese FET's elektrisch zwischen den Metallsegmenten verbunden werden, sodass jeder Drain-Anschluss (für engl.: Abfluss) zur spannungsniedrigeren Kaminwand-Seite zeigt und jeder Source-Anschluss (für engl.: Quelle) zur spannungshöheren Seite, jeder Gate-Anschluss (für engl.: Steuer-Gitter) mit seinem Kugelmess-Fühler verbunden ist, ein Abschlusswiderstand gegen Erde geschaltet ist, noch eine geringfügig höhere Versorgungs-Spannung am Sondenkopf zugeführt wird, ergibt sich eine automatische isoelektrostatische Sonde, hoher Auflösung und geringen Aufwandes. Aus Sicherheitsgründen müssen Schutzwiderstände zwischen die FET-Anschlüsse gelegt werden, welche Einfluss auf die Zahl der Segmente nehmen (5 u. 6).
• Die Zahl ist für eine durchschnittliche elektrostatische Gas-Reinigung (EGR) maximal 50, wobei sich die Überschlagsstrecke der Segment-Isolierungen auf einen Millimeter reduziert.
• Diese Sonde passt sich, in den meisten Fällen, in denen der feldabhängige Spannungsverlauf nicht invertiert, dem Profil in dem Abgasstrom an.
• Für jede Gleichspannungs-Polarität des Gasstromes müssen die FET's, als auch der Spannungsgenerator geeignet sein (p- und n-Typ).
• Die Kompensation der Temperaturdrift der elektronischen Bauteile ist mit integrierter elektrischer Beschaltung am Ort des FET möglich.
• Die Arbeits-Temperaturgrenze der FET's von ca. 150 ° C/323 Kelvin, ist durch eine oft auch für weitere Zwecke nötige, sondenintegrierte Kühlung einhaltbar. Die chemisch-physikalische Beständigkeit wird durch die Einbettung in die Hochspannungsisolierung gewährt. Eine temperatur- und aggressionsunabhängige Konstruktionsvariante ist, die nötigen FET's nach außerhalb des Abgasstromes zu verlegen und lediglich die elektrischen Verbindungen isoliert entlang innerhalb der Sonde zu integrieren, was dadurch erleichtert wird, das der hohen Spannung (niedrigen Ströme) wegen, nur dünne Leiter-Verbindungen, also solche mit geringem Querschnitt benötigt werden.
• Auf diesem Kombinationsniveau ist eine Sonde aus Siliziumdioxid-, Silicium-Halbleiter-Material und Metallbedampfungen mit herstellungsintegrierten, elektronischen, elektrischen und mechanischen Bauteilen herstellbar. Solcherart Herstellungsmethoden sind Stand der Technik. Diese Sonde hat eine Rohrstruktur mit konzentrischen, immer länger- und lichterwerdenden Leiterschichten und Halbleitern an deren Absätzen, Gate-Anschlüsse mit ihren Messköpfen, Halbleiter-Elemente und dazwischen die Metallsegmente liegen, wobei die über den Halbleiter-Elementen aufgebrachte Isolations-Beschichtung aus reinem Siliziumdioxid, chemisch/physikalisch recht stabil ist.
• Abgesehen von der möglichen integrierten Kühlung, durch viele von Kühlmedium durchströmte Längskanäle, ist die Konstruktion mit außerhalb der Kaminwand liegenden Halbleiter-Elementen und radial-versetzten dünnen Innen-Anschlüssen möglich.
• Eine Temperatur-Sensor-Kaskade entlang der Sondenachse ist ebenfalls in Halbleiter-Schichten möglich und würde dann Profilmessungen der Temperatur ermöglichen. Wenn zusätzlich ein Druck- und an der Spitze ein elektrischer Strömungssensor mitintegriert wird, kann die gesamte Sondenkonstruktion immer noch auf geringem Durchmesser gehalten werden.

Claims (5)

1. Isoelektrostatische, ein elektrisches Feld nicht beeinflussende Sonde für die Entnahme von geladenen Partikeln und Sonden aus Gasströmen, welche selbst elektrostatischen Feldern ausgesetzt sind, wobei die isolierte zylindrische metallische Sondenoberfläche mindestens an der Spitze durch Anschluss eines Spannungsgenerators auf dem Spannungsniveau geführt wird, welches in geringem Abstand zur Sonde in Ausströmrichtung des Gases gemessen wird, so dass eine feldneutrale Umgebung in der Nähe der Entnahmestelle geschaffen wird, weitgehend ohne das ursprünglich vorliegende Feld zu verzerren, wobei – ein Trägerrohr aus einem gut haltbaren Isolator gefertigt ist, – wobei auf dem Trägerrohr an dessen vorderem Ende ein isolierter, vom Trägerrohr in Richtung Gasstrom abstehender, kugelförmiger Spannungsmesskopf angeordnet ist, – wobei mit dem Spannungsmesskopf eine Messleitung verbunden und zu einem externen Spannungsmessgerät geführt ist, – wobei der vorn Spannungsmessgerät ermittelte Messwert als Soll-Regelwert dem Spannungsgenerator zugeführt wird, – wobei eine isolierte Leitung vom Spannungsgenerator zu einem vom Trägerrohr isolierten, axialzylindrisch ausgebildeten Metall-Rohrsegment am vorderen Ende der Sonde führt.
2. Isoelektrostatische Sonde nach Anspruch 1, wobei ein weiterer oder weitere vom Trägerrohr in Richtung Gasstrom abstehender Spannungsmesskopf oder Spannungsmessköpfe, ein oder mehrere isolierte Messleitungen zu einem oder mehrereren externen Spannungsmessgeräten, ein oder mehrere Spannungsgeneratoren und eine oder mehrere vom Trägerrohr isolierte axialzylindrisch ausgebildete Metall-Rohrsegmente mit Leitungen zu dem oder den weiteren Spannungsgeneratoren vorhanden sind, wobei der von den weiteren Spannungsmessgeräten ermittelte Messwert als Soll-Regelwert den weiteren Spannungsgeneratoren zugeführt wird.
3. Isoelektrostatische Sonde nach Anspruch 2, wobei zwischen die zylindrisch ausgebildeten Metall-Rohrsegmente axial-zylindrisch ausgebildete Stücke eines haltbaren Isolators eingeschoben sind.
4. Isoelektrostatische Sonde nach Anspruch 1, wobei nach dem axial-zylindrisch ausgebildeten Metall-Rohrsegment am vorderen Ende der Sonde axial-zylindrische Stücke eines haltbaren Isolators und axial-zylindrische Stücke haltbarer Metall- Rohrsegmente angeordnet sind, wobei die Metall-Rohrsegmente untereinander elektrisch in Reihe durch jeweils eine Widerstands-Brücke verbunden sind, wobei alle Widerstands-Brücken gegen Korrosion geschützt sind und wobei die letzte vor der Kaminwand angeordnete Widerstands-Brücke auf Erdpotential liegt.
5. Isoelektrostatische Sonde nach Anspruch 1, wobei nach dem axial-zylindrisch ausgebildeten Metall-Rohrsegment am vorderen Ende der Sonde, axial-zylindrische Stücke eines haltbaren Isolators und axial-zylindrische Stücke haltbarer Metall-Rohrsegmente angeordnet sind, wobei in die Stücke des haltbaren Isolators jeweils ein Feldeffekt-Transistor, isoliert und korrosionsfest in die Isolierung der Sonde eingefügt ist, wobei jedem Feldeffekt-Transistor ein weiterer kugelförmiger Spannungsmesskopf zugeordnet ist, wobei die einzelnen Spannungsmessköpfe jeweils mit dem Gate-Anschluss des zugeordneten Feldeffekt-Transistors verbunden sind, wobei der Source-Anschluss des Feldeffekt-Transistors mit dem jeweils spannungshöheren und der Drain-Anschluss mit dem jeweils spannungsniedrigeren Metall-Rohrsegment verbunden ist und wobei das vom vorderen Ende der Sonde am weitesten entfernt angeordnete Metall-Rohrsegment über einen Abschluss-Widerstand mit der metallisch leitenden Wandung des Gehäuses des Gasstromes verbunden ist.