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@eßgerät zur kontinuierlichen Bestimmung von gasförmigen, flüssigen
oser festen Komponenten gasförmiger Medien Die Brfindung betrifft ein Meßgerät zur
kontindierlichen Bestimmung von gasförmigen Komponenten oder Flüssigteilchen- oder
Festteilchenkomponenten eines gasförmigen @rägermedimms, bei welchen als analoger
Meßwert für die zu bestimmende Komponente ein mfferenzdruck gemessen wird.
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Es ist ein Meßgerät zur Bestimmung des Staubgehaites in Gasen bzw.
zur Bestimmung der Korngrößen von Stäuben bekannt, daa gleichfalls aub Differenzdruckmessung
beruht. Bei diesem Meßgerät wird ein zusätzlicher Dnick unterschied in einem Gasstrom
gemessen, in dem der Staubanteil beschleunigt oder verzögert bewegt wird.
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Es. wird an einer speziellen Meßdüde der Wirkdruck eines staubbeladenen
Gasstromes mit dem eines reinen Gasstromes verglichen. Di. Wir@@druckdifferenz als
analoger Meßwert für den Staubgehalt kann aber nicht unmittelbar gemessen werden,
da@die Düse jeweils nur von dem reinen oder dem staubbeladenen Gas durchströmt werden
kann. Es wird demgemäß gefordert, daß bei jeweils gleichem Gaszustand ip beiden
Fällen die gleiche Gasmenge durch dle Düse strömt; denn da relativ kleine Wirkdruckänderungen
den
Meßwert darstellen, treten bei Abweichung von diesen Forderungen erhebliche Meßfehler,
insbesonndere Nullpunktverschiebungen, auf.
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Zur Verminderung der Virkung dieser Störeinflüsse, wie Änderung des
Gaszustandes, Änderung des Gasmengenstromes, wurde vorgeschlagen, die Düse so ZZ
gestalten, daß pacb einer starken Einschnürung ein n@r sehwach erweiterter Kanal
angeordnet wird, über welchem bei staubfreiem Gas der Druck gleich bleibt und der
Wirkdruck Null beim Staubgehalt Null gemessen wird, wobei Nullpunktabweichungen
bei Reynolds-Zahländerungen und bei Verschleiß erscheinungen nicht zu vermeiden
sind.
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Zweck der Erfindung ist esm ein Meßgerät zu schaffen, das ein ablesbares,
Degistrierbares und in eine elektrische oder pneumatische Größe umsetzbares Ausgangssignal
als analoge Größe für eine zu bestimmende Komponente liefert.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Meßgerät zur kontinuierlichen
Bestimmung von gasförmigen Komponenten oder Flüssigteilchen- oder Festteilchenkomponenten
eines gasförmigen Trägermediums ZU schiffen, bei dem durch ge-' eignete Schaltungen
Störeinflüsse weitgehend kompensiert werden.
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Die Aufgabe der Erfindung- wird dadurch gelöst, daß mindestens zwei
durchströmte Kanäle so gestaltet und miteinander gekoppelt sind, daß sich in jedem
Kanal, von denen mindestens einer von dem zu untersuchenden Medium durchströmt wird.
ein solcher Druckverlauf einstellt, daß mindestens an einer Druckmeßstelle in jedem
Kanal die Drücke übereinstimmen, wenn die zu bestimmende Komponente Null ist, und
daß die Kanäle aus Durchströmteilen, wie beispielsweise gerades und gekrümmten Rohren,
Abscheidern. Blenden, Düsen, wie Venturidüsen, Lav@ldüsen und verstellbaren Drosselorganen
bestehen, die so ausgewählt, ausgeführt, angeordnet und' eingestellt; sind, daß
proportionale Druckabweichungen zwischen den Druckmeßstellen in dem Maße auftreten,
wie das zu unt;ersuchende Medium die zu bestimmende Komponente enthält und daß der
zwischen den Druckmeßstellen gemessene Differenzdruck den analogen Meßwert darstellt.
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Das erfindungsgemäße Meßgerät ist bei Druck- und Temperaturänderungen
und speziell bei der Bestimmung von Teilchenkomponenten auch bei Änderungen der
Gaszusammensetzung nullpunktfest. Das Meßgerät kann aus wenigen und einfach Bauteilchen
bestehen. Es erfordert im Vergleich zu anderen, dem gleichen Anwendungszweck dienenden
Meßeinrichtungen einen relativ geringen technischen Aufwand. Verzögerungen bei der
Anzeige von ïïleßwerten sind nur von der Länge der
Entnahme leitung
und der Zuströmgeschwindigkeit abhängig und können sehr niedrig gehalten werden.
Als sehr vorteilhaft hat sich die Anordnung von Lavaldüsen in durch strömten Kanälen
erwiesen. In diesen Düsen ist der Volumenstrom unabhängig vom Druck und der Druckverlauf
in der Iavaldüse und den stromaufwärts liegenden Durchströmteilen unabhängig von
der Temperatur. Kleine Druck-und Temperaturstörungen sind damit wirkungslos.
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Gemäß einem anderen Erfindungsmerkmal sind in den Kanälen Düsen mit
verschiebbaren Düsennadeln angeordnet. Die Düsennadel bildet den Flächenverlauf
in der außenzylindrischen Düse. Eine Vershciebung der Düsennadel bedeutet daher
lediglich eine Verschiebung der Druckmeßstelle bei gleichbleibendem Flächenverlauf.
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Nach einem weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung ist ein Krümmer
als A,bscheide'r zur Trennung von teilchenbeladenen Teilströmen in zwei Teilströme
mit unterschiedlicher Teilchenkonzentration angeordnet.
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Entsprechend einem anderen llerkmal der Erfindung ist der Krümmer
Bestandteil einer hakenförmigen Entnahmesonde.
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Durch Anordnung dieses Krümmers und evtl. anderer Funktionselemente
in einer Entnahmesonde wird nicht nur eine rationelle Bauausführung erreicht, es
ergeben sich
auch dadurch unmittelbare Teilchenabscheidung bei der
Probeentnahme besondere Vorteile für eine Meßanordnung zum Nachweis der Feuchte
in expandierenden Dämpfen, Ge@äß einem anderen Erfindungsmerkmal sind zwei Kessel
durch einen ausgleichkanal verbunden, der Abströmöffnungen besitzt, durch die aux
jedem Kessel ein Mengenstrom abfließt.
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Die Erfindung wird an mehreren Ausführungsbeispielen näner erläutert.
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Die dazugehörigen Zeichnungen zeigen: Fig. 1: eine Anordnung zur Bestimmung
einer Festteilchenkomponente, Fig @ 2: eine ähnliche Anordnung wie in Fig. 1, die
zur Bestimmung einer Gaskomponenten geeignet int, Fig. 3: eine Anordnung zur Bestimmung
von Teilchen komponenten, Fig. 4: eine Ausführung im Prinzip ähnlich wie Fig. 3,
Fig. 5: eine Anordnung mit einer Abscheide@inrichtung für die zu bestimmende Eomponente,
Fig. 6: eine Anordnung zur Bestimmung von Gaskomponenten, deren Isentropenexponent
sich von dem des Restgemisches unterscheidet,;
Fig. 7: eine Meßanordnung
im Prinzip wie in Fig. 6 dargestellt« aber mit einem Vergleichsgas im parallelgeschaltete
ad durch ein Druckausgleichsystem gekoppelten Kanal, Fig. 8: eine Meßeinrichtung
zur Bestimmung von Teilchenkomponenten mit einem Krümmer als Abscheider, Fig. 9:
eine Meßeinrichtung mit Wirbelkammer und Zyklon als Abscheidevorrichtungen zur Bestimmung
von Teilchenkomponenten Fig 10: eine Anordnung zur Bestimmung von Teilchenkomponenten
nach Kornklassen Fig. 11: eine Ausführung mit hintereinander geschaiteten .
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Kanälen.
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In Fig. 1 wird durch. die @ntnahmeleitung 1 @wei parallelgeschalteten
Kanälen das zu untersuchende Medium zugeführt.
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Die beiden Kanäle sind durch Verzweigungsstücke 2 gekoppelt und bestehen
aus geraden Durchströmteilen 3 und Rohrschlanken 4. Für einen reinen Gasstrom sind
die geraden Durchströmteile 3 und die Rohrschlangen 4 auf gleichen Druckverlust
abgestimmt, so daß zwischen den Druckmeßstellen 5 der Druck "Null" gemessen wird
Festteilchen verursachen in der Rohrschlange 4 durch größere Wandraibung und Stoßverluste
in Folge von Flieh- und Trägheitskräften einen höheren Druckverlust als in den geraden
Durchströmteilen
3. Es treten dadurch an den Druckmeßstellen 5 durch die umgekehrte Anordnung der
geraden Durchströmteile 3 und den Rohrschlangen 4 in beiden Kanälen@ entgegengesetzte
Druckänderungen auf, so daß ein Differenzdruck gemessen wird, der von der Teilchenkonzentration
abhängt.
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Um Meßfehler bei schwankender Absaugleistung zu vermeiden, wird durch
Anordnung der Bypass-Leitung 6 mit der Wasservorlage 7 das Druckgefälle der Meßanordnung
konstant gehalten.
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Anstelle der geraden Durchströmteile 3 und der Rohrschlangen 4 können
beispielsweise auch Venturidüsen mit unterschiedlich@@ @@ächenverlauf angeordnet
werden.
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Infolge unterschiedlicher Teilchenbeschleunigung und -ver@ögerung
wird dabei ein Differenzdruck gemessen.
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In Fig. 2 wird eine ähnliche Anordnung wie in Fig. 1 dargestellt,
die aber sur Bestimmung einer @askomponente ge@ig@et ist.
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Die beiden parallel geschalteten Kan@le aind mit Kesseln @ am Ein-
und Austritt gekoppelt und bestehendbeide aus Durchströmteilen mit unterschiedlicher
@iderstandscharakteristik. Der Druckverlust ist im Drosselorgan 9 von der Dichte
und dem Quadrat der @eschwindigkeit des Gases und im Kapillarsystem 10 von der Zähigkeit
und linear von der @eschwindigkeit abhängig. Veraussetzungen
für
die Bestimung einer Gaskomponente sind bei dieser Anerdnung, daß eich die Zähigkeit
oder die Dichte der zu bestimmenden Komponente von der des Restg@misches untershceidet
und daß Zähigkeit und Dichte des Restgemisches unveränderlich sind. Das Irosselorgan
9 ist verstellbar und damit zur Nullpunkteinstellung geeignet.
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Wie in Fig. 1 wird durch die Anordnung der Bypassleitung 6 mit der
Wasservorlage ? der Druckunterschied zwisehen beiden Kesseln 8 konstant gehalten.
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Das in Fig. 3 dargestellt. Meßgerät besteht aus Verzweigungsstücken
2 mit dem in jeweils nur einem Kanal angeordneten geraden Durchströmteil 3 und der
Rohrschlange 4å Wie bei Anordnung nadh Fig. t sind auch hier beide Durchströmteile
für einen reinen Gasstrom auf gleichen Druckverlust abgestimmt. Fest- oder Flüssigteilchen
verursachen unterschiedliche Änderungen des Strömungswiderstandes des geraden Durchströmteils
3 und der Rohrschlange 4 und damit eine Veränderung des Durchsatzverhältnisses in
beiden Kanälen. Die Änderung des Durchsatzverhältnisses führt stromaufwärts zu einem
wachsenden Druckunterschied zwischen beiden Kanälen. Am größten ist der Druckunterschied
am Anfang der Kanäle, im Verzweigungsstück 2, hier wo die Druckmeßstellen angeordnet
sind und ein Differenzdruck als analoge Größe für die Teilchenkomponente gemessen
wird.
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An Stelle der Fypassleitung 6 mit Wasservorlagem 7 (Fig. 1) wird der
Probestrom durch die Leitung 11 in die Förderleitung zurückgeführt. Bei Konstanter
Drehzahl des Ge-@ bläses 12 ist das Druckgefälle über der Meßanordnung weitgehend
unabhängig von äußeren Störungen.
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Die Anordnung nach Fig. 4 stimmt im Prinzip mit Fig. 3 überein. Anstelle
eines geraden Durchatrömteiles 3 und einer Rohrschlange 4 sind hier zwei Düsen 13
a und 13 b mit unterschiedlichem Flächenverlauf angeordnet.
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In der Düse 13 a mit der langen Einschnürung werden die Teilchen stärker
beachleunigt als in der Düse 13 b mit der kurzen Einschnürung. Dadurch tritt eine
unterschiedliche Änderung des Strömungswi,derstandes der Kanäle ein und eine Druckdifferenz
wird als analoge Größe für die Teilchenkomponente meßber. Werden die Düsen 13 a
une 13 b bei kritischem oder überkritischem Druckgefälle betrieben, dann ist das
Druckverhältnis über der Meßanordnung auch ohne zusätzliche Einrichtungen, wie beispielsweise
in Fig. 1 6, 7) unabhängig von äußeren Einflüssen.
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Noch vorteilhafter ist die Anwendung von Lavaldüsen@ da das erforderliche
äußere Druckgefälle für den gleichen Effekt wesentlich geringer ist.
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Um Meßfehler durch das Eindringen von Flüssig- oder Festteilchen
in die Druckmeßbohrungen und -leitungen zu
verhindern, ist eine
zusätzliche Einrichtung vorgesehen, durch die die Wirkdruckleitungen in Richtung
zur Meßstells ständig von einer kleinen Gasmenge durch-stret werden.
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Die kleinen Gasströme werden durch eine Sperrflüssigkeit in den kommunizierenden
Röhren 16 zugeführt und.sind damit unabhängig von dem Meßwert. Mit den Drosselorgangen
9 werden die Gasströme in den Druckmeßleitungen 5 so abgestininit, daß der Differenzdruck
sicht beeinflußt wird. Mit den Drosselorganen 9 kann ebenfalls der Nullpunkt der
Meßanordnung eingestellt werden, falls keine gesondere Einrichtung dafür vorgesehen
ist.
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In der Anordnung nach Fig. 5 ist in einem der parallelgeschalteten
Kanäle eine Abscheideeinrichtung 17 für die zu bestimmende Komponente angeordnet.
Diese Abseheideeinrichtung 17 ist beispielsweise für die Bestimmung einer Gaskomponente
ein Absorptionsgefäß, für eine Dampfkomponente ein Kondensator, für eine Teilchenkomponente
ein lPliehkraftabscheider. In beiden Kanälen sind Venturidüsen.14 a und Düsen 13
angeordnet.
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Anstelle des Abscheiders 17 ist im anderen Kanal zur Kompensation
des Druckverlustes des Abscheiders ling zur Nullpunkteinstellung ein verstellbares
Drosselorgan 9 angeordnet. wird vorn Abscheider 17 eine Gas- oder
Dampfkomponente
abgeschieden, dann wird in den oberen Kanal eine größere Gasmenge einströmen als
in den unteren.
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Das gleiche tritt ein, wenn eine Teilchenkompon@nte abgeschieden wird,
weil dann der Strömungswiderstand der Düse 13 im oberen Kanal kleiner ist als der
im unteren, in der zusätzliche Teilchen beschleunigt werden. Die Wirkung wird bei
Anwendung eines Zyklonabscheiders verstärkt. Die zu bestimmende Komponente verursacht
somit einen statischen Druckunterschied zwischen den Kanälen, der durch die Anordnung
der Druckmeßstollen 5 in den Venturkdüsen 14 a verstärkt und als analoge Größe gemessen
wird.
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Werden dei Düsen 13 bei überkritischem Druckgefälle betrieben oder
als Lavaldüsen au@gebildet, dann sind auch wie in Anordnung 4, die Bypassleitung
6 mit Wasservorlage 7 oder andere Einrichtungen für konstante Druckverhältnisse
überflüssig.
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Fig. 6 zeigt eine Ausführung, die insbesondere zur Bestimmung von
Gaskomponenten geeignet ist, deren Isentropenexponent sich von dem des Restgemisches
unterscheidet, wenn der des Restgemisches unveränderlich ist (CO2-Messung in Rauchgase
In den parallelgeschalteten Kanälen sind Verstelldüsen 14 angeordnet, die als Lavaldüsen
betrieben werden. Zwischen diesen wird der statische Druck, beispielsweise im engsten
Querschnitt
gemessen. In einem Kanal ist wie in Fig. 5 ein Abscheider
17 für die zu bestimmende Komponente oder beispielsweise eine Verbrennungseinrichtung
zur Bestimmung unverbrauchter Bestandteile eines Rauchgases angeordnet. Der Druckverlauf
in einer Lavaldüse ist deine Funktion des Isentropenexponenten und nahezu unabhängig
von der Temperatur des Gases. Die gemessene Druckdifferenz ist somit eine analoge
Größe für die zu bestimmende Gaskomponente.
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Mit verstellbaren Drosselorganen oder wie hier mit den verschiebbaren
Düsennadeln 15 wird der Nullpunkt eingestellt. Die Düsennadel 45 mit einem tropfenförmigen
Kopf bildet den Flächenverlauf in der außenzylindrischen Düse 14 c. Eine Verschiebung
der Düsennadel 15 bedeutet daher lediglich eine Verschiebung der Druckmeßstelle
5 bei gleichbleibendem Flächenverlauf der Düse.
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Nach dem gleichen Prinzip wird mit der Anordnung nach Fig. 7 gemesen.
Aber anstelle des Restgemisches in der Düse nach dem Abscheider strömt hier in einem
der gleichartigen parallelgeschalteten Kanäle ein Gas mit konstantem Isentropenexponenten,
beispielsweise trockene Luft. Im anderen Kanal strömt das zu untersuchende Gas.
Beide Kanäle sind an den Kesseln 8 durch ein besonderes Druckausgleichsystem gekoppelt.
Zwischen den Lavaldüsen 14 b wird als analoge Meßgröße die s statische Druckdifferenz
gemessen.
Die Drosselorgane 9 dienen zur Nullpunkteinstellung. Die Lavaldüsen 14 b sind gleichzeitig
Saugdüsen von Druckluftejektoren. Das Druckausgleichsystem besteht aus einam Ausgleichkanal
18, der in seiner Mitte eine Abströmöffnung 19 besitzt, Beiderseits dieser Öffnung
sind statische Druckmeßstellen 5 angeordnet, Durch die Abströmöffnung 19 im Ausgleichkanal
18 wird Gas abgesaugt, Die Drosselorgane 9 werden nun so eingestellt, daß bei normalem
Betriebszustand die statische Druckdifferenz am Ausgleichkanal 18 Null ist. Der
Ruhedruck in beiden Kesseln 8 ist gleich,solange das Verhältnis der aus beiden Kesseln
8 durch den Ausgleichkanal 18 ab.
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gesaugten Mengenströme größer als Null ist. Zusätzlich könnte in der
Mitte des Ausgleichkanals 18 ein leicht beweglicher Kolben angeordnet werden, wobei
Druckstörungen zu einer Verschiebung eines Kolbens führen und beispielsweise durch
Querschnittsveränderung beiderseits vom Kolben angeordneten Abströmöffnungen 19
oder durch unterschiedlich lange Spaltströmungen bei in der Mitte angeordneter Öffnung
ausgeglichen werden. In nachfolgenden Anordnungen nach Fig. 8 und 9 kann eine Meßwertverstärkung
vei der Bestimmung ton Teilchenkomponenten durch Vorschaltung einer Abscheidevorrichtung,
so wie es beispielsweise in den Anordnungen nach Rig. 3 und 4 möglich ware> dadurch
erreicht werden, daß eine Trennung in zwei Teilströme erfolgt, von
denen
der eine nahezu aus Reingas besteht und der andere nahezu den gesamten Teilchenanteil
enthält und in diesem die Teilchenkonzentration je nach Wahl des Teilstromverhältnisses
ein Vielfaches der zu bestimmenden Teilchen konzentration des ursprünglichen Probestroms
beitragen kann.
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Die in Fig. 8 dargestellte Abscheideeinrichtung vesteht aus eine@
Krümmer 21. Das Querschnittsverhältnis an den Druckmeßstellen 5 bestimmt das Teilstromverhältnis
und damit die Meßwertverstärkung. Ähnlich wie in Fig. 6 sind hier ebenfalls Düsen
oder Lavaldüsen 14 b angeordnet. Mit der verstellbaren Düsennadel 15 wird durch
querschnitts veränderung der lavaldüse 14 b der Nullpunkt eingestellt.
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Durch Anordnung des Kriiinmers 21 in einer Entnahmesonde wird nicbt
nur eine rationelle Banausführung er@eicht, es ergeben sich auch durch unmittelbare
Teilchenabscheidung bei der Probenentnahme besondere Vorteile für eine Xeßanordnung
zum Nachweis der Feuchte in expandierenden Dämpfen, da sich beispielsweise in einer
unterkühlten Heißdampfprobe in einer längeren Entrahmeleitung einer Meßanordnung
der thermodynamische Gleichgewichtszustand einstellen kann und dann keine Rückschlüsse
mehr auf den Dempfzustand und die Dampffeuchte an der Entnahmestelle möglich sind.
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In Fig, 9 ist eine Wi@belkammer 22 als Abscheider für @@ei Teilströme
angeordnet. Ein meiterer Abscheider, der Zyklon 23, ist im teilchenführenden Teilstrom
hinter der Lavaldüse 14 b angeordnet. In der Lavaldüse 14 b ist der Gasdurchsatz
von der Teilchenkonzentration abhängig @nd demzufolge auch der Druck im Reingas
von und in der Lavaldüse 14 b. Dieser Druck wird gegen den Druck im Reingas in der
zweckmäßig als Lavaldüse betriebenen Verstelldüse 14 c als analoge Größe für die
Teilchenkonzentration im Probestrom gemessn. Der @ulipunkt wird wie iu Pig. 6 durch
die verschiebbare Dünsennadel 15 eingestellt. Fig. 10 zeigt eine Anordnung zur Bestimmung
von Teilchenkomponenten nach Kornklassen. Durch die Sicht@irkung im S-förmigen Krümmer
24 erfolgt eine Trennung in Teilströme mit Teilchen unterschiedlicher Kornklassen
Im nachfolgenden KrOmliler 21 wird aus diesen Teilströmen ein Reingasstrom abgeschieden
Die Differenzdrücke zwischen den Bruckmeßstellen 5 vor den Düsea 13 sind analoge
Qro"ßen für die Teilchenkomponenten.
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Eine Anordnung mit hintereinandergeschalteten Kanälen und dazwischen
angeordneter Abscheid@einrichtung 17 zoigt Fig. 11. Die Kanäle besitzen eine Lavaldüse
14 b ur.d eine als Lavaldüse betriebene Verstelldüse 14 c, In der Lavaldüse 14 b
ist die Druckmeßsstele 5 is kritisic@@n Querschnitt angeordnet.
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Zur Nullpunkteinstellung des Meßgerätes dient die Verstelldüse 14
c.
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Ist eine Gaskomponente zu pestimmen, dann vermindert sich durch deren
Absorption der Gasstro@ und frt Druch in der Lavaldüse. Durch eine Teilchenkomponente
wird der @asstron in der Lavaldüse 14 b vermindert, Damit tritt gleichfalls an der
Verstelldüse 14 c ein Druckabfall ein. In beiden Fällen wird ein Diffe@nzdrcuk als
analoge Größe für die zu bestimmende Komponente gemessen,