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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zur Überwachung von Partikeln und insbesondere eine Anordnung wie sie in dem Oberbegriff des unabhängigen Schutzanspruches 1 definiert wird.
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BESCHREIBUNG DES STANDES DER TECHNIK
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Feine Partikel mit einem Durchmesser zwischen 1 Nanometer und 10 Mikrometern werden in vielen Verbrennungsprozessen gebildet. Aus verschiedenen Gründen werden diese feinen Partikel gemessen. Die Messungen feiner Partikel können durchgeführt werden wegen ihrer möglichen Auswirkungen auf die Gesundheit und auch, um den Betrieb von Verbrennungsprozessen zu überwachen, beispielsweise den Betrieb von Verbrennungsmotoren, insbesondere von Dieselmotoren. Wegen der oben erwähnten Gründe besteht der Bedarf an eine zuverlässige Messanordnung für feine Partikel.
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Ein Verfahren und eine Anordnung gemäß dem Stand der Technik wird in der Veröffentlichung
WO2009109688 A1 beschrieben. In diesem Verfahren gemäß dem Stand der Technik wird reines, im Wesentlichen partikelfreies, Gas in die Anordnung gespeist und als ein Hauptfluss über eine Zuleitungskammer an einen innerhalb der Anordnung angeordneten Ejektor geleitet. Das reine Gas wird weiter ionisiert bevor und während es in die Zuleitungskammer gespeist wird. Das ionisierte Gas kann vorzugsweise mit Schallgeschwindigkeit oder mit einer Geschwindigkeit in der Nähe der Schallgeschwindigkeit an den Ejektor gespeist werden. Die Ionisierung des reinen Gases kann beispielsweise durch Anwendung eines Corona-Ladegeräts erfolgen. Die Zuleitungskammer ist weiterhin mit einer Probezuleitung versehen, die in Fluidverbindung mit einem Kanal oder einem Raum steht, der ein Aerosol mit feinen Partikeln aufweist. Der Reingasfluss und der Ejektor zusammen verursachen eine Saugwirkung in die Probezuleitung derart, dass ein Probeaerosolfluss aus der Leitung oder aus dem Raum in die Zuleitungskammer gebildet wird. Der Probeaerosolfluss wird somit als Seitenfluss an den Ejektor gespeist. Das ionisierte reine Gas lädt die Partikel auf. Die aufgeladenen Partikel können weiter in die Leitung oder den Raum zurückgeleitet werden, die/der das Aerosol enthält. Die feinen Partikel der Aerosolprobe werden somit überwacht, indem die von den elektrisch geladenen Partikeln getragene Ladung überwacht wird. Freie Ionen können weiter durch eine Ionenfalle entfernt werden.
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Zusätzlich zu den oben erwähnten feinen Partikeln bilden industrielle Prozesse und Verbrennungsprozesse gewöhnlich auch Partikel mit einem Durchmesser, der größer als 1 μm, oder größer als 2 μm, 3 μm, 5 μm oder noch größer ist. Diese groben Partikel mit einem Partikeldurchmesser größer als 1 μm können in kleinen Mengen unter normalen Betriebsbedingungen gebildet werden, aber insbesondere unter besonderen Betriebsbedingungen, wie beispielsweise während des Startens, des Abschaltens oder während Funktionsstörungen. Die Größenverteilung der Abgaspartikel eines Dieselmotors weist im Allgemeinen drei verschiedene Modi auf: der Nuklei-Modus besteht aus Partikeln mit einem Durchmesser kleiner als etwa 50 nm, der Akkumulationsmodus besteht aus Partikeln mit Durchmessern zwischen 50 nm und 1 μm und in dem groben Modus ist der Partikeldurchmesser größer als 1 μm. Die Mehrheit der Abgaspartikel eines Dieselmotors entsteht nachdem die Auspuffgase aus dem Auspuffrohr ausströmen und diese Partikel gehören typischer Weise zu dem Akkumulationsmodus und dem Nuklei-Modus.
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Eine wichtige Forderung an die Überwachungsanordnungen für feine Partikel für an-Bord-Diagnosen von Dieselmotoren ist eine kleine und kompakte Konstruktion. Weiterhin ist es auch bevorzugt, dass diese Überwachungsanordnungen für kleine Partikel lange Zeitabschnitte ohne Wartungsbedarf betrieben werden können. In vielen Anwendungen, beispielsweise bei der Überwachung feiner Partikel von Verbrennungsmotoren, ist es weiter vorteilhaft, dass die Überwachungsanordnung kontinuierlich betrieben werden kann, um Messungen feiner Partikel in Echtzeit durchzuführen.
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Um die Erfordernis der langen Betriebszeit zu erfüllen, ist es wesentlich, dass die Überwachungsanordnung für feine Partikel nicht durch Partikel blockiert wird, d. h. die Vermeidung der Verschmutzung der Anordnung. Ein kritischer Bereich der Verschmutzung ist die Zuleitungsdüse für die Probenflusszuleitung, die zu dem eigentlichen Messungsraum führt.
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Das
US-Patent 4,307,061 , Robert Bosch GmbH, 22.12.1981 beschreibt einen sich selbst regenerierenden Rußdetektor, besonders zur Überwachung des Kohlenstoffgehalts in Auspuffgasen von Dieselmotoren. Ein isolierender Stützkörper, beispielsweise Aluminiumoxid-Keramik, stützt zwei, durch einen kleinen Spalt von beispielsweise 0,1 mm voneinander beabstandete Elektroden mit einem hohen Widerstand zwischen einander.
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Nachdem Ruß gesammelt worden ist, wird der Widerstand zwischen den Elektroden quer über den Spalt sinken, was angezeigt werden kann, indem durch die Elektroden Strom wahrgenommen wird nach Anschluss an eine Quelle elektrischer Energie. Um Ruß nach einem Aufhören des Qualmens, oder Rußgehalte in Gasen, zu entfernen, werden die Elektroden über einer Schicht gehalten, oder in eine Schicht eingebettet, die im Wesentlichen aus einem nicht leitenden, katalysierenden Material besteht, das in Gegenwart von Sauerstoff die Oxidation des in dem Spalt zwischen den Elektroden befindlichen Rußes katalysiert, um damit den Ruß durch Oxidation zu entfernen und den Widerstand des Pfades zwischen den Elektroden wiederherzustellen und also auch die Empfindlichkeit des Sensors wiederherzustellen, Akkumulation von Ruß in dem Spalt anschließend zu entdecken. Vorzugsweise ist das nicht leitende, katalysierende Material eine Mischung aus Platin, oder einem Platinmetall, oder einer Platinmetalllegierung und einem Metalloxid, der vereinbar oder identisch ist mit der keramischen Basis, beispielsweise Aluminiumoxid. Die im Wesentlichen nicht leitende Schicht kann durch Dickfilmtechnologie aufgetragen werden, und die Elektroden auch durch Dickfilmtechnologie darüber, oder die Elektroden können in der Form von feinen Platindrähten sein, die sich durch die katalysierende, elektrisch nicht leitende Schicht erstrecken. Das wahrnehmende Element kann in einem Gehäuse oder einem Sockel gehalten sein, ähnlich wie ein Zündkerzensockel. Die beschriebene Lösung zur Entfernung von Verschmutzung ist jedoch komplex.
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Die PCT-Anmeldung
WO 2008/138849 A1 , Robert Bosch GmbH, 20.11.2008, betrifft ein Verfahren zur Detektion von Partikeln in einem Gasstrom mit einem Sensorelement mit mindestens zwei Elektroden. Eine Messspannung wird auf die Elektroden des Sensorelementes während einer Messphase angelegt, wobei die durch die Partikelakkumulation gebildeten Partikelpfade die Elektroden kurz schließen, und der resultierende Stromfluss, die Spannungsreduktion, und/oder der elektrische Widerstand gemessen werden und als eine Messung der Konzentration und/oder der Massenflussrate gegeben werden. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass während einer Regenerationsphase nach der Messphase, die akkumulierten Partikel teilweise oder ganz entfernt werden, indem die Messspannung, die auf die Elektroden angewandt wird, zu einer Regenerationsspannung erhöht wird. Dieser Ansatz erfordert einen komplexen Entwurf und eine komplexe Konstruktion der Stromversorgung.
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Es besteht ein Bedarf an einer verbesserten Anordnung zur Partikelmessung und einem Verfahren, bei denen eine Verschmutzung der Anordnung zur Messung von Partikeln, insbesondere eine Verschmutzung der Zuleitungsdüse, vermieden werden kann.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist es, eine Anordnung zustande zu bringen, um die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden. Die Ziele der vorliegenden Erfindung werden mit einer Anordnung gemäß dem kennzeichnenden Teil des Schutzanspruches 1 erreicht.
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Die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung werden in den abhängigen Schutzansprüchen offenbart.
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Die erfindungsgemäße Anordnung zur Messung von feinen Partikeln weist ein Verfahren mit folgenden Schritten auf: einen Probenfluss (F) in Richtung auf eine Messanordnung ziehen, einen Verdünnungsfluss (FA) in die Messanordnung im Wesentlichen ringförmig um den Probenfluss herum speisen, den Probenfluss (F) mit einem Verdünnungsfluss (FA) mischen; und die Partikelkonzentration aus dem verdünnten Probenfluss (F + FA) messen. Der Vorteil des Verdünnungsflusses, die derart eingestellt werden kann, dass das F/FA-Verhältnis in einem weiten Bereich variiert werden kann, ist für einen Fachmann auf dem Gebiet der Messungen feiner Partikel offensichtlich: es erlaubt eine weitere Dynamik und eine bessere Empfindlichkeit der Messanordnung und reduziert die Verschmutzung der Zuleitungsdüse erheblich oder verhindert sie sogar völlig.
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In einer Ausführungsform der gegenwärtigen Erfindung ist der ringförmige Verdünnungsfluss FA um den Probenfluss herum laminar und somit werden die Flüsse hauptsächlich nur auf Grund von Diffusion gemischt. Mit geeigneten Fließgeschwindigkeiten und Düsengestaltungen, insbesondere mit einer ziemlich dicken Schicht der laminaren Strömung und einer kurzen Länge der Zuleitungsdüse ist das auf Diffusion beruhende Mischen der Partikel derart langsam, dass keine beachtliche Akkumulation von Partikeln auf die inneren Wandungen der Zuleitungsdüse vorkommt. Die Tatsache, dass das Diffusionsverhältnis von Partikeln viel niedriger ist als das Diffusionsverhältnis von Gasen, kann bei einem Aerosolprobenverfahren verwertet werden, beispielsweise kann die Kondensation von Wasserdunst auf die Anordnung zur Messung von Partikeln bedeutend verringert werden, indem trockenes Verdünnungsgas verwendet wird. In dem Probengas vorhandener Wasserdunst wird schnell diffundiert und mit dem Verdünnungsgas vermischt, während die Partikel hauptsächlich ungemischt bleiben. Wegen dieser langsamen Diffusion von Aerosolpartikeln im Vergleich zu Gaskomponenten und wegen der Wärmeübertragung, können das Abkühlen (oder Erhitzen) und die Verdünnung von Gaskomponenten in dem Fluss vor sich gehen, während die Partikel nicht in den äußeren Kern vermischt werden. Dies verhindert eine Ablagerung der Partikel auf die Oberfläche des Zuleitungsrohres.
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In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird der Verdünnungsfluss FA im Wesentlichen radial in Richtung auf den Probenfluss F geblasen. „Im Wesentlichen radial” bedeutet in diesem Fall, dass der Verdünnungsfluss FA eine Fließgeschwindigkeit vr in Richtung auf den Probenfluss hat, die mindestens 10% von der Geschwindigkeit des Verdünnungsflusses (FA) beträgt, parallel zum Probenfluss vp.
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Für einen Fachmann ist es offensichtlich, dass verschiedene Ausführungsformen kombiniert werden können und eine kombinierte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann beispielsweise einen ersten Teil der Zuleitungsdüse mit einem ersten, im Wesentlichen radial in Richtung auf den Probenfluss F geblasenen Verdünnungsfluss FA1 und einen zweiten Teil der Zuleitungsdüse mit einem laminaren, ringförmigen, zweiten Verdünnungsfluss FA2 um den Probenfluss und dem ersten Verdünnungsfluss F + FA1 herum aufweisen. Eine derartige Anordnung sichert eine minimale Akkumulation von Partikeln an dem Eingang der Zuleitungsdüse und ist besonders vorteilhaft, wenn der Probenfluss von einer heißen Umgebung entnommen wird, in der die thermophoretische Akkumulation von Partikeln ein Problem ist, das einem Fachmann gut bekannt ist.
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Im Falle einer heißen, durch kühles und reines Gas abgekühlten und verdünnten Probe ergibt die von dem heißen Kern auf den kühleren äußeren Bereich gerichtete thermophoretische Kraft auf das Partikel eine Tendenz der Akkumulation der Partikel auf die Oberfläche des Flusskanals. Die erwähnte radiale Komponente des Reingasflusses in Richtung auf diese thermophoretische Kraft (und Bewegung) kann eine entsprechende thermophoretische Ablagerung verhindern.
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In der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Saugwirkung, die den Probenfluss durch die Zuleitungsdüse treibt, durch einen Ejektor erzeugt, der innerhalb der Anordnung zur Überwachung der Partikel platziert ist. Weiterhin wird in der bevorzugten Ausführungsform die Antriebsflüssigkeit des Ejektors ionisiert und der Fluss der Antriebsflüssigkeit – zusätzlich zur Erzeugung der Saugwirkung – wird dazu verwendet, die in die Anordnung zur Überwachung der Partikel eingehenden Partikel zu laden. Dies sichert, dass das in der Veröffentlichung
WO2009109688 A1 beschriebene Messverfahren zur Messung von Partikeln verwendet werden kann.
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KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
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Im Folgenden wird die Erfindung detaillierter beschrieben werden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, in denen
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1 eine schematische Zeichnung einer Anordnung zur Messung von Partikeln, die mit einem ringförmigen Zuleitungsfluss FA versehen ist, darstellt;
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2 eine Ausführungsform mit einem laminaren ringförmigen Fluss FA, der durch einen Schlitz ausströmt, darstellt;
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3 eine Ausführungsform mit einem laminaren ringförmigen Fluss FA, der durch Öffnungen ausströmt, darstellt;
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4 eine Ausführungsform mit einem ringförmigen Fluss FA, der mindestens teilweise in Richtung auf den Probenfluss gelenkt wird, darstellt; und
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5 eine Ausführungsform mit einem ringförmigen Fluss FA, der durch den Coanda-Effekt gelenkt wird, darstellt.
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Der Deutlichkeit halber zeigen die Figuren nur die für das Verstehen der Erfindung notwendigen Details. Diejenigen Strukturen und Details, die für das Verstehen der Erfindung nicht notwendig sind und die für einen Fachmann offensichtlich sind, sind aus den Figuren ausgelassen worden, um die Merkmale der Erfindung hervorzuheben.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die
1 zeigt eine schematische Zeichnung einer Anordnung
1 zur Messung von Partikeln mit einem ringförmigen Zuleitungsfluss F
A. Die Anordnung
1 zur Messung von Partikeln weist Mittel
7,
8 auf, um im Wesentlichen reine Luft zu ionisieren, die in die Anordnung
1 aus einem Rohr
4 für Verdünnungsluft und durch einen Kanal
5 gespeist wird und durch ein Corona-Ladegerät
7 ionisiert wird, das durch den Isolator
8 elektrisch isoliert ist, so dass eine Hochspannung auf das Corona-Ladegerät
7 angewendet werden kann. „Im Wesentlichen rein” bedeutet in diesem Fall, dass die Konzentration der Anzahl der Partikel, in 1/cm
3 ausgedrückt, des im Wesentlichen reinen Gases viel niedriger ist als die Konzentration der Anzahl der Partikel in dem Probenfluss F. Vorzugsweise ist die Konzentration der Anzahl der Partikel in dem im Wesentlichen reinen Gas, N
cg, das 10
–1...10
–6-fache der Konzentration der Anzahl der Partikel in dem Probenfluss, N
S und noch vorteilhafter ist N
cg = 10
–3...10
–6 × N
S. Der Reingasfluss tritt in einen Ejektor ein, der einen Ejektoreinlass
9a, eine Ejektorhalsverengung
9b und einen Ejektorauslass
9c aufweist. Der Reingasfluss bildet den Antriebsfluidfluss des Ejektors und erzeugt einen negativen Druck (verglichen mit dem Raum, aus dem der Probenfluss F entnommen wird) in die Zuleitungsdüse
14, welcher negative Druck den Probenfluss F in die Anordnung
1 zur Messung von Partikeln sicherstellt. Ionisiertes reines Gas lädt mit dem Probenfluss F in die Anordnung
1 fließende Partikel in der Mischkammer auf, die durch den Ejektoreinlass
9a und die Ejektorhalsverengung
9b gebildet wird, und die aufgeladenen Partikel strömen aus der Anordnung
1 durch den Abflusskanal
3 heraus. Die Messung der Partikelkonzentration basiert auf der Messung des Stromes, der mit den aufgeladenen Partikeln herausfließt, wie in der Veröffentlichung gemäß dem Stand der Technik
WO2009109688 A1 dargestellt wurde.
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Die Anordnung 1 zur Messung feiner Partikel weist die Zuleitungsdüse 14 zur Zuleitung des Probenflusses F auf. Die Düse 14 weist das Rohr 4 für Verdünnungsluft, um Verdünnungsluft in die Anordnung 1 zu speisen, die Mischkammer 9a, 9b, um die Probenluft mit Verdünnungsluft zu mischen, und Mittel 12, 13, um den im Wesentlichen partikelfreien ringförmigen Fluss FA im Wesentlichen um den Probenfluss F herum anzuordnen. Der Ausdruck „im Wesentlichen um – herum” bedeutet, dass der ringförmige Fluss FA den Probenfluss F derart umgibt, dass keine beachtliche Akkumulation von Partikeln von dem Probenfluss F an auf die innere Wandung der Zuleitungsdüse 14 stattfindet. Dies verhindert eine Verstopfung der Zuleitungsdüse 14.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der gegenwärtigen Erfindung hat die ringförmige Gaskammer 12 eine durchschnittliche radiale Fläche Ar und die einen im Wesentlichen partikelfreien ringförmigen Fluss FA im Wesentlichen um den Probenfluss F liefernde Düse 13 hat eine Gesamtfläche AFA, wobei die durchschnittliche radiale Fläche Ar mehr als fünfmal und vorzugsweise mehr als zehnmal die Gesamtfläche AFA beträgt. Dies sichert, dass der Fluss FA gleichmäßig aus der Düse 13 verteilt wird.
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In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die Anordnung 1 mindestens einen ringförmigen Schlitz 13 in den Mitteln 12, 13 auf, um einen im Wesentlichen partikelfreien Fluss FA im Wesentlichen um den Probenfluss F herum anzuordnen, wie es in der 2 gezeigt wird. Der ringförmige Schlitz 13 sichert mit einer geeigneten Schlitzbreite und einer Verdünnungsgaskomposition und einem, durch eine Flusssteuerung 6 gesteuerten Fluss FA, dass der ringförmige Fluss FA laminar ist, das heißt dass dessen Reynolds-Zahl, eine dimensionslose Zahl, die einem Fachmann wohl bekannt ist, vorzugsweise kleiner als 3000, noch bevorzugter kleiner als 1000 und am meisten bevorzugt kleiner als 250 ist.
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In einer weiteren, in der 3 gezeigten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden im Wesentlichen kreisförmige Öffnungen 13 in den Mitteln 12, 13 zur Anordnung eines im Wesentlichen partikelfreien ringförmigen Flusses FA im Wesentlichen um den Probenfluss F herum verwendet, um den im Wesentlichen partikelfreien Fluss FA im Wesentlichen um den Probenfluss F herum zu lenken. Der Vorteil, derartige kreisförmige Öffnungen zu verwenden, ist, dass die Herstellung derartiger Öffnungen mit engen Toleranzen einfacher ist als einen ringförmigen Schlitz bereitzustellen.
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In noch einer anderen, in der 4 gezeigten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird mindestens ein Teil des ringförmigen Verdünnungsflusses FA in Richtung auf den Probenfluss F gelenkt. „In Richtung” bedeutet in diesem Fall, dass der Winkel zwischen dem Probenfluss F und dem in Richtung auf den Probenfluss F gelenkten Teil des ringförmigen Flusses FA größer als 0°, vorzugsweise größer als 60° und am meisten bevorzugt größer als 60° ist. Ein derart gelenkter Fluss treibt die Partikel effektiv weg von der Oberfläche der Zuleitungsdüse 14. In einer Ausführungsform der gegenwärtigen Erfindung wird der gelenkte Fluss durch ein poröses Rohr 13 arrangiert, das beispielsweise aus einem gesinterten Metallpulver hergestellt werden kann. In einer anderen Ausführung der gegenwärtigen Erfindung wird der gelenkte Fluss durch ein perforiertes Rohr arrangiert, das mit verschiedenen, einem Fachmann auf dem Gebiet der maschinellen Bearbeitung offensichtlichen Techniken hergestellt werden kann.
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In noch einer anderen, in der 5 gezeigten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung strömt der ringförmige Fluss FA in die Zuleitungsdüse 14 durch einen Schlitz 13, der in der Nähe einer gebogenen Oberfläche (konvexe Kontur) 15 angeordnet ist. Die gebogene Oberfläche 15 fungiert als eine Coanda-Oberfläche, die den Gasfluss FA gegen die konvexe Kontur 15 drückt, wenn der Fluss FA tangential zu der Oberfläche gelenkt wird und somit eine Akkumulation von Partikeln auf den inneren Wandungen der Zuleitungsdüse 14 verhindert wird. Eine derartige Ausführungsform hat den zusätzlichen Vorteil, dass die Coanda-Oberfläche auch als ein Ejektor fungiert, der den Probenfluss F in die Anordnung 1 zur Messung von Partikeln zieht.
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Es ist möglich, verschiedene Ausführungsformen der Erfindung im Sinne der Erfindung hervorzubringen. Deshalb sollen die oben dargestellten Beispiele nicht als die Erfindung beschränkend interpretiert werden, sondern die Ausführungsformen können frei im Rahmen der erfinderischen Merkmale, wie sie hier in den nachfolgenden Schutzansprüchen dargestellt werden, variiert werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2009109688 A1 [0003, 0018, 0026]
- US 4307061 [0007]
- WO 2008/138849 A1 [0009]
