DE2409693C3

DE2409693C3 - Device for measuring the concentration of solid particles suspended in the gas phase

Info

Publication number: DE2409693C3
Application number: DE19742409693
Authority: DE
Inventors: Jean-Claude Ris-Orangis; Chauvelier Claude Ballancourt; Essonne Guichard (Frankreich)
Original assignee: Institut National De Recherche Chimique Appliquee, Paris
Priority date: 1973-02-28
Filing date: 1974-02-28
Publication date: 1977-03-31

Description

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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bestimmen der Konzentration von in Gasphase suspendierten Feststoffteilchen mit einem von einem Faraday'schen Käfig umgebenen Behälter, durch den das Gas geleitet wird und in dem die Feststoffteilchen mit einem Material solcher kontaktelektrischer Eigenschaft in Berührung gebracht werden, daß ein Ladungsaustausch stattfindet, und somit einer Einrichtung zum Messen des Ladungsaustausches.The invention relates to a device for determining the concentration of those suspended in the gas phase Solid particles with a container surrounded by a Faraday cage through which the Gas is passed and in which the solid particles with a material such contact electrical property be brought into contact that a charge exchange takes place, and thus a device for Measuring the charge exchange.

Eine derartige Vorrichtung ist aus der USA.-Patentschrift 29 94 035 bekannt. Bei dieser bekannten Vorrichtung wird ein Zyklon verwendet. Die Elektrisierung erfolgt durch Reibung zwischen einer Partikel und der Wand der Vorrichtung. Ein Nachteil dieser bekannten Vorrichtung besteht darin, daß das Meßergebnis stark von der Art des eingeführten Staubes abhängt.Such a device is known from the United States patent 29 94 035 known. In this known device, a cyclone is used. The electrification occurs through friction between a particle and the wall of the device. A disadvantage of this known The device consists in that the measurement result strongly depends on the type of dust introduced.

Eine weitere Vorrichtung dieser Art ist bekannt aus der VDl-Zeitschrift, Bd. 97, Nr. 4 (1955), S. 113 bis 117. Bei dieser bekannten Vorrichtung werden vise in einer Gasatmosphäre suspendierten Feststoffteilchen der Wandung eines Rohres entlanggeführt, und es wird die Stärke des Stromes gemessen, der von den Wänden des Rohres fließt. Dieser Strom ist durch die Berührung mit den Teilchen erzeugt worden und stellt ein Maß für die Massenkonzentration der Teilchen in der Gasphase dar.Another device of this type is known from the VDl magazine, vol. 97, no. 4 (1955), p. 113 bis 117. In this known device vise in a gas atmosphere suspended solid particles along the wall of a pipe, and it the strength of the current flowing from the walls of the pipe is measured. This stream is through the Contact with the particles has been created and provides a measure of the mass concentration of the particles in the gas phase.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Messung der Konzentration von in Gasphase suspendierten Feststoffteilchen der eingangs genannten Art zu schaffen, welche bei robuster Ausführung dazu in der Lage ist, Staubkonzentrationen von etwa 10 bis 150 mg/m³ mit besonders hoher Genauigkeit kontinuierlich zu messen und aufzuzeichnen.The invention is based on the object of creating a device for measuring the concentration of solid particles suspended in the gas phase of the type mentioned above, which, with a robust design, is able to ^{continuously measure dust concentrations of about 10 to 150 mg / m 3} with particularly high accuracy measure and record.

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung vor, daß als das Material Partikeln eines Wirbelbettes dienen die im Verhältnis zu den Feststoffteilchen hinsichtlich Größe und Gewicht derart beschaffen sind, daß sie in dem Wirbelbett verbleiben oder wieder in dieses zurückkehren, während die Feststoffteilchen ausgetragen werden.To solve this problem, the invention provides that the material is particles of a fluidized bed are used in relation to the solid particles in terms of size and weight, that they remain in the fluidized bed or return to it, while the solid particles be carried out.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß zwei Wirbelbetten in Reihe angeordnet sind, die elektrisch voneinander getrennt sind, und daß das in Strömungsrichtung erste der Betten mit der Masse und das zweite Bett mit dem Meßgerät verbunden ist.According to an advantageous embodiment of the invention it is provided that two fluidized beds in Row are arranged, which are electrically separated from each other, and that the first in the direction of flow the beds with the mass and the second bed with the Meter is connected.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß das Wirbelbett ein Strahlbett ist.According to a further preferred embodiment of the invention it is provided that the fluidized bed is a Jet bed is.

Ehie besonders vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß unter dem Wirbelbett ein Gitter und über diesem eine Schicht aus Teilchen angeordnet sind, die auf Grund ihrer Größe und ihres Gewichtes nicht verwirbelt werden.Ehie particularly advantageous development of the invention provides that a grid is arranged below the fluidized bed and a layer of particles above it which are not swirled due to their size and weight.

In erster Näherung kann das Wirbelbett einer Ansammlung von Partikeln gleichgesetzt werden, die sich in einer Quase-Braunschen-Bewegung befinden, in deren Verlauf sie Stöße untereinander und gegen die Wände erfahren. Wenn die Partikeln alle von der gleichen Beschaffenheit sind, führen diese Stöße untereinander nicht zu besonderen elektrischen Erscheinungen, außer einer gleichmäßigen Verteilung der vor dem Zusammentreffen vorhandenen Ladungen. Wenn sie jedoch andererseits gegen die Wand stoßen, von der vorausgesetzt wird, daß sie aus einem anderen Metall besteht (beispielsweise Kupferpartikeln in einem Behälter aus rostfreiem Stahl) zeigt sich eine Erscheinung der elektrostatischen Ladung ruf Grund des Vorhandenseins eines Berührungspotentials. Nach der Trennung ist das Partikel geladen, während eine gleiche Ladung mit entgegengesetzten Vorzeichen auf der Wand festgehalten wird.As a first approximation, the fluidized bed can be equated with a collection of particles that are are in a Quase-Braunschen movement, in the course of which they collide with each other and against the Experience walls. If the particles are all of the same nature, these collisions lead to one another not to special electrical phenomena, except for an even distribution of the before Existing charges coincide. On the other hand, if they hit the wall, off the it is assumed to be some other metal (e.g. copper particles in a container stainless steel) shows a phenomenon of electrostatic charge due to its presence a contact potential. After separation, the particle is charged while being the same Charge with opposite signs is held on the wall.

Gemäß der Erfindung ist der wesentliche Vorteil erreichbar, daß bei der Vorrichtung keine Gefahr einer Verschmutzung besteht, da sich die Vorrichtung auf Grund ihres Aufbaues und ihrer Wirkungsweise im Betrieb selbst reinigt.According to the invention, the main advantage can be achieved that in the device there is no risk of a Contamination exists because the device is due to its structure and mode of operation in The company cleans itself.

Weiterhin besteht bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung der Vorteil, daß auf Grund der unipolaren Aufladung eine völlige Unabhängigkeit von den chemischen Eigenschaften der verwendeten Partikeln besteht.Furthermore, the device according to the invention has the advantage that due to the unipolar Charging is completely independent of the chemical properties of the particles used.

Weiterhin läßt sich mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine außerordentlich gute Genauigkeit erreichen. Furthermore, extremely good accuracy can be achieved with the device according to the invention.

Die Erfindung wird nachfolgend beispielsweise an Hand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigtThe invention is described below, for example, with reference to the drawing; in this shows

Fig. 1 eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung im Schnitt,Fig. 1 shows a preferred embodiment of the invention Device in section,

Fig. 2 eine weitere bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung im Schnitt,Fig. 2 shows a further preferred embodiment of the device according to the invention in section,

Fig. 3 einen Aufriß einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung,Fig. 3 is an elevation of another embodiment the device according to the invention,

Fi g. 4 einen Schnitt durch eine andere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung,Fi g. 4 shows a section through another embodiment of the device according to the invention,

Fig. 5 einen Teilschnitt der u\ der Fig. 4 dargestellten Vorrichtung in einem anderen Betriebszustand, Fig. 5 is a partial section of the u \ of Fig. 4 Darge presented device in a different operating state,

Fig. 6 eine schematische Übersichtsdarstellung eines Anwendungsfalles der erfindungsgemäßen Vorrichtung, unu 6 shows a schematic overview illustration of an application of the device according to the invention, unu

Fig. 7 eine grafische Darstellung zur Veranschaulichung der Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung.7 shows a graphic representation to illustrate the mode of operation of the device according to the invention.

Gemäß Fig. 1 wird einem Behälter 1 bei 2 ein Luftstrom zugeführt, der eine mikroporöse Membran 3 und dann ein Gitter 4 durchquert und das aus Partikeln bestehende Wirbelbett 5 erzeugt. Eine solche Partikel wie bei Λ ist nach einem Stoß gegei. eine Wand des Behälters 1 anfänglich geladen (beispielsweise posi tiv), während eine gleiche Ladung mit entgegengesetz- tem Vorzeichen (beispielsweise mit dem — Zeichen) auf der Wand des Behälters zurückbleibt. Die Ladung ist direkt proportional zu der Differenz der Ablösepotentiale zwischen den zwei Metallen, wobei sich das Metall mit dem niedrigeren Wert positiv auflädt. »5 Wenn eines der Metalle auf der Oberfläche oxidiert ist, verhält sich dieses wie ein Halbleiter und lädt das andere Metall immer mit demselben Vorzeichen. Wenn es vom η-Typ ist, gibt es Elektronen ab und wenn es vom p-Typ ist, erzeugt es positive Ladungen während des Stoßes. Nach Fig. 1 führt ein Stoß zwischen den Partikeln untereinander wie zwischen den Partikeln B und C zu einer Gleichverteilung der Ladungen. According to FIG. 1, a flow of air is fed to a container 1 at 2 which traverses a microporous membrane 3 and then a grid 4 and generates the fluidized bed 5 consisting of particles. Such a particle as at Λ is countered after a collision. a wall of the container 1 is initially charged (for example positive), while an identical charge with an opposite sign (for example with the - sign) remains on the wall of the container. The charge is directly proportional to the difference in the separation potentials between the two metals, with the metal with the lower value becoming positively charged. »5 If one of the metals on the surface is oxidized , it behaves like a semiconductor and always charges the other metal with the same sign. If it is η-type it gives up electrons and if it is p-type it creates positive charges during the collision. According to FIG. 1, an impact between the particles as well as between the particles B and C leads to an even distribution of the charges.

Wenn mit einem Wirbelbett begonnen wird, das zu Beginn aus neutralen Partikeln besteht, und wenn dieses in einem Behälter fluidisiert wird, wird schließlich in Folge der elektrisierenden Stöße gegen die Wände und der folgenden zum Ausgleich der Ladung führenden Stöße mit den benachbarten Partikeln eine stationäre elektrostatische Ladung des Wirbelbettes erhalten. In diesem Zustand besitzt jede Partikel die Ladung, die sie während eines Stoßes gegen eine Wand aufnehmen kann. Andererseits trägt der Behälter unabhängig davon, ob er direkt oder mittels eines Meßinstrumentes mit der Erde verbunden ist, auf seiner inneren Oberfläche eine Ladung, die gleich der des Wirbelbettes ist, jedoch das umgekehrte Vorzeichen aufweist. If you start with a fluidized bed, which initially consists of neutral particles, and if this is fluidized in a container, finally, as a result of the electrifying impacts against the walls and the subsequent impacts with the neighboring particles that balance the charge, it becomes a stationary electrostatic one Received charge of the fluidized bed. In this state, each particle has the charge it can absorb when it hits a wall. On the other hand, regardless of whether it is connected directly or by means of a measuring instrument to the earth, the container carries on its inner surface a charge which is the same as that of the fluidized bed, but has the opposite sign .

Es wird angenommen, daß außer dem in einem Wirbelbett mit einer stationären Ladung ein Mechanis- 5" mus vorhanden ist, der die Ladung irgendeiner Partikel beseitigen kann, während die äquivalente Elektrizitätsmenge, die durch Influenz auf der Wand gehalten wurde, unmittelbar zur Erde bzw. Masse oder dem Meßgerät abfließt. Danach wird sich die neutrale Par- tikel wieder aufladen, indem sie an ihre Nachbarpartikeln oder den Behälter anstößt. Diese Rückführung des Wirbelbettes zu seinem stationären elektrischen Gleichgewicht verursacht keine Übertragung von Ladung. Wenn somit in dem Wirbelbett ein Systern existiert, das die Partikeln kontinuierlich entladen kann, muß ein kontinuierlicher Strom zur Masse oder zum Meßgerät beobachtet werden. Das System bildet dann einen Stromgenerator mit hoher innerer Impedanz, da bekanntlich ein Wirbelbett, selbst wenn es von MetaHpartikeln gebildet wird, ein eher isolierendes Mittel ist. Die analogen Erscheinungen treten lvi einer teilweisen Entladung der Partikeln oder im Gegenteil einer neuen zu der bereits vorhandenen Ladung hinzugefügten Ladung auf, die positiv oder negativ sein kann. It is believed that besides that in a fluidized bed with a stationary charge there is a mechanism that can remove the charge from any particle while the equivalent amount of electricity held by induction on the wall goes directly to earth or mass, or the meter flows. Thereafter, the neutral Par is Tikel recharge, by abutting its neighbor particles or the container. This recirculation causes the fluidized bed to its stationary electrical balance any transfer of charge. thus, if there exists in the fluidized bed a systern Since it is possible to continuously discharge the particles, a continuous flow to the ground or to the measuring device must be observed, and the system then forms a current generator with high internal impedance, since a fluidized bed, even if it is formed by metal particles, is known to be a rather insulating means . the analogous phenomena occur lvi a partial discharge de r particles or, on the contrary, a new charge added to the already existing charge, which can be positive or negative .

Wenn beispielsweise nach F i g. 2 in einem Behälter la, der wie der in Fi g. 1 dargestellte Behälter für eine Verwirbelung durch Zuführung von Luft bei 2 unter einem einer mikroporösen Membran 3a angeordneten Metallgitter Aa gedacht ist, eine Mischung Sa eingeführt wird, die Partikeln von einigen 100 μ und eine geringe Menge an feinem Pulver aufweist, dessen Teilchen auf der Oberfläche der Partikeln anhaften, und wenn diese Gesamtheit fluidisiert wird, hängt der erforderliche Luftdurchsatz von dem Gewicht der Partikeln ab und es folgen daraus Luftgeschwindigkeiten in und über dem Wirbelbett, die viel höher als die Sichtungsgeschwindigkeit der feinen Teilchen ist. Somit werden diese, wenn sie sich während der Stöße oder unter dem Einfluß von örtlichen aerodynamischen Turbulenzen bzw. Wirbeln lösen, in der Form eines Aerosols 6 mitgenommen, dessen Konzentration eine Funktion des Gehaltes an feinem Pulver in dem Wirbelbett ist. Diese Mischung ist jedoch dazu in der Lage, eine elektrische Ladung zu speichern, wie es oben beschrieben worden ist. Wenn jedoch vorausgesetzt wird, daß das Ablösen der Staubteilchen ohne Einwirkung der Erscheinungen der Reibungselektrizität erfolgt, nehmen die Aerosolteilchen kontinuierlich einen Teil der Ladung aus dem Wirbelbett mit und in Folge dessen fließt ein Strom von dem Behälter ab, der gleich dem Strom ist. der durch die von dem Aerosol weggetragenen Ladungen gegeben ist. Wenn bei der Abtrennung der feinen Teilchen eine Reibungselektrizität erzeugt wird, wird die vorhergehende Ladung modifiziert (sie kann in einem extremen Fall Null betragen, wenn die Reibungselektrizität eine Ladung freisetzt, die gleich der vorher auf den Teilchen vorhandenen ist und das umgekehrte Vorzeichen aufweist), es ist jedoch immer ein mit der Konzentration der weggetragenen Staubteilchen verbundener elektrischer Strom vorhanden. If, for example, according to FIG. 2 in a container la which, like that in Fi g. 1 shown container for a swirl by supplying air at 2 is intended under a metal grid Aa arranged in a microporous membrane 3a , a mixture Sa is introduced, which has particles of a few 100 μ and a small amount of fine powder, the particles of which on the surface of the particles adhere, and if this assembly is fluidized, the required air flow rate depends on the weight of the particles and this results in air velocities in and above the fluidized bed which is much higher than the sifting velocity of the fine particles. Thus, if they loosen during the impacts or under the influence of local aerodynamic turbulence or eddies, they are carried along in the form of an aerosol 6, the concentration of which is a function of the content of fine powder in the fluidized bed. However, this mixture is able to store an electrical charge, as has been described above. If, however, it is assumed that the detachment of the dust particles takes place without the effects of static electricity phenomena, the aerosol particles continuously carry with them part of the charge from the fluidized bed and, as a result, a current flows from the container which is equal to the current. which is given by the charges carried away by the aerosol. If static electricity is generated during the separation of the fine particles, the previous charge is modified (it can be zero in an extreme case when the static electricity releases a charge which is the same as that previously present on the particles and has the opposite sign), however, there is always an electric current associated with the concentration of the dust particles carried away.

Es kann andererseits vorausgesetzt werden, daß anstatt ein Wirbelbett aus Partikeln (mit einigen 100 μ Durchmesser) mit reiner Luft zu verwirbeln, ein mit Staub beladenes Gas benutzt wird. Es wird dann zuerst nach einer Phase zur Herstellung des Gleichgewichtes kurzer Dauer ein Aerosol austreten, das diese Konzentration wie am Eingang aufweist. Dieses System kann dann unbegrenzt arbeiten, ohne sich zu verstopfen, da keine Ansammlung von Staub in dem Wirbelbett erfolgt. A priori könnte man denken, daß die Teilchen sich damit begnügen, die Wirbelschicht direkt zu durchqueren. Jedoch zeigt das Experiment, daß die überwiegende Anzahl der Teilchen eingefangen wird und diese eine bestimmte Zeit an den Partikeln hafter und danach wieder abgegeben werden, wie es bei den' oben beschriebenen Wirbelbett mit zwei Bestandteiler der FaI'. ist. Der Eingang-Wirkungsgrad des Wirbel bettes ist eine Funktion mehrerer Parameter wie de Form der Staubteilchen, der Form der Partikeln, den Wirbelzustand, der Höhe der zu durehquerendei Schicht, der elektrischen Kräfte usw. Die Frage is weit davon entfernt, gelöst zu sein, es ist jedoch tech nisch möglich, Systeme zu verwirklichen, bei dene das Anhaften quantitativ erfolgt, sobald ein oder 2 überschritten werden.On the other hand, it can be assumed that instead of a fluidized bed of particles (with a few 100 μ Diameter) to swirl with pure air, a gas laden with dust is used. It will be first then after a phase to restore equilibrium, an aerosol will escape for a short period of time Concentration like at the entrance. This system can then work indefinitely without becoming clogged, since there is no accumulation of dust in the fluidized bed. A priori one could think that the Particles are satisfied with crossing the fluidized bed directly. However, the experiment shows that the predominant number of particles is captured and these stick to the particles for a certain period of time and then released again, as in the case of the two-component fluidized bed described above the FaI '. is. The input efficiency of the fluidized bed is a function of several parameters such as de Shape of the dust particles, the shape of the particles, the state of the vortex, the height of the to be traversed Layer, electrical forces, etc. The question is far from resolved, but it is tech nically possible to realize systems in which the adherence takes place quantitatively as soon as one or 2 be crossed, be exceeded, be passed.

Schließlich sind zusätzlich zu den oben erwähnte elektrischen Erscheinungen hier noch Ladungsübel tragungen wahrend des Festhaltens der Aerosole as pphen.Finally, in addition to the electrical phenomena mentioned above, there are also charge evils during the retention of the aerosols as pphen.

Die oben in bezug auf Wirbeibetten angestellten Betrachtungen sind unter der Voraussetzung einiger Anpassungen ebenfalls für das sogenannte Strahlbett gültig. Dieses wird in einer Säule mit einer halbkugelförmigen oder konischen Basis erzeugt, die von einer Zuführungsöffnung für Luft durchbrochen ist. Es werden Partikeln mit einigen 100 μ eingefüllt, und es wird Luft hindurchgefühlt. Wenn die Experimentierbedingungen gut gewählt sind, erscheint im Zentrum der Schicht eine Art Partikel-Strahl, dessen Aussehen stark an einen Wasserstrahl erinnert. Dieser Strahl bildet den oberen Teil einer zentralen Säule, in welcher ein System von Partikeln in Suspension, gefolgt von einem vertikal ansteigenden Bereich, vorhanden ist. Um diese Säule herum geht langsam ein festes Bett abwärts, das die Partikeln in den unteren Teil bringt.The considerations made above with respect to fluidized beds are given a few assumptions Adjustments also apply to the so-called jet bed. This is in a column with a hemispherical shape or conical base is generated, which is pierced by an inlet opening for air. It particles with a few 100 μ are filled in, and air is passed through. When the experimental conditions are well chosen, a kind of particle beam appears in the center of the layer, the appearance of which strongly reminiscent of a jet of water. This beam forms the upper part of a central column in which there is a system of particles in suspension followed by a vertically rising area. A solid bed slowly descends around this column, bringing the particles to the lower part.

Ein Strahlbett ist in den Fi g. 3 bis 5 veranschaulicht und es umfaßt eine Säule 7 und einen halbkugelförmigen Boden 8 mit einer Öffnung 9 zur Einführung von Luft. Eine Einrichtung, die ein leichtes Ingangsetzen und Unterbrechen des Strahls ermöglicht, wird von einem Hahn 10 mit Drosselklappe gebildet. Auf dem Körper dieses Hahns ist in Querrichtung ein dritter Weg offen, der durch eine Leitung 11 den Behälter umgibt. Die Drosselklappe 12 ist in der Weise modifiziert, daß sie es in Abhängigkeit von ihrer Position ermöglicht entweder Luft direkt in das Bett mit der Bildung des Strahls 13 einzublasen oder diese kurzzuschließen. Ein Steuerhebel 14 ist vorgesehen, mit dem der Hahn 10 betätigt werden kann.A jet bed is shown in FIGS. 3 to 5 and it comprises a column 7 and a hemispherical bottom 8 with an opening 9 for the introduction of air. A device which enables easy start-up and interruption of the jet is formed by a tap 10 with a throttle valve. On the body of this tap, a third path is open in the transverse direction, which through a conduit 11 surrounds the container. The throttle valve 12 is modified in such a way that, depending on its position, it makes it possible either to blow air directly into the bed with the formation of the jet 13 or to short-circuit it. A control lever 14 is provided with which the cock 10 can be operated.

Zur Erläuterung der Erfindung und der durch diese zu erreichenden Vorteile wird nachfolgend der Fall eines von Metallpartikeln gebildeten Wirbelbettes und eines ebenfalls metallische Partikeln enthaltenden Aerosols betrachtet. Der Wirbelbettbehälter besteht aus einem einzigen Metall wie beispielsweise Messing oder rostfreiem Stahl.To explain the invention and the advantages to be achieved by it, the following is the case a fluidized bed formed by metal particles and an aerosol also containing metallic particles considered. The fluidized bed container consists of a single metal such as brass or stainless steel.

Die Luft muß, um ein gutes Wirbelbett zu erhalten, in dieses quer durch einen Träger eingeblasen oder angesaugt werden, der einen Druckverlust hervorruft, der in der gleichen Größenordnung wie der des Wirbelbettes liegt. Aus diesem Grund werden im allgemeinen sehr feine Gitter oder poröse Schichten gewählt. Daraus folgt, daß dann, wenn das Aerosol quer durch diesen Trägertyp gedrückt wird, dieser schnell verschmutzt und das System nicht mehr funktioniert.The air must, in order to obtain a good fluidized bed, blown into this or across a carrier be sucked in, which causes a pressure loss in the same order of magnitude as that of the fluidized bed located. For this reason, very fine grids or porous layers are generally chosen. From it it follows that if the aerosol is pushed across this type of carrier, it will quickly become contaminated and the system stops working.

Eine erste Lösung besteht darin, das Wirbelbett mit reiner Luft zu erzeugen und das zu untersuchende Aerosol durch eine seitliche öffnung in dessen Zentrum einzuspritzen. Dieses System weist jedoch eine geringe Empfindlichkeit im Gegensatz zu der Empfindlichkeit auf, die erreichbar ist, wenn das gesamte Wir belbett benutzt wird. Eine andere Lösung dieses Problems besteht darin, ein festes Bett mit größeren und schwereren Partikeln zu benutzen, das auf einem Gitter mit weiten Maschen angeordnet ist Es erfolgt eine Ablagerung von Staubteilchen in dem besonderen Träger, es wird jedoch, während die Verschmutzung genügend gering ist, uaßer einer Ausdehnung des festen Bettes ein Losreißen des abgelagerten Staubes beobachtet, wodurch Stromspitzen hervorgerufen werden. Dieses System ist somit geeignet, wenn Mittelwerte der Konzentration im Laufe der Zeit gemessen werden sollen. A first solution is to generate the fluidized bed with pure air and to inject the aerosol to be examined through a side opening in its center. However, this system has a low sensitivity in contrast to the sensitivity achievable when the entire fluidized bed is used. Another solution to this problem is to use a solid bed of larger and heavier particles placed on a grid with wide meshes. During expansion of the fixed bed, the deposited dust was observed to break away, causing current peaks. This system is therefore suitable when mean values of the concentration are to be measured over time.

in zahlreichen Fällen ist das praktischste System das Strahlbett. Die Einführung der Luft erfolgt in diesem Fall durch ein einfaches Rohr, dessen Durchmesser jede Möglichkeit einer Verstopfung ausschließt.in many cases the most practical system is that Jet bed. The air is introduced in this case through a simple pipe, the diameter of which eliminates any possibility of constipation.

Die Betriebsweise des oben beschriebenen Systems kann mathematisch beschrieben werden. Hierzu wird der sehr einfache Fall eines Wirbelbettes von Partikeln betrachtet, das von einem Aerosol mit der Konzentration C mit einem Durchsatz von Q cm³/sec durchquert wird. Es wird vorausgesetzt, das das Aerosol anfänglich nicht geladen ist und mit einem Wirkungsgrad R während seines Durchganges eingefangen wird. Weiterhin wird vorausgesetzt, daß bei der Trennung der Aerosolteilchen von den Partikeln, welche diese getragen haben, keine Reibungselektrizität vorhanden ist und ein Aerosolteilchen jeweils nur einen Bruchteil q der Ladung aufnimmt (eine Ladung, die unmittelbar durch Reibungselektrizität von der Wand zurückgewonnen wird).The operation of the system described above can be described mathematically. For this purpose, the very simple case of a fluidized bed of particles is considered, which is traversed by an aerosol with the concentration C with a throughput of Q cm ³ / sec. It is assumed that the aerosol is not initially charged and that it is captured with an efficiency R during its passage. It is further assumed that when the aerosol particles are separated from the particles which have carried them, there is no static electricity and that an aerosol particle only absorbs a fraction q of the charge (a charge which is directly recovered from the wall by static electricity).

Es sind somit pro Sekunde C · Q · R für diese Erscheinung interessante Pratikeln vorhanden. Sie nehmen eine Ladungsmenge von C · Q · R · q mit und der Kompensationsstrom, der zu dem Meßgerät fließt, beträgt ι = —C ■ Q · R ■ q. Wenn die Partikeln alleThere are thus C · Q · R of interest for this phenomenon per second. They take with them an amount of charge of C · Q · R · q and the compensation current that flows to the measuring device is ι = - C · Q · R · q. When the particles are all

ao anfänglich eine Ladung α tragen, wirkt der Teil C · Q · (1 — R) der nicht angehalten worden ist, nicht auf die elektrische Bilanz ein. Der eingefangene Bruchteil führt die Ladung C · Q · R · α ein und tritt mit der Ladung C · Q · R · q aus. Daraus folgt für den Strom:ao initially carry a charge α , the part C · Q · (1 - R) that has not been stopped does not affect the electrical balance. The trapped fraction introduces the charge C · Q · R · α and exits with the charge C · Q · R · q . From this it follows for the current:

»5 i = -C-Q-R-(q-a). »5 i = -CQR- (qa).

Diese Gleichung zeigt, daß der vcn dem System freigesetzte Strom im allgemeinen eine Funktion nicht nur der Konzentration des Aerosols sondern auch seiner Ladung ist, die kaum bekannt und sehr oft groß und variabel ist (beispielsweise hinter einem elektrischen Entstauber). Bei neutralen Aerosolen oder Aerosolen mit Boltzman-Gleichgewicht (a « q) ist die Version mit einer Meßstufe geeignet.This equation shows that the current released by the system is generally a function not only of the concentration of the aerosol but also of its charge, which is little known and very often large and variable (e.g. behind an electric dust extractor). In the case of neutral aerosols or aerosols with Boltzman equilibrium (a « q) , the version with one measuring stage is suitable.

In dem allgemeinsten Fall ist es erforderlich, eine Einrichtung mit zwei Stufen in Reihe zu benutzen, wie es nachfolgend beschrieben wird.In the most general case it is necessary to have a Use a device with two stages in series as described below.

Es werden zwei Meßelemente vorausgesetzt, von denen jedes durch die Werte Al und Rl für den Wirkungsgrad und q\ und ql für die von jedem Aerosolteilchen mitgenommenen Ladungen hat. Das erste Element, das im Verlauf der Bewegung der Luft angetroffen wird, ist mit der Masse verbunden. Es ist von dem zweiten vollständig getrennt, das mit dem Meßgerät verbunden ist. Das Aerosol, das in dieses Meßelement eintritt, setzt sich aus zwei Teilen zusammen:Two measuring elements are assumed, each of which has the values Al and Rl for the efficiency and q \ and ql for the charges entrained by each aerosol particle. The first element encountered in the course of the movement of air is connected to the earth. It is completely separate from the second, which is connected to the meter. The aerosol that enters this measuring element consists of two parts:

— dem Teil, der in der ersten Stufe nicht aufgehalten worden ist, und dessen Ladung C · Q (1 — Rl) · a beträgt, und- the part that was not stopped in the first stage and whose charge is C · Q (1 - Rl) · a , and

— dem Teil, der eingefangen und dann wieder freigegeben worden ist, mit der Ladung C · Q · Al · q 1- the part that has been captured and then released again with the charge C · Q · Al · q 1

Jeder dieser Bruchteile des Aerosols wird mit demselben Wirkungsgrad Rl durch die Meßstufe auf ge halten, und man erhält unter Berücksichtigung dei obigen Ausführungen für die entsprechenden StrömeEach of these fractions of the aerosol is kept on ge with the same efficiency Rl by the measuring stage, and one obtains, taking into account the above explanations for the corresponding currents

h = — h = -

— R₁) *₂(fc — σ) R - R ₁ ) * ₂ (fc - σ) R

oder insgesamt / = I₁ + J₂ mitor a total of / = I ₁ + J ₂ with

/ = -C Q ■ R₂ · [Ofe - R^₁) - a (1 - R₁)]. / = -C Q ■ R ₂ * [Ofe - R ^ ₁ ) - a (1 - R ₁ )].

Somit ist das elektrische Meßsignal praktisch unab hängig von der Anfangsladung des Aerosols, wenn vor ausgesetzt wird, daß die erste Stufe wirksam ist (R] nahe bei 1) oder auch wenn (q_t — R^₁) groß gegen über α ist. Um diese Bedingung zu erreichen, werdei vorteilhafterweise aufeinanderfolgende WirbelbetteiThus, the electrical measurement signal is practically inde pendent of the initial charge of the aerosol, if it is exposed before that the first stage is effective (R] close to 1) or even if (q _t - R ^ ₁ ) is large compared to α . To achieve this condition, successive fluidized beds are advantageously used

benutzt, die sich mit verschiedenen Vorzeichen aufladen. Dadurch wird ebenfalls die Stärke des Ansprechens in Abhängigkeit von der Konzentration C bzw. die Empfindlichkeit gesteigert. Dieses Ansprechen ist wesentlich stärker als mit einer einzigen Stufe, vor allem, wenn R 2 groß ist.which are charged with different signs. This also increases the strength of the response depending on the concentration C or the sensitivity. This response is much stronger than with a single step, especially when R 2 is large.

Daraus folgt, daß die Meßvorrichtung vorteilhafterweise in der folgenden Weise ausgebildet ist:It follows that the measuring device is advantageously designed in the following way:

In bestimmten einfachen Fällen ist ein Wirbelbett oder ein Strahlbett in einem Behälter vorgesehen, der im allgemeinen aus Metall besteht und mit einem einfachen Verstärkerkreis (oder einer Stromquelle mit hoher Impedanz) verbunden ist, der ein Aufzeichnungsgerät oder eine Anzeigeeinrichtung versorgt. Die gesamte Einrichtung ist in einem Faraday'schen Käfig angeordnet. Das Aerosol kann durch Blasen (Fall einer Leitung unter Druck oder mittels Benutzung eines Zwischenkompressors) oder durch Ansaugen, wenn der Ausgang der Vorrichtung mit einer Vakuumquelle verbunden ist (Ansaugeinrichtung, Lufttrommelgebläse ao usw.) eingeführt werden.In certain simple cases, a fluidized bed or a jet bed is provided in a container which generally made of metal and with a simple amplifier circuit (or a power source with high impedance), which supplies a recording device or a display device. the The entire facility is arranged in a Faraday cage. The aerosol can be released through bubbles (in the case of a Line under pressure or by using an intermediate compressor) or by suction if the The output of the device is connected to a vacuum source (suction device, air drum fan ao etc.) are introduced.

Im allgemeinen sind jedoch zwei Stufen, wie es oben beschrieben worden ist, in Reihe hintereinander geschaltet und elektrisch voneinander getrennt. Die erste Stufe (in der Strömungsrichtung der Luft) ist mit der Masse verbunden, und die zweite Stufe ist mit einem Meßgerät verbunden. Das Gerät ist in einem Faraday'schen Käfig angeordnet. Die Partikeln jedes Bettes, die von unterschiedlicher Beschaffenheit sein können, werden so ausgewählt, daß das elektrische Ansprechen mit hohem Wirkungsgrad erfolgt und von der Anfangsladung des Aerosols unabhängig ist.In general, however, as has been described above, two stages are connected in series and electrically separated from each other. The first stage (in the direction of air flow) is with the Ground connected, and the second stage is connected to a meter. The device is in a Faraday Cage arranged. The particles of each bed, which can be of different nature, are selected so that the electrical response occurs with high efficiency and of is independent of the initial charge of the aerosol.

Die so ausgeführten Vorrichtungen sind einfach und robust. Das Aerosol kann diesen mittels einer Entnahmesonde zugeführt werden oder sie können direkt in den staubhaltigen Strom eingesetzt werden.The devices implemented in this way are simple and robust. The aerosol can use a sampling probe or they can be used directly in the dusty stream.

Fig. 6 zeigt eine Vorrichtung mit zwei Strahlbetten in Reihenschaltung. Die beiden Stufen X und Y weisen die gleiche Konstruktion auf und unterscheiden sich nur durch die Beschaffenheit der Partikeln, die sie enthalten.Fig. 6 shows a device with two jet beds in series. The two stages X and Y have the same construction and only differ in the nature of the particles they contain.

Jede Stufe, die teilweise schon in Verbindung mit dem Ausführungsbeispiel eines Strahlbettes beschrieben worden ist, umfaßt im wesentlichen drei Teile: einen Wirbelbettbehälter, einen Zuführungshahn und eine Vorrichtung zur Wiedergewinnung der Partikeln (siehe Fig. 3 bis 5).Each stage, some of which has already been described in connection with the embodiment of a jet bed essentially comprises three parts: a fluidized bed tank, a feed tap and a device for recovering the particles (see Figures 3 to 5).

Der Behälter ist ein Mt«^ringzylinder mit einer Höhe von 30 cm und einem Durchmesser von 5 cm. dessen Basis halbkugelförmig ausgebildet ist und an die ein Zuführhahn angeschweißt ist. Die Achse des letzteren und die des Behälters fallen zusammen. Die Zuführeinrichtung, die gleichfalls aus Messing besteht, ist ein Hahn mit modifiziertem Drosselschieber, wie es oben erläutert worden ist. Der Schieber ist so vorgesehen, daß dessen Betätigung mit dem Steuerhebel 14 aus der Bereitschaftsstellung in die Betriebsstellung erfolgt, ohne daß der Durchgang des Trägergases für die Teilchen behindert wird. In der BereitschaftssteHung verhindert der Hahn das Absinken der Partikeln. An ihrem unteren Teil ist die Zuführeinrichtung mit einer "Wiedergewinnungseinrichtung verbunden, die in Fi g. 3 mit 15 bezeichnet ist. Diese ist aus Sicherheitsgründen vorgesehen, falls zufällig der Gasstrom abrupt unterbrochen wird. Die Partikeln fallen dann in den Behäl- ⁶S ter 15, wo sie wieder herausgenommen werden können. The container is a Mt ^"r ingzylinder cm with a height of 30 cm and a diameter of 5 avg. whose base is hemispherical and to which a feed tap is welded. The axis of the latter and that of the container coincide. The feed device, which is also made of brass, is a tap with a modified throttle slide, as has been explained above. The slide is provided in such a way that it is actuated with the control lever 14 from the standby position into the operating position without the passage of the carrier gas for the particles being hindered. In the standby position, the tap prevents the particles from sinking. At its lower part the feeding device is connected to a "recovery means that g in Fi. Designated 3 with 15. This is provided for safety reasons, if by chance the gas flow is abruptly interrupted. The particles then fall into a canister ⁶ S ter 15 where they can be taken out again.

Die Partikeln, die die Wirbelbetten bilden, weisen die Kornklassierung auf, die mit Sieben zwischen 400 und 500 μ des Typs AFNOR erhalten worden ist. Die untere Stufe }' enthält 62 g Bronzepartikeln, währenc die obere Stufe A' 63 g Messingpartikeln enthält. The particles that form the fluidized beds have the particle size classification obtained with sieves between 400 and 500 μ of the AFNOR type. The lower stage} 'contains 62 g of bronze particles, while the upper stage A' contains 63 g of brass particles.

Die Gesamtheit der zwei Stufen ist in einem zylin drischen Behälter 19 (Fig. 6) angeordnet, der al; Faraday'scher Käfig dient. Jede Stufe stellt eine eiek trisch isolierte Einrichtung dar, da die Verbindungsstücke und die Teile aus Isoliermaterial, beispielsweise aus Kohlenstoff-Tetrafluoräthylen, bestehen.The entirety of the two stages is arranged in a cylin drical container 19 (Fig. 6), the al; Faraday cage is used. Each stage represents an eiek cally isolated device , since the connecting pieces and the parts are made of insulating material, for example carbon tetrafluoroethylene.

Die untere Stufe Y ist mit der Masse T verbunden während die obere Stufe X, die eigentliche Meßzelle mit einer Auswertungseinrichtung verbunden ist, die entweder ein Elektrometer 16, eine über eine elektronische Schaltung verbundene Aufzeichnungseinrichtung 17 oder eine Anzeigetafel aufweisen kann. Eine elektronische Schaltung, die einen MOS-Transistoi und einen Widerstand mit großem Widerstandswerl umfaßt, dient zur Impedanz-Anpassung und ermöglichi es, praktisch mit einer sehr einfachen elektronischen Auswerteeinrichtung auszukommen. Die Hähne sind durch eine isolierende Stange gekuppelt und können gleichzeitig mittels eines Handgriffes 14 in Fig. 6 bedient werden, der außerhalb des Faraday'schen Käfigs angeordnet ist.The lower stage Y is connected to the ground T while the upper stage X, the actual measuring cell, is connected to an evaluation device which can have either an electrometer 16, a recording device 17 connected via an electronic circuit or a display panel. An electronic circuit, which comprises a MOS transistor and a resistor with a large resistance, is used for impedance matching and enables a very simple electronic evaluation device to be used in practice. The taps are coupled by an insulating rod and can be operated at the same time by means of a handle 14 in FIG. 6 which is arranged outside the Faraday cage.

In Verbindung mit der in der Fig. 6 dargestellten Ausführungsform sind die verschiedenen Zubehörteile dargestellt, die die Bestimmung der gesuchten Ergebnisse ermöglichen; es sind im wesentlichen: ein Aerosol-Generator und ein fotometrisches Meßgerät zum Messen der Aerosolkonzentration.. In conjunction with the embodiment shown in Figure 6 the various components are shown which allow the determination of the desired results; they are essentially: an aerosol generator and a photometric measuring device for measuring the aerosol concentration.

Der Aerosolgenerator 20 umfaßt einen Behälter, der ein Doppel-Wirbelbett enthält; diese Vorrichtung ist bereits an Hand der Fig. 2 beschrieben worden. Die Fluidisierungsluft wird durch eine Pumpe 26 zugeführt und deren Durchsatz mit Hilfe eines Durchsatzmeßgerätes 26a eingestellt. Die erzeugten Teilend k können isolierend oder metallisch sein. Ein Teil des Aerosols wird durch die erfindungsgemäße Vorrichtung angesaugt, während ein anderer Teil, dessen Durchsatz mittels eines Durchsatzmeßgerätes 21 gemessen wird, nach Verdünnung in einem mit reiner Luft von einer Pumpe 22a versorgten Ballon 22 zu dem Fotometer 23 geführt wird, dessen Meßwerte von einem Registriergerät 17 mit zwei Kanälen registriert werden. Der Überschuß des Aerosols tritt durch eine Leitung 24 mit einem Schieber 24a in die freie Luft aus. Ein Manometer 21 α dient dazu, den Druck in der Vorrichtung einzustellen, indem der Schieber IAa der Leitung 24 eingestellt wird. Außerdem ist der Ausgang der oberen Stufe X einerseits durch eine Leitung 27 mit einer nicht dargestellten Pumpe und andererseits über eine Leitung 28 mit einem Schwebekörper-Durchflußmesser 29 für den Durchsatz der Vorrichtung verbunden. The aerosol generator 20 comprises a container containing a double fluidized bed; this device has already been described with reference to FIG. The fluidizing air is supplied by a pump 26 and its throughput is adjusted with the aid of a throughput measuring device 26a. The generated parts k can be insulating or metallic. A part of the aerosol is sucked in by the device according to the invention, while another part, the throughput of which is measured by means of a throughput measuring device 21 , after dilution in a balloon 22 supplied with pure air by a pump 22a is fed to the photometer 23, the measured values of which are taken from a Registration device 17 can be registered with two channels. The excess of the aerosol exits into the open air through a line 24 with a slide 24a . A manometer 21 α is used to set the pressure in the device by the slide IAa of the line 24 is adjusted. In addition, the output of the upper stage X is connected on the one hand by a line 27 to a pump (not shown) and on the other hand by a line 28 to a variable area flow meter 29 for the throughput of the device.

Die Messung der Staubkonzentrationen erfolgt durch Filtern auf einer mikroporösen Membran, die von einem Membran-Trägerbehälter 25 getragen wird und vor und nach der Probeentnahme gewogen wird, um das gesammelte Gewicht zu erhalten. Das Fotometer, das parallel zu der zu testenden Vorrichtung angeordnet ist, ermöglicht es, unmittelbar jegliche Variation der Aerosol-Emission festzustellen und ebenso der Konzentrationsentwicklung über lange Perioden zu folgen. In Verbindung mit der oben beschriebenen Vorrichtung war es möglich, Versuche mit einem Siliziumdioxid-Aerosol in einem Körnungsbereich von 1 bis 20 μ und im Mittel in Abhängigkeit vom Gewicht zwischen 5 und 7,5 μ auszuführen. Die Konzentration des Aerosols kann zwischen 10 und 1000 mg/m³ ge-The dust concentrations are measured by filtering on a microporous membrane which is carried by a membrane carrier container 25 and which is weighed before and after the sampling to obtain the collected weight. The photometer, which is arranged parallel to the device to be tested, makes it possible to immediately determine any variation in the aerosol emission and also to follow the development of the concentration over long periods. In connection with the device described above, it was possible to carry out tests with a silicon dioxide aerosol in a grain size range from 1 to 20 μ and on average between 5 and 7.5 μ, depending on the weight. The concentration of the aerosol can be between 10 and 1000 mg / m ³

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wählt werden, wobei der Durchsatz durch die Meßvorrichtung 20 l/min beträgt. Die nachfolgend für das Aerosol angegebenen Genauigkeiten stellen nur Beispiele dar.be selected, the throughput through the measuring device being 20 l / min. The accuracies given below for the aerosol are only examples.

In einer ersten Versuchsserie wurde das eintretende Aerosol stark positiv und dann negativ durch Berührung mit einer unipolaren Wolke von kleinen Ionen geladen. Die Stromempfindlichkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung blieb im Bereich von einigen Prozent.In a first series of experiments , the entering aerosol was charged strongly positively and then negatively through contact with a unipolar cloud of small ions. The current sensitivity of the device according to the invention remained in the range of a few percent.

Es sind dann Emissionen langer Dauer, d. h. von einigen Tagen bis zu einigen Wochen, mit verschiede-There are then emissions of a long duration, ie from a few days to a few weeks, with different

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nen, konstant gehaltenen Konzentrationen erzeugt worden. Die Anzeige ist für jeden Fall gleich geblieben. 1 rgendeine Verstopfungserscheinung ist bei der Vorrichtung nicht beobachtet worden.N, held constant concentrations were generated. The display has remained the same for each case. There is some clogging in the device not been observed.

Ausgehend von den Versuchen und den Resultaten ist die in Fi g. 7 dargestellte Kurve erstellt worden, bei der die Anzeige der Vorrichtung in Millivolt auf der Ordinate über der Massenkonzentration eines Siliziumdioxid-Aerosols auf der Abszisse in Milligramm pro Kubikmeter aufgetragen ist. Das Schaubild in Fig. 7 zeigt eine Gerade, wie es die oben dargelegte Theorie ergeben hat.Based on the experiments and the results, the in Fi g. 7 curve shown was created, in which the display of the device is plotted in millivolt on the ordinate on the mass concentration of a silicon dioxide aerosol on the abscissa in milligrams per cubic meter. The diagram in FIG. 7 shows a straight line, as the theory set out above has resulted in.

Hierzu 4 Blatt ZeichnungenFor this purpose 4 sheets of drawings

Claims

Patent claims:

1. Device for determining the concentration of solid particles suspended in the gas phase with a container surrounded by a Faraday cage through which the gas slides is and in which the solid particles with a material such contact electrical property be brought into contact that a charge exchange takes place, and with a device for measuring the charge exchange, characterized in that the material is particles a fluidized bed (5) are used, which in relation to the solid particles in terms of size and weight are such that they remain in the fluidized bed (5) or back into it return while the particulate matter is discharged.

2. Apparatus according to claim 1, characterized in that two fluidized beds ( Y and X) are arranged in series, which are electrically separated from each other, and that the first (Y) of the beds in the flow direction with the mass (T) and the second ( X) bed is connected to the measuring device (17, 18).

3. Device according to one of claims 1 or 2, characterized in that the fluidized bed is a Jet bed is.

4. Device according to one of claims 1 or 2, characterized in that under the Fluidized bed (5) a grid (4) and above this a layer of particles are arranged, which on Due to their size and weight are not swirled.