DE2716472C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Probenahmevorrichtung zur
Bestimmung der Menge an von einem gasförmigen Medium
mitgeführten Teilchen gemäß dem Oberbegriff des Patentan
spruches 1.
Eine solche Probenahmevorrichtung ist durch die DE-OS
24 04 873 bekannt. Diese betrifft ein Verfahren und eine
Vorrichtung für die Analyse von Feinstäuben in Gasen
mittels Atomabsorptions- oder Atomfluoreszenzanalyse,
wobei das zu untersuchende Gas durch einen elektrisch
beheizbaren Probenbehälter geleitet, der im Gas enthaltene
Feinstaub im Probenbehälter elektrostatisch niedergeschla
gen und derselbe Probenbehälter anschließend in den Strah
lengang eines Atomabsorptions- oder Atomfluoreszenzspektro
meters gebracht und dort auf die zur Atomisierung der
Staubteile notwendige Temperatur aufgeheizt wird. Als
Probenbehälter wird ein Graphitrohr verwendet, in welches
eine Elektrode für eine Koronaentladung eingeführt ist.
Mit diesem Verfahren und der hierfür ausgebildeten Vorrich
tung sollen zeitraubende und Meßfehler verursachende
Zwischenschritte, wie die Veraschung des Filters und
Bestimmung eines Blindwertes, ausgeschaltet werden. Das
bei der bekannten Probenahmevorrichtung verwendete zylin
drische und beidseitig offen ausgebildete Rohr weist
in allen Bereichen gleiche Abmessungen auf, d.h. es sind
gleiche Durchmesser gegeben. Die Durchströmgeschwindigkeit
des gasförmigen Mediums durch dieses zylindrische Rohr
wird nicht durch dessen Ausgestaltung beeinflußt oder
vorgegeben; das gasförmige Medium wird zur Erhöhung der
Strömungsgeschwindigkeit durch das Rohr gepumpt.
Eine ähnlich gestaltete Probenahmevorrichtung ist der
US-PS 37 84 902 zu entnehmen. Auch bei dieser Probenahme
vorrichtung sind Fördermittel vorgesehen, um das gasförmi
ge Medium durch die rohrförmige Sammelelektrode hindurchzu
drücken.
Des weiteren ist aus der US-PS 37 74 442 eine Probenahme
vorrichtung bekannt, bei der ebenfalls das gasförmige
Medium durch eine rohrförmige Sammelelektrode hindurchge
führt wird, jedoch ist hier das die Sammelelektrode aufneh
mende Rohr derart konisch verlaufend ausgebildet, daß
sich das Rohr von der Einlaßöffnung zur Austrittsöffnung
konisch erweitert. An die erweiterte Austrittsöffnung
schließt sich ein weiteres zylindrisches Rohr an, in
dem ein Filter angeordnet ist. Ein zylindrisch verlaufender
mittlerer Rohrabschnitt ist bei dem Rohr nach dieser
Probenahmevorrichtung nicht vorgesehen.
Ein Elektro-Abscheider ist aus der US-PS 28 57 978 bekannt.
Dieser Elektro-Abscheider ist pistolenartig ausgebildet
und weist ein zylindrisches Rohr auf, in dem eine thermo
elektrische Kathode angeordnet ist. Außerdem ist im Innen
raum des Rohres ein rohrartiger Mantel angeordnet, der
an seiner Innenwandfläche eine Kathode aufweist.
Im Hinblick auf die Überwachung der Luftreinhaltung besteht
ein großer Bedarf an einem einfachen Verfahren zur Messung
der Menge an von einem gasförmigen Medium mitgeführten
Teilchen, zwecks Überwachung der Luftverschmutzung (Emis
sion) oder der Menge an einem Empfänger zugeführter Teil
chenmasse (Immission), d.h. einer Masse, bezogen auf
die Zeit und eine Fläche.
Die Messung der Teilchenemission von Schornsteinen und
Essen erfolgt in der Hauptsache immer noch von Hand.
Bei derartigen Messungen wird einerseits der Gasdurchsatz
und andererseits die Massenkonzentration anhand einer
isokinetischen Probenahme an Filtern bestimmt. Diese
Messungen machen sowohl vor als auch nach der Probenahme
einige Berechnungen erforderlich und können daher nur
von Fachkräften ausgeführt werden. Zur Durchführung der
Messungen sind viele Filter, umfangreiche Durchflußmeßvor
richtungen, welche eine isokinetische Probenahme gewähr
leisten, und ein bestimmtes System zur Gasdurchsatzbestim
mung erforderlich. Zur Ausführung jeder einzelnen Messung
sind mehrere Personen erforderlich, was die Messungen
im Hinblick auf den Geräte- und Arbeitsbedarf sehr kosten
aufwendig macht.
Neben den Emissions-Meßverfahren beruhen die Immissions-
Meßverfahren auf der Messung einer Mittelwertkonzentration
während eines Meßzeitraumes und einer mittleren Windge
schwindigkeit. Wenn zwischen Windgeschwindigkeit und
Konzentration eine Korrelation besteht, ergibt sich ein
systematischer Meßfehler, da verhältnismäßig viele Proben
bei niedrigen Windgeschwindigkeiten genommen werden,
wenn die Immission gering ist, sowie bei entgegengesetzten
Bedingungen. Ein systematischer Meßfehler stellt sich
außerdem dadurch ein, daß die Probenahme im allgemeinen
nicht isokinetisch erfolgt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Probenahme
vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, mit
der eine hohe Meßgenauigkeit erreicht wird, die in der
Anschaffung preiswert ist und mit der Messungen unter
sehr geringem Aufwand durchgeführt werden können, wobei
die Probenahmevorrichtung so einfach konstruiert sein
soll, daß sie auch von ungelernten Personen bedient werden
kann.
Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 gekennzeich
neten Merkmale gelöst.
Dadurch, daß das die Emissionselektrode aufnehmende zylin
drische Rohr der Probenahmevorrichtung an seinem in Strö
mungsrichtung gesehen vorderen Ende eine verengte Auslaß
öffnung aufweist, wird eine gesteigerte Verweilzeit für
die durch die Öffnung eintretenden Teilchen bewirkt,
so daß die Probenahmevorrichtung ein höheres Abscheidever
hältnis und eine gesteigerte Trennkapazität für die Teilchen
aufweist. Zum Ausgleich des Druckabfalls und der aufgrund
gegebener Reibung zwischen dem Gas und den Rohrinnenwänden,
der Emissionselektrode und der Halterung etwas niedrigeren
Gasgeschwindigkeit an dem in Strömungsrichtung gesehen
hinteren Ende des Rohres weist dieses an dieser Stelle
einen sich erweiternden Abschnitt auf, durch den die
Strömungslinien des Gases außerhalb des Rohres zusammenge
drückt werden, so daß ein Zunehmen der äußeren Gasgeschwindig
keit an dem hinteren Rohrende erreicht wird. Dadurch entsteht
in dem sich erweiternden Abschnitt des Rohres ein Druckab
fall, wobei die Verjüngung des sich erweiternden Abschnitts
aus diesem Grunde derart bemessen ist, daß der Unterdruck
den reibungsbedingten Druckabfall aufhebt und eine isokine
tische Probenahme erfolgen kann.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den
Unteransprüchen gekennzeichnet.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend
anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 die Probenahmevorrichtung in einem Längsschnitt,
Fig. 2 einen Querschnitt gemäß Linie II-II in Fig. 1,
Fig. 3 eine weitere Ausführungsform der Probenahmevorrich
tung in einem Längsschnitt,
Fig. 4 einen Querschnitt gemäß der Linie IV-IV in Fig. 3
und
Fig. 5 eine weitere Ausführungsform der Probenahmevorrich
tung in einer schaubildlichen Ansicht.
Die Probenahmevorrichtung gemäß Fig. 1 besteht aus einem
an seinen beiden Enden offenen, zylindrischen Rohr 1
mit einer an einem Ende angeordneten Halterung 2 für
eine Emissionselektrode 3. Die Emissionselektrode 3 ist
in konzentrischer Lage in das Rohr 1 eingesetzt und erstreckt
sich über den größten Teil der Rohrlänge (Fig. 2). Die
Halterung 2 ist aus einem dielektrischen Werkstoff herge
stellt und in der Weise ausgebildet, daß sie die Innenquer
schnittsfläche des Rohres 1 möglichst wenig verringert.
Bei der in Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsform
weist die Halterung 2 einen mittigen Teil auf, von dem
drei Abstandsstücke 4 nach außen vorstehen und in Eingriff
mit der Rohrinnenwandung stehen. Innerhalb eines Abstands
stücks 4 ist eine Schraube 5 angeordnet, vermittels der
die Emissionselektrode 3 in der Halterung 2 feststellbar
ist. Die Schraube 5 dient dabei gleichzeitig zur Stromzu
fuhr zur Elektrode. Um zu gewährleisten, daß die Schraube
5 nicht in Berührung mit dem zylindrischen Rohr 1 gelangt,
ist das Rohr 1 an der Durchführungsstelle mit einem Isolator
6 versehen.
Die Emissionselektrode 4 ist mit einer Hochspannungsquelle,
wie z.B. einem Hochspannungsgenerator 7 verbunden, der
aus einer Gleichspannungsquelle, wie z.B. mehreren Batterien,
einem Oszillator, einem Übertrager und einem Spannungsver
vielfacher besteht, und der dazu dient, die Batterie
gleichspannung von z.B. 6 Volt in eine Gleichspannung
von z.B. 15000 Volt bei einer Stromstärke von 1 µA umzu
wandeln. Die Probenahmevorrichtung ist in der Weise mit
Masse oder Erde für die Hochspannungsquelle 7 verbunden,
daß das zylindrische Rohr 1 als Sammelelektrode wirkt.
Das zylindrische Rohr 1 der Probenahmevorrichtung weist
an seinem in Strömungsrichtung gesehen hinteren Ende
einen sich erweiternden Abschnitt 8 und an seinem in
Strömungsrichtung gesehen vorderen Ende eine verengte
Auslaßöffnung 9 auf, die eine gesteigerte Verweilzeit
für die durch die Öffnung eintretenden Teilchen bewirkt,
so daß die Probenahmevorrichtung dementsprechend ein
höheres Abscheideverhältnis und eine gesteigerte Trennka
pazität für Teilchen aufweist.
Bei Verwendung der Probenahmevorrichtung zu Messungen
im Freien, wie z.B. an der freien Atmosphäre, wird die
Probenahmevorrichtung vorzugsweise mittels eines Kugel
lagers 10 od.dgl. drehbar gelagert und gegebenenfalls
mit einer in der Zeichnung nicht dargestellten Leitfläche
versehen, die die Probenahmevorrichtung stets in die
Windrichtung dreht. Der Hochspannungsgenerator 7 ist
in diesem Falle vermittels eines Bügels 11 fest mit dem
drehbar gelagerten Drehzapfen 12 der Probenahmevorrichtung
verbunden, so daß er sich zusammen mit dieser im Wind
dreht. Das Drehlager der Probenahmevorrichtung ist an
einem Gestell, einem Mast oder einer Halterung 13 befestigt,
wobei sich die Probenahmevorrichtung vorzugsweise an
unterschiedlichen Stellen anbringen läßt (Fig. 1).
Die in den Fig. 3 und 4 dargestellte Ausführungsform
der Probenahmevorrichtung unterscheidet sich von derjenigen
nach den Fig. 1 und 2 dadurch, daß die Halterung 2 für
die Emissionselektrode aus dem sich erweiternden Abschnitt
8 der Vorrichtung selbst besteht. Außerdem ist die verengte
Auslaßöffnung 9 in einer auf das vordere Rohrende aufsteck
baren, sich verjüngenden Düse 14 ausgebildet. Ein Vorteil
dieser Ausführungsform ist, daß die Düse 14 und die Halterung
2 in dem sich erweiternden Abschnitt 8 abnehmbar auf
das Rohr 1 aufgesteckt sind, so daß sich diese Teile
ohne weiteres gegen andere mit größeren oder kleineren
Auslaßöffnungen 9, mit unterschiedlichem Querschnitt
und/oder unterschiedlicher Verjüngung des Abschnittes
8 austauschen lassen.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 5 ist ein Drosseleinsatz
15 mit mehreren Durchlässen 16 feststehend oder herausnehm
bar in die Halterung 2 eingesetzt. Durch Verwendung von
Drosseleinsätzen 15 unterschiedlicher Durchlaßfläche
lassen sich sehr genaue isokinetische Probenahmebedingungen
vorgeben.
Die Innenwand des als Sammelelektrode wirkenden Rohres
1 besteht vorzugsweise aus Aluminium, oder bei Einsatz
der Vorrichtung in korrodierender Atmosphäre aus rostfreiem
Stahl. In manchen Fällen kann es zweckmäßig sein, eine
Metallfolie oder einen sehr dünnen zylindrischen Rohrinnen
wandbelag 17 in das Rohr 1 einzusetzen, wie dies in Fig.
3 mit strichpunktierten Linien angedeutet ist. Eine heraus
nehmbare Folie oder ein zylindrischer Rohrinnenwandbelag
17 erleichtert die Handhabung der Proben. So kann die
Massenbestimmung der Teilchen beispielsweise durch Wiegen
erfolgen.
Die Messung der Teilchenmasse in einem gasförmigen Medium
wird mit der Probenahmevorrichtung wie folgt durchgeführt:
Das an seinen beiden Enden offene, zylindrische Rohr
1 wird in einen Gasstrom parallel zur Strömungsrichtung
eingesetzt und die in der Halterung 2 angeordnete Emissions
elektrode 3 mit einem Hochspannungsgenerator 7 verbunden,
der eine über dem Grenzwert für Koronaentladung
liegende, hochgespannte Gleichspannung liefert. Da das
Rohr 1 an Erde oder Masse liegt, wirkt es als Kollektor
elektrode. Ein zwischen dem Rohr 1 und der Emissionselektrode
3 ausgebildetes elektrisches Kraftfeld bewirkt, daß sich
die vom gasförmigen Medium mitgeführten Teilchen auf
der Rohrinnenwand oder einem Rohrinnenwandbelag niederschla
gen. Die während einer vorbestimmten Zeitspanne niederge
schlagene Teilchenmasse wird dann gewogen und das Ergebnis
gegebenenfalls in Beziehung gesetzt zu dem Gasvolumen,
das während des Meßzeitraumes das Rohr 1 durchsetzt hat.
Wenn die Probenahme beispielsweise innerhalb eines Schorn
steins erfolgt, wird die abgeschiedene Teilchenmasse
mit einer Konstanten multipliziert, welche das Verhältnis
zwischen der Schornsteinquerschnittsfläche und der Düsen
fläche der Probenahmevorrichtung angibt, so daß sich
auf diese Weise die Gesamtemission im Probenahmezeitraum
bestimmen läßt.
Die Probenahmevorrichtung ermöglicht die Messung und Diffusion
von Teilchenemission von Lagerplätzen u.dgl., die Messung
der Emission an Dachaufsätzen, Fenstern od.dgl., in Schorn
steinen und Essen, sowie auch Immissionsmessungen in
bezug auf über Land transportierte Teilchen.
Die zu messenden "Teilchen" können sowohl aus Feststoffen
wie auch aus Flüssigkeitströpfchen bestehen.
Claims (4)
1. Probenahmevorrichtung zur Bestimmung der Menge an von
einem gasförmigen Medium mitgeführten Teilchen, bestehend
aus einem beidendseitig offenen, als Sammelelektrode
ausgebildeten zylindrischen Rohr (1) mit mindestens
einer in seinem Innenraum angeordneten, stabförmigen
Emissionselektrode (3), einer zur Halterung der Emissions
elektrode (3) dienenden, gegen das Rohr (1) dielektrisch
isolierten Halterung (2) und einer mit der Emissionselek
trode (3) verbindbaren Hochspannungsquelle (7),
dadurch gekennzeichnet,
daß das zylindrische Rohr (1) der Probenahmevorrichtung
an seinem in Strömungsrichtung gesehen hinteren Ende
einen sich erweiternden Abschnitt (8) und an seinem
in Strömungsrichtung gesehen vorderen Ende eine verengte
Auslaßöffnung (9) aufweist, wobei die Verjüngung des
sich erweiternden Abschnittes (8) derart bemessen ist,
daß die Strömungsgeschwindigkeit des Gases im Vergleich
zum Außenraum des Rohres (1) zunimmt und dadurch in
dem sich erweiternden Abschnitt (8) des Rohres (1)
ein Druckabfall entsteht.
2. Probenahmevorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß der sich erweiternde Abschnitt (8) einen Teil der
Halterung (2) bildet.
3. Probenahmevorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die verengte Auslaßöffnung (9) in einer abnehmbaren
mit dem Rohr (1) verbundenen, sich verjüngenden Düse
(14) ausgebildet ist.
4. Probenahmevorrichtung nach einem oder mehreren der
Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein in das Rohr (1) gegen die Rohrinnenwand anleg
barer, zylindrischer Rohrinnenwandbelag (17) vorgesehen
ist.
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