DE2716472C2 - - Google Patents

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.