DE2940126A1

DE2940126A1 - Verfahren und vorrichtung zum pruefen eines partikel enthaltenden gases

Info

Publication number: DE2940126A1
Application number: DE19792940126
Authority: DE
Inventors: Norman C Ahlquist; John G Olin
Original assignee: SIERRA INSTRUMENTS Inc
Current assignee: SIERRA INSTRUMENTS Inc
Priority date: 1978-11-30
Filing date: 1979-10-03
Publication date: 1980-06-19
Also published as: GB2037426A; GB2037426B; US4246788A; CA1113277A

Description

Hintergrund der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Partikelkonzentration in einem partikel hai ti gen Probengas. Spezieller betrifft die Erfindung die Aufrechterhaltung der Durchflußrate des Gases auf einem relativ konstanten Wert während der Probenentnahme oder Prüfung, so daß das geprüfte Gasvolumen und damit die Konzentration der Partikel in dem Gas leichter und genauer bestimmt werden kann.

In konventionellen Gasuntersuchungseinrichtungen, wie sie dazu verwendet werden, die Konzentration von Festkörperpartikeln, die in Luft suspendiert sind, zu bestimmen, wird ein Vakuum an das Probengas angelegt, um einen durchfließenden Gasstrom zu erzeugen. Ein Filter mit einer spezifischen Porengröße zum Filtern von Partikeln'größer als eine vorgegebene Größe sammelt Partikel von dem fließenden Gasstrom. Das Filter wird vor und nach der Untersuchungsperiode gewogen, um das Gesamtgewicht an Partikeln größer als eine vorgegebene Größe zu bestimmen, die während der Prüfperiode gesammelt worden sind. Ober eine Zeitspanne, beispielsweise eine Prüfperi ode von 24 Stunden, verringert sich die Durchflußrate durch das Filter, wenn sich Partikel auf dem Filter ansammeln. Die Herabsetzung der Durchflußrate kann sehr beträchtlich sein, beispielsweise bis zu 50 % über eine Zeitspanne von 24 Stunden betragen, wenn die aus dem Gas gesammelten Partikel Substanzen, wie Ruß, sind, die dazu neigen, das Sammelfilter zu verstopfen.

Um die mittlere Anzahl von Partikeln pro Volumeneinheit im Probengas zu bestimmen, ist es notwendig, das gesamte Gasvolumen zu bestimmen, das durch das Sammelfilter hindurchgetreten ist. Wegen der Herabsetzung der Durchflußrate, die durch das Ansammeln von Partikeln auf dem Filter verursacht ist, war es üblich, die mittlere Durchflußrate des Gases aus der gemessenen Anfangs- und End-Durchflußrate zu berechnen. Offensichtlich ist eine solche Berechnung nur dann genau,

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wenn die Herabsetzung der Durchflußrate zeitlich linear verläuft.

Eine neuere Entwicklung im Bereich der Prüfgeräte für partikel hai ti ge Gase ist der virtuelle Impaktor, eine Zweiweg-Gasprüfeinrichtung, die das Gas in zwei Strömungswege aufteilt. Das Gas in den beiden Strömungswegen fließt mit erheblich unterschiedlichen Durchflußraten und führt Partikel unterschiedlicher Größen mit sich. Bei dieser neueren Entwicklung, bei der eine einzige Vakuumquelle ein Vakuum an das Probengas anlegt und der Gasfluß auf zwei Wege aufgeteilt wird, von denen jeder sein eigenes Filter zum Sammeln von Partikeln einer vorgegebenen Größe enthält, wird die Genauigkeit der konventionellen Berechnungsmethode zur Erzielung des Gesamtvolumens des untersuchten Gases und damit der Partikel konzentration der Partikel unterschiedlicher Größe noch unzuverlässiger.

Ersichtlich kann die Berechnung der Partikel konzentration in einem untersuchten Gas leichter und genauer bestimmt werden, wenn die Durchflußrate des von der Vakuumquelle erzeugten Gasstroms während der Untersuchungsperiode konstant gehalten werden kann. Ein Verfahren, die Durchflußrate des Probengasstroms konstant zu halten, besteht darin, die Geschwindigkeit der Vakuumquelle, d.h. die Vakuumpumpe, in Antwort auf die Massendurchflußrate zu variieren, die in der Nähe des Sammelfilters mit einem Durchflußratenwandler abgefühlt wird. Wenn Partikel sich auf dem Filter ansammeln und die Durchflußrate fällt, muß die Pumpengeschwindigkeit ansteigen, um die Durchflußrate zu erhöhen. Dieses Verfahren ist kompliziert und es hat sich gezeigt, daß die Ausfallrate hoch ist, mit einem entsprechenden Anstieg an Arbeitsaufwand und Kosten für die Wartung.

Bei einem anderen Verfahren, das allgemein nur bei Gasuntersuchungseinrichtungen mit hohen Volumina verwendet wird, hält ein Durchflußregulator, der für den dynamischen Druck des Gases mit relativ hoher Geschwindigkeit empfindlich ist, die Durchflußrate konstant. Der Durchflußregulator besteht aus einer beweglichen Kreisscheibe, die im

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ΛΟ

Strom zwischen dem Filter und der Pumpe lokalisiert ist und deren Arbeitsfläche normal zur Richtung des fließenden Gases orientiert ist. Die Scheibe wird mittels einer Feder gehalten, die durch den dynamischen Druck des fließenden Gases, der auf die Arbeitsfläche der Scheibe wirkt, zusammengedrückt wird. Die Scheibe ist damit in Längsrichtung innerhalb der den Strom führenden Leitung beweglich. Der Teil der Leitung, der die Scheibe umgibt, hat eine allgemein konische Form, die in Stromabwärtsrichtung konvergiert, so daß die Fläche der Ringöffnung, die durch den Außenumfang der Scheibe und die Innenwand des konischen Teils der Leitung definiert ist, sich mit der Längsposition der Scheibe in der Leitung ändert. Wenn also Partikel sich auf dem Filter ansammeln und die Durchflußrate fällt, erlaubt der entsprechende Abfall des dynamischen Druckes der zusammengedrückten Feder, die Scheibe vom konvergierenden Teil der Leitung weg zu bewegen, so daß die Ringöffnung und damit die Durchflußrate vergrößert werden.

Dieses alternative Verfahren der Durchflußratensteuerung hängt vom dynamischen Druck des fließenden Gases ab und ist damit auf die Gasuntersuchung mit hohen Volumina, beschränkt. Da ferner der dynamische Druck, der der Kompressionsfeder entgegenwirkt, sich mit dem Quadrat der Geschwindigkeit des Gases ändert, und die Federkraft nur über einen relativ kleinen Kompressionsbereich linear ist, wird die Durchflußrate nur über einen kleinen Bereich von Durchflußraten konstant gehalten, so daß eine Kontrolle auf konstante Durchflußrate während langer Prüfperioden verhindert wird, bei denen gerade eine erhebliche Herabsetzung der Durchflußrate typisch ist.

Die Erfindung ist allgemein auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Untersuchen eines statischen Gaskörpers gerichtet; es sind jedoch auch Verfahren zum Untersuchen eines sich bewegenden Gaskörpers, beispielsweise Abgase in einem Kamin, bekannt, bei dem das Probengas durch die Prüfeinrichtung mit allgemein der gleichen Geschwindigkeit fließt, mit der es im Kamin fließt, so daß die Prüfung isokinetisch durchgeführt werden kann (US-PS 2982 131, 3859 842 und 3 965 747).

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Zusammenfassung der Erfindung

Durch die Erfindung werden ein Verfahren und eine Vorrichtung verfügbar gemacht, mit dem bzw. der die Durchflußrate eines Gasstroms während langdauernder Untersuchungsperioden konstant gehalten werden kann. Die Erfindung erlaubt die genaue Bestimmung der Partikelkonzentration in einem Probengas über den breiten Bereich von Durchflußraten, unter denen das Gas möglicherweise untersucht wird. Die Vakuumpumpe, die den Gasstrom erzeugt, arbeitet mit ihrer optimalen Konstruktionskapazität, verbraucht ein Minimum an Energie, erzeugt minimale Wärme während der ganzen Untersuchungsperiode und arbeitet mit minimalem Geräuschpegel.

Durch die Erfindung wird eine Untersuchungseinrichtung für partikelhaltige Gase verfügbar gemacht, die die Durchflußrate eines Gasstroms über die ganze Untersuchungsperiode relativ konstant hält,und die allgemein eine Vakuumquelle zur Erzeugung eines Gasstroms, ein Filter zum Sammeln von Partikeln aus dem Strom, einen Durchflußratenwähler, der stromabwärts von der Pumpe angeordnet ist, um die gewünschte Durchflußrate auszuwählen, und eine Drossel einrichtung aufweist, die zwischen der Vakuumquelle und dem Filter angeordnet ist, um den Durchfluß in die Vakuumquelle als Antwort auf den statischen Druck zu variieren, der im Strom gefühlt wird. Zusätzlich leitet ein Programmierer, der elektrisch mit der Vakuumquelle und mit einem Flußfühleroder Druckfühler-Wandler gekoppelt ist, der stromabwärts von der Vakuumquelle angeordnet ist, die Probennahme zu einem vorgegebenen Zeitpunkt ein, und beendet das Anlegen des Vakuums am Ende einer vorgegebenen Prüfperiode und ebenso dann, wenn die Durchflußrate unter einen vorgegebenen Wert fällt. Es sind ferner Einrichtungen vorgesehen, mit denen eine konstante Durchflußrate mit einem virtuellen Impaktor aufrechterhalten werden kann, in dem das Probengas in zwei Wege aufgeteilt wird, wobei das Gas in den beiden Wegen mit erheblich unterschiedlichen Durchflußraten fließt und Partikel unterschiedlicher Größen trägt.

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Die Drosseleinrichtung zum Variieren des Durchflusses in die Vakuumquelle aufgrund des statischen Druckes des fließenden Gasstroms ist ein modifizierter Druckregulator und besteht allgemein aus einem mehrkammerigen Gehäuse und einem bewegbaren Plunger, der innerhalb des Gehäuses angeordnet ist. Der fließende Gasstrom tritt durch die erste Kammer und durch eine öffnung in der ersten Kammer hindurch. Der bewegbare Plunger, der auf die Differenz zwischen dem Umgebungsdruck des Probengases und dem statischen Druck im fließenden Gasstrom anspricht, hat einen unteren, konisch geformten Teil, der in der öffnung positioniert ist. Der obere Teil des Plungers ist mit einer allgemein flexiblen Membran verbunden, die die zweite und dritte Kammer trennt und für eine Strömungsmittelabdichtung zwischen ihnen sorgt. Die zweite Kammer des Gehäuses ist für Strömungsmittel mit dem Strom verbunden, vorzugsweise stromabwärts von der Vakuumquelle. Der Druck in der zweiten Kammer ist also der statische Druck des Gases im Strom stromabwärts von der Vakuumquelle, d.h. auf der Kompressorseite der Vakuumpumpe. Die dritte Kammer ist zur Umgebungsatmosphäre offen, typischerweise der Atmosphäre aus dem untersuchten Gas. Sowohl das obere als auch das untere Ende des Plungers sind betrieblich mit entsprechenden Enden des Gehäuses durch Druckfedern verbunden.

Beim Einleiten der Gasuntersuchung schaltet der Programmierer die Vakuumpumpe ein und beginnt, die Prüfperiode zu zeiten. Der Durchflußratenwähler, beispielsweise ein Ventil, das stromabwärts von der Vakuumquelle angeordnet ist, wird variiert, bis die gewünschte Durchflußrate erreicht ist.Die Vakuumpumpe wirkt auf den statischen Probengaskörper, um einen fließenden Gasstrom zu erzeugen, der durch das Sammelfi lter fließt, durch die erste Kammer und die öffnung der Drossel einrichtung, durch die Pumpe und das Ventil und hinaus zur Atmosphäre. Wenn Partikel beginnen, sich auf dem Sammelfilter anzusammeln, fällt die Durchflußrate stromabwärts von der Vakuumquelle ab. Dementsprechend verringert sich der statische Druck im Strom stromabwärts von der Pumpe und damit der Druck in der zweiten Kammer der Drosseleinrichtung. Da der Umgebungsdruck des untersuchten statischen Gas-

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körpers relativ konstant bleibt, zwingt ein Druckunterschied zwischen der zweiten und dritten Kammer die Membran und damit den Plunger nach unten, so daß die Ringöffnung vergrößert wird, die durch den konischen Plungerteil definiert wird, der in der öffnung positioniert ist. Diese Vergrößerung der öffnung verringert die Durchflußbehinderung an der öffnung und kompensiert die verstärkte Durchflußbehinderung am Sammeifilter. Dementsprechend wird die Durchflußrate relativ konstant gehalten.

Im Falle einer Stoßwelle der Netzspannung für die Vakuumpumpe, die dazu neigen würde, die Pumpgeschwindigkeit und damit die Durchflußrate des Stromes zu erhöhen, steigt der statische Druck, der im Strom stromabwärts von der Vakuumquelle gefühlt wird. In einem solche Falle bewegt der Druckunterschied zwischen der zweiten und dritten Kammer der Drosseleinrichtung die Membran und den Plunger nach oben, so daß die Ringöffnung verkleinert wird. Das Resultat ist eine Verringerung der Durchflußrate trotz der erhöhten Pumpgeschwindigkeit, so daß die Durchflußrate des Stromes relativ konstant gehalten wird.

Wenn aus irgendeinem Grunde die Durchflußrate des Stroms unter einen vorgegebenen, niedrigen Wert fällt, signalisiert ein Durchflußfühl oder Druckfühl-Wandler, der in der Nähe der Vakuumquelle angeordnet ist, dem Programmierer, daß dieser das Anlegen des Vakuums beendet, und die Gasuntersuchungseinrichtung wird automatisch abgeschaltet.

Nach einer vorgegebenen Zeitperiode, die vom Programmierer gemessen wird, beendet dieser das Anlegen des Vakuums und der Prüfprozess ist beendet. Die Sammelfilter, die vor Beginn der Untersuchung gewogen waren, werden wieder gewogen, um das Gewicht an Partikeln spezifischer Größe zu bestimmen, die durch die jeweiligen Filter gesammelt worden sind.

Die Gasuntersuchungsvorrichtung weist Einrichtungen auf, mit denen ihre Verwendung an eine Zweiweg-Untersuchungseinrichtung adaptiert werden

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kann, beispielsweise einen virtuellen Impaktor, der das Probengas in zwei Wege mit unterschiedlichen Durchflußraten aufteilt. Allgemein gesagt, wird eine Durchflußbehinderung mit einer öffnung fester Fläche in den Weg gebracht, der die reduzierte Durchflußrate hat. Dieser Durchflußbehinderer drosselt effektiv den Gasfluß im Weg mit reduzierter Durchflußrate, so daß die Durchflußrate in diesem Weg relativ konstant gehalten wird, unabhängig von der steigenden Durchflußbehinderung, die durch Partikel verursacht wird, die sich auf dem Filter in diesem Weg ansammeln. Das in den beiden Wegen fließende Gas wird stromabwärts von den Sammelfiltern und stromaufwärts von der Vakuumquelle rekombiniert.

Da die Durchflußrate des Gasstroms während der Untersuchungsperiode relativ konstant gehalten wird, und da die Untersuchungsperiode vom Programmierer genau gezeltet wird, wird das Gesamtvolumen an Gas, das vom statischen Körper aus Probengas untersucht wird, genau bestimmt. Die schließliche Berechnung der Konzentration an Partikeln spezifischer Größe im Probengas wird also leichter und genauer bestimmt.

Die neuartigen Merkmale der Erfindung sowie Aufgaben und Vorteile derselben ergeben sich auch aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichenung, in der bevorzugte Ausflihrungsformen dargestellt sind. Es ist jedoch ausdrücklich darauf hinzuweisen, daß die Zeichnungen nur zur Erläuterung und Beschreibung dienen und die Erfindung nicht beschränken sollen; es zeigen:

Fig. 1 ein Blockdiagramm einer Gasuntersuchungsvorrichtung;

Fig. 2 einen Schnitt durch die Kontrolleinrichtung für konstanten Fluß der Gasuntersuchungsvorrichtung; und

Fig. 3 ein Blockdiagramm einer zur Verwendung mit einem Zweiweg-Probenentnehmer adaptierten Gasuntersuchungsvorrichtung nach der Erfindung.

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Die in Fig. 1 dargestellte Gasuntersuchungsvorrichtung erlaubt die genaue Bestimmung der Partikel konzentration im Probengas durch Erzeugung eines fließenden Gasstroms mit relativ konstanter Durchflußrate und für eine vorgegebene Zeitperiode. Allgemein gesprochen, besteht die Gasprüfeinrichtung nacheinander aus einem Einlaß 10 für das Gas, das von dem statischen Probengaskörper passiert, einer Partikel sammeleinrichtung, beispielsweise einem Filter 12, mit der Partikel gesammelt werden, die in dem Gas suspendiert sind, einer Kontrolleinrichtung 14 für konstanten Durchfluß, einer Vakuumquelle, beispielsweise einer Vakuumpumpe 16, einem Durchflußratenwähler, beispielsweise einem Ventil 18, Einrichtungen zur Messung der Durchflußrate, beispielsweise einem Durchflußmesser 20, und Verbindungsleitungen 23, 25, 27, 29. Mit der Gasuntersuchungsvorrichtung ist auch ein Programmierer 22 vorgesehen, der elektrisch mit der Pumpe 16 und einem Druck fühlenden Wandler 24 gekoppelt ist, um das Anlegen von Vakuum an das Probengas zu kontrollieren. Der Programmierer 22 weist Einrichtungen, beispielsweise eine geeignete Zeitschaltung, auf, um automatisch das Vakuumanlegen an das Probengas einzuleiten und zu beenden, so daß eine Untersuchung bei vorgewählten Intervallen durchgeführt werden kann und für eine vorbestimmte Periode.

Die Kontrolleinrichtung 14 für konstanten Fluß, die genauer in Fig. 2 dargestellt ist, drosselt den Durchfluß des Gasstroms stromaufwärts von der Pumpe 16, so daß das Gas mit einer relativ konstanten Durchflußrate während der Untersuchungsperiode fließt. Die Kontrolleinrichtung 14 für konstanten Durchfluß besteht allgemein aus einem mehrkammerigen Gehäuse 26 und einem darin angeordneten bewegbaren Plunger Das Gehäuse 26 ist betrieblich mit der Gasuntersuchungseinrichtung verbunden, so daß der Strom des fließenden Gases durch die untere Kammer im Gehäuse 26 auf seinem Weg vom Einlaß 10 zur Pumpe 16 passiert. Innerhalb der Kammer 28 ist eine öffnung 30 lokalisiert, durch die der fließende Gasstrom während seines Durchtritts durch die Kammer 28 passieren muß. Die untere Kammer 28 ist gegen die Mittelkammer 32 mit einer steifen Platte 34 abgedichtet, die eine Öffnung 29 enthält. Die Mittel kammer 32 ist ihrerseits mit einer allgemein flexiblen Membran

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von oberen Kammer 36 getrennt und strömungsmittel dicht gegen diese abgeschlossen.

An der Membran 38 ist ein bewegbarer Plunger 40 befestigt, der durch die öffnung 29 in der Platte 34 vorsteht. Der Plunger 40 weist einen unteren Teil 42 auf, der allgemein konisch geformt ist und der in der Mitte der öffnung 30 in Kammer 28 positioniert ist. Sowohl der untere Teil 42 als auch der obereTeil 46 des Plungers 40 sind betrieblich mit den jeweiligen Enden des Gehäuses 26 über Federn 50 und 52 verbunden. Die Federn 50 und 52 und die flexible Membran 38 erlauben die Längsbewegung des Plungers 40 innerhalb des Gehäuses 26. Die Längsbewegung des Plungers 40 variiert die Position des konisch geformten Unterteils 42 innerhalb der öffnung 30 in Kammer 28, so daß die Fläche der allgemein ringförmigen öffnung, die in der öffnung 30 durch den konisch geformten Teil 42 des Plungers 40 definiert wird, variiert wird.

Die Mittelkammer 32 des Gehäuses 26 steht 1n Strömungsmittelverbindung mit dem Gasstrom, vorzugsweise an einem Punkt 33 stromabwärts von der Vakuumpumpe 16 , und zwar mittels einer öffnung 31 in Kammer 32 und Schlauch 35. Der Druck in der Mittelkammer 32 ist damit allgemein der statische Druck des Gases im Strom am Punkt der Strömungsmittel verbindung mit dem Strom, wie als Punkt 33 auf Leitung 27 veranschaulicht.

Die obere Kammer 36 des Gehäuses 26 des Kontrollers 14 für konstanten Durchfluß ist mittels einer öffnung 37 zur Umgebungsatmosphäre offen. Damit ist der Druck in Kammer 36 der Druck des statischen Probengaskörpers, wenn die Gasuntersuchungseinrichtung vom Probengas umgeben ist.

Ein Schraubelement 54 ist mit der Feder 52 verbunden und damit mit dem Oberteil 46 des Kolbens 40, um die Gleichgewichtsposition des Plungers im Gehäuse 26 einzustellen.

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Die Erfindung kann besser dadurch verstanden werden, daß die Funktion der Komponententeile während des Betriebes betrachtet wird. Vor Beginn der Gasuntersuchung wird das Schraubenelement 54 so eingestellt, daß der untere Teil 42 des Plungers 40 innerhalb der Öffnung 30 in einer solchen Weise positioniert ist, daß die auf diese Weise definierte Ringöffnung eine Behinderung für den Durchfluß ergibt, die größer ist als die Durchflußbehinderung, die durch das anfänglich partikelfreie Filter 12 gebildet wird.

Das Einleiten der Untersuchung wird vom Programmierer 22 begonnen, der die Punkte 16 einschaltet und die Untersuchungsperiode beginnt zuzeiten. Die Pumpe 16 legt ein Vakuum an den statischen Probengaskörper und erzeugt einen fließenden Gasstrom, der in den Einlaß 10, durch das anfänglich partikelfreie Filter 12, durch Leitung 23, Kammer 28 der Konstantflußkontrolle 14, Leitung 25 und in Pumpe 16 fließt. Der Gasstrom tritt schließlich aus der Pumpe 16, der Leitung 27, dem Ventil und dem Durchflußmesser 20 aus, und danach wird er an die Umgebungsatmosphäre abgegeben. Das Ventil 18, bei dem es sich um eine variable Durchflußbehinderung im Strom handelt, wird so variiert, daß die gewünschte Durchflußrate des Strom des Probengases ausgewählt wird. Die Auswahl der Durchflußrate wird durch den Durchflußmesser 20 erleichtert, der die Durchflußrate anzeigt, wenn das Ventil eingestellt wird. Wenn einmal das Ventil 18 eingestellt ist, so daß die gewünschte Durchflußrate erreicht ist, hat die Untersuchungsperiode begonnen.

Wenn der Strom aus oartikelhaltigern Gas, der durch die Pumpe 16 erzeugt wird, durch Filter 12 hindurchtritt, werden Partikel auf dem Filter 12 gesammelt Während die Partikel sich laufend auf dem Filter 12 ansammeln, steigt die Behinderung für den Durchfluß am Filter 12 allmählich an, und die Durchflußrate des Stroms fällt allmählich. Die allmähliche Herabsetzung der Durchflußrate auf diese Weise sorgt, wenn ander? Einflußgrößen fehlen, für eine entsprechende Herabsetzung des statischen Druckes des Gases stromabwärts von der Vakuumquelle, und damit fällt der Druck in der Mittel kammer 32 mit steigender Durch-

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flußbehinderung am Filter 12. Während der Druck in Kammer 32 entsprechend der steigenden Durchflußbehinderung am Filter 12 steigt, bleiben der Umgebungsdruck und damit der Druck in der Kammer 36 der Konstantflußkontrolle 14 relativ konstant. Der Druckunterschied über der Membran 38 zwischen den Kammern 36 und 32 der Konstantflußkontrolle 14 ändert sich also. Dieser sich ändernde Druckunterschied verringert die auf die Membran 38 vom Druck in Kammer 32 ausgeübte Kraft. Der Plunger 40 wird von seiner anfänglichen Gleichgewichtsposition durch die Kraft der Feder 52 weg bewegt und wird damit nach unten bewegt. Die Abwärtsbewegung des Plungers 40 und speziell des konisch geformten Unterteils 42 des Plungers 40 vergrößert die Ringöffnung, die in der öffnung 30 durch den konisch geformten Unterteil 42 des Plungers 40 definiert wird, so daß die Durchflußbehinderung an der öffnung 30 entlastet oder verringert wird. Der kontinuierliche Anstieg der Durchflußbehinderung durch sich auf den Filter 12 ansammelnde Partikel wird damit automatisch und sofort durch eine Verringerung der Durchflußbehinderung an der öffnung 30 kompensiert, so daß die Durchflußrate durch das ganze System relativ konstant gehalten wird. Trotz fortlaufender Ansammlung von Partikeln auf dem Filter 12 während der Untersuchung und der entsprechenden Herabsetzung der Durchflußrate am Filter 12 arbeitet die Pumpe 16 mit konstanter Geschwindigkeit und ihrer optimalen Konstruktionskapazität, und zwar über die gesamte Untersuchungsperiode.

Nachdem die Gasuntersuchungseinrichtung für die vorgegebene Zeitspanne betrieben worden ist, beendet ein Zeitgeber im Programmierer 22 das Anlegen des Vakuums an das Probengas durch Abschalten der Pumpe 16. Das gesamte Gasvolumen, das während dieser Untersuchungsperiode geprüft worden ist, wird damit leicht und genau aus der bekannten volumetrischen Durchflußrate bestimmt, die konstant gehalten worden ist,und derüauer der Untersuchungsperiode. Die genaue Bestimmung des Gesamtvolumens des untersuchten Gases erleichtert die Bestimmung der Partikelmasse pro Volumeneinheit des Probengases.

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Das Filter, das vor der Untersuchung gewogen worden ist, wird wieder gewogen, um das Gesamtgewicht der gesammelten Partikel zu bestimmen.

Wenn aus irgendeinem Grunde, beispielsweise abnormal schnelles Verstopfen des Filters 12, der Durchfluß unter den Grenzwert der Kontrollierbarkeit fällt, signalisiert der Wandler 24, bei dem es sich vorzugsweise um einen Druckwandler oder statt dessen auch um einen Durchflußwandler handeln kann, dem Programmierer 22, die Vakuumpumpe 16 abzuschalten. Irgendwelche konventionelle Schaltung, beispielsweise ein Relais oder ein entsprechender Festkörperersatz im Programmierer 22 kann diese gewünschte Funktion durchführen.

Gemäß Figur 3 sind Einrichtungen vorgesehen, um die Gasuntersuchungseinrichtung so zu adaptieren, daß eine Kontrolle auf konstanten Durchfluß in einen Zweiweg-Probennehmer aufrechterhalten wird, beispielsweise einem virtuellen Impaktor 60, der das Probengas in zwei Wege schickt.

Der virtuelle Impaktor 60 besteht aus einem Einlaß 61 für den Durchtritt des Probengases und für die im Probengas suspendierten Partikel verschiedener Größen, zwei Auslassen 63, 65, die mit den Leitungen 23 bzw. 62 verbunden sind, und zwei Filtern 68, 66, die in der Nähe der jeweiligen Auslässe 63, 65 angeordnet sind. Die Leitung 23,die mit dem Auslaß 63 verbunden ist, bildet einen Teil der oben beschriebenen Gasuntersuchungseinrichtung. Die Leitung 62 steht in Strömungsmittelverbindung mit der Leitung 25 der oben beschnebenen Gasuntersuchungseinrichtung zwischen der Konstantflußkontrolle 14 und der Pumpe 16. Zwischen dem Auslaß 65 und der Leitung 25 und in Strömungsmittelverbindung mit der Leitung 62 ist ein Durchflußmesser 72 und ein Durchflußbehinderer 70 vorgesehen. Die Leitungen 23 und 62 schränken das Gas darauf ein, in zwei Wege zu fließen.

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•2ο

Das in den beiden Wegen fließende Gas fließt mit erheblich unterschiedlichen Durchflußraten und trägt Partikel unterschiedlicher Größen. Bei der Ausführungsform nach Fig. 3 passieren die "groben" Partikel, d.h. diejenigen, die größer als der Partikelgrößen-Trennpunkt des virtuellen Impaktors 60 sind, durch den Auslaß 65 und werden von Gas getragen, das in dem Weg fließt, der durch die Leitung 62 umschlossen wird, und zwar mit einer Durchflußrate, die kleiner ist als die Durchflußrate des Gases in Leitung 23. Die groben Partikel passieren vom Einlaß 61 zum Auslaß 65 wegen ihres größeren mechanischen Momentes. Die "feinen" Partikel, d.h. diejenigen, die kleiner sind als der Partikelgrößen-Trennpunkt des virtuellen Impaktors 60, haben ein geringeres Moment und werden vom Einlaß 61 in den Auslaß 63 durch Gas gerichtet, das mit einer Durchflußrate fließt, die größer ist, beispielsweise um den Faktor 10, als die Durchflußrate des Gases in Leitung 62. Die feinen Partikel werden auf Filter 68 gesammelt. Allgemein gesagt, treten in einem solchen virtuellen Impaktor alle groben Partikel vom Einlaß 61 durch den Auslaß 65 und werden auf Filter 66 gesammelt. Einige der feinen Partikel, deren exakte Menge proportional den Durchflußraten in den jeweiligen Wegen ist, passieren jedoch ebenfalls vom Einlaß 61 durch Auslaß 65 und werden auf dem Filter 66 gesammelt.

Das Gas, das vom virtuellen Impaktor 60 auf die beiden Wege aufgeteilt worden ist, wird stromabwärts von den Filtern 66, 68 und stromaufwärts von der Pumpe 16 wieder kombiniert. Der Flußbehinderer 70, der im durch die Leitung 62 gebildeten Weg lokalisiert ist, ist ein einstellbares Ventil, das die Vorwahl der gewünschten Durchflußrate erlaubt. Die vorgewählte Durchflußrate wird mit Durchflußmeter 72 überwacht. Der Fluß durch die Durchflußbehinderung 70 ist wegen der relativ kleinen Fläche der vom Flußbehinderer 70 gebildeten öffnung und deshab, weil der Druck in Leitung 25 stromaufwärts von der Vakuumpumpe 16 erheblich kleiner als Atmosphärendruck ist, gedrosselt. Da die Druchflußrate durch Filter 66 relativ klein ist, beispielsweise 1/10 von

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der durch Filter 68, ist ein Verstopfen des Filters 66 kein Problem, der Fluß durch Leitung 62 bleibt relativ konstant und der Fluß durch Flußbehinderer 70 bleibt gedrosselt.

Im Betrieb der Gasuntersuchungseinrichtung mit virtuellem Impaktor 60 sammeln sich feine Partikel auf dem Filter 68 an und die Durchflußrate in Leitung 23 fällt allmählich. Der Konstantflußkontroller 14 kompensiert diesen allmählichen Anstieg der Durchflußbehinderung durch Verringerung der Durchflußbehinderung an öffnung 30 in der oben beschriebenen Weise. Trotz der Durchflußratenkompensation durch den Konstantflußkontroller 14 bleibt die Durchflußrate im Auslaß 65 und Leitung 62, d.h. der Weg mit reduzierter Durchflußrate, konstant. Während der ganzen Untersuchungsperiode wird also die Gesamtflußrate relativ konstant gehalten, trotz des wachsenden Durchflußwiderstaiides, der durch die sich auf den Filtern 68, 66 ansammelnden Partikel gebildet wird. Da die Durchflußrate in dem Weg, in dem Gas, das die groben Partikel trägt, fließt, d.h. Leitung 65, auch relativ konstant gehalten wird wegen der Drosselbedingung durch den Durchflußbehinderer 70, muß die Durchflußrate in dem Weg, in dem Gas, das feine Partikel trägt, fließt, d.h. Auslaß 63, ebenfalls konstant gehalten werden.

Am Ende der Untersuchungsperiode, die in der gleichen Weise wie oben für den Gasuntersucher gemäß Fig. 1 erfolgt, werden die beiden Filter 68, 66, die vor der Untersuchung gewogen wurden, wieder gewogen, um das Gesamtgewicht an Partikeln zu bestimmen, die auf jedem von ihnen gesammelt wurden. Eine Korrektur des Gewichtes des Filters 66 wird für den Anteil an feinen Partikeln vorgenommen, die auf dem Filter gesammelt worden sind. Diese Korrektur kann genau erfolgen, weil das Gewicht der feinen Partikel, die auf dem Filter 66 gesammelt worden sind, direkt mit den Durchflußraten in den jeweiligen Wegen in Beziehung steht. Damit erleichtert die Aufrechterhaltung einer konstanten Gesamtdurchflußrate sowie einer konstanten Durchflußrate in jedem der Wege die endgültige Bestimmung der Konzentration von Partikeln einer spezifizierten Größe,

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wenn ein Zweiweg-Untersuchungsgerät verwendet wird.

Ersichtlich wird also durch die Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zur schnellen und genauen Bestimmung der Partikelkonzentration in einem Partikel mit sich führenden Probengas verfügbar gemacht. Die Bestimmung der Partikelkonzentration wird durch Aufrechterhaltung einer konstanten Durchflußrate während der Untersuchungsperiode erleichtert. Da die konstante Durchflußrate dadurch aufrechterhalten wird, daß der statische Druck des fließenden Gasstroms gefühlt wird, während sich die Partikel allmählich auf dem Sammelfilter ansammeln und damit die Durchflußrate verringern, ist die Gasuntersuchungseinrichtung in der Lage, konstante Durchflußrate sowohl bei der Gasuntersuchung mit hohen als auch mit niedrigen Volumina aufrechtzuerhalten. Zusätzlich erlaubt das Abfühlen des statischen Druckes stromabwärts von der Vakuumpumpe derart, daß die Durchflußrate stromaufwärts von der Vakuumpumpe gedrosselt wird, der Pumpe, bei konstanter Geschwindigkeit und ihrer optimalen Konstruktionskapazität zu arbeiten, so daß der Energieverbrauch minimiert wird, die Hinzufügung von Wärmeenergie zum Strom eliminiert wird, und der Geräuschpegel minimiert wird.

Wenn die Erfindung mit einem Zweiweg-Probennehmer verwendet wird, erlaubt sie die genaue Bestimmung der Konzentration von Partikeln unterschiedlicher Größe, die in einem Probengas suspendiert sind, indem die Durchflußrate in den beiden Wegen des Zweiweg-Probennehmers konstant gehalten wird, trotz der Tatsache, daß sich Partikel auf den Filtern in beiden Wegen ansammeln.

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Claims

S5 Pl D Patentansprüche

1.!Verfahren zum Untersuchen eines Partikel mit sich führenden Gases zur Bestimmung der Partikel konzentration, bei dem das Gas mit einer Einrichtung mit einer Vakuumquelle untersucht wird, bei dem pin Vakuum an das zu untersuchende Gas derart gelegt wird, daß ein fließender Gasstrom erzeugt wird, Partikel aus dem Strom gesammelt werden, der statische Druck in dem Strom abgefühlt wird und der Fluß des Stroms stromaufwärts von der Vakuumquelle in Antwort auf den gefühlten Druck gedrosselt wird, so daß die Durchflußrate des Stromes relativ konstant gehalten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Durchflußrate des Stromes vorgewählt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem vor dem Sammeln der Partikel aus dem Strom die Partikel in Gruppen nach Größen sortiert werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei dem der statische Druck stromabwärts von der Vakuumquelle abgefühlt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem das Anlegen des Vakuums beendet wird, wenn die Durchflußrate des Stromes einen vorgegebenen Wert erreicht.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Dauer des Anlegens des Vakuums gezeitet wird und das Anlegen des Vakuums beendet wird, wenn die gezeitete Dauer einen vorgegebenen Wert erreicht.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem zum Sammeln der Strom gefiltert wird.

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8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem der gefühlte Druck mit dem Umgebungsdruck des zu untersuchenden Gases verglichen wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem der Strom dadurch gedrosselt wird, daß der Durchfluß in Antwort auf eine Verringerung des gefühlten Druckes erhöht wird und der Durchfluß aufgrund eines Anstiegs des gefühlten Druckes verringert wird.

10. Verfahren zur Bestimmung der Partikelkonzentration in einem Gas, bei dem ein fließender Gasstrom mit einer Vakuumquelle erzeugt wird und Partikel aus dem Strom gesammelt werden, bei dem die volumetrische Durchflußrate des Stromes relativ konstant gehalten wird, so daß die Bestimmung der Partikel konzentration erleichtert wird, indem der statische Druck des Gasstroms stromabwärts von der Vakuumquelle abgefühlt wird und der Druck des Stroms stromaufwärts von der Vakuumquelle als Antwort auf den stromabwärts gefühlten Druck reguliert wird, so daß der statische Druck stromabwärts von der Vakuumquelle und damit die volumetrische Durchflußrate des Stromes relativ konstant gehalten wird, so daß die Bestimmung der Partikelkonzentration im Gas erleichtert wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem der gefühlte Druck mit dem Umgebungsdruck des Gases verglichen wird.

12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, bei dem zum Regulieren des stromaufwä'rtigen Druckes der Durchfluß stromaufwärts variiert wird.

13. Verfahren nach Anspruch 10, 11 oder 12, bei dem zum Regulieren des stromaufwärtigen Druckes der Druck im Strom stromaufwärts von der Vakuumquelle als Antwort auf eine Verringerung des gefühlten Druckes stromabwärts erhöht wird und der Druck im Strom stromaufwärts von der Vakuumquelle als Antwort auf einen Anstieg in dem gefühlten Druck stromabwärts verringert wird.

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14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, bei dem die volumetrische Flußrate des Stroms vorgewählt wird.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, bei dem die volumetrische Durchflußrate des Stroms gemessen wird und das Anlegen des Vakuums an das Gas beendet wird, wenn die gemessene volumetrische Durchflußrate einen vorgegebenen Wert erreicht.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 15, bei dem die Dauer des Anlegens des Vakuums gezeitet wird und das Anlegen des Vakuums beendet wird, wenn die gezeitete Dauer einen vorgegebenen Wert erreicht.

17. Verfahren zur Bestimmung der Konzentration von Partikeln in einem Probengas, bei dem ein Vakuum an das Probengas so angelegt wird, daß ein fließender Gasstrom erzeugt wird, und bei dem Partikel auf einem Filter gesammelt werden, der im fließenden Gasstrom lokalisiert ist, wobei die volumetrische Durchflußrate des Stroms relativ konstant gehalten wird, während sich die Partikel auf einem anfänglich partikelfreien Filter im Strom ansammeln und dazu neigen, die volumetrische Durchflußrate des Stromes zu reduzieren, indem die volumetrische Durchflußrate des Stroms vorgewählt wird, der Fluß des Stroms an einem Punkt zwischen dem Filter und der Vakuumquelle behindert wird, so daß die Flußbehinderung an diesem Behinderungspunkt größer ist als die Flußbehinderung, die durch einen anfänglich partikelfreien Filter gebildet wird, der statische Druck des Stroms stromabwärts von der Vakuumquelle kontinuierlich abgefühlt wird, und die Behinderung des Flusses an dem Behinderungspunkt als Antwort auf eine Verringerung in dem abgefühlten Druck stromabwärts nachgelassen wird, so daß die Flußbehinderung an dem Behinderungspunkt als Antwort auf das Fallen des gefühlten Druckes stromabwärts kleiner wird, so daß die volumetrische Durchflußrate des Stroms allgemein auf der vorgewählten Rate gehalten wird, wenn Partikel auf dem anfänglich partikelfreien Filter im Strom angesammelt werden und die Durchflußbehinderung am Filter allmählich ansteigt.

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18. Vorrichtung zur Bestimmung der Partikel konzentrat!on in einem Partikel mit sich führenden Probengas, bestehend aus einer Einrichtung zum Anlegen eines Vakuums an das Probengas zur Erzeugung eines fließenden Gasstroms, einer Einlaßeinrichtung in Strömungsmittel verbindung mit dem Probengas und der Einrichtung zum Anlegen des Vakuums, Einrichtungen zum Sammeln von Partikeln aus dem fließenden Strom, die in Strömungsmittel verbindung mit dem Einlaß und der Einrichtung zum Anlegen des Vakuums stehen und zwischen diesen lokalisiert sind, Einrichtungen, die auf den statischen Druck im Strom zum Regulieren des Druckes zwischen der Partikel sammeleinrichtung und der Einrichtung zum Vakuumanlegen ansprechen, wobei die Druckreguliereinrichtung zwischen der Partikel sammeleinrichtung und der Einrichtung zum Anlegen des Vakuums lokalisiert ist, und Leitungen, die den Einlaß, die Partikelsammeleinrichtung, die Druckreguliereinrichtung und die Einrichtung zum Anlegen des Vakuums zum Leiten des Stroms verbinden.

19. Vorrichtung nach Anspruch 18, bei der die Druckreguliereinrichtung eine Einrichtung zum Abflihlen des Umgebungsdruckes des Probengases aufweist.

20. Vorrichtung nach Anspruch 18 oder 19, bei der die Druckreguliereinrichtung aus einem Gehäuse besteht, das einen Teil aufweist, durch den der Strom hindurchtritt und der eine Öffnung enthält, und Einrichtungen, die in dieser Öffnung bewegbar sind und auf die Differenz zwischen dem statischen Druck im Strom und dem Umgebungsdruck des Probengases ansprechen, um die Öffnungsgröße zu variieren.

21. Vorrichtung nach Anspruch 18, 19 oder 20 mit einer Einrichtung zur Auswahl der volumetrisehen Durchflußrate des Stroms, die in Strömungsmittelverbindung mit der Einrichtung zum Anlegen des Vakuums steht und stromabwärts von dieser lokalisiert ist.

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22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 21 mit einer Einrichtung zur Messung der volumetrischen Durchflußrate des Stroms.

23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 22 mit einer zweiten Partikelsammeleinrichtung in Strömungsmittel verbindung mit dem Einlaß und der Einrichtung zum Anlegen des Vakuums, einer zweiten Leitungseinrichtung, die den Einlaß, die zweite Partikelsammeleinrichtung und die Einrichtung zum Anlegen des Vakuums verbindet, einer Durchflußbehinderung ,die in der zweiten Leitungseinrichtung zwischen der zweiten Partikelsammeleinrichtung und der Einrichtung zum Anlegen des Vakuums lokalisiert ist, um die Durchflußrate des Gases durch die zweite Partikelsammeleinrichtung relativ konstant und kleiner zu halten als die volumetrische Durchflußrate des Gases durch die erste Partikelsammeleinrichtung,

24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 23 mit einer mit der Einrichtung zum Anlegen des Vakuums gekoppelten Einrichtung, die auf Druck anspricht, um das Anlegen des Vakuums an das Probengas und damit den Fluß des Stroms zu beenden, wenn der Druck einen vorbestimmten Pegel erreicht.

25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 24 mit einer Einrichtung, die mit der Einrichtung zum Anlegen des Vakuums gekoppelt ist und auf die Durchflußrate des Stroms anspricht, um den Fluß des Stroms zu beenden.

26. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 25 mit einer Zeitgabeeinrichtung, die elektrisch mit der Einrichtung zum Anlegen des Vakuums gekoppelt ist, um das-Anlegen des Vakuums an das Probengas am Ende einer vorgegebenen Zeitperiode zu beenden.

27. Untersuchungseinrichtung für ein Partikel mit sich führendes Gas, mit einer Vakuumpumpe zur Erzeugung eines fließenden Gasstroms,

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einem Einlaß für das Probengas, einem Filter, das zwischen dem Gaseinlaß und der Vakuumpumpe lokalisiert ist, um Partikel aus dem Gasstrom zu sammeln, und Leitungen, die den Gaseinlaß, das Filter und die Vakuumpumpe verbinden, sowie einer Einrichtung, mit der die Durchflußrate des Stroms relativ konstant gehalten wird, während sich auf dem Filter ansammelnde Partikel dazu neigen, die Durchflußrate des Stroms herabzusetzen, wobei diese Vorrichtung Einrichtungen aufweist, die in Strömungsmittel verbindung mit dem Strom stehen und zwischen dem Filter und der Vakuumquelle lokalisiert sind, um den Druck des Stromes zu regulieren, und Einrichtungen, die betrieblich mit den Druckreguliereinrichtungen verbunden sind, um den statischen Druck des Stroms abzufühlen.

28. Vorrichtung nach Anspruch 27, bei der die Druckreguliereinrichtung eine öffnung für den Durchtritt des Stromes aufweist, und Einrichtungen, die auf den gefühlten Druck ansprechen, um die Größe der öffnung zu variieren.

29. Vorrichtung nach Anspruch 28 mit einer Einrichtung zum Abfühlen des Umgebungsdruckes des Probengases, bei der die Einrichtung zur Variierung der öffnung auf die Differenz zwischen dem gefühlten Umgebungsdruck und dem gefühlten statischen Druck des Stroms anspricht.

30. Vorrichtung nach Anspruch 27, 28 oder 29, bei der die Einrichtung zum Abfühlen des statischen Druckes den statischen Druck des Stroms stromabwärts von der Vakuumquelle abfühlt.

31. Vorrichtung zur Zweiweg-Untersuchung mit einer allgemein konstanten volumetrisehen Durchflußrate eines Partikel mit sich führenden Gases, bestehend aus einer Vakuumpumpe zur Erzeugung eines fließenden Gasstroms, einem Durchflußraten-Wählventil in Strömungsmittelverbindung mit der Pumpe zur Auswahl der volumetrisehen Durchflußrate des Stroms, einem virtuellen Impaktor in Strömungsmittel verbindung mit dem Probengas und der Pumpe zur Aufteilung des Probengases in zwei Wege, einem

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ersten Filter, das in dem ersten Weg lokalisiert ist und in Strömungsmittel verbindung mit dem virtuellen Impaktor und der Pumpe steht, um Partikel aus dem im ersten Weg fließenden Gas zu sammeln, einem zweiten Filter, das in dem zweiten Weg lokalisiert ist und in Strömungsmittel verbindung mit dem virtuellen Impaktor und der Pumpe steht, um Partikel aus dem im zweiten Weg fließenden Gas zu sammeln, einer Durchflußbehinderung, die in dem zweiten Weg lokalisiert ist und in Strömungsmittel verbindung mit dem zweiten Filter und der Pumpe steht, um die Durchflußrate des Gases in dem zweiten Weg relativ konstant und kleiner zu halten als die Durchflußrate des Gases im ersten Weg, Einrichtungen stromaufwärts von der Pumpe zum Kombinieren des in den beiden Wegen fließenden Gases in dem Strom, und einem Druckregulator in Strömungsmittelverbindung mit dem ersten Filter und der Pumpe, der zwischen diesen beiden Teilen lokalisiert ist und der weiter Einrichtungen aufweist, mit denen der statische Druck des Gases im Strom abgefühlt wird,einer Kammer, durch die das Gas vom ersten Filter zu der Pumpe fließt und in der eine öffnung enthalten ist, und Einrichtungen, die auf die Druckdifferenz zwischen dem Umgebungsdruck des Probengases und dem abgefühlten statischen Druck ansprechen, um die Öffnungsgröße zu variieren und damit die Durchflußrate des Stroms, so daß, wenn Partikel, die auf dem ersten Filter sich ansammeln, dazu neigen, die Durchflußrate des im ersten Weg fließenden Gases herabzusetzen und damit den gefühlten statischen Druck, die Öffnungsgröße vergrößert wird, so daß die volumetrische Durchflußrate des Stroms allgemein auf der durch den Durchflußratenwähler gewählten Rate gehalten wird.

32. Vorrichtung nach Anspruch 31 mit einer mit der Pumpe gekoppelten Einrichtung, die auf die Durchflußrate des Stroms anspricht, um den Fluß des Stromes zu beenden.

33. Vorrichtung nach Anspruch 31 oder 32 mit einer Steuerungseinrichtung, die mit der Pumpe gekoppelt ist, um den Fluß des Stromes am Ende eines vorgegebenen Zeitintervalls zu beenden.

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