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Beschreibung
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Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Bestimmung physikalischer
und chemischer Eigenschaften von Werkstoffen und insbesondere ein Analyseverfahren
für eine disperse Aerosolzusammensetzung und eine Einrichtung zur Durchführung dieses
Verfahrens.
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Die Erfindung findet in automatisierten Uberwachungssystemen für eine
fraktionierte Aerosolzusammensetzung in technologischen Abläufen, Industrieablässen
und in Luftbassins Anwendung.
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In vielen technologischen Prozessen mit einer Ausscheidung pulverförmiger
Werkstoffe muß man eine disperse Zusammensetzung kennen, weil von der dispersen
Zusammensetzung des Ausgangsproduktes die Qualität der Erzeugnisse abhängt.
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Die disperse Aerosolzusammensetzung ist auch einer der wichtigsten
Kennwerte bei derEntstaubung zur Attestierung der Wirksamkeit von Entstaubungsapparaten
und zur Überwachung von Verunreinigungen der Umwelt.
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Es ist ein Analyseverfahren für eine disperse Åerosolzusammensetzung
bekannt, das in einer fraktionierten Absetzung von Teilchen auf Absetzflächon eines
KaskadeniUWnkLors bcsteht; die durch einen Aerosolfluß mit einer von Fläche zu Fläche
steigenden Geschwindigkeit umspült werden. Hierbei erfolgt auf jeder nachfolgenden
Absetzfläche eine Trägheitsabsetzung von Teilchen immer feinerer Fraktionen.Durch
Abwägung des Niederschlages nach Demontage und Auseinandernehmen des Impaktors wird
die disperse Aerosolzusammensetzung ermittelt. Zur Erhöhung des Adhäsionsvermögens
der Absetzfläche und zur Verhinderung eines sekundären Mitreißens der Teilchen werden
verschiedene Schmierstoffe (May K.R., The caskade impactor an instrument for sampling
coarse
aerosols, "J.Sci.Instrum". 1945, 22, pp. 187 bis 195) verwendet.
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Es ist ein Analyseverfahren für eine disperse Aerosolzusammensetzung
in einem Kaskadenimpaktor mit Kammern bekannt. Das Aerosol wird durch Kammern des
Kaskadenimpaktors durchgelassen, die in Flußrichtung des Aerosols hintereinander
angeordnet sind. Jede Kammer ist durch zwei Diaphragmen in Form stromleitender Membranfilter
begrenzt. Das untere Diaphragma in Flußrichtung des Aerosols dient als Absetzfläche
für Teilchen und weist Düsen zum Durchgang von Aerosol zur nächsten Kammer auf.
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Bei dem bekannten Verfahren wird die Gaskomponente von Aerosol durch
die Membranfilter zum Teil abgefiltert, während die auf den Oberflächen fraktioniert
abgesetzten Teilchen durch einen Staudruck des Gases zurückgehalten werden. Zur
Bestimmung der dispersen. Zusammensetzung wird der Impaktor zum Teil auseinandergenommen,
und die Diaphragmen werden vor und nach der Absetzung der Teilchen abgewogen. Die
Entfernung der Teilchen aus dem Impaktor erfolg't durch Ausblasen mit einem entstaubten
Gas in einer zur Flußrichtung des Aerosols entgegengesetzten Richtung (Ravenhall
D.G., Forney Z.J., Jozayeri M., Aerosol sizing with a shutted virtual impactor "J.
of Coll. Interface Science", 1978, 65, N.I., pp 108 - 117).
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Die Durchführung der Analyse nach den obenbeschriebenen Verfahren
hängt mit einer Reihe arbeitsini£ensiver nichtautomatisierter Operationen zur Demontage
und Auseinandernahme des Appara-@@@, Abwiegen der Diaphragmen vor und nach der Abscheidung
der Teilehen, Berechnung von Massezunahmen, Entfernung der Teilchen atts (3em apparat
zusammen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, durch Erhalt eineselektrischen
Ausgangssignals ein Analyseverfahren für eine disperse Aerosolzusammensetzung und
eine Einrichtung zu dessen
Durchführung zu entwickeln, die es gestatten,
die Analyse zu automatisieren und zu beschleunigen.
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß bei dem erfindungsgemäßen Analyseverfahren
für eine disperse Aerosolzusammensetzung durch Durchlassen von Aerosol durch einen
Kaskadenimpaktor- mit einer fraktionierten Abscheidung von Teilchen auf den Absetzflächen
des Impaktors und durch Massebestimmung der abgesetzten Teilchen mit deren anschließender
Entfernung aus dem Impaktor durch Durchlassen eines entstaubten Gases gemäß der
Erfindung die Massebestimmung der abgesetzten Teilchen auf jeder Absetzfläche des
Impaktors durch Anlegen einer Potentialdifferenz zwischen den genannten Absetzflächen
und Messen einer durch die Teilchen unter der Wirkung der Potentialdifferenz von
einer.Absetzfläche auf die andere übertragenen elektrischen Ladung erfolgt, wobei
die Teilchen aus dem Impaktor beim Vorhandensein der genannten Potentialdiffercnz
an sämtlichen. Absetzflächen entfernt werden.
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Die Massebestimmung der abgesetzten Teilchen durch Messen der elektrischen
Ladung. gestattet es, eine Information über eine disperse Zusammensetzung in Form
durch bekannte Automatisierungsmittel registrierter elektrischer Signale zu erhalten.
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Bei einer Analyse der dispersen Zusammensetzung von Teilchen mit erhöhtem
Adhäsionsvermögen empfiehlt es sich, die Teilchen bei Vorzeichenumkehr der Potentialdifferenz
an sämtlichen Absetzflächen des Impaktors zu entfernen.
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Die erfindungsgemäße Einrichtung zur Durchführung einer Analyse einer
dispersen Aerosolzusammensetzung enthält einen Kaskadenimpaktor mit in Flußrichtung
des Aerosols hintereinanderliegcnden Kammern; von denen jede durch zwei Diaphragmen
in Form stromleitender Membranfilter begrenzt ist, deren unteres in Flußrichtung
als Absetzfläche für die Teilchen dient und Düsen zum Durchgang des Aerosols zur
nächsten Kammer in F1uB-richtung
aufweist, die nach der Erfindung
einen elektrischen Umschalter enthält, dessen Eingänge an die Diaphragmen des Impaktors
und dessen Ausgänge an eine Gleichstromquelle und an einen Ladungsmesser angeschlossen
sind.
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Zur Erhaltung einer alternierenden Potentialdifferenz wird der Umschalter
zweckmäßigerweise mit einem an die Gleichstrolllquelle' angeschlossenen invertierenden
Ausgang versehen.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand des in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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Die Einrichtung zur Durchführung einer Analyse einer dispersen Aerosolzusammensetzung
enthält einen Kaskadenimpaktor, dessen Kammern 2 in Flußrichtung des Aerosols hintereinander
angeordnet sind. Jede Kammer 2 ist durch zwei Diaphragmen 3 und 4 begrenzt. Jedes
Diaphragma ist elektrisch isoliert, in Form eines stromleitenden Memrbanfilters
5 aus leitendem Material hergestellt und dient als Absetzfläche. Das in Flußrichtung
es Aerosols untere Diaphragma 4 jeder Kammer 2 weist Düsen 6 zum durchgang von Aerosol
zu einer in Flußrichtung von Aerosol nächstfolgenden Kammer auf.
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Die Diaphragmen 3 und 4 des Impaktors sind an die Eingänge eines Umschal,ters'7
angeschlossen, dessen Ausgänge an eine Gleichstromquelle 8 und an einen Ladungsmesse'r
9, beispielsweise ein Coulomb-Meter, angeschlossen sind.
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Der Umschalter 7 ist in der Zeichnung in Form einer Reihe von Kontakten
10 bis 23 dargestellt. Die Kontakte 10 bis 13 und 15 bis 17, d.h. ie Eingänge des
Umschalters, verbinden die Didpl0yilymen des Tmpaktors 1 mit der Gleichstromquelle
8 über die Kontakte 22 und 23, d.h. die Ausgänge des Umschalters. Im lelzteren Fall
liegt zwischen dem Kontakt 23 und der Gleichstromquelle 8 der Ladungsmesser 9 im
Reihenkreis. Die einen die Polarität der Quelle 8 umschaltenden invertierendenAusgang
darstellenden Kontakte 18 bis 21 können mit den
Kontakten 22 und
23 in Reihe geschaltet werden. Der Kontakt 14 dient zum Schließen aller Diaphragmen,
um ein Auftreten induzierter Potentiale zu -verhindern, die einer Abscheidung von
Teilchen auf den Diaphragmen entgegenwirken.
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Vor-Arbeitsbeginn sind die Kontakte 10 bis 17 und 22,23 geschlossen
und die Kontakte 18 bis 21 geöffnet. Sämtliche Diaphragmen sind äquipotential.
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Die Arbeit derefindungsgemäßen Einrichtung geht wie folgt vor sich.
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Zur Analyse der dispersen Zusammensetzung wird das Aerosol dem Impaktor
1 in Pfeilrichtung A zugeführt. Das Aerosol aus den Düsen 6 durchströmt die Kammern
2 nacheinander mit einer von Kammer zu Kammer zunehmenden Ausflußgeschwindigkeit.
Bei einem Schlag'von Aerosolstrahlen gegen die ein stromleitendes Membranfilter
5 darstellende Absetzfläche setzen sich auf der letzteren infolge der Trägheit Teilchen
ab, die darauf durch einen Staudruck bei einer teilweisen Gasfilterung zurückgehalten
werden. In dem Maße der Geschwindigkeitszunahme des Aerosols in den Düsen 6 setzen
sich auf der Oberfläche der Filter 5 immer feinere Fraktionen der Teilchen ab.
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Nach der Ansammlung einer ausreichenden Menge des Niederschlages der:
feinsten Fraktion in dem in Flußrichtung des Aerosols zuletzt gelegenen Filter 5
wird die Aerosolzuführung eingestellt, und es wird zur Massebestimmung der abgeschiedenen
Teilchen übergegangen. Zu diesem Zweck wird zwischen den Diaphragmen 3 und 4 eine
Potentialdifferenz von der C7leicllstre quelle 8 angelegt, und es wird mit dem Ladungsmesser
9 eine elektrische Ladung gemessen, die durch die Teilchen von einer Absetzfläche
auf die andere übertragen worden ist. Die anliegende Spannung der Quelle 8 muß unterhalb
der Durchbruchspannung liegen und eine Feldstärke von ca. 20 kV/cm sichern, was
zur Teilchenübertragung ausreicht. Die Potentialdifferenz wird mit Hilfe des Umschalters
7 zugeführt, der die Paare der
benachbarten Diaphragmen 3 und 4
der einen Kammer 2 mit der Gleichstromquelle 8 und dem Ladungsmesser 9 wechselweise
verbindet. Vor der ladungsmessung sind alle Kontakte 10 bis 17 außer einem die Diaphragmen
der einen Kammer 2 steuernden Paar, Beispielsweise 13 und 15, offen. Der Kontakt
22 ist offen, der Kontakt 23 geschlossen. Es wird ein Kontaktpaar der Gleichstromquelle
8, beispielweise 18 und 20, geschlossen, und nach der Anzeige des Meßgeräts 9 ermittelt
man eine Ladung, die.durch die Teilchen der betreffenden feinsten Fraktion übertragen
worden ist. Dann wird mit einer konstanten Zeitperiode der Kontakt 13 geöffnet und
die nächste Kammer mit Hilfe des geschlossenen Kontakts 12 angeschaltet.
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Beim Anlegen der Potentialdifferenz an die zwei Diaphragmen 3 und
4 der einen-Kammer 2 werden alle auf dem Filter 5 der Kammer und auf der Rückseite
des Diaphragmas 3 abgeschiedenen Teilchen gleichnamig mit der Oberfläche geladen
und durch elektrische Kräfte zur Oberfläche mit der entgegengesetzten Polarität
übertragen, wobei sie eine zur Menge ds Niederschlages proportionale und durch den
Ladungsmesser 9 registrierte elektrische Ladung übertragen. Die Schaltperiode der
Kontakte muß die Relaxationszeit der Teilchen und des Ladungsmessers 9 übersteigen.
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Nach Beendigung der elektrischen Messungen werden die Teilchen aus
dem Impaktor 1 durch Ausblasen mit einem entstaubten Gas ohne Demontage und Auseinandernahme
des Impaktors.beim Anlegen einer konstanten Potentialdifferenz an sämtliche Diaphragmen
durch Schließung der Kontakte 10 bis 13, 15 bis 17, 18, 20, 22, 23 entf'rnt.
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Im Falle der Entfernung von Teilchen mit erhöhtem Adhäsionsvermögen
wird eine alternierende Potentialdifferenz durch abwechselnde Schließung der Kontaktpaare
18 und 20, dann 19 und 21, geliefert.
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Der Umschalter 7 kann elektromechanisch in Form von Kippschaltern
oder elektronisch mit einer Programmsteuereinheit in Abhängigkeit vom gewünschten
Automatisier'ungsgrad sein.
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über den Abschluß des Vorganges der Entfernung der Teilchen wird nach
dem Ausbleiben eines Gleich- oder Wechselstroms geurteilt, der durch den Ladungsmesser
9 beim öffnen des Kontaktes 22 registriert wird.
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Die erfindungsgemäße Einrichtung zur Durchführung einer Analyse einer
dispersen Aerosolzusammensetzung gestattet es, das Analyseverfahren einschließlich
der Darstellung auf dem Bildschirm eines Speicher - Elektronenstrahloszillografen
zu automatisieren, der anstelle eines Coulomb-Meters benutzt wird und mit einem
Integrator unter der Voraussetzung versehen ist, daß die Strahlabtastzeit mit dem
Bildschirm der Schaltzeit aller Diaphragmen gleich ist.
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Die Durchfüh::ung der Analyse und <iie Vorbereitung auf den ntichsten
Zyklus bedürfen keiner Auseinandernahme und Reinigung des Impaktors.
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