DE3524119A1 - Stationaeres tyndallometer - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Feinstaubmessung nach der Streulichtmethode, insbesondere in Abluft- oder Zu­ luftkanälen oder hinter Entstaubungsanlagen, mit einer sta­ tionären Streulichtmeßkammer mit Signalausgang und die Innen­ wand durch einen Reinluftstrom schützender Reinhaltevorrich­ tungen, sowie einer den Meßwert verarbeitenden Zentralanlage.

Die Streulichtmethode zur Feinstaubmessung ist aus dem untertä­ gigen Berg- und Tunnelbau grundsätzlich bekannt. Gegenüber der gravimetrischen Methode hat sie den Vorteil, daß das Ergebnis sofort zur Verfügung steht, auch als elektrisches Signal, das dann für Auswerte- und Regelungszwecke zur Verfügung steht. Der­ artige Vorrichtungen werden als Tyndallometer bezeichnet, die bisher unter Tage nur als tragbares Gerät zur Verfügung stehen. Derartige Streulichtfotometer zu einem stationären Gerät umzu­ funktionieren, ist bisher vergeblich versucht worden. Die Daten eines solchen Versuchsgerätes wurden über Kabel einer Zentral­ anlage zugeführt und zur Schaltung von Düsenanlagen zur Staub­ bekämpfung eingesetzt. Die Versuchsergebnisse haben allerdings ergeben, daß eine solche Vorrichtung für Dauerbetriebe nicht geeignet ist, weil sie im Aufbau und in der Handhabung zu kompliziert und bezüglich der notwendigen Wartungen zu auf­ wendig ist. Insbesondere kommt es bei hoher Staubbelastung und bei Wassertropfenanfall zu erheblichen Schwierigkeiten, die ei­ ne häufige Wartung erfordern. Über Tage sind derartige statio­ näre Tyndallometer nicht bekannt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein stationär und wartungsarm arbeitendes Staubmeßgerät zu schaffen, über das Staubbekämpfungsmaßnahmen oder entsprechende Anlagen einzeln oder gleich gesteuert werden können.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Streu­ lichtmeßkammer röhrenförmig bzw. halbröhrenförmig ausgebildet ist und korrespondierend angebrachte und dem Einlauf und dem Auslauf zugeordnete, parallel zur Innenwandung gerichtete Ring­ spaltdüsen bzw. Lochbleche aufweist, daß die der Streulichtmeß­ kammer zugeordneten Sendertubus und Empfängertubus über einen Primärlicht führenden Lichtleiter mit mechanischem Unterbrecher verbunden sind und daß dem Empfänger der Streulichtmeßkammer ein Vorverstärker zugeordnet ist, der über Kabel mit einem Hauptverstärker und einem Digitalteil mit Mikroprozessor ver­ bunden ist.

Eine derartige Vorrichtung ist vorteilhaft auf die besonderen Einsatzbedingungen zugeschnitten und eignet sich sowohl für die notwendigen Feinstaubmessungen für Überwachungsmaßnahmen wie auch für Steuerungsmaßnahmen. Dabei wird über den Digital­ teil mit dem Mikroprozessor eine Aufbereitung der Signale er­ möglicht, die sowohl eine einwandfreie und vielschichtige Steu­ erung von Staubbekämpfungseinrichtungen wie auch die Meßwert­ übertragung über große Entfernungen sicherstellt. Die notwen­ dige Nullpunktkontrolle und Kalibirierung ist vereinfacht, den besonderen Beanspruchungen angepaßt und so ausgebildet, daß sie praktisch über den mechanischen Unterbrecher fernbedient werden kann. Dadurch wiederum ist es möglich, den Elektronikteil in größerer Entfernung von der Meßkammer anzuordnen, was gerade für die beabsichtigten Steuerungen von Staubbekämpfungseinrichtungen von erheblichem Vorteil ist.

Nach einer zweckmäßigen Ausbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Ringspaltdüsen einen der Geschwindigkeit des staubhal­ tigen Luftstroms kongruenten Reinluftstrom erzeugend ausgebildet sind. Dadurch ist sichergestellt, daß es im Bereich der Berüh­ rungsflächen beider Luftströme nicht zu Verwirbelungen und da­ mit zu falschen Ergebnissen kommt. Dadurch, daß zwei Ringspalt­ düsen vorgesehen sind, eine am Einlauf und eine am Auslauf der Meßkammer, kann genau die Menge an staubfreier Luft, die durch die erste Ringspaltdüse eingespeist wird, über die zweite Ring­ spaltdüse wieder abgesaugt werden, so daß sich ein sehr stabi­ ler Reinluftmantel ergibt, der in seiner Wirkung sehr effektiv ist. Aufgrund dieses sehr stabilen Reinluftmantels braucht die Wartung nur in mehrwöchigem Abstand zu erfolgen, ohne daß sich an der Innenwand nennenswerte Staubablagerungen ergeben. Vor­ teilhaft ist weiter, daß für den Reinluftmantel nur geringe Luft­ mengen benötigt werden, weil durch die gezielte Ausbildung des Reinluftmantels auch bei den geringen Luftmengen eine ausreichen­ de Stabilität gewährleistet ist.

Die für den Reinluftmantel benötigte Luftmenge wird vorteil­ haft zur Verfügung gestellt, indem der dem Einlauf zugeordne­ ten Ringspaltdüse ein kleinbauender, zweckmäßig eigensicher ausgeführter Ventilator mit Partikelfilter zugeschaltet ist. Letztlich kann dabei mit dem gleichen Aggregat Reinluft zuge­ führt und abgesaugt werden, so daß sowohl der Strombedarf wie auch der Platzbedarf für diese Einrichtung ausgesprochen gering ist.

Insbesondere dort, wo relativ hohe Windgeschwindigkeiten auftre­ ten, beispielsweise beim Einbau derartiger Vorrichtungen in ei­ nen Zuluftkanal, ist es von Vorteil, wenn die Innenwandung der Streulichtmeßkammer als Lochblech ausgebildet ist, deren Löcher einen Luftaustritt so ermöglichen, daß sich die ausströmende Luft asymtotisch an die durch die Meßkammer streichende staubhaltige Luft anlegt. Dies ist von Vorteil, weil dann über die Länge der Innenwandung gesehen an mehreren Stellen der Luftmantel durch neu eingeführte Reinluft bei der hohen Luftgeschwindigkeit sta­ bilisiert wird. Die Meßkammern sind röhrenförmig ausgebildet, so daß sich gerade der beschriebene Reinluftmantel günstig ausbilden und erhalten läßt.

Ist ein großer Staubanfall zu erwarten, so kann es zweckmäßig sein, die Streulichtmeßkammer nach unten offen auszubilden, so daß die eintretende Sedimentation sich in der Meßkammer nicht negativ bemerkbar machen kann. Dennoch ist die Ablagerung durch Turbulenzen nicht zu vermeiden, so daß eine derartige Meßkam­ mer schneller verschmutzt als die röhrenförmig ausgebildeten. Allerdings ist sie einfacher zu warten, so daß sich gerade bei den beschriebenen extremen Bedingungen, d. h. bei sehr staubhal­ tiger Luft, ein Einsatz als zweckmäßig ergeben kann.

Durch Ablagerungen von Staub auf den optischen Bauteilen und an der Innenwandung verändern sich bekanntlich die optischen Eigen­ schaften des Systems, so steigt das Kammerrauschen an und die Durchlässigkeit der Linsen vor dem Sender und Empfänger verän­ dern sich. Bei der dann erforderlichen Reinigung der Meßkammer ergeben sich wiederum Änderungen, die die Einstellung des Gerä­ tenullpunktes erfordern. Dieses wird bei den routinemäßigen War­ tungen vorgenommen, wobei diese Arbeiten dadurch erleichtert wer­ den, daß erfindungsgemäß die der Streulichtkammer zugeordneten Sendertubus und Empfängertubus über einen Primärlicht führenden Lichtleiter mit mechanischem Unterbrecher verbunden sind, wobei der Lichtleiter ein Glaslichtleiter mit zugeordnetem mechani­ schem Unterbrecher ist. Diese Anordnung liefert eine konstante Anzeige auch bei Langzeitbetrieb und unterschiedlichen Tempera­ turen. Auftretende Abweichungen vom Sollwert können durch die Verwendung eines Glaslichtleiters erheblich reduziert werden, da dieser gegen Temperaturschwankungen wenig empfindlich ist. Der Unterbrecher kann als mechanischer Drehschalter ausgelegt sein oder aber als ferngesteuerte Irisblende oder Kameraverschluß, so daß die Einstellung des Nullpunktes vorteilhaft vom in größe­ rer Entfernung zur Meßkammer angeordneten Elektronikteil aus vorgenommen werden kann.

Dieser Elektronikteil bzw. der Digitalteil ist über ein Kabel mit der Meßkammer verbunden, so daß der Signalaustausch unkom­ pliziert ist. Vorteilhafterweise sind die für den Digitalteil benötigten Einzelteile in modularer Bauweise ausgeführt, so daß die einzelnen Elektronikgruppen sogar im Austausch verwendet werden können. Dadurch, daß dem Digitalteil ein Mikroprozessor zugeordnet ist, ist es möglich, die Momentanwerte ohne weiteres sofort anzuzeigen oder sie zu Mittelwerten zu verarbeiten, die einerseits jederzeit abgerufen werden können, andererseits aber vorteilhaft eine Grundlage für die Steuerung von Anlagen zur Staubbekämpfung bilden können. Zweckmäßigerweise verfügt der Mikroprozessor hierzu über einen Analog-Digitalwandler und eine Digitalanzeige. Damit können die unterschiedlichsten Untersu­ chungen und Steuerungen vorgenommen werden, wobei es durch Zu­ ordnung eines Tastenfeldes auch möglich ist, gewünschte Para­ meter einzugeben, die dann die Meß- und Steuerungsabläufe be­ einflussen und regeln. Zweckmäßig ist dazu dem Mikroprozessor eine Geräte- und Anlagensteuerung nachgeschaltet.

Der technische Fortschritt der vorliegenden Erfindung ist ins­ besondere darin zu sehen, daß ein den besonderen Bedingungen angepaßtes stationäres Tyndallometer geschaffen ist, das ohne Wartung über lange Zeiträume betrieben werden kann, weil die Meßkammer praktisch staub- und feuchtigkeitsfrei unabhängig ar­ beitet. Die Meßkammer kann dabei unmittelbar beim Elektronik- bzw. Digitalteil oder aber in Entfernung dazu angeordnet sein, je nachdem, wie die untertägigen Gegebenheiten vorgefunden werden. Die ermittelten Signale, d. h. Meßwerte, können als ein­ zelne oder als addierte Mittelwerte zur Steuerung von Staubbe­ kämpfungseinrichtungen oder auch anderen Anlagen verwendet wer­ den.

Weitere Einzelheiten der vorliegenden Erfindung werden anhand der Zeichnungen weiter erläutert. Dabei zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung des Staubmeßgerätes mit Signalübertragungsteil und Meßwertdokumentation,

Fig. 2-5 Blockschaltbilder der Elektronik für nachgeschal­ tete Meß-, Dokumentations- und Regeleinrichtungen,

Fig. 6 eine Meßkammer im Schnitt, einmal mit Ringspalt­ düsen und einmal mit Lochblechen,

Fig. 7 eine nach unten offene Meßkammer und

Fig. 8 vereinfachte Prinzipskizze mit Kalibriervorrichtung.

Das Staubmeßgerät ist bei Fig. 1 nur angedeutet. Mit 3 ist die Fernübertragungsanlage bezeichnet. Damit ist die Übertragung des Meßwertes bei Ausgabe der Modulationsfrequenz bzw. bei Ausgabe des Analogwertes verdeutlicht. Der Vorverstärker 4 ist über ein Kabel mit dem Hauptverstärker 6 verbunden, der Teil des in eini­ ger Entfernung zur Meßkammer angeordneten Elektronikteils ist. Der Hauptverstärker 6 seinerseits ist mit dem Digitalteil 7 und zugeordnetem Mikroprozessor 13 oder der Fernübertragungsanlage 3 bzw. dem Dokumentationsgerät 33 verbunden.

Während das in Fig. 1 gezeigte Schema ein Staubmeßgerät 1 zeigt, das in Abluftkanälen, Zuluftkanälen, an Arbeitsplätzen mit hoher Staubbelastung, hinter Entstaubungsanlagen oder Luftfiltern an­ geordnet und mit konventionellen Dokumentationsgeräten 33 aus­ gerüstet ist, sind nach Fig. 2 zusätzlich zu den Dokumentations­ geräten 33, wie Schreiber oder Drucker, auch noch Grenzwert­ geber 34 und Signal- und Warnanlagen 35 vorgesehen, die bei Niveauüberschreitung ansprechen. Fig. 3 zeigt die Anbindung eines Staubmeßgerätes 1 an eine EDV-Anlage 37 über ein Interface 36 mit den EDV-typischen Dokumentationsmöglichkeiten. Zur Steu­ erung von Geräten und Anlagen kann ein Mikroprozessor 13 oder ähnliches vorgesehen werden.

Vielstellenmeßanlagen 39 mit mehreren Staubmeßgeräten 1, 1′, 1″ werden gemäß einer Überwachungsstrategie nach Fig. 4 ausgebildet und mit Interface 36 und EDV-Anlage 37 kombiniert. Angeschlossen sind Dokumentations- 33 oder Steuergeräte 13 sowie eine Statusanzei­ ge 38 der Anlage. Fig. 5 zeigt das Funktionsbild bei Verwendung des Staubmeßgerätes 1 als Sensor in einem Regelkreis, beispiels­ weise für die Emissionskontrolle oder die Prozeßüberwachung. Die Aufnahme und Verarbeitung der Meßwerte erfolgt über das Staubmeßgerät 1, dann wird der jeweilige Meßwert mit dem vor­ gegebenen Niveau über die Stellgröße 44 verglichen und über Stellglied 41, Regler 40 und Regelstrecke 42 mit Störgröße 43 die Verstellung der Kenngrößen vorgenommen.

Die in Fig. 6 wiedergegebene Streulichtmeßkammer 15 ist röhren­ förmig ausgebildet und verfügt, wie üblich, über den Einlauf 16 und den Auslauf 17 für die staubhaltige Luft. Außerdem wird bei der im oberen Teil wiedergegebenen Ausbildung über die Ring­ spaltdüsen 19 ein Reinluftstrom eingebracht, der gezielt an der Innenwandung 18 entlanggeführt wird, um hier Ablagerungen von Staub zu vermeiden. Dieser Reinluftstrom wird dadurch sta­ bilisiert, daß im Bereich des Auslaufes 17 eine zweite Ring­ spaltdüse 20 angeordnet ist, über die die Reinluft wieder ab­ gesaugt wird. Mittig der röhrenförmigen Streulichtmeßkammer 15 liegt die Meßzone 22, die gesondert markiert ist. Am unteren Bildrand ist eine zweite Ausbildungsmöglichkeit für die Rein­ haltevorrichtung wiedergegeben. Hier ist parallel zur Innen­ wandung 18 ein Lochblech 23 vorgesehen, über das die von der Ringspaltdüse 19′ eingeführte Reinluft über die Länge gesehen an mehreren Stellen austritt, um so den stabilen Reinluftmantel zu erzeugen. Diese Ausbildung ist insbesondere für hohe Wetter­ geschwindigkeiten vorgesehen und geeignet.

Fig. 7 zeigt eine nach unten offen ausgebildete Streulicht­ meßkammer 15, wobei der Sender mit 25 und der Empfänger mit 26 bezeichnet sind, die Lichtfallen mit 27 am unteren Ende der Streulichtmeßkammer 15.

Die vereinfachte Kalibirierung wird anhand der Fig. 8 verdeut­ licht. Hier ist gezeigt, daß über den Lichtleiter 30 Primärlicht aus dem Sendertubus 29 entnommen und über einen mechanischen Unterbrecher 31 in dem Empfängertubus 32 geführt ist. Diese An­ ordnung erbringt konstante Anzeigen auch bei Langzeitversuchen und starken Temperaturveränderungen, beispielsweise zwischen 0 und 40°C. Hier haben sich Abweichungen von weniger als 10% vom Sollwert ergeben. Die Abweichungen sind noch geringer, wenn als Lichtleiter 30 ein Glaslichtleiter verwendet wird. Die gesamte Vorrichtung 29, 30, 31, 32 ist mit der Streulichtmeßkammer 15 fest verbunden. Die Lichtleiter 30 sind gegen Positionsänderun­ gen durch Erschütterungen oder Vibrationen gesichert. Der mecha­ nische Unterbrecher 31 ist hier als mechanischer Drehschalter ausgelegt. Es ist auch möglich, ferngesteuerte Irisblenden oder einen Kameraverschluß einzusetzen, insbesondere dann, wenn der Elektronikteil in einer größeren Entfernung von der Streulicht­ meßkammer 15 aufgebaut ist.

•  1 Staubmeßgerät
   3 Fernübertragungsanlage
   4 Vorverstärker
   6 Hauptverstärker
   7 Digitalteil
  13 Mikroprozessor, Geräte- u. Anlagensteuerung
  15 Streulichtmeßkammer
  16 Einlauf - staubh. Luft
  17 Auslauf
  18 Innenwandung
  19 Ringspaltdüse
  20 Ringspaltdüse
  22 Meßzone
  23 Lochblech
  25 Sender Licht
  26 Empfänger Licht
  27 Lichtfalle
  29 Sendertubus
  30 Lichtleiter
  31 Unterbrecher
  32 Empfängertubus
  33 Dokumentationsgerät
  34 Grenzwertgeber
  35 Signal-, Warnanlage
  36 Interface
  37 EDV-Anlage
  38 Statusanzeige der Anlage
  39 Vielstellenmeßanlage
  40 Regler
  41 Stellglied
  42 Regelstrecke
  43 Störgröße
  44 Stellgröße

Claims (8)

1. Vorrichtung zur Feinstaubmessung nach der Streulichtmetho­ de, insbesondere in Abluft- oder Zuluftkanälen oder hinter Entstaubungsanlagen, mit einer stationären Streulichtmeß­ kammer mit Signalausgang und die Innenwand durch einen Reinluftstrom schützender Reinhalteeinrichtung, sowie einer den Meßwert verarbeitenden Zentralanlage, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Streulichtmeßkammer (15) röhren- bzw. halb­ röhrenförmig ausgebildet ist und korrespondierend angebracht und dem Einlauf (16) und dem Auslauf (17) zugeordnete, parallel zur Innenwandung (18) gerichtete Ringspaltdüsen oder Lochble­ che (23) aufweist, daß die der Streulichtmeßkammer zugeordne­ ten Sendertubus (29) und Empfängertubus (32) über einen pri­ märlichtführenden Lichtleiter (30) mit mechanischem Unterbre­ cher (31) verbunden sind und daß dem Empfänger (26) der Streu­ lichtmeßkammer als Vorverstärker (4 ) zugeordnet ist, der über Kabel mit einem Hauptverstärker (6) und einem Digitalteil (7) mit Mikroprozessor (13) verbunden ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringspaltdüsen (19, 20) oder Lochbleche (23) einen der Geschwindigkeit des staubhaltigen Luftstroms kongruen­ ten Reinluftstrom erzeugend ausgebildet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der dem Einlauf (16) zugeordneten Ringspaltdüse (19) ein kleinbauender, eigensicher ausgeführter Ventilator mit vorgeschaltetem Partikelfilter zugeschaltet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenwandung (18) der Streulichtmeßkammer (15) als Lochblech (23) ausgebildet ist, deren Löcher einen Luft­ austritt unter 45° ermöglichen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Streulichtmeßkammer (15) nach unten offen ausgebil­ det ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtleiter (30) ein Glaslichtleiter mit zugeordnetem mechanischem Unterbrecher ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikroprozessor (13) über einen Analog-Digitalwandler und eine Digitalanzeige verfügt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Mikroprozessor (13) eine Geräte- und Anlagensteuerung (13′) nachgeschaltet ist.