DE3803352A1 - Schlitzsonde - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schlitzsonde zur Entnahme von Proben aus in einer Leitung strömender Luft oder anderen Ga­ sen, wobei die Strömung am Ort der Entnahme einen kreisför­ migen Querschnitt aufweist.

Um verunreinigende oder andere Bestandteile in einem Luft­ oder Gasstrom zu messen werden Sonden in die Strömung einge­ bracht, mit denen Proben entnommen werden. Dabei soll die Probenentnahme derart vor sich gehen, daß die Geschwindig­ keit der Luft oder des Gases im Sondenmund gleich der Ge­ schwindigkeit der Strömung an der ungestörten Entnahme­ stelle ist.

Diese "isokinetische Probennahme" ist bekannt, wobei die rohrförmigen Sonden mit an der Spitze um 90° abge­ bogenem Entnahmestück radial in die Strömung eingesetzt werden. Um einen Überblick über den gesamten von der Strömung trans­ portierten Anteil an Verunreinigungen oder unerwünschten Be­ standteilen zu erhalten, ist - da eine gleichmäßige Ver­ teilung nicht vorausgesetzt werden kann - eine Netzmessung erforderlich, die im einzelnen in einschlägigen Normen ge­ regelt ist. Eine derartige Netzmessung setzt eine genaue Kenntnis der Strömungsverteilung voraus und erfordert, daß die Meßsonde an die einzelnen Meßstellen des Meßnetzes für eine gewisse Zeit gebracht wird, um so die einzelnen Proben an den einzelnen Netzpunkten zu entnehmen. Dabei kommt es bei der Entnahme von Proben, die verunreinigende Gase oder Dämpfe enthalten, auf eine isokinetische Probennahme nicht sehr wesentlich an, gleiches gilt auch für den Fall, daß Aerosohle vorhanden sind, deren einzelnes Teilchen kein wesentlichen Trägheits-Verhalten mehr zeigen. Ganz allgemein kann gesagt werden, daß bei Partikel-Durchmessern kleiner ein Mikrometer dies gegeben ist.

Von dieser Überlegung ausgehend liegt der Erfindung die Auf­ gabe zugrunde eine gattungsgemäße Entnahmesonde derart weiter zu bilden, daß der Querschnitt einer Gasströmung periodisch abgetastet wird ohne den Aufwand einer Netzmessung betreiben zu müssen. Darüber hinaus soll die Schlitzsonde einfach und wirtschaftlich herstellbar und sicher betreib­ bar sein.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Hauptanspruchs angegebenen Merkmale gelöst; Weiterbildungen und vorteilhafte Ausführungsformen beschreiben die Unteransprüche.

Die durch die Lösung gegebene Schlitzsonde ist in eine Leitung beliebigen Querschnitts einbaubar, wobei zum Er­ zielen einer Strömung am Entnahmeort mit kreisförmigen Querschnitt der Sonde eine Einlaufdüse vorgesetzt wird. Auf diese Weise ist es auch möglich die Sonde in ein Rohr kreis­ förmigen Querschnitts einzubauen, bei dem der Sondendurch­ messer kleiner ist als der Durchmesser der Rohrleitung (oder aber der von einem Sondenarm überstrichene Radius kleiner als der entsprechende Rohrradius). Durch den An­ trieb über ihre Welle kann diese Sonden den gesamten Strömungsquerschnitt überstreichen. Dabei versteht es sich von selbst, daß der Entnahmeschlitz bis zum Rand der kreis­ förmigen Strömung geführt ist. Wird die Sonde in einer Rohrleitung kreisförmigen Querschnitts angeordnet, wird der Entnahmeschlitz bis nahe an die Innenwand des Rohr­ leitungsmantels auf der einen Seite und bis unmittelbar an die Welle auf der anderen Seite geführt. Dabei spielt der Außenbereich im allgemeinen eine untergeordnete Rolle, da die Strömungsgrenzschicht nahe der Rohrwand einen Abfall der Strömungsgeschwindigkeit bedingt, so daß durch einen äußeren von der Grenzschichtdicke gegebenen Kreisring trotz erheblichen Flächenanteils kein wesentlicher Strom­ anteil fließt. Beim Einbau der Sonde in eine Rohrleitung größeren oder nicht kreisförmigen Querschnitts wird die Sonde in den Abströmbereich einer Einlaufdüse gelegt, wo­ bei der Eintritt in den Entnahmeschlitz unmittelbar hinter der Ausströmebene der Einlaufdüse angeordnet ist. Durch die Strahlbildung kommt es auch hier zu einem steilen Ge­ schwindigkeitsabfall im Randbereich der Strömung, der durch den Innendurchmesser der Einlaufdüse gegeben ist.

Durch die Drehung der Sonde wird bei jeder ihrer Umdrehungen einmal (bei einseitiger) oder zweimal (bei doppelseitiger Sonde) der Strömungsquerschnitt überdeckt und mit jeder Um­ drehung wird mindestens einmal aus jedem Strömungsbereich der Strömung eine Probe entnommen. Dadurch kann der Einfluß von Strähnen, in denen Verunreinigungen oder unerwünschte Sustanzen angereichert sind eliminiert werden. Die Absauge­ geschwindigkeit im Schlitz wird dabei vorteilhaft auf eine mittlere Strömungsgeschwindigkeit eingestellt, die bei voll ausgebildetem Strömungsprofil in einer turbulenten Strömung nur geringfügig unter der (über den Querschnitt konstanten) Strömungsgeschwindigkeit liegt. Bei ungleichmäßiger Strömungs­ verteilung kann die Entnahmegeschwindigkeit an einigen Stel­ len niedriger sein als die dort herrschende Strömungsge­ schwindigkeit, nämlich dort wo eine überhöhte Strömungsge­ schwindigkeit auftritt. An anderen Stellen ist sie dagegen höher, so daß zwar die isokinetische Probennahme nicht mehr korrekt eingehalten werden kann. Dies ist jedoch - sieht man von der Bestimmung der Korngrößenverteilung staubförmiger Verunreinigungen ab - nicht sehr bedeutsam; sie ist vor al­ lem dann nicht bedeutsam, wenn es darum geht nachzuweisen, ob eine Verunreinigung überhaupt anfällt.

Ist der Sondenarm so ausgebildet, daß er etwa den halben Durchmesser der Leitung überdeckt, ist es zur Entlastung der Welle zweckmäßig auf der dem Sondenarm abgewandten Seite ein Gegengewicht vorzusehen, dessen Moment das vom Sondenarm gegebene Moment ausgleicht und so bezüglich einer sowohl zur Achse der Welle als auch zur Achse des Sonden­ arms normalen Achse Gleichgewicht herstellt. Dieses Gegen­ gewicht entfällt, wenn der Sondenarm doppel-seitig ausge­ bildet ist, da jeder der Sondenarme das entsprechende Gegen­ moment für den anderen erzeugt. Es versteht sich von selbst, daß in diesem Fall die Welle in der Mitte des doppel­ seitigen Sondenarms angeordnet ist und die Achse den Sonden­ arm mittig durchsetzt.

Die genommene Probe durchströmt den Ableitkanal und kann dort entsprechend der Untersuchungsaufgabe untersucht wer­ den. Dies ist in vielen Fällen bereits ohne aktive Proben­ entnahme mittels einer Pumpe allein unter der Wirkung des an der Sonde entstehenden Differenzdruckes möglich. Dabei wirkt auf den Sondenschlitz der Staudruck, während auf die zentrale Abströmöffnung des Abströmkanals ein Druck wirkt, der etwa dem statischen Druck an dieser Stelle entspricht. Die dadurch gegebene Druckdifferenz treibt die Strömung, zumals besonders dann, wenn der Schlitzquerschnitt etwa gleich dem Querschnitt des Ableitkanals ist keine wesent­ liche Geschwindigkeitsänderung der Probenluft bzw. des Probengases zu bewirken ist. Derartige berührungslose Mes­ sungen sind z.B. Überwachung des Staubgehaltes mit Hilfe einer durch Strahlung, z.B. mit Licht, Überwachung auf mög­ licherweise auftretende gasförmige Verunreinigungen mit den Mitteln der Infrarotspektroskopie oder Überwachung auf auftretende Radioaktivitäten mittels entsprechender Strahlungsdetektoren. Zur genaueren Untersuchung kann aus dem Ableitkanal selbst eine weitere Sondennahme erfolgen.

Der die entnommene Luft- bzw. Gasprobe führende Sammel­ und Ableitkanal, in den der Entnahmeschlitz mündet und der zweckmäßigerweise in der zentralen Achse geführt und von da aus in axialer Richtung abgeleitet ist, wird , sofern die Aufgabenstellung dies erfordert, radial umgelenkt und zu einer entsprechenden Analysenapparatur mit Vakuumpumpe zum Ansaugen der Probenluft und Strömungs- und Mengenmes­ ser geführt. Da die Weiterführung der Ableitung dann im allgemeinen seitlich aus der Rohrleitung herausgeführt wird und somit notwendigerweise rohrleitungsfest ist, ist eine Drehdichtung vorzusehen, die den sich mit dem Sondenarm drehenden Abgang­ stutzen gegenüber dem festen Ableitkanal abdichtet. Da die hier zu überbrückenden Druckdifferenzen keine erheblichen Werte aufweisen, lassen sich derartige Dichtungen in ein­ facher Weise als Labyrinthdichtung oder Tauchdichtung o. dgl. ausbilden. Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Weite des Schlitzes an jeder Stelle des Sondenarmes kleiner als die Breite des Strömungskanals ist. Dadurch tritt in den Strömungskanal ein ebener Strahl ein, der sich mit der dort strömenden Probe der entnommenen Luft (oder anderer Gase) gut vermischen kann, da ein Geschwindigkeitsgradient vorliegt.

Um eine gleichförmige Geschwindigkeit längs des Sonden­ kanals zu erhalten wird zweckmäßigerweise die Höhe des Sondenkanals so eingerichtet, daß in jeder Stelle der Quer­ schnitt des Sondenarms mindestens gleich ist dem Querschnitt des Entnahmeschlitzes, der von dieser Stelle aus gesehen radial nach außen führt. Durch diese Ausbildung des Strömungskanals wird eine Strömungsbeschleunigung vermieden.

Durch die Wahl des Querschnittsverhältnisses kann dabei die Strömungsgeschwindigkeit so gehalten werden, daß sie von einem Wert geringfügig unter der Entnahmegeschwindigkeit liegend nahezu beliebig abgesenkt werden kann. Im weiteren Verlauf der Strömung der als Probe entnommenen Luft (oder anderer Gase) sollen ebenfalls Strömungsbeschleunigungen vermieden werden, aus diesem Grunde wird der Querschnitt des Ableitkanals mindestens gleich dem Gesamtquerschnitt des Entnahmeschlitzes bei einseitigem bzw. der Entnahme­ schlitze bei doppel-seitigem Sondenarm gehalten. So ist der Querschnitt des Ableitkanals auch an den größten Quer­ schnitt des Strömungskanals anpaßbar und der Übergang der Strömung in den Ableitkanal erfolgt ohne wesentliche Störung. Dabei versteht es sich von selbst, daß strömungs­ lenkende Maßnahmen bzw. Einbauten zur Verringerung der Um­ lenkverluste vorgesehen werden können.

Die im Ableitkanal strömende Luft (bzw. andere Gase) wird zur näheren Untersuchung aus der Rohrleitung herausge­ führt, dazu weist der Ableitkanal in einer gewissen Ent­ fernung vom Sondenarm einen 90° Krümmer auf, dessen freies Ende durch die Wand der Leitung führt. Außerhalb können dann die entsprechenden Analysengeräte angeordnet werden sowie die notwendigen Pumpen zur Probenentnahme sowie die die Ent­ nahmegeschwindigkeit und die Entnahmemenge überwachenden Meßinstrumente. Da in vielen Fällen der von den Analysen­ instrumenten benötigte Durchlaß an Probeluft (bzw. Probegas) geringer ist als das was über eine derartige Schlitzsonde entnommen wird, ist eine weitere Probenteilung vorteilhaft, wozu zweckmäßigerweise vor dem Krümmer im Bereich wieder ausgebildeter und noch ungestörter Strömung im Ableitkanal eine den Querschnitt überdeckende zweite Entnahmesonde vor­ gesehen ist, durch die der Probenstrom weiter reduziert wird. Hierbei ist es wegen der bei der Probenentnahme er­ folgten Mischung hinreichend, wenn die zweite Entnahme­ sonde den Ableitkanal fest durchsetzt.

Das Wesen der Erfindung wird anhand der folgenden Fig. 1 bis 4 näher erläutert. Dabei zeigen

Fig. 1 einen Querschnitt durch eine kreisförmige Leitung mit eingebauter zweiarmiger Meßsonde,

Fig. 2 eine einarmige Meßsonde, eingesetzt in einen Kanal größeren Querschnitts mit Einlaufdüse (Seitansicht),

Fig. 3 einarmige Sonde entsprechend Fig. 2, Ansicht in Anströmrichtung,

Fig. 4 Querschnitt durch den Probennahmearm.

In der Fig. 1 ist ein doppelseitiger Düsenarm 2 zentrisch in die Rohrleitung 1 eingebaut, wobei die Befestigung mit Hilfe der Streben 2.1 erfolgt. Der Sondenarm 2 ist dabei in dem Lager 8 drehbar gelagert, wobei der den Sondenarm 2 haltende Stutzen 5 als Sammel- und Ableitrohr ausgebil­ det sich eine gewisse Strecke in Richtung der Strömung erstreckt. In diesem Sammel- und Ableitrohr 5 können die entsprechenden Untersuchungen vorgenommen werden bzw. kann aus der Probe eine weitere Probe mit einer eingeführten Sonde 10 gezogen werden. Diese Sekundärsonde 10 ist im Be­ reich der Strömung mit einem Einströmschlitz 10.1 (oder äquivalenten über den Durchmesser verteilten Einström­ öffnungen) versehen, durch die aus der im Sammel- und Ab­ leitrohr 5 strömenden Probeluft eine Probennahme erfolgt. Es versteht sich von selbst, daß die Sekundärsonde 10 über entsprechende Strömungs- und Mengenmesser und Pumpen geschaltet ist und daß die der Aufgabenstellung ent­ sprechenden Analysengeräte vorgesehen werden. Die Entnahme­ sonde 2 ist zweiarmig, wobei sich die beiden Arme diame­ tral gegenüber stehen. Es versteht sich von selbst, daß auch drei- oder vierarmige Sonden möglich sind. Die Sonden­ arme sind mit einem im wesentlichen rechteckigen Sammel­ kanal 4 versehen, dessen Querschnitt zur Achse der Sonde hin zunimmt. Auf der Anströmseite befindet sich ein Ein­ strömschlitz 7, der z.B. durch einfache Winkelprofile 6 gebildet ist, deren freie Schenkel die Begrenzungswände 7.1 des Entnahmeschlitzes bilden und deren zweite Schen­ kel mit dem Gehäuse des Strömungskanals 4 des Sondenarms 2 verbunden sind (Fig. 4).

Die im Lager 8 drehbar gelagerte Entnahmesonde 2 wird über die Welle 3 angetrieben (die ihrerseits nochmals mit einem - nicht näher bezeichneten - Lager abgefangen sein kann) in Drehung versetzt, wozu ein außerhalb der Strömung vorgesehener Antriebsmotor 3.1 über einen - nicht näher be­ zeichneten - Keilriementrieb für die Drehung der Entnahme­ sonde 2 sorgt. Es versteht sich von selbst, daß der An­ trieb auch auf der rückwärtigen Seite vorgesehen sein kann, besonders dann, wenn im Bereich der Meßebene die Strömung durch eine Einlaufdüse eingeengt und auf kreisförmigen Querschnitt gebracht wird.

Wie gestrichelt angedeutet kann auch zur genaueren Unter­ suchung der Sammel- und Ableitkanal 5 mit einem Krümmer 5.2 radial nach außen umgelenkt, mit einer nach außen ge­ führten Probenahmeleitung 5.1 verbunden sein, die ihrer­ seits zu - nicht näher dargestellten - Analysengeräten, Strömungs- und Mengenmeßgeräten sowie zu einer Pumpe ge­ führt wird. Durch das Einschalten einer Pumpe wird in diesem Fall der Strömungswiderstand der nach außen ge­ führten Rohrleitung sowie der Strömungswiderstand der Analysengeräte (z.B. Filter bei Staubentnahmen) überwun­ den.

Die Fig. 2 und 3 zeigen den Einbau eines einarmigen Son­ denarmes 2 in eine Rohrleitung, bei der der Strömungskanal nicht rund ist. Die abgebrochen dargestellte Außenwand 1′, 12′ begrenzt eine Seite des Kanals, die anderen Seiten werden durch entsprechende - nicht näher dargestellte - Außenwände begrenzt. In den Leitungszug ist eine Einlauf­ düse 1.1 eingeflanscht, die einen kreisförmigen Querschnitt der Strömung im Austrittsquerschnitt erzwingt. Der Arm der Entnahmesonde 2 reicht bis mindestens zum Innendurch­ messer der Einlaufdüse 1.1. Die durch die Düsen zusammen­ gedrängte Strömung strömt gegen den Eintrittsschlitz 7, dessen beide seitliche Wände 7.1 entsprechend Fig. 4 die Schlitzweite begrenzen. Die entnommene Luft gelangt in den Sammelkanal 4 und in das Übergangsstück 4.1, von dem es in den Sammel- und Ableitkanal 5 übertritt. Um die einarmige Entnahmesonde 2 in Bezug auf die (strich-punk­ tiert dargestellte) Drehachse zu entlasten ist ein Gegen­ gewicht 9 vorgesehen, das an der Drehachse befestigt ist. Durch das von diesem Gegengewicht 9 gegebene Gegenmoment wird die Lagerung 8 (Fig. 1) entlastet. Der Antrieb er­ folgt in beschriebener Weise über die Welle 3, wobei es sich von selbst versteht, daß der Antrieb auch abström­ seitig angeordnet sein kann.

Claims (11)

1. Schlitzsonde zur Entnahme von Proben aus in einer Leitung strömender Luft oder anderen Gasen, wobei die Strömung am Ort der Entnahme einen kreisförmigen Querschnitt aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß in der Leitung (1, 1′) ein mindestens deren halben Durchmesser überdeckender Sondenarm (2) vorgesehen ist, der an einer zentral in der Leitung (1) angeordneten Welle (3) um 360° schwenkbar und von außen antreibbar angeordnet ist, wobei die Achse der Welle (3) mit der Achse der Leitung (1) zusammenfällt, daß der anströmseitige Teil des Sondenarms (2) einen Strömungskanal (4) bildet, der über einen Anschlußstutzen (4.1) mit einem Ableitkanal (5) verbunden ist und daß die zuströmseitige Frontseite (6) einen sich längs des Sondenarmes (2) erstreckenden Schlitz (7) aufweist.

2. Schlitzsonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sondenarm (2) als etwa den halben Durchmesser der Leitung (1) überdeckend ausgebildet ist und daß eine mit dem Sondenarm (2) fest verbundene, auf der anderen Seite der Welle (3) angeordnete, ein Gegenmoment erzeugende Masse (9) vorgesehen ist.

3. Schlitzsonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sondenarm (2) als den ganzen Durchmesser der Leitung (1) überdeckend ausgebildet ist, wobei die Achse der Welle (3) den Sondenarm (2) mittig durchsetzt.

4. Schlitzsonde nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Weite des Schlitzes (7) an jeder Stelle des Sondenarmes (2) kleiner ist als die Breite des Strömungskanals (4).

5. Schlitzsonde nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Weite des Schlitzes (7) in Abhängigkeit von der Ent­ fernung von der Achse der Leitung (1) variiert.

6. Schlitzsonde nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Strömungskanals (4) in jedem Querschnitt etwa dem Querschnitt des Teiles des Schlitzes (7) entspricht, der auf der der Welle (3) abgewandten Seite des Querschnittes liegt.

7. Schlitzsonde nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Ableitkanals (5) etwa gleich dem Gesamt-Querschnitt des Schlitzes (7) ist.

8. Schlitzsonde nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß im Ableitkanal (6) eine Sekundärsonde (10) vorgesehen ist, die über den Querschnitt des Ableit­ kanals (5) reichende oder verteilte Probenahmeöffnungen (10.1) aufweist, die mit einem Analysengerät verbindbar ist.

9. Schlitzsonde nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Ableitkanal (5) zumindest nahe dem Sondenarm (2) in Richtung der Achse (3) der Leitung (1) weist und vorzugsweise mit ihr zusammenfällt und daß eine mittels einer Drehdichtung (Labyrinth, Tauchdichtung o.dgl.) versehenes Gelenk (8) zwischen dem Anschluß­ stutzen (4.1) des Strömungskanals (4) und dem Ableit­ kanal (5) vorgesehen ist.

10. Schlitzsonde nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Ableitkanal (5) in Entfernung von dem Sondenarm (2) einen 90° Krümmer aufweist, dessen Abgangsrohr die Wand der Leitung (1) durchdringt und daß mit der die Probe absaugenden Pumpe verbindbar ist.

11. Schlitzsonde nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß vor dem Krümmer (5.2) eine den ganzen Querschnitt überdeckte Entnahmesonde (10) mit über den gesamten Querschnitt reichende oder verteilte Entnahme­ öffnungen (10.1) angeordnet ist, die mit einem Analysen­ gerät verbindbar ist.