DE4129697A1

DE4129697A1 - Filterkopfsonde zur gravimetrischen bestimmung des staubgehaltes in stroemenden gasen, insbesondere fuer die beurteilung staubfoermiger emissionen

Info

Publication number: DE4129697A1
Application number: DE19914129697
Authority: DE
Inventors: Robert Dr Ing Eschrich
Original assignee: Individual
Current assignee: Erwin Sick GmbH Optik Elektronik
Priority date: 1991-09-06
Filing date: 1991-09-06
Publication date: 1993-03-11
Anticipated expiration: 2011-09-07
Also published as: DE4129697C2

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Filterkopfsonde zur gravimetrischen Bestimmung des Staubgehaltes in strömenden Gasen insbesondere für die Beurteilung staubförmiger Emissionen. Speziell werden damit Messungen zur Ermittlung der Abscheideleistung von Entstaubungsanlagen oder zur Kalibrierung registrierender Staubmeßeinrichtungen durchgeführt.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Im Streben nach einheitlichen Messungen auch unter unterschied lichen Einsatzbedingungen werden in der VDI-Richtlinie 2066 B1.1 die grundlegenden Bedingungen und Anforderungen an Geräte und Methoden genannt.

Filterkopfgeräte sind Innenfiltergeräte, das heißt, das Staubrückhaltesystem des Gerätes befindet sich im Hauptgasstrom in Nähe der Probenahmestelle. Durch diese Bauart werden insbesondere Staubverluste im Absaugrohr minimiert aber auch störende Kondensatniederschläge im Teilgasstrom ohne zusätzliche Geräteheizung vermieden. Innenfiltergeräte werden vorzugsweise zum Messen geringer Staubkonzentrationen angewendet.

Die VDI-Richtlinie 2066 B1.2 beschreibt speziell Filterkopfgeräte mit Hülsenfiltern aus Papier, Glasfasern oder Edelstahl gestopft mit Quarzwatte. Ein Nachteil der Hülsenfilter ist, der Staubniederschlag ist kaum für weitere Analysen verwendbar. Das Filtertara von 30 . . . 60 g ist mit entscheidend für die Nachweisgrenze. Sie liegt nach W. Jockel (STAUB UND STAUBINHALTSTOFFE ANALYSIEREN UND REGISTRIEREN, VDI-Sem. Nov. 90) bei 0,7 bzw. 2 mg/m³. Hülsenfilter, insbesondere gestopfte Wattefilter, erfordern auch eine aufwendige Vorbehandlung, um Meßfehler z. B. durch Faseraustrag beim Durchsaugen des Teilgases zu vermeiden.

Die weiterführende VDI-Richtlinie 2066 B1.7 beschreibt an zwei Ausführungsbeispielen ein Planfilterkopfgerät für die Messung niedrigster Staubkonzentrationen mit einer Nachweisgrenze von 0,2 mg/m³. Das Entnahme- und Rückhaltesystem besteht hier wie auch bei anderen Filterkopfgeräten aus mehreren miteinander verschraubten Elementen wie Entnahmesonde, Einlaufkonus, Filterhalter, deren Demontage zum Herausnehmen der Staubprobe für die Auswertung eine aufwendige Handhabung erfordert, um Fehler durch Staubverluste zu vermeiden.

Solche Fehler können entstehen durch Kontamination von Staubteilchen in der Entnahmesonde (Absaugrohr) und im Einlaufkonus aber auch schon durch unkontrollierbares Lösen und Herausfallen von Staubteilchen aus dem Filterkopf bei dessen Handhabung nach dem Absaugen.

Eine besondere Forderung ist das isokinetische Absaugen des Teilgasstromes, um Meßfehler durch Entmischungsvorgänge in der Einlaufströmung des Teilgases schon vor der Absaugöffnung zu vermeiden. Allgemein geht deshalb der Absaugung an einem bestimmten Meßpunkt im Kanal die Bestimmung der Strömungs geschwindigkeit an dieser Stelle (in der Regel mit einem Staurohr) voraus. Aber die nicht zeitgleiche Messung von Strömungsgeschwindigkeit und von Teilgasstrom ist keine Gewähr für isokinetisches Absaugen insbesondere bei länger dauernden Netzmessungen. Umständlich ist auch der wechselnde Ein- und Ausbau von Staudrucksonde und Filterkopfsonde.

Die Anwendung von Nulldrucksonden mit ihren Vorteilen bei der isokinetischen Absaugung ist offensichtlich wegen der komplizierten Anordnung von Druckmeßstellen im Absaugrohr bei Filterkopfgeräten wenig gebräuchlich und auch in den speziellen VDI-Richtlinien nicht bedacht.

Aufgabe der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Filterkopfsonde mit Absaug- und Rückhaltesystem zu schaffen, bei welcher Meßfehler durch Kontamination prinzipiell ausgeschlossen sind, welche bei Staubprobenahme und Filterwechsel leicht und ohne die Gefahr von Staubverlusten zu handhaben ist, mit deren Rückhaltesystem die Staubprobe ohne Gefahr von Verlusten transportiert werden kann und welche des weiteren die Kontrolle und Sicherung der Isokinetik durch gleichzeitige Erfassung der Strömungsgeschwindigkeit und des Teilgasstromes gewährleistet sowie relativ geringe Transportabmessungen aufweist.

Vorteile der erfindungsgemäßen Lösung

Durch die erfindungsgemäße Lösung ergeben sich folgende Vorteile: Mit dem Staubsammler, der einheitlich aus Absaugrohr und Meßfilter besteht, werden Meßfehler durch Kontamination von Staubteilchen im Absaugrohr grundsätzlich vermieden. Die geschlossene Bauart des Staubsammlers ermöglicht ein leichtes Wechseln vor Ort ohne die Gefahr von Verlusten der Staubprobe auch beim weiteren Transport. Die Anwendung des Planfilters reduziert gegenüber dem gestopften Hülsenfilter den Aufwand für Vor- und Nachbehandlung und gestattet die Verwertbarkeit der Staubprobe für weitere Analysen.

Die Bauform des Staubsammlers ermöglicht eine dünnwandige Ausführung mit geringem Leergewicht und damit eine niedrige Nachweisgrenze der Staubkonzentration.

Die Erfassung aller notwendigen Meßwerte mit nur einer Sonde für die Kontrolle und Sicherung der Isokinetik und zur Ermittlung des Teilgasstromes reduziert den sonstigen Meßaufwand. Der zerlegbare Sondenschaft erleichtert den Transport der mobilen Meßeinrichtung für Einsatz an großen Meßkanälen.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung wird an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 die Filterkopfsonde in Seitenansicht und Längsschnitt,

Fig. 2 die zugehörige Vorderansicht in Anströmrichtung und dazu,

Fig. 3 einen Querschnitt mit Anordnung der Druckmeßleitungen,

Fig. 4 den Staubsammler 1 aus Fig. 1 in detailierter Darstellung,

Fig. 5 die Funktionsschaltung der Druckmeßstellen beim Absaugen,

Fig. 6 die Funktionsschaltung der Druckmeßstellen zur Korrektur der Staudruckmessung.

Nach Fig. 4 ist der Grundkörper des Staubsammlers (1) ein dünnwandiges Blechformteil - bestehend aus dem gekrümmten Absaugrohr (2) und einem gewölbten Filterteller (3). Am flachen Rand des Filtertellers ist die Filtermembran (4) mit einem umlaufenden Falz (5) aus Alu-Folie befestigt. Für die Durchführung von Staubmessungen steht zweckmäßig eine Serie von Staubsammlern mit unterschiedlich großen Absaugöffnungen (6) zur Verfügung. Gestufte Durchmesser der Absaugöffnung (6) ermöglichen für isokinetisches Absaugen die Anpassung der Absaugleistung des Filterkopfgerätes an die örtliche Strömungsgeschwindigkeit im Hauptgasstrom.

Nach Fig. 1 ist der Staubsammler (1) im Filtergehäuse (7) mit einer ringförmigen Verschlußschraube (8) befestigt. Die Verschlußschraube (8) drückt über eine konzentrische Druckfläche (9) den Staubsammler gleichmäßig am Außenrand über Filtermembran (4) und Falz (5) auf den Dichtring (10). Dabei liegt die druckbelastete Filtermembran (4) auf der Stützscheibe (11), die das Bersten der Membran verhindert. Für die Stützscheibe (11), oft als Lochscheibe gestaltet, kann vorteilhafterweise eine Porenscheibe aus Sintermetall (Metallfilter) Verwendung finden. Hinter der Stützscheibe (11) ist zur Bestimmung des Teilgasstromes eine Durchflußmeßdüse (12) mit den Druckmeßstellen (13, 14) angeordnet. Auf der zylindrischen Außen fläche des Filtergehäuses (7) sind Druckmeßbohrungen (15, 16, 17) zur Ermittlung der Strömungsgeschwindigkeit des Hauptgasstromes angeordnet. Dabei ist die Gesamtdruckbohrung (16) parallel zur Absaugöffnung (6) ausgerichtet. Die beiden statischen Druckmeßbohrungen (15, 17) sind, wie Fig. 3 zeigt, symmetrisch zur Gesamtdruckbohrung (16) angeordnet.

Mit der weiterführenden Absaugleitung (18) und den fünf Druckmeßleitungen (19) ist das Filtergehäuse (7) bzw. der komplette Filterkopf, bestehend aus den Positionen (1 bis 17), am Sondenschaft (20) befestigt. Die Leitungen (18, 19) sind in den mehrkanaligen Profilschlauch (21) eingebunden, der den Teilgasstrom und die Druckmeßimpulse nach außen führt. Zur vollständigen Erfassung des Gaszustandes ist ein Temperaturmeßfühler (22) in Nähe des Filterkopfes angeordnet. Die zugehörige Meßleitung (23) ist parallel zu den Druckmeßleitungen angeordnet.

Durch einen oder mehrere Rohrschüsse (24) mit der bündigen Rohrverschraubung (25) kann der Sondenschaft (20) auf die jeweils geforderte Eintauchtiefe des Filterkopfes in den Hauptgaskanal verlängert werden.

Die Funktionen der Druckmeßstellen (13 bis 17) beim isokinetischen Absaugen sollen an den Funktionsschaltbildern Fig. 5 und Fig. 6 näher erläutert werden.

Besonders wichtig für das isokinetische Absaugen nach Fig. 5 sind die Differenzdrücke (26, 27).

Für den Differenzdruck (26) wird der Gesamtdruck (16) gegen den gemittelten statischen Druck von (15) und (17) gemessen. Dieser Differenzdruck ist abhängig von der Strömungsgeschwindigkeit des Hauptgasstromes. Nach einer Berechnung (28) - von Hand oder automatisch - liefert der Differenzdruck (26) unter Berücksichtigung weiterer Einflußgrößen den "isokinetischen" Teilgasstrom bzw. den entsprechenden Sollwert für den Differenzdruck (27) der Durchflußmeßdüse (12). Der Regler (29) - Mensch oder Automat - paßt den Meßwert (27) dem Sollwert (26) an. Bei dieser Anpassung kann durch den räumlichen Abstand von Absaugöffnung (6) und Druckmeßstelle (16) ein Absaugfehler entstehen, wenn das Geschwindigkeitsprofil des Hauptgasstromes in diesem Bereich einen Gradienten hat.

Dieser Störeinfluß wird aber durch eine vorausgehende Staudruckmessung nach Fig. 6 systematisch ausgeschaltet.

Bei abgesperrter Absaugleitung (18) - Absperrhahn (30) - nimmt das Absaugrohr den Gesamtdruck an der Absaugöffnung (6) auf, der mit dem umgestellten Wegeventil (31) gegen den gemittelten statischen Druck der Meßstellen (15) und (17) gemessen wird und den Differenzdruck (32) liefert. Dieser Differenzdruck im Verhältnis zum gleichzeitig gemessenen Differenzdruck (26) kennzeichnet den Einfluß des Geschwindigkeitsprofiles im Hauptgasstrom und gewährleistet als berücksichtigte Einflußgröße in der Berechnung (28) die Isokinetik.

Auch durch Quer- oder Drallkomponenten im Hauptgasstrom entstehen Absaugfehler. Diese Fehler lassen sich reduzieren, wenn die Sonde auf die Strömungsrichtung ausgerichtet und der entsprechende Strömungswinkel in der Auswertung berücksichtigt wird. Dieser Strömungswinkel läßt sich besonders sensibel mit einer Gegeneinanderschaltung der Druckmeßstellen (15, 17) durch Nullabgleich dieses Differenzdruckes bei entsprechendem Drehen des Sondenschaftes bestimmen.

Claims

1. Filterkopfsonde zur gravimetrischen Messung des Staubgehaltes in Gasströmen (Kanalströmungen) durch Absaugen eines Teilgasstromes, Abscheidung des Staubes des Teilgases auf einer Filtermembran mit Messung der Teilgasmenge und nachträglichem Auswiegen der abgeschiedenen Staubmenge, dadurch gekennzeichnet, daß am Filtergehäuse (7) der Filterkopfsonde ein auswechselbarer Staubsammler (1) angeordnet ist, welcher einheitlich aus einem Absaugrohr (2), einem Filterteller (3) und der Filtermembran (4) besteht, wobei auf der konvexen Seite des Filtertellers (3) das Absaugrohr zentral fest eingebunden ist, und die Filtermembran die konkave Seite des Filtertellers überspannt und verschließt.

2. Filterkopfsonde zur gravimetrischen Messung des Staubgehaltes in Gasströmen (Kanalströmungen) durch Absaugen eines Teilgas stromes, dadurch gekennzeichnet, daß auf einem Filtergehäuse (7) Druckmeßbohrungen (15, 16, 17) zur Staudruckmessung im Hauptgasstrom angeordnet sind.

3. Filterkopfsonde zur gravimetrischen Messung des Staubgehaltes in Gasströmen (Kanalströmungen), dadurch gekennzeichnet, daß ein Sondenschaft (20) vorhanden ist, der aus Rohrschüssen (24) besteht, die mit einer bündigen Rohrverschraubung (25) verbunden sind und in welchen zur Teilgasabführung, zur Übertragung der Meßdrücke, zur Aufnahme von Temperaturmeßleitungen ein dickwandiger Profilschlauch (21) und mit separaten Kanälen in der Schlauchwand angeordnet ist.

4. Filterkopfsonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Staubsammler (1) im Filtergehäuse (7) mit einer ringförmigen Verschlußschraube (8) befestigt ist, wobei eine konzentrische Druckfläche (9) nahe am Innenrand der Verschlußschraube und auf der konvexen Seite des Filtertellers (3) vorhanden ist.

5. Filterkopfsonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Filtermembran (4) am Rand des Filtertellers (3) mit einer Klebverbindung oder mit einem Falz (5), z. B. aus Plast oder Metallfolie, befestigt ist.

6. Filterkopfsonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Filtergehäuse (7) eine Stützscheibe (11), z. B. eine Loch oder Porenscheibe, für die Filtermembran (4) und ein Dichtring (10) zur Auflage des Tellerrandes des Staubsammlers (1) angeordnet sind.

7. Filterkopfsonde nach Anspruch 1 und 6 , dadurch gekennzeichnet, daß im Filtergehäuse (7) mit Abstand zur Stützscheibe (11) eine Durchflußmeßdüse (12) mit Druckmeßstellen (13, 14) im Teilgasstrom angeordnet ist.

8. Filterkopfsonde nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß der Sondenschaft (20) und das Filtergehäuse (7) koaxial angeordnet sind und daß das Absaugrohr (2) hakenförmig gebogen ist, und zwar so, daß die Normale der Absaugöffnung (6) senkrecht zur Achse des Sondenschaftes steht.

9. Filterkopfsonde nach Anspruch 1, 2 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß auf der zylindrischen Außenfläche des Filterkopfgehäuses (7) eine Gesamtdruckbohrung (16) und symmetrisch dazu im spitzen Winkel zwei statische Druckbohrungen (15, 16) angeordnet sind, wobei die Normalen der Gesamtdruckbohrung und der Absaugöffnung (6) parallel und gleichgerichtet sind.