DE4137253A1 - Staubsensor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Staubsensor, insbesondere für Feinstaub gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Die Kontrolle des Staubgehaltes in der Umgebungsluft oder in Prozeßgasen ist für mehrere in­ dustrielle Verfahren von großer Bedeutung. Als Beispiel sei die Reinstraumtechnik in der Halb­ leitertechnologie oder bei der Herstellung von Magnetplattenschichten genannt. Besonders die Kontrolle des Gehaltes an Staubpartikeln kleiner als 1 Mikrometer ist entscheidend, da einerseits solche Partikel bei verschiedenen Arbeiten als Abrieb ständig entstehen oder in zugeführten Prozeßgasen enthalten sein können, andererseits werden Strukturen oder Schichten mit Dimen­ sionen in diesem Größenbereich technologisch bedeutsamer. Ein weiteres Gebiet, wo die Kon­ trolle des Staubgehaltes in der Umgebungsluft von besonderer Bedeutung ist, ist z. B. die Um­ welttechnik, insbesondere die Kontrolle der Rußpartikelemission in Verbrennungsprozessen.

Die Kontrolle des Staubpartikelgehaltes mit Partikelgröße in Submikrometerbereich kann durch optische Methoden oder durch die Bestimmung der Staubkonzentration geschehen. Die opti­ schen Verfahren zur Bestimmung des Staubpartikelgehaltes, wie z. B. Analyse der Laserlichtbeu­ gung, benötigen eine hohen apparativen und finanziellen Aufwand und werden deshalb zur ständigen Kontrolle nicht eingesetzt. Eine gleichzeitige Messung der Staubpartikelkonzentration an mehreren verschiedenen Stellen eines Reinstraumes ist mit optischen Methoden machbar, jedoch ist dieses Verfahren dann sehr aufwendig.

Das häufigste Verfahren zur Bestimmung der Staubkonzentration ist das Auszählen der Partikel, welche auf einer Impaktorplatte angesammelt sind im Rasterelektronenmikroskop oder das Auswiegen des Differenzgewichtes eines Filtervlieses vor und nach der Gasstrombelastung. Da zwischen dem Zeitpunkt des Staubsammelns und dem Zeitpunkt des Auswertens immer eine Zeit vergeht, kann dieses Verfahren nur zu einer nachträglichen Bestimmung des Staubgehaltes in einem Raum genutzt werden. Dies ist nachteilig.

Neben den beschriebenen Einrichtungen sind auch Gassensoren bekannt, bei denen die elektri­ sche Leitfähigkeit durch die Absorption der Gase in dem verwendeten Halbleitermaterial geschieht. Durch das absorbierte Gas werden zusätzliche Störstellen in das Halbleitermaterial eingebracht. Diese Sensoren sind teuer in der Herstellung, da das verwendete Material teuer ist. Darüber hinaus kann die Staubpartikelgröße mit diesen Sensoren nicht bestimmt werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Staubsensor zu entwickeln, welcher eine kon­ tinuierliche Bestimmung des Staubgehaltes in Abhängigkeit von der Staubpartikelgröße ermög­ licht und darüber hinaus eine Warn- bzw. Alarmfunktion erfüllt.

Diese Aufgabe ist durch die im Hauptanspruch angegebene Erfindung gelöst. Die Unteransprü­ che stellen vorteilhafte Weiterbildungen dar.

Die Ausgestaltung des Staubsensors derart, daß die elektrische Leitfähigkeit des Filtervlieses in Abhängigkeit von dem Staubgehalt sich verändert bietet die Möglichkeit, den Feinstaubgehalt in Gasen zu kontrollieren und bei Überschreitung eines Grenzwertes Warnsignale bzw. eine Schutzvorrichtung auszulösen. Dadurch, daß das Filtervlies eine gasdurchlässige, poröse Struktur aufweist, kann die Porengröße des verwendeten Filtervlieses der Staubpartikelgröße, bei der z. B. eine Alarmfunktion ausgelöst werden soll, angepaßt werden. Setzen sich die Staub­ partikel einer bestimmten Größe in den Poren des elektrisch leitenden Filtervlieses ab, so wird die Leitfähigkeit desselben verändert. Wird die Änderung der Leitfähigkeit des Filtervlieses über­ wacht, so kann sofort das Auftreten einer bestimmten Partikelgröße in der Gasströmung bzw. in der Umgebungsluft registriert werden. Darüber hinaus ist es möglich, durch Vergleichmessun­ gen die Änderung der elektrischen Leitfähigkeit einer bestimmten Zusammensetzung des Stau­ bes zuzuordnen. Damit ist es auch möglich, eine zu erwartende Staubzusammensetzung zu be­ stimmen. Strömt ein mit Staubpartikeln beladenes Gas durch den erfindungsgemäßen Staub­ sensor, so fangen sich Staubpartikel, die größer als die Porenweite des Filtervlieses sind, in des­ sen Netzwerk. Metallische Staubpartikel bilden in dem elektrisch leitenden Filtervlies zusätzliche elektrisch leitende Verbindungen, nichtmetallische Staubpartikel verändern die dielektrischen Ei­ genschaften des Netzwerkes. Die Messung der komplexen elektrischen Leitfähigkeit bei einer geeigneten Wechselspannungsfrequenz kann über diese Veränderung Aufschluß geben und somit unmittelbar bei Veränderung der Staubansammlung in dem Netzwerk ausgewertet wer­ den. Das ausgewertete Signal kann als Alarmsignal dienen oder bei Überschreitung eines Grenzwertes eine Schutzvorrichtung auslösen. Die Abfrage elektrischer Eigenschaften des Fil­ tervlieses kann ständig vorgenommen werden und elektronisch weiterverarbeitet werden, so daß eine kontinuierliche Bestimmung des Staubgehaltes möglich ist.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung nach Anspruch 2 ist der Staubsensor so beschaffen, daß sein Filterflies aus einer porösen gasdurchlässigen Unterlage mit einer metallischen Schicht versehen ist. Dadurch kann die Unterlage aus einem nicht leitenden Material bestehen, wie z. B. aus Keramik, Glas, Gewebe, organischen Substanzen, wie Zellulosenitrat u.ä., welche durch die Metallisierung elektrisch leitend gemacht wird.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann die metallische Schicht auf die Oberfläche der po­ rösen gasdurchlässigen Unterlage aufgebracht werden. Eine solche Schicht kann z. B. eine Me­ tallpulverschicht sein. Vorzugsweise wird diese Metallpulverschicht direkt im Verfahren der Gas­ kondensation auf die Oberfläche der Unterlage aufgebracht. Die Porengröße des Filtervlieses wird nach diesem Verfahren direkt durch das Aufbringen der Pulverschicht und durch die Größe der Pulverpartikel bestimmt. Die so aufgebrachte Metallpulverschicht weist üblicherweise eine Dicke von 5 µm auf. Zur Herstellung dieser Metallpulverschicht werden auch Feinstpulver gewählt, welche eine Korngröße kleiner 100 nm aufweisen. Das Abscheiden durch Gaskondensation ist bei dieser Pulverpartikelgröße von besonderer Bedeutung, da jede Oxidschicht die Pulverpartikelgröße unverhältnismäßig verändert.

Eine andere Möglichkeit der Metallisierung der porösen, gasdurchlässigen Unterlage des Filterv­ lieses ist das Versehen der gewählten Unterlage mit einer kontinuierlichen dünnen Metallschicht. Dies kann vorzugsweise durch Aufdampfen oder durch galvanisches stromloses Abscheiden eines Metalles auf der Unterlage geschehen. Bei diesen Verfahren ist die Porengröße des Filtervlieses durch die Porengröße der Unterlage bestimmt. Die auf der porösen Unterlage abgeschiedene Metallschicht muß jedoch so dünn sein, daß die Poren der Unterlage, welche eine Größenordnung von 0,01 bis 8 µm aufweisen, nicht verstopft werden. Durch das Metallaufdampfen bzw. ein stromloses Abscheiden eines Metalles auf der Unterlage ist eine Schichtdicke kleiner als die Porengröße der Unterlage erreichbar.

Vorteilhaft ist es, wenn die metallisierte Unterlage dünn ist. Dadurch ist ihr Strömungswiderstand sehr gering und die Funktion des Staubsensors besser, da der Einfluß einer relativ geringen Anzahl von Staubpartikeln auf die Leitfähigkeit größer ist.

Die Erfindung wird in den nachfolgenden Zeichnungen anhand eines Ausführungsbeispieles nä­ her erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 Eine schematische Darstellung eines Staubsensors mit einer Metallpulverschicht.

Fig. 2 Eine schematische Darstellung eines Staubsensors mit einer metallisierten Unterlage.

Der erfindungsgemäße Staubsensor 1 weist eine gasdurchlässige, stabilisierende Unterlage 2 und eine Metallpulverschicht 3, welche das Filtervlies 4 bilden, auf. Die gasdurchlässige stabilisierende Unterlage 2 kann z. B. aus Glasfasergewebe oder einem organischem Gewebe bestehen. Die Metallpulverschicht 3 befindet sich auf der Oberfläche der gasdurchlässigen Un­ terlage 2. Die Größe der Poren 8 des Filtervlieses 4 wird durch die Metallpulverschicht 3 be­ stimmt. An beiden Enden des Filtervlieses 4 befinden sich elektrische Kontakte 5, welche zur Messung der Änderung der elektrischen Leitfähigkeit des Filtervlieses 4 dienen.

In Fig. 2 ist eine andere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Staubsensors dargestellt. Die gasdurchlässige Unterlage 2 des Filtervlieses 4 ist durchgehend metallisiert. Dies bedeutet, daß die metallische Schicht 6 sowohl die Oberfläche der Unterlage 2 als auch ihre Poren 7 um­ gibt. Die elektrischen Kontakte 5 sind ähnlich wie im Ausführungsbeispiel nach der Fig. 1 angeordnet.

Claims (10)

1. Ein Staubsensor, insbesondere für metallischen oder nichtmetallischen Feinstaub, mit einem Filtervlies, dadurch gekennzeichnet, daß das Filtervlies (4) hier eine gasdurchläs­ sige, poröse Struktur aufweist und elektrisch leitend ist, wobei seine elektrische Leitfähig­ keit durch die Menge und Größe der in den Poren (7, 8) festgesetzten Staubpartikel beein­ flußbar ist.

2. Staubsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Filtervlies (4) aus einer gasdurchlässigen, porösen Unterlage (2) besteht, welche mit einer metallischen Schicht (3, 6) versehen ist.

3. Staubsensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die metallische Schicht durch eine auf der Oberfläche der Unterlage (2) abgeschiedene Metallpulverschicht (3) gebildet ist.

4. Staubsensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallpulverschicht (3) auf die Unterlage (2) mittels Gaskondensation aufgebracht ist.

5. Staubsensor nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe der Poren (8) des Filtervlieses (4) durch die abge­ schiedene Metallpulverschicht (3) bestimmbar ist.

6. Staubsensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die metallische Schicht eine dünne, die gesamte Unterlage (2) umgebende Schicht (6) ist.

7. Staubsensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die metallische Schicht (6) durch Aufdampfen auf die Unterlage (2) aufgebracht ist.

8. Staubsensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die metallische Schicht (6) durch galvanisches Abscheiden auf die Unterlage (2) aufgebracht ist.

9. Staubsensor nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Po­ rengröße des Filtervlieses (4) durch die Größe der Poren (7) der Unterlage (2) be­ stimmbar ist.

10. Staubsensor nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Porengröße (7, 8) des Filtervlieses (4) der Staubpartikelgröße anpaßbar ist.