DE60106931T2

DE60106931T2 - Abgaspartikel-gewichtsmesseinrichtung mit echtzeit-feuchtigkeitsbestimmung

Info

Publication number: DE60106931T2
Application number: DE60106931T
Authority: DE
Inventors: John Hiss
Original assignee: Rupprecht and Patashnick Co Inc
Current assignee: Thermo Environmental Instruments Inc
Priority date: 2000-08-10
Filing date: 2001-07-13
Publication date: 2005-10-27
Anticipated expiration: 2021-07-14
Also published as: WO2002031469A1; DE60106931D1; JP2004511769A; JP3793947B2; AU2001275919A1; US6439027B1; WO2002031469B1; EP1307722B1; EP1307722A1

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft Partikel-Gewichtsmessinstrumente, die in der Lage sind, zur Echtzeiteinstellung der isokinetischen Probeentnahme während der Messung des Gewichts der in einem Kamin oder in einer anderen Abgasleitung strömenden teilchenförmigen Stoffe den Feuchtigkeitsgehalt von Abgas in Echtzeit zu messen.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die Gewichtsmessung von Abgaspartikeln, die in einem Kamin oder in einer anderen Abgasleitung von solch stationären Quellen, wie z. B. Kohleverbrennungseinrichtungen, Müllverbrennungsanlagen, Sondermüllverbrennungsanlagen, Zementfabriken, Papier und Zellstoff verarbeitenden Fabriken und dergl. strömen, ist wegen der Beziehung zwischen teilchenförmigen Stoffen und gesundheitsschädigenden Wirkungen von großer Wichtigkeit.
Zahlreiche Ausführungsbehörden rund um die Welt fordern eine kontinuierliche Gewichtsmessung von aus Kaminen austretenden teilchenförmigen Stoffen.
Die Entnahme einer repräsentativen Probe von in einem Kamin strömendem Abgas zur Messung des Partikelgewichts erfordert im allgemeinen, dass die Probe isokinetisch entnommen wird. Eine isokinetische Probe wird entnommen, indem die kinetische Energie der Probe beim Eintritt in das Probenventil einer Gewichtsmesseinrichtung gewahrt bleibt. Die kinetische Energie ist eine Funktion der Masse und Geschwindigkeit der Probe. Da die Masse der Probe im allgemeinen konstant bleibt, lässt sich die kinetische Energie der Probe aufrechterhalten, indem die Geschwindigkeit des im Kamin strömenden Abgases mit der Geschwindigkeit der Probe des durch das Probenventil strömenden Abgases in Übereinstimmung gebracht wird. Das heißt, eine isokinetische Probe ist eine solche, die mit gleicher Geschwindigkeit wie die Geschwindigkeit des im Kamin strömenden Abgases gezogen wird.
Die Geschwindigkeit V des im Kamin strömenden Abgases wird typischerweise ermittelt, indem ein Pitotrohr verwendet wir, das im Abgas angeordnet ist, welches im Kamin nach der folgenden Beziehung strömt: V = C × (PitotDP)0,5 × (T/(P × Ms))0,5 in welcher
C eine Kalibrierungskonstante für das Pitotrohr;
PitotDP den über das Pitotrohr ermittelten Druckabfall;
T die absolute Temperatur des Abgases;
P den absoluten Druck des Abgases und
Ms das Molekulargewicht des Abgases mitsamt Wasserdampf
bedeuten.
Typischerweise werden die Temperatur mittels eines Temperaturfühlers oder eines Thermoelements, der Druckabfall über das Pitotrohr (PitotDP) mit Hilfe von Druckmesswertwandlern und der absolute Druck (P) mit Hilfe eines Druckmesswertwandlers ermittelt.
Während die oben angegebenen Bestimmungen für die Temperatur und die Drücke in Echtzeit erfolgen können, stammt das Molekulargewicht des Abgases mitsamt Wasserdampf M_s vom Anwender und ist geschätzt, was zur Folge hat, dass die Geschwindigkeit V des im Kamin strömenden Gases nur eine Annäherung ist. Insbesondere beruht das Molekulargewicht M_s des Abgases auf dem Trockenmolekulargewicht des Gases (das z. B. erhalten wird, indem Kohlendioxid(CO₂)- und Sauerstoff(O₂)-Sonden verwendet werden und angenommen wird, dass das restliche Gas in der Zusammensetzung Stickstoff (N₂) ist und indem der Feuchtigkeitsgehalt, d. h. der volumenmäßige Anteil an Wasserdampf in dem durch das Kamin strömenden Abgas, abgeschätzt wird).
Während der Probeentnahme wird der Feuchtigkeitsgehalt des Gasstroms z. B. nach Methode 4 des US-Umweltschutzamtes (EPA) ermittelt. In EPA-Methode 4 wird ein bekanntes Abgasvolumen über die Kondensation in eine Reihe von scha lenförmigen Auffanggefäßen und Absorption in Silicagel entnommen. Das Gewicht des gesammelten Wassers wird sodann gemessen und zur Bestimmung des Feuchtigkeitsgehalts im Gasstrom auf das bekannte Abgasvolumen rückbezogen. Die Nachteile eines solchen Verfahrens sind darin zu sehen, dass der Feuchtigkeitsgehalt einen Mittelwert über die Zeit darstellt und der mittlere Feuchtigkeitsgehalt erst nach Ende der Probeentnahme bestimmt wird. Das Ziel ist es, die Übereinstimmung der geschätzten Geschwindigkeit des im Kamin strömenden Abgases und der Geschwindigkeit des Abgases (d. h. unter Verwendung des gemessenen mittleren Feuchtigkeitsgehalts) innerhalb von +/–10% zu halten, was als ausreichend für das Einstellen von isokinetischen Bedingungen angesehen wird.
In der US 5,369,981 wird ein Verfahren zur kontinuierlichen Bestimmung des Staubgehalts von fließenden Medien mit einer Probeentnahme unter isokinetischem Fluss offenbart, wobei der Staub oder die Aerosole mittels Filtration über einen auf einem Filter befindlichen Filterkuchen abgetrennt werden und der Druckabfall am Filter gemessen wird, um seine Verstopfung zu ermitteln.
Es besteht also ein Bedarf nach einer Vorrichtung und einem Verfahren zur Echtzeit-Messung des Feuchtigkeitsgehalts in einem Abgas zur Echtzeiteinstellung der isokinetischen Probeentnahme während der Messung der Partikelmasse. Allgemeiner gesagt werden solche Feuchtigkeitsmessungen benötigt, um den Massenfluss und die gesamte volumetrische Fließgeschwindigkeit eine Emissionsquelle zu bestimmen, um die Massenemissionsrate regulierter Schadstoffe zu berechnen. Kontinuierliche oder Echtzeit-Feuchtigkeitsmessungen sind erwünscht, weil viele Schadstoffe durch kontinuierlich arbeitende Emissionsmonitore (CEMs) kontinuierlich gemessen werden.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung stellt eine Partikel-Gewichtsmesseinrichtung zum Messen des Teilchengewichts von in einem Kamin strömendem Abgas zur Verfügung. Die Einrichtung enthält eine Gewichtsmessanordnung zum Messen des Teilchengewichts des im Kamin strömenden Abgases, Mittel zur Echtzeitmessung des Feuchtigkeitsgehalts des im Kamin strömenden Abgases und eine Regeleinrichtung zur Überwachung der isokinetischen Probeentnahme aus dem Abgas, welches von der Messeinrichtung auf Grundlage des Echtzeit-Feuchtigkeitsgehalts des im Kamin strömenden Abgases gemessen werden kann.
Ein Verfahren zur Messung des Teilchengewichts von in einem Kamin strömendem Abgas umfasst die Ermittlung des Feuchtigkeitsgehalts des Abgases in Echtzeitmessung;
die Erfassung einer isokinetischen Probe eines Teils des Abgases auf Grundlage der Echtzeitmessung des Feuchtigkeitsgehalts des Abgases und Erhalt des Teilchengewichts aus der Messung der isokinetischen Probe.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Erfindung wird zusammen mit ihren weiteren Gegenständen und Vorteilen unter Hinweis auf die folgende genaue Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen und die anhängenden Zeichnungen besser verstanden.
1 ist eine schematische Wiedergabe einer erfindungsgemäßen Ausführungsform für eine Partikel-Gewichtsmesseinrichtung, die in der Lage ist, zur Echtzeiteinstellung der isokinetischen Probeentnahme während der Messung des Teilchengewichts im Abgas den Feuchtigkeitsgehalt des Abgases in Echtzeit zu bestimmen.
2 ist eine schematische Wiedergabe einer Strömungssonde, die für einen Einsatz in der Einrichtung der 1 geeignet ist.
GENAUE BESCHREIBUNG
1 zeigt eine erfindungsgemäße Partikel-Gewichtsmesseinrichtung 100 zum Messen des Teilchengewichts von in einem Kamin 14 strömendem Abgas 12. Wie genauer weiter unten ausgeführt wird, enthält die Partikel- Gewichtsmesseinrichtung 100 einen Monitor oder Mittel zur Echtzeitmessung des Feuchtigkeitsgehalts des Abgases 12 und zur Echtzeiteinstellung der isokinetischen Probeentnahme auf Grundlage der Echtzeitmessung des Feuchtigkeitsgehalts des Abgases während der Messung des Teilchengewichts im Abgas 12. Der hier verwendete Ausdruck „Echtzeit" bedeutet im wesentlichen die aktuelle Zeit, während welcher die Probeentnahme stattfindet.
Die Partikel-Gewichtsmesseinrichtung 100 ist ähnlich und enthält die im Folgenden genauer erklärten Verbesserungen gegenüber der im US-Patent 5,970,781 von Hiss, III et al. mit den Titel „In-Stack Direct Particulate Mass Measurement Apparatus and Method" und im US-Patent 6,016,688 von Hiss, III et al. mit dem Titel „In-Stack Direct Particulate Mass Measurement Apparatus and Method with Pressure/Flow Compensation" beschriebenen Partikel-Gewichtsmesseinrichtung.
Beispielsweise enthält die Gewichtsmesseinrichtung 100 eine im Kamin 14 am Ende eines ausfahrbaren Auslegers 18 oder einer anderen Haltevorrichtung angebrachte Gewichtsmessanordnung oder Sonde 16. Die Gewichtsmessanordnung 16 ist über die pneumatischen Leitungen 20 und 22 und die elektrische Signalleitung 24 mit einer Kontrolleinheit 26 verbunden. Die pneumatischen Leitungen und die elektrische Signalleitung verlaufen vorzugsweise entlang dem und durch den Ausleger 18. Vorteilhafterweise lassen sich die pneumatischen Leitungen 20 und 22 ganz oder nur teilweise kontrollierbar erwärmen. Die Kontrolleinheit 26 kann in der Nähe des Auslegers 18 oder entfernt von diesem angeordnet sein.
Der Ausdruck „Kamin" ist hier breit auszulegen und bezeichnet jede Durchgangsverbindung, durch welche ein mit Teilchen beladenes Gas fließt. Der Ausdruck „Abgas" wird hier verwendet, um jedes mit solchen Teilchen beladene Gas zu bezeichnen. Diese Erfindung kann in jeder Einrichtung zum Einsatz kommen, welche mit Teilchen beladenes Gas ausstößt. Solche Einrichtungen werden in dieser Industrie manchmal als „stationäre Quellen" bezeichnet und sind, jedoch nicht ausschließlich, Kohleverbrennungseinrichtungen, Müllverbrennungsanlagen, Sondermüllverbrennungsanlagen, Zementfabriken, Papier und Zellstoff verarbeitenden Anlagen, Auspuffanlagen von Kesseln und Schlote.
Wie in 1 gezeigt, kann die Wand des Kamins 14 typischerweise eine Öffnung 28 aufweisen, welche von einem Außenflansch 30 gebildet wird. Nach einer erfindungsgemäßen Ausführungsform sind eine Gleitverbindung 32 sowie ein Lagergehäuse 34 an der Außenfläche des Flanschs 30 angebracht. Die Öffnung 28, die Gleitverbindung 32 und das Lagergehäuse 34 bilden zusammen einen inneren Durchgang, durch welchen die Gewichtsmessanordnung 16 und der Ausleger 18 in den Kamin 14 eingeführt werden können. Die Gewichtsmessanordnung 16 und der Ausleger 18 weisen einen geringfügig kleineren Außendurchmesser als die Öffnung 28 auf. Die Gewichtsmessanordnung 16 ist mittels der Drehverbindung oder des Drehgelenks 36 am Ende des Auslegers 18 montiert. Diese Verbindung erlaubt der Gewichtsmessanordnung 16 eine koaxiale Ausrichtung mit dem Ausleger 18, um durch die Öffnung 28 Zugang in den Kamin 14 zu erlangen. Nach dem Einführen wird die Gewichtsmessanordnung 16 um die Drehverbindung 36 in eine wie in 1 gezeigte Lage gedreht, welche die Probeentnahme des Abgases 12 erleichtert. Nach der Probeentnahme kann die Gewichtsmessanordnung 16 in die koaxiale Ausrichtung mit dem Ausleger 18 zurückgedreht werden, damit sie wieder leicht durch die Öffnung 28 aus dem Kamin 14 herausgezogen werden kann. Wie dem Fachmann bekannt ist, gibt es verschiedene herkömmliche Mechanismen für die drehbare Halterung und Bewegung der Gewichtsmessanordnung 16.
Während die Öffnung 28 den Zugang zum Innern des Kamins 14 gewährt, sorgen die Gleitverbindung 32 und das Lagergehäuse 34 dafür, dass der Ausleger 18 und die daran befestigte Gewichtsmessanordnung 16 verschoben werden können, um das Innere des Kamins durchqueren zu können, was für verschiedene Durchführungen von Messungen erforderlich oder erwünscht sein kann. Eine (nicht gezeigte) Schnellauslöse-Klammer kann verwendet werden, um vorübergehend den verschiebbaren Ausleger 18 an Ort und Stelle zu halten, wenn die Gewichtsmessanordnung 16 quer im Kamin 14 am gewünschten Platz positioniert ist. Der Ausleger 18 ist vorzugsweise über die maximal erwünschte Länge über den Durchmesser des Kamins ausziehbar und auch zerlegbar, um für die unterschiedlichen Einsatzverhältnisse und für einen leichten Transport geeignet zu sein.
Die Gewichtsmessanordnung 16 enthält einen an einen Teilchenkollektor 40 angeschlossenen Gewichts-Messumformer 38 sowie ein Einlassrohr 42, um entnommenes Abgas 12 zum Kollektor 40 weiter zu leiten. Obwohl die Komponenten der Gewichtsmessanordnung 16 viele verschiedene Formen aufweisen können, ist der Gewichts-Messumformer 38 vorzugsweise ein Messumformer für träge Masse, welcher eine direkte Messung der im Kollektor 40 gesammelten Teilchenmasse in Echtzeit liefert. Der Gewichts-Messumformer 38 kann vorteilhafterweise die Form eines klammerfrei oszillierenden hohlen elastischen Elements annehmen, wie dies im Folgenden näher beschrieben wird. Der Kollektor 40 umfasst vorzugsweise einen am Gewichts-Messumformer 38 angebrachten Filter. Ein Zyklon oder ein anderer Kollektor von teilchenförmigen Stoffen kann ebenfalls eingesetzt werden, um Teilchen aus entnommenem Abgas zu sammeln. Das Einlassrohr 42 ist vorzugsweise kurz und gerade, um Verluste beim Einleiten möglichst klein zu halten.
Die Gewichtsmessanordnung 16 kann dazu verwendet werden, das gesamte Gewichtsspektrum der Teilchen zu messen oder sie kann zusammen mit einem Zyklon oder einer anderen (nicht gezeigten) Vorrichtung, welche die Teilchen auf Grundlage ihrer aerodynamischen Durchmesser auftrennt, stromauf zum Einlassrohr 42 beispielsweise das PM₁₀- oder PM_2,5-Gewichtsaufkommen der Teilchen messen, wie dies im Stand der Technik bekannt ist.
Der Kollektor 40 sitzt vorzugsweise nahe dem Ausgang des Einlassrohrs 42, um Transportverluste möglichst klein zu halten und die Unversehrtheit der Probe zu gewährleisten. Der Kollektor 40 weist vorzugsweise eine austauschbare Filterkartusche auf, die am freien Ende des bevorzugten Umformers – ein hohles elastisches Element zum klammerfreien Oszillieren – befestigt ist. Die Konstruktion und Wirkungsweise eines Messinstruments von träger Masse, in welchem ein solches oszillierendes hohlelastisches Element verwendet wird, sind in den gemeinsam erteilten US-Patenten 3,926,271 und 4,391,338 sowie in der japanischen Veröffentlichungsschrift JP2-324364 beschrieben.
Beispielsweise ist der Gewichts-Messumformer 38 vorzugsweise ein hohles Rohr, das an seinem einen Ende fest verklammert ist und an seinem anderen Ende frei vibrieren kann. Über der Spitze des freien Endes ist eine austauschbare Filterkartusche angebracht. Dieses frei hervor ragende elastische Element vibriert genau mit seiner natürlichen Frequenz. Ein elektronischer Kontrollkreis empfängt die Vibration und führt mittels positiver Rückkopplung dem System genügend Energie zu, um Verluste auszugleichen. Ein (nicht gezeigter) automatischer Kontrollkreis hält die Vibration während der Messung aufrecht. Eine genaue elektronische Zählvorrichtung 46 misst die Frequenz, die in direkter Beziehung zum Gewicht steht.
Das Verfolgen der Frequenz über die Zeit ergibt das Maß für das Gewicht und liefert nach Kombination mit der gemessenen Strömungsgeschwindigkeit durch den Filter die Gewichtskonzentration. Ein solches Verfolgen und die Berechnungen werden leicht von einem Computer/Kontrolleinrichtung oder Prozessor 48 in der Kontrolleinheit 46 durchgeführt. An die Kontrolleinrichtung 48 können eine Kleintastatur 50 und ein Display 52 oder andere Input/Output-Vorrichtungen angeschlossen sein, um die Schnittstelle Bedienungsperson/Gerät zu erleichtern und die von der Gewichtsmesseinrichtung 100 gelieferten Gewichtsmessdaten anzuzeigen. Das US-Patent 6,016,688 beschreibt ferner sowohl die Technik für die Gewichtsmessung unter Verwendung eines Gewichts-Messumformers als auch ein Verfahren zur in-situ-Kalibrierung des Gewichts-Messumformers. Das US-Patent 6,016,688 beschreibt auch die Druck/Strömungs-Kompensation unter Verwendung eines Druck-Messumformers 77.
Unter erneuter Bezugnahme auf 1 verbindet die Probenleitung 20 den Gewichts-Messumformer 38, z. B. das beschriebene hohlelastische Element, mit einem außerhalb des Kamins 14 angebrachten Trockner 54, wie z. B. einem Kondensator. Vorzugsweise wird zumindest ein Abschnitt der Probenleitung 20 erwärmt, um darin ein Kondensieren des Dampfes zu vermeiden. Der Trockner 54 dient zusammen mit dem wahlweisen Trockenmittel 56 dazu, die Feuchtigkeit zu entfernen und das entnommene Gas sorgfältig zu trocknen, bevor es durch einen zusätzlichen wahlweisen Filter 58 und die Strömungskontrolleinheit 60 hindurchfließt und durch die Pumpe 62 unter vermindertem Druck (z. B. Vakuum) entweichen gelassen wird. Der Trockner 54 kann ein Kondensator, ein Trockner vom Membran-Typ oder irgend eine Vorrichtung oder Kombination von Vorrichtun gen sein, welche einen Gasstrom, vorzugsweise ohne Beeinträchtigung von dessen O₂- oder CO₂-Gehalt, trocknen.
Im Betrieb tritt Abgas in das Einlassrohr 42 ein und strömt direkt hindurch bis zu dem auf dem oszillierenden Element oder einem anderen Gewichts-Messumformer 38 angebrachten Kollektor 40. Die teilchenförmigen Stoffe im entnommenen Abgas können, wie in EPA Methode 17 beschrieben, bei Kamintemperatur vom Kollektor 40 eingesammelt werden. Das entnommene Gas strömt sodann durch die erwärmte Probenleitung 20 im Ausleger 18 weiter zum Trockner 54 und dann durch die übrigen Bauteile der Probenstraße. Auf diese Weise können direkte Messungen des Gewichts der auf dem Kollektor 40 abgeschiedenen teilchenförmigen Stoffe in Echtzeit an Ort und Stelle erhalten werden.
Die EPA-Methode 17 fordert die Entfernung von nicht-gebundenem Wasser aus einer gesammelten Probe. Wie ausführlicher im US-Patent 6,016,688 beschrieben, sorgt die Gewichts-Messeinrichtung 100 sowohl für die Entfernung solch nicht-gebundenen Wassers direkt im Kamin als auch für eine Gleichgewichtseinstellung des Kollektors vor und nach der Probeentnahme. Die Gleichgewichtseinstellung umfasst das Einrichten eines stabilen, reproduzierbaren thermodynamischen Zustands für den Kollektor vor und nach der Probeentnahme. Die Konditionierung des Kollektors zwischen periodischen Abläufen einer Probeentnahme kann ebenfalls bewirkt werden.
Entsprechend kann die Leitung 22 eine Leitung für vorbehandeltes Gas sein, welche durch den Ausleger 18 verläuft und mit dem Einlassrohr 42 verbunden ist, um den Kollektor 40 selektiv mit vorbehandeltem Gas zu versorgen. Das vorbehandelte Gas umfasst vorzugsweise ein trockenes, reines Gas, das über die Pumpe 66 durch den Filter 68, die Strömungskontrolleinrichtung 70, den Gastrockner 72 und das Magnetventil 74 an die Leitung 22 abgegeben wird. Die Komponenten dieser Straße für vorbehandeltes Gas können herkömmliche gebrauchsfertige Bauteile sein. Solche Bauteile sind vorzugsweise in der Kontrolleinheit 76 außerhalb des Kamins 14 untergebracht.
Zu der Leitung für vorbehandeltes Gas gehört auch ein Wärmeaustauscher 76 oder ein anderes Kontrollgerät für die Temperatur des vorbehandelten Gases. Wie in 1 gezeigt, befindet sich der Wärmeaustauscher 76 vorzugsweise innerhalb des Kamins 14, um auf herkömmliche Weise zu gewährleisten, dass der Strom des vorbehandelten Gases die Temperatur des Abgases aufweist. Der Wärmeaustauscher kann entweder aktiv, passiv oder eine Kombination von sowohl aktiv als auch passiv sein. Für eine derartige aktive Kontrolle kann der Temperaturfühler 44 verwendet werden. Der Wärmeaustauscher kann verschiedene bekannte Formen aufweisen. Ein Abschnitt der Leitung für vorbehandeltes Gas stromauf zum Wärmeaustauscher 76 kann wahlweise angewärmt sein, um das in den Austauscher eintretende Gas vorzuwärmen. Falls erwünscht kann der Wärmeaustauscher 76 oder eine andere Einrichtung zur Temperaturkontrolle dazu verwendet werden, die Temperatur des vorbehandelten Gases auf jede Solltemperatur einzustellen, z. B. auf eine höhere Temperatur als die des Abgases.
Das Strömungsüberwachungsgerät 70 kontrolliert die Strömungsgeschwindigkeit des vorbehandelten Gases, während der Filter 68 und der Gastrockner 76 dafür sorgen, dass das vorbehandelte Gas rein und trocken ist. Das Magnetventil 74 dient dazu, die Abgabe von vorbehandeltem Gas an die Leitung 22 schnell an- und abzuschalten. Wenn es nicht gebraucht wird, wird das vorbehandelte Gas durch das Magnetventil 74 abgelassen. Sowohl die Aktivierung und der Betrieb der Bauteile der Straße für vorbehandeltes Gas als auch die Bauteile der Probenstraße lassen sich alle in bekannter weise über die Kontrolleinrichtung 48 überwachen. Das vorbehandelte Gas kann vorzugsweise mit einer größeren Strömungsgeschwindigkeit als die des entnommenen Abgases geliefert werden, so dass, wenn der Kollektor 40 mit dem vorbehandelten Gas konditioniert, äquilibriert, druck/strömungs-kalibriert und/oder gereinigt wird, das Abgas daran gehindert wird, den Kollektor zu erreichen, d. h. der Rückfluss des vorbehandelten Gases zum Eingang des Einlassrohrs 42 unterbindet in Folge der höheren Strömungsgeschwindigkeit den Eintritt von Abgas in das Rohr 42 wirksam.
Alternativ kann die Strömung entlang der Probenleitung 20 so kontrolliert werden, dass das entnommene Abgas wirksam mit vorbehandeltem Gas verdünnt wird. Diese Verfahrensweise könnte dazu verwendet werden, die Standzeit des Kollektors zu verlängern oder die Feuchtigkeitsmenge, die den Kollektor erreicht, zu vermindern, um die Fähigkeit des Kollektors zu steigern, Teilchen einzusammeln oder jegliche Nachbehandlungszeit zu verkürzen.
Wenn die Strömungsgeschwindigkeit des vorbehandelten Gases so ist, dass die Probeentnahme des Abgases verhindert wird, kann das vorbehandelte Gas dazu verwendet werden, den Kollektor 40 in situ in einen Gleichgewichtszustand zu bringen. Eine solche Äquilibrierung kann benutzt werden, um den Kollektor vor der Probeentnahme vorzubehandeln sowie den Kollektor und alle aufgesammelten Teilchen nach der Probeentnahme nachzubehandeln, was direkt zu einem der EPA-Methode 17 vergleichbaren Ergebnis führt, während die mit einer Äquilibrierung im Labor einhergehenden Schwierigkeiten und Verzögerungen vermieden werden. Eine solche Konditionierung des Kollektors kann auch zwischen periodischen Abläufen einer Probeentnahme bewirkt werden, was die Standzeit des Kollektors verlängert.
Die Leitung für vorbehandeltes Gas kann während der Konditionierung und Probeentnahme für eine dauernd stabile Strömungsgeschwindigkeit zum und eine konstante Temperatur am Kollektor sorgen. Eine in situ-Konditionierung stört somit nicht den Zustand der Kombination Kollektor/Gewichts-Messumformer.
Die Partikel-Gewichtsmesseinrichtung 100 der 1 kann auf verschiedene Arten betrieben werden: kontinuierliche Messungen an einem einzelnen Punkt, Zeit-Weg-Messungen an vielen Punkten, zeitproportionale (Intermittierende) Probeentnahme, z. B. für die Kalibrierung von Monitoren für indirekte kontinuierliche Emission. Eine kontinuierliche ununterbrochene Probeentnahme wird, ähnlich der EPA-Methode 17, für Untersuchungen von relativ kurzer Dauer in der Größenordnung von einigen wenigen Stunden verwendet. Da die Kollektorstandzeit sowohl von der Art der teilchenförmigen Stoffe als auch von deren Konzentration abhängt, können Untersuchungen in der Größenordnung von Tagen andauern.
Die Kollektorstandzeit kann verlängert werden, wenn die Probeentnahme nur über einen Zeitabschnitt erfolgt. Diese Technik der „zeitproportionalen Probeentnahme" verlängert die zeit zwischen den Kollektoraustauschungen und kann zur re gelmäßigen Kalibrierung von vorhandenen kontinuierlichen Monitoren eingesetzt werden. Beispielsweise könnte mit einem Ablaufplan, bei dem die Probeentnahme durch das Gerät 100 stündlich über eine kurze Zeitspanne erfolgt und mit der Opazitätsanzeige verglichen wird, die während der gleichen Zeitspanne von einem getrennten kontinuierlichen Monitor für die Emission aufgenommen wurde, die konstante Aktualisierung der Kalibrierung für den konstanten Monitor erfolgen.
Nun wird eine typischer Arbeitsablauf für die Partikel-Gewichtsmesseinrichtung 100 beschrieben. Zunächst wird die gesamte Einrichtung auf Lecks untersucht und sodann der Kollektor 40 in die Gewichtsmessanordnung 16 eingebaut. Die am Ende des Auslegers 18 koaxial ausgerichtete Gewichtsmessanordnung 16 wird sodann durch die Zuführungsöffnung 28 in den Kamin 14 eingeführt und in die Position zur Probeentnahme gedreht, wobei die Leitung 22 für das vorbehandelte Gas aktiviert wird. Die Strömungsgeschwindigkeit des vorbehandelten Gases in das Einlassrohr 42 verhindert, dass irgendwelches Abgas den Kollektor 40 erreicht und erlaubt die Vorkonditionierung des Kollektors innerhalb des Kamins. Das Gerät wird sich stabilisieren gelassen, d. h. dass sich wegen des Wärmeaustauschers oder einer anderen Temperatur-Kontrollvorrichtung die Temperatur des vorbehandelten Gases bis auf die Temperatur des Abgases erhöht. Diese Präkonditionierung erstellt eine Nullbasislinie für spätere Gewichtsanzeigen.
Ist der Kollektor 40 erst einmal vorkonditioniert, kann die Probeentnahme beginnen, indem das Magnetventil 40 aktiviert wird, um die Zufuhr von vorbehandeltem Gas zum Kollektor 40 zu unterbinden. Die Probenleitung 20 zieht nun Abgas durch das Einleitungsrohr 42 zum Sammeln von teilchenförmigen Stoffen auf dem Kollektor 40 ein.
Die vorliegende Erfindung ist auf weitere Verbesserungen der oben beschriebenen Partikel-Gewichtsmesseinrichtung gerichtet. Insbesondere enthält die Gewichtsmesseinrichtung 100 einen Feuchtigkeitsmonitor oder ein Mittel zum Messen des Feuchtigkeitsgehalts des Abgases in Echtzeit, wobei der ermittelte Feuchtigkeitsgehalt dazu verwendet wird, das Molekulargewicht des Abgases in Echtzeit sowie die Geschwindigkeit des Abgases 12 in Echtzeit zu bestimmen. Wie unten beschrieben, wird somit durch die Bestimmung des Feuchtigkeitsgehalts des Abga ses die isokinetische Probeentnahme in Echtzeit während der Ermittlung des Teilchengewichts im Abgas 12 ermöglicht.
Das Mittel zur Messung des Feuchtigkeitsgehalts des Abgases 12 wird wünschenswerterweise in die Probenleitung 20 eingebaut. Beispielsweise enthält das Mittel zur Messung des Feuchtigkeitsgehalts im Abgas 12 im allgemeinen eine erste Strömungssonde 110, ein zwischen den Trockner 54 und das Trockenmittel 56 eingebautes Mittel 120 zur Ermittlung des Molekulargewichts des wasserfreien Abgases (trockenes Abgas) sowie eine Strömungskontrolleinheit 60 mit einer zweiten Strömungssonde 130. Das Mittel 120 zur Messung des trockenen Gases enthält im allgemeinen einen Filter 122, eine Sonde 124 für Kohlendioxid (CO₂), eine Sonde 126 für Sauerstoff (O₂) und eine dritte Strömungssonde 128, welche in Serie miteinander verbunden sind.
Obwohl verschiene Typen von Strömungssonden verwendet werden können, z. B. gewichtsbezogene und volumenbezogene Sonden, sind die bevorzugten Strömungssonden wünschenswerterweise Strömungsmesser mit einer Öffnung, wobei Bernoulli's Theorem benutzt wird, in welchem die volumenbezogene Strömungsgeschwindigkeit durch eine Öffnung proportional der Quadratwurzel des Druckabfalls über die Öffnung und der Fluiddichte ist. Eine geeignete volumenbezogene Strömungssonde wird im US-Patent 5,792,966 von Weitz et al. mit dem Titel „Thermally Stable, Fluid Flow Measurement Device" beschrieben.
Die volumenbezogene Strömungsgeschwindigkeit eines durch die Öffnung dieser Sonde strömenden Gases wird nach der folgenden Gleichung ermittelt:
worin Q = volumenbezogene Strömungsgeschwindigkeit
ΔP = Druckabfall über die Öffnung
T = absolute Temperatur des Gases an der Strömungssonde
P = absoluter Druck des Gases am Einlass zur Strömungssonde
m, b = Kalibrierungskonstanten
MW = Molekulargewicht des Gases an der Strömungssonde
bedeuten.
Bekanntlich lässt sich der Massendurchsatz aus der volumenbezogenen Strömungsgeschwindigkeit durch Multiplikation mit der Dichte des Gases an der Strömungssonde berechnen. ṁ = Q × ρ (3)worin ṁ = Massendurchsatz
Q = volumenbezogene Strömungsgeschwindigkeit
ρ = Dichte des Gases an der Strömungssonde
bedeuten.
2 zeigt schematisch die zur Zeit bevorzugte Konfiguration für eine Strömungssonde 200 zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit eines Gases 202. Der Messfühler 200 enthält eine wie im US-Patent 5,792,966 beschriebene Öffnung 204. Der Druckmessumformer 208 wird zur Bestimmung des absoluten Drucks (P) am Eingang (206) der Sonde verwendet, während der Druckmessumformer 210 den Druckabfall (ΔP) über die Öffnung 204 ermittelt. Ein Thermoelement 212 kann verwendet werden, um im Messfühler die absolute Temperatur (T) des Gases zu bestimmen. Das Gehäuse 214 der Sonde kann aus jedem geeigneten Material bestehen, wie z. B. Kunststoff, wenn es für einen Strömungsmessfühler für trockenes Abgas 128 und 130 (1) verwendet wird, es umfasst jedoch vorzugsweise ein hohe Temperaturen aushaltendes und korrosionsbeständiges Material, wie z. B. rostfreier Stahl, wenn es in einer Strömungssonde 110 verwendet wird, der das aus dem Kamin gezogene heiße feuchte Abgas aufnimmt.
Die von den Strömungssonden 110, 128 und 130 aufgenommenen Werte für Druck und Temperatur werden an die Kontrolleinheit 48 weitergegeben, welche daraus gemäß der obigen Gleichungen für jede Sonde die Strömungsgeschwindigkeit berechnet. Für diese Berechnungen lässt sich das Molekulargewicht (MW) des durch die Strömungssonden 128 und 130 strömenden trockenen Abgases (im Folgenden als Trockenmolekulargewicht bezeichnet) aus den aufgenommenen Werten entnehmen, die von den Sonden für Kohlendioxid 124 und Sauerstoff 126 geliefert werden, wie die im Folgenden unter Bezugnahme auf Gleichung (5) beschrieben wird.
Das Nassmolekulargewicht Ms für die Strömungssonde 110 wird aus dem Trockenmolekulargewicht Md und der Menge an Wasserdampf berechnet, die im feuchten Abgas enthalten ist (wie die im Folgen unter Bezugnahme auf Gleichung 4 beschrieben wird). Die in dem Gas enthaltene Menge an Wasserdampf ist nicht genau bekannt, kann aber für diesen Zweck näherungsweise bestimmt werden, indem z. B. eine frühere Berechnung des Volumenanteils Bws des Wasserdampfs (wie die im Folgen unter Bezugnahme auf Gleichung 8 beschrieben wird) als vorliegender Anteil eingesetzt wird. Eine ähnliche Verfahrensweise kann für die Dichteberechnungen verwendet werden. Alle Berechnungen und alle Aufnahmen der Messfühler erfolgen alle paar Sekunden. Während dieser kurzen Zeitspanne sind Veränderungen in der Menge des Wasserdampfs im Gas ausreichend klein, was zu einem vernachlässigbaren Fehler führt.
Wie weiter unten näher erläutert, wird durch das Paar von Sonden 110 und 130, das in Reihe geschaltet ist und durch den Trockner 54 voneinander getrennt ist, der Vergleich der Strömungsgeschwindigkeit des Abgases mit Wasserdampf mit der Strömungsgeschwindigkeit des wasserfreien Abgases ermöglicht, um eine Echtzeit-Messung für die Feuchtigkeit zu liefern.
Wie oben beschrieben, wird die Geschwindigkeit V des Abgases nach der folgenden Beziehung ermittelt: V = C × (PitotDP)0,5 × (T/(P × Ms))0,5 (1)in welcher
C die Kalibrierungskonstante für das Pitotrohr;
PitotDP den über das Pitotrohr ermittelten Druckabfall;
T die absolute Temperatur des Abgases;
P den absoluten Druck des Abgases und
Ms das Molekulargewicht des Abgases mitsamt Wasserdampf
bedeuten.
Um in Echtzeit T, PitotDP und P zu erhalten, kann das Gerät 100 beispielsweise einen Temperaturmessfühler 44, ein Pitotrohr 45, einen Druckmessumformer 140, der zusammen mit einer statischen Druckanschlussstelle 142 den statischen Kamindruck misst, enthalten. Der absolute Druck ist gleich der Addition aus aktuellem Barometerdruck plus gemessenem statischen Kamindruck.
Wie ebenfalls oben ausgeführt, erfordert die Bestimmung des Gesamtmolekulargewichts des Abgases die Messung des Wasserdampfs. Das folgende Verfahren bestimmt effizient den Feuchtigkeitsgehalt in Echtzeit, was eine Bestimmung der Messung des Molekulargewichts des Gases mitsamt Wasserdampf Ms in Echtzeit ermöglicht. Das Molekulargewicht des Abgases mitsamt Wasserdampf wird sodann verwendet, um eine echte isokinetische Probeentnahme über die gesamt Untersuchung hinweg aufrechtzuerhalten, insbesondere dann, wenn sich die Quellenbedingungen ständig ändern.
Die Bestimmung des Nassmolekulargewichts des Abgases lässt sich wie folgt in zwei Teile aufgliedern, die Bestimmung des Trockenmolekulargewichts Md und die Bestimmung des Feuchtigkeitsgehalts als Volumenanteil des Wasserdampfs Bws: Ms = ((1 – Bws) × Md) + (MWwv × Bws) (4)worin
MWwv = Molekulargewicht des Wasserdampfs (18,0153)
ist.
Das Trockenmolekulargewicht Md wird von Gas-Sonden in Echtzeit bestimmt. Beispielsweise erfolgt die Messung des Trockenmolekulargewichts durch Ablesen der CO₂-Sonde 124 und der O₂-Sonde 126, wobei angenommen wird, dass der Rest der Gaszusammensetzung aus Stickstoff (N₂) besteht. Diese Annahme erweist sich bei den meisten Verbrennungsquellen als richtig. Das Trockenmolekulargewicht wird wie folgt bestimmt: Md = 0,28 × [100 – (%CO2 + %O2)] + (0,32 × %O2) + (0,44 × %CO2) (5)worin
0,28 = Molekulargewicht von Strickstoff/100
0,32 = Molekulargewicht von Sauerstoff/100
0,44 = Molekulargewicht von Kohlendioxid/100
sind.
Im Allgemeinen wird der Volumenanteil des Wasserdampfs Bws ermittelt, indem mittels Verwendung der Pumpe 62 ein Teil des Abgases durch die Versorgungsleitung 20 gezogen wird, der Teil des Abgases durch die erste Strömungssonde 110 passieren gelassen wird, der Teil des Abgases getrocknet wird und durch die zweite Strömungssonde 130 passieren gelassen wird. Das zu jedem Augenblick im Gasstrom enthaltene Volumen an Wasserdampf stammt aus der Differenz der Strömungsgeschwindigkeiten, die von den Strömungssonden ermittelt und in volumenbezogene Strömungsgeschwindigkeiten unter Kaminbedingungen umgewandelt wurden, wie die ausführlicher unter Bezugnahme auf die Gleichungen (6) und (7) beschrieben wird. Der Prozentsatz für den volumenbezogenen Wasserdampf Bws ist die volumenbezogene Strömungsgeschwindigkeit des Wasserdampfs im Vergleich zum volumenbezogenen Gesamtstrom unter Kaminbedingungen.
Genauer ausgedrückt wird ein Teil des Abgases entnommen (isokinetisch, wie unten beschrieben) und zur Entfernung der Teilchen am Gewichtsmessumformer gefiltert. Es wird sodann zur ersten Strömungssonde 110 transportiert und, um sicher zu gehen, dass alles Wasser im Dampfzustand bleibt, bei erhöhter Temperatur gehalten. Das Abgas wird dann zum Trockner 54 transportiert, um alles Wasser zu entfernen und dadurch den Taupunkt auf –20°C zu senken. Während des Trocknungsvorgangs wird die Temperatur auf annähernd Umgebungstemperatur abgesenkt.
Der Teil des Abgases wird sodann wünschenswerterweise in zwei parallele Ströme aufgetrennt, wobei ein Teilstrom des Abgases zu den Gassonden, der CO₂-Sonde 124 und der O₂-Sonde 126, geleitet wird, um das Trockenmolekulargewicht Md zu ermitteln. Dieser Teilstrom wird dann wieder mit dem anderen Teilstrom vereinigt. Das Auftrennen des Stroms ermöglicht, dass der Strom durch die CO₂-Sonde 124 und die O₂-Sonde 126 konstant bleibt, was dazu beiträgt, dass eine genaue Messung erhalten wird. Der Abgasstrom durch die CO₂-Sonde 124 und die O₂-Sonde 126 wird vom Proportionalventil 84 reguliert, welches mit der Strömungssonde 128 betriebsfähig verbunden ist.
Das trockene Abgas wird sodann durch das Trockenmittel 56, den Filter 58 und dann zur zweiten Strömungssonde 130 geleitet, welche in Verbindung mit dem Proportionalventil 135 steht, welches die Kontrolle über die Strömungsgeschwindigkeit der Probe ausübt. Die Strömungsgeschwindigkeit der Probe wird ständig angepasst, um isokinetische Bedingungen am Probeneingang aufrecht zu erhalten. Das Gas wird sodann durch die Vakuumpumpe 62 abgelassen.
Die Differenz zwischen dem an der ersten Strömungssonde 110 gemessenen Mengendurchfluss und dem an der zweiten Strömungssonde 130 gemessenen Mengendurchfluss dividiert durch die Dichte des Wasserdampfs unter Kaminbedingungen ergibt die volumenbezogene Strömungsgeschwindigkeit Q_wv vom Trockner entfernten Wasserdampfs wie folgt:
worin
ṁ₁ = Mengendurchfluss (heißes, feuchtes Abgas)
ṁ₂ = Mengendurchfluss (trockenes Abgas mit Umgebungstemperatur)
ρ_wv)_T,PKamin = Dichte des Wasserdampfs bei Kamintemperatur und -druck
bedeuten.
Alternativ kann die volumenbezogene Strömungsgeschwindigkeit Qwv des Wasserdampfs aus den volumenbezogenen Strömungsgeschwindigkeiten an der ersten und zweiten Strömungssonde wie folgt bestimmt werden:
worin
Q₁ = volumetrische Strömungsgeschwindigkeit an erster Sonde
ρ₁ = Dichte des Abgases an der ersten Sonde
Q₂ = volumetrische Strömungsgeschwindigkeit an der zweiten Sonde
ρ₂ = Dichte des Abgases an zweiter Sonde
ρ_wv)_T,PKamin = Dichte des Wasserdampfs bei Kamintemperatur und -druck
bedeuten.
Das Verhältnis von volumetrischer Strömungsgeschwindigkeit des Wasserdampfs zu gesamter volumetrischer Strömungsgeschwindigkeit unter Kaminbedingungen ergibt den Volumenanteil des Wasserdampfs Bws wie folgt:
worin
Q_wv = volumetrische Strömungsgeschwindigkeit des Wassergehalts im Abgas,
Q₁ = volumetrische Strömungsgeschwindigkeit des heißen, feuchten Abgases an der ersten Strömungssonde;
T₁ = absolute Temperatur des heißen, feuchten Abgases an der ersten Strömungssonde;
P₁ = absoluter Druck des heißen, feuchten Abgases an der ersten Strömungssonde;
P_Kamin = absoluter Druck des Abgases im Kamin; und
T_Kamin = absolute Temperatur des Abgases im Kamin
bedeuten.
In Kenntnis des Volumenanteils Bws des Wasserdampfs lässt sich das Molekulargewicht Ms des Abgases unter Verwendung von Gleichung 4 in Echtzeit bestimmen und somit auch die Geschwindigkeit V des Abgases unter Verwendung von Gleichung 1 in Echtzeit bestimmen. Die Echtzeit-Bestimmung der Geschwindigkeit kann von der Kontrolleinheit 48 zur Kontrolle des Proportionalventils 135 benutzt werden, um die Geschwindigkeit des entnommenen Abgases zu variieren.
Auf Grundlage der Messung des Feuchtigkeitsgehalts wird die isokinetische Strömungsgeschwindigkeit eingestellt, um für eine „echte" isokinetische Probeentnahme zu sorgen, welche Fluktuationen des Abgas-Molekulargewichts berücksichtigt.
Am Ende der Probeentnahme wird das Magnetventil 74 erneut in Betrieb gesetzt, um das Einlassrohr 42 mit vorbehandeltem Gas zu versorgen. Die größere Strömungsgeschwindigkeit des vorbehandelten Gases verhindert wieder, dass Abgas den Kollektor erreicht. Das trockene, reine, vorbehandelte Gas entfernt nicht gebundenes Wasser und dient dazu, den Kollektor und die aufgesammelten Teilchen nachzubehandeln.
Nach der Nachbehandlung wird die Gewichtsmessanordnung 16 aus dem Kamin 14 durch das Zugangsloch 28 entnommen, die Leitung 22 für vorbehandeltes Gas wird inaktiviert und die Gewichtsmessanordnung 16 wird außerhalb des Kamins 14 vorzugsweise temperatur-stabilisiert, z. B. mit einer Isolierdecke, um die Gewichtsmessanordnung 16 im Wesentlichen auf Kamintemperatur zu halten. Bei noch aktivierter Probenleitung 20 kann dann das Innere des Einlassrohrs 42 mehrmals ausgebürstet werden, um alle teilchenförmigen Stoffe einzusammeln, die sich während der Probeentnahme längs der Innenwände des Rohrs abgesetzt haben können und sie unter Verwendung des gleichen Messgeräts 100 zu vermessen. Die abgelesenen Messwerte von dem Ausbürsten können zu den während der Probeentnahme erhaltenen Messwerten addiert werden, um eine genauere Anzeige der gesamten teilchenförmigen Masse im Abgas zu erhalten.
Das vorbehandelte Gas kann vorteilhafterweise auch dazu verwendet werden, den Kollektor zwischen zeitproportionalen (d. h. periodischen) Entnahmezeiten zu konditionieren. Die Differenz bei der Ablesung der Gesamtmassen zwischen aufeinander folgenden stabilisierten Konditionierungszyklen liefert ein Maß für den Massenzuwachs, der während des dazwischen liegenden Entnahmezyklus aufgetreten ist.
Die Genauigkeit der ersten Strömungssonde 110 und der zweiten Strömungssonde 130 lässt sich steigern, wenn die folgende Kalibrierung durchgeführt wird. Unter der Annahme, dass die zweite Strömungssonde 130 genau ist, wird diese verwendet, die erste Strömungssonde 110 zu kalibrieren und einzustellen. Eine Feuchtigkeitsmessung in Echtzeit erfordert, dass die Differenz zwischen den Strömungssonden berechnet wird und in dem Falle, wo trockenes Gas durch das System fließt, muss die Differenz genügend nahe bei Null liegen.
Das Kalibrierungsverfahren besteht darin, die von den Strömungssonden 110 und 130 gemessenen Strömungsgeschwindigkeiten an beispielsweise vier Strömungsgeschwindigkeiten zu vergleichen. Eine lineare Regression dieser Daten ergibt die notwendige Einstellung für eine genaue Feuchtigkeitsmessung. Die lineare Regression kann benutzt werden, um die Strömungssonde 110 nach der folgenden Gleichung einzustellen: ṁ1 = M × ṁ2 + b (9)worin
ṁ₁ = der von Strömungssonde 110 gemessene Mengendurchfluss;
ṁ₂ = der von Strömungssonde 130 gemessene Mengendurchfluss;
M = der bei linearer Regression erhaltene Steigungskoeffizient
b = der bei linearer Regression erhaltene Schnittpunkt mit Achse
bedeuten.
Das Verfahren beinhaltet:

1. Variieren der Strömungsgeschwindigkeit unter Einsatz der Strömungskontrolleinrichtung 60;
2. Auftragen der Werte von ṁ₁ gegen ṁ₂ für jede diskrete Strömung; und
3. Ausführen einer linearen Regression aus den Daten, um eine Korrektur von M und b für den Mengendurchflusssonde 110 zu erhalten.

ṁ₁ und ṁ₂ sind Massendurchflüsse unter Standardbedingungen (Temperatur und Druck), die verwendet werden, wenn zur Ermittlung der Entfernung einer Komponente, wie. z. B. Wasser, die Mengendurchflüsse der Strömungssonden miteinander verglichen werden.
Der Fachmann wird aus der vorliegenden Beschreibung entnehmen, dass der Feuchtigkeitsmonitor der vorliegenden Erfindung als frei stehende Einheit ausgebildet ist, d. h. dass er in keine Gewichtsmessanordnung oder ein Gerät eingebaut oder integriert ist. Beispielsweise kann ein frei stehender Feuchtigkeitsmonitor gemäß der vorliegenden Erfindung zusammen mit Messanordnungen oder Geräten eingesetzt werden, wie. z. B. mit frei stehenden Messgeräten für träge Masse oder kontinuierlichen Emissions-Monitoren zur Messung verschiedener Schadstoffe oder für andere Anwendungen.
Obwohl hierin bevorzugte Ausführungsformen herausgegriffen und im Detail beschrieben wurden, liegt es für den Fachmann auf der Hand, dass verschiedene Abänderungen, Hinzufügungen, Ersetzungen und dergl. möglich sind, ohne dass vom Umfang der in den folgenden Ansprüchen definierten Erfindung abgewichen wird.

Claims

Partikel-Gewichtsmesseinrichtung (100) zum Messen des Teilchengewichts von in einem Kamin (14) strömendem Abgas (12) mit isokinetischer Probeentnahme des Abgases, wobei die Einrichtung (100) eine Gewichtsmessanordnung (16) zum Messen des Teilchengewichts des im Kamin strömenden Abgases aufweist und wobei die Einrichtung (100) gekennzeichnet ist durch Mittel zur Echtzeitmessung des Feuchtigkeitsgehalts des im Kamin strömenden Abgases, wobei die Mittel zur Feuchtigkeitsmessung eine erste Strömungssonde (110) zur Bestimmung einer ersten Strömungsgeschwindigkeit für einen Teil des Abgasstroms aufweist, einen Druckmessumformer (208) und einen Temperaturfühler (212) zur Bestimmung des absoluten Drucks (P₁) bzw. der absoluten Temperatur (T₁) an der ersten Strömungssonde, einen Trockner (54) zum Entfernen von Wasser aus dem Teil des Abgasstroms, Mittel (120) zum Bestimmen des Trockenmolekulargewichts Md des Abgases, sowie eine zweite Strömungssonde (130) zur Ermittlung einer zweiten Strömungsgeschwindigkeit für den Teil des wasserfreien Abgasstroms; und eine Regeleinrichtung (48) zur Überwachung der isokinetischen Probeentnahme aus dem Abgas, welches von der Messeinrichtung auf Grundlage des Echtzeit-Feuchtigkeitsgehalts, des Drucks (P1), der Temperatur (T1) und des Trockenmolekulargewichts Md des im Kamin strömenden Abgases gemessen werden kann.
Partikel-Gewichtsmesseinrichtung (100) nach Anspruch 1, in welcher die Regeleinrichtung (48) zur Überwachung der isokinetischen Probeentnahme in Echtzeit betrieben werden kann.
Partikel-Gewichtsmesseinrichtung (100) nach Anspruch 1, in welcher die Gewichtsmessanordnung (16) die Gewichtsmessung der Partikel in Echtzeit durchführt und das Mittel zum Messen des Feuchtigkeitsgehalts in einer von der Gewichtsmessanordnung (16) kommenden Probeleitung (20) eingebaut ist
Partikel-Gewichtsmesseinrichtung (100) nach Anspruch 1, in welcher die erste Strömungssonde (110) und die zweite Strömungssonde (130) jeweils einen volumetrischen Messfühler umfassen.
Partikel-Gewichtsmesseinrichtung (100) nach Anspruch 1, in welcher das Mittel (120) zum Messen des Trockenmolekulargewichts einen Messfühler für Kohlendioxid (124), einen Messfühler für Sauerstoff (126) sowie eine dritte Strömungssonde (128) umfasst.
Partikel-Gewichtsmesseinrichtung (100) nach Anspruch 1, in welcher die Regeleinrichtung (48) die Abgasgeschwindigkeit V für die isokinetische Probeentnahme nach der folgenden Formel ermittelt: V = C × (PitotDP)0,5 × (T/(P × Ms))0,5 in welcher C eine Kalibrierungskonstante für das Pitotrohr; PitotDP den über das Pitotrohr (45) im Abgas ermittelten Druckabfall; T die absolute Temperatur des Abgases; P den absoluten Druck des Abgases und Ms das Molekulargewicht des Abgases mit Wasserdampf bedeuten.
Partikel-Gewichtsmesseinrichtung (100) nach Anspruch 6, in welcher die Bestimmung des Abgas-Molekulargewichts Ms nach der folgenden Formel erfolgt: Ms = ((1 – Bws) × Md) + (MWwv × Bws)in welcher MWwv das Molekulargewicht des Wasserdampfs; Md das ermittelte Trockenmolekulargewicht des Abgases; und Bws den Volumenanteil des Wasserdampfs bedeuten.
Partikel-Gewichtsmesseinrichtung (100) nach Anspruch 7, in welcher der Volumenanteil des Wasserdampfs Bws nach der folgenden Formel ermittelt wird:
in welcher Q_wv = volumetrische Strömungsgeschwindigkeit des Wassergehalts im Abgas, Q₁ = volumetrische Strömungsgeschwindigkeit des heißen, feuchten Abgases an der ersten Strömungssonde (110); T₁ = vom Temperaturfühler (212) ermittelte absolute Temperatur des heißen, feuchten Abgases an der ersten Strömungssonde (110); P₁ = vom Druckmessumformer (208) ermittelter absoluter Druck des heißen, feuchten Abgases an der ersten Strömungssonde (110); P_Kamin = absoluter Druck des Abgases im Kamin; und T_Kamin = absolute Temperatur des Abgases im Kamin bedeuten.
Partikel-Gewichtsmesseinrichtung (100) nach Anspruch 3, in welcher die Gewichtsmessanordnung (16) einen Gewichts-Messumformer (38), einen mit dem Gewichts-Messumformer verbundenen Teilchenkollektor (40) sowie ein Einlassrohr (42) zur Weiterleitung von eingesammeltem Gas an den Kollektor aufweist und die Probeleitung (20) ferner eine, die zweite Strömungssonde umfassende, Strömungsüberwachungsvorrichtung (60) enthält.
Partikel-Gewichtsmesseinrichtung (100) nach Anspruch 1, welche ferner eine Versorgungsleitung (22) für vorbehandeltes Gas zur selektiven Zuleitung von vorbehandeltem Gas an die Gewichtsmessanordnung (16) umfasst.
Partikel-Gewichtsmesseinrichtung (100) nach Anspruch 10, in welcher die Versorgungsleitung (22) für vorbehandeltes Gas eine Pumpe (66), ein Strömungsüberwachungsgerät (70), einen Trockner (72) und ein Verteilventil (74) aufweist.
Verfahren zur Messung des Teilchengewichts von in einem Kamin (14) strömendem Abgas (12) mit isokinetischer Probeentnahme des Abgases, gekennzeichnet durch: die Ermittlung des Feuchtigkeitsgehalts des Abgases in Echtzeitmessung; die Erfassung einer isokinetischen Probe eines Teils des Abgases auf Grundlage der Temperatur (T₁), des Druckes (P₁), des Trockenmolekulargewichts Md und des Feuchtigkeitsgehalts des Abgases in Echtzeitmessung, mit dem Schritt der Bestimmung des Volumenanteils des Wasserdampfs Bws im Abgas nach der folgenden Formel:
in welcher Q_wv = volumetrische Strömungsgeschwindigkeit des Wassergehalts im Abgas, Q₁ = volumetrische Strömungsgeschwindigkeit des heißen, feuchten Abgases an der ersten Strömungssonde (119); T₁ = vom Temperaturfühler (212) ermittelte absolute Temperatur des heißen, feuchten Abgases an der ersten Strömungssonde (110); P₁ = vom Druckmessumformer (208) ermittelter absoluter Druck des heißen, feuchten Abgases an der ersten Strömungssonde (110); P_Kamin = absoluter Druck des Abgases im Kamin; und T_Kamin = absolute Temperatur des Abgases im Kamin bedeuten; und die Erfassung des ermittelten Teilchengewichts der isokinetischen Probe.
Verfahren nach Anspruch 12, in welchem die Erfassung der isokinetischen Probe in Echtzeit erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 13, in welchem die Erfassung des Teilchengewichts der isokinetischen Probe in Echtzeit erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 12, in welchem die Erfassung der isokinetischen Probe die Bestimmung des Nassmolekulargewichts des Abgases umfasst.
Verfahren nach Anspruch 12, in welchem die Erfassung der isokinetischen Probe die Ermittlung der Geschwindigkeit des Abgases umfasst.
Verfahren nach Anspruch 12, in welchem die Ermittlung des Trockenmolekulargewichts des Abgases die Messung der Konzentration von Kohlendioxid und Sauerstoff im Abgas umfasst.
Verfahren nach Anspruch 12, in welchem die Ermittlung der Feuchtigkeitsgehaltsmessung die Ermittlung einer ersten Strömungsgeschwindigkeit eines Teils des Abgasstroms, die Entfernung von Wasser aus dem Abgasstromteil sowie die Ermittlung einer zweiten Strömungsgeschwindigkeit des wasserfreien Abgasstromteils umfasst.
Verfahren nach Anspruch 18, in welchem die Ermittlung der Feuchtigkeitsgehaltsmessung ferner die Bestimmung der Differenz zwischen der ersten und zweiten Strömungsgeschwindigkeit umfasst.
Verfahren nach Anspruch 12, in welchem die Erfassung einer isokinetischen Probe die Bestimmung der Abgasgeschwindigkeit V nach der folgenden Beziehung umfasst: V = C × (PitotDP)0,5 × (T/(P × Ms))0,5 in welcher C eine Kalibrierungskonstante für das Pitotrohr; PitotDP den über das Pitotrohr (45) im Abgas ermittelten Druckabfall; T die absolute Temperatur des Abgases; P den absoluten Druck des Abgases und Ms das Molekulargewicht des Abgases mit Wasserdampf bedeuten.
Verfahren nach Anspruch 20, in welchem die Messung des Abgas-Molekulargewichts Ms nach der folgenden Formel erfolgt: Ms = ((1 – Bws) × Md) + (MWwv × Bws)in welcher MWwv das Molekulargewicht des Wasserdampfs; Md das ermittelte Trockenmolekulargewicht des Abgases; und Bws den Volumenanteil des Wasserdampfs bedeuten.
Verfahren nach Anspruch 12, in welchem die volumetrische Strömungsgeschwindigkeit des Wassergehalts im Abgas Q_wv ermittelt wird, indem die Differenz zwischen der Strömungsgeschwindigkeit des heißen feuchten Abgases und der Strömungsgeschwindigkeit des wasserfreien Gases berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 22, welches ferner die Zuführung eines vorbehandelten Gases zur Gewichtsmessanordnung umfasst.