FI117306B - Mittalaite aerosolien mittaamiseksi - Google Patents

Description

117306

Mittalaite aerosolien mittaamiseksi

Keksinnön kohteena on patenttivaatimuksen 1 johdanto-osan mukainen mittalaite.

5

Ympäristömääräysten tiukentuessa tarve hiukkaspäästöjen mittaukseen lisääntyy. Mittaustarvetta esiintyy erityisesti puhdistusmenetelmien kehitystyössä, erilaisten polttoprosessien tutkimuksessa sekä varsinaisten päästöjen valvontaprosesseissa. Hiukkasmittauksissa on perin-10 teisesti käytetty ns. kaskadi-impaktoreita, jotka luokitelevat hiukkaset hiukkaskoon mukaan.

Kuvassa 1 on esitetty tunnetun tekniikan tason mukaisen useasta asteesta koostuvan impaktorin 10 poikkileikkaus. Kuvan yksinkertaista-15 miseksi vain kaksi ensimmäistä astetta on piirretty. Tutkittava virtaus 11 imetään esimerkiksi alipaineen avulla impaktorin 10 lävitse. Ilmavirtaus 11 tuodaan impaktorin runkorakenteen 31 lävitse ensimmäiseen kammioon 19a. Kussakin asteessa on suutinosa 12a ja 12b, johon tehtyjen aukkojen läpi hiukkasia kuljettava virtaus kulkee. Suutinosien 12a 20 ja 12b taakse on sijoitettu keräyspinnat 13a ja 13b. Keräyspinnassa on vähintään yksi poistoaukko, jonka kautta virtaus pääsee virtaamaan :T: seuraavaan kammioon tai pois impaktorista.

* « « « * « ft*· ·

Kuvassa 2 on esitetty yksityiskohta keräyspinnasta 13. Suutinosan 25 aukoista viilaavan ilmavirran 11 virtaussuunta muuttuu jyrkästi sen .‘.J kohdatessa keräyspinnan 13. Virtauksen 11 kuljettamat tarpeeksi pie nen mekaanisen liikkuvuuden omaavat hiukkaset 21 eivät kykene seu-’*··* raamaan virtauksen suunnan äkillistä muutosta vaan törmäävät keräys- pintaan 13. Keräyspintaan 13 törmänneet hiukkaset 11 kerääntyvät :;j-: 30 keräyspinnalle 13 muodostaen massan 22.

« · • * • * » i : ;·; Hiukkasten mekaaninen liikkuvuus riippuu tunnetulla tavalla hiukkas- !··-! koosta. Tämä mahdollistaa hiukkasten kokoselektiivisen luokittelun.

• §

Valitsemalla tunnetulla tavalla kuvan 1 suutinosassa 12a ja 12b olevien : 35 aukkojen lukumäärä ja koko, suutinosan 12a ja 12b ja keräyspinnan 13a ja 13b välinen etäisyys sekä käytettävä virtausnopeus voidaan kukin impaktorin aste mitoittaa siten, että kullakin asteella keräyspinnalle 117306 2 13a ja 13b kertyvät vain haluttua arvoa pienemmän mekaanisen liikkuvuuden omaavat eli tiettyä hiukkaskokoa suuremmat hiukkaset.

Peräkkäiset asteet voidaan mitoittaa siten, että ensimmäinen aste 5 kerää suurimmat hiukkaset (esimerkiksi yli 100 μηη halkaisijan omaavat hiukkaset), toinen aste tätä hiukan pienemmät hiukkaset (esim. 10-100 pm) ja seuraavat asteet keräisivät vastaavasti aina pienempiä hiukkasia. Tällöin mittaamalla eri keräysasteiden keräyspinnoille 13 muodostuneet massat 22 voidaan tutkittavan virtauksessa olevien hiukkasten 10 kokojakauma päätellä. Sähköisissä impaktoreissa arvio keräyspinnalle kerääntyneestä massasta tehdään keräyspintaan takertuneiden hiukkasten luovuttamien sähkövarausten aiheuttamaa virtaa tarkkailemalla. Tekniikan tason mukaisissa ratkaisuissa keräyspinta on sähköisessä yhteydessä impaktorin ulkopuoliseen virtamittamittariin. Tämän sähköi-15 sen yhteyden toteuttamiseksi on impaktoriin täytynyt toteuttaa sähköinen läpivienti.

Kuvassa 3 on esitetty eräs tekniikan tason mukainen sähköinen läpivienti. Kuvassa 3 on keräyslevy 13 on eristetty impaktorin muusta ra-20 kenteesta 31 eristeiden 32 avulla. Keräyslevy on kytketty liittimen 33 avulla sähköjohteeseen 34, jonka kautta virta ohjataan virtamittarille 35 :T: havaitsemista varten. Koska impaktorin sisäosissa oleva paine Pjn poikki*: keaa impaktorin ulkopuolisesta paineesta P0UtJ täytyy eristeiden 32 muodostaman liitoksen impaktorin runko-osan 31 kanssa olla paine-Λ : 25 tiivis, muuten liitoksessa tapahtuva ei-toivottu lisävirtaus voi haitata mit-

• M

tauksia.

• * « 4 « • 4

Toisaalta keräyspinta 13 on pystyttävä asettamaan paikoilleen suhteellisen tarkasti, erityisesti sen edessä olevan suutinosan suhteen, sillä :*:V 30 kuten edellä on todettu, riippuu keräyspinnalle kerääntyneiden hiukkas- ten kokojakauma mm. suutinosan ja keräyspinnan välisestä etäisyy-: destä. Toleranssit keräyspinnan sijoittelussa heijastuvat näin ollen suo- !*'*! raan impaktorilla suoritettavien mittausten luotettavuuteen.

• * ··· : **· 35 Edellä kuvatun tekniikan tason mukaisen läpiviennin ongelmana on se, että eristeisiin 32 kohdistuu kolme erilaista vaatimusta. Muodostetun liitoksen pitäisi eristää keräyspinta 13 impaktorin muista osista 31, koh- fcr* * 117306 3 distaa keräyspinta 13 ennalta määrättyyn kohtaan sekä olla painetiivis. Näistä erityisesti kaksi viimeksimainittua vaatimusta ovat keskenään ristiriitaisia. Hyvä kohdistava rakenne vaatii mekaanista jäykkyyttä, mutta hyvä painetiivis liitos saadaan parhaiten aikaan hiukan elastisilla 5 materiaaleilla. Tekniikan tason mukainen läpivienti on täten parhaassakin tapauksessa kompromissi erilaisten keskenään ristiriitaisten vaatimusten välillä.

Toinen tekniikan tason mukaisen ratkaisun ongelma on useissa eris-10 teissä, kuten teflonissa havaittavat pietso- ja triposähköiset ilmiöt, kun niihin kohdistetaan mekaanista rasitusta. Tästä johtuen nämä eristeet joutuessaan mekaaniseen rasitukseen voivat aiheuttaa häiriöitä juuri niihin sähköisiin signaaleihin, joita niiden olisi tarkoitus eristää ulkoisilta häiriöiltä. Painetiiviin liitoksen saamiseksi tulee impaktorin runko-15 rakenteen 31 puristua tiiviisti eristettä 32 vasten. Tällöin eristeeseen 31 kohdistuu paitsi paine-eron aiheuttama mekaaninen rasitus, niin myös runko-osan 31 aiheuttamasta puristuksesta.

Tässä hakemuksessa kuvatun mittalaitteen tarkoituksena on poistaa 20 edellä kuvatut tekniikan tason ongelmat. Keksinnön mukaisessa mittalaitteessa mainitut keskenään ristiriitaiset vaatimukset kohdistetaan eri eristeyksiköille. Toinen eristeyksikkö vastaa liitoksen painetiiveydestä .T: ja toinen keräyspinnan kohdistamisesta. Tällöin voidaan toteuttaa jmittalaite, jolla pystytään tarjoamaan tekniikan tason mukaiseen ratkai-25 suun nähden keräyspinnan tarkempi sijoittuminen mittalaitteessa, mikä :\e: heijastuu mittalaitteella saatujen tulosten parantuneena luotettavuute- na.

• » t··

Edelleen keksinnön mukaisen mittalaitteen etuna on, että se on teknii-# 30 kan tason mukaiseen mittalaitteeseen verrattuna pienempi ja sen osat ovat helpompia puhdistaa ja vaihtaa.

• · « · 9

Keksinnön mukaiselle mittalaitteelle on tunnusomaista se, mitä on esi-tetty patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkkiosassa.

’· ’ 35 » · :{9\ Seuraavassa keksintöä selostetaan yksityiskohtaisesti oheisiin piirus-tuksiin viittaamalla, joissa % 4 117306 kuva 1 esittää tekniikan tason mukaista impaktoria, kuva 2 esittää mitattavien hiukkasten iskeytymistä keräyspinnalle, 5 kuva 3 esittää tekniikan tason mukaista läpivientiä, kuva 4 esittää erästä keksinnön mukaisen mittalaitteen suoritusmuotoa ja 10 kuva 5 esittää erästä toista keksinnön mukaisen mittalaitteen suoritusmuotoa.

Kuvia 1, 2 ja 3 on käsitelty edellä tekniikan tason yhteydessä.

15 Seuraavassa on esitelty keksinnön edullisia suoritusmuotoja. Keksinnön mukaista ratkaisua voidaan käyttää edullisesti sähköisessä ali-paineimpaktorissa, mutta keksinnön perusideaa voidaan hyödyntää myös muunlaisissa aerosolimittalaitteissa, 20 Samoin seuraavassa on viitattu hiukkasia havainnoitsevana elementtinä keräyspintaan, mutta keksinnön perusidean kannalta ei oie merkitystä, minkä tyyppistä elementtiä käytetään hiukkasten havaitsemi-seen.

• · » ·»· · 25 Tässä hakemuksessa on asian ymmärtämisen helpottamiseksi käytetty .·. j pääosin termiä hiukkanen termien aerosoli tai aerosolihiukkanen sijas- ta. Tällä ei ole kuitenkaan ole tarkoitettu rajoittamaan termiä hiukkanen « · ..... koskemaan vain kiinteitä hiukkasia, vaan sillä tarkoitetaan myös muissa faaseissa olevia pienehköjä aine-eriä, kuten esimerkiksi aerosoli-. 30 hiukkasia. Termi aerosoli määritellään kokoelmaksi (eng. assembly) nestemäisiä tai kiinteitä hiukkasia sekoittuneena (eng. suspended) kaasumaiseen väliaineeseen.

4 * *

Kuvassa 4 on esitetty erään keksinnön mukaisen mittalaitteen suoritus-.* e 35 muoto. Runko-osaan 31 on tehty läpivienti mittaussignaalin saatta-miseksi ulos mittalaitteesta. Läpiviennin läpi kulkee signaalin kuljetta-:Λ: miseksi tarvittavasta väliaineesta valmistettu johdin 41. Riippuen

V

117306 % 5 signaalin muodosta johdin voi olla esimerkiksi sähköjohto, jos kyseessä on sähköinen signaali tai valojohdin, jos kyseessä on valosignaali.

Läpiviennin yhteyteen on asennettu myös edullisesti mekaanisesti jäyk-5 kä tukielin 42. Tukielin 42 on eristetty johtimesta 41 ensimmäisen eristeen 43 avulla. Ensimmäisen eristeen 43 johtimen 41 ja tukielimen 42 välille muodostama liitos on edullisesti painetiivis. Mainitun liitoksen ei tarvitse olla kohdistava, mikä antaa tekniikan tason mukaiseen ratkaisuun nähden enemmän toteutusvaihtoehtoja.

10

Mittalaitteen runko-osaan 31 kohdistuvat mekaaniset rasitukset, kuten mittalaitteen kokoamisesta aiheutuva puristusrasitus, kohdistuvat edullisesti jäykkään tukielimeen 42, jolloin ne eivät pääse kohdistumaan eristeisiin 43 ja 44. Tämän ansiosta keksinnön mukaisella ratkaisu vä-15 hentää pietso- ja triposähköisiä häiriöitä tekniikan tason mukaiseen ratkaisuun verrattuna.

Johdin 41 on edullisesti järjestetty välittämään informaatiota keräys-pinnalle 13 kerääntyneestä materiasta. Yksinkertaisimmillaan järjestely 20 koostuu keräyspinnan 13 ja johtimen 41 välille, edullisesti sähköjohdon 45 avulla järjestetystä sähköisestä kytkennästä. Monimutkaisemmissa rakenteissa keräyspinnan 13 ja johtimen 41 välillä voi olla myös kehitty-.T: neeseen signaalin käsittelyyn kykeneviä välineitä. Näiden välille voi- : :·; daan kytkeä esimerkiksi elektronisia komponentteja sähköisen signaa-e\:25 Iin vahvistamiseksi tai sähköoptisia muuntimia sähköisen signaalin .·, | muuntamiseksi valosignaaliksi.

• ft« • · !./ Keräyspinnan 13 ja tukielimen 42 väliin on asennettu toinen eriste 44.

• *

Toisen eristeen 44 avulla estetään keräyslevyn 13 sähköinen kytkentä 30 tukielimeen 42 ja sitä kautta laitteen runko-osaan 31. Tarvittaessa toi-nen eriste 44 voidaan edullisesti suunnitella niin, että se eristää keräys-pinnan 13 myös suoraan mittalaitteen runko-osasta 31 ja mahdollisesti muista mittalaitteen osista. Kuvassa 4 toinen eriste 44 on muotoiltu edellä mainitulla tavalla. Toisen eristeen 44 uloke 46 ulottuu keräys- • · . 35 pinnan 13 ja laitteen runko-osan 31 väliin. Keräyspinnan ja laitteen muiden osien eristämistä ei tarvitse toteuttaa samalla eristeellä kuin keräyspinnan 13 ja tukielimen 42 välistä eristämistä, vaan eristäminen 117306 6 voidaan tarvittaessa toteuttaa myös erillisellä eristeellä (ei piirretty kuvaan).

Toinen eriste 44 on edullisesti muotoiltu siten, että se kohdistaa 5 keräyspinnan 13 ennalta määrättyyn paikkaan. Keräyspinnan 13 paikka on edullisesti sellainen, että keräysalustalle kertyneiden hiukkasten kokojakauma tunnetaan joko teoreettisen tarkastelun tai aiemmin suoritetun kalibroinnin kautta. Koska mittalaitetta joudutaan aika ajoin purkamaan ja kokoamaan, niin tukielin 42, toinen eriste 44 ja keräyspinta 13 10 on edullisesti valmistettu siten, että ne pystytään helposti purkamaan ja kokoamaan siten, että keräyslevy 13 saadaan toistettavasi kohdistettua mahdollisimman tarkasti samaan kohtaan. Keräyspinta 13 voi edullisesti koostua esimerkiksi toisen eristeen 44 päälle asennettavasta ohuesta materiaalista. Mikäli tukielin on pyörähdyssymmetrinen, kuten 15 putki, voidaan toinen eriste 44 toteuttaa myös pyörähdyssymmetrisenä ja keräyspinta toisen eristeen 44 päälle asetettavasta ohuesta kalvosta.

Edellä mainitun kohdistuksen kannalta on edullista, että kohdistukseen osallistuvat välineet ovat mekaanisesti mahdollisimman jäykkiä ja niihin 20 kohdistuva mekaaninen rasitus vastaavasti mahdollisimman pientä.

Painetiiviiseen liitokseen kohdistuu mekaaninen rasitus. Tämä mekaa- :T: ninen rasitus on tyypillisesti pienempi kuin runko-osan välittämä : f; mekaaninen rasitus. Keksinnön mukaisessa ratkaisussa paine-eron • * · ·*.: aiheuttama mekaaninen rasitus kohdistuu ensimmäisen eristeen 43 • 99 : 25 muodostamaan liitokseen. Koska keksinnön mukaisessa ratkaisussa • · · toinen eriste 44 ei muodosta painetiivistä liitosta, ei siihen tai keräys-... alustaan 13 tällöin kohdistu merkittävää mekaanista rasitusta, mikä mahdollistaa tekniikan tason mukaiseen ratkaisuun verrattuna tarkemman kohdistuksen. Edelleen laitteen purkaminen ja kokoaminen on tek-30 nilkan tasoon verrattuna yksinkertaisempaa, koska samanaikaisesti ei • · · :...: tarvitse huolehtia kohdistamisesta ja painetiiveydestä.

• • 9 9 9 φ • 9 9 !···! Kuvassa 4 tukielin 42 on kuvattu erillisenä elementtinä, mutta tukielin 42 voi olla myös osa mittalaitteen runkorakennetta, esimerkkinä jäljem-: *·· 35 pänä kuvan 5 yhteydessä selvitetty suoritusmuoto. Mittalaitteen runko- rakenne voi myös itse toimia tukielimenä, jolloin erillistä tukielintä ei tarvita. Riippumatta tukielimen 42 toteutustavasta on edullista, että tuki- * 117306 7 elin muodostaa mekaanisesti jäykän liitoksen mittalaitteen muiden osien kanssa. Mekaaninen jäykkyys on toivottavaa siksi, että toinen eriste 44 kohdistaa keräyspinnan edullisesti tukielimen 42 suhteen, jolloin keräyspinnan 13 kohdistuksen oikeellisuus muihin laitteen osiin 5 nähden riippuu tukielimen 42 kohdistuksesta. Keksinnön mukaisessa ratkaisussa tukielimen 42 kohdistus voidaan toteuttaa siten, ettei tukielimen 42 ja laitteen runko-osan 31 välillä tarvitse olla sähköistä eristystä. Tällöin liitos voidaan toteuttaa esimerkiksi valmistamalla yhteensopivat kierteet tukielimeen 42 ja sen vastinpintaan.

10

Kuvassa 5 on esitetty eräs toinen keksinnön mukaisen ratkaisun suoritusmuoto. Kuvassa sylinterimäinen tukielin 52 on asennettu edullisesti kiinteästi mittalaitteen runko-osaan 31. Tukielimen 52 sisäpuolelle on asennettu edellä kuvatun mukaisesti johdin 41 ja ensimmäinen eriste 15 43. Erilliseen yhdistinosaan 59 on kuvassa yhdistetty toinen eriste 44, keräyspinta 13 sekä suutinosa 58. Tällöin esimerkiksi impaktorin yksi aste voitaisiin muodostaa yksinkertaisesti liuottamalla yhdistinosa 59 tukiosan 52 päälle. Tällaisen rakenteen tukevuutta voidaan vielä lisätä sillä, että yhdistinosa 59 tukeutuu tukielimen 52 lisäksi vähintään johon-20 kin toiseen tukirakenteeseen. Tämä voitaisiin edullisesti toteuttaa siten, että yhdistinosan toinen pää 54 tukeutuisi mittalaitteen runko-osaan 31 tukielimestä 52 katsoen mittalaitteen vastakkaisella puolella. Kuvan 5 /:*: mukaisessa ratkaisussa esitetyn ratkaisun etuna on, että asteelle ke- : rääntyvien hiukkasten kokojakauman kannalta oleelliset suutinosa 58 *\J 25 ja keräyslevy 13 ovat osa samaa kokonaisuutta, jolloin niiden tolerans- .·, · sit ovat paremmin hallinnassa, mikä ilmenee laitteen luotettavuuden ‘ \ lisääntymisenä.

« * * * · ···* Yhdistinosa 59 voidaan toteuttaa myös siten, että toinen eriste 44 ja ^ 30 keräyspinta 13 voidaan irrottaa yhdistinosasta 59 ja haluttaessa aset- taa tukiosan 52 ympärille ilman yhdistinosaa 59.

M· » I·· Läpiviennin tai keräyspinnan geometrinen muotoilu ei ole keksinnön ....· kannalta oleellinen. Muotoilu voidaan toteuttaa kulloisenkin mitta- . ^ 35 laitteen/mittaustilanteen vaatimusten mukaisesti. Läpivienti ja keräys- \*·: alusta voivat edullisesti olla sylinterimäisiä, kuten kuvassa 5 on esitetty, • * * · « • ·» • m

V

117306 8 mutta keräyspinta voi niin haluttaessa olla esimerkiksi levymäinen, kuten perinteisissä impaktoreissa.

Edellä on kuvattu yksityiskohtaisesti joitakin keksinnön mukaisen mitta-5 laitteen suoritusmuotoja, mutta keksintö ei rajoitu näihin suoritusmuotoihin, vaan voi vaihdella oheisten patenttivaatimusten määrittelemissä puitteissa.

««·

* i i « I

• » » » · * · » i i • 9 • 99 9 9 9 9 •99 9 99 9 9 9 9 9 • 99 • 9 9 9 •99 9 9 9 • •9 9 9 9 *

V

«•«f 9 9 9 9 9 «

• B

* · · * 99 • 9 9 9 9 9 9 • 99 9 9

Claims (11)

1. Mittalaite aerosolimittausta varten, jossa mittalaitteessa on - runko-osa (31), jonka sisälle on järjestetty ainakin yksi suutinosa 5 (12a, 12b) ja ainakin yksi havaintoväline (13,13a, 13b), ja - signaaliväliaine (41) informaation välittämiseksi mainitusta havaintovälineestä (13), tunnettu siitä, että mittalaitteessa on lisäksi - tukielin (42, 52), joka on yhteydessä runko-osaan (31), 10. ensimmäinen eriste (43) signaaliväliaineen (41) eristämiseksi tukielimestä (42, 52) ja - toinen eriste (44) havaintovälineen (13) eristämiseksi tukielimestä (42, 52), jolloin toinen eriste (44) on profiililtaan sellainen, että havaintoväline (13) asettuu suutinosan (12a, 12b) suhteen 15 ennalta määrättyyn asentoon.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen mittalaite, tunnettu siitä, että havaintoväline (13) on keräyspinta.

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen mittalaite, tunnettu siitä, että informaatio on informaatiota keräyspinnalle kertyneestä materiaalista. • · » • I

» * * « • 4. Patenttivaatimuksen 1 mukainen mittalaite, tunnettu siitä, että .·! · mittalaite on sähköinen alipaineimpaktori. .'·’·] 25 ‘_J

5. Patenttivaatimuksen 1 mukainen mittalaite, tunnettu siitä, että havaintoväline (13) ja signaaliväliaine (41) ovat sähköisessä ’···* kontaktissa keskenään. * * : 30

6. Patenttivaatimuksen 1 mukainen mittalaite, tunnettu siitä, että ensimmäisen eristeen (43) ja tukielimen (42) välille muodostettu liitos ..λ: on painetiivis ja kohdistamaton. ·· · • · « I

7. Patenttivaatimuksen 1 mukainen mittalaite, tunnettu siitä, että « * :A: 35 toinen eriste (44) eristää havaintovälineen (13) myös mittalaitteen :/*j muista osista. 117306

8. Patenttivaatimuksen 1 mukainen mittalaite, tunnettu siitä, että tukielin (42) on integroitu runko-osaan (31).

9. Patenttivaatimuksen 1 mukainen mittalaite, tunnettu siitä, että 5 mittalaitteessa on yhdistinosa (59), joka käsittää havaintovälineen (13).

10. Patenttivaatimuksen 9 mukainen mittalaite, tunnettu siitä, että yhdistinosa (59) käsittää suutinosan (58).

11. Patenttivaatimuksen 9 tai 10 mukainen mittalaite, tunnettu siitä, että yhdistinosa (59) käsittää toisen eristeen (44). * · 1 • > · « # • » « • 1 · *»· 1 • 1 * · · * «· ♦ · • » • · » • 1· • 1 • · 1 • ♦ ♦ · · • « # · · • · 1 • · · « • 1 · i · * 1 * ··· • · ♦ » • · » * « · * · · • · · • ♦ » • 1· 117306 — — f