Messung partikelförmiger Emissionen

4.1.1.1 Photometrische Staubmessung in-situ (Messen der optischen Transmission) [36]

Photometrische Staubmessgeräte messen die Staubbeladung über die Hilfsgröße Transmission bzw. Extinktion.

Ein Lichtstrahl durchtritt ein staubbeladenes Abgas in einem definierten Querschnitt wie z.B. Schornstein, Rohrleitung oder Kanal. Dabei erfährt er eine von der Staubbeladung abhängige Schwächung infolge von Absorption und Streuung an den Partikeln. Das Verhältnis von empfangenem Licht I zu ausgesandtem Licht I0 ist die Transmission T. Der Logarithmus des Kehrwertes der Transmission wird als Extinktion E bezeichnet.

I

Bei konstanter Staubbeladung im Abgas wird die Extinktion um so größer, je länger der Lichtweg L ist. Zwischen Transmission und der Länge der gesamten Messstrecke besteht ein exponentieller Zusammenhang:

L)

exp(-=

T ε

Der Extinktionskoeffizient ε hängt von den Eigenschaften des verwendeten Lichtes, den Eigenschaften des zu messenden Staubes (z.B. Korngrößenverteilung, Form der Partikeln, Farbe, komplexer Brechungsindex) sowie von der Staubbeladung c ab.

Wegen der Vielzahl der Einflussgrößen lässt sich ein einfacher formelmäßiger Zusammenhang zwischen der Staubbeladung und der Transmission nicht angeben. Experimentell wurde nachgewiesen, dass zwischen der Staubbeladung c und dem Extinktionskoeffizient ε in gewissen Grenzen ein linearer Zusammenhang besteht, der mit Einführung der Proportionalitätskonstante α durch das Lambert-Beer’sche Gesetz beschrieben wird:

E)

Daraus ergibt sich unter der Voraussetzung, dass alle anderen Einflussgrößen konstantgehalten werden, zwischen der Extinktion und der Staubeladung folgender Zusammenhang:

cL

=

E α

Je nach Anwendungsfall wird unterschieden zwischen - Qualitativen Messverfahren (Grenzwertüberwachung)

- Messverfahren zur Bestimmung der Rußzahl (Abgastrübung) und

- Quantitativen Messverfahren (Bestimmung der Staubbeladung/Massenkonzentration).

Qualitativ arbeitende Staubmesseinrichtungen werden zur Grenzwertüberwachung eingesetzt. Sie ermitteln lediglich die optische Transmission. Durch Kalibrierung mit einem gravimetrischen Konventionsverfahren müssen sich an der Messeinrichtung mindestens zwei Alarmschwellen frei einstellen lassen.

Staubmesseinrichtungen zur Bestimmung der Rußzahl (Abgastrübung) ermitteln ebenfalls nur die Transmission. Zwischen dem Grauwert der Abgasfahne und der Anzeige des Messgerätes muss dabei ein reproduzierbarer Zusammenhang bestehen. Die Messwerte werden als Rußzahl ausgegeben. (VDI 2066, Bl. 8 [40]

u. DIN 51402, Teil 1 [42])

Quantitativ arbeitende Staubmesseinrichtungen ermitteln den Staubgehalt (Staubbeladung des Messgutes bzw.

Massenkonzentration). Dazu wird aus der optischen Transmission die Extinktion mithilfe des Lambert-Beer’schen Gesetzes abgeleitet. Die Messgeräte geben das Messsignal üblicherweise in Milligramm Staub pro Betriebskubik-meter Abgas aus. Um reproduzierbare Messwerte zu erhalten muss vorausgesetzt werden, dass der zu messende Staub bezüglich seiner Korngrößenverteilung und seiner optischen Eigenschaften keinen wesentlichen Veränder-ungen unterliegt. Daraus folgt auch die Notwendigkeit, dass jedes einzelne Gerät am Einsatzort kalibriert werden muss.

Abb. 4.1 zeigt den schematischen Aufbau einer üblichen in-situ-Staubgehalts-Messeinrichtung. Auf der einen Seite des Abgaskanals ist der Messkopf mit Lichtquelle und optoelektronischem Empfänger angebracht. Auf der gegenüberliegenden Seite befindet sich der Reflektorkopf.

Der von der Lichtquelle ausgehende Lichtstrom wird in einen Messstrahl und einen Vergleichsstrahl geteilt (Zweistrahlverfahren). Der Messlichtstrahl durchläuft die Messstrecke zum Reflektor und zurück, der Vergleichslichtstrahl durchläuft innerhalb des Messkopfes eine staubfreie Referenzstrecke. Beide Lichtstrahlen gelangen phasenverschoben auf den Empfänger, der die Signale verarbeitet und einen der Extinktion proportionalen eingeprägten Gleichstrom liefert. Durch Einsatz des Zweistrahlverfahrens mit automatischer Kompensation wird die Messung unabhängig von äußeren Einflüssen wie z.B. Schwankungen von Betriebsparametern des Empfängers und Alterungen der optischen und elektronischen Bauteile.

Um Verschmutzungen der optischen Grenzflächen zwischen Messkopf und Abgaskanal bzw. zwischen Reflektorkopf und Abgaskanal möglichst gering zu halten, wird in die Flansche staubfreie Spülluft eingeblasen.

Gängige Messeinrichtungen verfügen über Vorrichtungen zur automatischen Nullpunkts- und Referenz-punktsüberwachung. Hierzu wird ein zweiter Reflektor im Messkopf in den Lichtweg geschwenkt, sodass der Lichtstrahl vor Erreichen des Abgaskanals reflektiert wird (Nullpunktüberwachung). Zur Überwachung des Referenzpunktes wird zusätzlich ein Filter, der eine bekannte Lichtschwächung hervorruft, eingeschwenkt.

Messkopf

Abb. 4.1: Photometrische Staubmessung in-situ (schematisch) 4.1.1.2 Streulicht-Messung [85]

Beim Durchtritt durch ein staubbeladenes Gas erfährt ein Lichtstrom eine von der Staubbeladung abhängige Schwächung infolge Absorption und Streuung an den Partikeln. Neben der Lichtschwächung (Extinktion à photometrische Staubmessung) ist auch die Lichtstreuung unter gewissen Umständen für die Bestimmung der Staubbeladung von Gasen geeignet.

Die Intensität des gestreuten Lichtes ist abhängig von der Intensität, der Wellenlänge, und der Polarisation des einfallenden Lichtes, dem Winkel, unter dem das Streulicht gemessen wird, der Größe und der Form der Partikeln sowie dem Brechungsindex des Partikelmaterials. Wegen der Vielzahl der Einflussgrößen lässt sich ein einfacher formelmäßiger Zusammenhang zwischen der Staubbeladung und der Streulichtintensität nicht angeben. Experimentell wurde nachgewiesen, dass innerhalb bestimmter Grenzen zwischen beiden ein linearer Zusammenhang besteht, sofern alle anderen Einflussgrößen annähernd konstant gehalten werden.

Der Linearitätsbereich ist nach unten durch den Einfluss von Störlicht und nach oben durch Mehrfachstreuung an den Partikeln begrenzt.

Ein wesentliches Merkmal des Streulicht-Messprinzips ist die optische Trennung des unter einem bestimmten Winkel (Beobachtungswinkel) auf einen Lichtdetektor auftreffenden Streulichtes vom Primär-Lichtstrahl.

Dadurch wird der Messwert-Nullpunkt unabhängig von der Intensität des Primärlichtes, sodass die Nachweis-empfindlichkeit im Vergleich zum Extinktions-Messprinzip erheblich gesteigert werden kann.

Viele extraktiv arbeitende Steulichtphotometer benutzen Beobachtungswinkel um 15°, da bei Partikeln, deren Abmessungen nicht klein gegen die Wellenlänge des anstrahlenden Lichtes ist, die Vorwärtsstreuung (sog. Mie-Streuung) überwiegt. Abb. 4.2 zeigt den schematischen Aufbau eines Streulicht-Photometers. Der von der Lichtquelle ausgehende Lichtstrahl gelangt über eine optische Strecke zum Flimmerspiegel. Dieser lenkt das ankommende Licht in der Stellung a als Messstrahl über eine optische Strecke in die Messkammer. Ein Teil des von dem Messgut erzeugten Streulichtes wird von einem Lichtdetektor unter einem Winkel von ca. 15° empfan-gen und gemessen. In der Position b lenkt der Flimmerspiegel das ankommende Licht als Vergleichsstrahl durch einen Lichtabschwächer und einen Vergleichsstandard auf den Lichtdetektor.

Die vom Lichtdetektor in Fall a und b erzeugten Signalströme werden in einem Messverstärker verglichen und in ein Regelsignal umgewandelt, das über den Lichtabschwächer den Vergleichsstrahl so lange verändert, bis dessen Intensität der Intensität des detektierten Streulichtes des Messgutes entspricht. In diesem kompensierten Zustand entspricht die Stellung des Lichtabschwächers dem Messsignal, das verstärkt und angezeigt wird.

Durch Einsatz des Zweistrahlverfahrens mit automatischer Kompensation wird die Messung unabhängig von äusseren Einflüssen wie z.B. Schwankungen von Betriebsparametern des Empfängers und Alterungen der optischen und elektronischen Bauteile.

Abb. 4.2: Streulicht-Messung, extraktives Verfahren (schematisch)

In-situ Streulichtphotometer arbeiten mit spitzen Beobachtungswinkeln. Diese Geräte können kompakt aufgebaut sein, da Empfänger und Sender zu einer Einheit zusammengefasst werden (Abb. 4.3).

Abb. 4.3: In-situ-Streulichtmessung (schematisch)

4.1.1.3 Messung durch β-Strahlen Absorption [85]

Bei der Staubmessung durch β-Strahlenabsorption wird ein Teilgasstrom isokinetisch (d.h. Geschwindigkeit der Partikeln im Teilgasstrom entspricht der Geschwindigkeit im Abgaskanal) aus dem Abgaskanal entnommen und durch ein Filterband gesaugt (Abb. 4.4). Die auf dem Filterband abgeschiedene Staubmenge wird durch die Schwächung gemessen, die eine β-Strahlung beim Durchtritt durch das bestaubte Filter erfährt.

Abb. 4.4: Staubmessung durch β-Strahlenabsorption (schematisch)

Als Strahlungsquelle wird künstlich hergestelltes radioaktives Material geeigneter Aktivität verwendet (z.B. die Isotope Kohlenstoff 14 oder Krypton 85). Als Detektor wird ein Geiger-Müller-Zählrohr eingesetzt. Zur Kompen-sation für die mit der Zeit nachlassende Aktivität des β-Strahlers und die variierende Schwächung der Strahlung duch das Filtermaterial werden Absorptionsmessungen vor und nach der Bestaubung des Filtermaterials vorge-nommen und die Messwerte miteinander verglichen.

Da bei β-Staubmetern die Messobjekte auf dem Filtermaterial angereichert werden, kann die Messung nicht wirklich kontinuierlich erfolgen sondern ist in Messzyklen unterteilt. Die Dauer eines Messzyklus hängt von der Anreicherungszeit ab. Durch Verlängerung der Anreicherungszeit kann die Empfindlichkeit des Messverfahrens gesteigert werden.

4.1.1.4 Staubmessung mit triboelektrischen Sensoren

Auf eine Sonde auftreffende Staubpartikel geben bei der Kollision sehr kleine elektrische Ladungen an die Sonde ab, die abgeleitet werden können. Der dabei fließende elektrische Strom kann gemessen werden. Die Stromstärke liegt bei Staubkonzentrationen zwischen 1 und 100 mg/m³ im Bereich weniger pA. Die Größe des Stromsignals ist von einer Reihe von Einflussfaktoren wie Gasgeschwindigkeit, Partikeleigenschaften, wirksamer Sondenfläche und dem mittleren Teilchendurchmesser abhängig. Bei konstanten Randbedingungen besteht zwischen dem Stromsignal und der Staubkonzentration ein linearer Zusammenhang.

Eignungsgeprüfte triboelektrische Messgeräte werden für die qualitative Staubmessung (Grenzwertbetrachtung) und mit Einschränkungen für die quantitative Staubmessung (Bestimmung der Staubbeladung) eingesetzt.