DE10111833C1 - Messsonde zur Bestimmung der Grösse von bewegten Partikeln in transparenten Medien - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Meßsonde zur inline-Bestimmung der Größe von bewegten Partikeln in transparenten Medien, mit einem rohrförmigen Meßsondenkörper, der im Bereich seines vorderen, im Meßraum befindlichen Endes einen einseitig offenen, prallelwandigen Durchbruch für die Aufnahme einer optischen Meßstelle mit zwei Meßfenstern aufweist. Diese besteht aus einer in einer Durchbruchwand angeordneten Beleuchtungseinrichtung und einer im Strahlengang in der gegenüber befindlichen Durchbruchwand vorgesehenen Lichtempfangsanordnung, die mit einer optoelektronischen Wandleranordnung in Verbindung steht. Dabei wird die Partikelströmung zwischen Beleuchtungseinrichtung und Lichtempfangsanordnung geleitet. DOLLAR A Aufgabe ist es, eine Meßsonde zur Partikelgrößenbestimmung der genannten Art so zu ergänzen, daß deren Einsatz auch in hochbeladenen Partikelströmungen bzw. in turbulenten Partikelprozessen bei Vermeidung von Meßfehlern verursachenden Koinzidenzen möglich ist und damit eine inline-Partikelgrößenmessung innerhalb eines wesentlich erweiterten Partikelkonzentrationsbereichs gestattet. DOLLAR A Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Anordnung eines Zusatzgerätes zum Verdünnen der der optischen Meßstelle zugeleiteten Partikelströmung durch Vereinzeln der Partikel unter Verwendung eines Dispergiermediums und zur Zuleitung dieser vereinzelten Partikel zur optischen Meßstelle, wobei das Zusatzgerät auf dem rohrförmigen Meßsondenkörper im Bereich des Durchbruchs lösbar ...

Description

Die Erfindung betrifft eine Meßsonde zur in-line-Bestimmung der Größe von beweg­ ten Partikeln in transparenten Medien, mit einem rohrförmigen Meßsondenkörper, der im Bereich seines vorderen, im Meßraum befindlichen Endes einen einseitig of­ fenen, parallelwandigen Durchbruch für die Aufnahme einer optischen Meßstelle mit zwei Meßfenstern aufweist, bestehend aus einer in einer Durchbruchwand angeord­ neten Beleuchtungseinrichtung und einer im Strahlengang in der gegenüber befindli­ chen Durchbruchwand vorgesehenen Lichtempfangsanordnung, die mit einer opto­ elektronischen Wandleranordnung in Verbindung steht, wobei die Partikelströmung zwischen Beleuchtungseinrichtung und Lichtempfangsanordnung geleitet wird.

Das Anwendungsgebiet der Erfindung ist die berührungslose Ermittlung der Größe von Partikeln, d. h. von festen, flüssigen und/oder gasförmigen Teilchen, die sich in strömenden Flüssigkeiten oder Gasen befinden oder die sich in einem transparenten Medium bzw. im Vakuum selbst bewegen. Beispiele seien disperse Mehrphasen­ strömungen, z. B. Staub-, Suspensions- oder Aerosolströmungen, wobei im Rahmen mehr oder weniger komplexer technologischer Prozesse die Teilchengröße ohne Probennahme mit einer hohen Datenrate bestimmbar ist.

Gemäß DE 196 28 348 C1 und DE 298 04 156 U1 ist bereits eine derartige Meßson­ de bekannt. Sie besteht aus einem rohrförmigen Meßsondenkörper, der in ein Parti­ keln führendes Medium eingebracht werden kann. Am Ende des Meßsondenkörpers befindet sich ein parallelwandiger Durchbruch, der einseitig offen ist, und dem eine optische Meßstelle zugeordnet ist. Diese weist zwei im Durchbruch gegenüber be­ findliche Meßfenster auf, wobei ein Meßfenster eine Beleuchtungseinrichtung und das andere Meßfenster als Lichtempfangsanordnung eine Ortsfrequenzfilteranord­ nung mit einem zusätzlichen lichtwellenleitenden Element schützt. Diese Ortsfrequenzfilteranordnung ist ausgangsseitig auf eine optoelektronische Wandleranord­ nung geführt, so daß beim Passieren von Partikeln durch das durch die Beleuch­ tungseinrichtung beleuchtete Meßvolumen im Durchbruch des Meßsondenkörpers einerseits ein wechselspannungsartiges Ausgangssignal zur Bestimmung der Parti­ kelgeschwindigkeit und andererseits ein Impulssignal zur Bestimmung der Partikel­ größe ausgewertet werden kann.

Eine analoge Meßsonde mit einer abweichenden Lichtempfangsanordnung, die Aus­ gangssignale auf der Basis von Zeitmessungen gewinnt, ist aus DE 199 11 654 C1 bekannt.

Beim praktischen Einsatz dieser bekannten Meßsonden in verschiedenen Partikel­ strömungen hat sich gezeigt, daß insbesondere in hochbeladenen Partikelströmun­ gen bzw. in turbulenten Partikelprozessen (z. B. in Wirbelschichten) durch die relativ hohe Partikeldichte bedingte Koinzidenzen im Meßvolumen im Bereich des Strahlen­ gangs auftreten, so daß exakte Ausgangssignale nicht mehr bestimmbar sind. Damit sind unerwünschte Meßfehler bei der Partikelgrößenbestimmung zu verzeichnen. Der Einsatzbereich der bekannten Meßsonden ist deshalb auf ein bestimmtes Parti­ kelkonzentrationsbereich beschränkt; eine praktikable Prozeßunabhängigkeit der Meßsonden für die Partikelgrößenmessung ist nicht gegeben.

Im Zusammenhang mit der trockenen Handhabung feiner Partikeln ist aus DE 34 07 871 A1 ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung eines massenstrom- oder volumenstromkonstanten Gas-Feststoffteilchen-Freistrahls bekannt, wodurch der Bildung von Agglomeraten durch eine Dispergier-Vorrichtung entgegen gewirkt wer­ den soll. Diese enthält u. a. einen einen Ringspalt aufweisenden Injektor, der unter Wirkung eines Treibgases einen Feststoffteilchen-Massenstrom ansaugt, beschleu­ nigt und dispergiert.

Aus DE 37 01 946 A1 ist gleichfalls eine Vorrichtung zum Dispergieren feiner Parti­ keln in agglomeriertem Zustand bekannt, wobei unter der Wirkung eines in einen Ringspalt emittierten Hochdruckgases eine Ejektorwirkung in einem Partikelkanal erzeugt wird, wodurch die feinen Partikel durch Saugwirkung transportiert und dis­ pergiert werden.

Diese bekannten Vorrichtungen sind bezüglich eines Einsatzes in einer Meßsonde zur Partikelgrößenbestimmung gemäß Gattungsbegriff nicht ohne weiteres übertrag­ bar, da hierbei nicht schwerpunktmäßig die Dispergierung feinster agglomerierter Partikeln ansteht. Eine Anregung zur Lösung der Nachteile beim Einsatz der be­ kannten Meßsonden in hochbeladenen Partikelströmen bzw. in turbulenten Partikel­ prozessen ist nicht entnehmbar.

Aus nachstehenden Schriften ist es allerdings grundsätzlich in unterschiedlichen Ausführungen bekannt, vor dem optischen Analysieren/Messen von insbesondere in Flüssigkeiten suspendierten Teilchen ein Verdünnungsmedium zuzuführen mit dem Ziel der mehr oder weniger wirksamen Vereinzelung der Teilchen in der Meßstelle.

So sind aus US 53 51 118 A ein Verfahren und ein Gerät zum Analysieren von in einer Flüssigkeit schwebenden Teilchen bekannt. Das Gerät besteht im wesentlichen aus zwei plattenförmigen Teilen, in die ein Strömungskanal (als Durchflußküvette) eingearbeitet ist. Diesem werden zu analysierende Teilchen in der Flüssigkeit, ggf unter Zufuhr eines Verdünnungsmittels, zugeleitet. Quer zum Kanal sind zwei Elek­ troden angeordnet, welche bei Anlage einer elektrischen Spannung ein elektrisches Feld erzeugen, welches durch die Teilchen passiert wird. Durch Messung der elektri­ schen Leitfähigkeit der Flüssigkeit ist die Volumenbestimmung der Teilchen möglich. Diese Meßanordnung ist mit einer Beleuchtungs- und optoelektronischen Lichtemp­ fangsanordnung kombiniert, wobei die Fluoreszenz der Teilchen sowie die Farbe zum Zweck einer Klassifizierung der Teilchen bestimmbar sind.

Das bekannte Gerät ist für eine in-line-Teilchengrößenbestimmung nicht geeignet. Dabei dient die Zufuhr eines Verdünnungsmittels unter Verwendung einer rechtwink­ lig in den Kanal mündenden Zufuhrleitung unmittelbar vor der das elektrische Feld enthaltenden Meßstelle dem derartigen Vereinzeln der Teilchen, daß immer nur ein einzelnes Teilchen das elektrische Feld passieren kann. Andernfalls kann das Teil­ chenvolumen nicht fehlerfrei bestimmt werden. Eine Anregung zur Verbesserung ei­ ner Meßsonde der eingangs genannten Art bei Beseitigung der erwähnten Nachteile ist schon wegen des abweichenden Meßprinzips nicht zu entnehmen.

In EP 04 35 111 A2 sind des weiteren ein Verfahren und ein Gerät zur optischen Messung von Teilchen beschrieben. Dabei besteht das Gerät aus einer Durchfluß­ zelle, der in einer Probenflüssigkeit enthaltene gefärbte Teilchen sowie ein Verdün­ nungsmittel zugeführt werden. Der Durchflußzelle sind quer zwei Beleuchtungsein­ richtungen genau definierter Wellenlänge zugeordnet, deren Lichtstrahlen die Durch­ flußzelle durchdringen. Das durch die Teilchen verursachte Streulicht wird von den Lichtstrahlen zugeordneten Detektoren erfaßt und hinsichtlich verschiedener Kenn­ werte sowie (auf der Basis einer Laufzeitmessung) der Strömungsgeschwindigkeit in der Durchflußzelle ausgewertet.

Auch dieses bekannte Gerät ist weder für eine in-Prozeßmessung noch für eine Grö­ ßenbestimmung der Teilchen geeignet und kann - auch aufgrund des einen erhebli­ chen Aufwand verursachenden abweichenden Meßverfahrens keine Anregung zur Verbesserung der eingangs genannten Meßsonde liefern.

Es sind weiterhin aus DE 197 24 207 A1 ein Verfahren und eine Vorrichtung zur on- line-Messung der Korngrößenverteilung in industriellen Mahlprozessen bekannt, wo­ bei eine Probe des Mahlgutes zyklisch in ein Lösungsmittel eingebracht wird. An­ schließend werden vom Lösungsmittel dispergierte Teilchen auf einer Verzögerungs­ strecke getrennt und einer optischen Messung der Teilchengrößenverteilung unter Verwendung einer Lichtquelle und eines Sensors unterzogen. Danach wird das Ge­ misch wieder getrennt, wobei das Lösungsmittel in den Dispergierkreislauf rückge­ führt wird.

Diese bekannte Vorrichtung ist gleichfalls für den in-Prozeß-Einsatz nicht geeignet, da nur zyklische und nicht kontinuierlich Partikelstrom-Proben des Mahlgutes ent­ nommen und einer externen Meßeinrichtung zugeführt werden können. Die Verwen­ dung eines Lösungsmittels als Dispergiermedium ist des weiteren bei im laufenden Prozeß erfolgenden Messungen ausgeschlossen.

Schließlich ist aus US 61 78 830 B1 eine Vorrichtung zur in-line Verdünnung und Entnahme von partikelhaltigem Medium aus einer eine Partikelströmung führenden Prozeßleitung bekannt. Dabei wird bei höheren Partikelkonzentrationen ein Verdün­ nungsmedium einer Entnahmesonde derart zugeführt, daß eine verdünnte repräsentative Probe einer mit der Entnahmesonde verbundenen optischen Meßeinrich­ tung zugeleitet wird.

Die Entnahmesonde besteht aus einem inneren, das Verdünnungsmedium führen­ den Rohr, welches von einem äußeren Rohr für die Ableitung des partikelhaltigen Mediums umgeben ist. Diese Sonde ragt mit ihrem vorderen Ende quer in die Pro­ zeßleitung. Im Bereich des vorderen Endes besitzen sowohl das innere als auch das äußere Rohr eine Öffnung für den Eintritt des partikelhaltigen Mediums (durch Wir­ kung des Staudruckes) und für den Austritt des Verdünnungsmediums. Nachteilig bei dieser Anordnung ist, daß der Austritt von Verdünnungsmedium in die Prozeßleitung nicht auszuschließen ist. Weiterhin ist ein Stau von Partikeln im hinteren Teil des äu­ ßeren Rohrs zu befürchten. Die Anordnung erlaubt weiterhin nur eine diskontinuierli­ che, zyklische Messung der Partikelgrößenverteilung nach jeweiliger Füllung der Meßkammer, also keine kontinuierliche Partikelgrößenbeobachtung im Prozeß.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Meßsonde zur Partikelgrößenbe­ stimmung der eingangs genannten Art so zu ergänzen, daß deren Einsatz auch in hochbeladenen Partikelströmungen bzw. in turbulenten Partikelprozessen bei Ver­ meidung von Meßfehlern verursachenden Koinzidenzen möglich ist und damit eine in-line-Partikelgrößenmessung innerhalb eines wesentlich erweiterten Partikelkon­ zentrationsbereichs gestattet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Anordnung eines Zusatzge­ rätes zum Verdünnen der der optischen Meßstelle zugeleiteten Partikelströmung durch Vereinzeln der Partikeln unter Verwendung eines Dispergiermediums und zur Zuleitung dieser vereinzelten Partikeln zur optischen Meßstelle, wobei das Zusatzge­ rät auf dem rohrförmigen Meßsondenkörper im Bereich des Durchbruchs lösbar be­ festigt und mit einer Quelle des Dispergiermediums verbindbar ist.

Diese erfindungsgemäß ausgestattete bzw. ergänzte Meßsonde ist auch in hochbe­ ladenen und besonders dichten Partikelströmungen bzw. in turbulenten Partikelpro­ zessen (z. B. in Wirbelschichten) einsetzbar, ohne daß durch die hohe Partikeldichte bedingte Koinzidenzen im Meßvolumen im Bereich des Strahlenganges zu befürch­ ten sind. Die Partikeln werden aus der Strömung/dem Prozeß durch Ansaugen gesammelt, durch das unter Druck stehende Dispergiermedium vereinzelt bzw. im Me­ dium verdünnt und gerichtet der optischen Meßstelle im Meßvolumen zugeführt, so daß unerwünschte Meßfehler bei der Partikelgrößenbestimmung vermieden werden können. Damit ist praktisch eine Prozeßunabhängigkeit der Meßeinrichtung zur in- line-Partikelgrößenmessung innerhalb eines wesentlich erweiterten Partikelkonzen­ trationsbereiches des Partikelstromes realisierbar. Darüber hinaus erlaubt die erfin­ dungsgemäße Lösung eine kompakte, geschlossene Bauweise und entsprechend einfache Handhabung der Meßeinrichtung; sie ist einfach und kostengünstig ent­ sprechend der konkreten Meßaufgaben nachrüst- und erweiterbar.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung besteht das Zusatzgerät aus einem strömungsgünstig gestalteten Gehäuse, in dessen Anströmbereich sich ein das Zu­ satzgerät mittig durchdringender Partikelführungskanal öffnet, welcher im Inneren des Zusatzgerätes quer zum Durchbruch verläuft und in der der Anströmung abge­ wandten Seite des Gehäuses mündet, wobei der Partikelführungskanal stromauf vor dem Durchbruch mit einer Dispergierdüse versehen ist, welche mit der Quelle des Dispergiermediums verbunden ist.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Gehäuse zylinderförmig mit einem stirnseitig angeordneten Anströmkegel gestaltet, dessen Längsachse rechtwinklig zur Längsachse des rohrförmigen Meßsondenkörpers und etwa parallel zur Strömungs­ richtung der Partikelströmung verläuft. Vorteilhaft ist dabei die Dispergierdüse als kreisringförmige, konzentrisch zum Partikelführungskanal angeordnete Dispergier­ düse ausgestaltet.

Weiterhin ist es im Hinblick auf eine kompakte Ausführung zweckmäßig, daß die Quelle des Dispergiermediums außerhalb des rohrförmigen Meßsondenkörpers an­ geordnet ist und mit einem im Inneren des rohrförmigen Meßsondenkörpers bis zu einer Austrittsöffnung führenden Kanal in Verbindung steht, wobei die Austrittsöff­ nung mit der Dispergierdüse verbunden ist.

Zwecks einsatzbedingter Drosselung des Dispergiermediums ist die Austrittsöffnung über ein Stellventil mit der Dispergierdüse verbunden.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Dispergiermedi­ um gleichzeitig als Spülmedium in einer Spüleinrichtung für die Reinigung der Meß­ fenster der optischen Meßstelle verwendbar, so daß insbesondere bei stark staub­ haltigen bzw. leicht haftenden oder benetzenden Produkten eine ständige Sauber­ haltung der sensitiven Oberflächen der Meßfenster gewährleistet ist. Dazu ist es zur Realisierung eines geringen Zusatzaufwandes zweckmäßig, daß der das Dispergier- bzw. Spülmedium führende Kanal bis zu einer im Bereich des Durchbruchs münden­ den zweiten Austrittsöffnung führt, welche mit der Spüleinrichtung in Verbindung steht.

In einer bevorzugten Ausführungsform besteht die Spüleinrichtung aus einem inner­ halb des Zusatzgerätes in den Durchbruch einsetz-, befestig- und wechselbarem Spüleinsatz, welcher eine zum Partikelführungskanal fluchtende Durchgangsbohrung aufweist, die im Bereich des Strahlenganges zwischen den Meßfenstern der opti­ schen Meßstelle eine querende Öffnung aufweist, und wobei der Spüleinsatz eine mit der zweiten Austrittsöffnung kommunizierende Eingangsöffnung und zwei mit dieser verbundene Austrittsöffnungen besitzt, die jeweils quer zu den Meßfenstern der optischen Meßstelle verlaufen und einen entsprechend gerichteten definierten Spülstrahl ausgeben.

Dabei ist es aus Strömungsgründen zweckmäßig, daß der in den Durchbruch einge­ setzte Spüleinsatz im Axialschnitt durch den rohrförmigen Meßsondenkörper im Be­ reich des Durchbruchs dessen Querschnitt vollständig ergänzt. In vorteilhafter Aus­ gestaltung weist der Spüleinsatz in seiner Grundfläche eine beide Stirnflächen ver­ bindende Quernut auf, in der die zweite Austrittsöffnung mündet, wobei die Quernut mit je einem in jeder Stirnfläche des Spüleinsatzes befindlichen Austrittskanal ver­ bunden ist, der jeweils vorzugsweise parallel zur Durchgangsbohrung verläuft und den Strahlengang im Bereich der Meßfenster schneidet. Dabei ist es besonders vor­ teilhaft, wenn in den Austrittskanälen für das Spülmedium Drosseldüsen vorgesehen sind, deren Querschnittsverengungen - in Stromrichtung des Spülmediums gesehen - jeweils vor den Meßfenstern angeordnet sind. Diese Drosseldüsen wirken als In­ jektor, d. h. die Partikelströmung wird im Bereich der Meßfenster (zusätzlich) be­ schleunigt, so daß insbesondere durch (zusätzliche) Vereinzelung der Partikeln einer Partikelströmung höherer Teilchendichte weiter verbesserte Meßergebnisse erzielbar sind. Andererseits ist durch die düsenbedingte Erhöhung der Strömungsgeschwin­ digkeit des Spülmediums eine weitere Verbesserung der Reinigungswirkung erreich­ bar.

Zweckmäßigerweise erzeugt die Quelle des Dispergier- bzw. Spülmediums einen geeigneten Überdruck des Dispergier- bzw. Spülmediums. Zweckmäßig ist es wei­ terhin, daß das Dispergier- bzw. Spülmedium aus einem Druckgas, aus einer Druck­ flüssigkeit oder aus einem mit einer Druckflüssigkeit versetzten Druckgas (bzw. um­ gekehrt) besteht. Besonders einfach und effektiv ist die Anwendung von Druckluft als Dispergier- bzw. Spülmedium.

Zwecks Vermeidung des Rückschlagens von unter Druck stehendem, die Partikel führendem Medium ist günstigerweise im Kanal für die Zuleitung des Dispergier- bzw. Spülmediums ein Rückschlagventil angeordnet.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung enthält das Zusatzgerät eingangsseitig eine Entnahmesonde, welche in den die Partikelströmung führenden Meßraum hineinragt und der Zuleitung eines Partikelteilstromes zur optischen Meß­ stelle dient. Mit dieser Entnahmesonde kann bei Prozessen mit vorwiegend kleinen, heißen, abrasiven und/oder schnellen Partikeln, hohen Partikeldichten und unge­ richteten Partikelbewegungen (z. B. Fließbett) die Meßsonde vom Prozeßraum me­ chanisch und thermisch entkoppelt werden, so daß schädliche Prozeßeinflüsse von der Meßsonde ferngehalten werden können.

Zweckmäßig besteht dabei die Entnahmesonde aus einem Rohr, welches einerseits rechtwinklig zu einer den Meßraum begrenzenden Behälterwand diese vorzugsweise unter Verwendung einer Flanschöffnung durchdringt und andererseits auf die Öff­ nung des Partikelführungskanals des Zusatzgerätes geführt ist.

In einer besonders günstigen Realisierungsform ist die Entnahmesonde als Doppel­ rohr ausgeführt, dessen Innenrohr der Zuleitung des Partikelteilstromes dient und dessen Außenrohr beidseitig stirnseitig verschlossen ist und außerhalb des Meß­ raums eine Zuleitung eines Druckmediums aufweist, wobei am Eingang des Innen­ rohrs eine Dispergierdüse vorgesehen ist, auf die das Druckmedium zwecks Beschleunigung des zuzuleitenden Partikelteilstroms unter Verwendung einer Kreis­ ringdüse geführt ist. Der Vorteil dieser Anordnung besteht darin, daß durch die vor­ gelagerte Dispergierdüse eine zusätzliche thermische Entkopplung/Abkühlung des Partikelteilstromes erreicht werden kann.

Weiterhin ist es zweckmäßig, daß zwecks Rückführung des Partikelteilstromes die Mündungsöffnung des Partikelführungskanals des Zusatzgerätes mit einer Rück­ führleitung verbunden ist, welche in den die Partikelströmung führenden Meßraum vorzugsweise unter Verwendung einer Flanschöffnung hineinragt. In dieser Anord­ nung bildet die Entnahmesonde vorteilhafterweise einen Bypass. Dabei kann es z. B. abhängig von den Druckverhältnissen im Prozeßraum günstig sein, daß in der Rückführleitung eine Injektoranordnung vorgesehen ist, auf die ein Druckmedium zwecks Beschleunigung des rückzuführenden Partikelteilstromes unter Verwendung einer Kreisringdüse geführt ist.

Bei diesen Anordnungen ist es besonders zweckmäßig, daß das Druckmedium Druckluft ist.

Eine besonders günstige Gestaltung ist erreichbar, wenn die Rückführleitung im Be­ reich der Entnahmesonde und zu dieser koaxial die Behälterwand vorzugsweise un­ ter Verwendung einer gemeinsamen Flanschöffnung durchdringt.

Die Erfindung wird nachfolgend an einigen Ausführungsbeispielen näher erläutert. In der zugehörigen Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine schematische Teilschnitt-Ansicht einer Anordnung eines Zusatzgerätes an einer Meßsonde,

Fig. 2 eine vergrößerte und detaillierte Darstellung des Schnittes nach Linie II-II in Fig. 1,

Fig. 3 die perspektivische Ansicht der Anordnung nach Fig. 1,

Fig. 4 die perspektivische Ansicht des Meßsondenkörpers mit einem zum Einsatz vorbereiteten Spüleinsatz (um 90° um die Längsachse des Meßsondenkör­ pers verdreht),

Fig. 5 eine schematische Teilschnitt-Ansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels,

Fig. 6 eine schematische Teilschnitt-Ansicht eines dritten Ausführungsbeispiels und

Fig. 7 eine schematische Teilschnitt-Ansicht eines vierten Ausführungsbeispiels.

Die Meßsonde (Fig. 1) besteht aus einem Sondengehäuse 1 für die Aufnahme u. a. einer Lichtquelle, von elektronischen und elektrischen Bauteilen sowie von einer Quelle eines Dispergiermediums (nicht dargestellt). An das Sondengehäuse 1 ist ein rohrförmiger Meßsondenkörper 2 befestigt, dessen vorderes Ende 2.1 unter Verwen­ dung einer Flanschöffnung in einen Meßraum hineinragen kann. In diesem Meßraum befindet sich eine relativ hochbeladene Partikelströmung 3, beispielsweise in einem Behälter hinter einer Behälterwand 4, wobei die Größe der bewegten Partikeln be­ stimmt werden soll.

Der rohrförmige Meßsondenkörper 2 enthält im Bereich seines vorderen Endes 2.1 einen einseitig offenen, parallelwandigen Durchbruch 5 mit zwei Durchbruchwänden 5.1 und 5.2 sowie einer inneren Fläche 5.3 (Fig. 4). Der Durchbruch 5 dient der Auf­ nahme einer optischen Meßstelle. Diese weist zwei einander gegenüber angeord­ nete Meßfenster 6, 7 auf, wobei sich das Meßfenster 6 in der Durchbruchwand 5.1 befindet und die Austrittsöffnung einer Beleuchtungseinrichtung darstellt, welche mit der im Sondengehäuse 1 angeordneten Lichtquelle (nicht gezeichnet) in Verbindung steht. Demgemäß tritt bei Aktivierung der Lichtquelle ein paralleler Lichtstrahl 8 aus dem Meßfenster 6 aus.

Das in der Durchbruchwand 5.2 befindliche Meßfenster 7 (nicht dargestellt) schützt eine aus DE 196 28 348 C1 bekannte Ortsfrequenzfilteranordnung mit einem zusätz­ lichen lichtwellenleitenden Element (nicht gezeichnet), welche ausgangsseitig auf eine optoelektronische Wandleranordnung geführt ist. Gemäß der Anordnung wer­ den die sich durch den parallelwandigen Durchbruch 5 (Meßvolumen) bewegenden Partikeln der Partikelströmung 3 durch den Lichtstrahl 8 beleuchtet, wobei sich ent­ sprechende Schattenbilder auf dem Meßfenster 7 bzw. auf der optischen Wirkungs­ fläche der erwähnten Ortsfrequenzfilteranordnung abbilden, so daß die bekannten Signale zur Teilchengrößenbestimmung auswertbar sind.

Im Bereich des Durchbruchs 5 des rohrförmigen Meßsondenkörpers 2 ist ein Zusatz­ gerät 9 auf dem Meßsondenkörper 2 lösbar befestigt (Fig. 1-3). Dieses Zusatzgerät 9 dient dem Verdünnen der der optischen Meßstelle zugeleiteten (an sich relativ hochbeladenen) Partikelströmung 3. Es besteht aus einem zylinderförmigen Gehäu­ se 10, welches zwei Klemmhälften enthält, die durch Klemmschrauben 11 zusam­ mengehalten sind. Beide Klemmhälften des Gehäuses 10 enthalten mittig zur Trennfuge eine gemeinsame Durchgangsbohrung 12, deren Innendurchmesser praktisch dem Außendurchmesser des rohrförmigen Meßsondenkörpers 2 entspricht, so daß das Gehäuse 10 den Meßsondenkörper 2 umfaßt und auf diesem festge­ klemmt werden kann. Stirnseitig besitzt das Gehäuse 10 einen der Partikelströmung 3 zugewandten Anströmkegel 13.

Dabei ist das Gehäuse 10 des Zusatzgeräts 9 so gestaltet und angeordnet, daß die Längsachse des zylinderförmigen Gehäuses 10 rechtwinklig, um einen Betrag a ver­ setzt, zur Längsachse des rohrförmigen Meßsondenkörpers 2 verläuft, wobei die Längsachse des zylinderförmigen Gehäuses 10 mit hinreichender Genauigkeit par­ allel zur Strömungsrichtung der Partikelströmung 3 ausgerichtet ist. Der Betrag a entspricht dem Mittenabstand des Strahlengangs (Mittenverbindung der Meßfenster 6, 7).

Das Gehäuse 10 ist weiterhin mit einem zu diesem koaxialen und das Gehäuse 10 durchdringenden Partikelführungskanal 14 ausgestattet, mit dessen Hilfe die Parti­ keln der Partikelströmung 3 durch die im Durchbruch 5 angeordnete optische Meß­ stelle hindurchgeleitet werden. Stromauf vor dem Durchbruch 5 ist dieser Partikelfüh­ rungskanal 14 mit einer Dispergierdüse 15 versehen. Diese besteht aus einem sich verjüngenden Einlaufteil und einem zugeordneten Düsenteil (Fig. 2), so daß ein Ringspalt einer Kreisringdüse gebildet ist. Im entsprechenden Hohlraum mündet über ein Stellventil 16 eine Zuleitung 17, die über eine Austrittsöffnung 18 und einen im Meßsondenkörper 2 verlaufenden Kanal 19 über ein Rückschlagventil mit der Quelle eines Dispergiermediums (gemäß Ausführungsbeispiel mit einer Druckluftquelle), verbunden ist.

Bei in den Meßraum ragender Meßsonde mit Zusatzgerät 9 und entsprechender Aus­ richtung zur Strömungsrichtung der Partikelströmung 3 können Partikeln in den Parti­ kelführungskanal 14 des Zusatzgeräts 9 eindringen. Bei Druckbeaufschlagung des Kanals 19 über die Druckluftquelle wird Druckluft über die Austrittsöffnung 18 und die Zuleitung 17 der Dispergierdüse 15 zugeleitet, wobei das Stellventil 16 eine prozeßabhängige Druckeinstellung gewährleistet. Unter Wirkung der Druckluft in der Dis­ pergierdüse 15 werden die in den Partikelführungskanal 14 angesaugten Partikeln vereinzelt und demgemäß wird die zugeleitete Partikelströmung verdünnt, so daß bei Durchströmung durch die optische Meßstelle im Durchbruch 5 durch zu hohe Parti­ keldichte hervorgerufene Koinzidenzen und andere Störungen im Meßvolumen im Bereich des Strahlenganges vermieden sind, so daß eine weitgehende Prozeßunab­ hängigkeit für die Partikelgrößenmessung trotz an sich eingeschränkten Arbeitsbe­ reichs der Meßsonde hinsichtlich der Partikelkonzentration erreichbar ist.

In einer zweckmäßigen Ergänzung des ersten Ausführungsbeispiels wird das Dis­ pergiermedium (im Beispiel Druckluft) gleichzeitig als Spülmedium in einer Spülein­ richtung für die ständige Reinigung/Sauberhaltung der sensitiven Oberflächen der Meßfenster 6, 7 der optischen Meßstelle verwendet. Diese Spüleinrichtung besteht im wesentlichen aus einem Spüleinsatz 20 (Fig. 2, 4), der in den parallelwandigen Durchbruch 5 einsetz- und auf geeignete Weise befestigbar sowie bei Erfordernis auswechselbar ist. Im Profil ist dieser Spüleinsatz 20 halbkreisförmig, so daß er den im Bereich des Durchbruchs 5 halbkreisförmigen Querschnitt des Meßsondenkörpers 2 vollständig ergänzt. Er sitzt auf der inneren Fläche 5.3 des Durchbruchs 5 auf und ist von einer Durchgangsbohrung 21 durchdrungen, die zum Partikelführungskanal 14 des Zusatzgeräts 9 fluchtet.

Zwecks Zuleitung des Spülmediums (Druckluft) ist der Kanal 19 im Inneren des Meß­ sondenkörpers 2 bis in den Bereich des Durchbruchs 5 verlängert und mündet in ei­ ne zweite Austrittsöffnung 22, welche ihrerseits in einer Quernut 23 der Grundfläche des Spüleinsatzes 20 endet. In dieser Quernut 23 mündet je ein in den Stirnseiten des Spüleinsatzes 20 eingearbeiteter Zufuhrkanal 24, der je mit einem Austrittskanal 25 verbunden ist. Diese Austrittskanäle 25 verlaufen parallel zur Durchgangsbohrung 21 quer an den Meßfenstern 6, 7 vorbei. In jedem Austrittskanal 25 ist eine Drossel­ düse 26 angeordnet, deren Querschnittsverengung sich - in Richtung der Strömung des Spülmediums (Druckluft) gesehen - jeweils vor den Meßfenstern 6, 7 befindet.

Zur Ermöglichung des Durchtritts des Lichtstrahls 8 ist des weiteren in jedem Aus­ trittskanal 25, d. h. beidseitig zur Durchgangsbohrung 21, je eine den Spüleinsatz 20 im Bereich der Meßfenster 6, 7 durchdringende Öffnung 27 eingearbeitet, die vorzugsweise die Form eines Spaltes besitzt, der sich fluchtend zur Gitterachse der Ortsfrequenzfilteranordnung erstreckt.

Bei Druckbeaufschlagung des Kanals 19 strömt die Druckluft (auch) durch die zweite Austrittsöffnung 22 und über die Quernut 23 durch beide Zufuhrkanäle 24 zu den Austrittskanälen 25. Unter der Wirkung der dort angeordneten Drosseldüsen 26 wird die Strömung der Druckluft beschleunigt, so daß eine Verbesserung der Reinigungs­ wirkung durch einen definierten Spülstrahl 28 bezüglich der Oberflächen der Meß­ fenster 6, 7 erzielbar ist. Zusätzlich wirkt diese Anordnung der Drosseldüsen 26 je­ weils als Injektor, d. h. die zugeleitete Partikelströmung 3 wird in der Durchgangsboh­ rung 21 im Bereich der Öffnungen 27 neben den Meßfenstern 6, 7 zusätzlich be­ schleunigt. Durch diese zusätzliche Dispergierwirkung, verbunden mit der ständigen Sauberhaltung der Meßfenster 6, 7, können noch genauere Meßergebnisse erreicht werden.

Im vorstehenden Ausführungsbeispiel wurde als Dispergier- bzw. Spülmedium Druckluft verwendet, welche einen geeigneten Überdruck relativ zum Druck der Par­ tikelströmung 3 aufweist. In gleicher Weise und abhängig vom konkreten Einsatzfall kann auch ein anderes geeignetes Druckgas (z. B. ein Inertgas) oder eine Druckflüs­ sigkeit (z. B. Wasser) als Spülmedium Verwendung finden. Gleichfalls ist die Ver­ wendung von mit Druckflüssigkeit versetztem Druckgas (bzw. umgekehrt) möglich.

In einem zweiten Ausführungsbeispiel (Fig. 5) ist der mit dem Zusatzgerät 9 verse­ henen Meßsonde (Sondengehäuse 1 und Meßsondenkörper 2) eine Entnahmesonde 29 zugeordnet, so daß die Meßsonde vom Prozeßraum mechanisch und thermisch entkoppelt ist. Die Entnahmesonde 29 besteht dabei aus einem Rohr 30, welches unter Verwendung einer Flanschöffnung die Behälterwand 4 durchdringt und vor­ zugsweise rechtwinklig zur Partikelströmung 3 in diese hineinragt. Am anderen Ende ist das Rohr 30 der Entnahmesonde 29 auf die Eingangsöffnung des Partikelfüh­ rungskanals 14 des Zusatzgerätes 9 geführt.

Diese Anordnung erlaubt die Zuleitung eines Partikelteilstromes 3.1 zur optischen Meßstelle der Meßsonde (die wie im ersten Ausführungsbeispiel beschrieben arbeitet), wobei die Zuleitung unter der Wirkung des Staudruckes (in Kombination mit der Saugwirkung der Dispergierdüse 15) erfolgt.

Zwecks Rückführung des Partikelteilstroms 3.1 ist eine Rückführleitung 31 vorgese­ hen, welche eingangsseitig zur Mündung des Partikelführungskanals 14 fluchtet und unter Verwendung einer zweiten Flanschöffnung der Behälterwand 4 im Prozeßraum mündet. Zur Beschleunigung der Partikelteilstromrückführung kann die Rückführlei­ tung 31 mit einer Injektoranordnung 32 versehen sein, die vorzugsweise eine Kreis­ ringdüse aufweist und der mit der Zuleitung 33 Druckluft zugeführt wird.

Nach einem dritten Ausführungsbeispiel (Fig. 6) ist bei sonst analogem Aufbau die Rückführleitung 31 auf die gleiche Flanschöffnung der Behälterwand 4 geführt, die auch dem Durchtritt der Entnahmesonde 29 dient. Demgemäß umgibt das Austritts­ stück 31.1 der Rückführleitung 31 das Rohr 30 der Entnahmesonde 29 koaxial als Doppelrohrausführung, so daß eine gemeinsame Flanschöffnung nutzbar ist.

In einem vierten Ausführungsbeispiel (Fig. 7) ist bei sonst weitgehend ähnlichem Aufbau die Entnahmesonde 29 als Doppelrohr 34 ausgeführt, dessen Innenrohr dem Rohr 30 für die Partikelteilstromzuführung entspricht. Das Außenrohr 34.1 des Dop­ pelrohrs 34 ist beidendig stirnseitig verschlossen und außerhalb des Prozeßraums mit einer Zuleitung 35 für Druckluft (als Dispergiermedium) verbunden. Im Eingangs­ bereich des Innenrohrs (Rohr 30) des Doppelrohrs 34 ist eine Dispergierdüse 36 an­ geordnet. Diese ist analog wie die Dispergierdüse 15 (s. Fig. 2) aufgebaut und weist demgemäß einen Ringspalt auf, durch den die durch das Außenrohr 34.1 zugeführte Druckluft einströmt und demgemäß die Partikeln des Partikelteilstroms 3.1 ansaugt und vereinzelt, so daß die verdünnte Partikelteilströmung 3.1 (bei einer zusätzlichen thermischen Entkopplung infolge der Wirkung der vorgelegten Dispergierdüse 36 und der zusätzlichen Wegstrecke) der optischen Meßstelle im Zusatzgerät 9.1 zugeführt wird. Entsprechend dieser Gestaltung des vierten Ausführungsbeispiels kann das Zusatzgerät 9.1 vereinfacht, d. h. ohne eigene Dispergierdüse 15 ausgeführt sein.

Claims (23)

1. Meßsonde zur in-line-Bestimmung der Größe von bewegten Partikeln in trans­ parenten Medien, mit einem rohrförmigen Meßsondenkörper, der im Bereich seines vorderen, im Meßraum befindlichen Endes einen einseitig offenen, pa­ rallelwandigen Durchbruch für die Aufnahme einer optischen Meßstelle mit zwei Meßfenstern aufweist, bestehend aus einer in einer Durchbruchwand an­ geordneten Beleuchtungseinrichtung und einer im Strahlengang in der gegen­ über befindlichen Durchbruchwand vorgesehenen Lichtempfangsanordnung, die mit einer optoelektronischen Wandleranordnung in Verbindung steht, wo­ bei die Partikelströmung zwischen Beleuchtungseinrichtung und Lichtemp­ fangsanordnung geleitet wird, gekennzeichnet durch die Anordnung eines Zusatzgerätes (9; 9.1) zum Ver­ dünnen der der optischen Meßstelle zugeleiteten Partikelströmung (3; 3.1) durch Vereinzeln der Partikeln unter Verwendung eines Dispergiermediums und zur Zuleitung dieser vereinzelten Partikeln zur optischen Meßstelle, wobei das Zusatzgerät (9; 9.1) auf dem rohrförmigen Meßsondenkörper (2) im Be­ reich des Durchbruchs (5) lösbar befestigt und mit einer Quelle des Disper­ giermediums verbindbar ist.

2. Meßsonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Zusatzgerät (9) aus einem strömungsgünstig gestalteten Gehäuse (10) besteht, in dessen Anströmbereich sich ein das Zusatzgerät (9) mittig durchdringender Partikel­ führungskanal (14) öffnet, welcher im Inneren des Zusatzgerätes (9) quer zum Durchbruch (5) verläuft und in der der Anströmung abgewandten Seite des Gehäuses (10) mündet, wobei der Partikelführungskanal (14) stromauf vor dem Durchbruch (5) mit einer Dispergierdüse (15) versehen ist, welche mit der Quelle des Dispergiermediums verbunden ist.

3. Meßsonde nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (10) zylinderförmig mit einem stirnseitig angeordneten Anströmkegel (13) gestaltet ist, dessen Längsachse rechtwinklig zur Längsachse des rohrförmigen Meß­ sondenkörpers (2) und etwa parallel zur Strömungsrichtung der Partikelströ­ mung (3) verläuft.

4. Meßsonde nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dispergierdüse (15) als kreisringförmige, konzentrisch zum Partikelführungskanal (14) ange­ ordnete Dispergierdüse (15) ausgestaltet ist.

5. Meßsonde nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Quelle des Dispergiermediums außerhalb des rohrförmigen Meßsondenkörpers (2) angeordnet ist und mit einem im Inneren des rohrförmigen Meßsondenkörpers (2) bis zu einer Austrittsöffnung (18) führenden Kanal (19) in Verbindung steht, wobei die Austrittsöffnung (18) mit der Dispergierdüse (15) verbunden ist.

6. Meßsonde nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittsöff­ nung (18) über ein Stellventil (16) mit der Dispergierdüse (15) verbunden ist.

7. Meßsonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Dispergier­ medium gleichzeitig als Spülmedium in einer Spüleinrichtung für die Reinigung der Meßfenster (6; 7) der optischen Meßstelle verwendbar ist.

8. Meßsonde nach Anspruch 1, 5, 6, 7, dadurch gekennzeichnet, daß der das Dispergier- bzw. Spülmedium führende Kanal (19) bis zu einer im Bereich des Durchbruchs (5) mündenden zweiten Austrittsöffnung (22) führt, welche mit der Spüleinrichtung in Verbindung steht.

9. Meßsonde nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Spülein­ richtung aus einem innerhalb des Zusatzgerätes (9) in den Durchbruch (5) einsetz-, befestig- und wechselbarem Spüleinsatz (20) besteht, welcher eine zum Partikelführungskanal (14) fluchtende Durchgangsbohrung (21) aufweist, die im Bereich des Strahlenganges zwischen den Meßfenstern (6; 7) der opti­ schen Meßstelle eine querende Öffnung (27) aufweist, und wobei der Spülein­ satz (20) eine mit der zweiten Austrittsöffnung (22) kommunizierende Ein­ gangsöffnung (23) und zwei mit dieser verbundene Austrittsöffnungen (25) besitzt, die jeweils quer zu den Meßfenstern (6; 7) der optischen Meßstelle ver­ laufen und einen entsprechend gerichteten definierten Spülstrahl (28) ausge­ ben.

10. Meßsonde nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der in den Durch­ bruch (5) eingesetzte Spüleinsatz (20) im Axialschnitt durch den rohrförmigen Meßsondenkörper (2) im Bereich des Durchbruchs (5) dessen Querschnitt vollständig ergänzt.

11. Meßsonde nach Anspruch 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Spül­ einsatz (20) in seiner Grundfläche eine beide Stirnflächen verbindende Quer­ nut (23) aufweist, in der die zweite Austrittsöffnung (22) mündet, wobei die Quernut (23) mit je einem in jeder Stirnfläche des Spüleinsatzes (20) befindli­ chen Austrittskanal (25) verbunden ist, der jeweils vorzugsweise parallel zur Durchgangsbohrung (21) verläuft und den Strahlengang im Bereich der Meß­ fenster (6; 7) schneidet.

12. Meßsonde nach Anspruch 9, 10 und 11, gekennzeichnet durch in den Aus­ trittskanälen (25) vorgesehene Drosseldüsen (26), deren Querschnittsveren­ gungen - in Stromrichtung des Spülmediums gesehen - jeweils vor den Meßfenstern (6; 7) angeordnet sind.

13. Meßsonde nach Anspruch 1 und einem oder mehreren der folgenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Quelle des Dispergier- bzw. Spülmedi­ ums einen geeigneten Überdruck des Dispergier- bzw. Spülmediums erzeugt.

14. Meßsonde nach Anspruch 1 und einem oder mehreren der folgenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß das Dispergier- bzw. Spülmedium aus ei­ nem Druckgas, aus einer Druckflüssigkeit oder aus einem mit einer Druckflüs­ sigkeit versetzten Druckgas (bzw. umgekehrt) besteht.

15. Meßsonde nach Anspruch 1 und einem oder mehreren der folgenden Ansprü­ che, gekennzeichnet durch die Anwendung von Druckluft als Dispergier- bzw. Spülmedium.

16. Meßsonde nach Anspruch 1 und einem oder mehreren der folgenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß im Kanal (19) für die Zuleitung des Disper­ gier- bzw. Spülmediums ein Rückschlagventil angeordnet ist.

17. Meßsonde nach Anspruch 1, 2 und einem oder mehreren der folgenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Zusatzgerät (9; 9.1) eingangsseitig eine Entnahmesonde (29) enthält, welche in den die Partikelströmung (3) füh­ renden Meßraum hineinragt und der Zuleitung eines Partikelteilstromes zur optischen Meßstelle dient.

18. Meßsonde nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Entnahme­ sonde (29) aus einem Rohr (30) besteht, welches einerseits etwa rechtwinklig zu einer den Meßraum begrenzenden Behälterwand (4) diese vorzugsweise unter Verwendung einer Flanschöffnung durchdringt und andererseits auf die Öffnung des Partikelführungskanals (14) des Zusatzgerätes (9; 9.1) geführt ist.

19. Meßsonde nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Entnahme­ sonde (29) als Doppelrohr (34) ausgeführt ist, dessen Innenrohr (30) der Zu­ leitung des Partikelteilstromes (3.1) dient und dessen Außenrohr (34.1) beid­ seitig stirnseitig verschlossen ist und außerhalb des Meßraums eine Zuleitung (35) eines Druckmediums aufweist, wobei am Eingang des Innenrohrs (30) ei­ ne Dispergierdüse (36) vorgesehen ist, auf die das Druckmedium zwecks Be­ schleunigung des zuzuleitenden Partikelteilstroms (3.1) unter Verwendung ei­ ner Kreisringdüse geführt ist.

20. Meßsonde nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß zwecks Rückfüh­ rung des Partikelteilstromes (3.1) die Mündungsöffnung des Partikelführungs­ kanals (14) des Zusatzgerätes (9; 9.1) mit einer Rückführleitung (31) verbun­ den ist, welche in den die Partikelströmung (3) führenden Meßraum vorzugs­ weise unter Verwendung einer Flanschöffnung hineinragt.

21. Meßsonde nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß in der Rückführ­ leitung (31) eine Injektoranordnung (32) vorgesehen ist, auf die ein Druckmedium zwecks Beschleunigung des rückzuführenden Partikelteilstromes (3.1) unter Verwendung einer Kreisringdüse geführt ist.

22. Meßsonde nach Anspruch 19 und 21, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckmedium Druckluft ist.

23. Meßsonde nach Anspruch 18 und 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückführleitung (31) im Bereich der Entnahmesonde (29) und zu dieser koa­ xial die Behälterwand (4) vorzugsweise unter Verwendung einer gemeinsamen Flanschöffnung durchdringt.