Entwicklung einer neuen Kalibrier- methode f¨ur das ... · PDF fileEntwicklung einer neuen Kalibriermethode fur das¨ Staubkonzentrationsmessger¨at SKG5 Diplomarbeit von Irina Kukujzev

Entwicklung einer neuen Kalibrier-
methode fur das Staubkonzentrati-
onsmessgerat SKG5
F-05-9901

Entwicklung einer neuen Kalibriermethodefur das Staubkonzentrationsmessgerat
SKG 5
Diplomarbeit
von
Irina Kukujzev
Hochschule Mannheim
und
Forschungsgesellschaft fur angewandte Systemsicherheit und
Arbeitsmedizin
Mannheim, Dezember 2008

Erklarung
Hiermit erklare ich, dass ich die vorliegende Arbeit selbststandig verfasst und keineanderen als die angegebenen Hilfsmittel benutzt habe.
Mannheim, 19. Dezember 2008(Irina Kukujzev)

Inhaltsverzeichnis
Zusammenfassung 2
1 Einleitung 3
1.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2 Zu Beginn der Arbeit - bisheriger Stand . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.3 Zielsetzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2 Das Messgerat SKG 5 6
2.1 Messprinzip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.2 Aufbau des Gerates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.2.1 Messeinheit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.2.2 Anzeige- und Steuereinheit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.3 Kalibrierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.3.1 Suspensionsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.3.2 Sedimentationsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
3 Staubsammelbehalter 15
3.1 Aufbau des Staubsammelbehalters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
3.2 Messprinzip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
3.3 Staubsammelbehaltertest in der Staubkammer . . . . . . . . . . . . . . 17
3.3.1 Versuchsaufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3.3.2 Versuchsdurchfuhrung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3.3.3 Versuchsergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.3.4 Auswertung und Diskussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.4 Optimierung des Staubsammelbehalters . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.5 Staubsammelbehaltertest im 1m3-Behalter . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.5.1 Versuchsaufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.5.2 Versuchsdurchfuhrung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
I

3.5.3 Versuchsergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.5.4 Auswertung und Diskussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
4 Entwicklung einer neuen Kalibriermethode 27
4.1 Prinzip der neuen Kalibriermethode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
4.2 Aufbau der Kalibriervorrichtung fur das SKG 5 . . . . . . . . . . . . . 29
4.2.1 Staubsammelkopf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
4.2.1.1 Aufbau des Staubsammelkopfes . . . . . . . . . . . . . 29
4.2.1.2 Auswahl des Ansaugstutzens . . . . . . . . . . . . . . 29
4.2.1.3 Verschluss des Staubsammelkopfes . . . . . . . . . . . 31
4.2.1.4 Auswahl des Staubes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
4.2.1.5 Auswahl des Filters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
4.2.2 Pumpe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
4.2.2.1 Kreiselmembranpumpe . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
4.2.2.2 Gilian-Pumpe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
4.2.2.3 GSA-Pumpe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
4.2.3 Ventil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
4.2.3.1 Einfluss des Schlauches . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
4.2.3.2 Auswahl eines Ventils . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4.2.4 Konstruktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
4.2.4.1 Spannungsversorgung fur das Ventil . . . . . . . . . . 45
4.2.4.2 Aufbau der Halterung fur Pumpe und Ventil . . . . . . 47
4.2.4.3 Aufbau der Halterung fur den Staubsammelkopf . . . . 47
4.3 Test der neuen Kalibriermethode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
4.3.1 Versuche in der Staubkammer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.3.1.1 Versuchsaufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.3.1.2 Versuchsdurchfuhrung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
4.3.1.3 Versuchsergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
4.3.1.4 Auswertung und Diskussion . . . . . . . . . . . . . . . 53
4.3.2 Versuche in der Staubungsneigungsapparatur . . . . . . . . . . . 55
4.3.2.1 Versuchsaufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.3.3 Versuche im 1m3-Behalter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
II

4.3.3.1 Versuchsaufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
5 Diskussion der Ergebnisse und Ausblick 68
5.1 Staubsammelbehalter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
5.2 Neue Kalibriermethode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
5.3 Ausblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
5.3.1 Idee 1, Kugelhalbschalen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
5.3.2 Idee 2, Haftplattchen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
5.3.3 Idee 3, Farbexzess . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
Literaturverzeichnis 72
A Messergebnisse 74
A.1 Staubkammer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
A.2 Staubungsneigungsapparatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
A.3 1m3-Behalter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
A.4 Sedimentationsverfahren (Plattchen) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
A.5 Suspensionsverfahren (Ethanol) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
B Konstruktionszeichnungen, technische Daten 84
B.1 Halterung fur Pumpe und Ventil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
B.2 Halterung fur den Staubsammelkopf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
B.3 Technische Daten des Ventils . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
III

Liste der Symbole
Symbol Einheit Bedeutung
a m2 durchleuchtete Flache auf dem GlasplattchenA m2 Gesamtflache des Glasplattchensc g/m3 Konzentration allgemeinc g/m3 mittlere Konzentrationd mm Durchmesser allgemeindP m PartikeldurchmesserE - Extinktion m2/g Extinktionskoeffizientg g/s2 Erdbeschleunigungh cm, mm Hohe allgemeinI W/m2 Intensitat des transmittierten LichtesI0 W/m
2 Intensitat des ausgesandten Lichtes nm WellenlangeK mm Korrektursummand der Strahlengangweitel, l1 m Lange der durchleuchteten Strecke oder Strahlengangweite
der Messeinheit des SKG5l2 m Abmessung des Kalibriergefaes in Richtung der
optischen Achse der Messeinheit des SKG 5m g, mg eingewogene oder eingeblasene Staubmasseme mg Einwaage (Masse) von sauberen Glasplattchen oder Filternmr mg Ruckwaage (Masse) von bestaubten Glasplattchen
oder FilternmF mg im Filter zuruckgehaltene StaubmassemStaub mg Masse des Staubes auf der durchleuchteten GlasflacheMStaub mg Staubmasse auf dem Glasplattchenn 1/min DrehzahlR mm Radiust s Messdauertk s Dauer der Staub/Luft-Gemisch-Ansaugungts s Sedimentationsdauer von Staub auf Glasplattchent s ZeitdifferenzU mV, V Spannung allgemeinUSKG mV angezeigte Spannung am SKG5v m/s Geschwindigkeit
IV

V ml, l, m3 Volumen allgemein
V l/min Volumenstrom m Porengroe bei Filtern
V

Vorwort
Zum Abschluss meines Studiums auf dem Gebiet Chemische Technik war es mirmoglich, bei der Forschungsgesellschaft fur angewandte Systemsicherheit und Arbeits-medizin e.V. (FSA) bzw. im Zentrallabor der Berufsgenossenschaft fur Nahrungsmittelund Gaststatten (BGN) eine Diplomarbeit anzufertigen. Die angebotene Themenstel-lung war im Bereich der messtechnischen Ermittlung von Staubkonzentrationen in derLuft angesiedelt, namlich die schon vorhandenen Kalibriermethode des Staubkonzen-trationsmessgerates SKG 5 der FSA zu verbessern. Es war notwendig, sich neues Wissenanzueignen und anzuwenden, sowie wahrend des Studiums erlangten Grundkenntnisseeffizient einzubringen.
An dieser Stelle mochte ich mich bei all denjenigen bedanken, die mich bei der An-fertigung dieser Diplomarbeit unterstutzt haben. Ganz besonderer Dank gilt HerrnProf. Wolfgang Schmitt fur seine Bereitschaft diese Arbeit zu betreuen, sowie HerrnDirk Lorenz, der mich durch seine engagierte und lehrreiche Betreuung und durch seinehilfreichen Anregungen und seine Geduld immer wieder unterstutzt hat.
Auerdem mochte ich mich bei Madlen Nicklisch und bei den Herrn Dr. Peter Rietschel,Sigurd Kleinhans, Michael Seithel, Thomas Kastner, Helmut Ott, Frank Thiel, HansWolf, Pavel Chupin, Hermann Schiebler und allen Mitarbeitern und Mitarbeiterinnender FSA/BGN fur ihre hilfreichen Ratschlage, ihre tatkraftige Unterstutzung, sowiefur die Bereitstellung von Messgeraten und Arbeitsmitteln und nicht zuletzt auch furdie auerst angenehme Arbeitsumgebung ganz herzlich bedanken.
Schlielich gilt mein Dank noch meinen Eltern, die mir dieses Studium ermoglichthaben, meinem Ehemann, mei

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