Man könnte versucht sein, Staub als einen weiteren Aggregatzustand von Stoffen zu bezeichnen, schließlich bilden sich aus fast allen Feststoffen, wenn sie nur fein genug zerrieben werden, Stäube, die von der Luft getragen werden können.
Je nach Eigenschaft des ursprünglichen Feststoffes, der Quelle des ‚Staubes‘, kann es sich dabei um Abfall oder Wertstoff handeln, er kann harmlos oder gefährlich sein. Ebenso kann je nach Entstehungsprozess die Partikelgrößenverteilung über ein weites Spektrum reichen. Manche Partikel werden unmittelbar nach ihrer Entstehung zu Boden sinken, andere werden als Schwebstoffe lange Zeit in der Atmosphäre verweilen, so wie die eingangs erwähnten, im Lichtstrahl Tanzenden.
Unabhängig davon, ob es sich nun um Abfall oder Wertstoff handelt und zunächst auch völlig unabhängig davon, ob der Staub harmlos oder gefährlich ist, wird sich niemand um Staubbeläge in seiner Umgebung freuen. Selbst im eigenen Haushalt versucht man diese mit den unterschiedlichsten Hilfsmitteln zu beseitigen.
Befasst man sich mit dem Thema Staub einmal intensiver, erkennt man schnell welch ungeheuer vielfältige Quellen man dafür entdeckt. Da sind natürlich die industriellen Quellen wie Produktionsanlagen jedweder Art und Kohlekraftwerke. Aber auch in der Lebensmittelproduktion, der Landwirtschaft, dem Handwerk und natürlich dem Verkehr wird ununterbrochen Staub produziert und emittiert. Dazu kommen in manchen Ländern noch ganz natürliche Quellen wie Wüsten, Vulkanausbrüche oder Wald- und Flächenbrände.
Gegen diese natürlichen Ursachen ist man machtlos, aber in vielen Ländern hat der Gesetzgeber durch entsprechende Vorschriften, z. B. die TA Luft in Deutschland, dafür gesorgt, dass auch die staubförmigen Emissionen aus Produktionsanlagen und Kraftwerken durch den Einsatz von Filtern oder Abscheidern bestimmte Grenzwerte nicht mehr überschreiten. Für Arbeitsplätze kontrolliert man z. B. die Schwebstoffkonzentration in der Raumluft.
Reststaubüberwachung:
Filter sind aus wirtschaftlichen Gründen in der Regel mit auswechselbaren Elementen, Taschen oder Schläuchen ausgestattet, welche rückgespült werden können. Dazu wird im laufenden Prozess oder je nach Größe der Filteranlage, durch sektorale Isolierung mittels Druckluftstoß entgegen der normalen Durchströmungsrichtung, der angesammelte Staub abgelöst und in einen Staubsammelraum gefördert.
Die eingesetzten Filtermaterialien unterliegen harten Einsatzbedingungen und dadurch auch dem Verschleiß. Daher ist es nur folgerichtig, die Funktionsfähigkeit der Filter und der Abscheider zu überwachen. Bei elektrostatischen Filtern und Zyklonabscheidern ist dafür die Reststaubkonzentration oder der gesetzlich festgelegte Grenzwert das Maß der Dinge.
Bei Filtern hingegen verlangen die Betreiber nicht nur die Dokumentation der eingehaltenen Grenzwerte, sondern mehr und mehr im Sinne von Industrie 4.0 die Überwachung der Betriebsbereitschaft und einer vorausschauenden Instandhaltung. Diese beim ersten Anschein kompliziert und aufwendig erscheinende Forderung lässt sich mit modernen Überwachungsgeräten zu durchaus moderaten Kosten realisieren.
Eine besondere Position haben dabei einfach aufgebaute und einfach zu installierende Überwachungsgeräte erreicht, die nach dem triboelektrischen Prinzip arbeiten. Sie sind aufgrund ihrer einfachen Bauart auch zur Überwachung kleinerer Filteranlagen kosteneffizient einsetzbar.
Das Arbeitsprinzip beruht darauf, dass alle im Luftstrom getragenen (Staub) Partikel elektrisch geladen sind. Bei der Kollision mit, oder dem nahen Vorbeistreichen an der in den Luftstrom hinein ragenden Lanze des Monitors wird die elektrische Ladung übertragen und im Monitor gegen Null abgeführt. Die abgeführte Ladung ist nahezu proportional zur Masse der vorbei strömenden Partikel. Die durch eine eventuell variierende Strömungsgeschwindigkeit und/oder schwanke Partikelgrößen bedingten Abweichungen dieses Messverfahrens sind bei der Überwachung von Filtern zu vernachlässigen. Zum einen werden ja nur noch die Reststaubpartikel überwacht, welche das Filtermaterial und seinen darauf befindlichen Filterkuchen bereits passiert haben und deshalb eine eingegrenzte Partikelgrößenverteilung aufweisen und zum anderen werden Filteranlagen überwiegend mit konstanter Strömungsgeschwindigkeit betrieben. Letztlich dient das Filtermonitoring lediglich dem Aufspüren funktions- oder verschleißbedingter Abweichungen. Wie bei jedem Filter muss ja die Grundauslegung bereits darauf abgestimmt sein, die vorgeschriebenen Grenzwerte sicher einzuhalten.
Aus dem Ladungstransfer werden im Filtermonitor dann entsprechende elektrische Signale erzeugt und herausgegeben.
Für die vorausschauende Instandhaltung lassen sich diese Signale nun mit anderen, ebenfalls systembasierten Daten zu einem Gesamtbild über den Zustand der Anlage oder nur einzelner Filterreihen verknüpfen. Damit ist sowohl der Zeitpunkt für einen Elementaustausch so planbar, dass eine ungeplante Betriebsunterbrechung vermieden wird. Je nach Größe und Komplexität der Filteranlage wird es so auch möglich, eventuelle Ausreißer innerhalb der Anlage zu lokalisieren.
Nachstehend die Kurzbeschreibung eines typischen, nach oben beschriebenen Prinzip arbeitenden Filtermonitors:
Ein kompaktes Gehäuse trägt in einem 1 Zoll Gewindeanschluss den in einer Isolation koaxial angeordneten Sensorstab mit einer maximal möglichen Länge von 1000 Millimetern. Der Anschluss an den Abgaskanal erfolgt sehr einfach über eine entsprechende Gewindemuffe. Zur Erleichterung der Ausrichtung dient eine Gegenmutter. Optional ist auch eine Version mit Tri Clamp Anschluss erhältlich. Die Anpassung an die Einsatzparameter erleichtert ein 2,5“ Display. Es gibt verschiedene Möglichkeiten der Stromversorgung. Für den Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen der Zonen 2/ 22 nach Atex ist eine 24V DC Versorgung erforderlich.
Feinstaubüberwachung:
Innerhalb unzähliger Produktionsstätten besteht Bedarf an der Überwachung eventuell austretender Schwebstoffe. Dies kann zum Schutz des Personals, aber auch zum reibungslosen Betrieb automatisierter Anlagen gewünscht sein, wie z. B. in einer Sackabfüllanlage. Da ausgetretene Schwebstoffe ja nicht unbedingt sofort als sichtbare Beläge erkennbar werden ist es wichtig sie so früh wie möglich zu detektieren. Während die Filtermonitore passiv arbeiten, weil die Staubpartikel vom Luftstrom zu ihnen hin getragen werden, müssen die zur Feinstaubdetektion geeigneten Monitore aktiv arbeiten. Ein integriertes Gebläse saugt die Umgebungsluft an und führt sie in die optische Messkammer nachdem sie zur Stabilisierung des Taupunktes auf ca. 50 °C aufgeheizt wurde.
Zur Überwachung der Raumluft genügt häufig ein einzelner Monitor. Für die Überwachung der eingangs zitierten automatisierten Abfüllanlage empfiehlt sich jedoch der Einsatz eines Netzwerks von Monitoren um die Reaktionszeit so kurz wie möglich zu halten. Jeder Feinstaubmonitor arbeitet zwar autonom, kann aber über WLAN, Router und Internet mit einer zentralen Überwachungsstelle kommunizieren.
Kurzbeschreibung eines einfachen, netzwerkfähigen Feinstaubmonitors zur Überwachung von Feinstaub nach DIN EN 481:
Ein kompaktes Gehäuse beherbergt eine Lüfter zur Zwangsdurchströmung, eine Heizung zur Messgaskonditionierung (Einhaltung der Taupunktdifferenz), einen Referenzsensor und einen Messsensor. Beide arbeiten nach dem Prinzip der Streulichtmessung und werden getrennt angesteuert. Das WLAN Modul und der 4-20 mA Ausgang sind serienmäßig.
