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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung des Staubmassenanteils bei Feststofffeuerungen.
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Bei Feststofffeuerungen hat der Gesetzgeber vorgeschrieben, dass eine Staubmengengrenze von 150 mg/m3 nicht überschritten werden darf. Im Rahmen von Abgasanalysen bei Feststofffeuerungen ist daher auch der Staubmengenanteil des Abgases regelmäßig zu bestimmen. Dies erfolgt mittels einer Filterhülse, deren Leermasse in einem deutschen Zentrallabor bestimmt wurde. Für die Abgasmessung an Feststofffeuerungen sind derartige Filterhülsen an einen mit der Messung betrauten Schornsteinfeger zu versenden, der erst dann die Messungen vornehmen kann. Anschließend sind die mit Staubpartikeln beaufschlagten Hülsen in das Labor für eine zweite Massenbestimmung und die Differenzbildung zur Leermasse zurückzuschicken. Von dem Labor werden dann die Ergebnisse dem Schornsteinfeger mitgeteilt. Hieraus ergibt sich eine Zeitverzögerung von durchaus mehreren Wochen.
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Die Grenzwerte für den Staubanteil werden ab 2015 darüber hinaus drastisch auf nur noch 20 mg/m3 gesenkt. Derartig geringe Mengen sind jedoch mit den bislang üblichen Verfahren nicht mit ausreichender Genauigkeit bestimmbar.
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Als nachteilig bei optischen Systemen zur Bestimmung einer Staubmenge in einem Abgas ist grundsätzlich die unterschiedliche Beschaffenheit der Staubpartikel anzusehen und damit auch deren Reflektionsverhalten, so dass insbesondere bei der Vermessung geringster Staubmengen dies auf optischem Wege grundsätzlich als nicht unproblematisch erscheint.
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Auch das Wägen sehr kleiner Massen bzw. Mengen außerhalb eines Labors ist nicht einfach. Dennoch bieten sich eine Vielzahl hochpräziser Waagen hierfür an. Als nachteilig bei solchen Präzisionsinstrumenten ist deren technischer Aufwand und die hieraus resultierenden Kosten anzusehen.
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Eine Alternative zu herkömmlichen Waagen zeigt die
DE 25 53 638 C2 auf. Dort ist eine Vorrichtung erläutert, die ein elastisches Element in Form eines hohlen Rohres aufweist, das sich ausgehend von einem eingespannten ersten Ende hin zu einem zweiten, freien Ende verjüngt. Das freie Ende des Rohrs ist aufgeweitet und trägt eine plattformartige Unterlage für ein zu verwiegendes Gut. Aus der Änderung der Resonanzfrequenz des schwingfähigen Rohres in einem belasteten und in einem durch das zu verwiegende Gut belasteten Zustand kann auf die Masse des zu verwiegenden Guts geschlossen werden. Ein exaktes Wägen einer Probe erscheint mit dieser Vorrichtung möglich, jedoch ist diese bekannte Vorrichtung grundsätzlich für eine Abgasanalyse einer Feststofffeuerung ungeeignet.
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Ein Verfahren zur Bestimmung von Aerosolteilchen in gasförmigen Proben, insbesondere in Abgasen von Dieselmotoren, ist aus der
EP 1 251 344 A2 bekannt. Das Verfahren umfasst die wenigstens mittelbare Abscheidung der Aerosolteilchen auf einem piezoelektrischen Schwingkristall und die Bestimmung der Schwingungsparameter der piezoelektrisch angeregten Schwingung des Kristallelements. Um eine Hohe Messqualität zu erreichen, wird dort weiter vorgeschlagen, dass das piezoelektrische Kristallelement weniger als die Hälfte der Abscheidungszeit der Aerosolteilchen zu Schwingungen angeregt wird. Im Gegensatz zu den Partikeln in dem Abgas von Dieselmotoren sind die Partikel in dem Abgas einer Feststofffeuerung aufgrund deren breiten Einsatzspektrums bei dem Verfeuern von bspw. verschiedenen Holzarten, Hackschnitzel, Kohle oder Getreide auch von unterschiedlicher Feuchte höchst unterschiedlich. Das daraus resultierende variable Impaktionsverhalten auf dem Schwingkristall lässt dieses Verfahren für die zu lösende Messaufgabe kaum geeignet erscheinen.
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Aus der
DE 10 2007 041 369 A1 ist ein Verfahren und eine gattungsgemäße Vorrichtung bekannt, bei der darauf abgestellt ist, dass eine vorbestimmte Menge eines Abgases ein schwingungsfähiges Röhrchen durchströmt, so dass sich auf einer Filtervorrichtung innerhalb des Röhrchen eine Staubmenge ablagert, dass das Röhrchen in eine Schwingung versetzt wird und dass aus der Abweichung von einer vorbestimmten Resonanz- und/oder einer Eigenfrequenz des Röhrchens eine Auswertevorrichtung die abgelagerte Staubmenge berechnet. Mit der dort erläuterten Vorrichtung ist zwar eine Abgasanalyse grundsätzlich bspw. unter Laborbedingungen möglich, jedoch ist sie kaum für einen Alltagseinsatz geeignet.
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Vor diesem technischen Hintergrund macht die Erfindung es sich zur Aufgabe, eine Vorrichtung der voranstehend genannten Art für die Bestimmung der Staubmasse in dem Abgas einer Feststofffeuerung zur Verfügung zu stellen, mit der sehr schnell und sehr exakt Abgasanalysen an Feststofffeuerungen von einem Fachmann auch im Alltagsbetrieb bspw. eines Schornsteinfegers durchführbar sind und von der bereits während der Probenahme die aktuell von der Filtervorrichtung aufgefangene Staubmasse berechnet und angezeigt werden kann.
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Gelöst wird diese technische Problematik bei einer Vorrichtung für die Bestimmung der Staubmasse in dem Abgas einer Feststofffeuerung, in das eine Messsonde mit einem angeschlossenen Messschlauch eingebracht wird, aufweisend ein schwingfähiges, mit einer Filtervorrichtung versehenes, von dem Abgas durchströmbares Schwingrohr, bei der aus der Abweichung von einer vorbestimmten Resonanz- und/oder einer Eigenfrequenz des Schwingrohrs eine Auswertevorrichtung die in der Filtervorrichtung aufgefangene Staubmasse berechnet, gemäß des Anspruchs 1 durch die Maßnahmen, dass ein Schlauchanschlussstutzen für den Messschlauch (3) in einem evakuierbaren Freiraum innerhalb eines Gehäuses als frei endendes Schwingrohr fortgesetzt ist.
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Die Vorrichtung nach der Erfindung bietet eine Vielzahl von Vorteilen. Sie unterscheidet sich in ihrer Handhabung grundsätzlich nicht von der bisheriger, bekannter Staubmesssonden. Ein Sondenrohr mit Ansaugtrichter kann in üblicher Weise in einen Abgasstrom einer Feststofffeuerung gebracht werden, das über einen Messschlauch, bevorzugt bei der Vorrichtung nach der Erfindung ein dünner Teflonschlauch ohne Sicken oder dergleichen Verstärkungselemente, an den Schlauchanschluss der Vorrichtung angeschlossen wird.
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Gleichfalls kann in an sich üblicher Weise eine Pumpe, beispielsweise die eines externen Analysegerätes an die Vorrichtung angeschlossen werden, um durch eine Evakuierung des Freiraums das für ein Durchströmen des Schwingrohrs nötige Druckgefälle zu erzeugen.
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Der eigentliche Messvorgang, insbesondere gern.
DE 10 2007 041 369 , erfolgt ungestört und von außen nicht beeinflussbar innerhalb des Gehäuses, in dem der Freiraum vorgesehen ist und in dem das Schwingrohr frei schwingbar angeordnet ist. Ein fester Fußpunkt für das einseitige Festlegen des Schwingrohrs ist in der Fortsetzung des Schlauchanschlusses gegeben.
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Auch die Ausbildung des Freiraums selbst, koaxial zu dem Schwingrohr, insbesondere rotationssymmetrisch, vorzugsweise in einem Gehäuse aus Metall, ggf. einem metallbeschichteten, verhindert störende Einflüsse, beispielsweise auch durch elektromagnetische Kräfte.
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Um weiter störende Einflüsse, beispielsweise durch ein sich niederschlagendes Kondensat zu vermeiden, ist vorgesehen, dass das Schwingrohr eine Heizung frei durchsetzt. Diese Heizung ist zweckmäßigerweise innerhalb des Freiraums angeordnet und kann beispielsweise durch eine koaxial von dem Schwingrohr frei durchsetzte Induktionsheizspule ausgebildet werden. So kann das Abgas innerhalb der Vorrichtung nach der Erfindung während des Messvorganges auch auf konstanter Temperatur gehalten werden.
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Dabei kann in weiterer Ausgestaltung vorgesehen sein, dass ein Thermoelement und ein Drucksensor zur Aufnahme der Temperatur und des Drucks in dem Freiraum vorgesehen sind für eine Störgrößenkompensation durch die Auswertevorrichtung auch bereits während der Probenahme.
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Insbesondere in Kombination der voranstehend erläuterten Maßnahmen erlaubt das Messverfahren dann eine Echtzeitberechnung und Anzeige der aktuell in der Filtervorrichtung aufgefangenen Staubmasse.
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Um ein einfaches und rasches Wechseln eines Filters einer Filtervorrichtung zu ermöglichen, ist in weiterer, konstruktiver Ausgestaltung vorgesehen, dass an das freie Ende des Schwingrohrs ein Kopf angesetzt und dass der Kopf als Träger für eine Filtervorrichtung ausgebildet ist.
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Insbesondere ist dabei vorgesehen, dass die Filtervorrichtung in axialer Verlängerung vor dem Ende des Schwingrohrs angeordnet ist, vorzugsweise koaxial zu diesem ausgebildet, und, naturgemäß, gleichwohl mit dem Schwingrohr während eines Messvorganges frei schwingend. In konstruktiver Ausgestaltung ist dabei daran gedacht, dass der Kopf in axialer Verlängerung des Schwingrohrs einen sich verjüngenden Filterhalter aufweist, auf den ein rohrartiger Filter der Filtervorrichtung einerends aufgeschoben ist. Dabei versteht es sich, dass der Filter andernends von einem Verschlussstück verschlossen ist. Infolgedessen tritt das Abgas radial durch den rohrartigen Filter in den Freiraum aus.
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Als Filter haben sich neben Metallvliesfiltern auch Kunststofffilter aus gewebten und/oder gesinterten Material bewährt, da diese chemisch neutral und hydrophob sind. Darüber hinaus weisen diese Filter ein definiertes Abscheideverhalten für Feinstaubpartikel auf.
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Daneben sind derartige Filter von großer mechanischer Stabilität und hoher Maßgenauigkeit, sodass ein dichter Anschluss insbesondere durch Aufschieben auf das Schwingrohr bzw. einen Filterträger sicher möglich ist. Darüber hinaus ist das Filtermaterial äußerst temperaturbeständig, insbesondere bei den üblichen Abscheidetemperaturen des Abgases.
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In weiterer konstruktiver Ausgestaltung der Vorrichtung nach der Erfindung ist vorgesehen, dass an dem Kopf ein Erreger und/oder ein Aufnehmer angreift/angreifen. Entsprechend ist der Kopf auch ausgebildet und insbesondere für einen solchen Angriff mit wenigstens einem Magneten versehen, bevorzugt in Form eines radial ausgerichteten Stabmagneten.
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Als zweckmäßig hat es sich weiter erwiesen, wenn vorgesehen ist, dass der Erreger und der Aufnehmer jeweils eine Spule mit einem radial auf das Schwingrohr ausgerichteten Kern aufweisen und dass der Kern der Spule des Erregers und der Kern des Aufnehmers das Schwingrohr einfassend diametral gegenüber liegend in der Wandung des Freiraums angeordnet sind. Dabei ist in weiterer konstruktiver Ausgestaltung daran gedacht, dass in einer Linie zwischen den Kernen der Spulen zwei kopffeste Magnete angeordnet sind, vorzugsweise zwei auf der Linie liegende Stabmagnete.
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Um einen nötigen Filterwechsel zu ermöglichen, ist weiter vorgesehen, dass das freie Ende des Schwingrohrs durch einen lösbaren Gehäuseabschnitt überdeckt ist, durch den der Freiraum auch geschlossen wird. Damit ist das freie Ende des Schwingrohrs grundsätzlich zugänglich. Für eine exakte Positionierung der Filtervorrichtung ist weiter vorgesehen, dass der Gehäuseabschnitt einen axial verstellbaren, auf das Ende des Schwingrohrs weisenden Schaft mit einer Filteraufnahme für die Filtervorrichtung aufweist, in der die Filtervorrichtung gefangen ist. Damit wird, in einer dem Schwingrohr nahen, axialen Endstellung des Schaftes die Filtervorrichtung exakt in Bezug auf das Ende des Schwingrohrs positioniert und wird insbesondere der rohrartige Filter sicher mit Ansetzen des Gehäuseabschnittes auf den sich verjüngenden Filterhalter aufgeschoben.
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Ist der Gehäuseabschnitt an einem zentralen Gehäuseteil festgelegt, wird bspw. der Schaft um einen vorgegebenen Winkelbetrag verdreht und damit axial verschoben, um so von dem Ende des Schwingrohrs entfernt zu werden. Damit wird die Filtervorrichtung freigegeben und kann innerhalb der Filteraufnahme gefangen frei schwingen. Um eine exakte axiale Positionierung der Filtervorrichtung gegenüber dem Kopf und damit dem Schwingrohr in beiden axialen Positionen gegenüber dem Gehäuseabschnitt sicher zu stellen, kann weiter vorgesehen sein, dass der Schaft in seinen axialen Endstellungen anschlägt, lösbar verriegelt und/oder verrastet. Damit kann sichergestellt werden, dass für eine Messung bspw. ein in der Filteraufnahme ein radial vorstehender Rand eines in einem Querschnitt hutartig ausgebildeten, endseitig den rohrartigen Filter schließenden Verschlussstückes gefangen ist, frei mit dem Schwingrohr schwingen kann.
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Dabei ist in weiterer konstruktiver Ausgestaltung daran gedacht, dass der Rand in einer auf das Schwingrohr nahen axialen Position des Schaftes in der Filteraufnahme festgelegt und mit Verdrehen der axialer Verschiebung in die entfernte Stellung des Schaftes freigegeben wird. Wird dann der Gehäuseabschnitt für einen Filterwechsel geöffnet bzw. entfernt, wird automatisch der Filter von in sich verjüngenden Filterhalter abgezogen und steht für einen Austausch, einer Reinigung oder dergleichen zur Verfügung.
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Die Vorrichtung nach der Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert, in der lediglich ein Ausführungsbeispiel dargestellt ist. In der Zeichnung zeigt
- 1 eine Seitenansicht der Vorrichtung nach der Erfindung mit angeschlossenem Messschlauch und Sondenrohr,
- 2 einen Schnitt gemäß der Linie II, II in 1,
- 3 eine vergrößerte Darstellung der Vorrichtung gem. des Schnittes in 2,
- 4 eine Seitenansicht der Vorrichtung und
- 5 einen Schnitt gem. der Linie V, V in 4.
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Die 1 und 2 zeigen eine Vorrichtung 1 nach der Erfindung mit einen an einen Schlauchanschluss 2 angeschlossenen Messschlauch 3, vorzugsweise aus Silikon, ohne Sicken oder dergleichen Verstärkungen, mit einem weiter angeschlossenen Sondenrohr 3, aufweisend einen abgewinkelten Ansaugtrichter 5.
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Die Vorrichtung 1 weist ein im Wesentlichen zylindrisches Gehäuse 6 auf, mit einem Gehäusedeckel 7 mit dem Schlauchanschluss 2, einem mittleren, rohrartigen Gehäuseteil 8 und einem an dieses Gehäuseteil 8 axial anschließenden Gehäuseabschnitt 9.
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Die Schnitte der Zeichnung zeigen auf, dass der Schlauchanschlussstutzen 2 innerhalb des Gehäuses 6 in einem Freiraum 10 als frei endendes Schwingrohr 11 fortgesetzt ist, das einerends in dem Gehäusedeckel 7 festgelegt ist.
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Der Freiraum 10 ist zu der Achse 12 des Schwingrohrs 11 rotationssymmetrisch ausgebildet und wird dessen Symmetrie durch eine Heizung 13 mit elektrischen Anschlüssen 14,15 für eine Induktionsheizspule 16, die ebenfalls von dem Schwingrohr 11 frei durchsetzt wird, nur unwesentlich gestört.
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Auf das freie Ende des Schwingrohrs 11 innerhalb des Freiraums 10 ist ein Kopf 17 aufgesetzt, der in axialer Verlängerung des Schwingrohrs 11 eine Filtervorrichtung 18 trägt.
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Die Filtervorrichtung 18 weist einen rohrartigen Filter 19 auf, vorzugsweise aus einem gesinterten oder gewebten Kunststoff oder Metall, gegebenenfalls einem hieraus bestehenden Kompositmaterial, dessen dem Kopf 17 gegenüberliegendes Ende durch ein in einem Querschnitt hutartig ausgebildetes Verschlussstück 20 geschlossen ist. Infolge dieser Maßnahmen tritt ein das Schwingrohr 11 durchströmendes Abgas radial aus dem hülsenartigen Filter 19 aus.
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Um den rohrartigen Filter 19 in einfacher Weise an dem Kopf 17 festzulegen, ist dieser mit einem sich verjüngenden Filterhalter 21 versehen, auf den der Filter 19 aufgeschoben ist.
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Weiter trägt der Kopf 17 zwei stabförmige Magnete 22,23, die radial ausgerichtet sind. Auf der gemeinsamen Achse der beiden Magnete 22,23 sind in der Wandung des Freiraums 10 eingelassen, die Kerne 24,25 zweier Spulen 26,27 angeordnet, von denen ein System als Erreger 37 der Schwingung des Schwingrohrs 11 dient und das andere als Aufnehmer 38.
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Um eine Zugänglichkeit der Filtervorrichtung 18 zu gewährleisten, ist der Gehäuseabschnitt 9 lösbar an dem zentralen Gehäuseteil 8 festgelegt. Dieser Gehäuseabschnitt 9 weist einen zentralen Schaft 29 auf, der axial verstellbar ist. Durch den Schaft 28 wird eine Filteraufnahme 29 ausgebildet, in der ein radial vorstehender Rand 30 des Verschlussstücks 20 derart gefangen ist, dass auch die Filtervorrichtung 18 mit dem Schwingrohr 11 frei bei einer Messung schwingen kann. Wird jedoch der Gehäuseabschnitt 9 entfernt, wird dabei automatisch der Filter 19 von dem Filterhalter 21 abgezogen.
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Es kann dann die Filtervorrichtung 18 bspw. radial der Filteraufnahme 29 für einen Wechsel oder eine Reinigung entnommen werden.
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Der Schaft 28 ist dann, bei abgetrennten Gehäuseabschnitt 9, in eine, erneut montiert, axial dem Schwingrohr 11 nahe Position zu verbringen, so dass sich das Verschlussstück 20 der Filtervorrichtung 18 auf dem Boden 31 der Filteraufnahme 29 abstützt. Infolgedessen wird bei einem Ansetzen des Gehäuseabschnitts 9 an das zentrale Gehäuseteil 8 axial exakt positioniert der Filter 19 auf den sich verjüngenden Filterhalter 21 aufgeschoben. Es ist dann der Schaft 28 in eine axial von dem Schwingrohr 11 entfernte Position zu verbringen, so dass die Filtervorrichtung 18 frei schwingen kann.
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Für die axiale Verstellbarkeit ist vorgesehen, dass der Schaft 28 um einen vorgegebenen Winkelbetrag um die Achse 12 verdrehbar ist, wozu der Schaft 28 mit einer Handhabe 32 versehen ist. Dabei ist weiter vorgesehen, dass der Schaft 28 insbesondere in der wiedergegebenen Messstellung lösbar verriegelt, so dass während des Messvorgangs sichergestellt ist, dass die Filtervorrichtung 18 frei in der Filteraufnahme 19 schwingen kann. Entsprechende Anschläge oder dergleichen sind vorzugsweise auch in der dem Schwingrohr 11 nahen Position des Schaftes 28 zweckmäßig, um bspw. eine Deformation des Filters 19 bei dem Aufschieben auf den sich verjüngenden Filterhalter 21 sicherzustellen.
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Für die Evakuierung des Freiraums 10 mittels einer Pumpe oder dergleichen, wie auch für einen elektrischen Anschluss sind radiale Bohrungen 33,34 noch vorgesehen. Die für das Betreiben der Vorrichtung 1 nötige Elektronik 35 ist in einem in den Deckel 7 und den mittleren Gehäuseteil 8 eingebrachten Ringraum 36 angeordnet, der über zwei Längsbohrungen 39,40 mit den radialen Aufnahmebohrungen für die Spulen 26,27 verbunden ist.
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Teil der Elektronik 35 ist ein Thermoelement 41, hier am eingespannten Ende des Schwingrohrs 11 angeordnet, und ein Absolutdrucksensor 42 auf einer Platine 43. Das Vermessen des Umgebungsdrucks und der Umgebungstemperatur des Schwingrohrs 11 in dem Freiraum 10 erlaubt einer Auswertevorrichtung die Kompensation von Störgrößen.
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Aufgrund des zur Anwendung kommenden Meßverfahrens und der vorgesehenen Merkmale der Vorrichtung 1 nach der Erfindung ist eine Echtzeitberechnung und -anzeige der von dem Filter 19 aktuell aufgefangenen Staubmasse ermöglicht.
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Durch die Vorrichtung 1 nach der Erfindung wird eine Staubmesssonde zur Verfügung gestellt, die leicht handhabbar äußerst exakte Messergebnisse, auch in Echtzeit, in der Praxis liefert.