Die Erfindung liegt auf den Gebieten der fotoakustischen Gasdetektion, der Akustik und der Optik.
Sie betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur selektiven Detektion von Gasen. Die Detektionsmethode beruht auf dem fotoakustische Effekt, d.h. darauf, dass die im Messgas bei Absorption von intensitäts-modulierter IR-Strahlung auftretenden Druckvariationen mit einem Mikrofon erfasst werden. Die Methode steht somit im Gegensatz zur Extinktionsmethode, die auf der Messung der absorptions-bedingten Abschwächung der IR-Strahlung basiert. Da der fotoakustischen Methode ein akustischer Effekt zugrunde liegt, ist bei der Erfassung der Gaskonzentrationsinformation eine sorgfältige akustische Abtrennung des Messraumes mit dem Probengas von der Umgebung erforderlich.
Insbesondere bei niedriger Lichtmodulationsfrequenz ist diese Bedingung wichtig, da im Niederfrequenzbereich einerseits die akustischen Störungen gross sind, andererseits die akustische Abtrennung wegen des kleinen Frequenzabstandes zur Modulationsfrequenz der Lichtquelle schwierig ist.
Zur effizienten akustischen Abtrennung einer fotoakustischen Zelle hat sich eine gaspermeable Membrane bestens bewährt. Einerseits stellt sie einen hinreichend grossen akustischen Widerstand dar (über 30 dB bei 15 Hz) um eine ungestörte fotoakustische Messung zu gewährleisten, ande rerseits erlaubt sie definitionsgemäss einen Gasaustausch mit der Umgebung. Die gaspermeable Membrane repräsentiert damit ein akustisches Tiefpassfilter.
Der Stand der Technik der Verwendung eines stets gasdurchlässigen, akustisch dämpfenden Elementes zur Gewährung einer fotoakustischen Messung ist in der europäischen Patentschrift Nr. EP 0 151 474 B1 und in der amerikanischen Patentschrift Nr. 4 740 086 beschrieben. Das gasdurchlässige, akustisch dämpfende Element kann in Form einer gaspermeablen Membrane oder eines starren porösen Materials vorliegen. Es ist in diesen Patentschriften auch vorgesehen, dass die Membrane angeströmt werden kann.
Hingegen ist die forcierte, gerichtete Durchströmung einer fotoakustischen Zelle durch mindestens zwei Membranen oder starre poröse Vorrichtungen, wobei mindestens eine als Gaseinlass und mindestens eine andere zum Gasauslass dient, nicht erwähnt.
Der Durchfluss durch gaspermeable Membranen und starre poröse Materialien ist bei niedrigen Druck druckabhängig. Oberhalb eines Grenzwertes tritt hingegen eine Sättigung auf. Der Druck von Gasfördervorrichtungen kann nicht mit einfachsten Mitteln kontrolliert werden. Es muss daher nach anderen Wegen zur Verhinderung einer unnötigen Materialbeanspruchung wegen eines übermässigen Druckanstieges vor der Membrane oder dem starren, porösen Material gesucht werden.
Bei selektiv permeablen Membranen kann eine Entmischung des Gases in der Grenzschicht vor der Membrane auftreten. Diese Grenzschicht führt zu einer Reduktion des Flusses durch die Membrane. Es ist daher von Vorteil, wenn das Zustandekommen einer solchen Grenzschicht verhindert, oder mindestens reduziert werden kann.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren anzugeben und eine entsprechende Vorrichtung zu schaffen, welche den erwähnten Nachteilen von gaspermeablen Membranen und starren, porösen Materialien beim Einsatz in auf dem fotoakustischen Effekt beruhenden Gasdetektoren Rechnung trägt.
Die Aufgabe wird gelöst durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 dargestellten Verfahren und der Ausübung des Verfahrens anhand der Vorrichtung nach Anspruch 5.
Fotakustische Gasdetektionszellen werden, falls sie nicht in akustischer Resonanz betrieben werden, meistens durch Ventile, wie sie in der Pneumatik und Hydraulik eingesetzt werden, von der Umgebung abgetrennt. Solche Vorrichtungen sind für die Anwendung nicht ideal geeignet, da die Ventile grundsätzlich für hohe Drucke von hunderten von KPa (mehreren atü) ausgelegt sind. Im vorliegenden Fall der Fotoakustik bewegen sich die Überdrucke aber im mPa-Bereich.
Zur akustischen Abtrennung einer fotoakustischen Zelle kommen, wie bereits erwähnt, gaspermeablen Membranen oder starre, poröse Materialien in Frage. Zusammen mit dem Volumen der fotoakustischen Zelle bildet die gaspermeable Membrane oder das starre, poröse Material ein akustisches Tiefpassfilter, das wohl einen kontinuierlichen, diffusionskontrollierten Gasaustausch mit der Umgebung erlaubt, aber bei der Modulationsfrequenz der fotoakustischen Zelle eine zuverlässige akustische Trennung darstellt.
Es sind auch andere akustische Abtrennverfahren bekannt, welche bei niedrigem Überdruck arbeiten. Es handelt sich um akustische RC-Glieder, die aus seriell angeordneten Rohrverengungen (akustische Widerstände) und Volumina (akustische Kapazitäten) bestehen. Gegenüber den zwar nichtgasselektiven Rohrverengungen besitzen die Membranen oder starren porösen Materialien den Vorteil von hohen akustischen Widerständen bei gleichzeitig niedrigen Kosten, leichter Austauschbarkeit und der Verfügbarkeit von hohem Know-how-Stand (gaspermeablen Membranen sind ein High-Tech-Produkt von hohem Entwicklungsstand).
Die Verwendbarkeit von gaspermeablen Membranen oder von starren, porösen Materialien in akustischen Tiefpassfiltern mit gleichzeitig forciertem Gasdurchfluss sind nicht naheliegend, da Membranen zwar oft mit Überdruck zur chemischen Trennung verwendet werden. Andererseits werden Membranen wegen ihrer guten Schallübertragung benützt, beispielsweise als schallübertragende Trennwände bei Schalter-Tischen - also in einer Anwendung, wo eine entgegengesetzte Eigenschaft der Membrane verlangt wird.
Die Verwendung der Membrane als eine, einen aktiven Durchfluss erlaubende akustisch dämpfende Vorrichtung, ist daher neuartig, da bisher die Membrane ausschliesslich als passive diffusionskontrollierte Elemente eingesetzt worden sind. In der Membran-Technologie, ein für die Trennung von Flüssigkeiten und Gasen wichtiges Gebiet, wird zwischen dichten (dense membranes) und porösen Membranen unterschieden. Erstere sind diffusionskontrolliert, während poröse Membranen druckkontrolliert sind. Beide Typen unterscheiden sich grundsätzlich, sodass nicht vom einen System ohne weiteres auf die Verwendbarkeit des anderen geschlossen werden kann. Für den Einsatz ohne Überdruck sind daher dichte Membranen be stens geeignet.
Die Erfindung wird anhand von Beispielen, welche in den folgenden Figuren dargestellt sind, beschrieben:
Fig. 1 ist eine Darstellung einer dem Stand der Technik entsprechende fotoakustische Zelle, welche durch eine gaspermeable Membrane von der Umgebung abgetrennt ist,
Fig. 2 zeigt das akustische Verhalten einer mit einer gaspermeablen Membrane abgeschlossenen fotoakustischen Zelle,
Fig. 3 zeigt die erfinderische Anordnung einer fotoakustische Zelle mit forciertem Gasdurchfluss durch je eine gaspermeable Membrane am Eingang und am Ausgang der Gasversorgungsleitungen,
Fig. 4 ist eine Darstellung von seriell angeordneten akustischen Tiefpassfiltern, bestehend aus gaspermeablen Membranen und Volumina zur akustischen Entkopplung einer fotoakustischen Zelle bei gleichzeitig forciertem Gasdurchfluss,
Fig.
5 zeigt die erfinderische Anordnung einer fotoakustischen Zelle mit forciertem Gasdurchfluss durch je eine gaspermeable Membrane am Eingang und am Ausgang der Gasversorungsleitungen, wobei eine Bypass-Leitung vorhanden ist.
Fig. 6 zeigt die erfinderische Anordnung einer fotoakustische Zelle mit forciertem Gasdurchfluss durch eine gaspermeable Membrane mit Bypass-Leitung, wobei letztere derart angeordnet ist, dass eine Abtrennung der Grenzschicht über der Membrane gewährleistet ist.
In Fig. 1 ist eine Vorrichtung, wie sie dem Stand der Technik entspricht, dargestellt. Der fotoakustische Gasdetektor 1 besteht aus einer als Gassammelvorrichtung ausgebildeten fotoakustischen Zelle 11, welche ein Mikrofon enthält, mit der Strahlung einer intensitätsmodulierten Lichtquelle 13 beaufschlagt wird und durch eine gaspermeable Membrane von der Umgebung abgetrennt ist.
Fig. 2 zeigt die akustischen Eigenschaften einer gaspermeablen Membrane.
Bei dichten Membranen ist der Durchfluss rein diffusions-kontrolliert. Er ist damit nur von der Konzentration des zu passierenden Mediums abhängig (concentration driven) und unabhängig vom angelegten Druck. Der Fluss eines Gases durch eine solche Membrane 15 geht langsam vor sich und spielt sich in drei Schritten ab: Zunächst muss das Gas im Membranmaterial in Lösung gebracht werden, anschliessend diffundiert es durch die Schicht und desorbiert auf der Gegenseite der Membrane.
Bei porösen Membranen 15, bei denen der Fluss durch die Strömung durch parallel angeordnete Kapillaren charakterisiert werden kann, kann der Durchfluss auch diffusionskontrolliert, d.h. ohne Überdruck ablaufen. In diesem Fall ist allerdings der Gasdurchsatz niedrig.
Der Durchfluss und der akustische Widerstand einer porösen Membrane soll anhand einer Modellrechnung behandelt werden. Der Strömungswiderstand einer porösen Membrane wird mittels der Gleichung von Hagen-Poiseuille beschrieben:
EMI7.1
wo
delta : Dichte der Kapillaren mit Durchmesser d und Länge l
eta : Viscosität des Gases
Die Massenträgheit der Membrane lässt sich beschreiben durch:
EMI7.2
wo
rho : Dichte des Membranmaterials
D: Dicke der Membrane
Die gewichtete Kraftkonstante der Membrane beträgt:
CM = f x A<2>
wo
f: Kraftkonstante der Membrane
Dem Volumen der fotoakustischen Zelle entspricht die Kapazität:
EMI7.3
wo
rho a: Dichte des Gases in der fotoakustischen Zelle
Die Transferfunktion T( omega ) und der Phasenwinkel phi ( omega ) sind somit:
EMI8.1
Den numerischen Berechnungen wurden die folgenden Annahmen zugrunde gelegt:
<tb><TABLE> Columns=2
<tb><SEP>Membranfläche:<SEP>A = 0.2 cm<2>
<tb><SEP>Dicke der Membrane<SEP>D = 0.1 mm
<tb><SEP>Dicke der akustisch dämpfenden Haut der Membrane<SEP>I = 10 nm
<tb><SEP>Durchmesser der Poren<SEP>d = 3 nm
<tb><CEL AL=L>Flächendichte der Poren<SEP> rho = 4 10<2>/cm<2>,
<tb><SEP>Kraftkonstante der Membrane:<SEP>f = 2.34 10<3> N/m
<tb><CEL AL=L>Volumen der fotoakustischen Zelle:<SEP>V = 0.86 cm<3>
<tb></TABLE>
Aus diesen Daten und der Dichte rho a und Viskosität eta der Luft wurden die in Fig. 2 aufgeführten Daten erhalten.
Bei den aufgezeigten Berechnungen, welche eine sehr befriedigende Übereinstimmung mit den Experimenten bei tiefer Frequenz zeigen, wurde beim akustischen Strömungswiderstand, wie erwähnt, von der Formel von Hagen-Poiseuille ausgegangen. Nach dieser Formel ist der Fluss durch die Membrane vom angelegten Druck proportional abhängig.
Der Durchfluss durch Anlegen eines Überdruckes zeigt hingegen eine starke Druckabhängigkeit (pressure driven), wobei die Porengrösse für den hydrodynamischen Fluss verantwortlich ist.
Es ist sinnvoll, den Fluss durch ein stets durchlässiges akustisch dämpfendes Element, in Form einer gaspermeablen Membrane 15 oder eines starren, porösen Materials 15 min mittels eines Überdruckes zu forcieren. Eine entsprechende Vorrichtung, bestehend aus einer als fotoakustischer Gasdetektor 11 ausgebildeten Gassammelzelle mit Mikrofon 12, einer Gasfördervorrichtung mit den akustisch dämpfenden Elementen 15, 15 min ist in Fig. 3 dargestellt.
Fig. 4 zeigt, in Analogie zu einer elektronischen Schaltung, ein akustisches Tiefpassfilter als Serieschaltung von akustisch dämpfenden Elementen 15, 15 min , 15 min min 15 min min min in Form von gaspermeablen Membranen, starren, porösen Materialien oder Rohrverengungen 16 und Volumina 17, 17 min .
Es hat sich bei porösen Membranen allerdings gezeigt, dass die Proportionalität des Flusses zum Überdruck nur in einem beschränkten Bereich gewährleistet ist. Bei einer weiteren Steigerung des Druckes erreicht der Gasdurchfluss eine Sättigung, d.h. es tritt oberhalb eines Grenzwertes eine Strömung unabhängig vom Überdruck auf. Der Grund für dieses Sättigungsverhalten ist in der Veränderung der Membranstruktur unter Überdruck zu suchen. Die für die Strömung verantwortlichen Poren werden unter der Druckbelastung deformiert (contraction).
Es ist naheliegend, dass die Membrane zur Verhütung einer schädlichen und ineffizienten mechanischen Belastung nicht im Sättigungsbereich betrieben werden soll. Die Kontrolle des Druckes einer Pumpe erfordert in der Regel beachtlichen Aufwand. Eine einfache Lösung bildet, wie in Fig. 5 dargestellt, ein Bypass 18 in der Gasversorgungsleitung 19, 19 min , der gegebenenfalls mit definiertem Strömungswiderstand versehen ist.
Die Nebenströmung durch das Bypass-System kann zu einer erheblichen Reduktion der Gasdetektions-Zeitkonstanten führen, da mit dem Fluss durch den Bypass 18, 18 min die Gaszuleitung 18 effizient gespült werden kann. Wichtig ist diese Eigenschaft des Bypasses 18, 18 min , da die Strömung durch das akustisch dämpfende Element 15, 15 min in Form einer Membrane oder eines starren, porösen Elementes ohnehin klein ist, um aufgrund des hohen Strömungswiderstandes eine hinreichende akustische Entkopplung des fotoakustischen Gasdetektors 11 zu gewährleisten.
Abgesehen vom beschriebenen Kontraktionseffekt ist ein weiterer Grund für das Sättigungsverhalten in der Entmischung des Gases an der Grenzschicht zwischen dem Gas und der Membrane 15, 15 min zu suchen. Dieser Effekt tritt dann auf, wenn die Membrane nicht für alle Komponenten einer Gasmischung gleichermassen durchlässig ist, sondern eine Selektivität aufweist. Die Grenzschicht wird in diesem Falle selektiv von einer oder mehreren der Gaskomponenten an- resp. abgereichert. Diese Grenzschicht führt zu einer Reduktion des Flusses von mindestens einer der Gaskomponenten durch die Membrane. Dieser Effekt steht in Analogie zur thermischen Grenzschicht, welche wesentlich den Wärmeübergang zwischen der Luft und einem Festkörper bestimmt.
Beim strömungsbedingten Wegfallen der Grenzschicht, die üblicherweise eine Dicke von 0.1 mm aufweist, nimmt bekanntlich die Wärmeleitung wesentlich zu (Kältegefühl bei Wind). Aus diesem Grunde ist es sinnvoll, die Bildung dieser Grenzschicht zu verhindern.
Die Gasselektivität des akustisch dämpfenden Elementes, also beispielsweise einer Membrane oder eines starren, porösen Materials, ist zwar weder erforderlich noch erwünscht, da die Selektivität ohnehin durch die hochselektive IR-Absorptionsfähigkeit des Gases bedingt ist. Hingegen ist die Gasselektivität der Membrane für die Bildung einer Trennschicht zwischen Gas und der Membrane verantwortlich. Die Gasselektivität der Membrane lässt sich aber nicht vollkommen verhindern, insbesondere diejenige bezüglich des Wasserdampfes.
Durch Einführung eines Bypasses 18 min , wie er in Fig. 6 dargestellt ist, kann die Verhinderung der Grenzschicht erreicht werden, ohne eine Druck-Überbelastung der Membrane 15 in Kauf nehmen zu müssen.
Bei der Bemessung der Gasableitung 19 min ist darauf zu achten, dass das analysierte Gas nicht wieder in Gegenrichtung durch Diffusion in die Gasdetektionszelle eindringen kann.
The invention is in the fields of photoacoustic gas detection, acoustics and optics.
It relates to a method and a device for the selective detection of gases. The detection method is based on the photoacoustic effect, i.e. ensure that the pressure variations occurring in the sample gas when absorbing intensity-modulated IR radiation are recorded with a microphone. The method is therefore in contrast to the extinction method, which is based on the measurement of the absorption-related attenuation of the IR radiation. Since the photoacoustic method is based on an acoustic effect, a careful acoustic separation of the measuring room with the sample gas from the environment is required when recording the gas concentration information.
This condition is particularly important when the light modulation frequency is low, since on the one hand the acoustic disturbances are large in the low frequency range and on the other hand the acoustic separation is difficult because of the small frequency distance from the modulation frequency of the light source.
A gas-permeable membrane has proven its worth for efficient acoustic separation of a photoacoustic cell. On the one hand, it represents a sufficiently large acoustic resistance (over 30 dB at 15 Hz) to ensure undisturbed photoacoustic measurement, on the other hand, by definition, it allows gas exchange with the surroundings. The gas-permeable membrane thus represents an acoustic low-pass filter.
The state of the art of the use of an always gas-permeable, acoustically damping element for granting a photoacoustic measurement is described in European Patent No. EP 0 151 474 B1 and in American Patent No. 4,740,086. The gas-permeable, acoustically damping element can be in the form of a gas-permeable membrane or a rigid porous material. It is also provided in these patent specifications that the membrane can be flowed against.
In contrast, the forced, directed flow through a photoacoustic cell through at least two membranes or rigid porous devices, at least one serving as a gas inlet and at least one other serving as a gas outlet, is not mentioned.
The flow through gas-permeable membranes and rigid porous materials is pressure-dependent at low pressure. On the other hand, saturation occurs above a limit value. The pressure of gas delivery devices cannot be controlled with the simplest of means. Therefore, other ways to prevent unnecessary material stress due to excessive pressure increase in front of the membrane or the rigid, porous material must be sought.
In the case of selectively permeable membranes, segregation of the gas can occur in the boundary layer in front of the membrane. This boundary layer leads to a reduction in the flow through the membrane. It is therefore advantageous if the formation of such a boundary layer can be prevented, or at least reduced.
It is an object of the invention to provide a method and to provide a corresponding device which takes into account the disadvantages mentioned above of gas-permeable membranes and rigid, porous materials when used in gas detectors based on the photoacoustic effect.
The object is achieved by the method presented in the characterizing part of claim 1 and the exercise of the method using the device according to claim 5.
If they are not operated in acoustic resonance, photo-acoustic gas detection cells are mostly separated from the environment by valves such as those used in pneumatics and hydraulics. Such devices are not ideally suited for use, since the valves are basically designed for high pressures of hundreds of KPa (several atmospheres). In the case of photoacoustics, however, the overprints are in the mPa range.
As already mentioned, gas-permeable membranes or rigid, porous materials can be used for the acoustic separation of a photoacoustic cell. Together with the volume of the photoacoustic cell, the gas-permeable membrane or the rigid, porous material forms an acoustic low-pass filter, which may allow continuous, diffusion-controlled gas exchange with the environment, but represents a reliable acoustic separation at the modulation frequency of the photoacoustic cell.
Other acoustic separation methods are known which operate at low overpressure. These are acoustic RC elements, which consist of pipe constrictions (acoustic resistances) and volumes (acoustic capacities) arranged in series. Compared to the non-gas-selective pipe constrictions, the membranes or rigid porous materials have the advantage of high acoustic resistances with low costs, easy interchangeability and the availability of a high level of know-how (gas-permeable membranes are a high-tech product of a high level of development).
The usability of gas-permeable membranes or of rigid, porous materials in acoustic low-pass filters with simultaneous forced gas flow are not obvious, since membranes are often used for chemical separation with excess pressure. On the other hand, membranes are used because of their good sound transmission, for example as sound-transmitting partitions for switch tables - in other words, in an application where an opposite property of the membrane is required.
The use of the membrane as an acoustically damping device that allows active flow is therefore novel, since the membrane has hitherto been used exclusively as passive diffusion-controlled elements. In membrane technology, an important area for the separation of liquids and gases, a distinction is made between dense membranes and porous membranes. The former are diffusion controlled, while porous membranes are pressure controlled. The two types differ fundamentally, so that one system cannot easily conclude that the other can be used. Dense membranes are therefore ideal for use without excess pressure.
The invention is described on the basis of examples which are shown in the following figures:
1 is an illustration of a prior art photoacoustic cell which is separated from the surroundings by a gas permeable membrane,
2 shows the acoustic behavior of a photoacoustic cell sealed off with a gas-permeable membrane,
3 shows the inventive arrangement of a photoacoustic cell with forced gas flow through a gas-permeable membrane at the entrance and at the exit of the gas supply lines,
4 is a representation of serially arranged acoustic low-pass filters, consisting of gas-permeable membranes and volumes for the acoustic decoupling of a photoacoustic cell with simultaneous forced gas flow,
Fig.
5 shows the inventive arrangement of a photoacoustic cell with forced gas flow through a gas-permeable membrane at the entrance and at the exit of the gas supply lines, a bypass line being present.
FIG. 6 shows the inventive arrangement of a photoacoustic cell with forced gas flow through a gas-permeable membrane with a bypass line, the latter being arranged in such a way that separation of the boundary layer above the membrane is ensured.
1 shows a device as it corresponds to the prior art. The photoacoustic gas detector 1 consists of a photoacoustic cell 11 which is designed as a gas collection device and which contains a microphone, the radiation from an intensity-modulated light source 13 is applied to it and is separated from the surroundings by a gas-permeable membrane.
Fig. 2 shows the acoustic properties of a gas permeable membrane.
With dense membranes, the flow rate is purely diffusion-controlled. It is therefore only dependent on the concentration of the medium to be passed (concentration driven) and independent of the pressure applied. The flow of a gas through such a membrane 15 proceeds slowly and takes place in three steps: first the gas has to be dissolved in the membrane material, then it diffuses through the layer and desorbs on the opposite side of the membrane.
In the case of porous membranes 15, in which the flow through the flow can be characterized by capillaries arranged in parallel, the flow can also be diffusion-controlled, i.e. run without overpressure. In this case, however, the gas throughput is low.
The flow and acoustic resistance of a porous membrane are to be treated using a model calculation. The flow resistance of a porous membrane is described using the Hagen-Poiseuille equation:
EMI7.1
Where
delta: density of the capillaries with diameter d and length l
eta: viscosity of the gas
The inertia of the membrane can be described by:
EMI7.2
Where
rho: density of the membrane material
D: thickness of the membrane
The weighted force constant of the membrane is:
CM = f x A <2>
Where
f: force constant of the membrane
The capacity corresponds to the volume of the photoacoustic cell:
EMI7.3
Where
rho a: density of the gas in the photoacoustic cell
The transfer function T (omega) and the phase angle phi (omega) are thus:
EMI8.1
The numerical calculations were based on the following assumptions:
<tb> <TABLE> Columns = 2
<tb> <SEP> membrane area: <SEP> A = 0.2 cm <2>
<tb> <SEP> Thickness of the membrane <SEP> D = 0.1 mm
<tb> <SEP> Thickness of the acoustically damping skin of the membrane <SEP> I = 10 nm
<tb> <SEP> diameter of the pores <SEP> d = 3 nm
<tb> <CEL AL = L> surface density of the pores <SEP> rho = 4 10 <2> / cm <2>,
<tb> <SEP> force constant of the membrane: <SEP> f = 2.34 10 <3> N / m
<tb> <CEL AL = L> Volume of the photoacoustic cell: <SEP> V = 0.86 cm <3>
<tb> </TABLE>
The data listed in FIG. 2 were obtained from these data and the density rho a and viscosity eta of the air.
In the calculations shown, which show a very satisfactory agreement with the experiments at low frequency, the acoustic flow resistance, as mentioned, was based on the Hagen-Poiseuille formula. According to this formula, the flow through the membrane is proportional to the pressure applied.
The flow through the application of an overpressure, on the other hand, shows a strong pressure dependence (pressure driven), whereby the pore size is responsible for the hydrodynamic flow.
It makes sense to force the flow through an always permeable, acoustically damping element, in the form of a gas-permeable membrane 15 or a rigid, porous material, for 15 minutes by means of an overpressure. A corresponding device, consisting of a gas collection cell designed as a photoacoustic gas detector 11 with a microphone 12, a gas delivery device with the acoustically damping elements 15, 15 min is shown in FIG. 3.
4 shows, in analogy to an electronic circuit, an acoustic low-pass filter as a series circuit of acoustically damping elements 15, 15 min, 15 min min 15 min min min in the form of gas-permeable membranes, rigid, porous materials or pipe constrictions 16 and volumes 17, 17 min.
With porous membranes, however, it has been shown that the proportionality of the flow to the excess pressure is only guaranteed in a limited range. With a further increase in pressure, the gas flow becomes saturated, i.e. a flow occurs regardless of the overpressure above a limit value. The reason for this saturation behavior is to be found in the change in the membrane structure under excess pressure. The pores responsible for the flow are deformed under the pressure load (contraction).
It is obvious that the membrane should not be operated in the saturation range to prevent harmful and inefficient mechanical stress. Checking the pressure of a pump usually requires considerable effort. A simple solution, as shown in FIG. 5, is a bypass 18 in the gas supply line 19, 19 min, which is optionally provided with a defined flow resistance.
The secondary flow through the bypass system can lead to a considerable reduction in the gas detection time constant, since the gas supply line 18 can be efficiently flushed with the flow through the bypass 18, 18 min. This property of the bypass 18, 18 min is important, since the flow through the acoustically damping element 15, 15 min in the form of a membrane or a rigid, porous element is anyway small in order to ensure adequate acoustic decoupling of the photoacoustic gas detector 11 due to the high flow resistance to ensure.
Apart from the contraction effect described, another reason for the saturation behavior in the separation of the gas at the boundary layer between the gas and the membrane is to be sought for 15, 15 min. This effect occurs when the membrane is not equally permeable to all components of a gas mixture, but has selectivity. In this case, the boundary layer is selectively contacted by one or more of the gas components. depleted. This boundary layer leads to a reduction in the flow of at least one of the gas components through the membrane. This effect is analogous to the thermal boundary layer, which essentially determines the heat transfer between the air and a solid.
If the boundary layer, which usually has a thickness of 0.1 mm, is lost due to the flow, it is known that the heat conduction increases significantly (feeling of cold in the wind). For this reason, it makes sense to prevent the formation of this boundary layer.
The gas selectivity of the acoustically damping element, for example a membrane or a rigid, porous material, is neither necessary nor desirable, since the selectivity is due to the highly selective IR absorption capacity of the gas. In contrast, the gas selectivity of the membrane is responsible for the formation of a separating layer between gas and the membrane. However, the gas selectivity of the membrane cannot be completely prevented, especially that with regard to water vapor.
By introducing a bypass 18 min, as shown in Fig. 6, the prevention of the boundary layer can be achieved without having to put up with a pressure overload of the membrane 15.
When dimensioning the gas discharge for 19 minutes, care must be taken that the analyzed gas cannot penetrate back into the gas detection cell in the opposite direction by diffusion.