DD257495A1

DD257495A1 - Vorrichtung zur gasfeuchtebestimmung

Info

Publication number: DD257495A1
Application number: DD29970887A
Authority: DD
Inventors: Bernd Riemschneider; Barbara Riemschneider
Original assignee: Wolle & Seide Veb K
Priority date: 1987-02-04
Filing date: 1987-02-04
Publication date: 1988-06-15

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Gasfeuchtebestimmung und besteht aus einem Detektor in Form einer drehbaren mit einer axialen, evakuierten Bohrung (4) versehenen Metallachse (1), deren Mantelflaeche (1 a) mit einer elektrisch isolierenden Substanz, bis auf einen als "Spalt" wirkenden Bereich, beschichtet ist. Die Achse (1) ist mit elektrisch nichtleitenden Koerpern (2 und 3) verbunden, in denen schraeg verlaufende evakuierte Bohrungen (6 a und 6 b) und radiale, evakuierte Bohrungen (5 a und 5 b) enthalten sind, wobei die letzteren in der axialen Bohrung (4), die von der Achse (1) aus ein Stueck in die Koerper (2 und 3) hineinragt, beginnen, waehrend die ersteren die Enden der radialen Bohrungen (5 a und 5 b) mit den konzentrischen Aussparungen (7 a und 7 b) im Koerper (3), die an der Mantelflaeche (1 a) muenden, verbinden. In den schraegen Bohrungen (6 a und 6 b) und in den konzentrischen Aussparungen (7 a und 7 b) sind bekannte Ionisationseinrichtungen (8 a und 8 b) und elektrische Felder (9), enthalten. Somit lassen sich Gasfeuchten automatisch bestimmen und beispielsweise Trockner hinsichtlich ihres Energieaufkommens optimieren oder die Einhaltung optimaler Luftfeuchten fuer Produktionsprozesse kontrollieren. Fig. 1

Description

Hierzu 2 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung der Feuchte von Gasen und Ablüften unterschiedlicher Zusammensetzung. Anwendungsgebiete der Erfindung sind demzufolge beispielsweise die Bestimmung der absoluten und/ oder relativen Feuchte von Ablüften von Trocknern oder von technischen" Gasen in der Chemieindustrie und/oder durch automatische meteorologische Stationen.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Es ist bekannt, daß die absolute Gasfeuchte unter Ausnutzung der Schwingungsresonanz mechanischer Resonatoren ermittelt werden kann (DDR-WP G02F/2877147). Größere Temperaturänderungen während des Meßvorganges verursachen jedoch erhebliche Fehler.

Fluidisch-elektrische Sensoren zur Lösung des Problems reagieren sehr empfindlich auf gasverunreinigende Beimengungen, wie z. B. organische Dämpfe, und können daher nicht ohne Vorbehalt verwendet werden (DDR-WP G 01 N 29/02, 207643).

Die Ermittlung der Feuchte mittels Tauspiegelhygrometer bringt große Ungenauigkeiten mit sich, da die Spiegeloberfläche unter industriellen Meßbedingungen sehr schnell verschmutzt.

Die Feuchtebestimmung mittels Trocken- und Feuchttemperatur bei Trockentemperaturen über 50⁰C ist mit großen Meßunsicherheiten behaftet, da die Aßmannkonstante nur bis etwa 50°C exakt bekannt ist und Feuchttemperaturen im genannten Temperaturbereich sehr schlecht gemessen werden können.

Bei Anwendung von schnellen Neutronen zur Feuchtebestimmung von Gasen ist ein umfangreicher Strahlenschutz notwendig (DDR-PS WP G 01 N/275461 0).

Die Feuchtebestimmung unter Ausnutzung der Feuchteabhängigkeit der Linsenbrennweite ist auf den Bereich der Niedrigfeuchte beschränkt (DDR-WP G 01 N/2962960).

Die Feuchtebestimmung unter Ausnutzung des inneren Photoeffektes ist störanfällig, da der Photoleiter schnell verschmutzt (DDR-WP GOl H/2895591).

Wird die Feuchte durch optische Wellenlängenbestimmung von Ultraschallwellen ermittelt, so können durch Gaserverunreinigungen Meßfehler entstehen (DDR-WP G 01 N/2877147).

Massenspektrometrische Feuchtebestimmungen mittels einer aus Zylinderkondensatoren aufgebauten Vorrichtung erfordern die Einhaltung definierter Gasdrücke. Dies stößt auf nicht unerhebliche Schwierigkeiten (DDR-WP B01 D/2833642).

Ziel der Erfindung

Es ist das Ziel der Erfindung, mittels einer Vorrichtung die Feuchte von gasförmigen Stoffen und Ablüften unterschiedlicher Herkunft und Zusammensetzung zu bestimmen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Messung der absoluten und/oder relativen Feuchte von gasförmigen Stoffen und/oder Ablüften von Trocknern zu schaffen, wobei beispielsweise mit Hilfe dieser Feuchtewerte verschiedene Prozeßgrößen eines Trockners geregelt bzw. Aussagen hinsichtlich des Trockengehaltes technischer Gase oder der atmosphärischen Luft getroffen werden können.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Vorrichtung zur Gasfeuchtebestimmung am Abluftkanal des Trockners bzw. am Zu-oder Ableitungsrohr eines Sammelbehälters für technische Gase bzw. in einer automatischen meteorologischen Station angeordnet ist.

Diese besteht aus einem Detektor, der durch eine drehbare, mit einer axialen Bohrung versehenen metallischen Achse, die von außen mit einer elektrisch nichtleitenden Substanz beschichtet ist, dargestellt wird. Die Achse ist mit zwei elektrisch nichtleitenden Körpern fest verbunden, in denen zwei unter einem Winkel von 45° zur Senkrechten verlaufende Bohrung und zwei radiale Bohrungen enthalten sind, wobei die letzteren in der axialen Bohrung, die von der Achse aus ein Stück in die beiden elektrisch nichtleitenden Körper hineinragt, beginnen, während die ersteren die Enden der radialen Bohrungen mit den konzentrischen Aussparungen in dem einen elektrisch nichtleitenden Körper verbinden. Die konzentrischen Aussparungen münden an der Achsenoberfläche. In den schräg verlaufenden Bohrungen sind,bekannte lonisationseinrichtungen in Form von z. B. /3-strahlenden Präparaten, deren Abstand von der gemeinsamen Drehachse größer ist als der Abstand des Detektors von dieser Drehachse, und bekannte elektrisch positiv oder negativ vorgespannte Gitter, auch in den konzentrischen Aussparungen, enthalten.

Der Raum der axialen, radialen und schrägen Bohrungen sowie der konzentrischen Aussparungen ist z. B. mittels einer bekannten Turbomolekularpumpe bis auf einen Druck von 10"⁴Pa evakuiert.

Die zu untersuchende gasförmige Probe wird in bekannter Weise indie axiale Bohrung der Achse bzw. der beiden verbundenen elektrisch nichtleitenden Körper eingeführt, von wo sie über die radialen Bohrungen in die beiden schräg verlaufenden Bohrungen der elektrisch nichtleitenden Körper gelangt. Da die elektrisch nichtleitenden Körper mit relativ hoher Drehzahl rotieren, werden die Gasatome bzw. Gasmoleküle beschleunigt. Gleichzeitig werden sie ionisiert, z. B. durch die ionisierende Strahlung eines /3-strahlenden Radionuklides und durch elektrische Felder, die zwischen den beiden elektrisch positiv oder negativ vorgespannten Gittern in den schrägen Bohrungen und konzentrischen Aussparungen existieren, in Richtung Achsenmantel beschleunigt. Nach Verlassen der schrägen Bohrungen fliegen die Teilchen durch die evakuierten konzentrischen Aussparungen zu der als Detektor wirkenden Achse. Im Raum der konzentrischen Aussparungen wirkt auf die Teilchen nur die elektrische Kraft, da auf Grund der geringen Teilchenmasse die Gravitationskraft vernachlässigt werden kann. Die Trennung der Wassermoleküle von den anderen Molekülen bzw. Atomen der zu untersuchenden gasförmigen Probe läßt sich wie folgt erklären: . '

Die rotierenden Teile der Vorrichtung drehen sich mit der Winkelgeschwindigkeit ω. Solange sich die gasförmigen Atome und Moleküle bzw. Ionen in den radialen und schrägen Bohrungen befinden, sind sie der Wirkung der Zentrifugal- und Coriolisbeschleunigung und der elektrischen Beschleunigung ausgesetzt. Verlassen die Ionen die schräge Bohrungen und gelangen sie in die konzentrischen Aussparungen, so bewegen sie sich gleichmäßig beschleunigt—analog dem freien Fall — in Richtung Achse, die als Detektor wirkt. Diese Bewegung ist aber durch die in den radialen und schrägen Bohrungen wirkenden Coriolis- und Zentrifugalbeschleunigungen gestört. Das hat zur Folge, daß die Ionen auf der Achse nicht im Durchstoßpunkt der gedachten Mittellinie der schrägen Bohrungen durch den Achsenmantel auftreffen, sondern um einen bestimmten Betrag χ neben diesem Punkt (in völliger Analogie zur Ostabweichung beim freien Fall) und um einen bestimmten Betrag y unterhalb dieses Punktes (in völliger Analogie zur Südabweichung beim freien Fall). Die letztgenannte Südabweichung y kann durch exakte Integration des entsprechenden DGL-Systems erhalten werden:

ω²™ h³ y = ——— coscpsin(p

Ze₀U

Es bedeuten:

e₀ Elementarladung

U Beschleunigungsspannung

ω Winkelgeschwindigkeit

m lonenmasse

h der um den Radius r der Detektorachse verminderte Radius der konzentrischen Aussparung

φ Winkel, unter dem die Ionen auf den Achsenmantel auftreffen

Die Abweichung y ist somit eine Funktion der ionenmasse, der Drehzahl y (ω = 2π), der Beschleunigungsspannung U, des Auftreffwinkels φ und der Geometrie der Vorrichtung. Für konstante Größen γ, U, φ und h ist der Abstand y für das Wassermolekül H₂O mit der Massenzahl 18 ebenfalls konstant. Die geometrischen Orte auf dem Achsenmantel, die im Bereich Ay = y ± γι (yi ist eine endliche Größe) liegen, sind nicht mit einer elektrisch isolierenden Schicht bedeckt. Die ionisierten Wassermoleküle, und nur diese, treffen also auf einen Mantelbereich mit dem Radius r und der Höhe Ay auf, so daß die Abweichung χ („Ostabweichung") keine Rolle mehr spielt.

Die Detektion der ionisierten Wassermoleküle erfolgt auf bekannte Weise, z. B. durch elektrische Registrierung. Vorteilhaft ist die Verbindung der Vorrichtung mit einer bekannten Turbomolekularpumpe.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1: Prinzipskizze der Vorrichtung zur Gasfeuchtebestimmung Fig.2: Schnitt A-A durch diese Vorrichtung

Die Vorrichtung zur Gasfeuchtebestimmung besteht aus einem in der Figur 1 nicht gezeigten gasdichten Gehäuse, in dem sich eine drehbare, mit einer axialen Bohrung 4 versehene metallische und als Detektor wirkende Achse 1, deren Mantel 1 a mit einer elektrisch isolierenden Substanz beschichtet ist, befindet. Die Achse 1 ist mit zwei elektrisch nichtleitenden Körpern 2 und 3 fest verbunden, in denen zwei unter einem Winkel von 45° zur Senkrechten verlaufende Bohrungen 6a und 6 b und zwei radiale Bohrungen 5 a und 5 b enthalten sind, wobei die radialen Bohrungen 5 a und 5 b in der axialen Bohrung 4, die von der Achse 1 aus ein Stück in die beiden elektrisch nichtleitenden Körper 3 und 2 hineinragt, beginnen, während die schräg verlaufenden Bohrungen 6a und 6b die Enden der radialen Bohrungen 5a und 5b mit den konzentrischen Aussparungen 7a und 7b in dem elektrisch nichtleitenden Körper 3 verbinden.

Die axiale Bohrung 4, die radialen Bohrungen 5a und 5b und die schrägen Bohrungen 6a und 6b sollen einen Durchmesser von 2mm besitzen, während die konzentrischen Aussparungen 7a und 7b einen Durchmesser von 8—10 mm aufweisen sollen. Die konzentrischen Aussparungen 7a und 7b münden an der Achsenoberfläche 1 a. In den schräg verlaufenden Bohrungen 6a und 6b sind bekannte lonisationseinrichtungen 8a und 8b in Form von z. B. galvanisch aufgebrachten Ni-63-Präparaten, deren Abstand von der gemeinsamen Drehachse 4a größer ist als der Abstand r des Detektors 4 von der Drehachse 4a, und bekannte elektrisch positiv oder negativ vorgespannte Gitter 8d sowie 8c in den konzentrischen Aussparungen 7a und 7b, enthalten. Der Raum der axialen Bohrung 4, der radialen Bohrungen 5a und 5b, der schrägen Bohrungen 6a und 6b, der konzentrischen Aussparungen 7 a und 7 bund der Raum 10 zwischen dem elektrisch nichtleitenden Körper 3 und der Achse 4 ist ζ. Β. mittels einer bekannten Turbomolekularpumpe bis auf einen Druck von 10"⁴Pa (10~⁵ Torr) evakuiert.

Die zu untersuchende gasförmige Probe wird in bekannter Weise in die axiale Bohrung 4 der Achse 1 bzw. der beiden verbundenen elektrisch nichtleitenden Körper 2 und 3 eingeführt, von wo sie über die radialen Bohrungen 5a und 5b in die beiden schräg verlaufenden Bohrungen 6a und 6b des elektrisch nichtleitenden Körpers 3 gelangt. Da die elektrisch nichtleitenden Körper 2 und 3 mit relativ hoher Drehzahl von ca. y = 1 000 U/s rotieren, werden die Gasatome bzw. Gasmoleküle beschleunigt. Gleichzeitig werden sie ionisiert, z.B. durch die ionisierende Strahlung eines radioaktiven Präparates 8a und 8b, das z. B. durch galvanisch aufgebrachtes Ni-63 dargestellt wird und durch elektrische Felder 9, die zwischen den beiden elektrisch positiv oder negativ vorgespannten Gittern 8d in den schrägen Bohrungen 6a und 6b und den Gittern 8c in den konzentrischen Aussparungen 7 a und 7 b existieren, in Richtung Achsen mantel 1 a beschleunigt. Nach Verlassen der schrägen Bohrungen 6 a und 6b fliegen die Ionen durch die evakuierten konzentrischen Aussparungen 7 a und 7 b zu der als Detektor wirkenden Achse 1. Im Raum der konzentrischen Aussparungen 7a und 7 b wirkt auf die Ionen nur die elektrische Kraft, da auf Grund der geringen Teilchenmasse die Gravitationskraft vernachlässigt werden kann. Die beschriebene Trennung der Wassermoleküle von den anderen Molekülen und Atomen der zu untersuchenden gasförmigen Probe läßt sich wie folgt erklären: Die rotierenden Teile 1,2 und 3 der erfindungsgemäßen Vorrichtung drehen sich mit der Winkelgeschwindigkeit ω. Solange sich die gasförmigen Atome und Moleküle bzw. Ionen in den radialen und schrägen Bohrungen 5 a, 5 b und 6 a und 6 b befinden, sind sie der Wirkung der Zentrifugal- und der Coriolisbeschleunigung sowie der elektrischen Beschleunigung ausgesetzt. Verlassen die Ionen die schrägen Bohrungen 6a und 6b und gelangen sie in die konzentrischen Aussparungen 7a und 7b, so bewegen sie sich gleichmäßig beschleunigt — analog dem freien Fall — in Richtung Achse 1, die als Detektor wirkt. Diese Bewegung ist aber durch die in den radialen und schrägen Bohrungen 5a, 5 b und 6a und 6 b wirkenden Zentrifugal- und Coriolisbeschleunigungen gestört. Das hat zur Folge, daß die Ionen auf der Achse 1 nicht im Durchstoßpunkt der gedachten Mittellinie der schrägen Bohrungen 6a und 6b durch den Achsenmantel 1 a auftreffen, sondern um einen bestimmten Betrag χ neben diesem Punkt (in völliger Analogie zur Ostabweichung beim freien Fall) und um einen bestimmten Betrag χ neben diesem Punkt (in völliger Analogie zur Ostabweichung beim freien Fall) und um einen bestimmten Betrag y unterhalb dieses Punktes (in völliger Analogie zur Südabweichung beim freien Fall). " .

Diese Abweichung y beträgt für einfach ionisierte Wassermoleküle mit der Massenzahl 18 für eine Drehzahl γ = 1 000 U/s, Beschleunigungsspannung U = 0,1 V, die zwischen den Gittern 8c und 8d wirkt, für eine Länge der konzentrischen Aussparungen 7a und 7 b von h = 15cm 62,10mm. Mit den gleichen Parametern beträgt die Abweichung y für ein einfach ionisiertes Teilchen der Massenzahl 19 65,55 mm, also 3,45 mm mehr und für ein einfach ionisiertes Teilchen der Massenzahl 17 58,65mm, also 3,45mm weniger.

Die geometrischen Orte auf dem Achsenmantel 1 a, die im Bereich Ay = 62,10 mm ± 1 mm (die „Spaltbreite" muß mindestens 2 mm betragen) liegen, sind nicht mit einer elektrisch isolierenden Substanz bedeckt. Die einfach ionisierten Wassermoleküle, und nur diese, treffen also auf einen Bereich des Mantels 1 a auf, der 2 mm breit ist und 62,55mm vom Durchstoßpunkt der gedachten Mittellinie der schrägen Bohrungen 6a und 6 b durch den Achsenmantel 1 a entfernt liegt. Dieser Bereich wirkt .als Detektionspalt. Die Detektion der ionisierten Wassermoleküle erfolgt auf bekannte Weise, z.B. durch elektrische Registrierung. Vorteilhaft ist die Verbindung der Vorrichtung mit einer bekannten Turbomolekularpumpe. Die Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung liegen u.a. darin, daß Trocken- und Feuchttemperaturen der zu untersuchenden gasförmigen Medien nicht in das Meßergebnis eingehen und somit auch nicht erfaßt werden müssen. Weiterhin wirken sich Verschmutzungen des zu untersuchenden Gases nicht auf das Meßergebnis aus, da nur Wassermoleküle mit der Massenzahl 18 detektiert werden.

Claims

1. Vorrichtung zur Gasfeuchtebestimmung, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung aus einer drehbaren metallischen Achse (1), die von außen mit einer elektrisch isolierenden Substanz, bis auf einen als Detektionsspalt wirkenden Bereich, beschichtet ist und auf der zwei fest miteinander verbundene elektrisch nichtleitende Körpern (3 und 2) sitzen, wobei die Achse (1) mit einer axialen Bohrung (4), die in axialer Richtung ein Stück in die beiden elektrisch nichtleitenden Körper (2 und 3) hineinragt, versehen ist, wobei vom Ende der axialen Bohrung (4) zwei radial, in den beiden elektrisch nichtleitenden Körper (3 und 2 ) verlaufenden Bohrungen (5a und 5b) ausgehen, deren Enden durch zwei im Körper (3) unter einem Winkel von 45° zur senkrechten Drehachse (4a) verlaufenden Bohrungen (6a und 6b) mit zweilconzentrischen Aussparungen (7a und 7 b) im Körper (3) verbunden sind, die unmittelbar an der Mantelfläche (1a) der Achse (1) münden und in denen sich elektrisch positiv oder negativ vorgespannte Gitter (8c; 8d) befinden, die auch in den schräg verlaufenden Bohrungen (6a und 6b) vorhanden sind, ebenso zwei lonisationseinrichtungen (8a und 8 b), wobei der Abstand der lonisationseinrichtungen (8 a und 8 b) größer ist aIs der Abstand der Mantelfläche (1 a) von der gemeinsamen Drehachse (4a) und die Räume der Bohrungen (4, 5a, 5b, 6a, 6b) und der Raum (10) evakuiert sind, besteht.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehzahl des Detektors (1) und der lonisationseinrichtungen (8a und 8b) in der Größenordnung von 1 000U/s liegt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck im Zwischenraum (10) und in den axialen, radialen und schrägen Bohrungen (4, 5a, 5b, 6a und 6b) 10"⁴Pa beträgt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als lonisationseinrichtung ^-strahlende Radionuklide eingesetzt sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie mit einer Turbomolekularpumpe gekoppelt ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie in einem gasdichten Gehäuse untergebracht ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den schrägen Bohrungen (6a und 6b) und in den konzentrischen Aussparungen (7a und 7b) elektrisch positiv oder negativ vorgespannte Gitter (8c und 8d) vorgesehen sind.