DE10114947A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen eines mindestens eine gasförmige Komponente enthaltenden Gasgemisches, insbesondere eines Kalibriergases - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen eines mindestens eine gasförmige Komponente enthaltenden Gasgemisches, insbesondere eines KalibriergasesInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen eines mindestens eine gasförmige Komponente enthaltenden Gasgemisches, insbesondere eines Kalibriergases, wobei ein Matrixgasstrom mit einer vorbestimmten Durchflußmenge kontinuierlich gefördert und in den Matrixgasstrom wenigstens eine Kalibrierkomponente in vorbestimmter Menge pro Volumeneinheit Matrixgas eingeführt wird, wobei die wenigstens eine Kalibrierkomponente in Form von im wesentlichen gleich großen Mikrotröpfchen eingeführt und in dem Matrixgas zur Bildung des kalibrierenden Gasgemisches verdampft wird, wobei die Mikrotröpfchen von Düsen (4) abgegeben werden, die jeweils über ein durch entsprechend der vorgesehenen Abgabemenge erzeugten Dosierimpulse getriggertes Piezoelement (16) kontraktiv beaufschlagt werden.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen eines
mindestens eine gasförmige Komponente enthaltenden Gasgemisches,
insbesondere eines Kalibriergases, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. 8.
Der Einsatz von Gasen mit definierten Konzentrationen an Beimischungen ist
sowohl in diversen technischen Einrichtungen als auch als Kalibrierstandards für
Analyseverfahren erforderlich.
Bei allen analytischen Einrichtungen stellt die Kalibration den entscheidenden
Schritt zum Erhalt richtiger Analysenergebnisse dar. Die apparativen
Voraussetzungen einer Analyseeinrichtung können zwar Empfindlichkeit und
Präzision eines Analysenergebnisses (und damit die Nachweisgrenze) entscheidend
beeinflussen, die Richtigkeit kann aber allein durch Vergleich mit einer Kalibrierprobe
bekannten Gehaltes gewährleistet werden.
Im Bereich der Umweltanalytik ist aufgrund der Notwendigkeit einer globalen
und zeitunabhängigen Vergleichbarkeit von Analysenergebnissen die Richtigkeit eine
entscheidende Größe, um ökologische Prozesse zu verstehen und globale
Stoffströme nachvollziehen zu können. Die Analytik gasförmiger Schadstoffe stellt bis
in den unteren ppt-Bereich heutzutage für viele Analyseeinrichtungen, wie die
Gaschromatographie, kein Problem mehr dar. Weitgehend ungelöst ist jedoch das
Problem der adäquaten Kalibration einer solchen Analytik.
Zur Ausblendung eventueller Konditionierungsphänomene ist dabei ein
kontinuierlicher Gasstrom des Kalibrationsgases notwendig. Die Anforderungen der
Spurenanalytik gasförmiger Schadstoffe machen kontinuierlich strömende zertifizierte
Prüfgase aus Druckgasbehältern zum optimalen Kalibrationsmedium. Der hohe
Preis, bedingt durch aufwendige Stabilisierung und Herstellung, sowie die
produktionsbedingten langen Lieferzeiten, wie auch hohen Mindest-Volumina der
einzelnen Behälter lassen diese Verfahren für viele Anwender als zu aufwendig
erscheinen. Zudem sind nicht alle Gasmischungen in entsprechenden
Drucksystemen und den dort angewandten Metalloberflächen zu stabilisieren.
Speziell polare Komponenten sind auf diese Weise nur sehr schwer stabilisiert
herstellbar.
Eine ideale Kalibrationsprobe beinhaltet in der Regel eine genau definierte
Konzentration des Analyten, möglichst homogen in dem gleichen Matrixgas verteilt,
das auch die Analysenprobe umgibt. Eine solche Kalibrationsprobe kann jedoch
speziell im Umfeld der Umweltanalytik selten realisiert werden, da es nahezu
unmöglich ist, die zur Herstellung der Kalibrationsprobe notwendige unkontaminierte
Matrix als Blank und Verdünnungsmedium zu erhalten.
Im Falle der Analytik gasförmiger Proben ergibt sich eine andere Problemlage.
Hier ist es zwar relativ einfach, die unkontaminierte Matrix zu erhalten, z. B.
synthetische Luft, jedoch stellt sich hier die Herstellung entsprechender
Standardproben als problematisch dar.
Gravimetrische Methoden der Gasgemischherstellung sind extrem aufwendig
und können nur von Herstellern von Prüfgasen mit großem finanziellen Aufwand
hergestellt werden. Hier ergeben sich Probleme aufgrund der im Verhältnis zu den
Matrixgasen, aber erst recht zu den Spurenkomponenten großen Massen der das
Gasgemisch fassenden Behältnisse.
Bei einer volumetrischen Herstellung müssen kleine Volumina einer oftmals
flüssigen Spurenkomponente reproduzierbar in ein sehr großes Volumen des
Matrixgases eingebracht werden. Aufgrund der kleinen Dichte der gasförmigen
Analyten ergeben sich Probleme mit der Stabilität der Gasgemische. Durch
Adsorption und Desorption auf den im Verhältnis zur Masse der Spurenkomponenten
sehr großen Oberflächen der mit dem Prüfgas in Kontakt stehenden Gerätschaften
besteht das Risiko der Konzentrationsänderung etwa aufgrund von
Wanddesorptions- und Wandadsorptionseffekten.
Kommerziell erhältliche Kalibrationssysteme, die dies zu realisieren
versuchen, zeichnen sich durch verschiedene Schwachpunkte aus:
Einen kleinen Arbeitsbereich von maximal zwei Dekaden,
Probleme bei niedrigen Konzentrationen,
Beschränkungen bei der Anzahl der zu mischenden Komponenten und deren Verhältnis,
der minimal realisierbare Konzentrationsbereich ist zu hoch.
Einen kleinen Arbeitsbereich von maximal zwei Dekaden,
Probleme bei niedrigen Konzentrationen,
Beschränkungen bei der Anzahl der zu mischenden Komponenten und deren Verhältnis,
der minimal realisierbare Konzentrationsbereich ist zu hoch.
Es ist auch bekannt, die Reinkomponenten in einen kontinuierlich fließen
denden Gasstrom stetig einzubringen und mit diesem reproduzierbar zu
homogenisieren. Zur Eintragung kommen hier kritische Düsen,
Permeationseinrichtungen oder geregelte Zuströme von höherkonzentrierten
Prüfgasen in Frage. Die obigen Probleme werden hierdurch jedoch nicht behoben.
Da die Nachweisgrenze aller analytischen Einrichtungen definitionsgemäß
entscheidend von der Reproduzierbarkeit der Einzelergebnisse abhängt, bedeutet
jede Verbesserung der Kalibration zudem auch eine Verbesserung der
Nachweisgrenze und steigert so erheblich die Leistungsfähigkeit der gesamten
Analyseeinrichtung.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs
genannten Art zu schaffen, die es ermöglichen, "on-line" eine Gasmischung
bekannter Konzentration flüchtiger Komponenten selbst für einen sehr niedrigen
Konzentrationsbereich als Kalibrierstandard oder für technische Prozesse
bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird entsprechend den kennzeichnenden Teilen der
Ansprüche 1 und 8 gelöst.
Hierbei wird ein Matrixgasstrom mit einer vorbestimmten Durchflußmenge
kontinuierlich gefördert und in den Matrixgasstrom wenigstens eine
Kalibrierkomponente in vorbestimmter Menge pro Volumeneinheit Matrixgas
eingeführt, wobei die wenigstens eine Kalibrierkomponente in Form von im
wesentlichen gleich großen Mikrotröpfchen eingeführt und in dem Matrixgas zur
Bildung des Kalibriergases oder Muttergemisches verdampft wird, wobei die
Mikrotröpfchen von Düsen abgegeben werden, die jeweils über ein durch
entsprechend der vorgesehenen Abgabemenge erzeugten Auslöseimpulse
getriggertes Piezoelement kontraktiv beaufschlagt werden. Hierdurch ergibt sich ein
kontinuierlicher Kalibriergasstrom mit einer bekannten Konzentration flüchtiger,
insbesondere leichtflüchtiger Komponenten insbesondere unter Normaldruck. Dabei
können verdünnte Gasmischungen verschiedenster Komponenten in den
unterschiedlichsten Konzentrationsverhältnissen "on-line" erzeugt und dem
Probeneintragssystem einer zu kalibrierenden gasanalytischen Einrichtung
zugänglich gemacht werden. Gegebenenfalls kann die Kalibrierkomponente gekühlt
werden, um im flüssigen Zustand vorzuliegen und als Mikrotröpfchen eingebracht
werden zu können.
Zur Erzeugung von Vielkomponenten-Gasmischungen kann entweder eine
Lösung, die die Komponenten enthält, mit einem Dosierkopf oder es können
entsprechend der Anzahl an Komponenten mehrere Dosierköpfe verwendet werden.
Auf diese Weise ist es möglich, einen hochgenau geregelten Probeneintrag in
einen kontinuierlichen Gasstrom zu gewährleisten und somit ideale Voraussetzungen
für eine flexibles Kalibrationssystem zu bieten. In einen über einen exakten
Massendurchflußregler (Mass-Flow-Controler) geregelten Trägergasstrom
(insbesondere N2 oder synthetische Luft) werden aus einem oder vorzugsweise aus
mehreren, jeweils verschiedene Komponenten fördernden Mikrotröpfchen-
Abgabeeinrichtungen die zur Kalibration erforderlichen Stoffmengen an Analyt
eingebracht. Durch separates Ansteuern jeder Mikrotröpfchen-Abgabeeinrichtung
können die verschiedensten Mischungsverhältnisse der Komponenten in der
Gasphase realisiert werden. Aufgrund der zu erreichenden geringen Tröpfchengröße
(im Bereich von beispielsweise etwa 20 bis 100 µm, insbesondere etwa 30 bis 50 µm)
wird zudem ein schnelles vollständiges Verdampfen der Komponenten in dem
Trägergasstrom gewährleistet werden. Dies hat ein homogenes Kalibrier- oder
Prüfgas zur Folge. Die Möglichkeit 1 bis 2000 Tropfen/sec eines Volumens etwa von
15 bis 65 pl jeder Komponente in einen gegebenen Gasstrom einzubringen,
ermöglicht hier allein eine Kalibration über mehr als vier Konzentrations-Dekaden,
ohne die Einrichtung mechanisch verändern zu müssen. Somit weist ein solches
Verfahren eine deutlich größere Flexibilität bezüglich Konzentrationsbereich und
Komponentenverhältnissen auf, als die kommerziell bisher erhältlichen Verfahren
bzw. Prüfgase.
So läßt sich die Richtigkeit der Analyseergebnisse definierter Standardproben
als auch realer Proben gegenüber üblichen Kalibrationstechniken bei geringen
Kosten deutlich zu steigern und somit auch die Reproduzierbarkeit und in Folge
dessen zusätzlich die Nachweisgrenze deutlich senken. Ferner steht das Kalibriergas
für einen schnellen Einsatz etwa im Laboratorium bereit.
Nach Bestimmung der Tröpfchengröße - gravimetrisch oder mittels
Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit in einer Kapillarstrecke - kann die
Kalibriererzeugung digital und somit leicht automatisierbar - durch digitale Einstellung
der Tropfenfrequenz - auf die gewünschte Prüfgaskonzentration eingestellt werden.
Zudem kann diese Konzentration während des Ablaufes stetig digital geändert
werden und so eine automatische Kalibrationsreihe an verschiedenen
Prüfgaskonzentrationen generiert werden. Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, das
es gelingt, auch Prüfgase polarer Komponenten zu generieren, die in
handelsüblichen Druckgasbehältern nicht erhältlich sind.
Die gleichmäßige Größe und Abfolge der Tropfen gewährleistet dabei die
Bildung eines homogenen Gasgemisches, wie es zur Kalibration optimal ist. Eine
digitale Steuerung der Mikrotröpfchen-Dosiereinrichtung erlaubt es, pro Sekunde 1
bis 2000 Tropfen eines Volumens von 15 pl (bei einem Düsendurchmesser von d = 30 µm)
jeder Komponente in einen gegebenen Gasstrom einzubringen. Somit wird eine
Kalibration über mehr als vier Dekaden möglich, ohne das System mechanisch zu
verändern. Um ein optimal kalibriertes Gasgemisch zu erhalten, ist die Größe und
Homogenität der einzelnen gebildeten Tropfen von entscheidender Bedeutung. Bei
optimaler Größe der Tröpfchen hängt es allein von der Homogenität der
Größenverteilung ab, wie groß im Endeffekt das Flüssigkeitsvolumen ist, mit dem
sich die Gesamtmenge der Spurenkomponenten im Matrixgas verteilt. Die
Erzeugung der Mikrotröpfchen zeichnet sich durch eine extrem reproduzierbare
Arbeitweise aus, die Streuung der einzelnen Tropfengrößen liegt, auf die Masse
bezogen, bei etwa 1% und somit deutlich unter den Streuungen vergleichbarer
Verfahren. Der Umstand, daß die Kalibrierkomponenten als Mikrotröpfchen und nicht
etwa als Flüssigkeitsfilm in das Matrixgas eingetragen wird, führt dazu, daß der
Verdampfungssprozess bei gleicher Tropfengröße sehr reproduzierbar abläuft und so
ein homogenes Gasgemisch gebildet werden kann.
Der notwendige exakte Volumenstrom des Matrixgases in der
Kalibrationseinheit kann durch Mass-Flow-Controler sichergestellt werden. Dieses
Regelinstrument wird zweckmäßigerweise auf der Matrixgasseite eingesetzt, um es
ideal kalibrieren zu können und eventuelle störende Einflüsse der oftmals reaktiven
und damit korrosiven Spurenkomponente auszuschließen.
Die durch das Verdampfen der Spurenkomponenten zu erwartenden Volu
menvergrößerungen können rechnerisch erfaßt werden und bei der Steuerung der
Mikrotröpfchen-Dosiereinrichtungen berücksichtigt werden.
Das Verfahren ist universell für alle Methoden der Analytik leichtflüchtiger
Komponenten (beispielsweise VOC's und WOC's) einsetzbar. Diese
gasanalytischen Methoden spielen eine immer stärkere Rolle in den stetig wichtiger
werdenden Anwendungsgebieten der instrumentellen Analytik, wie z. B. der
Umweltanalytik (Klimaschutz) oder der Analytik im Umfeld von Arbeits- und
Gesundheitsschutz. Erfingungsgemäß hergestellte Kalbriergase lassen sich in
gaschromatographischen Einrichtungen, Gasphasenadsorptions- und -desorptions
einrichtungen, in der Infrarotspektroskopie, in der UV/VIS-Spektroskopie oder in
Gasphasen-Überwachungseinrichtungen verwenden.
Neben Anwendungen in der chemischen Analytik sind weitere Arbeitsfelder
auch Bereiche, in denen idealerweise definierte Gasphasen einsetztbar sind, wie
Klimakammern, Sensor-Prüfstände oder Gasphasen-Epitaxie-Systeme.
Die quantitative Bestimmung der verschiedenen gasförmigen Schadstoffe in
Atmosphäre und Umgebungsluft hat große Bedeutung sowohl für den Klimaschutz,
als auch für den Arbeits- und Gesundheitsschutz. Speziell in einer
Industriegesellschaft sind die ökologischen Wirkungen von gasförmigen Schadstoffen
aufgrund ihrer hohen Diffusionsraten und ihrer weitreichenden
Transportmöglichkeiten in dem Umweltkompartiment Luft für den Eintrag in die
Ökosphäre von großer Bedeutung. Kontaminationen des Umweltkompartiments Luft
durch die verschiedensten gasförmigen Schadstoffe spielen somit gerade in Bezug
auf direkte Schädigungen, aber auch Anreicherungen in Ökosystemen eine wichtige
Rolle. Von besonderem Interesse sind dabei richtige Analysenergebnisse gerade
einzelner Spurenkomponenten, da diese oftmals aufgrund ihrer ökotoxikologischen
Wirkung sehr schädliche Einflüsse auf Ökosysteme ausüben. Exemplarisch seien
hier nur die schädigende Wirkung leichtflüchtiger Kohlenwasserstoffe (VVOC und
VOC) erwähnt. Die Richtigkeit der Analytik dieser Stoffe, die sich oftmals aufgrund
einer Persistenz in Ökosystemen anzureichern vermögen, muß ständig verbessert
werden. Nur so können alle Eintragspfade, auch die natürlichen, gering
konzentrierten global und auch über längere Zeiträume hinweg, richtig erfasst
werden.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung
und den Unteransprüchen zu entnehmen.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von beigefügten Abbildungen näher
erläutert.
Fig. 1 zeigt schematisch eine Ausführungsform einer Einrichtung zur
Erzeugung eines Kalibriergases.
Fig. 2 zeigt schematisch eine Mikrotröpfchen-Bildung durch eine Düse einer
Mikrotröpfchen-Dosiereinrichtung.
Fig. 3 zeigt schematisch eine Thermodesorptionseinrichtung zum
Probeneintrag für einen Gaschromatographen.
Fig. 4 zeigt schematisch eine weitere Mikrotröpfchen-Dosiereinrichtung für
eine Thermodesorptionseinrichtung eines Gaschromatographen.
Gemäß Fig. 1 sind eine Matrixgasquelle 1, etwa eine Reinstgas enthaltende
Gasflasche, und Quellen 2 für verschiedene Kalibrierkomponenten, die flüssig
vorliegen, vorgesehen. Letztere sind an eine Mikrotröpfchen-Dosiereinrichtung 3
angeschlossen, die eine entsprechende Anzahl von Düsen 4 umfaßt, deren
Austrittsöffnungen 5 (sh. Fig. 2) in den Innenraum eines Verdampferrohrs 6 gerichtet
sind. Das Verdampferrohr 6 ist von einer Heizeinrichtung 7, etwa einer Heizwendel
aus einem Widerstandsdraht, um eben und eintrittsseitig, d. h. benach
geregelte Leitung 9 angeschlossen. Das Verdampferrohr 6 ist gesteuert auf eine
vorbestimmte Temperatur durch die Heizeinrichtung 7 heizbar. An der Austrittsseite
ist das Verdampferrohr 6 an eine Abführleitung 10 für Kalibriergas angeschlossen.
Von dieser zweigt außerdem eine eine als Rückdiffusionsschutz dienende Kapillare
11 aufweisende Abgasleitung 12 für zuviel erzeugtes Kalibriergas ab.
Jede Düse 4 umfaßt, wie in Fig. 2a schematisiert dargestellt, einen
Düsenkörper 13 mit einer mit der zugehörigen Quelle 2 verbundenen Innenbohrung
14, die zu einer verengten Austrittsöffnung 5 führt. Der Düsenkörper 13 ist von einem
Piezoelement 15 umgeben, dessen an der Außenseite befindliche Elektroden 16 an
einen von einer insbesondere digitalen Steuerung 17 triggerbaren Dosierimpulsgeber
18 angeschlossen sind. Durch Anlegen eines Spannungsimpulses als Dosierimpuls
verformt sich das Piezoelement 15 und damit die Wandung des Düsenkörpers 13,
die hierdurch kontrahiert, vgl. Fig. 2b. Hierdurch läuft eine Druckwelle in beiden
Richtung der Längsachse der Düse 4, Fig. 2c. Hierdurch wird die Flüssigkeit in der
Innenbohrung 14 entsprechend beschleunigt und eine bestimmte Menge an
Flüssigkeit tritt aus der Austrittsöffnung 5 heraus. Am Ende des Spannungsimpulses
findet eine Druckabnahme statt, da die Kontraktion zurückgeführt wird. Eine
Unterdruckwelle läuft in beiden Richtungen, Fig. 2d. Die Unterdruckwelle erreicht die
Austrittsöffnung 5, die Flüssigkeit wird abgebremst, Fig. 2e. Die Flüssigkeit schwingt
zurück und ein Mikrotröpfchen 19 schnürt sich ab, Fig. 2f. Ein Nachschwingen der
Flüssigkeitssäule einwärts findet statt, Fig. 2g.
Die gepulste Kontraktion des Düsenkörpers 13 führt zu einer entsprechenden
pulsartigen Abgabe von Mikrotröpfchen 19, die ein feinteiliges Aerosol bilden und
aufgrund ihrer geringen Größe und großen Oberfläche in dem Verdampferrohr 6
vollständig verdampfen.
Sehr gut mit einem Gaschromatographen 20 koppelbar hat sich eine
Thermodesorptionseinrichtung 21 als Probenahme/Probeneintragssystem (TDS)
erwiesen. Hierbei wird, wie in Fig. 3 dargestellt, zur Probenahme ein großes
Gasvolumen von einigen Litern bis zu einigen m3 durch ein mit einem
Adsorptionsmedium gefülltes Röhrchen 22 gesaugt und dabei die
Spurenkomponenten auf der Füllung (z. B. Silikagel oder Tenax) adsorbiert und so
angereichert. Zur Analyse wird das Röhrchen 22 dann programmiert aufgeheizt,
dabei von einem von einer Trägergasquelle 23 über Regelventile 24 gesteuert
kommenden Trägergas durchströmt, das die unter diesen Bedingungen
desorbierenden Spurenkomponenten in den Gaschromatographen 20 einträgt.
Dieser Eintrag kann entweder direkt auf eine in einem Ofen 25 angeordnete
Trennsäule 26 erfolgen, oder aber zunächst zur Anreicherung in eine ebenfalls
programmierbar aufheizbare Kühlfalle 27 (z. B. Kaltaufgabesystem). Speziell bei
dieser Art des Probeneintrags stellt sich das Problem der Kalibration. Es ist nämlich
nicht davon auszugehen, daß der Adsorptionsgrad und somit dann die
Wiederfindungsrate gerade für Spurenkomponenten 100% beträgt. Aus diesem
Grunde ist es hier, abweichend von der zur Zeit geübten Praxis, notwendig, das
System mit einem kontinuierlichen Prüfgasstrom zu kalibrieren. Die Trennsäule 26 ist
hierbei an ein Analysegerät 28, etwa einen Quadrupol-Massenspektrographen
angeschlossen.
Wie in Fig. 4 dargestellt, kann der dort dargestellten Ausführungsform der
Mikrotropfen-Dosiereinrichtung 3 Matrixgas, etwa Reinstgas wie Stickstoff, über den
Mass-Flow-Controler 8 gesteuert zur Kalibriergaserzeugung in zwei
unterschiedlichen Massenströmen hier von 900 ml/min und über ein geöffnetes Ventil
100 ml/min zugeführt werden. Der Matrixgasstrom kann unter Reinstgasbedingungen
durch die Mikrotröpfchen-Dosiereinrichtung 3 mit einer oder mehreren
gaschromatographisch empfindlich bestimmbaren Komponenten aus Quellen 2
versetzt werden. Hierbei dient der geringere Massenstrom von 100 ml/min zum
Umspülen der Düsen 4, um die Mikrotröpfchen 19 in das Verdampferrohr 6
weiterzutragen. Das Verdampferrohr 6 ist hier U-förmig zur Abführleitung 10 geführt
und insgesamt von der Heizeinrichtung 7 umgeben. Das Verdampferrohr 6 und die
Heizeinrichtung 7 sind in einem Dewargefäß D zur Vergleichmäßigung der
Wärmeverteilung in dem Verdampferrohr 6 angeordnet.
Hierbei ist ferner eine optische Kontrolle der Mikrotröpfchenbildung
vorgesehen, die eine Stroboskopdiode 29 umfaßt, die mittels einer Kamera 30
beobachtet wird, die ihrerseits an einen Monitor 31, mit dem die Dosierung visuell
kontrolliert werden kann angeschlossen ist. Außerdem ist an die Steuerung S ein
Oszilloskop 32 angeschlossen, das zur Kontrolle des Dosierimpulses dient. Die
Abführleitung 10 ist hier mit einem Ventil versehen.
Wenn zur Erzeugung von Vielkomponenten-Gasmischungen eine Lösung, die
die Komponenten enthält, mit nur einem Dosierkopf und damit nur einer Düse erfolgt,
kann diese beispielsweise durch Verwendung einer methanolischen Lösung mit z. B.
max. 1 Gew.-% Fremdanteil, d. h. Kalibrierkomponenten oder Analyten, angemischt
werden. Das bedeutet, daß die für den Betrieb entscheidenden Parameter der
Lösung, also Viskosität und Benetzungsverhalten, gleich bleiben, da sie
hauptsächlich vom Methanol abhängen. Damit können bei gleichbleibenden
Geräteparametern verschiedenste Gasmischungen hergestellt werden. Allerdings ist
hierbei auch immer das Lösungemittel, etwa Methanol, im Gas enthalten. Dieser
Lösungsmittelanteil ist aber gegenüber bekannten Verfahren, die mit Zudosierungen
von Lösungen arbeiten, sehr gering.
Die mechanischen Bauteile der Vorrichtung sind unabhängig von der
herzustellenden Mischung, eine Veränderung der Konzentration der Mischung wird
nur durch Veränderung einer digital einzustellenden Größe, nämlich der Frequenz
der Tropfenabgabe, also ohne Änderung von Volumenströmen von Gasen erzielt.
Dies ist mit sehr hoher Genauigkeit reproduzierbar und entsprechend zuverlässig.
Claims (18)
1. Verfahren zum Herstellen eines mindestens eine gasförmige
Komponente enthaltenden Gasgemisches, insbesondere eines Kalibriergases, wobei
ein Matrixgasstrom mit einer vorbestimmten Durchflußmenge kontinuierlich gefördert
und in den Matrixgasstrom wenigstens eine Komponente in vorbestimmter Menge
pro Volumeneinheit Matrixgas eingeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die
wenigstens eine Komponente in Form von im wesentlichen gleich großen
Mikrotröpfchen eingeführt und in dem Matrixgas zur Bildung des Gasgemisches
verdampft wird, wobei die Mikrotröpfchen von Düsen (4) abgegeben werden, die
jeweils über ein durch entsprechend der vorgesehenen Abgabemenge erzeugten
Dosierimpulse getriggertes Piezoelement (16) kontraktiv beaufschlagt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der
Matrixgasstrom mit den Mikrotröpfchen beheizt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die durch
die Verdampfung und gegebenenfalls durch Beheizung bewirkte Volumenexpansion
bei der Steuerung der Durchflußmenge des Matrixgasstroms berücksichtigt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß
als Matrixgas ein Reinstgas, insbesondere synthetische Luft oder Stickstoff,
verwendet wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß
Mikrotröpfchen einheitlicher Größe aus dem Bereich von etwa 30 bis 50 µm
eingeführt werden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß
die Mikrotröpfchen durch einen sanften, die Düsen (4) umspülenden
Matrixgasteilstrom von den Düsen (4) weggetragen werden.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß
eine oder mehrere Komponenten in Form einer diese in vorbestimmter Konzentration
enthaltenden Lösung tropfenweise eingeführt werden.
8. Vorrichtung zum Herstellen eines mindestens eine gasförmigen
Komponente enthaltenden Gasgemisches, insbesondere eines Kalibriergases, mit
einer Matrixgasquelle (1), der ein Massenstromregler nachgeschaltet ist, und
wenigstens einer Quelle (2) für eine Komponente sowie mit einer Dosiereinrichtung
(3) für die wenigstens eine Komponente, dadurch gekennzeichnet, daß die
Dosiereinrichtung (3) eine Mikrotröpfchen-Dosiereinrichtung mit wenigstens einer
Düse (4) ist, die in ein von dem Matrixgas durchströmtes Verdampferrohr (6) mündet
und über ein durch entsprechend der vorgesehenen Abgabemenge erzeugten
Dosierimpulse getriggertes Piezoelement (16) kontraktiv beaufschlagbar ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das
Verdampferrohr (6) beheizbar ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß für die
Mikrotröpfchen-Dosiereinrichtung (3) eine insbesondere digitale Steuerung (S) für die
Länge und Folge der Dosierimpulse vorgesehen ist.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet,
daß die Düsen (4) von einem in das Verdampferrohr (6) gerichteten, sanften
Matrixgasteilstrom umspülbar sind.
12. Verfahren zum Kalibrieren einer gasanalytischen Einrichtung,
insbesondere eines Gaschromatographen (20), durch Hindurchführen und
Analysieren eines gasförmigen, mindestens eine Kalibrierkomponente enthaltenden
Matrixgases, dadurch gekennzeichnet, daß ein Matrixgasstrom mit einer
vorbestimmten Durchflußmenge in die Einrichtung eingeleitet, in den Matrixgasstrom
vor dessen Hindurchführen durch die Einrichtung wenigstens eine
Kalibrierkomponente in vorbestimmter Menge pro Volumeneinheit Matrixgas in Form
von im wesentlichen gleich großen Mikrotröpfchen eingeführt und in dem Matrixgas
zur Bildung eines Kalibriergases verdampft wird, wobei die Mikrotröpfchen von
Düsen (4) abgegeben werden, die jeweils über ein durch entsprechend der
vorgesehenen Abgabemenge erzeugten Dosierimpulse getriggertes Piezoelement
(16) kontraktiv beaufschlagt werden.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der
Matrixgasstrom mit den Mikrotröpfchen beheizt wird.
14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die
durch die Verdampfung und gegebenenfalls durch Beheizung bewirkte
Volumenexpansion bei der Steuerung der Durchflußmenge des Matrixgasstroms
berücksichtigt wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet,
daß als Matrixgas ein Reinstgas, insbesondere synthetische Luft oder Stickstoff,
verwendet wird.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet,
daß Mikrotröpfchen einheitlicher Größe im Bereich von etwa 30 bis 50 µm eingeführt
werden.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet,
daß die Mikrotröpfchen durch einen sanften, die Düsen (4) umspülenden
Matrixgasteilstrom von den Düsen (4) weggetragen werden.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet,
daß eine oder mehrere Kalibrierkomponenten in Form einer diese in vorbestimmter
Konzentration enthaltenden Lösung tropfenweise eingeführt werden.
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