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Die Erfindung betrifft ein Ionenmobilitätsspektrometer, in dem eine Messröhre, ein Filter und eine Fördereinrichtung zu einem geschlossenen inneren Gaskreislauf verbunden sind, wobei Substanzen aus einem Probegas über einen Membraneinlass in den Gaskreislauf eingeführt werden.
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Stand der Technik
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In einer Vielzahl von Anwendungen wird die Zusammensetzung gasförmiger Substanzen untersucht und kontinuierlich überwacht, etwa in der Umweltanalytik, in der Steuerung von chemischen Prozessen sowie im zivilen und militärischen Bereich zum Nachweis von chemischen Kampf- oder Explosivstoffen. Die Ionenmobilitätsspektroskopie (IMS) ist ein ab den 1970er Jahren eingeführtes Verfahren für den hochempfindlichen Nachweis von Substanzen geringer Konzentrationen in Luft oder anderen Probegasen.
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Ein Ionenmobilitätsspektrometer kann bei Umgebungsdruck betrieben werden und lässt sich in einem vergleichsweise kompakten Aufbau herstellen, wodurch sich Ionenmobilitätsspektrometer besonders gut für tragbare und mobile Gasmonitore und Warngeräte eignen. Am weitesten verbreitet sind Ionenmobilitätsspektrometer vom Flugzeit-Typ. Daneben gibt es „Aspiration Ion Mobility Spectrometer” der finnischen Firma Environics Oy und „Assymetric Field Ion Mobility Spectrometer” (FAIMS).
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In einem Reaktionsraum der Messröhre eines Ionenmobilitätsspektrometers werden die nachzuweisenden Substanzen ionisiert. Die erzeugten Ionen bewegen sich im Driftraum der Messröhre unter Einwirkung elektrischer Felder in einem Driftgas und werden dabei entsprechend ihrer Mobilität getrennt. In FAIMS-Geräten werden sie entsprechend der Feldstärkeabhängigkeit ihrer Mobilität getrennt. Bei konstanten Parametern des Driftgases, wie z. B. der Gastemperatur, der Feuchtigkeit und des Gasdrucks, sind die Driftgeschwindigkeiten der Ionen charakteristisch für die jeweiligen Substanzen.
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In den meisten mobilen Ionenmobilitätsspektrometern wird das Driftgas durch eine Fördereinrichtung, wie z. B. eine Gaspumpe oder einen Ventilator, in einem geschlossenen inneren Gaskreislauf geführt. Ein im Gaskreislauf befindlicher Filter entzieht dem Kreislaufgas dabei Feuchtigkeit und reinigt es von Substanzen, bevor es wieder zur Messröhre des Ionenmobilitätsspektrometers zurückgefördert wird. Innerhalb des geschlossenen Gaskreislaufs werden insbesondere die Temperatur und die Feuchtigkeit des Kreislaufgases konstant gehalten.
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Die nachzuweisenden Substanzen aus einem Probegas gelangen in der Regel über eine permeable Membran in den Gaskreislauf, wobei die Membran von außen mit dem Probegas bespült wird.
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Die Verwendung einer Membran aus organischen Polymeren wie beispielsweise Silikongummi hat zudem den Vorteil, dass die meisten nachzuweisenden organischen Substanzen besser durch die Membran dringen als Wasser, so dass ein nachteiliger Eintrag von Feuchtigkeit in den Gaskreislauf verringert wird. Ein Membraneinlass erfordert erfahrungsgemäß eine elektrische Beheizung, um Verzögerungs- und Speichereffekte im Membranmaterial zu minimieren. Für eine Reihe schwerflüchtiger Substanzen ergibt sich jedoch bei den in der Praxis anwendbaren Temperaturen und Membrandicken, dass die Reaktion des Messsignals auf eine Änderung der Außenkonzentration um einige Sekunden bis zu vielen Minuten verzögert ist.
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Viele kommerziell erhältliche Ionenmobilitätsspektrometer, die als autonome Gaswarngeräte arbeiten, verfügen über einen Schwallschutz, bei dem das Ansaugen von Probegas in einem äußeren Gaskreislauf unterbrochen und zusätzlich die äußere Membranseite mit gefilterter Luft gespült wird, wenn das Messsignal einer Substanz einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet. Die zeitlichen Verzögerungen in dem trägen Membraneinlass führen bei einer hohen Substanzkonzentration allerdings dazu, dass die Oberflächen im Einlassbereich des inneren Gaskreislaufs und die Membran selber bereits stark mit der Substanz beaufschlagt sind, bevor die hohe Substanzkonzentration in der Messröhre nachgewiesen und der Schwallschutz ausgelöst werden kann. Es gelangen somit noch nach dem Auslösen des Schwallschutzes Substanzmengen in die Messröhre, die bereits durch die Membran in den Gaskreislauf gelangt sind oder noch in der Membran gespeichert sind. Dadurch werden unbeheizte Oberflächen im Eingangsbereich der Messröhre merklich mit Substanzen beaufschlagt und es tritt eine anhaltende Sättigung der Messsignale ein. In dieser Zeit ist das Ionenmobilitätsspektrometer nicht in der Lage, andere Substanzen nachzuweisen und seine Warnfunktion zu erfüllen. Die Totzeiten durch überhöhte Substanzkonzentrationen in der Messröhre sind oft deutlich größer als die zum Freispülen der geheizten Membran notwendigen Zeiten. Während des Spülens der äußeren Membranseite liefert das Ionenmobilitätsspektrometer keine Informationen über die momentane Substanzkonzentration an der Messstelle. Ist die gemessene Substanzkonzentration nach einem Rückschalten in den Messbetrieb immer noch so hoch, dass der Schwallschutz wieder ausgelöst wird, wiederholt sich der Zyklus aus Spülen und Messen gegebenenfalls mehrfach, bis die Substanzkonzentration hinreichend abgeklungen ist.
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Ionenmobilitätsspektrometer nach dem Stand der Technik haben einen relativ geringen dynamischen Messbereich, der von der Bauart und den Betriebsparametern der Messröhre bestimmt wird. Diese Parameter lassen sich im laufenden Betrieb kaum an veränderte Messbedingungen anpassen. Es ist allerdings bekannt, dass der Messbereich eines Ionenmobilitätsspektrometers zu hohen Substanzkonzentrationen ausgeweitet werden kann, indem eine angesaugte Gasprobe vor Erreichen der permeablen Membran mit einer wählbaren Menge gereinigter Luft oder eines anderen Mischgases verdünnt wird. Beim Umschalten der Verdünnungsverhältnisse wird wiederum die zeitliche Trägheit des Membraneinlasses wirksam und es muss nach dem Umschalten eine Einstellzeit abgewartet werden, bis sich das Messsignal stabilisiert hat. Während der Einstellzeit liefert das Ionenmobilitätsspektrometer keine zuverlässigen Ergebnisse.
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Aus der Druckschrift
WO 1997/038302 A1 ist ein FAIMS-Gerät bekannt, in dem Probengas direkt aus der Umgebung ohne einen Membraneinlass in einen Gaskreislauf eingeführt wird. Die Flussmenge des angesaugten Probengases wird über Strömungswiderstände gesteuert, die innerhalb des Gaskreislaufs angeordnet sind. Des Weiteren ist aus der Druckschrift
DE 10 2005 004 325 A1 ein Ionenmobilitätsspektrometer vom Flugzeit-Typ bekannt, in dem ebenfalls Probengas direkt aus der Umgebung in einen Gaskreislauf angesaugt wird. Die Messzelle des Ionenmobilitätsspektrometers wird durch das Schalten von Gaswegen in dem Gaskreislauf in einem Dosiermodus oder in einem Isolationsmodus betrieben. Aus der Druckschrift
EP 0 135 747 A2 ist ein Ionenmobilitätsspektrometer mit einer Messzelle vom Flugzeit-Typ bekannt, die zwei Gaseinlässe aufweist, wobei der Gaszufluss in die Messzelle mittels zweier Ventile gesteuert wird.
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Aus der Patentschrift
US 6,627,878 B1 ist ein Ionenmobilitätsspektrometer mit zwei Membraneinlässe zu entnehmen, wobei die an den Membraneinlässen zugeführten Substanzmengen jeweils zu einer von zwei Driftröhren geführt werden, in denen die Mobilität von negativen und positiven Ionen räumlich getrennt gemessen werden. Es sind weiterhin kommerziell erhältliche Ionenmobilitätsspektrometer bekannt, die mehrere Messstellen mit einer einzelnen Messröhre analysieren. Die Überwachung mehrerer Messstellen ist zur Verringerung des gerätetechnischen Aufwandes oftmals sehr wünschenswert. Hierbei führen mehrere in der Regel geheizte Ansaugleitungen für Probegas zu den verschiedenen Messstellen, die dann durch Schaltventile zyklisch nacheinander mit einem einzelnen Membraneinlass verbunden werden. Um reproduzierbare Messergebnisse zu erhalten, muss bei einem Umschalten zwischen zwei Messstellen sowohl die Zeit bis zum vollständigen Abklingen des Messsignals der vorherigen Messstelle als auch die Permeationsszeit für die Substanzen der nachfolgenden Messstelle abgewartet werden. Durch die Trägheit des Membraneinlasses ergeben sich relativ lange Zykluszeiten, die die Anwendbarkeit stark einschränken.
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Aufgabe der Erfindung
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Ionenmobilitätsspektrometer mit einem geschlossenen inneren Gaskreislauf, einem Membraneinlass und einer Messröhre bereitzustellen, in dem die Probenzufuhr aus einer inneren Kammer des Membraneinlasses in einen Reaktionsraum der Messröhre unabhängig von der Konzentration und Zusammensetzung der Substanzen im Probegas und von der Trägheit des Membraneinlasses gesteuert werden kann.
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Beschreibung der Erfindung
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Die Erfindung besteht darin, die Probenzufuhr in den Reaktionsraum der Messröhre über die Zuflussmenge von substanzhaltigem Kreislaufgas oder dessen Ausbreitung im Reaktionsraum zu steuern, indem innerhalb des inneren Gaskreislaufs Strömungswiderstände oder Gaswege geändert werden. Eine Unterbrechung der Permeation von Substanzen durch die Membran oder eine Verdünnung der Gasflüsse im äußeren Gaskreislauf ist nicht notwendig.
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Eine Änderung der Zuflussmenge von substanzhaltigem Kreislaufgas in die Messröhre kann einerseits dadurch erreicht werden, dass in dem Gaskreislauf Strömungselemente zu einer Brückenschaltung verbunden sind. Der Brückenschaltung wird über die Druckseite einer Fördereinrichtung in einem Filter gereinigtes Kreislaufgas zugeführt. Der Membraneinlass ist in dem Diagonalzweig der Brückenschaltung angeordnet und mit dem Reaktionsraum der Messröhre verbunden. Durch die Änderung des Strömungswiderstandes eines der Strömungselemente in der Brückenschaltung kann die Flussrichtung des Kreislaufgases in dem Diagonalzweig und damit auch am Membraneinlass gesteuert werden. In einem Dosiermodus wird also zuerst Kreislaufgas von einem Filter über den Membraneinlass zum Reaktionsraum der Messröhre geführt. Danach wird die Flussrichtung in dem Diagonalzweig zwischen dem Membraneinlass und dem Reaktionsraum der Messröhre umgekehrt, so dass das substanzhaltige Kreislaufgas aus dem Membraneinlass vollständig zum Filter geleitet und dort von den Substanzen gereinigt wird. Die Messröhre befindet sich bei der Flussumkehr in einem Isolationsmodus, auch wenn Substanzen aus der Messstelle weiterhin die Membran durchdringen.
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Andererseits kann die Zuflussmenge dadurch gesteuert werden, dass ein Membraneinlass über einen Verzweigungspunkt mit dem Reaktionsraum der Messröhre verbunden ist und ein Steuerungselement innerhalb des Gaskreislaufs angeordnet ist, mit dem der Strömungswiderstand in einem Nebenzweig von dem Verzweigungspunkt zur Saugseite der Fördereinrichtung verändert werden kann. Das substanzhaltige Kreislaufgas kann auf diese Weise zumindest teilweise über den Nebenzweig zu einem Filter des Gaskreislaufs abgeleitet werden. Die Änderung des Strömungswiderstandes kann kontinuierlich oder in Stufen erfolgen. Wird das substanzhaltige Kreislaufgas vollständig über den Nebenzweig abgeleitet, so befindet sich die Messröhre im Isolationsmodus.
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Die Messröhre kann erfindungsgemäß vor einer Zufuhr von zu hohen Substanzmengen geschützt werden, indem die der Messröhre zugeführte Substanzmenge automatisch so geregelt wird, dass das Messsignal der Messröhre vorgegebene Grenzwerte nicht überschreitet. Die Einstellzeiten der Gasflüsse im Gaskreislauf nach einer Änderung eines Strömungswiderstandes in einem Zweig oder dem Schalten eines Gasweges sind deutlich kleiner als die Trägheit des Membraneinlasses, insbesondere als die Verweilzeit in der permeablen Membran selbst. Durch eine erfindungsgemäße Regelung der zugeführten Substanzmengen gelangen bei hohen Substanzkonzentrationen deutlich geringere Substanzmengen in die Messröhre als bei einem Schwallschutz, der außerhalb des inneren Gaskreislaufs wirkt. Hierdurch wird eine Übersättigung des Messsignals vermieden, wie sie bei Systemen nach dem Stand der Technik auftritt. Wird die Zuflussmenge in den Reaktionsraum der Messröhre bei einer Überschreitung des Messsignals entsprechend angepasst und nicht einfach unterbrochen, so kann die Substanzkonzentration ohne zeitliche Unterbrechung auch während einer hohen Substanzkonzentration überwacht werden. Insbesondere wird ein Rückgang der Substanzkonzentration an der Messstelle zeitnah erkannt und das Ionenmobilitätsspektrometer kann automatisch in einen Messbereich mit höherer Messempfindlichkeit zurückgeregelt werden. Wird zusätzlich die Zuflussmenge des substanzhaltigen Kreislaufgases in die Messröhre gemessen oder aus den Parametern der Steuerelemente bestimmt, kann aus dem Messsignal die Konzentration der Substanzen auch in einem Modus mit reduzierter Empfindlichkeit quantitativ ermittelt werden.
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Das interne Umschalten zwischen einem Dosier- und Isolationsmodus gestattet es weiterhin, mehrere Messstellen an eine einzelne Messröhre anzuschließen. Dabei sind die Messstellen jeweils mit einem Membraneinlass verbunden, aber nur jeweils einer der Membraneinlässe ist in den Dosiermodus geschaltet, während sich alle anderen Membraneinlässe im Isolationsmodus befinden. Jeder der Membraneinlässe wird periodisch zu vorgegebenen Zeitpunkten für vorgegebene Zeitdauern in den Dosiermodus geschaltet. Alle Membraneinlässe sind vorzugsweise ständig mit den jeweiligen Messstellen verbunden. Der Durchtritt der Substanzen durch die permeablen Membranen erfolgt kontinuierlich und wird auch dann nicht unterbrochen, wenn der Membraneinlass einer Messstelle nicht mit dem Reaktionsraum der Messröhre verbunden ist. Das Umschalten zwischen den Membraneinlässen kann deshalb zeitlich unabhängig von den Speicher- und Durchtrittszeiten der Membranen erfolgen. Die Schaltzeit für das Umschalten zwischen zwei Membraneinlässen wird nur durch die Einstellzeiten der Gasströme und durch Adsorptionseffekte an den Oberflächen der substanzberührten Gaswege des Gaskreislaufs begrenzt. Mit einem erfindungsgemäßen Ionenmobilitätsspektrometer kann somit der Konzentrationsverlauf an verschiedenen Messstellen nahezu synchron abgetastet werden. Werden zwei oder mehr Membraneinlässe an dieselbe Messstelle angeschlossen und weisen die Membraneinlässe unterschiedlich große Substanzflüsse in den inneren Gaskreislauf auf, kann der Messbereich über die Membraneinlässe umgeschaltet werden. Bei Verwendung von Membranmaterialien mit unterschiedlichen Permeationseigenschaften für bestimmte Substanzgruppen ist auch ein Umschalten zwischen substanzselektiven Betriebszuständen möglich.
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Neben einer Regelung der Zuflussmenge in den Reaktionsraum der Messröhre kann die Probenzufuhr auch durch eine Veränderung der Ausbreitung des substanzhaltigen Kreislaufgases im Reaktionsraum der Messröhre gesteuert werden. Die Ausbreitung des substanzhaltigen Kreislaufgases wird beispielsweise durch eine Aufteilung des Kreislaufgases auf verschiedene am Reaktionsraum angeordnete Gaseinlässe oder Gasauslässe oder durch die Eindringtiefe des substanzhaltigen Kreislaufgases in einen Gegenstrom aus gereinigtem Kreislaufgas beeinflusst. Dabei ist in beiden Fällen die Nachweisgrenze umso niedriger bzw. die Messempfindlichkeit umso höher je länger die Verweilzeit der Substanz im Reaktionsraum und damit die Wechselwirkungszeit mit im Reaktionsraum erzeugten Primärionen ist.
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Die steuerbaren Strömungselemente und Schaltelemente werden in einem erfindungsgemäßen Ionenmobilitätsspektrometer bevorzugt so angeordnet, dass sie nicht von substanzhaltigem Kreislaufgas durchflossen werden oder in einem von der Messröhre wegführenden Gasweg des Gaskreislaufs angeordnet sind.
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Kurze Beschreibung der Abbildungen
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Die und zeigen ein Ionenmobilitätsspektrometer mit einer Messröhre (10) vom Flugzeit-Typ und einem Gaskreislauf, in dem die innere Kammer (21b) eines einzelnen Membraneinlasses (21) und der Reaktionsraum (11) der Messröhre (10) in einem Diagonalzweig einer Brückenschaltung aus Strömungselementen (53, 54, 55, 56a, 56b) angeordnet und die Flussrichtung des Kreislaufgases von der inneren Kammer (21b) in den Reaktionsraum (11) durch das Schalten eines Umschaltventils (50) aufgrund der verschiedenen Strömungswiderstände der der Strömungselemente (56a) und (56b) umgekehrt werden kann. Durch die Flussumkehr wird der Messbetrieb der Messröhre automatisch zwischen einem Dosiermodus und einem Isolationsmodus umgeschaltet, wenn das Messsignal einer Substanz einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet.
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Die und zeigen ein Ionenmobilitätsspektrometer mit einem Gaskreislauf, in dem substanzhaltiges Kreislaufgas aus der inneren Kammer (21b) eines Membraneinlasses (21) über einen Verzweigungspunkt (62) in den Reaktionsraum (11) der Messröhre (10) befördert wird, wobei ein Teil des substanzhaltigen Kreislaufgases nach dem Membraneinlass (21) über den Verzweigungspunkt (62) zu einem Filter (40) abgeleitet werden kann, um den Zufluss von Substanzen in die Messröhre (10) und damit den Messbereich bei einer hohen Substanzkonzentration anzupassen.
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Die bis zeigen ein Ionenmobilitätsspektrometer mit einem Gaskreislauf, in dem der Reaktionsraum (11) der Messröhre (10) über zwei Membraneinlässe (21, 22) mit zwei Messstellen (23a, 23b) verbunden ist, wobei das substanzhaltige Kreislaufgas aus den beiden Membraneinlässen (21, 22) über entsprechende Schaltventile (71, 72) in Nebenzweigen zurück zu einem Filter (40) geleitet werden kann und dadurch die Probenzufuhr aus den beiden Messstellen (23a, 23b) in die Messröhre (10) einzeln steuerbar ist.
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Die und zeigen ein Ionenmobilitätsspektrometer mit einem Gaskreislauf, in dem zwei Membraneinlässe (21, 22) mit unterschiedlichen Permeationseigenschaften mit einer einzigen Messstelle (23) verbunden sind, wobei substanzhaltiges Kreislaufgas aus jeweils einem der beiden Membraneinlässe (21, 22) über ein einzelnes Umschaltventil (80) zurück zu einem Filter (40) geleitet werden kann. Durch das Umschalten zwischen den beiden Membraneinlässen (21, 22) kann automatisch der Messbereich des Ionenmobilitätsspektrometers an die Substanzkonzentration angepasst werden.
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Die und zeigen ein Ionenmobilitätsspektrometer mit einer Messröhre (10) vom Flugzeit-Typ und einem Gaskreislauf, in dem substanzhaltiges Kreislaufgas aus einem Membraneinlass (21) über einen Verzweigungspunkt (92) in den Reaktionsraum (11) der Messröhre (10) befördert wird, wobei dem substanzhaltigen Kreislaufgas am Verzweigungspunkt (92) zusätzlich gereinigtes Kreislaufgas beigemischt werden kann, indem ein Schaltventil in einem Nebenzweig entsprechend geschaltet ist. Durch die Beimischung erhöhen sich die Einströmgeschwindigkeit und damit die Verweilzeit des substanzhaltigen Kreislaufgases im Reaktionsraum (11) der Messröhre (10), was zu einem veränderten Messbereich des Ionenmobilitätsspektrometers fuhrt.
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Die und zeigen ein bekanntes Ionenmobilitätsspektrometer mit einer Messröhre (10) vom Flugzeit-Typ. Dem Reaktionsraum (11) der Messröhre (10) wird substanzhaltiges Kreislaufgas aus der inneren Kammer (21b) eines Membraneinlasses (21) zugeführt wird. Entsprechend der Schaltstellung eines Umschaltventils (100) wird Kreislaufgas an einem von zwei Gasanschlüssen (18a, 18b) aus dem Reaktionsraum (11) abgesaugt. Durch den räumlichen Abstand der Gasanschlüsse (18a, 18b) durchläuft das substanzhaltige Kreislaufgas den Reaktionsraum (11) der Messröhre (10) auf unterschiedlichen Wegen mit unterschiedlichen Verweilzeiten, was zu einem veränderten Messbereich des Ionenmobilitätsspektrometers führt.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele
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Die und zeigen ein erstes bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Ionenmobilitätsspektrometers mit einer Messröhre (10) vom Flugzeit-Typ und einem Gaskreislauf, in dem ein Membraneinlass (21) durch ein Umschaltventil (50) zwischen einem Dosiermodus und einem Isolationsmodus umgeschaltet werden kann.
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Die Messröhre (10) besteht in bekannter Bauart aus einem Reaktionsraum (11) und einem Driftraum (12), die durch ein Schaltgitter (13) getrennt sind. Die primäre Ionisation von Gasmolekülen erfolgt in der Nähe der Ionisierungsquelle (14), die beispielsweise einen radioaktiven Betastrahler wie 63Nickel enthält. Die so erzeugten Primärionen driften in einem elektrischen Feld in Richtung des Schaltgitters (13). Typischerweise werden die zu analysierenden Substanzen, die mit dem Kreislaufgas in den Reaktionsraum (11) gelangen, erst in einer Kette von Reaktionen ionisiert, die von den Primärionen ausgeht. Durch ein kurzzeitiges Öffnen des elektrischen Schaltgitters (13) werden Ionen pulsartig in den Driftraum (12) eingelassen und bewegen sich dort in einem axialen elektrischen Feld zur Empfängerelektrode (15). Durch die substanzspezifischen Ionenmobilitäten und Driftgeschwindigkeiten wird an der Empfängerelektrode (15) ein zeitabhängiger Strom als Ionenmobilitätsspektrum gemessen.
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Das Ionenmobilitätsspektrometer der und weist einen Gaskreislauf auf, in dem das Kreislaufgas mittels einer Gaspumpe (30) im Umlauf durch die Messröhre (10) und einen Filter (40) gefordert wird. Im Filter (40) wird das Kreislaufgas von zu analysierenden Substanzen gereinigt. Die Feuchtigkeit des Kreislaufgases wird durch die Filterung dauerhaft unter 100 ppm (parts per million), vorzugsweise etwa bei 10 ppm gehalten.
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Das im Filter (40) gereinigte Kreislaufgas wird am Verzweigungspunkt (51) aufgeteilt und fließt entweder in den Driftraum (12) oder zum Mittelanschluss des Umschaltventils (50). Je nach Schaltstellung des Umschaltventils (50) wird Kreislaufgas vom Mittelanschluss über ein Strömungselement (56a) oder (56b) zurück zur Gaspumpe (30) geführt. Aus dem Reaktionsraum (11) wird Kreislaufgas über den Gasanschluss (17) abgesaugt und fließt zur Gaspumpe (30). Im Driftraum (12) strömt gereinigtes Kreislaufgas von der Empfängerelektrode (15) zum Schaltgitter (13) und ist damit der Ionendrift zur Empfängerelektrode (15) entgegengerichtet ist. Dadurch wird verhindert, dass substanzhaltiges Kreislaufgas aus dem Reaktionsraum (11) in den Driftraum (12) gelangt und Substanzen erst dort ionisiert werden bzw. Folgereaktionen mit den vorhandenen Ionen eingehen.
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Die Probenzufuhr von Substanzen erfolgt mit Hilfe des Membraneinlasses (21), der aus zwei Kammern (21a, 21b) besteht, die durch eine geheizte permeable Membran (21c) voneinander getrennt sind. Das Probegas wird am Gaseingang (23) mittels einer externen Dosierpumpe (20) angesaugt und strömt an der geheizten Membran (21c) vorbei zum Gasausgang (24). Ein Teil der Substanzen im angesaugten Probegas durchdringt die Membran (21c) und gelangt so in den inneren Gaskreislauf. Die innere (kreislaufseitige) Kammer (21b) ist über den Gasanschluss (18) mit dem Reaktionsraum (11) und mit dem Mittelanschluss des Umschaltventils (50) verbunden.
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Die fünf Strömungselemente (53, 54, 55, 56a und 56b) des Gaskreislaufs sind in Form einer Brückenschaltung angeordnet. Einer der beiden parallelen Zweige der Brückenschaltung besteht aus den Strömungselementen (53) und (55), zwischen denen die Messröhre (10) angeordnet ist. Der zweite parallele Zweig besteht aus dem Strömungselement (54) und, je nach Schaltzustand des Umschaltventils (50), aus dem Strömungselement (56a) oder (56b). Über den Verzweigungspunkt (51) wird der Brückenschaltung gereinigtes Kreislaufgas zugeführt. Der Diagonalzweig der Brückenschaltung verläuft vom Gasanschluss (18) über den Membraneinlass (21) zum Verzweigungspunkt (52). Über die Strömungswiderstände der fünf Strömungselemente (53, 54, 55, 56a und 56b) wird die Flussrichtung des Kreislaufgases im Diagonalzweig und damit in der inneren Kammer (21a) des Membraneinlasses (21) festgelegt.
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In der befindet sich der Membraneinlass (21) im Dosiermodus. Das Umschaltventil (50) ist so geschaltet, dass dessen Mittelanschluss über das Strömungselement (56a) mit der Gaspumpe (30) verbunden ist. Das Verhältnis der Strömungswiderstände der Strömungselemente (56a) und (54) ist größer als das Verhältnis der Strömungswiderstände der Strömungselemente (55) und (53). Hierdurch entsteht am Mittelanschluss des Umschaltventils (50) ein Überdruck gegenüber dem Innenraum der Messröhre (10), so dass Kreislaufgas vom Mittelanschluss des Umschaltventils (50) zur Messröhre (10) fließt und dadurch Substanzen von der inneren Kammer (21c) des Membraneinlasses (21) in den Reaktionsraum (11) mitführt. Das substanzhaltige Kreislaufgas wird in der Nähe des Schaltgitters (13) in den Reaktionsraum (11) eingeführt, fließt zusammen mit dem am Gasanschluss (16) eingeführten gereinigten Kreislaufgas zur Ionisierungsquelle (14) und wird dort abgesaugt. Auf dem Weg durch den Reaktionsraum (11) wird ein Teil der Substanzen ionisiert und trägt zum Messsignal des Ionenmobilitätsspektrometers (1) bei.
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In der ist der Membraneinlass (21) in den Isolationsmodus geschaltet. Der Mittelanschluss des Umschaltventils (50) ist nun über das Strömungselement (56b) mit der Gaspumpe (30) verbunden. Durch das Umschalten zwischen den beiden Strömungselementen (56a) und (56b) ändern sich die Verhältnisse der Strömungswiderstände in der Brückenschaltung. Dadurch entsteht am Mittelanschluss des Umschaltventils (50) ein Unterdruck gegenüber der Messröhre (10). Die Flussrichtung im Brückenzweig kehrt sich um und es fließt Kreislaufgas aus dem Reaktionsraum (11) ab. Das substanzhaltige Kreislaufgas aus dem Membraneinlass (21) fließt über das Umschaltventil (50) und die Gaspumpe (30) direkt zum Filter (40), in dem die Substanzen gebunden werden. Da auch weiterhin gereinigtes Kreislaufgas über den Gasanschluss (16) in die Messröhre (10) eingeführt wird und Kreislaufgas über den Gasanschluss (17) aus der Messröhre abführt wird, gelangen im Isolationsmodus keine Substanzen in die Messröhre (10). Im einfachsten Fall wird der Strömungswiderstand (56b) durch einen direkten Gaskanal zwischen dem betreffenden Ventilanschluss und der Saugseite der Kreislaufpumpe gebildet.
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Die Zeitdauer, die für das Unterbrechen der Zufuhr von substanzhaltigem Kreislaufgas in die Messröhre (10) benötigt wird, hängt nur davon ab, wie schnell die Flussrichtung in dem Brückenzweig mit dem Membraneinlass (21) umgekehrt werden kann. Das Umschalten zwischen den beiden Betriebszuständen ist unabhängig von der Trägheit des Membraneinlasses (21), insbesondere von der Verweilzeit der Substanzen in der semipermeablen Membran (21c).
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Zur Überwachung von Umgebungsluft werden die gemessenen Konzentrationen ausgewählter Substanzen automatisch mit vorgegebenen Grenzwerten verglichen. Bei der Überschreitung des Grenzwertes für eine der Substanzen wird das Ionenmobilitätsspektrometer mittels des Umschaltventils (50) vom Dosiermodus in den Isolationsmodus geschaltet. Zusätzlich kann, wie aus dem Stand der Technik bekannt, der Zufluss von Probegas am Gaseingang (23) unterbrochen und durch ein sauberes Spülgas ersetzt werden. Die Substanzkonzentration in der inneren Kammer (21b) steigt bei schwerflüchtigen und damit langsam durchtretenden Substanzen infolge der Speicherung in der Membran (21c) auch nach der Einspeisung eines sauberen Spülgases in die äußere Kammer (21a) noch eine Zeit lang weiter an. In einem Ionenmobilitätsspektrometer nach dem Stand der Technik kann auch während des Spülens der äußeren Kammer (21a) noch eine große Substanzmenge in die Messröhre (10) gelangen und die Messsignale für längere Zeit sättigen.
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Im Isolationsmodus gelangt kein substanzhaltiges Kreislaufgas in die Messröhre (10). Selbst bei hohen Substanzkonzentrationen gelangen nur die zum Nachweis notwendigen Substanzmengen in die Messröhre (10). Die Wiederherstellung der Betriebsbereitschaft nach einer zu hohen Substanzkonzentration wird nur Von der Freispülzeit des beheizten Membraneinlasses (21) bestimmt. Das Umschaltventil (50) wird im Isolationsmodus von substanzhaltigem Kreislaufgas durchströmt und damit mit großen Substanzmengen beaufschlagt, aber es wird nach dem Rückschalten in den Dosiermodus weiterhin in gleichbleibender Flussrichtung von gereinigtem Kreislaufgas durchströmt. Eine Rückströmung von im Umschaltventil (50) gespeicherten Substanzen ist ausgeschlossen, so dass selbst eine kostengünstige und wenig inerte Bauform verwendet werden kann.
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Die bis zeigen ein zweites bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Ionenmobilitätsspektrometers mit einer Messröhre (10) vom Flugzeit-Typ und einem Gaskreislauf, in dem durch das Schalten eines Schaltventils (60) die Zuflussmenge von substanzhaltigem Kreislaufgas in den Reaktionsraum (11) der Messröhre (10) gesteuert werden kann, um den Messbereich des Ionenmobilitätsspektrometers an eine hohe Substanzkonzentration an einer Messstelle anzupassen. Der Aufbau und die elektrische Funktion der Messröhre (10) entsprechen denen aus dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel.
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Das in einem Filter (40) gereinigte Kreislaufgas wird am Verzweigungspunkt (61) aufgeteilt. Ein Teil des Gases fließt wie im ersten Ausführungsbeispiel über den Gasanschluss (16) in den Driftraum (12) der Messröhre (10), der andere Teil wird durch eine innere Kammer (21b) eines Membraneinlasses (21) über das Strömungselement (64) in den Reaktionsraum (11) der Messröhre (10) geführt. Die Probenzufuhr von Substanzen aus einer Messstelle in den Gaskreislauf ist dabei identisch zum ersten Ausführungsbeispiel. Aus dem Reaktionsraum (11) wird Kreislaufgas über den Gasanschluss (18) abgesaugt und fließt zurück zur Gaspumpe (30). Das Schaltventil (60) ist zusammen mit einem weiteren Strömungselement (65) in einem Nebenzweig zwischen den Verzweigungspunkten (62) und (63) angeordnet, wobei der Verzweigungspunkte (62) in Flussrichtung hinter dem Membraneinlass (21) angeordnet ist und sich der Verzweigungspunkt (63) nahe der Saugseite der Gaspumpe (30) befindet.
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In der ist Schaltventil (60) so geschaltet, dass der Nebenzweig zwischen den Verzweigungspunkten (62) und (63) gesperrt ist. Das substanzhaltige Kreislaufgas aus der Kammer (21b) fließt vollständig in den Reaktionsraum (11). Das Ionenmobilitätsspektrometer befindet sich damit in einem Betriebsmodus mit hoher Messempfindlichkeit. Das substanzhaltige Kreislaufgas gelangt in der Nähe der Ionisierungsquelle (14) in den Reaktionsraum (11), fließt zusammen mit dem am Gasanschluss (16) eingeleiteten gereinigten Kreislaufgas zum mittleren Gasanschluss (18) und wird dort abgesaugt. Auf dem Weg durch den Reaktionsraum (11) wird ein Teil der Substanzen ionisiert und trägt zum Messsignal bei.
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In der ist das Schaltventil (60) in dem Nebenzweig zwischen den Verzweigungspunkten (62) und (63) geöffnet. Pneumatisch bildet sich ein Nebenschluss zum Gasweg vom Verzweigungspunkt (62) über das Strömungselement (64), den Gasanschluss (17), den Reaktionsraum (11) und den Gasanschluss (18). Das vom Membraneinlass (21) kommende substanzhaltige Kreislaufgas wird auf die beiden parallelen Zweige durch die Messröhre (10) bzw. das Schaltventil (50) aufgeteilt. Dabei ist das Verhältnis der Gasströme reziprok zum Verhältnis der Strömungswiderstände in den beiden Zweigen. Wenn beispielsweise der Strömungswiderstand des Nebenzweiges durch das Schaltventil (60) nur 1/9 des Strömungswiderstandes des anderen Zweiges durch den Reaktionsraum (11) ist, gelangt nur 1/10 des substanzhaltigen Kreislaufgases in die Messröhre (10). Die übrigen 9/10 des substanzhaltigen Kreislaufgases strömen direkt über die Gaspumpe (30) zum Filter (40), wo die Substanzen gebunden werden. Bei der angegebenen Dimensionierung verringert sich die Messempfindlichkeit auf 1/10 gegenüber dem Betriebsmodus im anderen Schaltzustand des Schaltventils (60). Das Ionenmobilitätsspektrometer weist somit zwei unterschiedliche Messbereiche auf, die einen größeren Konzentrationsbereich abdecken. Typischerweise wird im unempfindlicheren Messbereich mindestens die Hälfte des substanzhaltigen Kreislaufgases an dem Verzweigungspunkt (62) zu dem Filter (40) abgeleitet.
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Die für das Umschalten zwischen den beiden Messbereichen benötigte Zeit hängt von der Einstellzeit der Gasflüsse im Gaskreislauf nach dem Schalten des Schaltventils (60) und der Zeit zum Durchspülen des probeberührten Gaskanäle zwischen dem Membraneinlass (21) und dem Reaktionsraum (11) ab. Sie ist unabhängig von der Trägheit des Membraneinlasses (21), insbesondere von der Verweilzeit der Substanzen in der semipermeablen Membran (21c). Da die innere und äußere Membranseite in beiden Schaltzuständen des Schaltventils (60) gleichermaßen gespült wird, tritt beim Umschalten keine Störung des Permeationsgleichgewichtes ein.
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Zur Überwachung der Umgebungsluft werden die gemessenen Konzentrationen ausgewählter Substanzen automatisch mit vorgegebenen Grenzwerten verglichen. Bei der Überschreitung des Grenzwertes für eine der Substanzen wird das Ionenmobilitätsspektrometer mittels des Schaltventils (60) vom Betriebsmodus hoher Messempfindlichkeit in den Betriebsmodus verringerter Messempfindlichkeit geschaltet, wodurch eine Übersättigung der Substanzen im Reaktionsraum (11) verhindert oder zumindest deutlich verringert wird. Da das Ionenmobilitätsspektrometer im Vergleich zum vorigen Ausführungsbeispiel bei hohen Substanzkonzentrationen mit verminderter Messempfindlichkeit weiterarbeitet, kann eine Verringerung der überwachten Substanzkonzentration zeitnah erkannt und das Ionenmobilitätsspektrometer automatisch in den Betriebsmodus hoher Empfindlichkeit zurückgeschaltet werden. Damit wird die Zeit zur Wiederherstellung der Betriebsbereitschaft nach einer zu hohen Substanzkonzentration deutlich reduziert. Es treten im Gegensatz zu den Schwallschutzlösungen nach dem bisherigen Stand der Technik und dem ersten Ausführungsbeispiel keine Totzeiten in der Überwachung auf.
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Wird anstelle des Schaltventils (60) und des Strömungselementes (65) ein elektrisch steuerbares variables Drosselventil verwendet, können der Messbereich und die Messempfindlichkeit kontinuierlich angepasst bzw. reduziert werden, wenn ein Messsignal einer Substanze einen vorgegebenen Grenzwert übersteigt. Wird das Aufteilungsverhältnis des substanzhaltigen Kreislaufgases zwischen dem Gasanschluss (17) und dem Nebenzweig gemessen oder aus den Steuersignalen des Analogventils bestimmt, kann das Messsignal mit Hilfe des Aufteilungsverhältnisses korrigiert werden. Auf diese Weise kann eine automatische Anpassung des Messbereiches an die vorhandenen Konzentrationen der überwachten Substanzen realisiert werden, ohne den quantitativen Zusammenhang zwischen Messsignal und Substanzkonzentrationen zu verlieren.
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Die bis zeigen ein drittes bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Ionenmobilitätsspektrometers mit einer Messröhre (10) vom Flugzeit-Typ, zwei Schaltventilen (71, 72) und zwei Membraneinlässen (21, 22), die jeweils mit einer einzelnen Messstelle verbunden sind. Der Aufbau und die elektrische Funktion der Messröhre (10) entsprechen denen aus den vorhergehenden Ausführungsbeispielen.
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Das in einem Filter (40) gereinigte Kreislaufgas wird an zwei Verzweigungspunkten (71a, 72a) aufgeteilt und fließt entweder in den Driftraum (12) oder zu einem der beiden parallel angeordneten Membraneinlässe (21, 22). Die beiden Membraneinlässe (21, 22) bestehen jeweils aus einer äußeren Kammer (22a, 22a) und einer inneren (kreislaufseitigen) Kammer (21b, 22b), die durch eine beheizte semipermeable Membran (21c, 22c) voneinander getrennt sind. Das Probegas der beiden Messstellen wird an den Gaseingängen (23a, 23b) mittels einer externen Dosierpumpe (20) angesaugt und strömt an den beiden geheizten Membranen (21c, 22c) vorbei zum gemeinsamen Gasausgang (24). Auf diese Weise werden die Membranen (21c, 22c) kontinuierlich mit Probegas aus der jeweiligen Messstelle bespült. Die inneren Kammern (21b) und (22b) sind über Verzweigungspunkte (71b) und (72b) mit den beiden Schaltventilen (71, 72) verbunden. Die unterschiedlichen Betriebszustände in den bis ergeben sich aus den Schaltzuständen der beiden Schaltventile (71, 72).
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In der ist das Schaltventil (72) geöffnet und das substanzhaltige Kreislaufgas fließt aus dem Membraneinlass (22) über den Verzweigungspunkt (72b) direkt zur Gaspumpe (30) zurück. Der Membraneinlass (22) ist in den Isolationsmodus geschaltet. Das Schaltventil (71) ist dagegen geschlossen. Das substanzhaltige Kreislaufgas aus dem Membraneinlass (21) wird am Verzweigungspunkt (73) aufgeteilt, wobei ein kleiner Teil über den Verzweigungspunkt (72b) zur Gaspumpe (30) und der überwiegende Teil in den Reaktionsraum (11) fließt. Der Membraneinlass (21) ist in den Dosiermodus geschaltet. Über einen dritten Gasanschluss (18) wird Kreislaufgas aus dem Reaktionsraum (11) abgesaugt und fließt zurück zur Gaspumpe (30).
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In der sind beide Schaltventile (71, 72) umgeschaltet, sodass sich nun der Membraneinlass (21) im Isolationsmodus und der Membraneinlass (22) im Dosiermodus befinden. Das substanzhaltige Kreislaufgas aus dem Membraneinlass (22) fließt über den Verzweigungspunkt (73) zum Gaseinlass (17) des Reaktionsraums (11).
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Mit Hilfe der beiden Schaltventile (71, 72) kann zwischen den Membraneinlässen (21, 22) und damit zwischen den Gaseingängen (23a, 23b) der angeschlossenen Messstellen umgeschaltet werden. Hierbei ist immer ein Membraneinlass aktiv und trägt zum Messsignal bei, der andere Membraneinlass ist inaktiv und gastechnisch von der Messröhre (10) isoliert. Die kreislaufseitigen Oberflächen der beiden Membraneinlässe (21, 22) werden in beiden Schaltzuständen von gereinigtem Kreislaufgas gespült, so dass eine Sättigung der Membranen (21c, 22c) und des Kreislaufgases in den inneren Kammern (21b, 22b) auch im inaktiven Zustand verhindert wird. Bei den bisher bekannten Ionenmobilitätsspektrometern mit mehreren Messstellen werden die Gaseingänge nacheinander mit der äußeren Kammer eines einzelnen Membraneinlasses verbunden.
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Um hierbei reproduzierbare Ergebnisse zu erhalten muss in jeder Schaltstellung sowohl die Zeit bis zum vollständigen Abklingen des Messsignals der vorherigen Messstelle als auch die Permeationsszeit der Membran für die Substanzen der nachfolgenden Messstelle abgewartet werden. Hierdurch ergeben sich relativ lange Zykluszeiten, die die Anwendbarkeit stark einschränken. In den und sind die Membraneinlässe (21, 22) mit jeweils einem Gaseingang (21d, 22d) verbunden. Der Durchtritt von Substanzen durch die Membranen (21c, 22c) erfolgt kontinuierlich und wird auch in der jeweils inaktiven Schaltstellung nicht unterbrochen. Das Umschalten zwischen den beiden Membraneinlässen (21, 22) erfolgt zeitlich unabhängig von den Speicher- und Durchtrittszeiten der Membranen (21c, 22c). Die Schaltzeit wird nur durch die Einstellzeiten der Gasströme und gegebenenfalls durch Adsorptionseffekte an den Oberflächen der substanzberührten Zweige des Gaskreislaufs begrenzt. Durch das erfindungsgemäße Umschalten zwischen den beiden Membraneinlässen (21, 22) kann der Konzentrationsverlauf an zwei verschiedenen Messstellen nahezu synchron abgetastet werden.
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Die zeigt einen zusätzlichen Betriebszustand des Ionenmobilitätsspektrometers. Es sind beide Schaltventile (71, 72) geöffnet, so dass beide Verzweigungspunkt (71b) und (72b) mit der Saugseite der Gaspumpe (30) verbunden sind. Beide Membraneinlässe (21, 22) sind in den Isolationsmodus geschaltet. Dadurch kehrt sich insbesondere die Flussrichtung im Zweig zwischen dem Gasanschluss (17) und dem Verzweigungspunkt (73) um und es wird Kreislaufgas aus den Gasanschlüssen (17) und (18) abgesaugt. Das Ionenmobilitätsspektrometer (3) kann vollständig in den Isolationsmodus geschaltet werden, wenn an beiden Messstellen zu hohe Substanzkonzentrationen vorliegen.
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Die und zeigen ein viertes bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Ionenmobilitätsspektrometers mit einer Messröhre (10) vom Flugzeit-Typ, einem einzelnen Umschaltventil (80) und zwei Membraneinlässen (21, 22), die aber im Gegensatz zum vorigen Ausführungsbeispiel über den Gaseingang (23) mit einer einzelnen Messstelle verbunden sind. Die beiden Membraneinlässe (21) und (22) weisen unterschiedliche Durchdringungsraten raten auf, so dass die Substanzkonzentration in den kreislaufseitigen Kammern (21b, 22b) der Membraneinlässe (21, 22) verschieden ist und damit eine Anpassung des Messbereiches möglich ist. Die beiden Membranen (21c, 22c) können dazu eine unterschiedliche Fläche oder Dicke aufweisen oder aus unterschiedlichen Materialien bestehen. Der Aufbau und die elektrische Funktion der Messröhre (10) entsprechen denen aus den vorhergehenden Ausführungsbeispielen.
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In der ist das Umschaltventil (80) so geschaltet, dass nur substanzhaltiges Kreislaufgas aus dem Membraneinlass (22) über einen Verzweigungspunkt (82b) zum Gasanschluss (18) des Reaktionsraums (11) geführt wird. Am Gasanschluss (17) wird Kreislaufgas aus dem Reaktionsraum (11) abgesaugt und fließt zusammen mit dem substanzhaltigen Kreislaufgas aus dem Membraneinlass (21) zurück zur Gaspumpe (30). Die beiden Membraneinlässe (21) und (22) befinden sich im Isolationsmodus bzw. im Dosiermodus.
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In der befindet sich das in einem zweiten Schaltzustand. Es wird nun Kreislaufgas über den Gasanschluss (18) aus dem Reaktionsraum (11) abgesaugt und zusammen mit substanzhaltigem Kreislaufgas aus dem Membraneinlass (22) zurück zur Gaspumpe (30) geführt. Andererseits gelangt substanzhaltiges Kreislaufgas aus dem Membraneinlass (21) über den Gasanschluss (17) in den Reaktionsraum (11). Die Membraneinlässe (21) und (22) sind in den Dosiermodus bzw. in den Isolationsmodus geschaltet.
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Die und zeigen ein fünftes bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Ionenmobilitätsspektrometers mit einer Messröhre (10) vom Flugzeit-Typ. Über die beiden Gasanschlüsse (17) und (18) werden substanzhaltiges Kreislaufgas in den Reaktionsraum (11) zugeführt bzw. Kreislaufgas aus dem Reaktionsraum (11) abgesaugt. Die beiden Gasanschlüssen (17) und (18) sind konzentrisch angeordnet. Der innen liegende Gasanschluss (17) ist dabei als Einströmdüse mit relativ geringem Strömungsquerschnitt ausgebildet und erstreckt sich in den Reaktionsraum (11) hinein. Durch das in einem Nebenzweig angeordnete Analogventils (90) kann dem substanzhaltigen Kreislaufgas gereinigtes Kreislaufgas von der Druckseite der Gaspumpe (30) beigemischt werden, bevor es über den Gasanschluss (17) in den Reaktionsraum (11) eingeführt wird, so dass sich die Einströmgeschwindigkeit in den Reaktionsraum (11) ändert. Je größer der Anteil des beigemischten Kreislaufgases aus dem Nebenzweig ist, desto größer sind die Einströmgeschwindigkeit und damit die Eindringtiefe der Substanzen in den Reaktionsraum (11). Trotz des entgegenströmenden Driftgases aus dem Driftraum (12) verbleiben die Substanzen hinreichend lange im Reaktionsraum (11), um in Wechselwirkung mit den im Reaktionsraum (11) erzeugten Primärionen selber ionisiert zu werden. Über die Verweilzeit wird der Messbereich an die jeweilige Substanzkonzentration angepasst. Der Aufbau und die elektrische Funktion der Messröhre (10) und der Membraneinlass (21) entsprechen denen aus den vorhergehenden Ausführungsbeispielen.
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In der ist das Drosselventil (90) maximal geöffnet und dem substanzhaltigen Kreislaufgas wird über den Nebenzweig zwischen den Verzweigungspunkten (92) und (93) zusätzlich gereinigtes Kreislaufgas beigemischt. Die Einströmgeschwindigkeit in den Reaktionsraum (11) ist größer als die Strömungsgeschwindigkeit des aus dem Driftraum (12) entgegenströmenden Driftgases. Das Ionenmobilitätsspektrometer befindet sich im Betriebsmodus mit der größten Messempfindlichkeit.
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In der ist das Drosselventil (90) geschlossen, so dass dem substanzhaltigen Kreislaufgas über den Nebenzweig kein gereinigtes Kreislaufgas beigemischt wird und nur das von dem Membraneinlass kommende substanzhaltige Kreislaufgas in den Reaktionsraum (11) einströmt. Aufgrund der geringeren Zuflussmenge verringert sich auch die Einströmgeschwindigkeit am Gasanschluss (17). Das einströmende substanzhaltige Kreislaufgas wird bereits in kurzem Abstand hinter dem Gaseinlass (17) abgebremst und vom entgegenströmenden Driftgasfluss zum Gasanschluss (18) mitgeführt. Die Substanzen gelangen nicht in den Bereich des Rektionsraumes (11) mit einer hohen Dichte an Primärionen, so dass relativ zur zugeführten Substanzmenge weniger Substanzionen erzeugt werden. Das Ionenmobilitätsspektrometer befindet sich im Betriebsmodus mit der kleinsten Messempfindlichkeit.
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Die und zeigen ein aus dem Stand der technik bekanntes Ionenmobilitätsspektrometer mit einer Messröhre (10) vom Flugzeit-Typ und einem Gaskreislauf, in dem der Messröhre (10) substanzhaltiges Kreislaufgas aus einem Membraneinlass (21) zugeführt wird und Kreislaufgas aus der Messröhre (10) entsprechend der Schaltstellung eines Umschaltventils (100) an einem von zwei Gasanschlüssen (18a, 18b) abgesaugt wird. Dabei sind die beiden Gasanschlüsse (18a, 18b) in der Nähe des Schaltgitters (13) bzw. der Ionisierungsquelle (14) angeordnet, weisen also für zwei Gasanschlüsse am Reaktionsraum (11) einen großen räumlichen Abstand auf. Durch die räumliche Anordnung der beiden Gasanschlüsse (18a, 18b) durchläuft das zugeführte substanzhaltige Kreislaufgas im Reaktionsraum (11) der Messröhre (10) unterschiedliche Wege mit unterschiedlichen Verweilzeiten, was zu einem veränderten Messbereichen führt. Der Aufbau und die elektrische Funktion der Messröhre (10) und der Membraneinlass (21) entsprechen denen aus den vorhergehenden Ausführungsbeispielen.
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Das in einem Filter (40) gereinigte Kreislaufgas wird am Verzweigungspunkt (101) aufgeteilt. Ein Teil des Gases wird am Gasanschluss (16) in den Driftraum (12) der Messröhre (10) geführt, der andere Teil strömt über die innere Kammer (21b) des Membraneinlasses (21) am Gasanschluss (17) in den Reaktionsraum (11). Der Membraneinlass (21) entspricht dem der ersten beiden Ausführungsbeispielen. Der Mittelanschluss des Umschaltventils (100) ist mit der Saugseite der Gaspumpe (30) verbunden, während die beiden Endanschlüssen mit den Gasanschlüssen (18a, 18b) des Reaktionsraums (11) verbunden sind. Dabei sind die beiden Gasanschlüsse (18a, 18b) in der Nähe des Schaltgitters (13) bzw. der Ionisierungsquelle (14) angeordnet, weisen also für zwei Gasanschlüsse am Reaktionsraum (11) einen großen räumlichen Abstand auf. Auch das Ionenmobilitätsspektrometer der und kann bei der Überschreitung eines Grenzwertes mittels des Umschaltventils (100) automatisch in einen Betriebsmodus verringerter Empfindlichkeit umgeschaltet werden. Anstelle der beiden Gasauslässe (18a, 18b) kann die Messröhre des Ionenmobilitätsspektrometers auch mehr als zwei Gasauslässe oder mehr als einen Gaseinlass aufweisen.
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Die erfindungsgemäßen Ionenmobilitätsspektrometer sind nicht auf den Flugzeit-Typ beschränkt, sondern können vorteilhafter Weise bei allen Ionenmobilitätsspektrometern mit einem geschlossenen inneren Gaskreislauf verwendet werden.
