DE10205156C2 - Gerät und Verfahren zum Bestimmen des Wassergehalts von Feststoffen - Google Patents
Gerät und Verfahren zum Bestimmen des Wassergehalts von FeststoffenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Gerät zum Bestimmen des Wassergehalts von Fest
stoffen, mit einem Behälter, einer Heizung und einem Gassensor, wobei in
den Behälter eine Feststoffprobe und ein mit Wasserdampf unter Bildung ei
nes Gases reagierendes Reagenz einbringbar sind und die Feststoffprobe mit
tels der Heizung erhitzbar ist. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum
Bestimmen des Wassergehalts von Feststoffen, wobei eine Feststoffprobe er
hitzt wird, der dadurch aus der Feststoffprobe austretende Wasserdampf unter
Bildung eines Meßgases mit einem Reagenz reagiert und die Bildung des
Meßgases erfaßt wird, um dadurch auf den Wassergehalt des Feststoffes zu
rückzuschließen.
Geräte bzw. Verfahren, wie zuvor beschrieben, sind aus dem Stand der Tech
nik gut bekannt. Dazu wird verwiesen auf die FR 845 420, die DE 40 11 571 C2
sowie auf die DE 44 06 658 C2. Mit den dort beschriebenen Geräten und
Verfahren läßt sich der Wassergehalt von Feststoffen bestimmen, wobei unter
Feststoffen vorliegend alle in flächenhafter, granulatartiger oder pastöser
Form vorliegende Stoffe verstanden werden sollen. Mit diesen Geräten bzw.
bei diesen Verfahren wird eine Feststoffprobe bekannten Gewichts in einem
geschlossenen, zumeist rohrförmigen Behälter erhitzt. Durch das Erhitzen tritt
aus der Feststoffprobe das darin enthaltene Wasser in Form von Wasserdampf
aus und reagiert mit einem in dem Behälter vorgesehenen Reagenz unter Frei
setzung einer der aus der Feststoffprobe austretenden Wassermenge propor
tionalen Menge eines anderen Gases, vorliegend stets Meßgas genannt. Durch
die Reaktion des aus der Feststoffprobe austretenden Wasserdampfes mit dem
Reagenz zu dem Meßgas wird der Feststoffprobe und dem die Feststoffprobe
in dem Behälter umgebenden Gas das enthaltene Wasser annähernd vollstän
dig entzogen. Ist die Masse der Feststoffprobe bekannt, so ist die Druckerhö
hung in dem Behälter durch das Meßgas ein Maß für den ursprünglichen rela
tiven Wassergehalt der Feststoffprobe.
In älteren Systemen ist es üblich gewesen, als Reagenz Calciumcarbid zu
verwenden, das mit Wasser nach folgender Formel Azethylen bildet:
Ca2C + 2H2O → C2H2 + Ca(OH)2.
Nachteilig bei diesem Verfahren ist die leichte Löslichkeit des Azethylens in
einigen Feststoffen, insbesondere in Polymeren. Ein weiterer Nachteil dieses
Verfahrens liegt in der Druckerhöhung durch das in dem Behälter einge
schlossene Gas, typischerweise Luft, während der Beheizung des Behälters.
Die Druckerhöhung aufgrund der Beheizung des Behälters überlagert nämlich
die Druckerhöhung, die von dem gebildeten Meßgas herrührt. Somit muß die
Temperatur im gesamten Behälter genau erfaßt werden, da ansonsten insbe
sondere bei geringen Feuchten große Meßfehler verursacht werden.
Bei jüngeren Geräten (siehe DE 40 11 571 C2 und DE 44 06 658 C2) wird der
Einfluß der Druckerhöhung durch die eingeschlossene Luft dadurch verrin
gert, daß der Behälter vor Beginn der Messung bis auf einen geringen Druck
von wenigen mbar evakuiert wird. Die nach dem Evakuieren im Behälter ver
bliebene Luft hat aufgrund ihres geringen Partialdrucks somit einen sehr viel
geringeren Einfluß auf die Druckerhöhung durch das Beheizen. Nachteilig ist
dabei jedoch, daß beim Evakuieren des Behälters die druckabhängige Siede
temperatur des Wassers unterschritten werden kann, so daß zumindest ein Teil
des zu bestimmenden Wasseranteils der Feststoffprobe entfernt wird, bevor
die Messung durch die Erfassung der Druckerhöhung beginnt. Insbesondere
kommt es durch das Evakuieren zum Entfernen eines wesentlichen Teils der
Oberflächenfeuchte auf der Feststoffprobe. Das zuvor beschriebene Verfahren
ist daher besonders fehlerhaft bei Materialien mit großer Oberfläche, also
Materialien, die z. B. in Pulverform oder als dünne Folien vorliegen. Nachtei
lig ist darüber hinaus der verhältnismäßig aufwendige apparative Aufbau auf
grund der anzuschließenden Vakuumpumpe und der Verwendung von zusätz
lichen Ventilen. Schließlich können Dichtigkeitsprobleme auftreten, insbe
sondere wenn die Dichtflächen mit pulverförmigen Materialien in Kontakt
kommen. Solche Undichtigkeiten führen zum Eintritt von Umgebungsluft in
den Behälter, die dann zu einer Druckerhöhung führt, die in der Regel fälsch
licherweise als Anstieg der Wasserstoffmenge interpretiert wird, da als einzi
ges Maß für die Wasserstoffmenge der Druck Verwendung findet.
Im Gegensatz zu dem weiter oben angesprochenen älteren Verfahren wird bei
dem zuvor beschriebenen Verfahren typischerweise Calciumhydrid als Rea
genz eingesetzt. Calciumhydrid reagiert nach der nachfolgenden Formel mit
Wasser zu Wasserstoff:
CaH2 + 2H2O → Ca(OH)2 + 2H2.
CaH2 + 2H2O → Ca(OH)2 + 2H2.
Das Calciumhydrid wird typischerweise in ein Sieb gefüllt, das in den Behäl
ter eingehängt wird, so daß das Calciumhydrid über der Feststoffprobe ange
ordnet wird. Dabei muß das Calciumhydrid jedoch von der geheizten Fest
stoffprobe in einem hinreichenden Abstand angeordnet sein, da sich Calcium
hydrid bei Temperaturen oberhalb von 90°C unter Freisetzung von Wasser
stoff zersetzt. Der bei der Reaktion von Wasserdampf mit Calciumhydrid ne
ben Wasserstoff entstehende gelöschte Kalk (Ca(OH)2) ist sehr feinkörnig, so
daß vom gelöschten Kalk herrührende Verunreinigungen leicht mit Dichtflä
chen in Kontakt kommen können, was zu Undichtigkeiten und damit zu den
zuvor angesprochenen Meßfehlern führen kann. Darüber hinaus kann im all
gemeinen nicht gewährleistet werden, daß die Temperaturen, denen das Calci
umhydrid ausgesetzt ist, 90°C nicht überschreiten, so daß eine rechnerische
Kompensation des durch die Zersetzung entstehenden zusätzlichen Druckes
vorgenommen werden muß. Ein weiterer Nachteil liegt schließlich in der
Notwendigkeit, daß das Calciumhydrid eine Mindestkorngröße aufweisen
muß, da es ansonsten durch das Sieb in den Behälter fallen würde. Da Calci
umhydrid relativ spröde ist, kann durch eine Bewegung des Reagenzes diese
Körngröße unterschritten werden. Außerdem kann es auch zu einer Unter
schreitung der kritischen Körngröße kommen, wenn sich das Reagenz durch
die Reaktion mit Wasser zersetzt, so daß schon alleine hierdurch ein Teil des
Calciumhydrids durch die Maschen des Siebs in den Behälter und unter Um
ständen in den beheizten Bereich fällt.
Die zuvor beschriebenen, aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren
sind somit hochempfindlich gegen Gasausscheidungen aus der Feststoffprobe,
wenn diese Gasausscheidungen nicht in dem unbeheizten Bereich des Behäl
ters kondensieren. Dies führt unter anderem dazu, daß keine Stoffe mit Luft
einschlüssen, wie Polymerschäume, gemessen werden können.
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein solches Gerät bzw. ein solches
Verfahren zum Bestimmen des Wassergehalts von Feststoffen anzugeben, das
bei einfachem Aufbau bzw. einfacher Durchführbarkeit eine geringe Fehleran
fälligkeit, insbesondere hervorgerufen durch Fremdgasanteile, aufweist.
Das erfindungsgemäße Gerät zum Bestimmten des Wassergehalts von Fest
stoffen, mit dem die zuvor hergeleitete und aufgezeigte Aufgabe gelöst ist, ist
ausgehend von dem eingangs beschriebenen Gerät dadurch gekennzeichnet,
daß der Gassensor in dem Behälter angeordnet ist und als Gassensor ein Sen
sor für die Konzentration des Meßgases vorgesehen ist, das bei der Reaktion
des Reagenzes mit Wasserdampf entsteht.
Dies ist insofern vorteilhaft, als daß die Messung der Konzentration des Meß
gases wesentlich spezifischer ist, als die Messung des Druckanstiegs, der auch
auf andere Gase und Effekte als auf ein Ansteigen der Menge des Meßgases
zurückführbar ist. Die Messung ist damit im wesentlichen auch nicht druck
abhängig, so daß gewisse Temperaturschwankungen, kleinere Undichtigkeiten
im Behälter und Gaseinschlüsse in dem Versuchsmaterial die Messung kaum
bzw. zumindest weit weniger beeinflussen, als bei Geräten, die auf einer
Druckmessung basieren. Da der Behälter außerdem nicht evakuiert werden
muß, können auch Oberflächenfeuchten vollständig erfaßt werden.
Als Sensor für die Konzentrationen des Meßgases soll jeweils ein solcher
Gassensor eingesetzt werden, der für das jeweilige Meßgas besonders geeig
net ist. Bei der Verwendung eines mit Wasserdampf zu Wasserstoff reagie
renden Reagenzes ist gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung
vorgesehen, daß als Gassensor ein Sensor für die Konzentration von gasför
migem Wasserstoff vorgesehen ist, wobei sich als ein solcher Sensor für die
Konzentration von gasförmigem Wasserstoff ein Wärmeleitfähigkeitssensor
für Gase als besonders geeignet herausgestellt hat. Dies rührt daher, daß Was
serstoff im Verhältnis zu Luft eine deutlich höhere Wärmeleitfähigkeit auf
weist. Über die Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit kann also die Konzentration
von gebildetem Wasserstoff verläßlich und auf einfache Weise nachvollzogen
werden. Der Wärmeleitfähigkeitssensor liefert dann eine Spannung als Funk
tion der Wasserstoffkonzentration. Diese Spannung wird vorzugsweise einer
Auswerteeinheit zugeführt, von der in Abhängigkeit von der Masse der Fest
stoffprobe und der Luftmenge in dem Behälter nach vollständiger Reaktion
des austretenden Wassers mit dem Reagenz der ursprüngliche Wassergehalt
der Feststoffprobe ermittelt und ausgegeben wird.
Weitere bevorzugt eingesetzte Sensoren zur Bestimmung der Wasserstoffkon
zentration arbeiten nach dem Wärmetönungs-Verfahren, dem elektrochemi
schen Verfahren oder dem Chemosorptions-Verfahren. Diese Verfahren haben
zum Teil zwar einen wesentlich kleineren Meßbereich, aber auch eine höhere
Auflösung der Wasserstoff-Konzentration im Meßgas und sind deshalb geeig
net, extrem niedrige Wassergehalte in Feststoffen zu bestimmen.
Die Konzentration des Wasserstoffs im Gasgemisch in dem Behälter ist neben
der durch die Feststoffprobe eingebrachten Wassermenge auch von der Luft
menge im Behälter abhängig. Die Luftmenge ihrerseits ist wiederum abhängig
von dem verfügbaren Volumen in dem Behälter, also dem Hohlraum des Be
hälters abzüglich dem Volumen der Feststoffprobe und dem Volumen des
Reagenzes, sowie von der Temperatur der Luft in dem Hohlraum zum Zeit
punkt des Verschließens des Behälters. Bei einem relativ geringen Verhältnis
des Volumens des Hohlraums zu dem Volumen der Feststoffprobe ist es vor
teilhaft, nicht nur die Masse der Feststoffprobe zu berücksichtigen, sondern
auch mit Hilfe der Materialdichte das Volumen der Feststoffprobe zu bestim
men, um somit die eingebrachte Luftmenge genau zu erfassen.
Weiterhin ist es vorteilhaft, die Temperatur der Luft zu bestimmen. Um Kon
densation von Wasserdampf aus der Luft auf der Oberfläche des Behälters
während des Austausches der Feststoffprobe oder des Reagenzes zu vermei
den, soll die Temperatur des Behälters wenigstens geringfügig über der Tem
peratur der Umgebung liegen, was durch die Heizung im allgemeinen jedoch
immer gewährleistet ist. Um besonders genaue Meßergebnisse zu erreichen,
können der Wassergehalt und/oder der Druck der Umgebungsluft zu Beginn
der Messung über entsprechende Sensoren erfaßt und im Meßergebnis be
rücksichtigt werden.
Für die Funktion des erfindungsgemäßen Geräts zur Bestimmung des Wasser
gehalts von Feststoffen sind die Form und der Aufbau des Behälters grund
sätzlich nicht wesentlich. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfin
dung ist jedoch vorgesehen, daß der Behälter ein Oberteil und ein Unterteil
umfaßt und das Oberteil einen Reagenzraum zur Aufnahme des Reagenzes
und das Unterteil einen Proberaum zur Aufnahme der Feststoffprobe aufweist.
Eine solche Konstruktion ist in vielerlei Hinsicht vorteilhaft, wie weiter unten
noch im Detail ausgeführt.
Als Heizung können grundsätzlich verschiedene Einrichtungen vorgesehen
sein, solange gewährleistet ist, daß mit der vorgesehenen Heizung die Fest
stoffprobe erhitzt werden kann. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der
Erfindung ist jedoch als Heizung eine unter dem Unterteil des Behälters ange
ordnete Heizplatte vorgesehen. Vorzugsweise steht die Heizplatte dabei in di
rektem Kontakt mit dem Unterteil des Behälters. Besonders bevorzugt ist au
ßerdem, daß sich die Heizplatte über den gesamten Querschnitt des Unterteils
erstreckt. Auf diese Weise ist das gesamte Unterteil des Behälters effektiv be
heizbar, so daß eine optimale Erhitzung von einer z. B. als Granulat vorlie
genden Feststoffprobe gewährleistet ist, die über den gesamten Querschnitt
des Unterteils verteilt ist.
Grundsätzlich kann lediglich eine Steuerung der Heizleistung der Heizplatte
vorgesehen sein. Gemäß eine bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist je
doch vorgesehen, daß in oder an der Heizplatte ein Temperaturfühler ange
ordnet ist, der mit einem Temperaturregler zur Regelung der Temperatur der
Heizplatte verbunden ist. Auf diese Weise kann eine gleichbleibende vorbe
stimmte Temperatur der Heizplatte gewährleistet werden.
Bei der Ausgestaltung des Behälters mit einem Oberteil, umfassend einen
Reagenzraum, und einem Unterteil, umfassend einen Probenraum, ist es ge
mäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, daß das
Oberteil von dem Unterteil lösbar ist. Auf diese Weise kann ein Zugang zu
dem Probenraum dadurch geschaffen werden, daß das Oberteil von dem Un
terteil abgenommen wird. Damit ist ein einfaches Einfüllen bzw. Entfernen
der Feststoffprobe möglich. Ein Vorteil dieser Anordnung ist auch eine
schnelle Verflüchtigung des Meßgases aus vorangegangenen Versuchen. Ist
das Oberteil des Behälters von dem Unterteil des Behälters lösbar, so ist vor
zugsweise der Übergang zwischen dem Oberteil und dem Unterteil abgedich
tet. Vorzugsweise dient zur Abdichtung ein O-Ring, wobei sich als Material
für diesen O-Ring insbesondere Viton® bewährt hat.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung kann ferner vorgese
hen sein, daß das Oberteil des Behälters auf seiner Oberseite einen abnehmba
ren Deckel aufweist. Auf diese Weise ist ein einfaches Einfüllen des Reagen
zes bzw. ein einfaches Entfernen der durch die Reaktion mit Wasserdampf
entstandenen Reaktionsprodukte möglich. Auch hier ist vorzugsweise vorge
sehen, daß der Übergang zwischen dem abnehmbaren Deckel und dem Ober
teil des Behälters abgedichtet ist, vorzugsweise ebenfalls mittels eines O-
Rings aus Viton®.
Grundsätzlich wird eine effektive und schnelle Reaktion des Reagenzes mit
dem Wasserdampf angestrebt. Dieser Effekt wird gemäß einer bevorzugten
Ausführungsform der Erfindung unter anderem dadurch verbessert, daß die
Reagenzschale vorzugsweise kreisrund ausgebildet ist und das Verhältnis des
Durchmessers des Bodens der Reagenzschale zu deren vom Boden aus ge
messener Höhe wenigstens mehr als 3, vorzugsweise mehr als 5 beträgt. Das
Reagenz kann dann großflächig in der Reagenzschale verteilt werden, so daß
es eine große Reaktionsfläche für den Wasserdampf bietet. Dabei ist zu be
achten, daß das Reagenzvolumen durch die Reaktion zu Metallhydroxid zu
nimmt und gegebenenfalls den freien Querschnitt verringert, wodurch eine
nicht gewünschte Behinderung der Konvektion erfolgen kann.
Das Unterteil des Behälters mit seinem Probenraum kann eine separate Schale
zur Aufnahme der Feststoffprobe aufweisen. Gemäß einer bevorzugten Wei
terbildung der Erfindung ist jedoch vorgesehen, daß das Unterteil des Behäl
ters selbst als Festprobenschale zur Aufnahme der Feststoffprobe ausgebildet
ist. Auf diese Weise wird nämlich eine sehr effiziente Erhitzung der Feststoff
probe gewährleistet. Dabei ist es besonders bevorzugt, daß die Feststoffpro
benschale kreisrund ausgebildet ist und das Verhältnis des Durchmessers des
Bodens der Feststoffprobenschale zu deren vom Boden aus gemessener Höhe
wenigstens mehr als drei, vorzugsweise mehr als fünf beträgt.
Grundsätzlich ist es lediglich erforderlich, daß das Oberteil des Behälters mit
dem Unterteil des Behälters derart verbunden ist, daß ein Austausch von Gas
und Wasserdampf erfolgen kann. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der
Erfindung sind jedoch zwei Rohrstücke vorgesehen, die das Oberteil mit dem
Unterteil, vorzugsweise ausschließlich, verbinden. Dabei ist es weiterhin be
sonders bevorzugt, daß die Rohrstücke einstückig mit dem Oberteil ausgebil
det sind.
Wird gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ferner eine Rohr
stück derart ausgebildet, daß es in einen zentralen Bereich des Unterteils
mündet, und das andere Rohrstück derart ausgebildet, daß es in einen äußeren
Bereich des Unterteils mündet, wobei die beiden Rohrstücke vorzugsweise
außerdem einander gegenüberliegend jeweils in einen äußeren Bereich des
Oberteils münden, so ist dies insofern besonders vorteilhaft, als daß damit ein
besonderer Konvektionsmodus erzielt wird: In der Feststoffprobenschale er
gibt sich nämlich eine radiale Temperaturverteilung des Gases über den Quer
schnitt der Feststoffprobenschale, wobei die Temperatur zum Mittelpunkt der
Feststoffprobenschale hin ansteigt. Somit steigt im wesentlichen Gas bzw.
Wasserdampf über dasjenige Rohrstück von dem Probenraum in den Rea
genzraum, das zentral in den Probenraum mündet. Ist nun gemäß einer bevor
zugten Weiterbildung der Erfindung eine Kühlung für das Oberteil und damit
für den Reagenzraum, vorgesehen, so wird das in den zentral in den Proben
raum mündende Rohrstück aufsteigende Gas gekühlt und sinkt über das ande
re Rohrstück zurück in den beheizten Bereich. Dabei streicht das Wasser
dampf mitführende Gas im Reagenzraum einmal annähernd vollständig über
die Reagenzschale, die sich durch die zuvor beschriebene Anordnung der
Rohrstücke zwischen diesen befindet. Die Kühlung des Oberteils erfolgt vor
zugsweise durch einen Lüfter, jedoch ist auch ein sekundärer Kühlkreislauf
mit einem flüssigen Kühlmedium oder eine Kühlung mittels elektrischer Pel
tierelemente möglich.
Wird, wie zuvor angesprochen, eine Kühlung des Oberteils, z. B. mittels eines
Lüfters, verwendet, so ist gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfin
dung ferner eine thermische Trennung des Reagenzraums vom Proberaum
vorgesehen. Dies wird vorzugsweise dadurch realisiert, daß zwischen dem
Reagenzraum und dem Probenraum eine Isolierplatte zur thermischen Isolie
rung angeordnet ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren, mit dem die weiter oben hergeleitete und
aufgezeigte Aufgabe gelöst ist, ist ausgehend, von dem eingangs beschriebe
nen Verfahren dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentration des Meßgases
erfaßt wird.
Damit sind die weiter oben schon in Zusammenhang mit dem erfindungsge
mäßen Meßgerät erläuterten Vorteile verbunden. Insbesondere ist gemäß einer
bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens also auch vor
gesehen, daß ein mit Wasserdampf unter Bildung von gasförmigem Wasser
stoff reagierendes Reagenz verwendet und die Konzentration des Wasserstoffs
erfaßt wird. Die Erfassung der Konzentration des Wasserstoffs erfolgt dabei
vorzugsweise mittels einer Wärmeleitfähigkeitsmessung. Wie ebenfalls schon
erläutert, ist ein Evakuieren bei diesem Verfahren nicht erforderlich, so daß
das Verfahren vorzugsweise unter Umgebungsdruck, also unter atmosphäri
schen Bedingungen, begonnen wird.
Im einzelnen gibt es nun eine Vielzahl von Möglichkeiten, daß erfindungsge
mäße Gerät bzw. das erfindungsgemäße Verfahren auszugestalten und weiter
zubilden. Dazu wird auf die den unabhängigen Patentansprüchen nachgeord
nete Patentansprüche sowie auf die nachfolgende detaillierte Beschreibung ei
nes bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung unter Bezugnahme auf
die Zeichnung verwiesen. In der Zeichnung zeigt die einzige Figur schema
tisch im Schnitt ein Gerät zum Bestimmen des Wassergehalts von Feststoffen
gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Das aus der Figur ersichtliche Gerät zum Bestimmen des Wassergehalts von
Feststoffen gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung
weist einen Behälter 1 auf, der ein Oberteil 2 und eine Unterteil 3 umfaßt.
Unter dem Unterteil 3 ist eine Heizung 4 in Form einer Heizplatte vorgesehen,
die sich über den gesamten Querschnitt des Unterteils 3 erstreckt. Das Unter
teil 3 ist als kreisrunde Feststoffprobenschale ausgebildet, umfaßt also einen
Probenraum 6, in den die vorliegend als Granulat vorgesehene Feststoffprobe
5 eingebracht ist. Der Durchmesser der Feststoffprobenschale ist dabei we
sentlich größer als ihre Höhe. Durch die große Bodenfläche des Unterteils 3,
die auf ihrer Unterseite vollständig mit der als Heizplatte ausgebildeten Hei
zung 4 in Kontakt steht, ist ein effizientes Erhitzen der in dem Unterteil 3 vorgesehenen
Feststoffprobe 5 gewährleistet. Das Oberteil 2 ist von dem Unter
teil 3 abnehmbar, im Betrieb jedoch mit diesem fest verbunden, wobei der
Übergang zwischen dem Oberteil 2 und dem Unterteil 3 mittels eines O-Rings
7 abgedichtet ist.
Das Oberteil 2 umfaßt einen unteren Bereich, der auf dem Unterteil 3 aufliegt
und mit diesem mittels des O-Rings 7 abgedichtet ist, sowie zwei Rohrstücke
8, 9, die eine Verbindung des Probenraums 6 mit einem im oberen Bereich
des Oberteils 2 vorgesehenen Reagenzraums 10 herstellen. Der Reagenzraum
10 ist nach oben hin mit einem Deckel 11 verschlossen, der ebenfalls mittels
eines O-Rings 12 gegenüber dem Oberteil 2 abgedichtet ist. In dem Reagenz
raum 10 ist eine aus dem Reagenzraum 10 entnehmbare Reagenzschale 18 mit
dem Reagenz 14, vorliegend Calciumhydrid, vorgesehen. Calciumhydrid rea
giert mit Wasserdampf unter Bildung von Wasserstoff nach folgender Formel:
CaH2 + 2H2O → Ca(OH)2 + 2H2.
Neben der Verwendung von Calciumhydrid ist auch die Verwendung von Ka
liumhydrid, Lithiumhydrid oder Magnesiumhydrid möglich, die nach folgen
den Formeln mit Wasserdampf zu Wasserstoff reagieren:
KH + H2O → KOH + H2
LiH + H2O → LiOH + H2
MgH2 + 2H2O → Mg(OH)2 + 2H2.
Da bei allen zuvor genannten Reaktionen das Wasser zu gleichen Teilen durch
Wasserstoffmoleküle ersetzt wird, kann das Reagenz 14 bei dem Gerät gemäß
dem vorliegend beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfin
dung beliebig ausgetauscht werden.
Im Reagenzraum 10 ist ein Gassensor 13 vorgesehen, der als Wärmeleitfähig
keitssensor ausgebildet ist und über die Wärmeleitfähigkeit die Konzentration
des gebildeten Wasserstoffs mißt. Der Gassensor 13 liefert in Abhängigkeit
von der gemessenen Wärmeleitfähigkeit eine Spannung an eine Auswerteeinheit
17 mit der letztlich der relative Wassergehalt der Feststoffprobe ermittelt
und ausgegeben wird. Sind die Luftmenge in dem Behälter 1 und die Kon
zentration des Wasserstoffs bekannt, ergibt sich aus der Definition der Kon
zentration cH2:
cH2 = nH2/(nLuft + nH2)
die Menge des Wasserstoffs, wobei nH2 und nLuft die Menge an Wasserstoff
bzw. Luft darstellen. Aus der Menge des Wasserstoffs ergibt sich schließlich
die Menge des eingebrachten Wassers, so daß die Menge des eingebrachten
Wassers, multipliziert mit der spezifischen Masse von Wasser und dividiert
durch die Masse der Feststoffprobe, den ursprünglichen relativen Wasserge
halt der Feststoffprobe ergibt.
Wie aus der Figur ersichtlich, ist gemäß dem bevorzugten Ausführungsbei
spiel der Erfindung zur Kühlung des Reagenzraums 10 ein Lüfter 15 vorgese
hen. Um die Kühlung des Reagenzraums 10 thermisch möglichst gut von dem
darunter liegenden Bereich, in dem sich der Probenraum 6 mit der Feststoff
probe 5 befindet, zu trennen, ist dazwischen eine Isolierplatte 16 vorgesehen.
Durch die Aufteilung in eine beheizte Zone, nämlich den Reagenzraum 10,
und eine gekühlte Zone, nämlich den darunterliegenden Bereich, im wesentli
chen gebildet durch den Probenraum 6, wird eine sichere Kühlung des Rea
genzes 14 erzielt. Auf diese Weise wird gewährleistet, daß die Zersetzungs
temperatur des Reagenzes 14 nicht erreicht wird. Dadurch, daß das Reagenz
14 in einer Reagenzschale 18 vorgesehen wird, können außerdem auch fein
körnige Reagenzien verwendet werden.
Der durch das Rohrstück 8 aufsteigende Wasserdampf reagiert also mit dem
Reagenz 14, das in der entnehmbaren Reagenzschale 18 liegt. Die entnehmba
re Reagenzschale 18 hat den Vorteil, daß das Reagenz leicht durch Öffnen des
Deckels 11 ausgetauscht werden kann. In der Reagenzschale 18 ist eine dünne
Schicht des Reagenzes 14 ausgebreitet, so daß die mit dem Gas in Berührung
kommende Fläche des Reagenzes 14 möglichst groß ist. Um eine möglichst
schnelle und effektive Reaktion des Wasserdampfes mit dem Reagenz 14 zu
erreichen, ist die Höhe des Reagenzraums 10 im Vergleich zum Durchmesser
der runden Reagenzschale 18 verhältnismäßig niedrig gehalten. Ferner ist der
Reagenzraum 10 deutlich kleiner als der Probenraum 6.
Da der Reagenzraum 10 durch den Lüfter 15 gekühlt wird, wird das im Rohr
stück 8 aufsteigende Gas ebenfalls gekühlt und sinkt über das Rohrstück 9 zu
rück in den beheizten Bereich des Probenraums 6. Diese Konvektion wird
konstruktiv dadurch unterstützt, daß das Rohrstück 8 über dem Zentrum des
Unterteils 3 und das Rohrstück 9 über einem Randbereich des Unterteils 2 an
geordnet ist. Versuche haben nämlich gezeigt, daß in dem Probenraum 6 eine
radiale Temperaturverteilung des Gases über den Querschnitt vorliegt und die
Temperatur zum Mittelpunkt des Probenraums 6 hin steigt. Die Isolierplatte
16, die Ausschnitte für die Rohrstücke 8, 9 aufweist, verhindert die Abküh
lung des Deckels 11 durch den vom Lüfter 15 erzeugten Luftstrom sowie die
Erwärmung des Reagenzraums 10. Weiterhin wird die schon angesprochene
Zirkulation des Gases durch eine solche Positionierung des Lüfters 15 unter
stützt, bei der das Rohrstück 9 von dem Kühlluftstrom stärker gekühlt wird als
das Rohrstück 8, sowie durch eine zusätzliche Isolierung 19 des Rohrstücks 8.
Schließlich ist in der Heizung 4 ein Temperaturfühler 20 vorgesehen, der mit
einem Temperaturregler 21 verbunden ist. Über den Temperaturregler 21 ist
eine Regelung der Temperatur und damit ein Konstanthaltung der Temperatur
der Heizung 4 möglich. Als Temperaturfühler 20 wird vorzugsweise ein Wi
derstandsthermometer verwendet.
Folgen mehrere Messungen nacheinander, sollte die Feststoffprobenschale auf
50°C abgekühlt werden, damit nicht ein Teil der Feststoffprobenfeuchte bei
dem Einfüllvorgang verdampft. Dies geschieht am zweckmäßigsten durch ei
nen Ventilator 22, der etwa 4 cm unter der Heizplatte angeordnet ist. Um ei
nen möglichst guten Kühleffekt zu erzielen, wird die von dem Ventilator 22
erzeugte Luftströmung durch eine um das Gerät herum verlaufende Umman
telung 23 hindurch an den Seitenwänden der Heizplatte sowie an den Seiten
der Feststoffprobenschale und dem darüberliegenden Oberteil 2 vorbeigelenkt.
Abschließend sei darauf hingewiesen, daß die durch den relativ großen
Durchmesser des Unterteils 3 bedingte Größe des O-Rings 7 zur Abdichtung
zwischen dem Unterteil 3 und dem Oberteil 2 zwar größer ist als bei den aus
dem Stand der Technik bekannten Geräten. Jedoch muß vorliegend kein Va
kuum erzeugt werden, so daß entsprechende Probleme bei Undichtigkeiten
vermieden werden. Weiterhin gilt, daß durch mögliche Undichtigkeiten bei
einem homogenen Luft-Wasserstoffgemisch zunächst keine Änderung der
Konzentration durch einen Druckabfall bewirkt wird. Es wird nämlich nur
durch zusätzlich gebildeten Wasserstoff ein Meßfehler in Abhängigkeit der
Menge der im Behälter verbliebenen Luft erzeugt. Die durch den Druckverlust
aufgrund einer Undichtigkeit verursachte Konzentrationsänderung ist im be
sten Fall Null, nämlich dann, wenn kein weiterer Wasserdampf aus der Probe
austritt und mit dem Reagenz Wasserstoff bildet. Dies ist ein wesentlicher
Vorteil der Erfindung gegenüber dem Stand der Technik.
Claims (27)
1. Gerät zum Bestimmen des Wassergehalts von Feststoffen, mit einem Be
hälter (1), einer Heizung (4) und einem Gassensor (13), wobei in den Behälter
(1) eine Feststoffprobe (5) und ein mit Wasserdampf unter Bildung eines
Meßgases reagierendes Reagenz (14) einbringbar sind und die Feststoffprobe
(5) mittels der Heizung (4) erhitzbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der
Gassensor (13) in dem Behälter (1) angeordnet ist und als Gassensor (13) ein
Sensor für die Konzentration des Meßgases vorgesehen ist, das bei der Reak
tion des Reagenzes (14) mit Wasserdampf entsteht.
2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Gassensor (13)
ein Sensor für die Konzentration von gasförmigem Wasserstoff vorgesehen
ist.
3. Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Gassensor (13)
ein Wärmeleitfähigkeitssensor für gasförmigen Wasserstoff vorgesehen ist.
4. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der
Behälter (1) ein Oberteil (2) und ein Unterteil (3) umfaßt und das Oberteil (2)
einen Reagenzraum (10) zur Aufnahme des Reagenzes (14) und das Unterteil
(3) einen Probenraum (6) zur Aufnahme der Feststoffprobe (5) aufweist.
5. Gerät nach einem Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Heizung
(4) eine unter dem Unterteil (3) angeordnete Heizplatte vorgesehen ist.
6. Gerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizplatte sich
über den gesamten Querschnitt des Unterteils (3) erstreckt.
7. Gerät nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß in oder an
der Heizplatte ein Temperaturfühler (20) vorgesehen ist, der mit einem Tem
peraturregler (21) zur Regelung der Temperatur der Heizplatte verbunden ist.
8. Gerät nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß
das Oberteil (2) von dem Unterteil (3) lösbar ist.
9. Gerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Übergang zwi
schen Oberteil (2) und Unterteil (3) abgedichtet ist, vorzugsweise mittels eines
O-Rings (7).
10. Gerät nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß
das Oberteil (2) auf seiner Oberseite einen abnehmbaren Deckel (11) aufweist.
11. Gerät nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Übergang zwi
schen Deckel (11) und Oberteil (2) abgedichtet ist, vorzugsweise mittels eine
O-Rings (12).
12. Gerät nach einem der Ansprüche 4 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß in
dem Reagenzraum (10) eine Reagenzschale (18) zur Aufnahme des Reagenzes
(14) vorgesehen ist.
13. Gerät nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Reagenzschale
(18) aus dem Reagenzraum (10) entnehmbar ist.
14. Gerät nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Rea
genzschale (18) kreisrund ausgebildet ist und das Verhältnis des Durchmes
sers des Bodens der Reagenzschale (18) zu deren vom Boden aus gemessener
Höhe wenigstens mehr als 3, vorzugsweise mehr als 5 beträgt.
15. Gerät nach einem der Ansprüche 4 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß
das Unterteil (3) als Feststoffprobenschale zur Aufnahme der Feststoffprobe
(5) ausgebildet ist.
16. Gerät nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Feststoffpro
benschale kreisrund ausgebildet ist und das Verhältnis des Durchmessers des
Bodens der Feststoffprobenschale zu deren vom Boden aus gemessener Höhe
wenigstens mehr als 3, vorzugsweise mehr als 5 beträgt.
17. Gerät nach einem der Ansprüche 4 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß
zwei Rohrstücke (8, 9) vorgesehen sind, die das Oberteil (2) mit dem Unterteil
(3), vorzugsweise ausschließlich, verbinden.
18. Gerät nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrstücke (8,
9) einstückig mit dem Oberteil (2) ausgebildet sind.
19. Gerät nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr
stück (8) in einen zentralen Bereich des Unterteils (3) und das andere Rohr
stück (9) in einen äußeren Bereich des Unterteils (3) mündet.
20. Gerät nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß
die beiden Rohrstücke (8, 9), vorzugsweise einander gegenüberliegend, je
weils in einen äußeren Bereich des Oberteils (2) münden.
21. Gerät nach einem der Ansprüche 4 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß
eine Kühlung für das Oberteil (2) vorgesehen ist, vorzugsweise mittels eines
Lüfters (15).
22. Gerät nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Reagenzraum
(10) vom Probenraum (6) thermisch getrennt ist.
23. Gerät nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem
Reagenzraum (10) und dem Probenraum (6) eine Isolierplatte (16) zur thermi
schen Isolierung vorgesehen ist.
24. Verfahren zum Bestimmen des Wassergehalts von Feststoffen, wobei eine
Feststoffprobe (5) erhitzt wird, der dadurch aus der Feststoffprobe (5) austre
tende Wasserdampf unter Bildung eines Meßgases mit einem Reagenz (14)
reagiert und die Bildung des Meßgases erfaßt wird, um dadurch auf den Was
sergehalt des Feststoffes zurückzuschließen, dadurch gekennzeichnet, daß
die Konzentration des Meßgases erfaßt wird.
25. Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß ein mit Was
serdampf unter Bildung von gasförmigem Wasserstoff reagierendes Reagenz
(14) verwendet wird und die Konzentration des Wasserstoffs erfaßt wird.
26. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzen
tration des Wasserstoffs mittels einer Wärmeleitfähigkeitsmessung erfaßt
wird.
27. Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 26, dadurch gekennzeichnet,
daß das Verfahren unter Umgebungsdruck begonnen wird.
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2002
- 2002-02-07 DE DE10205156A patent/DE10205156C2/de not_active Expired - Lifetime
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