DE10232849A1

DE10232849A1 - Gasanalyseeinrichtung zur Qualitätsüberwachung eines gasförmigen Stoffes oder Stoffgemisches, insbesondere Luft

Info

Publication number: DE10232849A1
Application number: DE2002132849
Authority: DE
Inventors: Albrecht Dr.-Ing. Vogel; Peter Dr.-Ing. Krippner; Manfred Dr. Wetzko; Christian J. Dr. Schmidt; Antonio Dr.-Ing. Ruzzu; Rolf Dr. Merte; Jan Dr. Czyzewski
Original assignee: ABB Patent GmbH
Current assignee: ABB Patent GmbH
Priority date: 2002-07-19
Filing date: 2002-07-19
Publication date: 2004-02-12
Also published as: WO2004023107A1

Abstract

Gasanalyseeinrichtung zur Qualitätsüberwachung eines gasförmigen Stoffes oder Stoffgemisches, insbesondere Luft, mit einer Probennahmeeinheit (2) zur dosierten Entnahme einer Probe (17) des gasförmigen Stoffes oder Stoffgemisches aus der Umgebung, welcher eine Messeinheit (3) zur Analyse der Probe nachgeschaltet ist, wobei die in einem geschlossenen Behälter (1) untergebrachte Probennahmeeinheit (2) sowie Messeinheit (3) zumindest teilweise gemeinsam innerhalb eines vom gasförmigen Stoff oder Stoffgemisch durchströmten Kanals (4) in Reihe angeordnet sind, der, ausgehend von der Probennahmeeinheit (2), eine in flüssigem Lösungsmittel gelöste Probe (17) des gasförmigen Stoffes oder Stoffgemisches durch den Kanal (4) hindurch zur Messeinheit (3) leitet und der weiterhin Mittel zur Erzeugung mindestens eines künstlichen Kraftfeldes umfasst, welche die Positionierung und den Transport der Probe (17) zwischen der Probennahmeeinheit (2) und der Messeinheit (3) im Kanal (4) für die Durchführung der Gasanalyse realisieren.

Description

Die Erfindung betrifft eine Gasanalyseeinrichtung zur Qualitätsüberwachung eines gasförmigen Stoffes oder Stoffgemisches, insbesondere Luft, mit einer Probennahmeeinheit und einer nachgeschalteten Messeinheit.
Derartige Einrichtungen werden üblicherweise in der Umwelttechnik insbesondere bei der Luftqualitätsüberwachung eingesetzt. Die Luft – genauer die Umgebungsluft – stellt für den menschlichen Organismus sowie für die gesamte lebende Mitwelt das lebensnotwendigste Medium da. Da die menschliche Lunge keine wesentlichen Filteranlagen aufweist und somit gegenüber äußeren Einflüssen wie Luftverschmutzung extrem gefährdet ist, muss ein hoher Anspruch an die Luftqualität gestellt werden. Zur Überwachung der Luftqualität reicht die natürliche Sensorik des Menschen – vor allem der Geruchssinn und die visuelle Wahrnehmung – alleine nicht aus, um ihn dauerhaft vor allen Schadstoffen zu schützen. Heutzutage gibt es bereits eine Vielzahl von Schadstoffen und Giften, die geruchlos und/oder visuell für den Menschen nicht wahrnehmbar sind. Trotz technischem Fortschritt und einem enormen Wissensanstieg ist jedoch auch in der Zukunft nicht damit zu rechnen, dass keine Schadstoffe und Gifte mehr existieren. Vielmehr ist aufgrund ständig neuer Produkte und Verfahren mit weiteren, zum Teil auch unbekannten Schadstoffen und Giften zur rechnen. Hinzu kommt, dass durch die Forschung bislang unbekannte Auswirkungen verschiedener Stoffe auf das menschliche Biosystem entdeckt werden und dadurch die Zahl der als schädlich einzustufenden Stoffe weiter ansteigt. Gerade bei kontaminierten – die Gesundheit des Menschen gefährdenden – Stoffen reicht das bloße Erkennen dieser Stoffe meist nicht aus, um den Menschen und seine Mitwelt rechtzeitig zu schützen. Vielmehr müssen frühzeitig, nämlich unmittelbar bei Auftritt bzw. Bildung von gesundheitsgefährdenden Stoffen, diese erkannt und notwendige Maßnahmen wie Neutralisierungsschritte eingeleitet werden, um den menschlichen Organismus vor Schäden durch diese Stoffe zu bewahren. Nicht zuletzt die immer strengeren gesetzlichen Auflagen machen eine Luftqualitätsanalyse vor allem auch im Bereich des Arbeitsschutzes unabdingbar. Insbesondere handelt es sich bei den hier interessierenden Stoffen um Luftinhaltsstoffe, die partikelgebunden (Aerosol) und/oder gasförmig vorliegen können.
Es ist allgemein bekannt, dass bei exakten und zuverlässigen Luftanalysen die Probennahme und Probenanalyse örtlich getrennt voneinander stattfinden. Dabei erfolgt die Probennahme mittels spezieller Probennahmeeinrichtungen, welche dann zur separaten Analyse zu einem Labor transportiert werden. Dabei müssen zur Untersuchung von Luftproben, insbesondere auf pathogene Anteile, die Fremdstoffe zur weiteren Analyse im Allgemeinen in Wasser oder einem anderen Lösungsmittel gelöst werden. Die Probennahme erfolgt dabei mittels stationärer oder transportabler Luftprobennehmer, welche in der Regel auf dem Prinzip der Zentrifugaltrennung, der Gaswäsche oder der Membranfiltertechnologie basieren.
Nachteilig ist dabei der hierfür erforderliche hohe Zeit- und Transportaufwand. Insbesondere der Transport, welcher gegebenenfalls spezielle Transportbehälter, die ihrerseits eventuell mit Thermoeinheiten ausgebildet sind, erfordert und gegebenenfalls unter Vakuum erfolgen muss, verzehrt eine nicht zu unterschätzende Menge an Zeit. Durch die Logistik, insbesondere auch durch Verwaltungsvorgänge in den Analyselabors werden zudem weitere Zeitanteile vergeudet. Zudem sind die bekannten Analyseeinrichtungen meist recht großbauend und/oder sehr empfindlich, so dass diese nicht für den mobilen Einsatz vor Ort geeignet sind.
Hinzu kommt, dass die zu untersuchende Probe mit einer Vielzahl von anderen Komponenten wie Transporteinrichtungen, Umfülleinrichtungen und Analyseeinrichtungen in Kontakt kommt. Eine kontaminierte Probe wird somit einer Vielzahl von Einrichtungen und Orten ausgesetzt, wodurch eine Verbreitung der Kontaminierung erleichtert wird. Bei einer Kontamination durch die Probe müssen die eingesetzten Materialien zur Wiederverwendung einzeln gereinigt werden, was bei entsprechender Kontamination einen enormen Aufwand verursacht. Alternativ können die zum Teil recht teuren Komponenten bei einem unwirtschaftlichen Recyclingaufwand fachgerecht entsorgt werden. Beide Möglichkeiten stellen damit einen kostenaufwendigen und ökologisch und ökonomisch schwer zu rechtfertigenden Aufwand da.
Aus der DE 44 39 433 A1 geht eine Analysevorrichtung hervor, die die vorstehend aufgezeigten Probleme dadurch löst, dass eine mit einer Probennehmervorrichtung genommene Probe unter Anwendung eines immunochemischen Analyseschritts mit der Probennehmervorrichtung direkt vor Ort analysiert wird. Dabei wird die Probe über ein Filtersystem mittels einer Pumpe in ein Glasbehälter befördert, die so gewonnenen Proben in einem Extraktionsgefäß gelöst und anschließend mit einem Immunoassay analysiert.
Diese Analyseeinrichtung ist damit zwar kleinbauend und es kann eine Luftprobe mobil und direkt vor Ort analysiert werden; jedoch besteht hier der Nachteil, dass mit einer Vorrichtung nur eine einzige Probe genommen werden kann, mehrere Einzelteile benötigt werden und dass Ergebnis recht ungenau und durch die notwendigen Handgriffe und Montagevorgänge stark fehlerbehaftet ist.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine kleinbauende und mobil einsetzbare Einrichtung zu schaffen, die genaue und reproduzierbare Analyseergebnisse liefert, mehrfach verwendbar ist und mehrere Analysevorgänge automatisch ermöglicht.
Diese Aufgabe wird ausgehend von einer Gasanalyseeinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass die Probennahmeeinheit und die nachgeschaltete Messeinheit in einem vom gasförmigen Stoff oder Stoffgemisch durchströmbaren Kanal eines Behälters angeordnet sind, und eine Probe und ein Lösungsmittel über den Kanal zu der Probennahmeeinheit und danach der Messeineinheit zuführbar sind, wobei Mittel zur Erzeugung mindestens eines künstlichen Kraftfeldes vorzugsweise quer zur Durchströmungsrichtung des Behälters vorhanden sind, die die Positionierung und den Transport zwischen der Probennahmeeinheit und der Messeinheit des Lösungsmittels und der gelösten Probe während der Analyse realisieren.
Diese Lösung bietet aufgrund der angewendeten Mikrosystemtechnik den Vorteil, dass Probennahmeeinheit und Messeinheit in einer einzigen geschlossenen Apparatur untergebracht sind, wobei der Transport zwischen beiden Einrichtungen ohne zusätzliche Transportbehälter erfolgt und wobei die Fixierung der Probe sowohl während der Probennahme und -aufbereitung sowie der Probenanalyse mittels Kraftfelder erfolgt und somit keine speziellen Halterungen benötigt werden, wodurch weniger Bauteile benötigt werden und dementsprechend die Kontaminierung von Bauteilen minimal ist.
Eine die Erfindung verbessernde Maßnahme sieht vor, dass der durchströmbare Behälter Mittel zur Zuführung der Umgebungsluft zu der Probennahmeeinheit aufweist, um eine definierte Luftprobe zu der Probennahmeeinheit zu führen.
Eine weitere die Erfindung verbessernde Maßnahme sieht vor, dass der Behälter Mittel zur Steuerung des Probendurchflusses durch den Kanal aufweist. Hierdurch lässt sich eine hinsichtlich Umfang, Volumen und Zusammensetzung genau definierte Probe bestimmen und es wird genau die benötigte Probenmenge genommen, die zur Analyse notwendig ist, wodurch eine erhöhte Kontaminierung oder Belastung der Gasanalyseeinrichtung aufgrund einer zu großen Probenmenge verhindert wird.
Von besonderem Vorteil ist es, wenn die Mittel zur Steuerung des Probendurchflusses als mindestens eine Pumpe und einen Durchflussmesser ausgebildet sind, mit denen ein konstanter Probendurchfluss durch den Behälter im Rahmen einer Regelung realisierbar ist. Dadurch, dass der Probenfluss konstant gehalten werden kann, lässt sich der Probendurchfluss besser regulieren und die Probenaufbereitung wird durch einen konstanten Probenfluss erleichtert.
Eine weiterführende Verbesserung ist es, dass der benachbart zu einer optischen Messeinheit befindliche Wandungsbereich des Behälters aus einem lichtdurchlässigen Material besteht, um von außen emittierte Lichtstrahlen in den Innenbereich des Behälters zur optischen Analyse durchzulassen. Da zu der optischen Analyse Licht, genauer emittierte Lichtstrahlen, benötigt werden, ist es vorteilhafter, die Lichtquelle außerhalb des Behälters anzubringen, da erstens eine Lichtquelle im Inneren des Behälters nur schwer zugänglich und dementsprechend schwer zu montieren, demontieren, auszutauschen etc. ist, und zweitens eine intern angeordnete Lichtquelle den Bauraum des Behälters unnötig vergrößern würde und somit einen evtl. mobilen Einsatz erschweren würde. Die zumindest teilweise transparente beziehungsweise lichtdurchlässige Gestaltung der Behälterwandung im Bereich der optischen Analyseeinheit erfordert einen deutlich geringeren Aufwand.
Darüber hinaus ist es vorteilhaft, dass die Probennahmeeinheit mindestens ein regulierbares Kühlelement umfasst, um Wasser aus der Umgebungsluft mittels Kondensation durch Kühlung zu gewinnen. Die zu untersuchende Substanz muss für die hier verwendeten Verfahren gelöst, vorzugsweise in Wasser gelöst, vorliegen. Somit ist vorteilhafter Weise bei der Gewinnung des Wassers aus der Umgebungsluft bereits ein gewisser Bestandteil der zu untersuchenden Substanz in dem gewonnenen Wasser enthalten, wodurch nachträglich eine geringere Menge der zu untersuchenden Substanz in dem durch Kondensation gewonnenen Wasser gelöst werden muss, um eine ausreichende Sättigung zu erhalten. Hierdurch ist eine schnellere Analyse möglich. Weiterhin müssen keine zusätzlichen Vorrichtungen wie beispielsweise eine externe Wasserzufuhr etc. vorgesehen werden. Auf diese Weise lässt sich der Bauraum und vor allem die Anzahl der Bauteile reduzieren.
Vorteilhaft ist, dass das Kühlelement innerhalb und/oder außerhalb des Behälters angeordnet sein kann, um Wasser aus der Umgebungsluft mittels der Kondensation zu gewinnen. Auch eine Kombination, dass heißt die Verwendung eines internen und eines externen Bauteils ist möglich. Ebenfalls beschränkt sich die erfindungsgemäße Gasanalyseeinrichtung nicht auf die Verwendung von zwei Kühlelementen. Vielmehr können auch mehrere Kühlelemente in oder an der Gasanalyseeinrichtung angeordnet sein. Vorteilhaft ist jedoch der Einsatz von maximal zwei Kühlelementen. Hierdurch wird die Anzahl der Bauteile gering gehalten. Die Verwendung eines internen Kühleelements, das heißt, ein innerhalb des Behälters angeordnetes Kühlelement, bringt den Vorteil mit sich, dass die Gasanalyseeinrichtung einfacher zu handhaben ist, da keine Bauteile außerhalb des Behälters hervorstehen, und dass das Kühlelement gleichzeitig besser vor äußeren Einwirkungen geschützt ist. Eine Anordnung des Kühlelements außerhalb des Behälters bringt den Vorteil, dass das Kühlelement leichter austauschbar ist und größere und damit leistungsfähigere Kühlelemente einsetzbar sind.
Vorzugsweise ist das Kühlelement als ein Peltierelement ausgebildet, um Wasser aus der Umgebungsluft durch Kondensation zu gewinnen. Ein Peltierelement stellt ein marktübliches, einfaches Bauteil dar, dessen Einsatz zuverlässige und damit reproduzierbare Ergebnisse liefert.
Ebenso lässt sich ein Vorteil dadurch erzielen, dass das als Peltierelement ausgebildete Kühleelement sandwichartig zwischen einer ersten Elektrode und einer zweiten Elektrode zur Erzeugung des Kraftfeldes angeordnet ist, wobei das Peltierelement mindestens einen hochdotierten Halbleiter aufweist, um über elektrische Wechselwirkungen eine für die Probennahme und Probenaufbereitung benötigte Temperatur einzustellen. Diese speziellen Peltierelemente sind sehr zuverlässig und benötigen wenig Bauraum, so dass sie auch im Inneren des Behälters eingesetzt werden können.
Vorteilhaft ist es, dass die Probennahmeeinheit mindestens einen Regelkreis aufweist, mit dem die Temperatur des Kühlelements regulierbar ist, um das Volumen des Lösungsmittels und den Anteil der darin gelösten Probe in einen zumindest hinsichtlich Volumen, Umfang und/oder Zusammensetzung definierten Zustand zu bringen, und diesen Zustand aufrecht zu erhalten. So lässt sich auf einfache, genaue und reproduzierbare Weise eine definierte Probe nehmen und aufbereiten.
Von ganz besonderem Vorteil ist es, dass direkt im Bereich der Probennahmeeinheit Mittel zur Erzeugung mindestens eines künstlichen Kraftfeldes vorgesehen sind, welches vorzugsweise quer zur Durchströmungsrichtung des Behälters angeordnet ist, um eine Probe mittels dieses Kraftfeldes zu positionieren und zu fixieren. Hierdurch können sämtliche sonst üblicherweise verwendeten Haltevorrichtungen eingespart werden, wodurch erstens weniger Bauteile benötigt werden und zweitens bei einer möglicherweise auftretenden Kontamination der Gasanalyseeinrichtung weniger Bauteile kontaminiert werden und dadurch der Reinigungs- und/oder Entsorgungsaufwand deutlich verringert wird.
Vorzugsweise sind die Mittel zur Erzeugung eines Kraftfeldes, welches vorzugsweise quer zur Durchströmungsrichtung des Behälters angeordnet ist, mindestens zwei voneinander beabstandete, gegenpolige Elektroden, wobei eine zweite Elektrode an einer dem Kanal zugewandten Seite des Kühlelements angeordnet ist und eine dritte Elektrode gegenüberliegend der zweiten Elektrode angeordnet ist, um ein Kraftfeld zur Fixierung der Probe zu realisieren. Durch Erzeugung eines elektrischen Feldes mittels der beiden Elektroden lässt sich das Feld sehr gut regulieren und gleichzeitig lassen sich auf einfache Weise Messergebnisse gewinnen, die direkt verarbeitet werden können.
Darüber hinaus ist es vorteilhaft, dass zur Erzeugung des Kraftfeldes die zweite Elektrode mit einer hydrophilen Schicht und eine der zweiten Elektrode gegenüberliegende dritte Elektrode mit einer hydrophoben Schicht überzogen ist, um einen Spalt zwischen dem als Wassertropfen ausgebildeten, die hydrophile Schicht kontaktierenden Lösungsmittel und der dritten Elektrode zu erzeugen. Somit lassen sich in einem genau definierten Bauraum, genauer in dem Spalt, auf einfache Weise zwei unterschiedliche Kraftfelder erzeugen.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung wird dadurch erreicht, dass der Regelkreis mindestens ein Element zur Erfassung von elektrischen Werten des zwischen der zweiten und der dritten Elektrode erzeugten Kraftfeldes aufweist, um über die erfassten Werte die an das Kühlelement angelegte Spannung und damit die zu erzeugende Temperatur des Kühleelements zu steuern. So lässt sich das Probenvolumen auf einfache Weise regulieren.
Nach einer weiteren möglichen Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Messeinheit mindestens eine Optik umfassend mindestens eine Lichtquelle sowie Mittel zur Umlenkung, Filtrierung und Änderung der von der Lichtquelle emittierten Lichtstrahlen zur Analyse der Probe aufweist. Auf diese Weise lässt sich ein optisches Analyseverfahren realisieren, welches kontaktlos die Probe analysiert und somit selber nicht bei der Analyse einer kontaminierten Probe verunreinigt wird.
Vorzugsweise umfassen die Mittel zur Umlenkung, Filtrierung und Änderung des von der Lichtquelle emittierten Lichts Spiegel, Prismen, Beugungsgitter, Lichtspalte und dergleichen, um das emittierte Licht beziehungsweise die emittierten Lichtstrahlen zur Analyse der Probe aufzubereiten.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung ist es, dass auch die Messeinheit separate Mittel zur Erzeugung eines künstlichen Kraftfeldes, ebenfalls vorzugsweise quer zur Durchströmungsrichtung des Behälters umfasst, um eine Probe mittels dieses Kraftfeldes von der Probennahmeeinheit zur Messeinheit zu transportieren und die Probe während der Analyse zu fixieren. Auf diese Weise werden keine Transportbehälter benötigt, welche neben einem höheren Bauraum auch einen höheren Reinigungsaufwand erfordern würden.
Diese Mittel zur Erzeugung eines Kraftfeldes umfassen vorzugsweise eine vierte und eine fünfte Elektrode, die voneinander beabstandet angeordnet und entgegengesetzt gepolt sind, wobei die fünfte Elektrode an der dem Innenraum der Behälter zugewandten Oberfläche eine Sensorschicht aufweist und der Abstand zwischen den Elektroden so ausgebildet ist, dass die Probe im Wesentlichen den gesamten Spalt zwischen der Messschicht und der gegenüberliegenden Elektrode ausfüllt. Auf diese Weise lässt sich eine zuverlässige und wiederholbare Messwerte liefernde Gasanalyseeinrichtung realisieren.
Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen sind in den Unteransprüchen angegeben oder werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung mehrerer bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren nähre dargestellt.
Es zeigt:
1 eine Seitenansicht eines Ausschnitts einer Gasanalyseeinrichtung in Schnittdarstellung,
2 eine Seitenansicht eines Ausschnitts einer anderen Gasanalyseeinrichtung am Anfang der Probennahme in Schnittdarstellung,
3 eine Seitenansicht eines Ausschnitts der Gasanalyseeinrichtung nach 2 am Ende der Probennahme in Schnittdarstellung,
4 eine Seitenansicht eines Ausschnitts einer Gasanalyseeinrichtung während des Transports der Probe zwischen Probennahme- und Messeinheit in Schnittdarstellung,
5 eine Seitenansicht eines Ausschnitts einer Gasanalyseeinrichtung während der Messung in Schnittdarstellung, und
6 eine Seitenansicht eines Ausschnitts einer Gasanalyseeinrichtung während der Kühlung in Schnittdarstellung.
Die Gasanalyseeinrichtung nach 1 umfasst eine Behälter 1, eine Probennahmeeinheit 2 und eine Messeinheit 3. Der Behälter 1 weist einen durchgängigen Kanal 4 auf, der den Behälter 1 in ein oberes und einen unteres Behälterteil 1', 1'' teilt. Über den Kanal 4 wird der Behälter 1 mit der zu untersuchenden Umgebungsluft versorgt und die untersuchte Luft wird ebenfalls über den Kanal 4 wieder abgeführt. An der Stelle, an der die Probennahmeeinheit 2 untergebracht werden soll, erfährt der Kanal 4 eine Verbreiterung in Richtung des oberen Behälterteils 1' und eine anschließende Verengung auf das vorherige Maß des Kanals 4, wodurch eine Kavität 5 realisiert ist. In dieser Kavität 5 ist die Probennahmeeinheit 2, welche ebenfalls zweiteilig ausgebildet ist, angeordnet. Der obere, erste Teil 2' der Probennahmeeinheit 2 umfasst ein als Peltierelement ausgebildetes Kühleelement 6, genauer ein internes Mikro-Peltierelement, welches sandwichartig zwischen zwei gegenpoligen Elektroden 7, 8 gelagert ist. Mit einer ersten flächigen Elektrode 7 ist das Kühlelement 6 an der Wandung des oberen Behälterteils 1' ortsfest angeordnet. Die dem unteren Behälterteil 1'' zugewandte zweite, flächig ausgebildete Elektrode 8 ist an ihrer ebenfalls dem unteren Behälterteil 1'' zugewandten Oberfläche mit einer hydrophilen Schicht 9 überzogen. Das Kühlelement 6 umfasst einen dreischichtigen, hoch dotierten Halbleiter. Die mittlere Schicht des dotierten Halbleiters ist von einem P-Typen, die beiden äußeren Schichten dagegen von einem N-Typ.
Der untere, zweite Teil 2'' der Probennahmeeinheit 2 umfasst eine dritte, ebenfalls flächig ausgebildete Elektrode 10, welche gegenpolig zu der zweiten Elektrode 8 gepolt ist. Die dritte Elektrode 10 ist ortsfest an dem unteren Behälterbereich 2'' angeordnet. Der untere Behälterbereich 2'' und die dritte Elektrode 10 sind in dem Bereich der Kavität 5 mit einer hydrophoben Schicht 11 ummantelt. Das obere Probennahmeeinheitelement 2' und das untere Probennahmeeinheitelement 2'' sind voneinander beabstandet und formen zusammen einen ersten Spalt 12. Durch die sich gegenüber befindlichen Probennahmeeinheitelemente 2', 2'' werden bei Betrieb der Gasanalyseeinrichtung zwei sich überlagernde Kraft-Felder in dem Spalt 12 erzeugt. Zum einen entsteht durch die zwei unterschiedlichen Schichten 9, 11 ein Kraftfeld, welches einen hydrophilen Stoff, im vorliegenden Fall Wasser oder eine wässrige Lösung, zu der hydrophilen Schicht 9 hin bewegt und verhindert, dass ein hydrophiler Stoff auf die hydrophobe Schicht 11 gelangt. Zum anderen wird durch die gegenpoligen Elektroden 8, 10 ein elektrisches Feld in dem Spalt 12 erzeugt. Dieses elektrische Feld weist eine Kapazität C auf, welche sich durch Einbringung eines die elektrischen Stoffes in das elektrische Feld ändert. Gelangt beispielsweise ein hydrophiler Stoff wie Wasser in die beiden sich überlagernden Felder, wird er zu der hydrophilen Schicht 9 bewegt, an welcher er haften bleibt. Durch die Einbringung und das Verweilen des hydrophilen Stoffs in dem elektrischen Feld verändert sich die Kapazität dieses Feldes. Die Veränderung ist über ein die elektrische Kapazität messendes Messgerät (nicht dargestellt) messbar und der Wert wird an einen Regelkreis (ebenfalls nicht dargestellt) weitergegeben. Dieser Regelkreis regelt unter anderem das interne Mikro-Peltierelement. Das Mikro-Peltierelement, welches durch Kühlung, genauer durch Kondensation die Gewinnung eines hydrophilen Stoffes aus der zugeführten Umgebungsluft realisiert, wird nun entsprechend des Regelkreises gesteuert, so dass eine definierte Probe in der Probennahmeeinheit 2 genommen wird.
Hinter der Probennahmeeinheit 2 in Strömungsrichtung befindet sich unmittelbar hinter der Verengung des Kanals 4 die Messeinheit 3. Die Messeinheit 3 umfasst ebenfalls zwei Teile, ein oberes Messeinheitelement 3' umfassend eine vierte, flächige Elektrode 13 und ein unteres Messeinheitelement 3'' umfassend eine fünfte, im Wesentlichen flächige, zumindest teilweise lichtdurchlässige Elektrode 14 sowie eine Sensorschicht 15 und eine an späterer Stelle beschriebene Optik. Die vierte Elektrode 13 des oberen Messeinheitelements 3' ist mit einer Oberfläche an der Wandung des oberen Behälterteils 1' ortsfest angeordnet. Über eine elektrische leitende Verbindung ist die vierte Elektrode 13 mit der zweiten Elektrode 8 des oberen Probennahmeeinheitelements 2' verbunden. Die fünfte Elektrode 14 des unteren Messeinheitelements 3'' ist ebenfalls mit einer Oberfläche an der Wandung des unteren Behälterbereichs 1'' ortsfest angeordnet. Dabei ist die fünfte Elektrode 14 so ausgebildet, dass sie zumindest teilweise Lichtstrahlen durch lässt. Dies kann durch Verwendung eines lichtdurchlässigen Materials oder aber durch eine spezielle Formgebung realisiert werden. In dem vorliegenden Fall ist die fünfte Elektrode 14 in Form eines Gitters ausgebildet, so dass Lichtstrahlen zwischen den Elektroden-Gitterstäben hindurch gelangen können. Der Bereich der Wand des unteren Behälterbereichs 1'', auf dem die fünfte Elektrode 15 angeordnet ist, ist aus einem lichtdurchlässigen Material geformt. Außerhalb des Kanals 4 befindet sich in dem Bereich, in dem der untere Behälterbereich 1' aus lichtdurchlässigem Material besteht, die Optik 16. Unter anderem umfasst die hier dargestellte Optik 16 ein Prisma 16' zur Aufbereitung von einer Lichtquelle emittierten Lichtstrahlen.
Gemäß 2 sind zur Kühlung der Probe 17 zwei als Peltierelement ausgebildete Kühlelemente 6a, 6b vorgesehen, wobei ein internes Peltierelement 6a innerhalb und ein zweites externes Peltierelement 6b außerhalb des Behälters 1 auf der Wandung des oberen Behälterbereichs 1' ortsfest angeordnet sind. Weiter zeigt die 2 schematisch den Beginn der Probennahme. Hierbei wird Umgebungsluft in die Gasanalyseeinrichtung zugeführt, die den Behälter 1 durchströmt. Die Durchströmung kann mittels einer Pumpe (nicht dargestellt) realisiert werden, welche über ein einen Durchflussmesser umfassenden Regelkreis gesteuert wird. Die Pumpe befindet sich vorteilhafter Weise hinter der Messeinheit 3, da so die Messung nicht durch eine möglich Kontaminierung der Pumpe beeinflusst wird. Vorzugsweise ist in diesem Fall die Pumpe als Ansaugpumpe ausgebildet. Bei der Durchströmung der Umgebungsluft entsteht durch Kühlung im Bereich der Probennahme 2 hydrophiles Kondensat, welches sich an verschiedenen Bereichen der hydrophilen Schicht 9 des oberen Probennahmeeinheitelements 2' niederschlägt. Dabei wird die elektrische Kapazität des elektrischen Feldes und dessen Veränderung gemessen.
Ist eine definierte Größe der Probe 17 erreicht, wie es in 3 dargestellt ist, hat sich der Spalt 12 zwischen den beiden Probennahmeeinheitelementen 2' und 2'' verringert. Die Probe 17 ist bei Erreichen einer definierten Größe tropenförmig ausgebildet. Das stets ein Spalt 12 zwischen zweiter und dritter Elektrode 8, 10 vorhanden ist, wird durch die hydrophobe Schicht 11 erreicht, welche einen dauerhaften Kontakt mit dem hydrophilen Lösungsmittel, vorzugsweise Wasser, verhindert. Zudem ist die Größe beziehungsweise das Volumen der Probe 17 über den Regelkreis, genauer über beide Kühlelemente 6a, 6b steuerbar. Das Volumen der Probe 17 wird für die Dauer der Probenaufbereitung im Wesentlichen konstant gehalten. Strömt nun ein Partikel durch den Kanal 4 des Behälters 1, so bestehen zwei Möglichkeiten, was mit einem, den Kanal 4 durchströmenden Partikel passieren kann, dessen Volumen größer ist, als das Volumen, welches durch den Spalt 12 noch ohne Kontakt mit der Probe 17 passieren kann. Zum einen kann der Partikel durch die Probe 17 hindurch gelangen ohne mit ihr zu reagieren, oder er kann zum anderen von der Probe 17 absorbiert werden. Die Probe 17 wird solange in der Probennahme gehalten, bis die Probe 17 eine gewünschte Konzentration an den zu untersuchenden Stoffen aufweist. Die Konzentration lässt sich ebenfalls über das zwischen der zweiten und der dritten Elektrode 8,10 erzeugte elektrische Feld, genauer die Kapazität des elektrischen Feldes, in dem sich die Probe 17 befindet, messen. Sobald die Probenaufbereitung abgeschlossen ist, wird an die vierte Elektrode 13 und die fünfte Elektrode 14 der Messeinheit 3 eine Spannung angelegt, wodurch ein elektrisches Feld zwischen der vierten Elektrode 13 und der fünften Elektrode 14 erzeugt wird.
Die Probe 17 wird nun gemäß 4 aufgrund ihrer hohen Dielektrizität in das neu erzeugte elektrische Feld gezogen. Dabei beginnt die Probe 17 den gesamten Spalt zwischen der vierten Elektrode 13 und der fünften Elektrode 14 auszufüllen.
Sobald die Probe 17 den gesamten Feld-Bereich zwischen der vierten Elektrode 13 und der fünften Elektrode 14 ausgefüllt hat, wie es in 5 zu sehen ist, beginnt die Analyse der Probe 17. Die Analyse erfolgt über ein optisches Verfahren. In einem ersten optischen Verfahren werden Lichtstrahlen, die durch ein Prisma aufbereitet wurden, direkt durch die Sensorschicht 15 und fünfte Elektrode 14 zur Probe 17 emittiert. Die Lichtstrahlen durchdringen die Probe 17 und werden von der vierten Elektrode 13 zurück auf die Sensorschicht 15 reflektiert. Dabei wird die Absorption des Lichtes gemessen. Bei diesem Verfahren ist das Prisma 16' nicht erforderlich.
Das zweite Verfahren erfolgt in einem Polarisation Anisotrophie Modus. Hierbei ist das Prisma 16' erforderlich, um einen rechten Winkel zwischen den fremderregten und den ausgesendeten Strahlen zu erzielen.
Ein einfacherer Aufbau der Gasanalyseeinrichtung ist alternativ in 6 dargestellt. Hierbei ist das als Peltierelement ausgebildete Kühlelement 6 außerhalb des Behälters 1 auf der Wandung des oberen Behälterbereichs 1' ortsfest angeordnet. Die Temperaturverteilung ist schematisch durch die bogenförmigen Ringe im Bereich des Kühlelements 6 dargestellt.

1: Behälter
1': oberer Behälterbereich
1'': unterer Behälterbereich
2: Probennahmeeinheit
2': oberes Probennahmeeinheitelement
2'': unteres Probennahmeeinheitelement
3: Messeinheit
3': oberes Messeinheitelement
3'': unteres Messeinheitelement
4: Kanal
5: Kavität
6: Kühlelement
6a: internes Kühlelement
6b: Externes Kühlelement
7: Elektrode
8: Elektrode
9: hydrophile Schicht
10: dritte Elektrode
11: hydrophobe Schicht
12: Spalt
13: Elektrode
14: Elektrode
15: Sensorschicht
16: Optik
16': Prisma
17: Probe

Claims

Gasanalyseeinrichtung zur Qualitätsüberwachung eines gasförmigen Stoffes oder Stoffgemisches, insbesondere Luft, mit einer Probennahmeeinheit (2) zur dosierten Entnahme einer Probe 17 des gasförmigen Stoffes oder Stoffgemisches aus der Umgebung, welcher eine Messeinheit (3) zur Analyse der Probe nachgeschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die in einem geschlossenen Behälter (1) untergebrachte Probennahmeeinheit (2) sowie Messeinheit (3) zumindest teilweise gemeinsam innerhalb eines vom gasförmigen Stoff oder Stoffgemisch durchströmten Kanals (4) in Reihe angeordnet sind, der ausgehend von der Probennahmeeinheit (2) eine in flüssigem Lösungsmittel gelöste Probe (17) des gasförmigen Stoffes oder Stoffgemisches durch den Kanal (4) hindurch zur Messeineinheit (3) leitet, und der weiterhin Mittel zur Erzeugung mindestens eines künstlichen Kraftfeldes umfasst, welche die Positionierung und den Transport der Probe (17) zwischen der Probennahmeeinheit (2) und der Messeinheit (3) im Kanal (4) für die Durchführung der Gasanalyse realisieren.
Gasanalyseeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der geschlossene Behälter (1) Mittel zur Zuführung der Umgebungsluft in den Bereich der Probennahmeeinheit (2) aufweist, um eine definierte Luftprobe gesteuert zu der Probennahmeeinheit (2) zuzuführen.
Gasanalyseeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der geschlossene Behälter (1) Mittel zur Steuerung oder Regelung des Probendurchflusses durch den Kanal (4) aufweist.
Gasanalyseeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Steuerung oder Regelung des Probendurchflusses mindestens eine Pumpe und einen Durchflussmesser umfassen, mit denen ein konstanter Probendurchfluss durch den Behälter (1) realisierbar ist.
Gasanalyseeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der benachbart zu der optischen Messeinheit (3) befindliche Wandungsbereich des Behälters (1) aus einem lichtdurchlässigen Material besteht, um einen Durchlass von außen emittierter Lichtstrahlen in den Innenbereich des Behälters (1) zur optischen Analyse zu gewährleisten.
Gasanalyseeinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Probennahmeeinheit (2) mindestens ein regulierbares Kühlelement (6) umfasst, um Wasser aus der Umgebungsluft mittels Kondensation durch Abkühlung zu gewinnen.
Gasanalyseeinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlelement (6) innerhalb und/oder außerhalb des geschlossenen Behälters (1) angeordnet ist.
Gasanalyseeinrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlelement (6) nach Art eines Peltierelements ausgebildet ist.
Gasanalyseeinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das als Peltierelement ausgebildete Kühleelement (6) sandwichartig zwischen einer ersten Elektrode (7) und einer zweiten Elektrode (8) angeordnet ist, wobei das Kühlelement (6) mindestens einen hochdotierten Halbleiter aufweist, um über elektrische Wechselwirkungen eine für die Probennahme und Probenaufbereitung benötigte Temperatur einzustellen.
Gasanalyseeinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Probennahmeeinheit (2) mindestens einen Regelkreis aufweist, mit dem die Temperatur des Kühlelements (6) derart einstellbar ist, dass das Volumen des Lösungsmittels und den Anteil der darin gelösten Probe 17 in einen zumindest hinsichtlich Volumen, Umfang und/oder Zusammensetzung definierten Zustand zu bringen und diesen Zustand aufrecht zu erhalten ist.
Gasanalyseeinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Probennahmeeinheit (2) Mittel zur Erzeugung mindestens eines örtlichen künstlichen Kraftfeldes vorgesehen sind, um die Probe (17) mittels dieses Kraftfeldes in der Probennahmeeinheit (2) zu positionieren und zu fixieren.
Gasanalyseeinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Mittel zur Erzeugung eines Kraftfeldes mindestens zwei voneinander beabstandete, gegenpolige Elektroden (8, 10) vorgesehen sind, wobei die eine Elektrode (8) an einer dem Kanal (4) zugewandten Seite des Kühlelements (6) angeordnet ist und die andere Elektrode (10) gegenüberliegend der zweiten Elektrode (8) angeordnet ist, um ein Kraftfeld zur Fixierung der Probe zu bilden.
Gasanalyseeinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung eines Kraftfeldes die Elektrode (8) mit einer hydrophilen Schicht (9) und die der Elektrode (8) gegenüberliegende Elektrode (10) mit einer hydrophoben Schicht (11) überzogen ist, so dass ein Spalt (12) zwischen dem als Wassertropfen ausgebildeten, die hydrophile Schicht (9) kontaktierenden Lösungsmittels und der Elektrode (10) verbleibt.
Gasanalyseeinrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Regelkreis mindestens ein Element zur Erfassung von elektrischen Werten des zwischen der beiden Elektroden (8, 10) erzeugten Kraftfeldes aufweist, um über die erfassten Werte die an das Kühlelement (6) angelegte Spannung und damit die zu erzeugende Temperatur des Kühleelements (6) zu steuern.
Gasanalyseeinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinheit (3) mindestens eine Optik (16) umfasst und mindestens eine Lichtquelle sowie Mittel zur Umlenkung, Filtrierung und/oder Änderung der von der Lichtquelle emittierten Lichtstrahlen zur Analyse der Probe (17) aufweist.
Gasanalyseeinrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Umlenkung, Filtrierung und/oder Änderung des von der Lichtquelle emittierten Lichts Spiegel, Prismen, Beugungsgitter und/oder Lichtspalte umfassen, um das emittierte Licht zur Analyse der Probe aufzubereiten.
Gasanalyseeinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinheit (3) ebenfalls Mittel zur Erzeugung eines künstlichen Kraftfeldes umfasst, um die Probe (17) mittels dieses Kraftfeldes von der Probennahmeeinheit (2) zur Messeinheit (3) zu transportieren, und die Probe während der Analyse in zu fixieren.
Gasanalyseeinrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Erzeugung eines Kraftfeldes mindestens zwei voneinander beabstandet angeordnete und entgegengesetzt gepolte Elektroden (13, 14) umfasst, wobei die eine Elektrode (14) an der dem Innenraum der Behälter (1) zugewandten Oberfläche eine Sensorschicht (15) aufweist und der Abstand zwischen der anderen Elektrode (13) und der Elektrode (14) so ausgebildet ist, dass die Probe (17) im Wesentlichen den gesamten Spalt (12) zwischen der Sensorschicht (15) und der gegenüberliegenden vierten Elektrode (13) ausfüllt.