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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Einbringen
sehr geringer Flüssigkeitsmengen
in einen Gasstrom, beispielsweise einen Luftstrom.
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Die
bisher benutzte Technologie für
die Herstellung von Gasgemischen durch Verdampfen von Flüssigkeit
basiert auf Trägerflüssigkeiten,
denen entsprechende Substanzen beigemischt werden. Die Trägerflüssigkeiten
führen
in Analysesystemen und -sensoren oft zu unerwünschten Nebeneffekten. Weiterhin
wird auch häufig
ein Permeationsverfahren eingesetzt, bei dem die einzubringende
Flüssigkeit über eine
Membran in den Gasstrom diffundiert. Dieses Verfahren leidet an
der Verifizierbarkeit der Konzentration und ist vielen Fehlereinflüssen wie
Temperatur, Druck und dergleichen unterworfen. Schließlich sind
auch Piezo-Verfahren bekannt, wobei sehr geringe Flüssigkeitsmengen
in den Gasstrom eingespritzt werden. Hierdurch ergibt sich ein impulsartiger Eintrag
der Flüssigkeit
in den Gasstrom und es ist ein sehr hoher apparativer Aufwand erforderlich,
beispielsweise um die Tröpfchengröße durch
optische Kontrolle mittels Kurzzeitfotografie überwachen.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung
zum Einbringen sehr geringer Flüssigkeitsmengen
in einen Gasstrom so auszubilden, dass der Gasstrom möglichst
gleichmäßig mit
der Flüssigkeit
vermischt und der Flüssigkeitseintrag
reproduzierbar wird.
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Dies
wird erfindungsgemäß dadurch
erreicht, dass eine vorbestimmte Fläche mit der einzubringenden
Flüssigkeit
benetzt und diese vorgegebene Fläche
dem Gasstrom ausgesetzt wird, damit der Flüssigkeitsfilm durch Verdampfen
in den Gasstrom eingebracht wird.
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Bei
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Durchführung
dieses Verfahrens ist eine Dosiereinrichtung vorgesehen, die eine
vorbestimmte Flüssigkeitsmenge
auf eine vorbestimmte Fläche
aufbringt, die dann dem Gasstrom ausgesetzt wird.
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Durch
die kontrollierte Verdampfung sehr geringer dosierter Flüssigkeitsmengen
kann eine exakt definierte Gasmischung erhalten werden, die als Prüfgasmischung
eingesetzt werden kann. Es ergibt sich eine hohe Reproduzierbarkeit
und Verifizierbarkeit der Gasmischung, so dass die Gasmischung in einem
Gaskalibriergenerator zur Prüfung
von z. B. elektronischen Nasen eingesetzt werden kann.
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Die
Erfindung wird beispielsweise anhand der Zeichnung näher erläutert. Es
zeigen
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1 eine
Seitenansicht einer Verdampfungsvorrichtung,
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2 einen
Schnitt längs
der Linie A-A in 1, und
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3 einen
Schnitt durch die Verdampfungseinrichtung nach 1 parallel
zur Zeichnungsebene der 1.
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In
den Figuren ist mit 1 ein in der Seitenansicht nach 1 etwa
Y-förmiges
Gehäuse
bezeichnet, an dessen etwa rechtwinklig zueinander liegenden Schenkelenden
jeweils ein Schlauchanschluss 2a und 2b zum Einleiten
und Abführen
eines Gasstromes, insbesondere eines Luftstromes, ausgebildet ist.
An dem in 1 schräg abstehenden Schenkel 1a des
Gehäuses 1 ist
eine Dosiereinrichtung 3 angebracht, mittels der Flüssigkeit
in dosierten Mengen eingebracht wird. In dem Gehäuse 1 ist eine Trommel 4 drehbar
gelagert, die bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel hohlzylindrisch
ausgebildet ist und eine Heizeinrichtung 5 aufnimmt.
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Wie 2 und 3 zeigen,
weist die Dosiereinrichtung 3 einen Verteilerschuh 6 auf,
der auf der der Trommel 4 zugewandten Seite mit wenigstens
einer Tasche 6a versehen ist, die in Umfangsrichtung der
Trommel in einem spitzen Winkel auf beiden Seiten in der Ansicht
der 3 in Anlageflächen 6b übergehen,
die auf dem Umfang der Trommel 4 anliegen oder einen sehr
geringen Spalt relativ zu diesem bilden. Vorzugsweise ist der Verteilerschuh 6 in
Richtung der Achse des Gehäuseschenkels 1a einstellbar
bzw. verschiebbar.
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Bei
dem dargestellten Ausführungsbeispiel weist
der Verteilerschuh 6 über
seine Länge
drei voneinander getrennte Taschen 6a auf, in die auch
unterschiedliche Flüssigkeiten
eingeführt
werden können. In
jede dieser Taschen führt
eine Leitung 3a, durch die über eine nicht dargestellte
Dosierpumpe ein Fluid bzw. eine Flüssigkeit in die zugeordnete
Tasche 6b eingeführt
wird. Die einzelnen Leitungen 3a sind in Muffen 3b geführt, die
in einen Gehäusedeckel 1b eingeschraubt
sind. Die Enden der Leitungen 3a münden in Muffen 3c,
die in den Verteilerschuh 6 fluiddicht eingesetzt sind.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel
sind in 2 um die beiden äußeren Leitungen 3a Druckfedern 3d vorgesehen,
die sich am Gehäusedeckel 1b abstützen und
den Verteilerschuh 6 an der Umfangsfläche der Trommel 4 andrücken.
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Wie 3 zeigt,
sind angrenzend an die Anlageflächen 6b des
Verteilerschuhs 6 am Gehäuse 1 Stegabschnitte 1c ausgebildet,
die eine vorbestimmte Breite längs
des Umfangs der Trommel 4 haben und an deren Umfang leicht
anliegen oder einen vorbestimmten Spalt zu diesem bilden. Der übrige Umfang
der Trommel 4, bei dem dargestellten Beispiel etwa die
Hälfte
des Umfangs, liegt im Gehäuse 1 frei und
wird von dem Luftstrom umspült,
der durch die Anschlüsse 2a und 2b so
durch das Gehäuse
geleitet wird, dass der eintretende Luftstrom direkt auf den Trommelumfang
trifft und dann durch eine Engstelle 1d zwischen Gehäuse und
Trommelumfang in eine zweite sich erweiternde Kammer gelangt, in
der eine Verwirbelung zur Unterstützung der Verdampfung auftritt,
bevor der Luftstrom durch die Auslassleitung austritt. Wie 3 zeigt,
ist die Trommel 4 etwa an der Schnittstelle der drei Achsen
der drei Gehäuseschenkel
gelagert.
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Die
Engstelle 1d zwischen Gehäuse und Trommelumfang kann
einstellbar ausgebildet sein, beispielsweise durch eine im Gehäuse in Richtung auf
den Trommelumfang verschiebbare Blende oder dergleichen. Durch Variieren
des Querschnitts dieser Engstelle 1d kann die Strömungsgeschwindigkeit des
Gasstroms in diesem Bereich eingestellt werden, wodurch der Druck
des Gasstroms in diesem Verdampfungsbereich beeinflusst wird und
damit auch die Verdampfung.
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Beim
Betrieb der Vorrichtung wird über
die Leitungen 3a dosiert eine Flüssigkeit in die zugeordnete
Tasche 6b eingeführt,
in der die Flüssigkeit über die
spitz zulaufenden Enden der Tasche 6b in Umfangsrichtung
der Trommel 4 als Film auf deren Umfangsfläche aufgetragen
wird. Dieser Flüssigkeitsfilm auf
dem Trommelumfang wird im Luftstrom verdampft. Dadurch, dass eine
vorgegebene Fläche
des Trommelumfangs im Luftstrom liegt und über die Dosiereinrichtung 3 ein
vorbestimmter Flüssigkeitsfilm auf
dem Trommelumfang ausgebildet wird, kann in den Luftstrom eine vorbestimmte
Flüssigkeitsmenge gleichmäßig durch
Verdampfen eingebracht werden. Durch die vorgegebene Verdampfungsfläche und
die einstellbare Drehzahl der Trommel kann die in den Luftstrom
eingebrachte Flüssigkeitsmenge
auch reproduziert werden, wenn in einer bestimmten Zeiteinheit eine
bestimmte geringe Flüssigkeitsmenge über die
Dosiereinrichtung zugeführt
wird.
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Die
Umfangsfläche
der Trommel 4 weist eine vorgegebene Rauhigkeit auf, damit
sie eine geringe Flüssigkeitsmenge
als Film verteilt aufnehmen kann. Durch die vorgegebene Rauhigkeit
wird auch der Verdampfungsvorgang im Luftstrom begünstigt.
Je nach der einzubringenden Flüssigkeit
kann der Trommelumfang aus Stahl, Kunststoff wie Teflon oder einem
anderen geeigneten Material ausgebildet sein.
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Je
nach der einzubringenden Flüssigkeit kann
das Material der Verdampfungsfläche
bzw. des Trommelumfangs hinsichtlich seiner Oberflächenspannung
variiert werden. Auch ist es möglich,
eine kapillare Struktur auf dem Trommelumfang vorzusehen, die eine
vorgegebene geringe Flüssigkeitsmenge
aufnimmt, wobei die in den Taschen 6a eingebrachte Flüssigkeit
durch den Verteilerschuh nicht abgestreift werden kann, weil die
Flüssigkeit
in den Kapillaren der Trommeloberfläche eingelagert ist.
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Ein
weiterer Parameter neben Drehzahl der Trommel 4 und Rauhigkeit
der Umfangsfläche
ist die Andrückkraft
des Verteilerschuhs 6 auf dem Trommelumfang, die durch
eine Verstelleinrichtung beispielsweise der Andrückfedern 3d eingestellt
werden kann. Hinzu kommt die Ausgestaltung des Keilwinkels an den
in Drehrichtung der Trommel gegenüberliegenden Seiten der Taschen 6a,
die eine vorgegebene Filmdicke auf dem Trommelumfang gewährleisten
bzw. ein Abstreifen des aufgebrachten Flüssigkeitsfilms verhindern.
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Der
Verdampfungsvorgang der auf den Trommelumfang aufgebrachten Flüssigkeitsschicht kann
durch die Heizeinrichtung 5 in der Trommel 4 begünstigt werden.
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Es
sind verschiedene Abwandlungen der beschriebenen Bauform möglich. So
kann anstelle einer Trommel 4 auch eine Verdampfungsfläche vorgesehen
werden, die in der einen Stellung der Dosiereinrichtung 3 gegenüberliegt
und nach Benetzen mit Flüssigkeit
in den Luftstrom verschwenkt werden kann. Vorzugsweise wird eine
solche schrittweise verschwenkbare Einrichtung so ausgebildet, dass eine
Verdampfungsfläche
von der Dosiereinrichtung 3 benetzt wird, während eine
andere Verdampfungsfläche
im Luftstrom liegt, so dass nach Umschalten eine weitgehend gleichmäßige Verdampfung
der Flüssigkeit
in den Luftstrom erfolgt.
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Die
Taschen 6a begrenzen eine vorgegebene Fläche auf
dem Trommelumfang.
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Die
Stege 1c des Gehäuses,
die auf dem Umfang der Trommel 4 anliegen, können in
ihrer Breite in Umfangsrichtung der Trommel unterschiedlich ausgelegt
werden und sie können
bei einer anderen Ausgestaltung des Gehäuses auch entfallen, wobei
die zu benetzende Fläche
in den Verteilertaschen 6a durch die Anlageflächen 6b des
Verteilerschuhs 6 begrenzt wird. Durch Reduzieren der Breite
der Stegabschnitte 1c oder durch Weglassen wird die Fläche auf
dem Trommelumfang vergrößert, die
für die Verdampfung
zur Verfügung
steht.
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Bei
dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind
nach 3 die Stegabschnitte 1c so bemessen, dass
eine vorgegebene Fläche
des Trommelumfangs so im Luftstrom liegt, dass eine vollflächige Umströmung gewährleistet
wird. Bei der Anordnung nach 3 bildet der
Trommelumfang jeweils eine Seite der beiden Kammern 1e und 1f,
die über
die Engstelle 1d miteinander in Verbindung stehen.
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Es
sind auch andere Bauformen des Gehäuses 1 möglich, wobei
auch eine kleinere, vorgegebene Fläche des Trommelumfangs im Luftstrom
frei liegen kann, der beispielsweise etwa tangential oder auch in
axialer Richtung am Trommelumfang entlang geführt wird.
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Die
in einen Gasstrom einzubringenden Flüssigkeiten können als
Einzelkomponenten oder auch als Stoffgemische vorliegen und über die
Dosiereinrichtung in die Taschen 6a eingebracht werden.
Die einzubringenden Flüssigkeitsmengen
können
im Nano- bzw. Pikoliterbereich liegen, um ein Gasgemisch mit einer
Konzentration im ppm- bzw. ppb-Bereich zu erzeugen.