DE1181452B - Anordnung zum Pruefen oder Analysieren von Gasen mit einem Flammenionisationsdetektor - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Internat. Kl.: G Ol η

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

Deutsche Kl.: 421-4/16

S 73835 IXb/421

4. Mai 1961

12. November 1964

Die Erfindungen betreffen Ausgestaltungen einer Anordnung zum Prüfen oder Analysieren von Gasen mit einem Rammenionisationsdetektor, der zwei Elektroden aufweist, an denen eine Gleichspannung anliegt und wobei dem Detektor ein Verstärker nachgeschaltet ist.

Es ist bereits bekannt, Gase mit Hilfe eines Flammenionisationsdetektors zu untersuchen oder zu analysieren, insbesondere unter Anwendung eines solchen Detektors bei dem Verfahren der chromatographischen Trennung.

Bei einem Flammenionisationsdetektor benutzt man ein brennendes Gas, und zwar gewöhnlich reinen Wasserstoff oder ein Gemisch aus Gasen, das Wasserstoff als einen Bestandteil enthält, in Form einer kleinen Flamme, deren elektrische Leitfähigkeit mit Hilfe von zwei in dem »Plasma« der Flamme angeordneten Elektroden gemessen wird. Das zu prüfende oder zu analysierende Gas wird der Flamme zugeführt.

Von den im Plasma der Flamme angeordneten Elektroden wird die eine gewöhnlich durch den Brenner gebildet, der in diesem Falle aus Metall besteht, während die andere Elektrode durch ein Gewebe oder einen Draht aus Platin oder Bronze gebildet wird und etwa 10 mm oberhalb des Brenners angeordnet ist. Grundsätzlich können die Elektroden jedoch auch quer zu der Ramme angeordnet sein. Die Ramme selbst ist gewöhnlich nicht größer als einige Millimeter.

Die Leitfähigkeit der Wasserstoffflamme ist sehr gering und liegt in der Größenordnung von 10~¹² bis ΙΟ"¹³ Ohm. Jedoch genügt die Beigabe kleiner Mengen organischen Materials, um die Leitfähigkeit der Ramme erheblich zu vergrößern; je nach der Konzentration der organischen Bestandteile in der Flamme kann die Leitfähigkeit 10⁵- bis 10⁶-mal so groß sein. Die Änderungen der Leitfähigkeit können gemessen und registriert werden und lassen auf das Vorhandensein und die Konzentration organischer Substanzen in den der Ramme zugeführten Gasen schließen.

Wenn der Rammenionisationsdetektor als Detektor hinter einer Gaschromatographiesäule benutzt wird, in der Wasserstoff als Trägergas dient, kann das von der Säule kommende Gas unmittelbar in dem Detektor verbrannt werden. Wenn als Trägergas ein anderes Gas, ζ. Β. Stickstoff, benutzt wird, wird das Gas in der Säule zuerst mit Wasserstoff gemischt und dann dem Detektor zugeführt.

Die Messung der Leitfähigkeit erfolgt gewöhnlich in der Weise, daß man eine Gleichspannungsquelle Anordnung zum Prüfen oder Analysieren
von Gasen mit einem
Flammenionisationsdetektor

Anmelder:

Shell Internationale Research Maatschappij

N. V., Den Haag

Vertreter:

Dr.-Ing. F. Wuesthoff, Dipl.-Ing. G. Puls und
Dipl.-Chem. Dr. rer. nat. E. Frhr. v. Pechmann,
Patentanwälte, München 9, Schweigerstr. 2

Als Erfinder benannt:

Leo Ongkiehong,

Aart Bijl,

Albertus Schuringa, Amsterdam

(Niederlande)

Beanspruchte Priorität:

Großbritannien vom 6. Mai 1960 (16 114)

und einen als Meßwiderstand dienenden Widerstand mit den Elektroden in Reihe schaltet und die Spannung an dem Meßwiderstand mißt. Da der absolute Wert des Widerstandes der Ramme sehr hoch ist, muß auch der Widerstandswert des Meßwiderstandes hoch sein, wenn meßbare Wirkungen erzielt werden sollen. Der Meßwiderstand soll jedoch andererseits im Vergleich zum Widerstand der Ramme klein sein. In diesem Falle führen nämlich Änderungen des Rammenwiderstandes zu im wesentlichen proportionalen Änderungen der Spannung an dem Meßwiderstand.

Das an dem Meßwiderstand erscheinende Signal soll außerdem registriert und/oder angezeigt werden, und man muß es daher für die Registrierung mit Hilfe eines Schreibstiftes und/oder für die Anzeige mit Hilfe eines Anzeigegeräts geeignet machen. Wegen des hohen Widerstandsniveaus, auf dem das Signal verfügbar wird, ist es jedoch unmöglich, das Signal einem Registrier- oder Anzeigegerät unmittelbar zuzuführen. Das Signal wird daher zuerst mittels eines Gleichspannungsverstärkers verstärkt; um die Schwierigkeiten, die durch die bei allen Gleichspannungsverstärkern auftretende Auswanderung

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hervorgerufen werden, möglichst weitgehend auszuschalten, soll das dem Gleichspannungsverstärker zugeführte Eingangssignal ohne Rücksicht auf die angewandte Verstärkung möglichst groß sein, so daß der Meßwiderstand einen möglichst hohen Widerstandswert aufweisen soll. In der Praxis werden diese Schwierigkeiten dadurch beseitigt, daß man hinter einem Meßwiderstand, dessen Widerstandswert je nach der Konzentration der zu prüfenden Gase in der Flamme des Detektors 10⁶ bis 10¹⁰ Ohm beträgt, einen Elektrometerverstärker anordnet.

Solche Elektrometerverstärker sind jedoch kostspielig und zerbrechlich, und auch ihre Wartung ist kostspielig; außerdem besteht hierbei der Nachteil, daß die Geschwindigkeit des Ansprechens, d. h. die Reproduzierbarkeit von in dem zu prüfenden Gas auftretenden relativ schnellen Änderungen, gering ist.

Aufgabe des Erfindens war die Schaffung einer Anordnung zum Prüfen oder Analysieren von Gasen mit einem Flammenionisationsdetektor, die die Verwendung eines Wechselspannungsverstärkers ermöglicht.

Diese Aufgabe wurde erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwischen den beiden Elektroden eine als Steuerelektrode wirkende dritte Elektrode angeordnet ist, die über eine Quelle variierender Spannung mit einer der Elektroden verbunden ist.

Die erfindungsgemäße Anordnung bietet den Vorteil, daß sie sich zusammen mit einem einfachen und billigen Wechselspannungsverstärker benutzen läßt. Außerdem besitzt die erfindungsgemäße Anordnung eine erheblich höhere Ansprechgeschwindigkeit und ermöglicht daher auch die Feststellung und Registrierung sehr schneller Änderungen der Zusammensetzung des zu prüfenden oder zu analysierenden Gases. Die erfindungsgemäße Anordnung ist daher insbesondere für gaschromatographische Verfahren geeignet.

Bezüglich der räumlichen Anordnung der Steuerelektrode sei bemerkt, daß die Steuerelektrode nicht genau zwischen den beiden anderen Elektroden angeordnet zu sein braucht, denn es genügt, sie so anzuordnen, daß ihr Potential den Strom zwischen den anderen Elektroden in der erwähnten Weise beeinflußt; in der Praxis läuft dies darauf hinaus, daß die Steuerelektrode zeitweilig und vorzugsweise vollständig den Strom einer der anderen Elektroden aufnimmt.

Vorzugsweise bildet der Brenner eine der beiden Elektroden, an der die Gleichspannung angelegt wird, wobei ein Ende der variierenden Spannungsquelle mit der Brennerelektrode verbunden wird.

Erfindungsgemäß kann in dem Feld zwischen der Steuerelektrode und der nicht mit der Quelle der variierenden Spannung verbundenen Elektrode eine mit der anderen Elektrode verbundene, zur Abschirmung dienende Hilfselektrode angeordnet sein.

Diese Hilfselektrode besitzt den Vorteil, daß sie die direkten kapazitiven Ströme von der Steuerelektrode zum Ausgang des Detektors verringert oder ausschaltet.

Vorzugsweise wird die variierende Spannung der Steuerelektrode in entgegengesetzter Phase der Hilfselektrode, vorzugsweise über einen verstellbaren Spannungsteiler, zugeführt.

Zweckmäßigerweise dient eine Wechselspannungsquelle zum Erzeugen einer variierenden Spannung, wobei das Detektorsignal über eine mit der Frequenz der Wechselspannung geschaltete Torschaltung geleitet wird, die während des Durchgangs der nach der positiven Phase der Steuerelektrodenspannung erzeugten Detektorstromimpulse geöffnet ist.

Erfindungsgemäß kann die Proportionalität zwischen dem Meßwert und der Konzentration dadurch wesentlich verbessert werden, daß die Torschaltung nur während des Durchgangs der Spitzenwerte der Detektorstromimpulse geöffnet ist.

Vorzugsweise weist die Torschaltung eine serienmäßige Gegeneinanderschaltung zweier Transistoren oder Parallelschaltungen derartiger gegeneinandergeschalteter Transistoren auf.

Als besonders vorteilhaft hat sich die Verwendung von zylindrisch ausgebildeten und konzentrisch um den Brenner angeordneten Elektroden erwiesen. Hierdurch wird eine sehr gedrängte Konstruktion erzielt.

Die Erfindung wird an Hand schematischer Zeichnungen an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert.

F i g. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Schaltung, bei der keine zusätzliche Hilfselektrode vorgesehen ist; F i g. 2 zeigt eine erfindungsgemäße Schaltung mit einer zusätzlichen Hilfselektrode;

F i g. 3 zeigt eine besonders kompakte Anordnung von Brenner und Elektrode;

Fig. 4A, 4B und 4C zeigen Abwicklungen der Elektroden gemäß Fig. 3; in

F i g. 5 ist eine Schaltung gezeigt, die nur die Spitzenwerte der Detektorimpulse durchläßt.

In Fig. 1 ist der Flammenionisationsdetektor schematisch dargestellt; er umfaßt im wesentlichen ein Gehäuse 1, einen Brenner 2 und eine öffnung zum Zuführen von Luft zu der Flamme 3. Das ganze Aggregat ist elektrisch geerdet. Das Gemisch aus Wasserstoffgas und dem zu prüfenden Gas wird bei 4 zugeführt, während die Verbrennungsluft bei 5 zugeführt wird. Der aus Metall bestehende Brenner wirkt als die eine Elektrode, die im folgenden als Brennerelektrode bezeichnet ist. Oberhalb des Brenners befindet sich ein Platindrahtgewebe 6, das die im folgenden als Sammelelektrode bezeichnete andere Elektrode bildet; diese Elektrode 6 ist gegenüber dem Gehäuse 1 elektrisch isoliert. Die Sammelelektrode ist über eine Gleichspannungsquelle 7 und einen Meßwiderstand 8 geerdet.

Gemäß der Erfindung ist außerdem eine dritte Elektrode 9 in dem Detektor in dem Feld zwischen der Brennerelektrode 2 und der Sammelelektrode 6 angeordnet; diese dritte Elektrode ist wie die Elektrode 6 gegenüber dem Gehäuse 1 elektrisch isoliert. Die Elektrode 9 ist mit der Brennerelektrode 2 über eine Spannungsquelle 10 verbunden, die eine variierende elektrische Spannung liefert. Diese Spannung hat die Aufgabe, den Ionisationsstrom in der Schaltung 2, 6, 7, 8 wiederholt zeitweilig zu unterdrücken, und zwar vollständig oder teilweise; der Wert der Spannung 10 wird vorzugsweise so gewählt, daß der Strom wiederholt vollständig unterbrochen wird. Bei der Spannung 10 braucht es nicht um eine sinusförmig alternierende Spannung zu handeln, sondern man kann z. B. eine pulsierende Spannung mit einer mehr oder weniger stark ausgeprägten Rechteckform verwenden. Ferner kann man der Elektrode 9 eine Gleichspannung zuführen, die gegenüber der Brennerelektrode 2 positiv oder negativ ist.

falls abgeschirmt, so daß sich Streuströme der Batterien 7 und T nicht auf den Meßwiderstand auswirken.

Die vorstehend beschriebenen Schaltungen eignen 5 sich insbesondere zur Verwendung als Detektorschaltungen hinter einer Gaschromatographiesäule. Die der Säule entnommenen Gase können vorher dem über die Rohrleitung 4 zugeführten Wasserstoffstrom zugeführt werden; wenn bereits Wasserstoff ίο als Trägergas in der Säule verwendet wird, kann man den von der Säule kommenden Gasstrom dem Detektor unmittelbar bei 4 zuführen; in diesem Falle wird gewöhnlich kein besonderer Wasserstoffstrom benötigt.

Bei einer anderen Anwendungsform kann man die erfindungsgemäße Detektorschaltung benutzen, um die Konzentration von Kohlenwasserstoffen in der Atmosphäre zu messen. In diesem Falle wird die zu prüfende Luft kontinuierlich oder in abgemessenen

Immer dann, wenn die Amplitude der Spannung 10 einen bestimmten Wert überschreitet, wird der Ionisationsstrom in der beschriebenen Schaltung unterbrochen; dies geschieht sowohl dann, wenn die Spannung der Elektrode 9 positiv ist, als auch dann, wenn die Spannung der Elektrode 9 gegenüber der Brennerelektrode 2 negativ ist. Der Wert der Spannung, bei dem dies im positiven Sinne geschieht, kann von dem Wert abweichen, bei dem dies im negativen Sinne erfolgt.

Um eine Unsymmetrie des Unterbrechungsvorgangs zu vermeiden, kann man eine gleichgerichtete, nicht geglättete Wechselspannung verwenden.

Die Stromunterbrechungen haben zur Folge, daß an den Meß widerstand 8 eine Wechselspannung an- 15 gelegt wird, die ein Maß für die Leitfähigkeit der Flamme ist. Diese Wechselspannung kann nunmehr auf einfache Weise mit Hufe eines Wechselspannungsverstärkers 11 verstärkt und erforderlichenfalls

nach einer Gleichrichtung mit Hilfe eines Anzeige- 20 Mengen mit dem bei 4 zugeführten Wasserstoffstrom und/oder Registriergeräts 12 angezeigt und/oder gemischt. Grundsätzlich ist es auch möglich, diese registriert werden. Luft bei 5 als Verbrennungsluft zuzuführen, doch ist

Der große Vorteil der erfindungsgemäßen Schal- dieses Verfahren weniger empfindlich,
tung besteht darin, daß sie die Möglichkeit bietet, an Die normalerweise bei 5 zugeführte Verbren-

Stelle eines Gleichspannungsverstärkers einen Wech- 25 nungsluft wird gewöhnlich durch ein Filter geleitet, selspannungsverstärker zu verwenden. Ein solcher das verhindert, daß feste Teilchen in die Flamme geVerstärker ist erheblich billiger, und er kann bei langen. Vorzugsweise wird reine Luft oder reiner einer viel niedrigeren Eingangsspannung stabiler Sauerstoff verwendet. Bei dem bei 4 zugeführten arbeiten als ein Gleichspannungsverstärker. Infolge- Wasserstoff kann es sich um reinen Wasserstoff handessen kann der Widerstandswert des Meßwider- 30 dem, doch kann er auch eine gewisse Menge anderer Standes 8 relativ klein sein, d. h., er kann etwa Gase wie Stickstoff, Argon, Helium od. dgl. enthallOOmal kleiner sein, als es bei einer bekannten
Schaltung mit einem sehr guten Gleichspannungsverstärker der Fall ist, und daher wird ein erheblich
schnelleres Ansprechen, und zwar mit einer um das 35
lOOfache höheren Geschwindigkeit, des Geräts erzielt, so daß es möglich ist, schnellere Änderungen
der Leitfähigkeit der Flamme anzuzeigen.

In F i g. 2 ist eine ähnliche Schaltung dargestellt,
die sich jedoch von der Schaltung nach Fig. 1 in 40 als etwa 1000Hz ist jedoch gewöhnlich weniger gut zwei Punkten unterscheidet. Bei der Schaltung nach geeignet, und zwar wegen der Störkapazität, die Fig. 2 handelt es sich um eine Doppelausführung; parallel zu dem Meßwiderstand8 liegt. Die Gleichder Detektor 1 hat die gleiche Aufgabe wie der Spannungsquelle 7 kann eine Spannung von z. B. Detektor in Fig. 1, während dem anderen Detek- 90 V liefern, und die Spitzenspannung der Hilfsspantor 1' Wasserstoffgas ohne Beimischung des zu 45 nung 10 kann z. B. 50 bis 60 V betragen. Zwischen prüfenden Gases, jedoch natürlich auch Luft züge- den Elektroden! bis 6 ist gewöhnlich ein Abstand führt wird. Der Unterschied zwischen den beiden von etwa 10 mm vorhanden.

Ionensationsströmen läßt an dem Meßwiderstand 8 Es ist natürlich nicht unbedingt erforderlich, die

einen Strom erscheinen. Zu diesem Zweck sind die Brennerelektrode zu erden; zu Erdungszwecken Gleichspannungsquellen 7 und T in entgegengesetzter 50 kann man grundsätzlich auch eine der anderen Elek-Polung an die Detektoren 1 und 1' angeschlossen. troden wählen, z. B. die Sammelelektrode.

Außerdem ist eine zusätzliche Abschirmungs- Bei der Konstruktion gemäß F i g. 3 besteht der

elektrode 13 bzw. 13' zwischen der Elektrode 9 Brenner aus zwei konzentrischen Rohren. Das bzw. 9' und der Elektrode 6 bzw. 6' angeordnet; brennbare Gas wird im allgemeinen durch das innere die Abschirmungselektrode 13 bzw. 13' ist mit der 55 Rohr geleitet, während die Verbrennungsluft durch Elektrode 2 bzw. 2' verbunden. Diese Abschir- den Ringraum zwischen den beiden Rohren zugemungselektrode gewährleistet, daß kapazitive Ströme führt wird; jedoch kann man auch in umgekehrter von der Steuerelektrode 9 bzw. 9' zum Ausgang des Weise verfahren. Die beiden Ströme können sogar Detektors, d. h. zu dem Widerstand 8, vollständig vorher gemischt und dann verbrannt werden, doch oder im wesentlichen vollständig ausgeschaltet wer- ^6o ist hierbei die Wirkung etwas weniger günstig als den, wodurch die Genauigkeit und Empfindlichkeit bei dem genannten Verfahren,
der Meßanordnung verbessert wird. Die Steuerelektrode 9, die Abschirmungselektrode

Um das Meßgerät für mehrere Meßbereiche ver- 13 und die Sammelelektrode 6 sind zylindrisch ausgewendbar zu machen, kann die Größe des Meßwider- bildet und konzentrisch um den Brenner herum Standes 8 mit Hilfe eines Schalters 14 geändert 65 angeordnet. Im vorliegenden Falle können sie durch werden. Ätzen aus nichtrostendem Stahl mit einer Dicke von

Die Gleichspannungsquellen7 und 7', bei denen 0,2mm hergestellt sein. In den Fig. 4A, 4B und es sich gewöhnlich um Batterien handelt, sind eben- 4 C sind Abwicklungen der genannten Elektroden

ten. Häufig verwendet man ein Gemisch, das zu 50% aus Wasserstoff und zu 50% aus Stickstoff besteht.

Die Frequenz der periodisch variierenden Spannung kann 50 Hz betragen, d. h., sie kann der Netzfrequenz entsprechen, jedoch kann sie unter bestimmten Umständen niedriger oder höher und sogar erheblich höher sein; eine Frequenz von mehr

gezeigt. Die verschiedenen Elektroden sind an einer Scheibe 15 befestigt, die aus einem isolierenden Material, z.B. dem unter der Handelsbezeichnung Teflon erhältlichen Material oder einem keramischen Material besteht. Außerdem ist dieses System von einer hier nicht gezeigten Hülse umgeben, die gewährleistet, daß es elektrostatisch abgeschirmt ist, und die außerdem verhindert, daß falsche Luftströme zu der Ramme gelangen. Der Durchmesser

50Hz handelt, wird an dem Meßwiderstaad eine Wechselspannung von 100 Hz erzeugt, die nach einer Verstärkung und gegebenenfalls nach der Gleichrichtung das Ausgangssignal bildet.

Bei der Verwendung einer Wechselspannung von 25 V an der Steuerelektrode und einer Gleichspannung von + 400 V an der Sammelelektrode wird eine Empfindlichkeit von IQ-¹² A für 1 Teil je

Ausgangssignal beitragen. Das Ausgangssignal wird vorzugsweise ausschließlich durch die Maximalwerte dieser Spitzen bestimmt.

Dies kann man dadurch erreichen, daß man hn> 5 ter dem Wechselstromverstärker eine Schaltung anordnet, die es bei der Frequenz der Spannung Id dem erwünschten Satz von Spitzen ermöglicht, durchzulaufen, während die Spitzen des anderen Satzes nicht durchgelassen werden. Wenn man außerdem

des Systems nach F i g. 3 beträgt etwa 45 mm, doch _i0 die Durchlaßphase auf die Augenblicke beschränkt, ist es durchaus möglich, ein kleineres System zu in denen die Spitzen ihre Maximalwerte erreicht bauen, das z. B. nur halb so groß ist. haben, wird die gewünschte Feststellung der Ober-

Durch die Unterbrechung des Ionisationsstroms grenze möglich. Eine Glättung der Spitzen und eine durch die Spannung 10 mit Hilfe der Schaltung nach Unterdrückung der Frequenz der Spannung 10 Fig. 1 oder 2, wobei angenommen ist, daß es sich i₅ führen dann zu einem Ausgangssignal, das tatsächbei der Spannung 10 um eine Wechselspannung von lieh ein Maß für die Konzentration der Gase in der

Flamme ist. Auf diese Weise könnte man ein Ausgangssignal erzeugen, das mindestens bis zu einer Konzentration von 1000 Teilen je Million (0,1 °/o) ₂₀ Normalbutan nach völlig linear ist, wobei die Empfindlichkeit für eine Konzentration von 1 Teil je Million Normalbutan gleich 10~^uA ist.

Wenn man die vorstehend beschriebenen Geräte anwendet, ist es sehr erwünscht, dafür zu sorgen,

Million η-Butan in einem Gasstrom erzielt, der zu a₅ daß das Nebensprechen zwischen der Steuerelektrode 50% aus Wasserstoff und zu 50°/» aus Stickstoff be- und der Sammelelektrode vollständig beseitigt wird, steht; der Gasstrom war hierbei auf einen konstan- denn in dem obigen Falle der Feststellung der Oberten Durchsatz von 1,5 cm³/sec eingestellt. grenze haben die Anodenstromspitzen die gleiche

Durch die Abschirmungselektrode wurde das Frequenz wie die Spannung 10. Daher führt man dem »Nebensprechen« von der Steuerelektrode zur Sam- 30 Schirmgitter vorzugsweise eine niedrige Spannung zu, melelektrode, das durch die zweite Harmonische bei der es sich um eine der Spannungsquelle 10 entder Spannung 10 verursacht wurde, obwohl diese nur nommene regelbare Spannung handeln kann, in einem geringen Ausmaß vorhanden war, auf einen F i g. 5 zeigt eine vollständige Schaltung, wie man

Wert von nur 3 · 1O^-14A verringert. sie bei der erwähnten Feststellung der Obergrenze

Es zeigte sich jedoch, daß diese Schaltung nur 35 verwendet. Diese Schaltung entspricht im wesentdann verwendet werden konnte, wenn die Konzen- liehen der in F i g. 1 gezeigten, doch kann man in tration des zu prüfenden oder zu analysierenden diesem Falle auch die Kompensationsschaltung nach Gases in der Wasserstoffflamme nicht sehr hoch war F i g. 2 benutzen.

und z. B. weniger als etwa 200 Teile je Million Die Spannungsquelle 10 wird durch das Netz ge-

(0,02 °/o) η-Butan entsprach oder wenn die Anforde- 40 bildet; diese Spannung wird über die Sekundärwickrungen an die Linearität des Ausgangssignals nicht lung eines Transformators der Steuerelektrode 9

und in entgegengesetzter Phase der Abschirmungselekrode 13 zugeführt. Die Sekundärwicklung ist z. B. an ihrem Mittelpunkt geerdet. Die Spannungs-Es scheint, daß dies auf Raumladungseffekte zu- 45 quelle 10 ist mit der Abschirmungselektrode über rückzuführen ist. Nach einer Unterbrechung durch einen verstellbaren Widerstand 16 verbunden. Durch die positive Hälfte der Spannung 10 zeigt es sich, geeignetes Einstellen der Größe der Kompensationsdaß die nachfolgende Ionisationsstromspitze an dem spannung mit Hilfe des Widerstandes 16 kann man Meßwiderstand tatsächlich ein genaues Maß für die ein Nebensprechen von der Steuerelektrode zur Konzentration des zu messenden Gases in der 50 Sammelelektrode nahezu vollständig verhindern. Flamme ist; nach einer Unterbrechung durch die Hinter dem Wechselstromverstärker 11 ist eine

negative Hälfte der Spannung 10 ist jedoch die Schaltung 17 angeordnet, die im wesentlichen aus Ionisationsstromspitze nicht gesättigt, und sie richtet einer vier Transistoren 18 umfassenden Brückensich sowohl nach dieser Konzentration als auch nach schaltung besteht. Das Verhalten dieser Transistoren den Raumladungen, die in diesem Augenblick noch 55 richtet sich nach der Spannung 19, die bei jedem in dem Feld vorhanden sind. Mit anderen Worten, Transistor zwischen der Basis und dem Kollektor bei der ersten Spitze handelt es sich um einen ge- angelegt wird.

sättigten Strom, dessen Spitzenwert nur von den Eine pulsierende Spannung, die einem hier nicht

durch die Flamme erzeugten Ladungsträgern ab- gezeigten monostabilen Multivibrator entnommen hängt, während die zweite Spitze wegen der Diffu- 60 wird, wird zwischen den Klemmen 20 und 21 angesions- und Rekombinationseffekte nicht gesättigt ist legt. Diese Spannung gelangt zu der Primärwicklung und sich daher nicht ausschließlich nach den in dem eines Transformators 22 mit zwei Sekundärwicklunbetreffenden Augenblick durch die Flamme erzeug- gen, welche die erwähnte Spannung 19 liefern, ten Ladungsträgern richtet. Die Frequenz der Multivibratorspannung ist die

Um ein Ausgangssignal zu erhalten, das in opti- 65 gleiche wie diejenige der Wechselspannung 10. Die maler Weise linear von der erwähnten Konzentra- Multivibratorspannung besteht vorzugsweise aus tion abhängt, ist es zweckmäßig, dafür zu sorgen, scharf ausgeprägten rechteckigen Impulsen mit einer daß nur die zuerst erwähnten Stromspitzen zu dem Breite von etwa 1 Millisekunde.

sehr hoch sind, denn die Empfindlichkeit des Detektors nimmt mit höheren Konzentrationen des Gases in der Wasserstoffflamme ab.

Während der Dauer des Impulses ist die Schaltung 17 leitfähig; der Widerstand liegt in der Größenordnung von 10 Ohm; während des verbleibenden Teils der Periode ist die Schaltung 17 nicht leitfähig, und der Widerstand liegt in der Größen-Ordnung von einigen Megohm.

Man kann den Augenblick, in dem ein Impuls eintrifft, so wählen, daß er mit dem Erscheinen des oberen Teils der gewünschten Stromspitze zusammenfällt. Auf diese Weise wird nur der obere Teil der in Frage kommenden Spitze durchgelassen, was der Feststellung der Obergrenze entspricht.

Die Spitzen werden mit Hilfe eines Kondensators 23 geglättet. Der resultierende variierende Gleichstrom wird dann durch einen Filter 24 geleitet, der die Grundfrequenz von 50 Hz abschneidet; dieser Filter wird gewöhnlich so gewählt, daß nur diejenigen Schwankungen des Gleichstroms übertragen werden, welche unter 5 bis 10 Hz liegen.

An Stelle der Schaltung 17 könnte man natürlich eine andere Schaltung verwenden, z. B. einen in der gewünschten Weise gesteuerten mechanischen oder elektronischen Unterbrecher. Jedoch würde auch die obere bzw. die untere Hälfte der Schaltung 17 ausreichen; in diesem Falle würde sich der Widerstand während der Durchlaßperiode und der Sperrwiderstand während der Sperrperiode verdoppeln.

Die Empfindlichkeit der Anordnung läßt sich z. B. durch Verstellen des Meßwiderstandes 8 regem. Der volle Skalenausschlag der Anzeige kann z. B. 20 Teilen je Million (0,002%) η-Butan entsprechen, doch kann man ihn auf einen niedrigeren Wert von 1 Teil je Million η-Butan oder aber auf einen viel höheren Wert einstellen. Wenn eine hohe Empfindlichkeit erwünscht ist, gibt man dem Flammenionisationsdetektor im allgemeinen die kleinstmöglichen Abmessungen.

Claims (9)

Patentansprüche: 40

1. Anordnung zum Prüfen oder Analysieren von Gasen mit einem Flammenionisationsdetektor, der zwei Elektroden aufweist, an denen eine Gleichspannung anliegt und wobei dem Detektor ein Verstärker nachgeschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den beiden Elektroden (2, 6) eine als Steuerelektrode wirkende dritte Elektrode (9) angeordnet ist, die über eine Quelle (10) variierender Spannung mit einer der Elektroden (2, 6) verbunden ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, wobei der Brenner eine der beiden Elektroden darstellt, an denen die Gleichspannung anliegt, dadurch gekennzeichnet, daß die Quelle (10) variierender Spannung mit der Brennerelektrode (2) verbunden ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Verstärker (11) ein Wechselspannungsverstärker dient.

4. Anordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Feld zwischen der Steuerelektrode (9) und der nicht mit der Quelle (10) der variierenden Spannung verbundenen Elektrode (6) eine mit der anderen Elektrode (2) verbundene, zur Abschirmung dienende Hilfselektrode (13) angeordnet ist.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die variierende Spannung (10) der Steuerelektrode (9) in entgegengesetzter Phase der Hilfselektrode (13), vorzugsweise über einen verstellbaren Spannungsteiler (16), zugeführt ist.

6. Anordnung nach Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Wechselspannungsquelle (10) zum Erzeugen der variierenden Spannung dient und daß das Detektorsignal über eine mit der Frequenz der Wechselspannung gesteuerte Torschaltung (17) geleitet ist, die nur während des Durchgangs der nach der positiven Phase der Steuerelektrodenspannung erzeugten Detektorstromimpulse geöffnet ist.

7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Torschaltung (17) nur während des Durchgangs der Spitzenwerte der Detektorstromimpulse geöffnet ist.

8. Anordnung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Torschaltung (17) eine serienmäßige Gegeneinanderschaltung zweier Transistoren (18) oder Parallelschaltungen derartiger gegeneinandergeschalteter Transistoren (18) aufweist.

9. Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (9, 13, 6) zylindrisch ausgebildet und konzentrisch um den Brenner (2) angeordnet sind.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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