DE19755794C2 - Staudrucklose Gaseinspeisung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Gasversorgungssystem zur staudrucklosen Gaseinspeisung in Meß- und Analysengeräte, ein Meßgerät mit einem entsprechenden Gasversorgungssystem, ein Verfahren zur staudrucklosen Gaseinspeisung und die Verwendung des Gasversorgungssystems zur Kalibrierung von Meßgeräten.

In vielen Bereichen werden Gasanalysen an Proben der Umgebungsluft entnommen. So z. B. in der Umweltanalytik oder der Arbeitsplatzüberwachung. Das heißt, es werden Proben aus einer Gasatmosphäre unter Normalbedingungen (1013 mbar absolut, 20°C) entnommen und einem Meßgerät zugeführt. Solche Meßgeräte, z. B. Gaswarngeräte, müssen regelmäßig mit einem Gasgemisch (Kalibriergas) kalibriert werden. Das Kalibriergas muß mit Atmosphärendruck bereitgestellt werden, um eine fehlerfreie Kalibrierung der Geräte zu gewährleisten. Üblicherweise wird das Kalibriergas in Druckdosen bereitgestellt. Eine direkte, drucklose Versorgung mit dem Kalibriergas ist mit herkömmlichen Dosierventilen (z. B. mit einer Druckdose mit Feindosierentnahmeeinrichtung gemäß DE 195 16 602 A1) bisher nicht möglich. Auch der Einsatz von Druckreglern löst das Problem nicht, da die Einstellung eines definierten Hinterdruckes erforderlich ist und bei minimalem und diskontinuierlichem Kalibriergasverbrauch unweigerlich ein Staudruck in der Gasversorgungsleitung des Meßgerätes entsteht. Bei steigendem Gasdruck vergrößert sich der Volumenstrom des Gases zum Meßgerät. Die Messung wird verfälscht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine direkte und verläßliche staudrucklose Gasversorgung von Meß- oder Analysengeräten aus einer Druckgasquelle zu ermöglichen.

Die Aufgabe wurde gelöst durch ein Gasversorgungssystem mit den in Anspruch 1 beschriebenen Merkmalen.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist ein Gasversorgungssystem mit Druckgasquelle, Druckregler, Gasflußbegrenzung und Nulldruckeinrichtung.

Druckgasquellen sind beispielsweise Druckgasbehälter, insbesondere Druckgasflaschen und Druckdosen, oder Druckgasleitungen.

Druckregler oder Druckminderer dienen zur Verringerung des Gasdruckes (Vordruck) einer Druckgasquelle auf den Verbrauchsdruck (Hinterdruck). Der erzeugte Hinterdruck kann als festeingestellter Regelwert (gerätabhängig) oder variabel einstellbar sein. Druckregler mit definierter Hinterdruckeinstellung (fester Druckwert auf der Gasverbraucherseite) werden bevorzugt eingesetzt. Der Hinterdruck liegt z. B. im Bereich von 1 bis 600 mbar Überdruck (Relativdruck, bezogen auf Atmosphärendruck), vorzugsweise 10 bis 60 mbar, besonders bevorzugt 10 bis 50 mbar, insbesondere 10 bis 30 mbar.

Eine Gasflußbegrenzung ist allgemein ein Strömungswiderstand im Gaseweg, z. B. ein enger Leitungsquerschnitt im Gaseweg oder eine Verengung im Gaseweg. Die Gasflußbegrenzung wird in der Regel durch Einbau einer Leitungsverengung, einer Blende oder Kapillare in den Gaseweg, insbesondere in die Gasversorgungsleitung vor dem angeschlossenen Meßgerät, erzielt. Vorteilhaft wird die Gasflußbegrenzung in unmittelbarer Nähe hinter dem Druckregler (Niederdruckbereich; Hinterdruckbereich) angeordnet. Der Gasfluß liegt im allgemeinen im Bereich von 0,01 bis 15 Liter pro Stunde, vorzugsweise im Bereich von 0,01 bis 5 Liter pro Stunde, besonders bevorzugt 0,1 bis 0,5 Liter pro Stunde und insbesondere 0,1 bis 0,3 Liter pro Stunde.

Die sogenannte Nulldruckeinrichtung ist ein Gasauslaß, der so gestaltet ist, daß genügend Gas aus dem Gaseweg (z. B. Gasversorgungsleitung) abfließen kann, damit kein Gasstaudruck entsteht, und eine Diffusion von Gas von außen in den Gaseweg vermieden wird. Der Gasauslaß ist im einfachsten Fall eine Ausströmöffnung im Gaseweg, insbesondere in der Gasversorgungsleitung (Gasleitung). Der Gasauslaß ist z. B. ein kleines Loch oder eine kleine Öffnung in der Gasleitung oder einem Teilstück der Gasleitung (z. B. Gasschlauch oder Metallgasleitung). Die Ausströmöffnung kann eine feste Größe haben oder kann variabel (verstellbar) ausgeführt sein. Eine variable Ausströmöffnung kann z. B. durch ein Ventil, einen Schieber (Veränderung der Öffnungsfläche) oder eine verstellbare Lochblende (drehbare Blendenscheibe mit Löchern von unterschiedlichen Durchmessern) erhalten werden. Vorzugsweise ist der Gasauslaß mit einer Gasrückdiffussionssperre zur Vermeidung von eindringendem Gas von außen ausgestattet. Die Gasrückdiffussionssperre ist beispielsweise eine bei geringstem Gasfluß sich öffnende Klappe oder Kugelabdichtung, eine Verzweigung in der Gasversorgungsleitung (z. B. T-Stück, Bypass), ein sogenanntes Bunsenventil (Funktionsprinzip: geschlitzter Gummischlauch) oder ein Gasauffangsack (drucklos). Die Gasrückdiffussionssperre ist beispielsweise auch ein Gasströmungsmesser. Der Gasströmungsmesser ist vorzugsweise für geringste Gasströmungen ausgelegt. Ein geeigneter Gasströmungsmesser arbeitet beispielsweise im Bereich von 0,1 bis 25 Liter pro Stunde, bevorzugt 0,1 bis 5 Liter pro Stunde, insbesondere 0,1 bis 0,5 Liter pro Stunde. Geignete Gasströmungsmesser sind z. B. übliche Gasströmungsmesser, die mit einer Kugel oder einem Kegel im Gasstrom gegen die Schwerkraft arbeiten.

Überschüssiges Gas strömt bei der Nulldruckeinrichtung z. B. durch eine Öffnung gegen die Atmosphäre ab. Ein Druckaufbau wird vermieden, das Meßgerät (Analysengerät) wird drucklos oder nahezu drucklos mit dem Meßgas (Kalibriergas) versorgt. Die Messung wird nicht verfälscht. Druckschwankungen am Meßgerät werden durch die Nulldruckeinrichtung auf ein Minimum reduziert. Druckschwankungen sind in der Regel kleiner als 10 mbar, typischerweise im Bereich von 0 bis 5 mbar, insbesondere 0 bis 3 mbar.

Mit der Druckgasquelle verbundene Meßgeräte sind beispielsweise Massenspektrometer, vorzugsweise mit Gaseingangskapillare, Gassensoren oder Meßgeräte mit Gassensoren, z. B. Gaswarngeräte oder sogenannte Gasmonitore. Gassensoren sind in der Regel Gasdiffusionssensoren. Ein Gas-Meßgerät ist beispielsweise unter der Bezeichnung "Pac III S" von der Firma Dräger, Lübeck, im Handel. Das Gerät ist z. B. mit einem Sauerstoffsensor ausgerüstet. Ein personenbezogenes Gaswamgerät ist unter der Bezeichnung "MST ox-8600-D" bei der Firma MST Micro-Sensor-Technologie GmbH, München, erhältlich. Das Gerät ist z. B. mit einem elektrochemischen Gassensor (Meßprinzip: Brennstoffzelle) für Chlor, Kohlenmonoxid, Wasserstoff, Schwefelwasserstoff, Sauerstoff oder Blausäure (HCN) ausgestattet. Ein anderer Meßgerätetyp ist ein Helium-Leckdetektor (modifiziertes Massenspektrometer).

Staudrucklose (überdrucklose) Bedingungen sind in vielen Bereichen erforderlich, in denen die Zusammensetzung oder ein Bestandteil einer Gasatmosphäre gemessen wird (z. B. Atemgas bei der Narkose oder Helium Lecktest).

Meßgeräte wie Massenspektrometer werden für die staudrucklose Probenahme z. B. mit einem Kapillar-Einlaßsystem ausgestattet, über das das Meßgas angesaugt wird. Der erzeugte Volumenstrom hängt von der Kapillare und dem Ansaugdruck innerhalb des Gerätes ab. Die Gaszusammensetzung wird im Detektor, z. B. einem Quadrupolmassenfilter, bestimmt. Die gemessene Konzentration C einer Gaskomponente ist abhängig vom Volumenstrom. Es gilt vereinfacht folgende Abhänigkeit:

C = Detektorsignal/Gas-Volumenstrom.

Daraus wird deutlich, daß für die Konzentrationbestimmung der Gas-Volumenstrom für reproduzierbare Ergebnisse sehr konstant sein muß. Er wird durch die Bedingungen außerhalb der Meßsonde oder des Probenahmesystems und den geräteinternen Bedingungen bestimmt. Will man solche Geräte mit in Druckgasflaschen gespeicherten Gasgemischen definierter Zusammensetzung kalibrieren, so ist es nötig, dies unter gleichen Bedingungen, die den gerätespezifischen Meßbedingungen bzw. den Probeentnahmebedingungen entsprechend durchzuführen.

Besonders vorteilhaft ist der Einsatz einer Kombination aus Druckregler mit fest eingestellter oder einstellbarer Hinterdruckeinstellung, Gasflußbegrenzung im Gaseweg und Nulldruckeinrichtung für den direkten Anschluß von Meßgeräten an eine Druckgasquelle. Bei Verwendung von Druckdosen als Druckgasquelle eignen sich besonders Feindosierentnahmeeinrichtungen wie Feindosierventile und insbesondere Druckregelventile, wie in DE 195 16 602 A1 beschrieben, worauf Bezug genommen wird. Die Feindosierentnahmeeinrichtungen können auch elektrisch, magnetisch, hydraulisch oder pneumatisch betrieben werden, was für einen gesteuerten Betrieb vorteilhaft ist. Beispielsweise wird eine Druckdose mit Kalibriergas mit einer Feindosierentnahmeeinrichtung mit integriertem Druckregler ausgestattet. Vorzugsweise wird ein gesteuerter, elektromagnetisch betriebener Druckregler (z. B. Stößel-Druckregler) eingesetzt. Die Druckregelung erzeugt einen Hinterdruck von z. B. 1 bis 600 mbar (1001 bis 1600 mbar absolut), vorzugsweise 10 bis 60 mbar (1010 bis 1060 mbar absolut), besonders bevorzugt 10 bis 50 mbar (1010 bis 1030 mbar absolut), insbesondere 10 bis 30 mbar (1010 bis 1030 mbar absolut). An den Druckregler ist eine Gasleitung mit Gasflußbegrenzer (z. B. Blende, Leitungsverengung, Kapillare) und Nulldruckeinrichtung (z. B. Ausströmöffnung in der Leitung) angeschlossen, so daß zwischen Druckregler und Nulldruckeinrichtung (Ausströmöffnung) ein Gasfluß (Volumenstrom) im Bereich von 5 bis 10 Liter pro Stunde erzielt wird. Der Gasfluß zum Meßgerät sollte kleiner als zur Nulldruckeinrichtung sein (z. B. 1 bis 5 Liter pro Stunde), um ein Eindringen von Atmosphärengas in die Gasleitung auszuschließen. Durch die Verwendung eines gesteuerten Gaseversorgungssystems kann der Gasverbrauch von Kalibriergas erheblich reduziert werden, so daß statt der üblichen Druckdosen mit einem geometrischen Volumen von 1 Liter Druckdosen mit einem geometrischen Volumen im Bereich von 0,01 bis 0,25 Liter (Kleinstdruckdosen), z. B. 0,125 Liter geometrisches Volumen (5 bar/0,625 Liter Gasinhalt; 12 bar/1,5 Liter Gasinhalt) oder 0,06 Liter geometrisches Volumen (12 bar/0,72 Liter Gasinhalt), verwendet werden können. Aufgrund der geringeren Maße der einsetzbaren Druckdosen (Kleinstdruckdosen) kann das Gaseversorgungssystem mit Druckdose in das Meßgerät (z. B. Massenspektrometer) eingebaut werden und die Steuerung des Gaseversorgungssystems für die Kalibrierung durch eine Steuereinheit im Meßgerät erfolgen.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist daher ein Gaseversorgungssystem mit Nulldruckeinrichtung, das in ein Meßgerät eingebaut ist und eine Kleinstdruckdose als Druckgasquelle, insbesondere zur Kalibrierung, enthält. Das Gaseversorgungssystem mit Nulldruckeinrichtung ist vorzugsweise gesteuert.

Fig. 1 zeigt schematisch ein Beispiel für eine staudrucklose Gasversorgung im Längsquerschnitt. Von der Gasquelle 1, die in der Regel mit einem Absperrventil ausgerüstet ist, gelangt das Gas (z. B. Kalibriergas) über einen Druckregler 2 und Gasleitung 3 mit den Blenden 10 zur Nulldruckeinrichtung 4. Die Nulldruckeinrichtung 4 ist hier ein Verbindungsstück 5 mit einer Ausströmöffnung 6. Der Druckregler 2 ist beispielsweise ein Druckdosenregler mit integriertem Absperrventil, dieser ist fest auf einen Hinterdruck von ca. 10 bis 600 mbar, vorzugsweise 10 bis 60 mbar, besonders bevorzugt 10 bis 30 mbar, eingestellt. Eine Durchflußbegrenzung des Gases wird durch zwei hintereinander eingebaute Blenden 10 (z. B. in der Schlauchtülle) gebildet. Der Volumenstrom des Gases ist abhängig vom Hinterdruck des Druckreglers 2 und beträgt je nach Vordruck in der Gasquelle (z. B. Druckdose) etwa 10 bis 15 Liter pro Stunde.

Das Verbindungsstück 5 zur Kapillare 7 (Eingangskapillare oder Kalibrierkapillare des Meßgerätes) ist in diesem Falle ein Schlauch. Dieser Schlauch ist mit einer Ausströmöffnung 6 versehen, wodurch das überschüssige Gas ausströmt. Die Ausströmöffnung 6 hat einen Öffnungsdurchmesser von 0,5 mm. Über die Kapillare 7 bezieht das Meßgerät 8 (z. B. Massenspektrometer) bei Bedarf (für die Kalibrierung) Gas aus dem Gasstrom, gegebenenfalls über eine Ansaugpumpe. Absperrventil und Druckregler 2 werden bei Bedarf von Hand betätigt. Hierbei ist zu beachten, daß die Druckgasquelle 1, insbesondere bei Verwendung einer Druckdose als Druckgasquelle, innerhalb kurzer Zeit geleert ist, wenn das Absperrventil der Druckgasquelle 1 nicht nach der Kalibrierung geschlossen wird.

Fig. 2 zeigt schematisch ein Beispiel für eine staudrucklose Gasversorgung mit Steuerventil 11 (gezeigt im Längsquerschnitt). Das Steuerventil 11 ist beispielsweise ein Magnetventil, das über eine Steuerung zur Kalibrierung geöffnet und geschlossen wird. Die Steuerung ist beispielweise eine Mikroprozessor- oder Computersteuerung. Die Steuerung (Steuereinheit) mit dem Ablaufprogramm für die Ventilsteuerung ist vorzugsweise in dem Meßgerät integriert. Durch eine Gasdurchflußbegrenzung (z. B. Blenden oder Verengungen) in der Gaseleitung 3 kann der gewünschte Volumenstrom des Gases vorgegeben oder eingestellt werden.

Ablauf der automatischen (gesteuerten) Kalibrierung: Nach dem Öffnen des Steuerventils 11 wird das nachfolgende Stück der Gaseleitung 3 mit Nulldruckeinrichtung 4 mit z. B. 1600 mbar absolut des Gases beaufschlagt. Es stellt sich ein Gasstrom über die Ausströmöffnung 6 ein (etwa 10 Liter pro Stunde). Nach einer angemessenen Spülzeit (z. B. 2 bis 10 Sekunden) wird das Steuerventil 12 am Eingang des Meßgerätes 8 (z. B. Massenspektrometer) geöffnet und das Gas gelangt zum Meßgerät 8. Das Gas wird angesaugt (ca. 5 Liter pro Stunde). Wichtig ist das der Gasstrom zwischen Druckgasquelle 1 und Ausströmöffnung 6 größer ist als der Gasstrom zum Meßgerät 8. Dadurch werden keine atmospärischen Verunreinigungen von außen über die Ausströmöffnung 6 angesaugt. Eine Gasrückdiffusionssperre an der Ausströmöffnung 6 ist vorteilhaft. Bei der gesteuerten Kalibriergasversorgung des Meßgerätes werden nur sehr geringe Gasmengen benötigt, da die Steuerventile 11 und 12 nur kurzzeitig geöffnet werden. Kleinstdruckdosen können mit Vorteil eingesetzt werden.

Fig. 3 zeigt analog zu Fig. 1 ein Gasversorgungssystem mit einem Gasflußmesser 9 als Gasrückdiffusionssperre an der Ausströmöffnung 6. Der Gasflußmesser 9 bietet den Vorteil, daß nicht nur ein Eindringen von Gas aus der Atmosphäre verhindert wird (Rückdiffusionssperre), sondern gleichzeitig der Gasfluß kontrolliert und beobachtet werden kann. Der Gasfluß kann beispielsweise mittels eines Ventils (Drossel) in der Gasleitung 3 eingestellt werden. Die Nulldruckeinrichtung 4 besteht aus Verbindungsstück 5, Ausströmöffnung 6 und Gasflußmesser 9.

Fig. 4 zeigt schematisch eine Gasversorgung für einen Gasdiffusionssensor eines Gaswarngerätes als Meßgerät 8. Auf den Sensor ist eine Kappe (z. B. Gummikappe) als Verbindungsstück 5 angebracht. Verbindungsstück 5 (Kappe) mit Ausströmöffnung 6 und Gasflußmesser 9 bilden die Nulldruckeinrichtung 4. Verbindungsstück 5 (Kappe) ist über die seitliche Anschlußöffnung mit der Gaseleitung 3 verbunden. Zur Gasflußbegrenzung dient eine Verengung 10, die durch einen Einsatz in der Gasleitung 3, eine zwischengeschaltete Kapillare oder durch eine entsprechend enge Anschlußöffnung gebildet werden kann. Der Druckregler 2 ist vorzugsweise steuerbar. Zur Steuerung können auch ein oder mehrere Steuerventile (z. B. Magnetventile) in der Gaseleitung 3 angebracht werden, z. B. hinter dem Druckregler 2 (Niederdruckseite).

Bezugszeichenliste

1

Gasquelle

2

Druckregler

3

Gasleitung

4

Nulldruckeinrichtung

5

Verbindungsstück

6

Ausströmöffnung

7

Kapillare (Gaseingang)

8

Meßgerät

9

Gasdurchflußmesser

10

Gasflußbegrenzer (Verengung, Blende)

11

Steuerventil

12

Steuerventil

Claims (14)

1. Gasversorgungssystem zur staudrucklosen Gasversorgung eines Meßgerätes (8) mit einer Druckgasquelle (1), einem Gasflußbegrenzer (10), einer Ausströmöffnung (6), wodurch überschüssiges Gas ausströmt, und einer Gasrückdiffusionssperre.

2. Gasverversorgungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßgerät (8) ein Massenspektrometer, ein Gassensor, ein Meßgerät mit Gassensor oder ein Helium-Leckdetektor ist.

3. Gasverversorgungssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Druckregler (2) enthalten ist.

4. Gasverversorgungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Steuerventil (11) oder (12) oder ein gesteuerter Druckregler (2) enthalten ist.

5. Gasverversorgungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßgerät (8) über eine Kapillare (7) angeschlossen ist.

6. Gasversorgungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Gasversorgungssystem einen Gasdurchflußmesser (9) als Gasrückdiffusionssperre enthält.

7. Gasversorgungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausströmöffnung (6) verstellbar ist.

8. Gasversorgungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Gasversorgungssystem eine Kleinstdruckdose als Druckgasquelle (1) enthält.

9. Gasversorgungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Gaseversorgungssystem in ein Meßgerät eingebaut ist.

10. Meßgerät mit eingebautem Gasversorgungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8.

11. Meßgerät nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gasversorgungssystem mit Druckdose eingebaut ist und die Steuerung des Gasversorgungssystems für die Kalibrierung durch eine Steuereinheit im Meßgerät erfolgt.

12. Meßgerät nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßgerät ein Massenspektrometer ist.

13. Verfahren zur staudrucklosen Gasversorgung von Meßgeräten (8), dadurch gekennzeichnet, daß Gas aus einer Druckgasquelle (1) einem Meßgerät (8) zugeführt wird und überschüssiges Gas durch eine Ausströmöffnung (6) ausströmt.

14. Verwendung eines Gasversorgungssystems nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zur Kalibrierung von Meßgeräten (8).