DE2421860A1

DE2421860A1 - Fuehlelement fuer photokolorimetrischen gasanalysator, verfahren zur herstellung des fuehlelements und photokolorimetrischer gasanalysator mit dem fuehlelement

Info

Publication number: DE2421860A1
Application number: DE2421860A
Authority: DE
Inventors: Nikolai Gawrilowitsc Afanasiew
Original assignee: AFANASIEW
Current assignee: AFANASIEW
Priority date: 1974-05-06
Filing date: 1974-05-06
Publication date: 1975-11-13
Also published as: DE2421860B2; DE2421860C3

Description

Fühlelem ent für photokolorimetrischen Gasanalysatqr, Verfahren zur Herstellung des Fühlelements und photokolorimetrischer Gasanalysator mit dem Fühlelement Die Erfindung bezieht sich auf einen Analysator für die Zusammensetzung von gasförmigen Medien, der auf der Bestimmung von Änderungen von optischen Eigenschaften eines Fühlelements bei Einwirkung des zu analysierenden Mediums beruht, insbesondere auf ein Fühlelement für einen photokolorimetrischen Gasanalysator, ein Verfahren zur Herstellung des Fühlelements und einen Gasanalysator mit einem derartigen Fühlelement zur Messung der Konzentration oder Dosis der konzentrierten Einwirkung von toxischen und aggressiven Gasen.
Bekannt sind Fühlelemente von photokolorimetrischen Gasanalysatoren, die in Gestalt eines Textil-, Papier- oder Kunststoffbandes (eines Fadens) sowie in Form von Filterpapier, das mit einem für das betreffende Gas spezifischen Reagens imprägniert wird, ausgeführt sind (vgl.
z. B. Sammelwerk 'Automatische Gasanalysatoren", SKI AP Akademie der Wissenschaften der UdSSR, 1961, Moskau, S. 320 - 324; Zeitschrift "Analytical Chemistry", 1958, Nr. 7 - 8, S. 1236, Nr. 27, 1955, 3, S.
429, CS-PS 138 110, Kl. 421 4/13; SU-Erfinderschein 122 634, Kl. G Oln).
Als Resultat der chemischen Wechselwirkung eines auf einen solchen Träger aufgebrachten Reagens mit der zu ermittelnden Komponente des zu analysierenden Gasgemisches bildet sich ein neuer Stoff (Reaktionsprodukt), der die optischen Eigenschaften der Oberfläche des Fühlelements verändert.
Diese Fühlelemente weisen wesentliche Nachteile auf: - unbequemer Einsatz bei der automatischen Betriebsweise, - große Außenmaße, die durch die Anzahl der Messungen bedingt sind, - keine hohe Meßgenauigkeit, die durch die Inhomogenität der Trägertextur bedingt ist, - niedrige Empfindlichkeit und enger Meßbereich, die durch die begrenzte Adsorptionsfähigkeit des Trägers und folglich durch die begrenzte Menge des Reagens und des zu sorbierenden Gases pro Einheit der zu beaufschlagenden Oberfläche bedingt sind, - kurze Lagerzeit, die mindestens zwei Ursachen hat: Die erste Ursache besteht in der Beeinflussung des Reagens durch chemisch aktive Stoffe, die im Träger enthalten sind, beispielsweise durch solche wie Zellulose, Lignin (innere Faktoren); die zweite Ursache ergibt sich aus dem Einfluß der zu analysierenden Atmosphäre auf das Fühlelement noch vor dessen Beaufschlagen in der Reaktionszone, da es gegenüber dieser Atmosphäre im Gerät unmöglich isoliert werden kann (äußere Faktoren).
Außerdem werden die großen Abmessungen des Bandes von der Notwendigkeit bestimmt, einen relativ großen Abschnitt der Bandoberfläche zwecks Mittelung (Integration) der Reaktionsergebnisse wegen der Trägerungleichmäßigkeit zu beaufschlagen.
Bekannt sind auch Fühlelemente in Gestalt von Küvetten mit durchsichtigen Fenstern, die mit der Lösung des chemischen Reagens gefüllt werden.
Bei der Wechselwirkung mit der zu ermittelnden Komponente des zu analysierenden Gemisches, das ständig oder zyklisch durch die Lösung geleitet (hindurchgeperlt) wird, verändert sich die optische Dichte dieser Lösung, die nach irgendeinem Verfahren gemessen werden kann (vgl. z. B.
Sammelwerk "Automatische Gasanalysatoren" SKBAPAN der UdSSR, 1961, Moskau, S. 307 - 331).
Außerdem sind Fühlelemente von photokolorimetrischen Anzeigern für giftige Gase bekannt, die in Form von Anzeigeröhren oder -stiften ausgeführt sind (vgl. z. B. das Buch von Ja. Wanja "Analysatoren für Gase und Flüssigkeiten", Verlag Energija, 1970, Moskau; SU-Erfinderscheine Nr. 99 872, 174 002, 217 029, 199 489, 133 267, 131 961, 63 963, Klasse G Oln).
Die Anzeigeröhre stellt einen durchsichtigen Glas zylinder dar, der mit einem durch die Reagenslösung imprägnierten Träger (meist Silikagel) gefüllt und beidseitig zum Schutz gegen die Einwirkung der Umgebung bei der Lagerung zugelötet ist. Vor der Messung wird die Röhre aufgebrochen, meistens von Hand, und durch diese Röhre wird ein bestimmtes Volumen der zu analysierenden Luft durchgesaugt. Die Größe der Konzentration ermittelt man aus der Intensität der Färbung oder der Länge des gefärbten Röhrenabschnitts, wobei man die Färbung mit einer Standardskala visuell vergleicht.
Der Stift wird aus dem Gemisch eines chemisch aktiven Reagens (das für jedes Gas verschieden ist), eines Füllstoffes und einer Bindemittelkomponente durch Pressen hergestellt. Mit diesem Stift kann man auf Papier, Holz, Ziegelmauerwerk sowie auf polierten Oberflächen schreiben. Eine mittels dieses Stiftes aufgetragene Markierung erlangt in Anwesenheit von giftigen Gasen eine charakteristische Färbung. Bestimmt ist der Stift zur qualitativen Ermittlung von giftigen Gasen, zur Feststellung der Grenzen einer Geländeverseuchung usw.
Die Anzeigeküvetten besitzen folgende Nachteile: -Schwierigkeiten bei Einsatz in automatischer Betriebsweise, - Notwendigkeit, die Reagenslösung von den chemischen Reaktionsprodukten zu reinigen, - Notwendigkeit einer Spülung der Küvette mit Lösungsmittel oder Wasser, - geringe Betriebsdauer der Anzeigelösung.
Den Anzeigeröhren sind folgende Nachteile eigen: - niedrige Genauigkeit wegen der subjektiven Auswertung der Meßergebnisse, - komplizierte Verwendung (Vorhandensein von manuellen Arbeitsgängen), - Notwendigkeit, sie in einem verdunkelten Raum zu lagern, um sie gegen die Einwirkung der Sonnenstrahlung auf viele Reagenzien zu schützen, - einmalige Verwendung.
Zu den Nachteilen eines Anzeigestiftes kann man zählen: - keine hohe Genauigkeit der Analyse, weil erstens die Menge des pro Einheit der Oberfläche aufzutragenden Reagens für jede Markierung unterschiedlich ist und von der Anpreßkraft jedes Beobachters sowie von physikalischen Eigenschaften der Oberfläche, auf der die Markierung erfolgt, abhängt; zweitens die Auswertung der Färbung, die bei der Einwirkung des giftigen Gases auf die Markierung erhalten wird, subjektiv ist.
Die niedrige Genauigkeit schränkt das Anwendungsgebiet des Stiftes ein und gestattet es nicht, ihn für Präzisionsmessungen einzusetzen.
Ein Nachteil des Anzeigestiftes ist auch, daß seine Betriebsdauer nicht hoch (bis zu 6 Monaten) ist wegen der niedrigen Dichte und folglich wegen der Zerstörung des Reagens durch die giftigen Gase, die in die Tiefe des Griffes leicht eindiffundieren. Dieser Nachteil ergibt sich unmittelbar aus der eigentlichen Zweckbestimmung des Stiftes: Auftragung von Markierungen auf die Oberflächen. Deshalb kann man ihn nicht ausreichend dicht zwecks Begrenzung der Diffusion von Gasen in die Tiefe herstellen, weil er sonst aufhört zu schreiben.
Außerdem ist ein Nachteil des Anzeigestiftes, daß manuell auszuführende Arbeitsgänge bei seinem Einsatz vorhanden sind.
Es sind auch Verfahren zur Herstellung der in Rede stehenden Fühlelemente bekannt (vgl. die oben angegebenen Literaturstellen sowie auch die SU-Erfinderscheine 168 514, 197 261, Klasse G Oln).
Das Herstellungsverfahren für die Anzeigebänder besteht in der Regel im wesentlichen in den folgenden Arbeitsgängen: - Vorbereitung des Trägers zum Aufbringen des Reagens (Abwaschen in Lösungsmittel, Abkochen, Bleichen, Spülen in destilliertem Wasser), - Trocknung in vorgegebener Betriebsart, - Zubereitung einer Imprägnierlösung mit der erforderlichen Konzentration des Reagens, ;:.Imprägnierung des vorbereiteten Trägers unter vorgegebenen Bedingungen, - Trocknung des imprägnierten Trägers, Aufwicklung auf Kassetten, Pårameterkontrolle, Verpackung.
Das Herstellungsverfahren für Anzeigeküvetten besteht im wesentlichen in folgendem: - Auswahl eines erforderlichen Reagens und eines neutralen ii)-suflgsmittels, - Zubereitung einer Lösung mit der geforderten Konzentration des Reagens, - Qualitätskontrolle, - Herstellung der Küvette (Auswahl von lösungsmittelbeständigen Materialien, Auswahl von Fenstern mit den erforderlichen Spektralcharakteristiken), - Eingießen der Reagenslösung in die Küvette.
Das Herstellungsverfahren für die Anzeigeröhren besteht im wesentlichen in folgendem.
- Vorbereitung des Trägers zur Imprägnierung mit Reagenslösung, - Zubereitung der Imprägnierlösung mit der geforderten Konzentration des Reagens, - Imprägnierung des vorbereiteten Trägers, - Trocknung des imprägnierten Trägers, - Füllung der Röhren mit Träger, Verlötung der Enden, Qualitätskontrolle, Verpackung.
Das Herstellungsverfahren für Anzeigestifte läßt sich im wesentlichen zurückführen auf: - Auswahl und Vorbereitung eines Reagens, eines Füllmittels und einer Bindem ittelkomponente, - Zusammensetzen der geforderten Komposition, - Pressen, - Qualitätskontrolle, Verpackung.
Der gemeinsame Nachteil der Herstellungsverfahren für die Fühlelemente - Anzeigebänder, -röhren und -küvetten - besteht in der Kompliziertheit der Technologie und in den Schwierigkeiten bei der Automatisierung des Herstellungsprozesses der Fühlelemente.
Darüber hinaus ist ein Nachteil des Verfahrens zur Herstellung von Bändern die praktisch unvermeidliche Streuung der Bandparameter nach der Länge und von Band zu Band wegen allmählichen Verbrauchs des Reagens in der Imprägnierlösung.
Der Nachteil des Verfahrens zur Herstellung von Anzeigestiften ist dessen Beschränktheit auf das Preßverfahren und einen relativ geringen Druck, was durch die Notwendigkeit bedingt ist, einen weichen Stift zu erhalten, der das Schreiben ermöglicht.
Bekannt - sind außerdem verschiedene Mittel und Geräte (photokolorim etris che G asanalysatoren) mit den oben betrachteten Fühlelementen (vgl. z. B. den Prospekt der DT-Firma Meihak; US-Bulletin RAC 2263-A; Zeitschrift "Analytical Chemistry", Nr. 7 - 8, (1958), S. 1236; US-PS 1 253 568, Kl. 1777 - 311, Nr. 2 622 015, Kl- 23-255, 2 232 622, Kl. 23-255, Nr. 2 113 063, Kl. 23-255; DT-PS 1 109 417, Kl. 421, 4/06; CS-PS 138 110, Kl. 421, 4/13 zug Oln); SU-Erfinderschein 333 416, Kl.
G Olnq Sammelwerk "Automatische Gasanalysatoren", SKB AP Akademie der Wissenschaften der UdSSR, 1961, Moskau, S. 307 - 331). Allen diesen Geräten und Mitteln sind sowohl die Nachteile ihrer Fühlelemente als auch eigene Nachteile eigen, die weiter unten behandelt werden.
Bei den Band-Gasanalysatoren wird das zuvor mittels eines Reagens imprägnierte und getrocknete Band kontinuierlich oder zyklisch in die Zone der chemischen Reaktion mit Hilfe einer Bandtransportmechanik (Geräte mit trockenem Band) bewegt. Nach oder während der Beaufschlagung in der Reaktionszone durch die zu analysierende Luft wird das Band mit Hilfe eines Fotodetekt ors fotometrisch gemessen. Die Registrierung der Fotometrierungsergebnisse wird mit Hilfe eines elektrischen Systems und verschiedener Signal- oder selbstschreibender Vorrichtungen vorgenormen.
Zu den Nachteilen dieser Geräte gehören große Abmessungen und ein hohes Gewicht sowie eine niedrige Betriebssicherheit, die sich aus dem Vorhandensein der komplizierten Bandtransportmechanik ergeben, die aus einer Reihe von elektromechanischen Baugruppen und -teilen besteht: einem Elektromotor, einem Getriebe, einer Andrückbaueinheit, Führungsrollen, Nocken, Hebeln, Umschaltern, Kassetten.
Bekannt sind ebenfalls Band-Gasanalysatoren, bei denen das Reagens sich in einer Spezialvorrichtung des Geräts befindet und mit Hilfe eines Zuteilers auf das Band unmittelbar vor der Analyse aufgebracht wird (Geräte mit nassem Band).
Diese Geräte besitzen sämtliche Nachteile der Geräte mit trokkenem Band und sind zusätzlich durch Einrichtungen zum Aufbewahren und Dosieren der Reagenslösung kompliziert.
Bekannt sind Gasanalysatoren mit A nzeig eküvetten (Flüssigkeitgeräte), in denen die Reagenslösung mit Hilfe von Spezialeinrichtungen nach einem gewählten Zeitzyklus oder kontinuierlich der Küvette zugeführt wird. Durch dieselbe Küvette wird die zu analysierende Luft hindurchgeperlt und hiernach mit Hilfe eines Fotodetektors fotometrisch gemessen. Die Registrierung der Meßergebnisse kann genauso wie bei den Bandgeräten erfolgen. Nach der Messung soll die Küvette gespült und die Lösung regeneriert werden.
Diese Geräte sind komplizierter als alle bekannten photokolorimetrischen Gasanalysatoren.
Unter den Nachteilen der Flüssigkeitsgeräte sind folgende zu erwähren: - komplizierte Konstruktion des automatischen Gerätes und niedrige Betriebssicherheit wegen des Vorhandenseins der Einrichtungen für die Zuführung der Lösung und der zu analysierenden Luft in die Küvette: Pumpen, Zuteiler, Motoren Ventile, Umschalter, - kurze Betriebsdauer.
Außerdem sind Einrichtungen zum periodischen Spülen der Küvette und zum Reinigen der Reagenslösung von den Produkten der chemischen Reaktion zwîschen dem Reagens und der zu ermittelnden Komponente erforderlich.
Es sind auch verschiedene Vorrichtungen mit Anzeigeröhren und -stiften bekannt.
Die Anzeigeröhre bei diesen Vorrichtungen zur Bestimmung der Konzentration der zu ermittelnden Komponente wird mit Mitteln zum Undichtmachen und Leiten einer Probe der zu analysierenden Luft auf die Anzeigemasse versehen. Als erwähnte Mittel werden üblicherweise Hand-oder automatische Pumpen (Gummibirnen9 Balgpumpen, Durchflußerreger mit Elektroantrleb) verwendet. Darüber hinaus müssen die Anzeigeröhren tt'id -stifte mit einer standardisierten Farben- oder Linearskala zur Auswertung der Reaktionsergebnisse versehen sein, während der Stift noch eine Einrichtung zur Zeitzahlung besitzen soll, da die Färbungsintensität der Markierung sowohl von der Konzentration des giftigen Gases als auch von der Dauer seiner Einwirkung auf die Marke, d. h. von der Dosis der konzeiitrierten Einwirkung, abhängt.
Zu den Nachteilen dieser Mittel gehören die Nachteile, die sämtlichen nichtautomatischen Geräten eigen sind, sowie außerdem die folgenden unbequemer Gebrauch; - keine Verwendung für Präzisionsmessungen wegen des zufälligen Charakters der erzielten Ergebnisse; - die Notwendigkeit, eine Standardskala anzufertigen, die entsprechende Meß- und Betriebs eigenschaften (Genauigkeit der Wiedergabe der Färbung, Stabilität ) besitzen soll.
Der Nachteil der Mittel mit Anzeigestiften ist deren begrenztes Anwendungsgebiet wegen der Notwendigkeit, über irgendwelche Oberfläche zum Auftragen einer Markierung zu verfügen, was nicht immer einfach und möglich ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Beseitigung der erwähnten Nachteile der bekannten Fühlelemente für einen photokolorimetrischen Gasanalysator, der Verfahren zu deren Herstellung und der photokolorim etrischen Gasanalysatoren mit diesen Fühlelementen ein Fühlelement fiir photokolorimetrische Gasanalysatoren zu schaffen, das die gemeinsamen Vorzüge sämtlicher photokolorimetrischen Fühlelemente (hohe Empfindlichkeit und Selektivität beibehält und von den oben angegebenen Nachteilen frei ist, sowie auch die Verfahren zur Herstellung dieser Fühlelemente zu vereinfachen und einen zuverlässigeren automatischen photokolorimetrischen Gasanalysator in kleiner Bauweise mit diesem Fühlelement zu entwickeln.
Ein Fühlelement für einen photokolorimetrischen Gasanalysator mit einem für die zu ermittelnde Komponente des zu analysierenden Gasgemisches selektiven Reagens und mit einem bezüglich des Reagens und des Gasgemisches inerten Füllstoff, ist erfindungsgemäß gekennzeichnet durch eine Tablette aus einem gleichmäßigen Gemisch von Reagens und Füllstoff.
Es ist zweckmäßig, daß die Tablette in Tiefenrichtung gasundurchlässig für das zu analysierende Gasgemisch ist.
Ferner empfiehlt es sich, daß die Tablette mehrere Sektionen enthält, deren jede ein für die zu ermittelnde Komponente des Gasgemisches selektives Reagens und einen bezüglich des Reagens und des Gasgemisches inerten Füllstoff aufweist.
Die Erfindung wird dadurch vorteilhaft weitergebildet, daß die Tablette mit mindestens einer Eichsektion versehen ist, die ein Pigment und einen Füllstoff enthält, die zueinander und bezüglich des Gasgemisches inert und in einem solchen Verhältnis gewählt sind, daß der Reflexionskoeffizient der Eichsektion gleich dem Reflexionskoeffizienten der Tablette vor und nach deren Wechselwirkung mit der zu ermittelnden Komponente ist.
Das Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Fühlelements eines photokolorimetrischen Gasanalysators, das auf dem Eindringen des Reagens in den Füllstoff beruht, ist erfindungsOemäß dadurch gekennzeichnet, daß das Eindringen durch gleichmäßiges Vermischen des Reagens und des Füllstoffes vorgenommen wird und aus diesem Gemisch Tabletten hergestellt werden.
Dabei gibt, es verschiedene Herstellungsarten der Tabletten, nämlich: daß die Tabletten durch Pressen des Gemisches eines pulverförmigen Reagens und eines pulverförmigen Füllstoffes hergestellt werden; daß die Tabletten durch Härten des Gemisches eines pulverförmigen Reagens und eines geschmolzenen Füllstoffes hergestellt werden; daß die Tabletten durch Härten des Gemisches eines geschmolzenen Reagens und eines pulverförmigen Füllstoffes hergestellt werden; und daß die Tabletten durch Härten des Gemisches ein es geschmolzenen Reagens und eines geschmolzenen Füllstoffes hergestellt werden.
Es empfiehlt sich, daß zur selektiven Analyse von Wasserdämpfen die Tabletten aus dem Gemisch von 7 Gewichtsteilen pulverförmiges Kobalt(II)-jodid CoJ2 2H2O und 3 Gewichtsteilen pulverförmiges Polyäthylen unter einem Druck von 4 - 20 Mp gepreßt werden.
Ebenso ist es zweckmäßig, daß zur selektiven Analyse von Ammoniak die Tabletten aus dem Gemisch von 9 Gewichtsteilen pulverförmiges Bromphenolblau C19H10Br4O5S und 1 Gewichtsteil pulverförmiges Polyäthylen unter einem Druck von 4 - 20 Mp gepreßt werden.
Ferner ist es vorteilhaft, daß zur selektiven Analyse von Schwefelwasserstoff die Tabletten aus dem Gemisch von 8 Gewichtsteilen pulverförmiges Bleiazetat (CH COO),Pb 3H2O und 2 Gewichts-3 2 teilen pulverförmiges Polyäthylen unter einem Druck von 4 - 20 Mp gepreßt werden.
Weiter ist es zweckmäßig, daß zur selektiven Analyse von Stickstoffoxiden die Tabletten aus dem Gemisch von 8 Gewichtsteilen pulverförmiges Benzidin C12Hl2N2 und 2 Gewichtsteilen pulverförmiges Polyäthylen unter einem Druck von 4 - 20 Mp gepreßt werden.
Ferner ist es vorteilhaft, daß zur selektiven Analyse von Ammoniak die Tabletten durch Härten des Gemisches von 1 Gewichtsteil pulverförmiges Bromphenolblau C19H10Br4O5S und 9 Gewichtsteilen geschmolzenes Wachs hergestellt werden.
Es ist auch zweckmäßig, daß zur selektiven Analyse von Schwefelwasserstoff die Tabletten durch Härten des Gemisches von 9 Gewichtsteilen geschmolzenes Bleiazetat (C-H COO),Pb 3H2O und 1 Gewichtsteil 3 2 pulverförmiges Silikagel hergestellt werden.
Ferner empfiehlt es sich, daß zur selektiven Analyse von Stickstoffoxiden die Tabletten durch Härten des Gemisches von 8 Gewichtsteilen geschmolzene N-Phenylanthranilsäure C 6H5NHC 6H4 COOH und 2 Gewichtsteilen geschmolzenes Wachs hergestellt werden.
Ein photokolorimetrischer Gäsanalysator, bei dem elektromagnetische Strahlung nach Wechselwirkung mit dem Fühlelement durch einen Strahlungsempfänger erfaßt wird, hat erfindungsgemäß das Fühlelement nach der Erfindung.
Ein derartiger photokolorimetrischer Gasanalysator wird weitergebildet durch ein Mittel zum Entfernen der mit einer bestimmten Komponente des Gasgemisches in Reaktion getretenen Schicht des Fühlelementes zwecks Durchführung von Mehrfach-Messungen.
Die Oberfläche des nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Fühlelementes für einen photokolorimetrischen Gasanalysator nach der Erfindung ist imstande, ihre optischen Eigenschaften bei der Wechselwirkung mit der zu ermittelnden Komponente des zu analysierenden Gemisches zu ändern.
Die Möglichkeit der qualitativen Analyse wird durch Auswahl eines für die gegebene Komponente spezifischen Reagens sichergestellt, während die Möglichkeit der quantitativen Messungen durch Abhängigkeit der Änderung der optischen Eigenschaften der Element-Oberfläche von der Menge der zu ermittelnden Komponente, die auf der Oberfläche des Elements adsorbiert ist, bedingt ist.
Infolge der Gasundurchlässigkeit des Fühlelementes des photokolorimetrischen Gasanalysators, die durch die Preßkraft oder die isolierende Wirkung des Füllstoffes gewährleistet wird, ist die mit der zu ermittelnden Komponente in Reaktion tretende Oberflächenschicht sehr dünn (mehrere 10 zum), und nach deren Entfernung ist das Fühlelement zur wiederholten Messung bereit.
Dank einer solchen Ausführung des Fühlelementes vermindern sich dessen Abmessungen und Gewicht, erhöht sich die Meßgenauigkeit durch eine gleichmäßigere Verteilung des Reagens auf der Oberfläche und in der Tiefe des Elements, erweitert sich der Meßbereich und erhöht sich die Empfindlichkeit dank der Vergrößerung der Menge des Reagens pro Einheit der reagierenden Oberfläche, wird die Lagerzeit dadurch länger, daß das Reagens in der Tiefe des Elementes im neutralen Medium aufbewahrt wird und von der Einwirkung der umgebenden Atmosphäre vollkommen isoliert ist. Die Empfindlichkeit des Fühlelementes kann durch die Preßkraft, die Oberflächengüte des Fühlelementes, die Auswahl des erforderlichen Reagens und dessen Verhältnis zum Füllstoff eingestellt werden. Außerdem macht die sektorweise Ausführung des Fühlelementes aus einem Satz verschiedener spezifischer Reagenzien die gleichzeitige Analyse von Mehrkomponentenmedien mit Hilfe nur eines Fühlelementes mögich .
Weiterhin ist die Möglichkeit gegeben, den erfindungsgemäßen photokolorimetrischen Gasanalysator mit einem eine Eichsektion aufweisenden Fühlelement zu vereinfachen.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung des Fühlelementes vereinfacht die Technologie, eliminiert Fehler des Fühlelementes durch Instabilität der Reagenskonzentration in der Imprägnierlösung und läuft auf einfache, leicht automatisierbare Verfahrensschritte hinaus.
Bei dem photokolorimetrischen Gasanalysator, der das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte erfindungsgemäße Fühlelem ent benutzt, wird die Kinematik vereinfacht, werden Außenabmessungen und Gewicht vermindert sowie die Zuverlässigkeit gesteigert. Aus den obigen Darlegungen ist ersichtlich, daß in dem erfindungsgemäßen Gasanalysator Meß-, Betriebs- und wirtschaftliche Parameter beträchtlich verbessert werden, und zwar erhöhen sich Empfindlichkeit und Genauigkeit, erweitert sich der Meßbereich, vermindern sich Außenabmessungen und Gewicht, nimmt die Lagerzeit zu, senken sich die Kosten und erhöht sich die Zuverlässigkeit.
Im folgenden wird die Erfindung anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen mittels der Zeichnung erläutert. Es zeigen: Fig. 1 das erfindungsgemäße Fühlelement von einem photokolorimetrischen Gasanalysator, ausgeführt in Form einer Tablette aus einem gleichmäßigen Gemisch von Reagens und Füllstoff und hergestellt nach dem erfindungsgemäßen Verfahren (in Axonometrie); Fig. 2 das erfindungsgemäße Fühlelement, bestehend aus einer Reihe von das entsprechende Reagens und den Füllstoff enthaltenden Sektionen und bestimmt zur parallelen Analyse mehrerer Komponenten eines Mehrkomponentengemisches, und zwar von Ammoniak, Stickstoffoxiden und Schwefelwasserstoff (in Axonometrie); Fig. 3 das erfindungsgemäße Fühlelement, bestehend aus einer Arbeits- und einer Eichsektion (in Axonometrie); Fig. 4 das Blockschema eines ersten Ausführungsbeispiels des photokolorim etrischen Gasanalysators mit dem Fühlelem ent gemäß Fig. 1; Fig. 5 den Geber und teilweise die Meßeinheit des photokolorimetrischen Gasanalysators gemäß Fig. 4 (in Axonometrie); Fig. 6 die grundsätzliche Schaltung der Meß- und Steuereinheiten des photokolorimetrischen Gasanalysators gemäß Fig. 4; Fig. 7 das Blockschema eines zweiten Ausführungsbeispiels des Gasanalysators mit dem Fühlelement gemäß Fig. 2; Fig. 8 das Blockschema eines dritten Ausführungsbeispiels des photokolorimetrischen Gasanalysators mit dem Fühlelement gemäß Fig. 3.
Ein Fühlelement 1 (Fig. 1) für photokolorimetrische Gasanalysatoren gemäß der Erfindung enthält ein für die zu ermittelnde Komponente des Gasgemisches selektives Reagens und einen bezüglich des Reagens und des Gasgemisches inerten Füllstoff.
Das Fühlelement 1 ist in Form einer Tablette, wie deutlich Fig. 1 zeigt, aus einem gleichmäßigen Gemisch von Reagens und Füllstoff ausgeführt. Die Tablette ist für das zu analysierende Gasgemisch in Tiefenrichtung gasundurchlässig.
Im Ausführungsbeispiel zur selektiven Analyse von Wasserdämpfen (die zu ermittelnde Komponente) sind ein pulverförmiges Reagens und ein pulverförmiger Füllstoff verwendet, und zwar Kobalt(II)-jodid CoJ2 o 2H2O bzw. Polyäthylen.
Da dieses Reagens reversibel reagiert, d. h. die chemische Zusammensetzung der Fühlelement-Oberfläche und deren optische Eigenschaften hängen nur von der Konzentration der Wasserdämpfe (von der relativen Feuchtigkeit ) ab, besteht keine Notwendigkeit, die Oberfläche bei vielfachen Messungen zu regenerieren, was den Aufbau des Gasanalysators wesentlich vereinfacht.
In einem anderen Ausführungsbeispiel sind zur selektiven Analyse von Ammoniak ein pulverförmiges Reagens und ein pulverförmiger Füllstoff verwendet, und zwar Bromphenolblau C19H10Br4O5S bzw. Polyäthylen.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel sind zur selektiven Analyse von Schwefelwasserstoff ein pulverförmiges Reagens und ein pulverförmiger Füllstoff verwendet, und zwar Bleiazetat (CH COO) Pb 3H20 bzw.
3 2 Polyäthylen.
In noch einem Ausführungsbeispiel sind zur selektiven Analyse von Stickstoffoxiden ebenfalls ein pulverförmiges Reagens und ein pulverförmiger Füllstoff verwendet, und zwar Benzidin C12H12N2 bzw.
Polyäthylen.
Zur selektiven Analyse von mehreren zu ermittelnden Komponenten des Gasgemisches, und zwar von Ammoniak, Stickstoffoxid und Schwefelwasserstoff, ist ein Fühlelement 2 (Fig. 2) analog dem Fühlelement 1 (Fig. 1) ausgeführt. Der Unterschied besteht darin, daß das Fühlelement 2 (Fig. 2) eine Reihe von Sektionen, nämlich drei Sektionen 3, 4, 5 enthält, deren jede ein für die zu ermittelnde Komponente des Gasgemisches selektives Reagens und einen bezüglich des Reagens und des Gasgemisches inerten Füllstoff einschließt. Für dieses Ausführungsbeispiel ist zur Analyse von Ammoniak (NH ) die Sektion 3, zur 3 Analyse von Stickstoffoxiden - von Stickstoffdioxid (NO2) - die Sektion 4, zur Analyse von Schwefelwasserstoff (H2S) die Sektion 5 bestimmt.
Hierbei sind in der Sektion 3 ein pulverförmiges Reagens und ein geschmolzener Füllstoff - Bromphenolblau bzw. Wachs, in der Sektion 4 ein geschmolzenes Reagens und ein geschmolzener Füllstoff - N-Phenylanthranilsäure bzw. Wachs, in der Sektion 5 ein geschmolzenes Reagens und ein pulverförmiger Füllstoff - Bleiazetat bzw. Silikagel verwendet.
Zur selektiven Analyse von Schwefelwasserstoff ist ein Fühlelement 6 (Fig. 3) in Form einer Tablette ausgeführt, die aus zwei Sektionen 7 und 8 besteht.
Die Sektion 7 stellt die Arbeitssektion dar, die ein gleichmäßiges Gemisch von pulverförmigem Reagens und pulverförmigem Füllstoff enthält. Als Reagens ist Bleiazetat (CH COO)2Pb 3H20 und als Füll-3 2 2 stoff Polyäthylen verwendet.
Die Sektion 8 ist die Eichsektion, die ein Pigment und einen Füllstoff enthält, welche inert zueinander und zu dem zu analysierenden Gasgemisch und in einem solchen Verhältnis gewählt sind, daß der Reflexionskoeffizient der Eichsektion 8 gleich dem Reflexionskoeffizienten der Arbeitssektion 7 vor und nach deren Wechselwirkung mit der zu ermittelnden Komponente ist.
In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist als neutrales Pigment in der Sektion 8 pulverförmiges Bariumsulfat Ba2SO4 und als Füllstoff pulverförmiges Polyäthylen verwendet.
Bei einem Verhältnis von Pigment zu Füllstoff von 1 : 1 ist der Reflexionskoeffizient der Sektion 8 gleich dem Reflexionskoeffizienten der Sektion 7 vor der Wechselwirkung der letzteren mit der zu ermittelnden Komponente.
In einem anderen Ausführungsbeispiel sind als Pigment und Füllstoff in der Sektion 8 pulverförmiges Blei (11) -sulfid PbS bzw. pulverförmiges Polyäthylen verwendet.
Bei einem Verhältnis von Pigment zu Füllstoff von 1 : 2 ist der Reflexionskoeffizient der Sektion 8 gleich dem Reflexionskoeffizienten der Sektion 7 nach der Wechselwirkung der letzteren mit der fixierten Dosis der zu ermittelnden Komponente.
Vorstehend wurde ein Ausführungsbeispiel des Fühlelementes 6 beschrieben, das nur eine Eichsektion 8 hat. Jedoch ist auch ein Ausführungsbeispiel des Fühlelementes möglich, das mehrere Eichsektionen besitzt und zur selektiven Analyse von mehreren zu ermittelnden Komponenten eingesetzt wird. Dabei können die Arbeits- und die Eichsektionen eine beliebige gewünschte Anordnung haben. Dieses Fühlelement ist infolge seiner Einfachheit und Ähnlichkeit nicht gezeigt.
Das Verfahren zur Herstellung des Fühlelementes gemäß der Erfindung beruht auf dem Eindringen des Reagens in den Füllstoff. Dieses Eindringen wird durch gleichmäßiges Vermischen von Reagens und Füllstoff zustandegebracht, worauf aus diesem Gemisch Tabletten erhalten werden.
Das Fühlelement 1 (Fig. 1) in Form einer Tablette zur selektiven Analyse von Wasserdämpfen (der Luftfeuchtigkeit) stellt man durch Pressen des Gemisches eines pulverförmigen Reagens und eines pulverförmigen Füllstoffes her.
Dazu werden die Tabletten aus einem Gemisch von pulverförmigem Kobalt(II)-jodid CoJ2 2H20 und pulverförmigem Polyäthylen unter einem Druck von 4 - 20 Mp bei einer Temperatur von 25 t 10 OC gepreßt.
Beispiel 1 Niederdruckpolyäthylen-Pulver mit einem Schüttgewicht von 0,11 bis 0,37 g/cm³ trocknet man in einem Thermostat während 2 - 3 Stunden bei einer Temperatur von 40 - 45 OC.
Pulver von Kobalt(II)-jodid CoJ2 2H2 0 siebt man durch ein 2 Sieb mit 10000 Maschen/cm durch und trocknet man in einem Thermostat während 0,5 h bei einer Temperatur von 50 - 60 OC. Hiernach werden die Ausgangsprodukte in der folgenden Menge abgewogen: Polyäthylen : 3 Gewichtsteile Kobalt (11) -jodid : 7 Gewichtsteile.
Die abgewogenen Komponenten werden in eine Porzellantrommel einer Kugelmühle eingebracht und während 10 - 20 min durchgemischt.
Dann wird das erhaltene Gemisch in eine Preßform eingefüllt und auf einer Presse von 20 Mp bei einer Temperatur von 25 + 10 OC während 1 - 3 s'gepreßt.
Die Parameter des nach diesem Verfahren hergestellten Fühlelementes sind wie folgt: - Meßbereich der relativen Luftfeuchtigkeit: 2 - 98 %, - Zeit des Übergangsprozesses bei einer sprunghaften Änderung der relativen Feuchtigkeit von 2 bis 98 % und umgekehrt: höchstens 15 min, - Anzahl der Messungen: unbegrenzt, - Betriebszeit: mindestens 5 Jahre.
Das Fühlelement 1 (Fig. 1) in Form einer Tablette zur selektiven Analyse von Ammoniak kann man auch durch Pressen eines pulverförmigen Reagens und eines pulverförmigen Füllstoffes herstellen.
Dazu werden die Tabletten aus einem Gemisch von Bromphenolblau C19H10Br405S und Polyäthylen unter einem Druck von 4 - 20 Mp bei einer Temperatur von 25 + 10 OC gepreßt.
Beispiel 2 Polyäthylen-Pulver bereitet man In diesem und in allen nachfolgenden Beispielen mit seiner Verwendung ebenso zu, wie dies im Beispiel 1 beschrieben ist.
Bromphenolblau-Pulver siebt man durch ein Sieb von 10000 Ma-2 schen/cm durch. Hiernach wägt man die Ausgangsprodukte in der folgenden Menge ab: Polyäthylen : 9 Gewichtsteile, Bromphenolblau : 1 Gewichtsteil.
Die nachfolgenden Schritte sind den im Beispiel 1 beschriebenen ähnlich.
Die Parameter des nach diesem Verfahren hergestellten Fühlelementes sind wie folgt: - minimale Ammoniakkonzentration, die eine Änderung des integralen Reflexionskoeffizienten um 10 % im Laufe von 2 min (bei einem Verbrauch des zu analysierenden Gemisches von 30 l/h) hervorruft: 25 ppm, - Meßbereich: 25 - 500 ppm, - Tiefe der in Reaktion getretenen Schicht bei der Ammoniakkonzentration 25 ppm im Laufe von 2 min: höchstens 0,05 mm, - Schwankung des anfänglichen integralen Reflexionskoeffizienten: höchstens + 1 %.
Das Fühlelement 1 (Fig. 1) in Form einer Tablette zur selektiven Analyse von Schwefelwasserstoff kann man durch Pressen eines pulverförmigen Reagens und eines pulverförmigen Füllstoffs herstellen. Dazu werden die Tabletten aus einem Gemisch von Bleiazetat (CH3COO)2Pb 3H2O 2 2 und Polyäthylen unter einem Druck von 4 - 20 Mp bei einer Temperatur von 25 + 10 0C gepreßt.
Beispiel 3 Bleiazetat-Pulver siebt man durch ein Sieb von 10000 Maschen/an2 durch.
Nach dem im Beispiel 1 angegebenen Verfahren vorbereitetes Polyäthylen sowie das Bleiazetat wägt man in den folgenden Mengen ab: Polyäthylen : 2 Gewichtsteile, Bleiazetat : 8 Gewichtsteile.
Die nachfolgenden Schritte sind den im Beispiel 1 beschriebenen ähnlich.
Die Parameter des nach diesem Verfahren hergestellten Fühlelementes sind wie folgt: - minimale Schwefelwasserstoffkonzentration, die eine Änderung des integralen Reflexionskoeffizienten um 10 % im Laufe von 3 min (bei einem Verbrauch des zu analysierenden Gemisches von 30 l/h) hervorruft: 7 ppm, - Meßbereich: 7 - 700 ppm, - Tiefe der in Reaktion getretenen Schicht bei der Konzentration von Schwefelwasserstoff 7 ppm im Laufe von 3 min: höchstens 0,05 mm, - integraler Reflexionskoeffizient vor der Wechselwirkung mit der zu ermittelnden Komponente: 0 9, - integraler Reflexionskoeffizient nach der Wechselwirkung mit Schwefelwasserstoff während 3 min bei einer Konzentration von 7 ppm: 0,81, - Schwankung des anfänglichen integralen Reflexionskoeffizienten: höchstens + 1 %.
Das Fühlelement 1 (Fig. 1) in Form einer Tablette zur selektiven Analyse von Stickstoffoxiden stellt man durch Pressen eines pulverförmigen Reagens und eines pulverförmigen Füllstoffs her. Dazu werden die Tabletten aus dem Gemisch von Benzidin Ci2H12N2 und Polyäthylen unter einem Druck von 4 - 20 Mp bei einer Temperatur von 25 + 10 C gepreßt Beispiel 4 2 Benzidin-Pulver siebt man durch ein Sieb von 10000 Maschen/cm durch. Polyäthylen und Benzidin, vorbereitet nach dem im Beispiel 1 angegebenen Verfahren, wiegt man in der folgenden Menge ab: Polyäthylen : 2 Gewichtsteile, Benzidin : 8 Gewichtsteile.
Die nachfolgenden Schritte sind den im Beispiel 1 beschriebenen ähnlich.
Die Parameter des nach diesem Verfahren hergestellten Fühlelementes sind wie folgt: - minimale Konzentration von Stickstoffdioxid, die eine Änderung des integralen Reflexionskoeffizienten um 10 % im Laufe von 3 min (bei einem Verbrauch des zu analysierenden Gemisches von 30 l/h) hervorruft: 2 ppm, - Meßbereich: 2 - 300 ppm, - Tiefe der in Reaktion getretenen Sciicht bei einer Konzentration von Stickstoffdioxid 2 ppm im Laufe von 3 min: höchstens 0,05 mm, - Schwankung des anfänglichen integralen Reflexionskoeffizienten: höchstens + 1,5 %.
Die Empfindlichkeit der in den Verfahren 1, 2, 3 und 4 hergestellten Fühlelemente kann durch Zusatz eines Sorbens, beispielsweise Silikagel, Aluminogel, erhöht werden.
Das Fühlelement 2 (Fig. 2) in Form einer Tablette stellt man in folgender Weise her: - die Sektion 3 durch Härten des Gemisches von pulverförmigem Bromphenolblau C19Hl0Br405S und geschmolzenem Wachs, - die Sektion 4 durch Härten des Gemisches von geschmolzener N-Phenylanthranilsäure C 6H5NHC 6H4COOH und geschmolzenem Wachs, - die Sektion 5 durch Härten des Gemisches von geschmolzenem Bleiazetat (CH3COO)2Pb 3H2O und pulverförmigem Silikagel.
3 2 Beispiel 5 Bromphenolblau-Pulver siebt man durch ein Sieb von 10000 Maschen/cm³ durch.
In einem Glas-(oder Porzellan-)Behälter schmilzt man 9 Gewichtsteile Montanwachs bei einer Temperatur von 72 - 77°C. Dieser Schmelze fügt man 1 Gewichtsteil Bromphenolblau hinzu und mischt gleichmäßig während 5 min durch, worauf man das Gemisch in Formen gießt und die Härtung bei einer Temperatur von 25 # 10 °C erzielt.
Die Parameter des gemäß Beispiel 5 hergestellten Fühlelementes sind wie folgt: - zu bestimmende Höchstdosis der Konzentrationseinwirkung von Ammoniak: 5 . 104 ppm . h, - Tiefe der in Reaktion getretenen Schicht bei der Dosis der Konzentrationseinwirkung von 5 . 104 ppm . h: höchstens 0,3 mm, - Schwankung des anfänglichen integralen Reflexionskoeffizienten: höchstens t196.
Beispiel 6 9 Gewichtsteile Bleiazetat schmilzt man in einem Glas-(oder Porzellan-)Behälter bei einer Temperatur von 280 00.
Dieser Schmelze fügt man 1 Gewichtsteil Silikagel hinzu und mischt gleichmäßig während 5 min durch, worauf man das Gemisch in Formen gießt und die Härtung bei einer Temperatur von 25 + 10 °C erzielt.
Die Parameter des gemäß Beispiel 6 hergestellten Fühlelements sind wie folgt: - zu bestimmende Höchstdosis der konzentrierten Einwirkung von Schwefelwasserstoff: 7 . 104 ppm . h, - Tiefe der in Reaktion getretenen Schicht bei der Dosis der konzentrierten Einwirkung von 7 10 ppm h: h: höchstens 0,2 mm, - Schwankung des anfänglichen integralen Reflexionskoeffizienten: höchstens + 2 %.
Beispiel 7 8 Gewichisteile N-Phenylanthranilsäure schmilzt man in einem Glas-(oder Porz;ellan-)Behälter bei einer Temperatur von 184 00. 2 Gewichtsteile Montanwadis schmilzt man in einem Glas-(oder Porzellan-)-Behälter bei einer Temperatur von 72 - 77 00. Die erhaltenen Schmelzen vermischt man gleichmäßig während 5 min, worauf man das Gemisch in Formen gießt und die Härtung bei einer Temperatur von 25 + 10 °C erzielt.
Die Parameter des gemäß Beispiel 7 hergestellten Fühlelements sind wie folgt: - zu bestimmende Höchstdosis der konzentrierten Einwirkung von Stickstoffdioxid: 3 . 105 ppm . h - Tiefe der in Reaktion getretenen Schicht bei der Dosis der konzentrierten Einwirkung von 3 10 ppm ' h: höchstens 0,1 mm, - Schwankung des anfäng'?chen integralen Reflexionskoeffizienten: höchstens + 1,5 %.
Das Fühlelement 6 (Fig. 3) in Form einer Tablette zur selektiven Analyse von Schwefelwasserstoff stellt man durch getrenntes Pressen der Arbeitssektion 7 und der Eichsektion 8 her. Die Sektion 7 enthält das Ge misch eines pulverförmigen Reagens und eines pulverförmigen Füllstoffes und wird nach dem im Beispiel 3 angegebenen Verfahren hergestellt. Die Sektion 8 wird durch Pressen hergestellt. Dazu wird die Sektion 8 aus dem Gemisch eines pulverförmigen Pigments und eines pulverförmigen Füllstoffs gepreßt, und zwar aus Bariumsulfat und Polyäthylen bei dem einen Ausführungsbeispiel oder aus Blei(II)-sulfid und Polyäthylen bei dem anderen Ausführungsbeispiel. Das Pressen der Sektion 8 erfolgt unter einem Druck von 4 - 20 Mp bei einer Temperatur von 25 + 10 00.
Beispiel 8 Bariumsulfat-Pulver siebt man durch ein Sieb von 10000 Mascher/ cm durch.
Polyäthylen und Bariumsulfat, vorbereitet nach dem im Beispiel 1 angegebenen Verfahren, wiegt man in der folgenden Menge ab: Polyäthylen : 1 Gewichtsteil, Bariumsulfat : 1 Gewichtsteil.
Die nachfolgenden Schritte sind den im Beispiel 1 beschriebenen ähnlich.
Der integrale Reflexionskoeffizient der nach diesem Verfahren hergestellten Sektion 8 beträgt 0,9, d. h. er fällt nach der Größe mit dem integralen Reflexionskoeffizienten der Sektion 7 vor deren Wechselwirkung mit Schwefelwasserstoff (s. Beispiel 3) zusammen.
Die zweite Variante der Herstellung der Sektion 8 unterscheidet sich nicht von der im Beispiel 8 beschriebenen, nur daß als Pigment pulverförmiges Blei(II)-sulfid benutzt wird.
Hierbei wiegt man die Ausgangsprodukte in der folgenden Menge ab: Polyäthylen : 1 Gewichtsteil, Blei(II)-sulfid : 2 Gewichtsteile.
Der integrale Reflexionskoeffizient der aus diesem Gemisch hergestellten Sektion 8 beträgt 0,81, d. h. er fällt nach der Größe mit dem integralen Reflexionskoeffizienten der Sektion 7 nach deren Wechselwirkung während 3 min mit Schwefelwasserstoff bei der Konzentration von 7 ppm zusammen.
Der photokolorimetrische Gasanalysator gemäß der Erfindung mit einem nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Fühlelementes zur selektiven Analyse von Ammoniak, Wasserdämpfen, Schwefelwasserstoff, Stickstoffoxiden, jeweils voneinander abgesondert, enthält (Fig. 4) einen Konzentrationsgeber 9, eine Meßeinheit 10 für den Reflexionskoeffizienten und eine mit dem Geber 9 und der Meßeinheit 10 elektrisch ge--koppelte Steuereinheit 11.
Der Geber 9 zur Messung eines beliebigen der angegebenen Gase enthält das Fühlelement 1 gemäß Fig. 1, das so wie oben beschrieben ausgeführt und hergestellt ist und mit einem Elektromotor 12 zur Drehung des Fühlelementes 1 kinematisch verbunden ist, sowie ein über dem Fühlelement 1 angeordnetes Mittel in Form eines Abstreifmessers 13 zum Entfernen der in Reaktion getretenen Schicht des Fühlelementes 1 zwecks mehrfacher Messungen.
Die Meßeinheit 10 enthält eine Strahlungsquelle 14 in Form einer Glühlampe, die an eine Gleichstromversorgung angeschlossen und deren elektromagnetische Strahlung gemäß Pfeil A zum Fühlelement 1 gerichtet ist. Entsprechend der Ausführung des Fühlelementes 1 besitzt die Meßeinheit 10 einen Meßkanal, der einen Wechselwirkungs-Strahlungsempfän ger 15 und einen Vergleichs-Strahlungsempfänger 16 enthält, von denen der Wechselwirkungs-Strahlungsempfänger 15 die Strahlung in Pfeilrichtung B nach deren Wechselwirkung mit dem Fühlelement 1 aufnimmt, wäk rend der Vergl eichs-Empfänger 16 die Strahlung unmittelbar von der Strahlungsquelle 14 in Pfeilrichtung C aufnimmt.
Die Strahlungsempfänger 15 und 16 sind Zweige einer Meßbrücke 17, in deren Diagonalzweig ein Registriergerät 18 geschaltet ist. Als Registriergerät 18 ist ein Mikroamperemeter verwendet. Man kann als registrierendes Gerät auch einen Selbstschreiber einsetzen.
Vor dem Vergleichs-Strahlungsempfänger 16 ist eine veränderliche Blende 19 zum Einstellen der Meßbrücke 17 angeordnet.
Die konstruktive Ausführung des Gebers 9 und zum Teil der Meßeinheit 10 des erfindungsgemaßen photokolorim etrischen Gasanalysators gemäß Fig. 4 ist in Fig. 5 dargestellt.
Wie aus Fig. 5 hervorgeht, ist in einem zylindrischen Gehäuse 20 des Gebers 9, das aus zwei Zylindern unterschiedlichen Durchmessers besteht, der Elektromotor 12 im Zylinder kleineren Durchmessers untergebracht, auf dessen Ausgangswelle 21 eine Büchse 22 mit einem Halter 23 für das Fühlelement 1 angeordnet ist, das sich im Zylinder größeren Durchmessers befindet, was eine Drehung desselben ermöglicht.
Auf der Büchse 22 ist eine Feder 24 zum Andrücken des Fühlelementes 1 an das Abstreifmesser 13 vorhanden.
In einem Deckel 25 des Gehäuses 20 ist das Abstreifmesser 13 zum Entfernen der in Reaktion getretenen Schicht des Fühlelements 1 mittels einer Leiste 26 befestigt. In dem Deckel 25 sind Kanäle 27 und 28 zur Unterbrinjung des Wechselwirkungs-Strahlungsempfängers 15 im Kanal 27 und der Strahlungsquelle 14 unmittelbar über dem Fühlelement 1, des Vergleichs-Strahlungsempfängers 16 und der veränderlichen Blende 19 im Kanal 28 vorhanden.
Im Gehäuse 20 sind Öffnungen 29 und 30 an entgegengesetzten Enden des Zylinders größeren Durchmessers zum Eintritt des zu analysierenden Gasgemisches ausgeführt, das zur Oberfläche des Fühlelementes 1 in Pfeilrichtung D geleitet wird.
In der in Fig. 6 dargestellten grundsätzlichen Schaltung des photokolorimetrischen Gasanalysators gemäß Fig. 4 ist eines der Ausführungsbeispiele der elektrischen Schaltung des Gasanalysators wiedergegeben. Dieses - Ausführungsbeispiel schließt aber nicht andere Ausführungsformen im Rahmen der Erfindung aus.
Zu der Meßbrücke 17 (Fig. 4) der Meßeinheit 10 (Fig. 6) gehören die Strahlungsempfänger 15 und 16, ein Lastwiderstand 31 und Potentiometer 32 und 33, die jeweils zum Abgleich der Meßbrücke 17 und dem Einstellen des Skalenendes bei der Eichung des Gasanalysators dienen. In den Diagonalzweig der Meßbrücke 17 ist über Kontakte 34 eines Relais 35 das Registriergerät 18 geschaltet.
Die Steuereinheit 11 enthält folgende Funktionsstufen: - einen unsymmetrischen Multivibrator (Transistoren 36, 37, Kondensator 38, Widerstände 39, 40, 41, 42 und 43), - einen Impulsübertrager 44, - zwei Impulsformerverstärker (Transistoren 45, 46), - zwei Integrierzellen (Widerstände 47 und 48, Kondensator 49, Potentiometer 50, Dioden 51 und 52 sowie Widerstände 53 und 54, Potentiometer 55, Kondensator 56, Dioden 57 und 58), - zwei Stelleinrichtungen (Widerstand 59, Thyristor 60, Relais 35 mit Kontakten 34, 61 und 62 sowie Widerstand 63, Thyristor 64, Relais 65 mit Kontakten 66), - einen Kippschalter 67 und einen Druckknopf 68.
Wie aus Fig. 6 ersichtlich ist, sind die Hauptgruppen und -elemente der elektrischen Schaltung miteinander in nachstehender Reihenfolge verbunden: Die Sekundärwicklungen des Übertragers 44 sind an die Eingänge der Impulsformverstärker (an die Transistoren 45 und 46) angeschlossen. Die Ausgänge dieser Impulsformverstärker sind an die Eingänge der Integrierzellen (Potentiometer 50, Diode 51, Kondensator 49 sowie Potentiometer 55, Diode 57, Kondensator 56) geschaltet, deren Ausgänge ihrerseits über die Dioden 52 und 58 mit den Steuerelektroden der Thyristoren 60 und 64 verbunden sind, von deren Belastungen (Wi-Widerstände 59 und 63) Steuerbefehle für die Arbeit des Gasanalysators abgenommen werden. Der Ausgang des unsymmetrischen Multivibrators (Transistoren 36, 37, Kondensator 38, Widerstände 39, 40, 41, 42 und 43) ist an den Eingang des Impulsübertragers 44 angeschlossen. Der unsymmetrische Multivibrator dient als Steuergenerator und erzeugt Rechteckimpulse.
Eine ähnliche Schaltung der Steuereinheit ist in der Zeitschrift "Geräte und Versuchstechnik" der Akademie der Wissenschaften der UdSSR, Nr. 5, Moskau, 1972, S. 156 - 157, beschrieben.
Um die weitere Erläuterung der Funktionsweise des Gasanalysators gemäß Fig. 7 zu vereinfachen, sind in dem zweiten und dem dritten Meßkanal die Wechselwirkungs-Strahlungsempfänger mit 69, 70, die Vergleichs-Strahlungsempfänger mit 71, 72, die veränderlichen Blenden mit 73, 74, die Meßbrücken mit 75, 76 und die Registriergeräte mit 77, 78 bezeichnet.
Die Richtung der auf die Sektionen 4 und 5 des Fühlelements 2 gemäß Fig. 2 einfallenden Strahlung ist durch Pfeile A' bzw.- A" und der renektierten Strahlung durch Pfeile B' bzw. B" angedeutet, die Richtung der auf die Vergleichs-Empfänger 71 und 72 treffenden Strahlung durch Pfeile C' bzw. C".
Was die Ausführung des erfindungsgemäßen photokolorimetrischen Gasanalysators gemäß Fig. 8 zur Analyse von Schwefelwasserstoff betrifft, so wird in ihm als Vergleichs strahlung eine Strahlung benutzt, die von der Eichsektion 8 des Fühlelements 6 gemäß Fig. 3 reflektiert ist, das wie oben beschrieben ausgeführt und hergestellt ist.
Die Strahlung von der Quelle 14 fällt auf die Eichsektion 8 des Fühlelementes 6 in Pfeilrichtung E ein und gelangt, indem sie von der Oberfläche dieser Sektion reflektiert wird, über die veränderliche Blende 19 auf den Vergleichsempfänger 16 in Richtung des Pfeils F.
Der erfindungsgemäße photokolorimetrische Gasanalysator gemäß Fig. 4 arbeitet wie folgt: Es wird die Arbeitsweise des Gasanalysators zur selektiven Analyse von Ammoniak betrachtet.
Nach dem Schließen des Kippschalters 67 (Fig. 6) wird die Speise-Gleichspannung dem unsymmetrischen Multivibrator (Transistoren 36, 37, Kondensator 38, Widerstände 39, 40, 41, 42, 43) der Steuereinheit 11, der Meßeinheit 10 und dem Elektromotor 12 zugeführt.
Als Belastung des unsymmetrischen Multivibrators dient der Impulsübertrager 44, wobei die Anzahl von dessen Sekundärwicklungen der Anzahl von erforderlichen Befehlen entspricht.
Für die Arbeit des Gasanalysators im automatischen Betrieb sind zwei Befehle erforderlich: 1. Vorbereitung der Oberfläche des Fühlelementes 1 zur Messung; 2. Messung während eines vorgegebenen Zeitintervalls.
Nach Spannung anlegen am Gasanalysator wird die Steuereinheit durch einmaliges Drücken des Knopfes 68 in den Ausgangszustand gebracht.
In diesem Augenblick spricht das Relais 65 an, dessen Kontakte 66 den Kondensator 49 überbrücken, der im Ausgangszustand nicht überbrückt ist. Beim Freigeben des Druckknopfes 68 wird das Relais 65 stromlos und beendet die Überbrückung des Kondensators 49, der sich aufzuladen beginnt.
Seine Aufladezeit gewährleistet eine Zeitverzögerung des Befehls zur Vorbereitung des Fühlelementes 1 auf die Messung. Für den behandelten Gasanalysator für Ammoniak beträgt diese Zeit ca. 3 s.
Gleichzeitig damit wird Spannung über die Kontakte 61 des Relais 35 am Elektromotor 12 angelegt.
Die auf der Welle des Elektromotors 12 (Fig. 5) sitzende Büchse 22 und der Halter 2 mit dem Fühlelement 1, das ständig an das feststehende Abstreifmesser mittels der Feder 24 angedrückt ist, beginnen sich zu drehen.
Hierbei erfolgt das Putzen der oberen Schicht des Elementes-auf die erforderliche Tiefe, die im voraus empirisch gewählt wird. (Für das Fühlelement zur Analyse von Ammoniak beträgt diese Tiefe 0,05 mm.) Diese Tiefe wird konstruktiv durch eine vorgegebene Drehzahl des Fühlelements 1 oder bei dessen gleichbleibender Drehzahl durch die Arbeitszeit des - Elektromotors 12, d. h. die Dauer des ersten Befehls der Steuereinheit 11, gewährleistet.
Der von der geputzten Oberfläche des Elementes 1 reflektierte Strahlungsstrom der Strahlungsquelle 14 wird vom Wechselwirkungs-Strahlungsempfänger 15 in Richtung des Pfeiles B aufgenommen.
Die Größe des auf den Vergleichs-Strahlungsempfänger 16 von derselben Quelle 14 treffenden Strahlungsstroms wird im voraus beim Einstellen derart gewählt, daß die Verstimmung der Meßbrücke 17 bei geputzter Oberfläche des Fühlelements 1 gleich Null wäre. Konstruktiv kann das verschieden sichergestellt werden, in dem vorliegenden Fall durch Abblendung des Strahlungsstroms, der auf den Strahlungsempfänger 16 beim Einstellen der Optik des Gasanalysators trifft, mit Hilfe der veränderlichen Blende 19.
Während der Vorbereitung des Fühlelementes 1 zur Messung ist das Registriergerät 18 abgeschaltet. Mit der Beendigung der Aufladung des Kondensators 49 (Fig. 6) spricht der Thyristor 60 und gleichzeitig auch das Relais 18 an, das mittels der Kontakte 34 das Registriergerät 18 anschaltet, das mit Hilfe von Kontakten 62 die Überbrückung des Kondensators 56 aufhebt und den Speisestromkreis des Elektromotors 12 mittels der Kontakte 61 unterbricht.
Auf diese Weise wird der zweite Befehl des Steuerungsblocks 11 zum Ausführen der Messung erzeugt.
Der Kondensator 56 beginnt sich aufzuladen.
Dessen Aufladezeit gewährleistet die Zeitverzögerung des zweiten Befehls. Für den in Rede stehenden Gasanalysator für Ammoniak beträgt diese Zeit 2 min bei einem Verbrauch der zu analysierenden Luft (des zu analysierenden Gasgemisches) von 30 l/h.
Bei Vorhandensein in der zu analysierenden Luft der zu ermittelnden Komponente und infolge ihrer Adsorption und der chemischen Wechselwirkung mit dem Reagens des Fühlelementes 1 (Fig. 4) findet eine Verä:nderung des Reflexionskoeffizienten der Oberfläche des letzteren proportional zur Konzentration der zu ermittelnden Komponente und der Dauer ihrer Einwirkung auf das Element 1 statt. Hierbei entsteht die Verstimmung der Meßbrücke 17 und in ihrem Diagonalzweig tritt ein Strom auf, der den auf der Oberfläche des Fühlelements 1 vor sich gegangenen Änderungen proportional ist.
Dieser Strom wird vom Registriergerät 18 erfaßt. Die erforderliche Beaufschlagungszeit des Fühlelements 1 durch die zu analysierende Luft wird zuvor bei der Eichung des Gasanalysators aufgrund von Normalmaßkonzentrationen gewählt und in Form des zweiten Befehls der Steuereinheit 11 vorgegeben.
Die Zuführung der zu analysierenden Luft zur Oberfläche des Fühlelementes 1 und die Unterbrechung ihrer Zufuhr können konstruktiv mit Hilfe verschiedener moderner Einrichtungen sichergestellt werden, z. B. mittels Ventilen, einer Pumpe u. ä. Deshalb erübrigt sich die Beschreibung dieses Schritts.
Mit der Beendigung der Aufladung des Kondensators 56 (Fig. 6) sprechen der Thyristor 64 und das Relais 65 an, dessen Kontakte 66 hierbei den Kondensator 49 überbrücken. Das Relais 35 wird stromlos gemacht, indem es das Registriergerät 18 abschaltet und mittels der Kontakte 61 den Elektromotor 12 anschaltet. Hierbei wird mittels der Kontakte 62 des Relais 35 der Kondensator 56 überbrückt, während das Relais 65 stromlos wird und mittels der Kontakte 66 die Überbrückung des Kondensators 49 aufhebt, der sich wieder aufzuladen beginnt. Auf diese Weise wiederholt sich automatisch der Arbeitszyklus des Gasanalysators nach dem zeitlichen Programm.
Bei Bedarf kann der Gasanalysator mit einer Einrichtung zur zwangsweisen Zuführung einer Probe der zu analysierenden Luft (Erreger des Gasdurchstroms, Ejektor, Pumpe) versehen sein. Hierbei kann sie z. B. in Gestalt einer Turbine ausgeführt werden, die auf der Welle desselben Elektromotors 12 sitzt.
Bei dem erfindungsgemäßen Gasanalysator ist das sogenannte Amplituden-Verfahren zur Konzentrationsmessung realisiert, in welchem als Maß der Konzentration die Amplitude (Verstimmung) der Meßbrücke 17 (Fig. 4) bei einer festen Kontaktzeit des Fühlelementes 1 mit dem zu analysierenden Medium (oder bei einem festen Volumen der Luft) dient.
Wenn man die Kontaktzeit nicht festlegt, kann man die Dosis der konzentrierten Einwirkung bestimmen, indem man zuvor die Skala des Registriergerätes 18 in Einheiten der Dosis eicht.
Möglich ist auch die Realisierung anderer Verfahren. Beispielsweise kann als Maß der Konzentration die Zeit der Änderung (oder das Volumen der zu analysierenden Luft) des Ausgangssignals bis zu einer festen Größe dienen, die vorher bei der Kalibrierung gewählt wird (zeitliches Verfahren) . Je größer diese Zeit ist, desto kleiner ist die Konzentration der zu ermittelnden Komponente.
Das Arbeitsprinzip des photokolorimetrischen Gasanalysators gemäß Fig. 4 zur Analyse anderer Gase unterscheidet sich durch nichts von der oben betrachteten Analyse von Ammoniak. Der Unterschied besteht in der Dauer des zweiten Befehls der Steuereinheit 11.
Das Arbeitsprinzip des photokolorim etrischen Gasanalysators gemäß Fig. 7 unterscheidet sich von dem oben betrachteten auch nur durch die Dauer des zweiten Befehls der Steuereinheit 11 sowie dadurch, daß die Messung gleichzeitig über drei Kanäle erfolgt~ Das Arbeitsprinzip des photokolorimetrischen Gasanalysators gemäß Fig. 8 fällt vollkommen mit dem gemäß Fig. 4 betrachteten zusammen.

Claims

Patentans prüche

Fühlelement für einen photokolorimetrischen Gasanalysator, mit einem für die zu ermittelnde Komponente des zu analysierenden Gasgemisches selektiven Reagens und mit einem bezüglich des Reagens und des Gasgemisches inerten Füllstoff, gekennzeichnet durch eine Tablette aus einem gleichmäßigen Gemisch von Reagens und Füllstoff.
2. Fühlelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Tablette in Tiefenrichtung gasundurchlässig für das zu analysierende Gasgemisch ist.
3. Fühlelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Tablette mehrere Sektionen (3, 5, 5) enthält, deren jede ein für die zu ermittelnde Komponente des Gasgenlisches selektives Rea!;r:r;s und einen bezüglich des Reagens und des Gasgeemisches inerten Füllstoff aufweist.
4. Fühlelement nach einem der Ansprüche 1 - 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Tablette mit mindestens einer Eichsektion (8) versehen ist, die ein Pigment und einen Füllstoff enthält, dia zueinander und bezüglich des Gasgemisches inert und in einem solchen Verhältnis gewählt sind, daß der Reflexionskoeffizient der Eichsektion (8) gleich dem Reflexionskoeffizienten der Tablette vor und nach deren Wechselwirkung mit der zu ermittelnden Komponente ist.
5. Verfahren zur Herstellung des Fühlelementes eines photokolorimetrischen Gasanalysators nach Anspruch 1, das auf dem Eindringen des Reagens in den Füllstoff beruht, -dadurch gekennzeichnet, daß das Eindringen durch gleichmäßiges Vermischen des Reagens und des Füllstoffes vorgenommen wird und aus diesem Gemisch Tabletten hergestellt werden.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Tabletten durch Pressen des Gemisches eines pulverförmigen Reagens und eines pulverförmigen Füllstoffes hergestellt werden.
7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Tabletten durch Härten des Gemisches eines pulverförmigen Reagens und eines geschmolzenen Füllstoffs hergestellt werden.
8. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Tabletten durch Härten des Gemisches eines geschmolzenen Reagens und eines pulverförmigen Füllstoffs hergestellt werden.
9. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Tabletten durch Härten des Gemisches eines geschmolzenen Reagens unti eines geschmolzenen Füllstoffs hergestellt werden.
10. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur selektiven Analyse von Wasserdämpfen die Tabletten aus dem Gemisch von 7 Gewichtsteilen pulverförmiges Kobalt(II)-jodid CoJ2 2H20 und 3 Gewichtsteilen pulverförmiges Polyäthylen unter einem Druck von 4 bis 20 Mp gepreßt werden.
11. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur selektiven Analyse von Ammoniak die Tabletten aus dem Gemisch von 9 Gewichtsteilen pulverförmiges Bromphenolblau C19H10Br4O5S und 1 Gewichtsteil pulverförmiges Polyäthylen unter einem Druck von 4 - 20 Mp gepreßt werden.
12. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur selektiven Analyse von Schwefelwasserstoff die Tabletten aus dem Gemisch von 8 Gewichtsteilen pulverförmiges Bleiazetat ( CH3COO ) Pb 3H 0 und 2 2 2 Gewichtsteilen pulverförmiges Polyäthylen unter einem Druck von 4 bis 20 Mp gepreßt werden.
13. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur selektiven Analyse von Stickstoffoxiden die Tabletten aus dem Gemisch von 8 Gewichtsteilen pulverförmiges Benzidin C12Hl2N2 und 2 Gewichtsteilen pulverförmiges Polyäthylen unter einem Druck von 4 - 20 Mp gepreßt werden.
14. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur selektiven Analyse von Ammoniak die Tabletten durch Härten des Gemisches von 1 Gewichtsteil pulverförmiges Bromphenolblau C19Hl0Br405S und 9 Gewichtsteilen geschmolzenes Wachs hergestellt werden.
15. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur selektiven Analyse von Schwefelwasserstoff die Tabletten durch Härten des Gemisches von 9 Gewichtsteilen geschmolzenes Bleiazetat (CH3COO)2Pb 3H2O und 1 Gewichtsteil pulverförmiges Silikagel hergestellt werden.
16. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur selektiven Analyse von Stickstoffoxiden die Tabletten durch Härten des Gemisches von 8 Gewichtsteilen geschmolzene N-Phenylanthranilsäure G 6H5NHG 6H4COOH und 2 Gewichtsteile geschmolzenes Wachs hergestellt werden.
17. Photokolorimetrischer Gasanalysator, bei dem elektromagnetische Strahlung nach Wechselwirkung mit dem Fühlelement durch einen Strahlungsempfänger erfaßt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Fühlelement (1) nach einem der Ansprüche 1 - 4 aus geführt ist.
18. Photokolorimetrischer Gasanalysator nach Anspruch 17 ge kennzeichnet durch ein Mittel (13) zum Entfernen der mit einer besten. -ten Komponente des Gasgemisches in Reaktion getretenen Schicht des Fi!njelementes (1) zwecks Durchführung von Mehrfach-Messungen.