DE2422271C3

DE2422271C3 - Kalibriereinrichtung für Vorrichtungen zur automatischen Bestimmung von Spuren von organischen Lösemitteldämpfen in Luft

Info

Publication number: DE2422271C3
Application number: DE19742422271
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Filing date: 1974-05-08
Publication date: 1976-12-16

Description

40

Die Erfindung betrifft eine Kalibriereinrichtung für Vorrichtungen zur automatischen Bestimmung von Spuren von organischen Lösemitteldämpfen in Luft, unter Verwendung eines nicht spezifischen Gasdetektors, insbesondere Gas-Halbleiters als Meßzelle durch vergleichende Messungen des die Meßkomponente enthaltenden Prüfgases mit einem die Meßkomponente enthaltenden Vergleichsgas.

Bei der Überwachung der Arbeitsraumluft und der Abluft aus Verfahrensanlagen auf Gase bzw. Dämpfe von organischen Verbindungen z. B. Lösemittel, werden nach umständlicher Probenahme zur analytischen Auswertung, d. h. zur Konzentrationsbestimmung, Gaschromatographen oder Infrarotspektralphotometer angewendet. Die Anschaffung und das Betreiben derartiger Geräte ist kostspielig und erfordert ent- 60 Sprechendes Fachpersonal. Einfachere physikalische Meßverfahren, wie nach dem Prinzip der Wärmeleitfähigkeit oder der Wärmetönung, sind im Bereich der MAK-Werte zu unempfindlich; sie sind außerdem nicht spezifisch. 65

Haibleiter-Gasdetektoren sind in verschiedensten Ausführungsformen bekannt; ihr gasempfindliches Element besteht aus Zinn-, Zink- bzw. Eisen-III-Oxid. Gasdetektoren sind um mehrere Größenordnungen empfindlicher, aber ebenfalls unspezifisch und außerdem sehr unstabil.

Anordnungen zur Erzeugungvon Gasgemischen im ppb-Bereich (/ig/m³) wurden bereits in der Praxis angewendet. Hierbei handelt es sich jedoch um Systeme mit Diffusionsmembranen, welche einen Vorrat von Gasen, die chemisch an bestimmte Flüssigkeiten gebunden sind, enthalten, z. B. bei der Erfassung von SO₂-Gasspuren. In dem Vorratsbehälter befindet sich also vorwiegend chemisch gebundenes Gas hoher Konzentration, das durch mechanische Mittel wie Membranen auf geringste Diffusionsraten reduziert und einem Trägergasstrom beigefügt wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Kalibriereinrichtung für Vorrichtungen zur automatischen Bestimmung von Spuren von organischen Lösemitteldämpfen in Luft zu schaffen, die für die quantitative Gasspurenmessung mit gutem Erfolg bei Erzielung genauester Meßergebnisse auch bei Vorhandensein von nur geringen Spuren der zu ermittelnden Meßkomponente verwendbar ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Kalibriereinricht'-ng der eingangs beschriebenen Art vorgeschlagen, die gemäß der Erfindung in der Weise ausgebildet ist, daß die Kalibriereinrichtung aus einem waschflaschenartigen, wärmeisolierten Behäker mit einem mit seinem freien Ende oberhalb des Flüssigkeitsspiegels der sich in dem Kalibrierbehälter befindenden Flüssigkeit mündenden Zulaufrohr für das von der Meßkomponente befreite Prüfgas und mit einer im oberen Dom des Behälters angeordneten Ableitung für das Abführen der Lösemittel-Dampf-Konzentration aus der Kalibriereinrichtung und einer im Innenraum des Behälters angeordneten Großflächenverdunstungseinrichtung besteht. Diese Großflächenverdunstungseinrichtung besteht aus mindestens einer sternförmig gefalteten Manschette aus Filtrierpapier oder aus mehreren konzentrisch ineinander angeordneten zylindrischen Keramikkörpern. Zur Erzielung einer konstanten Temperatur ist der Behälter der Kalibriereinrichtung vorzugsweise in einem weiteren Behälter angeoidnet, der aus wäirmeisolierendcm Material gefertigt ist und der in seinem Behältermantel eine Heizeinrichtung aufweist.

In der Zeichnung ist die Kalibriereinrichtung im Zusammenhang mit Vorrichtungen zur automatischen Bestimmung von Spuren von organischen Lösemitteldämpfen in Luft an Hand von Ausführungsbeispielen dargestellt, und zwar zeigt

Fig. 1 die Kalibriereinrichtung teils in einer schaubildlichen Ansicht, teils in einem senkrechten Schnitt, F i g. 2 die Kalibriereinrichtung als Bestandteil einer Vorrichtung zur automatischen Bestimmung von Spuren von organischen Lösemitteldämpfen in Luft in einer schematischen Darstellung,

Fig. 3 die Kalibriereinrichtung als Bestandteil einer weiteren Ausführungsform einer Vorrichtung zur automatischen Bestimmung von Spuren von organischen Lösemitteldämpfen in Luft in einer schematischen Darstellung.

Die erfindungsgemäß ausgebildete Kalibriereinrichtung 40 besteht gemäß Fig. 1 aus einem waschflaschenartig ausgebildeten Behälter mit einem in diesem angeordneten Zulaufrohr 43, das mit dem Einlaßstutzen 41 verbunden ist. Das Zulaufrohr 43 ist in dem Innenraum des Kalibrierbehälters so lang bemessen, daß das freie Zuführungsrohrende oberhalb des Sbie-

iels der Flüssigkeit zu liegen kommt, die sich in dem (Calibrierbehälter befindet. Im oberen Dom 44 des Behälters ist der Auslaßstutzen 42 vorgesehen. Im Innenraum des Behälters ist eine Großflächenverdunstungseinrichtung 45 vorgesehen, dk aus mindestens einer sternförmig gefalteten Manschette 49 aus Filtrierpapier besteht. An Stelle einer Manschette 49 aus Filtrierpapier können auch mehrere konzentrisch ineinander angeordnete zylindrische Keramikkörper vorgesehen sein. Wesentlich ist, daß die Verdunstungseiirichtung 45 einerseits eine möglichst große Fläche aufweist und zum anderen aus einem Material besteht, über das eine Verdunstung des sich in dem Behälter befindenden Lösemittels ermöglicht. Über den Einlaßstutzen 41 wird der Kalibriereinrichtung 40 vom Meßgas befreites Prüfgas zugeführt, während die vom Lösemittel in dem Behälter gebildeten Lösemitteldämpfe zusammen mit dem durchströmenden, von der Meßkomponente befreiten Prüfgas über den Auslaßstutzen 42 abgeführt werden.

Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform einer Vorrichtung zur automatischen Bestimmung von Spuren von organischen Lösemitteldämpfen in Luft unter Verwendung der erfindungsgemäß ausgebildeten Kalibriereinrichtung wird das bei X zugeführte und die Meßkomponente beinhaltende Prüfgas einer Leitung 10 zugeführt, die an eine Gaspumpe, z. B. Membranpumpe 11 angeschlossen ist. Über die Gaspumpe 11 wird das Prüfgas durch die Zuführungsleitung 10 angesaugt. Der Gaspumpe 11 ist ein Durchflußregler 12 vorgeschaltet und diesem wiederum ein in an sich bekannter Weise ausgebildeter Gasdetektor, der als Meßzelle 13 dient. Derartige Gasdetektoren sind in den verschiedensten Ausführungsformen bekannt. Sie sind gasdurchlässig ausgebildet, um Gase ein- und austreten zu lassen; sie weisen eine hohe Empfindlichkeit für das aufzuspürende Gas auf. Die Wirkungsweise derartiger Gasdetektoren beruht auf einem gasempfindlichen Element, das beispielsweise aus einem Metalloxid-Halbleiter-Material besteht, dessen elektrische Leitfähigkeit sich bei Adsorption von Gas ändert. Ferner weist der Gasdetektor mindestens zwei mit dem gasempfindlichen Element verbundene Elektroden auf. Die Gaspumpe 11 ist über die Leitung 10b mit dem Durchflußregler 12 und dieser wiederum über die Leitung 10a mit der Meßzelle 13 verbunden.

Die Zuführungsleitung 10 für das Prüfgas weist ein Steuerventil 15 auf.

Die Zuführungsleitung 10 ist mit einer ersten Abzweigleitung 20 verbunden, die oberhalb und unterhalb des Steuerventils 15 der Zuführungsleitung 10 mit dieser verbunden ist. In der Abzweigleitung 20 ist ein Aktiv-Kohle-Filter 21 angeordnet, dem wiederum ein Steuerventil 25 vorgeschaltet ist.

In der Zuführungsleitung 10 ist ferner, und zwar dem Aktiv-Kohle-Filter 21 nacligeschaltet, eine zweite Abzweigleitung30 vorgesehen, die mit der Kalibriereinrichtungbzw, -behälter 40 verbunden ist und die in die Zuführungsleitung 10 unterhalb der Meßzelle 13 mündet. Die Kalibriereinrichtung 40 weist einen Einlaßstutzen 41 und einen Auslaßstutzen 42 auf. Der Auslaßstutzen 42 ist mit der Leitung 30 verbunden, während über den Einlaßstutzen 41 Prüfgas oder von der Meßgaskomponente befreites Prüfgas zugeführt wird. In der Abzweigleitung 30 ist ein Steuerventil 35 und zwischen diesem und dem Kalibrierbehälter 40 eine Kapillare 31 angeordnet. Die Steuerventile 15, 25 und 35 sind als Magnetventile ausgebildet und stehen über Leitungen 50a und 50b mit einem in an sich bekannter Weise ausgebildeten Programmschaltwerk 50 in Verbindung.

Die Meßzelle 13 ist mit einem Netzteil 55 verbunden, an das sich wiederum eine Anzeigeeinrichtung 51 mit einer mit dieser verbundenen Alarmeinrichtung 52 anschließt. Bei 53 ist eine Registriereinrichtung angedeutet.

ίο Die wesentliche Voraussetzung für die Durchführung des Verfahrens zur automatischen Bestimmung von Spuren von organischen Lösemittel-Dämpfen in Luft ist die Überwachung des Nullpunktes und eines definierten Bereichswertes, der etwa bei dreiviertel des Meßbereiches liegt, in fest eingestellten Zeitabständen. Für die Nullpunktkontrolle muß darüber hinaus Luft zugeführt werden, die frei von der zu messenden Gaskomponente ist. Zur Erzeugung einer definierten und konstanten Meßgaskonzentration entsprechend der Meßaufgabe kann das betreffende Lösemittel in flüssiger Form verwendet werden, wenn es gelingt, den Gasdruck, der sich nach dem Henryschen Gesetz über der Oberfläche der Flüssigkeit einstellt, über lange Zeit konstant zu halten. Zu diesem

»5 Zweck wird die Kalibriereinrichtung 40 gemäß der Erfindung verwendet, die nach außen durch entsprechende Wärmeisolierung vor Temperatureinflüssen geschützt bzw. auf eine konstante Temperatur gebracht wird und in ihrem Innenraum mit einer speziellen Großflächenverdunstungseinrichtung 45 ausgestattet ist, deren Verdunstungseigenschaften unabhängig von Füllhöhe und Vorrat in dem das Lösemittel aufnehmenden Behälter ist. Durch Veränderung der Gasströme mit Hilfe von kritischen Düsen, Kapillaren oder Meßblenden 31 können beliebige Lösemittel-Dampf-Konzentrationen in von der Meßkomponente befreitem Prüfgas wie Luft oder anderen Trägergasen bzw. Schleppgasen hergestellt werden. Bei der verwendeten Kalibriereinrichtung 40 befindet sich das zu messende Lösemittel unmittelbar in flüssiger Form, ohne zusätzliche Binde- oder Lösungsmittel, drucklos im Behälter der Kalibriereinrichtung. Der sich im Kalibrierbehälter einstellende Dampfdruck richtet sich vorzugsweise nach der Umgebungstemperatur, wenn für die Erzeugung des theoretischen Dampfdruckes ideale Verhältnisse vorliegen, z. B. bei Aceton 175 Torr entsprechen etwa 9,3 Volumprozent. Da jedoch stetig eine bestimmte Gasmenge aus dem Erzeugungsgefäß, d. h. aus der Kalibriereinrichtung entnommen wird, muß eine ausreichende Nachlieferung von Gas aus der flüssigen Phase erfolgen.

Als Vergleich sei die Diffusionsrate bei bekannten Kalümerei- Achtungen für den ppb-Bereich mit 10*g/h angegeben, während die aus der erfindungsgemäß ausgebildeten Kalibriereinrichtung entnommene Rate tausendmal höher ist, also etwa 100 mg/h beträgt. Dies wird durch die in der Kalibriereinrichtung 40 vorgesehene Großflächenverdunstungseinrichtung45 erreicht. Durch die Verwendung von ζ. Β sternförmig zusammengefalteten Filtrierpapierböger 49 wird erreicht, daß die Filtrierpapierbögen 49 vor der zu verdampfenden Flüssigkeit in dem Behälter dei Kalibriereinrichtung 40 dauernd so benetzt werden daß die Flüssigkeit in dem Trägermaterial, d. h. in der Filtrierpapierbögen 49 von unten nach oben diffun diert und dadurch eine gleichmäßige Flächenbefeuch tung, unabhängig von der Füllhöhe und dem Vorra in dem Behälter der Kalibriereinrichtung 40 erreich

den Sollzustand ist möglich.

Bei der in Fig. 3 gezeigten Ausiührungsform steht die Abzweigleitung 30 über eine dritte Abzweigleitung 80 mit der die Meßzelle 13 und den Durchfluß-5 regler 12 verbindenden Ansaugleitung 10a in Verbindung, wobei die dritte Abzweigleitung 80 zwischen der Kapillare 31 und dem Steuerventil 35 der zweiten Abzweigleitung 30 mit dieser verbunden ist. In dieser dritten Abzweigleitung 80 ist eine Hilfskapillare 81

ist bei 47 in dem Außenbehälter 46 bezeichnet (Fig. 1).

Wie das Fließbild in Fig. 2 zeigt, wird über das Programmschaltwerk 50, das als Schaltuhr ausgebildet

Die erfindungsgemäß ausgebildete Kalibriereinrichtung 40 arbeitet in einer Vorrichtung zur automatischen Bestimmung von Spuren von organischen Lösemitteldämpfen in Luft wie folgt:

Der Einlaßstutzen 41 und der Auslaßstutzen 42 des Behälters der Kalibriereinrichtung 40 sind durch Kapillaren 31 und 38 abgeschlossen, durch welche das

Gas-Luftgemisch aus dem Behälter der Kalibriercin- _ . _

richtung 40 austritt bzw. das von der Meßkomponente io angeordnet, mit der sich bei Einschalten der Kalibefreite Prüfgas bzw. Trägergas in den Behälter ein- briereinrichtung 40 ein sehr schnelles Einstellen des tritt, wobei das Trägergas nicht von der Meßgaskom- Kalibrierwertes erreichen läßt und eine zusätzliche ponente befreit zu sein braucht, da die entstehende Gasverdünnung als Nebenschluß verursacht. In der Gaskonzentration im Kalibrierbehälter etwa 10⁴fach Zuleitung 41 kann eine weitere Kapillare 38 vorgesehöher als die Außenluft, d. h. Trägergas ist. Durch 15 hen sein.

die Wärmeisolation des den Behälter der Kalibrier- Da die Kalibrierintervalle in größeren Abständen

einrichtung 40 umgebenden Außenbehälters 46 und etwa alle sechs Stunden erfolgen, werden die in der durch zusätzliche Heizeinrichtungen 48 in dem Mantel Kapillare 31 stehenden Lösemitteldämpfe an den des Außenbehälters 46 wird eine ausreichende Ther- Wänden adsorbiert, wobei die Konzentration absinkt, mostatierung erzielt. Das wärmeisolierende Material 20 Nach Öffnen des Steuerventils 35, das eine Verbinict h^i χι in Hf»m AiiRpnhehalter 46 bezeichnet dung mit dem Trägergas über das Aktivkohlefilter 21

herstellt, wird eine nicht unbeträchtliche Zeit benötigt, bis die Sollkonzentration aus dem Behälter der Kalibriereinrichtung 40 über die Kapillare 31 nachge-

sein kann, in bestimmten Zeitabständen die Null- as liefert wird. Das Einstellen des Kalibrierwertes auf punktkontrolle bzw. der Kalibriervorgang eingeschal- den Sollwert kann sich dadurch bis zu 30 Min. verzötet. Das zu messende Gas, z. B. bei der Raumluftüber- gern. Durch die Verwendung einer Hilfskapillare 81 wachung, strömt durch die Zuführungsleitung 10 über in Verbindung mit den übrigen Bauteilen der Anorddas magnetisch geschaltete Steuerventil 15 bei ge- nung steht an dem Steuerventil 35 jederzeit die im schlosscnem Steuerventil 25 direkt zur Meßzelle 13 30 Kalibrierbehälter vorhandene Gas- bzw. Dampfkon- und von da über den Durchflußregler 12 zur Gas- zentration zur Verfügung.

pumpe 11, die die Gasprobe über die voranstehend Die Wirkungsweise dieser in Fig. 3 gezeigten Anerwähnten Bauelemente ansaugt. Der Netzteil 55 Ordnung ist wie folgt.

sorgt für die elektrische Stabilisierung der Heiz- und Bei Einschalten des Kalibrierzyklus bzw. der KaIi-

Hilfsspannung des Gasdetektors 13, der die eigentli- 35 briereinrichtung 40 wird durch den Unterdruck des ehe Meßzelle bildet. Die Meßzelle 13 arbeitet in einer Systems über den Durchflußregler 12 und die Membranpumpe 11 eine definierte Menge an von der Meßgaskomponente befreiten Prüfgas und Lösemitteldampf über die Kapillare 31 denn Kalibrierbehälter 40 entnommen. Zwischen der Kapillare 31 und dem Steuerventil 35 mündet die zweite Kapillare 81, die mit der Ansaugleitung 10a, hinter dem Gas-Sensor bzw. der Meßzelle 13 in Verbindung steht. Hierbei wird bei richtiger Dimensionierung der Kapillare 81

leitet und in diesem von der Meßgaskomponente be- 45 immer ein Gas-Teilstrom entnommen, wodurch die freit. Das so von der Meßgas komponente befreite wirksame Gasmenge pro Zeiteinheit aus der Kapillare Prüfgas gelangt dann in die Meßzelle 13. Im weiteren 81 beim Zusammentreffen mit dem Trägergas bzw. Verlauf des Kalibrier-Zyklusses wird das Steuei ventil dem von der Meßgaskomponente befreiten Priifgas 35 in der Abzweigleitung 30 geöffnet. Durch den Un- zwar reduziert wird, was jedoch in die Kalibrierung terdruck in der Zuleitung zur Meßzelle 13 wird über 50 einbezogen wird. Beim Schließen des Steuerventils 35, die Kapillare 31 eine definierte Menge Lösemittel- z. B. zur Nullpunktkontrolle oder während des eidampf aus der Kalibriereinrichtung 40 entnommen gentlichen Meßvorganges, fließt jedoch ununterbro- und mit der Nullpunkt-Luft vermischt. In dem Behäl- chen ein geringer Teilstrom aus der Kalibriereinrichter der Kalibriereinnchtung 40 befindet sich jeweils tung 40 über die Kapillare 31 zur Hilfskapillare 81, das Lösemittel, das auch in dem zu prüfenden Gas 55 und von da nach der Meßzelle 13 iw die Gasleitung enthalten ist. Der von der Meßzelle 13 angezeigte Ka- zur Pumpe 11.

librierwert wird von der Registriereinrichtung 53 mit - Durch diese Maßnahme kann die Meßkomponente

' geschrieben. in den obenerwähnten Zeiten, ϋ. h\ während des

Natät der Beendigung des Kalibriervorganges Meß Vorganges, in der Kapillare 31 nicht stfehenb^- schafter das Programmsdialtwerk SO wieder auf die 60 ben und sich «die Konzentration z.B. durch Adsofß* Stellung »Messen* zurück, wobei die Steuerventile 25 tion nicht ändern. Es steht dann nach Wiedecöffiaeii und 35 Wieder geschlossen und das Steuerventil 15 des Steuerventils 35 die zur Kalibiienmgerf geöffnet "wird. Bei Abwandertngdes angezeigten Ka- Gaskonzentrationsofort zur Verfägungs wodurch! li ¹SI tjefceinef Veränderung der Meß- die Einstellzeit des Kalibrierwertes -wesentlidi ^

rarigJasserfisichdurdidieEmrich- 65 kürzt.

g^ Alarmsignaleauslösen, die auf die Verände- Für den praktischen Gebrauch ergeben sich

«ftgä*äer McSzelle 13 dann hinweisen. Audi eine gcnde Möglichkeiten: . r Lo. · ' SkrtöHKrtfcfcne Waiäiregeliasg des Kalibrierwertes auf 1. Durch Kombination Scr Basiscinhcit rtit dcrSä''-

noch nachstehend näher beschriebenen Brückenschaltung. Das Anzeigeinstrument 51 mit der Alarmeinrichtung 52 und die Registrierungseinrichtung 53 sind dem Netzteil nachgeschaltet.

Die Nullpunkt- und Kalibrierkontrolle erfolgt über das Programmschaltwcrk 50 mehrfach täglich. Hierbei wird die angesaugte Gasprobe über das geöffnete Steuerventil 25 durch das Aktiv-Kohle-Filter 21 ge-

libriereinrichtung und einer automatischen Kontrolle des Nullpunktes und des Kalibrierwertes können maximale Arbeitsplatzkonzentrationen (MAK-Werte) sehr genau, auch registrierend überwacht werden.

Die Kalibriereinrichtung mit Großflächenverdunster in Verbindung mit geeigneten Kapillarsystemen und einer Nullpunktgas-Dosierung kann zur Kontrolle und Kalibrierung von Prüfgasröhrchen verwendet werden.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Kalibriereinrichtung für Vorrichtungen zur automatischen Bestimmung von Spuren von organischen Lösemitteldämpfen in Luft, unter Verwendung eines nicht spezifischen Gasdetektors, insbesondere Gas-Halbleiters als Meßzelle, durch vergleichende Messungen des die Meßkomponente enthaltenden Prüfgases mit einem die Meß- xo komponente enthaltenden Vergleichsgas, dadurch gekennzeichnet, daß die Kalibriereinrichtung (40) aus einem waschflaschenartigen wärmeisolierten Behälter mit einem mit seinem freien Ende oberhalb des Flüssigkeitsspiegels der sich in dem Kalibrierbehälter befindenden Flüssigkeit mündenden Zulaufrohr (43) für das von der Meßkomponente befreite Prüfgas und mit einer im oberen Dom (44) des Behälters angeordneten Ableitung (42) für das Abführen der LösemitteJ-Dampf-Konzentration aus der Kalibriereinrichtung 40 und einer im Innenraum des Behälters angeordneten Großflächenverdunstungseinrichtung (45) besteht.

2. Kalibriereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Großflächenverdunstungseinrichtung (45) der Kalibriereinrichtung (40) aus mindestens einer sternförmig gefalteten Manschette (49) aus Filtrierpapier oder aus mehreren konzentrisch ineinander angeordneten zylindrischen Keramikkörpern besteht.

3. Kalibriereinrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter der Kalibriereinrichtung (40) in einem Behälter (47) angeordnet ist, der aus wärmeisolierendem Material besteht und der in seinem Behältermantel eine Heizeinrichtung (48) aufweist.