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Verfahren zur Erzeugung einer definierten
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Wasserdampfmenge geringer Konzentration und Vorrichtung zur Durchführung
des Verfahrens
Beschreibung Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zur Erzeugung einer definierten,in Gasphase befindlichen Wasserdampfmenge geringer
Konzentration in einem Gasstrom eines nicht reagierenden Trägergases für Eichzwecke
und eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
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Für viele technische Zwecke ist die Messung des gasförmigen Wassergehaltes
in der tuft und in anderen Gasen von Bedeutung.
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Hierfür befinden sich Wasserdampfspurenmeßgeräte auf dem Markt, die
geringe Konzentrationen an Wasserdampf bzw. Feuchtigkeit in Gasen bestimmen. Zur
Sicherstellung einer genauen Arbeitsweise dieser Geräte ist das Problem ihrer Eichung
sehr vordringlich und insbesondere dem Benutzer derartiger Gerate muß die Möglichkeit
gegeben sein, diese nach längerer Betriebszeit auf ihre genaue Arbeitsweise hin
zu prüfen. Für diesen Zweck sind die verschiedensten Geräte und Verfahren bekannt.
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So ist beispielsweise ein Verfahren zur Nacheichung bekannt, bei dem
eine Kunststoffmembrane verwendet wird, deren eine Seite mit einer Flüssigkeit,
zum Beispiel Wasser beschickt wird, während die andere Seite der Membrane mit einem
trockenen Gas überstrichen wird. Entsprechend der Temperatur der Membrane diffundiert
ein bestimmter Anteil Wasserdampf in den trockenen Gasstrom. Bedingt durch die Kenntnisse
der Diffusionseigenschaften der Membrane, der Temperatur und des Druckes der beiden
Medien, kann eine Aussage über die Wasserdampfkonzentration im trockenen Gasstrom
durchgeführt werden. Hiernach kann auch das Wasserspuren-Meßgerät geeicht werden.
Der Nachteil dieser bekannten Anordnung besteht darin, daß mehrere Punkte bekannt
sein müssen, um die richtigen Rückschlüsse auf die Wasserdampfkonzentration im trockenen
Gas ziehen zu können. Da zur Bestimmung der Wasserdampfkonzentration mehrere physikalische
Größen bekannt sein müssen, deren Messung ebenfalls mit Meßfehlern behaftet ist,
läßt sich die Wasserdampfkonzentration nur relativ ungenau bestimmen. Außerdem sind
für diese Arbeitsweise relativ umfangreiche
Apparaturen notwendig,
die den mobilen Einsatz sehr erschweren.
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Ein weiteres bekanntes Verfahren zur Eichung von Wasserspuren-Meßgeräten
besteht darin, daß ein mit Wasserdampf gesättigtes Gas stark unterkühlt wird, zum
Beispiel mit Hilfe eines Alkohol-Trockeneis-Gemisches, wodurch sich der Wasserdampfgehalt
des Gases bei einer bestimmten Temperatur, zum Beispiel 213 Grad K (minus 60 Grad
Celsius) an einer genügend großen Oberfläche einstellen läßt. Aufgrund der Temperaturaussage
ist es nun möglich, entsprechend dem Wasserdampfpartialdruck, der dieser Temperatur
entspricht, eine Aussage über den Wasserdampfgehalt in dem die Kühlfalle verlassenden
Gas zu machen. Hiernach kann dann das Wasserspruren-Meßgerät geeicht werden.
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Ein noch anderes bekanntes Verfahren zur Eichung von Wasserspuren-Pleßgeräten
besteht darin, einem Stickstoffstrom, der vorher vollständig von Sauerstoff befreit
wurde, elektrolytisch Wasserstoff und Sauerstoff zuzuführen. Die Strommenge, die
während des Elektrolysevorganges fließt, ist ein Maß für die zerlegte Wassermenge.
Danach wird das Gas über einen Trockner und einen anschliessenden Feinsttrockner,
der mit Phosphor-Pentoxyd gefüllt ist, geleitet und feinstgetrocknet. Ein sich anschliessendes
Katalysatorbett, das von dem Stickstoff, der mit Sauerstoff und Wasserstoff durchsetzt
ist, durchflossen wird, ermöglicht die quantitative Umsetzung des zuvor erzeugten
Sauerstoffs und Wasserstoffs zu Wasserdampf. Somit ist ein Gasgemisch mit definiertem
Wassergehalt hergestellt. Der Nachteil dieses Gerätes besteht darin, daß es relativ
aufwendig ist und für den Spülvorgang eine sehr lange Anlaufzeit benötigt. Darüberhinaus
wird nach bestimmten Betriebszeiten auch das Nachfüllen der einzelnen Chemikalien
für die Sauerstoffentfernung, Trocknung, Feinsttrocknung und Elektrolyse notwendig.
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Ein weiteres bekanntes Verfahren, das von Zeit zu Zeit angewendet
wird, besteht darin, daß einer Stahlflasche, die im Innenraum speziell mit hydrophoben
Mitteln oberflächenbehandelt ist, - zum Beispiel teflonisiert - eine-definierte
Wassermenge eingegeben und mit einem trockenen Gas aufgedrückt wird. Trotz guter
Oberflächenbehandlung treten jedoch bei sinkendem Fülldruck der Flasche verschiedene
Wasserdampfkonzentrationen entsprechend dem Partialdruck aus der Flasche aus, so
daß kein Trägergas mit definiertem Wassergehalt zur Verfügung steht.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß sich demgegenüber
Gasgemische mit gasförmigen Bestandteilen sehr gut herstellen lassen, wobei insbesondere
Sauerstoff in geringsten Mengen mit sehr großer Genauigkeit hergestellt werden kann,
ohne daß sich die Analyse des Gasgemisches zum Beispiel durch Ad- oder Desorption
des Sauerstoffs in einer Stahlflasche während des Entleerungsvorganges durch irgendwelche
Einflüsse ändert.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und
eine Vorrichtung vorzuschlagen, mit deren Hilfe die Eichung von Wasserspuren-Meßgeräten
in einfacher Weise und mit äußerster Genauigkeit durchgeführt werden kann.
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Die Lösung dieser Aufgabe besteht darin, daß bei einem Verfahren zur
Erzeugung einer definierten, in Gasphase befindlichen Wasserdampfmenge geringer
Konzentration in einem Gasstrom eines nichtreagierenden Trägergases für Eichzwecke
der wasserdampffreie Gas strom des Trägergases mit einer definierten Menge Sauerstoff
oder Äthylen und einem solchen gasförmigen Reaktionspartner, dessen Reaktionsprodukt
mit Sauerstoff bzw. Äthylen wasserdampf ergibt, im stöchiometrischen Überschuß durch
einen Reaktionsraum geführt werden, in dem sich eine definierte Menge Wasserdampf
bildet. Gemäß dem Verfahren nach der Erfindung wird das Trägergas mit den Reaktionsgasen
vor Zuführung in den Reaktionsraum einem Trocknungsprozess unterworfen.
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Durch diese Maßnahme wird das Eichverfahren hinsichtlich seiner Genauigkeit
wesentlich verbessert, da hierdurch das Trägergas von nicht erfassbaren Wasserdampfanteilen
befreit wird.
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Gemäß der Erfindung wird als Trägergas vorzugsweise Stickstoff verwendet,
da sich dieser preiswert herstellen und lagern läßt. Als gasförmiger Reaktionspartner
des Sauerstoffs wird zur Bildung von Wasser vorzugsweise Wasserstoff verwendet,
der im stöchiometrischen Überschuß zum Sauerstoff einer Gasflasche zugeführt wird.
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Anstelle von Wasserstoff kann zur Bildung von Wasser als gasförmiger
Reaktionspartner des Sauerstoffs Äthylen verwendet werden. In beiden beschriebenen
Fällen wird Wasserdampf nach den Reaktionsgleichungen 2H2 + °2 = 2in20 + + 302 =
2C02 +2H20 stöchiometrisch entstehen, wenn diese Gasgemische über das Katalysatorbett
geleitet werden.
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Grundsätzlich läßt sich nach der Erfindung äede Reaktion benutzen,
die als Produkt eine stöchiometrische Menge Wasserdampf liefert und dieses über
ein beheiztes oder unbeheiztes Katalysatorbett geführt wird.
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Der Katalysator ist vorzugsweise auf einem hydrophoben Trägermaterial
aufgetragen. Kommt daher Wasserdampf mit diesem Material in Berührung, wird es abgestoßen,
so daß das Eichgas nicht verfälscht wird. Als Trägermaterial eignet sich Silikat
oder Asbest.
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In einer Abwandlung der Erfindung läßt sich auch als Katalysator metallisches
Palladium oder, bei Anwendung von Äthylen, Platin verwenden.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung wird als Katalysator
Palladium oder Platin verwendet, das auf einem Trägermaterial aufgetragen ist, welches
beispielsweise eine Faserform aufweist.
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Der Reaktionsraum ist mit diesem Material voll gefüllt, so daß eine
äußerst große Oberfläche an Palladium als Katalysator zur Verfügung steht.
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Zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung wird eine Vorrichtung
verwendet, die einen Reaktionsraum aufweist, der als Durchlaufbehälter ausgebildet
ist, welcher sich mittels Ventile absperren läßt und der mit dem Katalysatorbett
gefüllt ist.
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Der Durchlaufbehälter ist weiter mit einer thermostatisch gesteuerten
Heizeinrichtung ausgerüstet, welche von einer thermischen Isolation umgeben ist.
Dem Durchlaufbehälter ist ein Kühler nachgeschaltet, der vorzugsweise als Luftkühler
ausgebildet ist.
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Zur Erhöhung der-Meßgenauigkeit werden das Trägergas und die Reaktionspartner
nahezu vollständig getrocknet. Hierfür ist dem Durchlaufbehälter eine Vorrichtung
zur Trocknung der durchströmenden Gase vorgeschaltet.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der Durchlaufbehälter
mit seinem Kühler durch Rückschlagklappen gesichert, welche derartig eingestellt
sind, daß im Reaktionsgefäß bei Abschaltung des Gasstromes ein geringer Überdruck
aufrecht erhalten bleibt. Dadurch wird verhindert, daß Fremdgase in den Reaktionsraum
eindringen können.
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Die Erfindung wird anhand der Figur näher erläutert.
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Der Durchlaufbehälter 1 ist in dieser Ausführungsform als zylindrisches
Gefäß ausgebildet. Im Innern dieses Gefäßes befindet sich ein Heizstab 5, der mit
Hilfe einer thermostatischen Steuerung 7 auf eine Temperatur von 120 Grad Celsius
gebracht und gehalten wird. Der Heizstab 5 ist von dem Katalysatorbett 4 umgeben,
welches den Reaktionsraum vollständig ausfüllt. Vor
dem Einlaßventil
2 ist eine Vberwurfmutter 10 dargestellt, die als Anschluß für den Eichgasdruckminderer
dient. In der Gaszuführungsleitung liegt ferner die Trocknungsvorrichtung 9 mit
deren Hilfe sichergestellt ist, daß das Eichgas vollständig getrocknet in den Reaktionsraum
gelangt. Dem Durchlaufbehälter 1 schließt sich ein Kühler 8 an, dessen Leitung aus
einem Kapillar rohr besteht, welches zu einer Wendel mit genügendem Abstand gewickelt
ist, so daß die Kiihlwirkung der Luft ausreicht, ohne daß eine Zwangsführung der
Kühlluft erforderlich ist. Am Ende der Kühlleitung befindet sich ein Abschlußventil
3. Die Ventile 2 und 3 können auch als Rückschlagklappen ausgebildet sein, wobei
diese so eingestellt werden, daß bei Unterbrechung der Gaszuführung ein Uberdruck
im Reaktionsraum erhalten bleibt. Dem Ventil 3 folgt ein Anschluß für das zu eichende
Wasserspuren-Meßgerät.
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Bei einer mobilen Anlage wird vorzugsweise als Gasquelle eine Stahlflasche
verwendet, die mit einem Trägergas aus Stickstoff, einer definierten Menge Wasserstoff,
beispielsweise 2 ppm und mit einem stöchiometrischen Überschuß an Wasserstoff gefüllt
ist. Wie eingangs ausgeführt, lassen sich Gasgemische mit gasförmigen Bestandteilen
sehr gut herstellen und lagern. So wird bereits die Herstellung von Sauerstoff in
geringsten Mengen, d.h. im ppm - Bereich und mit sehr großer Genauigkeit seit längerer
Zeit technisch beherrscht, ohne daß sich die Analyse des Gasgemisches, zum Beispiel
durch Ad- oder Desorption des Sauerstoffs in einer Stahlflasche, während des Entleerungsvorganges
durch irgendwelche Einflüsse ändert.
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Gasflaschen mit einem Testgas aus Stickstoff und Reaktionsgasen aus
Sauerstoff und Wasserstoff bzw. Sauerstoff und Äthylen sind somit im Handel erhältlich,
wobei äe nach Wahl die definierten Mengen von Sauerstoff geändert werden können,
wie zum Beispiel 2 ppm, 5 ppm oder auch mehr, je nachdem in welchem Feuchtigkeitsbereich
die Eichung des Wasserspuren-Meßgerätes durchgeführt werden soll.
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Zur Eichung wird nun der Durchlaufbehälter- mit der Gasflasche und
dem zu eichenden Wasserspuren-Meßgerät verbunden und es werden die Reaktionspartner
Sauerstoff und Wasserstoff mit ihrem Trägergas durch Öffnung der Ventile 2 und 3
durch den Reaktionsraum geführt, der auf einer Temperatur von 120 Grad Celsius gehalten
wird. Der erzeugte Wasserdampf wird mit seinem Trägergas durch das sich anschließende
Kapiflarrohr geführt und dort auf Zimmertemperatur gekühlt.
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Das auf diese Weise hergestellte Gas mit definiertem Wasserdampfgehalt
kann so in das Wasserspuren-Meßgerät eindosiert werden, so daß danach die Eichung
des Wasserspuren-Meßgerätes exakt erfolgen kann.
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Das Gerät ist in wenigen Minuten einsatzbereit und liefert schon nach
kurzer Zeit die exakte Menge Wasserdampf zur Eichung.
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Bei den bisher bekannten Geräten stellt sich ein Gleichgewicht erst
nach mehreren Stunden ein, so daß erst danach eine exakte Menge Wasserdampf erzeugt
wird, die zur Eichung verwendet werden kann.
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