DE3904168C2

DE3904168C2 -

Info

Publication number: DE3904168C2
Application number: DE3904168A
Authority: DE
Inventors: Horst Dipl.-Phys. Dr. 5300 Bonn De Adams; Dirk Dipl.-Ing. 2300 Altenholz De Hoffmeyer; Joerg Dipl.-Phys. Dr. 2300 Kiel De Boscher
Original assignee: Honeywell Elac Nautik GmbH
Current assignee: Honeywell GmbH
Priority date: 1989-02-11
Filing date: 1989-02-11
Publication date: 1990-12-13
Also published as: ATE85125T1; FI94466C; DK0457776T3; EP0457776B1; EP0457776A1; IL93021A; DE69000832D1; DE69000832T2; KR910700455A; JPH03505256A; FI913762A0; CA2046329A1; DE3904168A1; FI94466B; US5223712A; WO1990009586A1; ES2038514T3

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Feststellen der Belastung eines Trägergases mit in geringer Konzentration auftretenden Spurengases, insbesondere der Belastung von Luft mit Kampfgasen.

Sie geht aus von einer Einrichtung gemäß Gattungsbegriff des Anspruchs 1, wie sie im Prinzip aus US-PS 38 35 328 bekannt ist. Weiterbildungen jenes Ionisationsdetektors sind in US-PS 40 75 550, 42 38 678 und 43 62 941 beschrieben. In all diesen bekannten Stauscheibenzellen (Baffle-Zellen) wird mit Hilfe eines Ventilators oder einer Pumpe ein Luftstrom durch die Zelle erzeugt, am Eingang der Zelle ist eine Ionisationsvorrichtung in Form einer Strahlungsquelle vorgesehen und der Gasstrom durchläuft einen labyrinthartig verlängerten Strömungsweg, in dessen Verlauf die meisten der ionisierten Trägergasmoleküle rekombinieren, während das Spurengas mit Ionen des Trägergases Molekülpakete oder Cluster bildet, welche im genannten Labyrinth nicht rekombinieren, sondern zu einer Kollektorelektrode gelangen und dort einen entsprechenden Strom erzeugen.

Probleme ergeben sich wenn das Spurengas, z. B. Schwefellost, in sehr geringer Konzentration vorhanden ist und folglich die erzeugten Ströme nur im Bereich von pA, d. h. 10^-12 A liegen.

Dann wird das Nutzsignal vielfach vom Rauschen des nachgeschalteten Verstärkers überdeckt. Außerdem kann man nicht davon ausgehen, daß alle ionisierten Trägergasmoleküle rekombinieren, so daß hierdurch ein weiterer Störsignalanteil entsteht. Besondere Schwierigkeiten ergeben sich aber wenn der Detektor über einen großen Temperaturbereich von beispielsweise -30°C bis +50°C betriebsfähig sein und auch genau messen und darüber hinaus durch Schwankungen der Versorgungsspannung oder die Einwirkung elektromagnetischer Strahlung nicht beeinflußt werden soll.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Spurengasdetektor, insbesondere Lostdetektor zu schaffen, dessen Genauigkeit und Zuverlässigkeit weder durch interne Störungen, wie nicht rekombinierte Trägergasionen oder Wasserdampfreste noch durch externe Störungen, wie Temperaturschwankungen, Versorgungsspannungsschwankungen oder elektromagnetische Strahlung beeinträchtigt wird. Diese Aufgabe wird gelöst durch die im Anspruch 1 gekennzeichnete Erfindung. Die im geschlossenen Gaskreislauf vor dem Filter und/oder Trockner liegende Stauscheibenzelle liefert einen Ausgangsstrom, der sowohl vom festzustellenden Spurengas als auch von etwaigen internen Störfaktoren abhängt, während der hinter dem Filter und/oder Trockner befindliche Stauscheibendetektor nur noch auf diese Störfaktoren anspricht. Die Differenzbildung beseitigt den Einfluß dieser internen und externen Störungen, so daß das Differenz-Ausgangssignal nur noch von der Konzentration des Spurengases abhängig ist.

Ein weiteres Problem ergibt sich beim Detektieren von S-Lost (Senfgas S(CH₂CH₂)₂CL₂) und N-Lost (N(CH₂CH₂Cl)₃) dadurch, daß eine zu hohe Konzentration von Wasserdampf die Bildung von Spurengas-Clustern behindert. Dem kann dadurch abge holfen werden, daß in Weiterbildung der Erfindung das zu unter suchende Gasgemisch dem geschlossenen Kreislauf über eine Wasserdampfsperre, beispielsweise eine Silikonmembran, zuge führt wird. Dieser Kreislauf enthält dann nur noch geringe Wasserdampfreste, die durch einen zugleich als Filter wirksamen oder mit einem Aktivkohlefilter vereinigten Trockner auf einem Taupunkt <30°C stabilisiert werden können. Weitere vorteil hafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unter ansprüchen. Sie schafft einen in äußerst kompakter Bauweise her stellbaren und ohne Hochspannung, beispielsweise aus Batterien, betreibbaren Spurengasdetektor, der aufgrund seiner geringen Stromaufnahme und Abmessungen mit einem auf andere Kampfgase, beispielsweise Nervengas, ansprechenden Detektor zu einem kom pakten Universalgerät zusammengebaut werden kann.

Ein solcher auf Nervengas ansprechender Detektor mit einer sogenannten dynamischen Gitterzelle ist in EP-OS 02 33 579 beschrieben.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung wiedergegebenen Ausführungsbeispiels erläutert. Dabei zeigt:

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel für den als geschlossener Gaskreislauf ausgebildeten Lost-Detektor und

Fig. 2 die Vereinigung eines solchen Detektors mit einem eine dynamische Gitterzelle aufweisenden Nervengasdetektor und einer zum Feststellen von Blut- und Lungenkampfstoffen dienenden elektrochemischen Zelle zu einem kompakten universellen Kampfstoffdetektor.

Fig. 1 zeigt einen in sich geschlossenen Gaskanal 1, in dem hintereinander eine erste Labyrinthzelle 2, eine Pumpe 3, ein Filter 4 sowie eine zweite Labyrinthzelle 5 angeordnet sind. Das zu untersuchende Gas wird über eine Wasserdampfsperre in Form einer Membran 6 in den Gaskanal 1 eingebracht. Die beiden Labyrinth- oder Stauscheibenzellen 2 und 5 können beispielsweise den aus US-PS 38 35 328 bekannten Aufbau haben. Jede von Ihnen weist eine Quellenelektrode 21 bzw. 51 sowie eine Kollektorelektrode 22 bzw. 52 auf. Zur Ionioni sation der die Zelle durchströmenden Gasmoleküle und daraus resultierender Bildung von mit Molekülen des Spurengases angereicherten Gasclustern ist in jeder der beiden Zellen 2 und 5 eine radioaktive Strahlungsquelle, beispielsweise eine mit Americium 241 beschichtete Folie, vorgesehen. Während die Trägergasionen (Luft) auf dem Labyrinthweg durch die Zellen rekombinieren, gilt dies für die mit Lost angereicherten negativen Cluster nur in wesentlich geringerem Maße. Diese durchlaufen vielmehr die Zelle 2 und erzeugen an deren Kollektor 22 einen Strom. Das Filter 4 enfernt aus dem Gasstrom jegliche Spurengasanteile und kann hierfür als Aktiv kohlefilter ausgebildet sein. Zugleich enthält es eine Trock nungsvorrichtung, um eventuell noch vorhandene restliche Wasser dampfmoleküle aus dem Gaskreislauf zu entfernen. Die Zelle 5 wird also von einem ionisierten, spurengasfreien Trägergas durchströmt. Das an ihrer Kollektorelektrode 52 entstehende Si gnal hängt also nur vom Fluß der Trägergasionen ab. Die erfin dungsgemäße Differenzschaltung der Ausgangssignale beider Zel len 2 und 5 erreicht man dadurch, daß die Kollektorelektrode 22 der ersten Labyrinthzelle 2 und die Quellenelektrode 51 der zweiten Labyrinthzelle 5 im Knotenpunkt 9 zusammengeschaltet und an den Eingang eines Vorverstärkers 7 gelegt sind. Ein Schalter 8 unterbricht periodisch den Differenzstrom und be wirkt, daß in den Strompausen der Differenzverstärker mit of fenem (oder an Masse gelegtem) Eingang arbeitet und damit über eine Regelschaltung auf diesen Punkt automatisch abgeglichen werden kann. Jegliche auf Temperaturschwankungen des Gases oder der Meßanordnung oder auf Schwankungen der Betriebsspannung an den beiden Labyrinthzellen oder Drehzahlschwankungen der Pumpe beruhenden Störungen wirken auf die Ausgangssignale beider Meßzellen in dem gleichen Maße ein und werden durch die Dif ferenzbildung kompensiert. Die beiden Labyrinthzellen 2 und 5 sind derart ausgewählt, daß ihre Kennwerte weitgehend überein stimmen. Die Meßanordnung kann auch dadurch abgeglichen werden, daß man ihr zunächst nur ein spurengasfreies Trägergas zuführt und am Ausgang 10 des Verstärkers 7 durch geeignete Schaltungs maßnahmen die nachfolgende Meßschaltung derart abgleicht, daß sie in diesem Falle das Ausgangssignal Null anzeigt. Die Quellenelektrode 21 der ersten Labyrinthzelle 2 und die Kollektorelektrode 52 der zweiten Labyrinthzelle 5 sind an gleichgroße Potentiale (-20 V bzw. +20 V) entgegengesetzter Polarität angeschlossen.

Der in Fig. 2 als Blockschaltbild wiedergegebene kombinierte Kampfstoffdetektor enthält in seinem unteren Teil den zuvor anhand von Fig. 1 beschriebenen Lost- oder Senfgasdetektor. Dieser ist als Modul aufgebaut und über die Membran 6 an den Strömungsweg 40 eines weiteren Detektors angekoppelt. Die Membran 6 ist hierzu zwischen einem Membranhalter 61 im Lostdetektormodul und einem Membranhalter 62 im zweiten Strömungsweg 40 eingesetzt. Der zweite Detektor enthält zwischen seinem Gaseinlaß 41 und dem genannten Membranhalter 62 einen beispielsweise auf Nervengase ansprechenden Detektormodul mit einem Teilchenfilter 42, einer dynamischen Gitterzelle 43 sowie einem Temperaturfühler 44, wie er aus EP-OS 02 33 578 bekannt ist. Für die erforderliche Gasströmung durch die dynamische Gitterzelle 43 sorgt ein Ventilator oder eine Pumpe 45. Zwischen dieser und dem Gasauslaß 46 ist noch eine elektrochemische Zelle 47 zum Detektieren von Blut- und Lungenkampfstoffen eingeschaltet, die aber nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist. Aus dem Blockschaltbild gemäß Fig. 2 ersieht man, daß hier drei auf die wesentlichen Kampfstoffe ansprechende Filtermodule zu einem kompakten Kampfstoffdetektor zusammengesetzt werden können, wobei keine der Ionisationszellen 43, 2 und 5 eine Hochspannungsversorgung braucht und auch zum Feststellen der verschiedenen Kampfstoffe keine Chemikalien eingebracht, überwacht und entsorgt werden müssen. Das der Erfindung zugrundeliegende Prinzip der Verwendung zweier über ein Filter in einen geschlossenen Gaskreislauf eingeschalteter Meßzellen unter Differenzbildung ihrer Ausgangssignale kann nicht nur für die Feststellung von Senfgas (Lost) oder anderen Kampfstoffen, sondern auch zum Aufspüren anderer Spurengase eingesetzt werden.

Claims

1. Einrichtung zum Feststellen von Spurengasen in einem Gasgemisch unter Verwendung einer vom Gasgemisch durchströmten Labyrinthzelle (2), welche eine die Gasmoleküle ionisierende Strahlungsquelle (21), eine durch Stauscheiben oder dergleichen gebildete, labyrinthartig den Strömungsweg verlängernde Rekombinationszone sowie an deren Ausgang eine Kollektorelektrode (22) aufweist, dadurch gekennzeichnet,

a) daß die Labyrinthzelle (2) als eine erste Labyrinthzelle zusammen mit einem Filter (4) für die festzustellenden Spurengase, einem Gasstromerzeuger (3) sowie einer stromabwärts vom Filter (4) angeordneten zweiten Labyrinthzelle (5) einen geschlossenen Gaskreislauf (1) bildet;
b) die Ausgangssignale der vom Meßgas durchströmten ersten Labyrinthzelle (2) und die Ausgangssignale der vom gefilterten Gasstrom durchsetzten zweiten Labyrinthzelle (5) in einer Differenzschaltung (7, 9) elektrisch gegeneinandergeschaltet sind; und
c) am Ausgang (10) der Differenzschaltung (7) ein der Konzentration des gesuchten Spurengases entsprechendes Signal abgegriffen wird.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, bei der jede Labyrinthzelle (2, 5) eine Quellenelektrode (21, 51) sowie eine Kollektorelektrode (22, 52) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Quellenelektrode (21) der ersten Labyrinthzelle (2) und die Kollektorelektrode (52) der zweiten Labyrinthzelle (5) an Versorgungsspannungen gleicher Größe aber entgegengesetzter Polarität angeschlossen und die Kollektorelektrode (22) der ersten Labyrinthzelle (2) sowie die Quellenelektrode (51) der zweiten Labyrinthzelle (5) miteinander verbunden sind und mit dem Eingang eines Vorverstärkers (7) für das Differenzsignal in Verbindung stehen.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Spurengasfilter (4) eine Gastrocknungsvorrichtung enthält.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da durch gekennzeichnet, daß am Einlaß des geschlossenen Gaskreislaufs (1) vor der ersten Labyrinthzelle (2) ein Membranfilter (6) als Wasserdampfsperre angeordnet ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch ge kennzeichnet, daß die Membran (6) auf der dem geschlossenen Gaskreislauf (1) abgewandten Seite dem Gasstrom in einer für ein anderes Spurengas empfindlichen Meßvorrichtung (40 bis 45) ausgesetzt ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch ge kennzeichnet, daß die für ein anderes Spurengas empfindliche Meßvorrichtung eine dynamische Gitterzelle (43) zur Ionenmobilitätsspektrometrie enthält und die Membran (6) dem Gasstrom hinter der Gitterzelle (43) ausgesetzt ist.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch ge kennzeichnet, daß im Wege (40) des Gasstroms durch die zweite Spurengasmeßvorrichtung (40-45) ein zweiter Gasstromerzeuger (45), z. B. eine Pumpe oder ein Ventilator, angeordnet ist.

8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch ge kennzeichnet, daß hinter dem zweiten Gasstromerzeuger (45) eine weitere, auf eine dritte Art von Spurenelementen ansprechende Meßzelle (47) , insbesondere eine elektrochemische Meßzelle angeordnet ist.