DE4142064C2 - Vorrichtung zur Messung von Gaspermeation - Google Patents
Vorrichtung zur Messung von GaspermeationInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Mes
sung von Gaspermeabilität durch eine Membran, und insbeson
dere eine verbesserte Meßvorrichtung für Gaspermeabilität,
die die Durchführung derartiger Messung bei im wesentlichen
konstanter Temperatur und relativer Feuchtigkeit erlaubt.
Nach dem Stand der Technik sind Meßvorrichtungen für Gasper
meabilität allgemein bekannt, darunter eine Anzahl von Vor
richtungen, die vom Rechtsinhaber der vorliegenden Erfindung
hergestellt werden. Derartige Vorrichtungen enthalten typi
scherweise einen oder mehrere Meßköpfe, die so eingerichtet
sind, daß sie einen Membranwerkstoff quer über eine Kammer
halten können, wobei ein Gas, wie z. B. Sauerstoff, auf einer
Seite der Membran in die Kammer eingelassen wird und ein De
tektor, wie etwa ein Sauerstoffdetektor, über Kanäle mit der
anderen Seite der Kammer verbunden ist, um die durch die Mem
bran tretende Menge an Sauerstoff zu messen. Da alle Membra
nen in einem gewissen Ausmaß permeabel sind, ist es normaler
weise möglich, eine meßbare Menge von Sauerstoff, die über
eine endliche Zeitspanne durch die Membran tritt, zu erfas
sen. Gemäß dem Stand der Technik benutzen Meßvorrichtungen
für die Gaspermeabilität einen oder mehrere Meßköpfe, die
über Schläuche und Rohre mit Sensoren und ähnlichem verbunden
waren, um recht genaue Messungen der Membranpermeabilität zu
erhalten.
Die Messung der Gaspermeabilität durch Membranen erfordert
äußerst empfindliche Gasdetektoren oder Sensoren, da die ge
messenen Gasmengen häufig recht niedrig sind. Es ist daher
äußerst wichtig, daß das gesamte an derartigen Messungen be
teiligte System unter absolut verschlossenen Bedingungen ge
halten wird, insbesondere hinsichtlich der gesamten Wege für
den Gasfluß, die zum Gasdetektor führen. Bei Meßvorrichtungen
für die Permeabilität nach dem Stand der Technik werden typi
scherweise Schläuche oder Rohrleitungen zur Verbindung der
erforderlichen Instrumenteanordnungen verwendet, wobei je
weils die verbindenden Anschlußstellen für Undichtigkeiten
anfällig sind. Da die Leistungsfähigkeit derartiger Instru
mente durch eine Gasundichtigkeit in kritischem Ausmaß herab
gesetzt werden kann, ist es wichtig, bei der Konstruktion
derartiger Instrumente eine möglichst geringe Anzahl von Ver
bindungsstellen im Fließweg des Gases vorzusehen.
Ebenso ist nach dem Stand der Technik die Konstruktion von
Gaspermeabilitätssensoren bekannt, die bei verschiedenen Be
dingungen von relativer Feuchtigkeit des Gases betrieben wer
den können. Die relative Feuchtigkeit wird bei der Messung
der Gaspermeabilität durch Membranen zu einem wichtigen Fak
tor, da die Permeabilität von bestimmten Membranen durch die
relative Feuchtigkeit der Membran und des umgebenden Gases
beeinflußt ist. Die Messung der Gaspermeabilität unter Bedin
gungen mit hoher relativer Feuchtigkeit ist außerordentlich
schwer durchführbar, da die relative Feuchtigkeit und die
Temperatur eng miteinander verbunden bzw. voneinander abhän
gig sind und es daher erforderlich wird, eine exakte Steue
rung der Temperatur aufrecht zu erhalten, wenn die Permeabi
lität unter Bedingungen mit hoher relativer Feuchtigkeit ge
messen werden soll. Unter diesen Bedingungen ist es erforder
lich, die Temperatur der gesamten Fließwege des Gases im Sy
stem zu steuern, da eine Änderung der Temperatur um 1°C ohne
weiteres zu einer Änderung der relativen Feuchtigkeit um 5%
führen kann. Des weiteren kann bei Bedingungen mit relativ ho
her Feuchtigkeit eine geringfügige Temperaturabsenkung die un
mittelbare Kondensierung des Gases bewirken, was zu Feuchtig
keitsansammlungen in den Gasflußwegen führt. Daher wird es
äußerst wichtig, die Temperatur des gesamten Meßsystems zu
steuern, wenn Permeabilitätsmessungen für feuchte Gase durch
zuführen sind.
Zu den nach dem Stand der Technik bekannten Systemen zur
Messungen von Permeabilität zählt eine vom Rechtsinhaber der
vorliegenden Erfindung hergestellte Produktreihe, die die
allgemeine Modellbezeichnung "OX-TRAN" trägt. Diese Systeme
haben sich zur Messung von Gaspermeabilität unter verschie
densten Bedingungen als sehr effektiv erwiesen, obwohl Per
meabiliätsmessungen unter hohen Feuchtigkeitsbedingungen re
lativ teure und umfangreiche Verbesserungen der Basismodelle
des Systems erfordert haben. Beispiele für den patentierten
Stand der Technik sind im US-Patent 35 90 634 "Instrument
zur Bestimmung von Permeationsraten durch eine Membran"
aufgezeigt, das eine einfache Permeationsmeßvorrichtung unter
Verwendung trockener Gase beschreibt. US-Patent
44 64 927 "Vorrichtung zur Messung des Gastransports durch
dünne Schichten" vom 14. August 1984 beschreibt eine weitere
einfache Meßvorrichtung, bei der mehrfache Permeationszellen
zum Einsatz kommen. US-Patent 48 52 389 "System für
Prüfversuche unter gesteuerter Feuchtigkeit" vom 1. August
1989 zeigt eine Vorrichtung zur Messung der Gaspermeabilität
auf, die unter verschiedenen Bedingungen von relativer
Feuchtigkeit im Gas betrieben werden kann. Dieses letztgenannte
Patent zeigt, welche komplizierten Ausrüstungen erforderlich
waren, um genaue Permeabilitätsmessungen unter
kontrollierten Feuchtigkeits- und Temperaturbedingungen
durchzuführen.
Aus der US 4 468 951 ist eine Vorrichtung bekannt zur Messung
der Permeabilität festen, flüssigen oder gasförmigen
Stoffen durch ein Material hindurch, insbesondere eine Vorrichtung
zum Messen der chemischen Durchdringung verschiedener
Materialien, wobei sehr geringe Mengen des chemischen
Stoffes und jeweils geringe Abschnitte des Testmaterials verwendet
werden.
Bei dieser Vorrichtung werden Kanäle 1 bis 4 verwendet, wobei
die erste Öffnung des zweiten Kanals sowie die zweite
Öffnung des vierten Kanals jeweils durch die Oberfläche eines
Deckels hindurchführen, der einen an einer Außenfläche
des Materialvolumen ausgebildeten Hohlraums abschließt, wobei
der Hohlraum der Aufnahme des Textmaterials dient.
Aus der GB 1 145 542 ist eine entsprechende Vorrichtung bekannt,
bei der ebenfalls zwischen zwei Teilhohlräumen eine
Prüfmembran eingespannt ist und eine Vielzahl von Kanälen
die Hohlräume mit zum einen einem Testgas und zum anderen
einem Referenzgas verbinden. Ebenso sind in den entsprechenden
Kanälen Detektoren vorgesehen.
Es ist die Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, eine
Vorrichtung zur Messung der Gaspermeabilität aufzuzeigen,
die gegenüber dem Stand der Technik verbesserte
Temperatursteuerungseigenschaften aufweist. Weiterhin ist es
Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Messung von
Gaspermeabilität aufzuzeigen, mit der es möglich ist, unter
exakt gesteuerten Temperaturbedingungen relative Feuchtigkeit
dem zu messenden Gas zuzuführen. Auch soll die Erfindung
eine Vorrichtung zur Messung der Gaspermeabilität aufzeigen,
die eine kleinstmögliche Anzahl von Verbindungsstellen
und Anschlüssen im Fluß
weg des Gases aufweist, um die Möglichkeiten für Undichtig
keiten im System zu verringern. Schließlich ist es auch Auf
gabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Messung der Gasper
meabilität aufzuzeigen, die kleine und kompakte Abmessungen
für einen zweckmäßigen Betrieb aufweist.
Aus der US 3 618 361 ist eine Vorrichtung bekannt, bei der
drei Zellen zur Messung der Gaspermeabilität von Filmen vorgesehen
sind.
Aus der US 3 498 110 ist weiter eine Vorrichtung bekannt,
bei der eine Testzelle aus Material mit hoher Wärmeleiteigenschaft
vorgesehen ist. Aus Flüssigkeitsreservoir wird der
Test- und der Trägerstrom befeuchtet. Ein erstes und zweites
System von Kanälen ist vorgesehen, das von Schließgliedern
voneinander getrennt wird.
Die Lösung der Aufgabe ergibt sich aus Patentanspruch 1 und
9. Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Ausführungsformen der
Erfindung.
Die vorliegende Erfindung umfaßt eine Vorrichtung zur Messung
der Gaspermeabilität, bei der Feuchtigkeit und Temperatur
exakt durch den zweckmäßigen und neuartigen Aufbau, bei
dem alle Gasdurchtrittswege in einem einzelnen Metallblock
eingeschlossen sind, gesteuert werden können, sowie dadurch,
daß im einzelnen Metallblock eine Temperatursteuereinrichtung
enthalten ist, wobei der Metallblock ausgesprochen gute
Wärmeleiteigenschaften aufweist, so daß er zu einem exakt
gesteuerten Kühlblock für das gesamte System wird. Alle
wichtigen Gaswege im System sind auf Durchflußwege durch den
Kühlblock beschränkt, so daß damit eine gleichförmige und
konstante Temperatur während des Meßvorganges sichergestellt
ist. Wasserkammern zur Einführung von Feuchtigkeit in die
Gase sind ebenfalls im Kühlblock enthalten, so daß sicherge
stellt ist, daß Feuchtigkeit mit der gleichen Temperatur,
die im gesamten System vorherrscht, zugeführt wird. Zwei
abnehmbare Zellenabdeckungen sind am Kühlblock festgeklemmt
und die erforderlichen Durchflußsteuer- und Meßventile sind
alle im selben einzelnen Metallblock integriert. Nachfolgend
wird eine Ausführungsform der Erfindung unter Bezug auf die
beiliegenden Figuren näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine dreidimensionale Darstellung der Erfindung;
Fig. 2 eine Draufsicht auf die Erfindung;
Fig. 3 eine Seitenansicht der Erfindung, wobei die abnehm
bare Halteklammer in zwei Positionen dargestellt ist;
Fig. 4 ein Flußdiagramm der Erfindung;
Fig. 5 eine dreidimensionale Phantomdarstellung, die be
stimmte Gasdurchtrittswege zeigt;
Fig. 6 eine weitere dreidimensionale Phantomdarstellung mit
weiteren Gasdurchtrittswegen;
Fig. 7 eine dreidimensionale auseinandergezogene Teilphan
tomdarstellung eines Teils aus Fig. 6;
Fig. 8 eine Teilschnittdarstellung einer Zellenabdeckung;
Fig. 9 eine Schnittdarstellung eines in der Erfindung ver
wendeten Nadelventils; und
Fig. 10 eine Schnittdarstellung eines in der Erfindung ver
wendeten Solenoidventils.
In Fig. 1 ist ein Gaspermeabilitätsdetektor 10 in dreidimen
sionaler Darstellung gezeigt. Der Detektor 10 ist zur Verbin
dung mit einer Prüfgasquelle und einer Trägergasquelle ausge
rüstet, die in einer bevorzugten Ausführungsform Sauerstoff-
bzw. Stickstoffquellen sind, und enthält zwei Zellen zur Mes
sung der Permeabilität durch zwei verschiedene Membranstoffe.
Zur Vereinfachung werden hierin die Zellen als Prüfzelle A
und Prüfzelle B bezeichnet. Die Prüfzelle A umfaßt eine Kam
mer, die von einer Prüfmembran in zwei Hälften geteilt sein
kann, wobei die Kammer von einem abnehmbaren Kammerdeckel 12
für die Kammer A abgedeckt ist. Der Kammerdeckel 12 wird mit
tels einer Halteschraube 18 fest am Körper des Detektors ge
halten. Die Halteschraube 18 ist schraubbar in einer Halte
klemme 16 befestigt und durch diese in einem Gewinde drehbar,
so daß sie mit der äußeren Fläche des Kammerdeckels 12 für
die Kammer A in Eingriff kommt. Für die Kammer B ist ein ent
sprechender Kammerdeckel 14 vorgesehen, der von einer ent
sprechenden Halteschraube 20 gehalten wird. Die Halteklammer
16 umfaßt zwei Klemmarme, die fest durch eine Scharnierstange
17 verbunden sind. Die Scharnierstange 17 ist drehbar in ei
nem Gelenksitz 19 gehaltert. Die Halteklammer 16 kann daher
um die Achse der Stange 17 geschwenkt werden.
Zum Gasdetektor 10 gehören eine Anzahl von einstellbaren
Durchflußventilen. Ein Durchflußventil 102 steuert einstell
bar die Durchflußmenge des Prüfgases Sauerstoff durch die
Vorrichtung und Durchflußventile 104, 105 und 106 steuern
einstellbar den Durchfluß des Trägergases Stickstoff durch
verschiedene Kanäle in der Vorrichtung. Alle Durchflußventile
104, 105, 106 und 102 sind Nadelventile einer Bauart, die im
folgenden näher erläutert wird.
Neben den vorstehend beschriebenen Durchflußventilen verfügt
der Detektor 10 über eine Anzahl von solenoidbetriebenen Ein-/Aus
schaltventilen, wie etwa das Ventil 103, das in Fig. 1
gezeigt ist. Das Ventil 103 kann über nicht dargestellte
Drähte durch elektrische Signale mit Strom versorgt werden,
um bestimmte Fließwege im Detektor 10 zu öffnen oder zu
schließen. Die solenoidbetriebenen Ventile der hier verwende
ten Bauart werden im einzelnen weiter unten erläutert. Der
Gasdetektor verwendet je eine Befeuchtungskammer für die bei
den Gase, die mit der Vorrichtung verwendet werden können.
Jede der Befeuchtungskammern kann mit Wasser oder einer ande
ren Flüssigkeit gefüllt werden und das Niveau der Flüssigkeit
kann über dicht im Detektor 10 eingesetzt Schaugläser 22 und
24 überwacht werden. Schauglas 22 öffnet sich beispielsweise
in die Befeuchtungskammer für die Stickstoffkomponente und
das Schauglas 24 gibt den Blick in die Befeuchtungskammer für
die Sauerstoffkomponente frei.
Der Gasdetektor 10 verfügt über eine Einlaßöffnung 100 zum
Anschluß einer Sauerstoffquelle und eine Einlaßöffnung 126
zum Anschluß einer Stickstoffquelle (s. Fig. 2). Sauerstoff
wird durch eine Auslaßöffnung 124 ausgestoßen. Fig. 3 zeigt
eine Seitenansicht des Detektors 10, wobei die Halteklammer
16 in durchgezogenen Linien in ihrer Betriebsstellung, in der
sie den Deckel 12 festklemmt, und ebenso in unterbrochenen
Linien in ihrer geöffneten Stellung, in der sie mit dem Dec
kel 12 außer Eingriff gebracht ist, gezeigt ist. Der Deckel
12 ist in teilweise ausgebrochener Darstellung gezeigt, um
eine der unterhalb des Deckels 12 ausgebildeten Gaseinlaßöff
nungen darzustellen.
Fig. 4 zeigt ein Flußdiagramm des erfindungsgemäßen Systems
zur Erläuterung des Gasflusses und des Betriebs der verschie
denen Bauteile. Der Sauerstoffeinlaß 100 ist mit einem Sauer
stoffeinlaßventil 101 verbunden, das in Fig. 4 in seiner nor
malen offenen Stellung gezeigt ist. Das Sauerstoffeinlaßven
til 101 ist mit einem Befeuchterreservoir 207 und anschlie
ßend mit dem Sauerstoffdurchflußventil 102 verbunden. Das
Durchflußventil 102 erlaubt eine kontinuierliche Einstellung
der Sauerstoffdurchflußmenge durch das System. Vom Sauer
stoffdurchflußventil 102 ausgehend teilen sich die Sauer
stofffließwege zu den jeweiligen Prüfzellen A und B, wobei
jede der Prüfzellen über eine Sauerstoffeinlaßöffnung 213,
214 und eine Sauerstoffauslaßöffnung 221, 222 verfügt. Nach
den Sauerstoffauslaßöffnungen sind die beiden Fließwege wie
der zusammengeführt und mit der Auslaßöffnung 124 verbunden.
Der in Fig. 4 gezeigte Stickstofffließweg beginnt an der
Stickstoffeinlaßöffnung 126. Der Fließweg des Stickstoffes
läuft dann weiter zu einer Katalysatorkammer 328 und von dort
weiter zu einem Befeuchterreservoir 332. Ein Stickstoffaus
laßventil 103 ist in Fig. 4 in seiner normalen geschlossenen
Position dargestellt. Vom Reservoir 332 läuft der Stick
stofffließweg weiter durch drei Flußsteuerventile für den
Stickstofffluß. Ein Auslaßflußsteuerventil 105 ist kontinuier
lich einstellbar, um den Durchfluß von Stickstoff durch das
System zum Dreiwegeventil 109 zu erlauben, wo der Stick
stofffluß selektiv entweder zu einer Auslaßleitung 365 oder
einer Auslaßöffnung 351 umgelenkt werden kann. Die Auslaßöff
nung 351 ist vorzugsweise extern mit einem Sauerstoffsensor
o. ä. verbunden, wodurch eine exakte Messung des Sauerstoffge
halts der durch diesen tretenden Gase möglich ist.
Sauerstoffsensoren der im US-Patent 32 23 597 Hersch be
schriebenen Bauart können mit der Erfindung verwendet werden.
Die Ventile 104 und 106 zur Steuerung des Stickstoffdurch
flusses sind ebenso mit dem Befeuchterreservoir 332 verbun
den, um so eine kontinuierliche Einstellung des Stick
stoffflusses in die beiden Prüfzellen A und B zu erlauben.
Der Stickstoff fließt jeweils durch eine Einlaßöffnung 339,
340 in die Prüfzellen, durchfließt die Prüfzellen und fließt
durch Auslaßöffnungen 344, 345 aus diesen heraus. Der Stick
stoffauslaß der Prüfzelle B ist mit einem Dreiwege-Flußventil
308 verbunden, durch das der Stickstofffluß selektiv mit ei
ner Auslaßleitung 359 oder der Auslaßöffnung 351 für den Sen
sor verbunden werden kann. In ähnlicher Weise ist die Auslaß
öffnung für den Stickstofffluß aus der Prüfzelle A über Ver
bindungswege mit einem Dreiwegeventil 307 verbunden, durch
das er selektiv auf eine Auslaßleitung 357 oder die Sensor
auslaßöffnung 351 geschaltet werden kann.
Fig. 5 zeigt die Sauerstoffwege innerhalb des Gasdetektors 10
in dreidimensionaler Phantomdarstellung. Die Sauerstoffein
laßöffnung 100 ist an einem Ende eines Kanals 201 angeschlos
sen, der bis in eine vorgegebene Tiefe in den Detektor 10 ge
bohrt ist. Ein quer dazu gebohrter Kanal 202 kreuzt sich mit
dem Kanal 201 und mündet mit seiner Öffnung in das Sauerstoff
einlaßventil 101. Ein Kanal 203 bildet die zweite Öffnung
zum Sauerstoffeinlaßventil 101 und ein Kanal 204 ist quer zu
diesem gebohrt, so daß er Kanal 203 schneidet, wobei der Ka
nal 204 ausreichend tief gebohrt ist, so daß er auch einen
Befeuchterkanal 207 erreicht. Der Kanal 204 ist an seiner
Austrittsstelle aus dem Körper des Detektors 10 verschlossen.
Der Kanal 203 ist über die gesamte Breite des Detektors 10
durchgebohrt und an dessen Rückseite als Kanal 205 bezeich
net. Der Kanal 205 bildet einen Einlaß zum Ausstoßventil 103,
das weiter unten erläutert wird.
Der Befeuchterkanal 207 bildet ein Befeuchtungsreservoir, das
ganz oder teilweise über eine Befüllöffnung 108 mit Wasser
oder einer anderen Flüssigkeit gefüllt sein kann. Das Schau
glas 24 (s. Fig. 1) erlaubt dem Bedienenden die Überwachung
des Wasserstands innerhalb des Befeuchterkanals 207. Das Sau
erstoffflußventil 102 ist in die Öffnung eines Kanals 210 ein
geschraubt, der nach unten verläuft und über einen Kanal 209
den Befeuchterkanal 207 schneidet. Ein Kanal 211 und ein Kanal 212 sind quer ge
bohrt und schneiden so Kanal 210, wobei der Kanal 211 an ei
ner Fläche des Detektors 10 eine Auslaßöffnung 213 und Kanal 212 an ei
ner anderen Fläche des Detektors 10 eine Auslaßöffnung 214
bildet. Die Auslaßöffnungen 213 und 214 sind Sauerstoffein
laßöffnungen in die jeweiligen Kammern A und B, wobei die
Auslaßöffnung 213 einen Teil der Kammer A und Auslaßöffnung
214 einen Teil der Kammer B bildet. Die entsprechenden Aus
trittsöffnungen für den Gasfluß aus den Kammern A bzw. B sind
die Öffnungen 221 bzw. 222, die an den Enden eines quer ge
bohrten Kanals 223 angeordnet sind. Quer zum Kanal 223 und
diesen schneidend ist ein Kanal 224 gebohrt, der an der Ober
fläche des Detektors 10 mit der Sauerstoffauslaßöffnung 124
in Verbindung steht. Die vorstehend genannten Kanäle bilden
die Sauerstoffflußwege durch den Gaspermeabilitätsdetektor
10. Eine vergrößerte Bohrung 250 öffnet sich in einer Stirn
fläche des Detektors 10 und erreicht eine Tiefe von etwa zwei
Drittel der Länge des Detektors 10. Die Bohrung 250 kann zum
Einführen einer Temperatursteuereinrichtung in das Innere des
Detektors 10 dienen, um die Temperatur des Detektors 10 bei
einem vorgegebenen Wert stabil zu halten. Beispielsweise kann
ein elektrisches Heizelement in die Bohrung 250 eingeführt
werden, um die Temperatur auf einen vorgegebenen Wert über
der Umgebungstemperatur zu erhöhen. Weiterhin kann beispiels
weise ein Flüssigkeitsstrom mit einer vorgegebenen Temperatur
durch die Bohrung 250 geleitet werden, der entweder zum Hei
zen oder Kühlen dient. Da der gesamte Detektor 10 aus einem
einzelnen Metallblock gefertigt ist, ist es relativ einfach,
die Temperatur des gesamten Blocks und damit aller im Inneren
desselben befindlichen Kanäle durch die Verwendung eines
Heiz- und/oder Kühlmediums in der Bohrung 250 zu stabilisie
ren.
Fig. 6 und 7 zeigen in dreidimensionaler Phantomdarstellung
die Stickstoffflußwege im Gasdetektor 10. Die Stickstoffein
laßöffnung 126 ist mit einem Kanal 327 verbunden, der quer zu
einem größeren Kanal 328 gebohrt ist. In den größeren Kanal
kann ein Katalysatormaterial eingeführt sein. Der Kanal 328
ist durch einen entfernbaren Stopfen 326 verschlossen. Das
Katalysatormaterial kann so gewählt sein, daß es Verunreini
gungen aus dem Trägergasfluß entfernt. An den Kanal 328
schließt sich ein unterer Verlängerungskanal 331 an, der sich
in einen Befeuchtungskanal 332 öffnet. Der Befeuchtungskanal
332 bildet ein Befeuchterreservoir, das ganz oder teilweise
durch eine Befüllöffnung 133 mit Wasser oder einer anderen
Flüssigkeit gefüllt werden kann. Das Schauglas 22 (s. Fig. 1)
erlaubt einem Bedienenden die Beobachtung des Flüssigkeits
spiegels im Befeuchtungskanal 332.
Ein kleiner Kanal 330 ist quer zum Kanal 328 gebohrt und öff
net sich an der Rückseite des Detektors 10. Ein Zweiwege-Aus
stoßventil 103 ist an der Öffnung des Kanals 330 an der Au
ßenfläche des Detektors 10 angebracht, um einen steuerbaren
Fließweg zwischen dem Kanal 330 und dem Kanal 205 herzustel
len. Wie vorstehend beschrieben öffnet sich der Kanal 205 in
die Sauerstoffflußwege. Ein Kanal 335 ist zum Befeuchtungska
nal 332 gebohrt und öffnet sich in einer erweiterten Öffnung
zum Einsetzen eines Ausstoß-Flußventils 105. Ein zweiter Ka
nal 361 ist quer in die erweiterte Öffnung am Kanal 335 ge
bohrt und der Fließweg zwischen den Kanälen 335 und 361 wird
vom Ausstoß-Flußventil 105 gesteuert. Ein Kanal 362 ist quer
zum Kanal 361 gebohrt und schneidet diesen. Der Kanal 362
führt dicht an einem benachbarten parallelen Kanal 364 zur
Unterseite des Detektors 10. Ein Dreiwege-Ausstoßwählventil
109 ist an den äußeren Öffnungen der Kanäle 362 und 364 ange
bracht um den Gasfluß zwischen diesen zu regulieren. Der Ka
nal 364 ist quer zu einem Kanal 350 gebohrt und öffnet sich
in diesen, welcher wiederum in einer Öffnung 351 in der Sei
tenfläche des Detektors 10 mündet. Ein geeignetes Verbin
dungsstück kann zur Verbindung mit einem externen Sauerstoff
sensor in die Öffnung 351 eingeschraubt sein.
In den Kanal 350 öffnet sich ein weiterer, quer zu diesem ge
bohrter Kanal 349, der sich andererseits dicht neben einem
parallelen Kanal 347 in der unteren Fläche des Detektors 10
öffnet. Ein Dreiwegeventil 308 ist zur Regulierung des Fließ
weges zwischen den Kanälen 349 und 347 an der Unterseite des
Detektors 10 befestigt. Der Kanal 347 ist quer zu einem Kanal
345 gebohrt und öffnet sich in diesen. Der Kanal 345 öffnet
sich in die Zelle B an der Seite des Detektors 10. Ein Kanal
348 mündet ebenfalls in den Kanal 350 und öffnet sich ande
rerseits mit geringem Abstand zum Kanal 346 an der Unterflä
che des Detektors 10. Zur Regulierung des Gasflusses zwischen
den Kanälen 346 und 348 ist an der Unterseite des Detektors
10 ein Dreiwegeventil 307 angebracht. Der Kanal 346 mündet in
einen Kanal 344, der sich in den Raum der Kammer A öffnet.
Als zweiter Kanal öffnet sich Kanal 339 in den Raum der Kam
mer A, der mit einem erweitertem Kanal 338 verbunden ist. Der
Kanal 338 ist ausreichend tief gebohrt, so daß er über den Kanal 336 den Befeuch
tungskanal 332 erreicht. Die obere Öffnung des Kanals 338 ist
so groß ausgeführt, daß sie das Stickstoffdurchflußventil 106
aufnehmen kann. Ein weiterer Kanal 341 ist quer zum Kanal 339
gebohrt und mündet an der Oberfläche des Detektors 10. Ein
entfernbarer Stopfen ist dicht in den Kanal 341 für einen
weiter unten beschriebenen Zweck eingesetzt.
Ein weiterer Kanal 334 ist quer nach unten zum Befeuchtungs
kanal 332 gebohrt. Quer zum Kanal 334 ist von der Seitenflä
che her ein Kanal 337 gebohrt, der in die Kammer der Zelle B
mündet. Die erweiterte obere Öffnung des Kanals 334 ist in
der Größe zur Aufnahme des Stickstoffdurchflußventils 104
ausgeführt. Das Ventil 104 reguliert die Stickstoffflußmenge
in die Zelle B. Schließlich ist ein Kanal 333 quer zum Be
feuchtungskanal 332 gebohrt und öffnet sich in diesen. Der
Kanal 333 hat einen abnehmbaren Verschlußstopfen, der das Be
füllen der Befüllöffnung 133 mit Wasser oder einer anderen
Flüssigkeit erlaubt.
Fig. 7 zeigt einige Stickstoffflußkanäle in auseinandergezo
gener Darstellung. Kanal 362 ist quer von unten zum Kanal 361
gebohrt und mündet in diesen, welcher wiederum in Kanal 335
mündet. Der Kanal 335 weist eine untere Öffnung in den Be
feuchtungskanal 332 und eine obere Öffnung in der oberen Flä
che des Detektors 10 auf, die so groß ausgeführt ist, daß sie
das Ausstoßflußventil 105 aufnehmen kann. Die Kanäle 205 und
330 durchbrechen die Seitenfläche des Detektors 10 und der
Gasfluß zwischen diesen Kanälen wird durch das Zweiwege-
Stickstoffausstoßventil 103 reguliert.
Fig. 8 zeigt einen seitlichen Schnitt durch die die Prüfkam
mer bildenden Elemente. Zur leichteren Darstellung wurden die
Einlaß- und Auslaßöffnungen der Kammer in dieser Schnittdar
stellung gedreht, so daß sie entlang einer gemeinsamen Ebene
verlaufend erscheinen. Selbstverständlich können in der
tatsächlichen Ausführung der Vorrichtung die Ein- und Auslaß
öffnungen entlang verschiedenen, einander schneidenden Ebenen
der Kammer ausgerichtet sein. Auf den Deckel 12 wird durch
das Zusammenwirken der Halteklammer 16 und der Klemmschraube
18 eine durch einen Pfeil 120 angedeutete Klemmkraft aus
geübt. Diese Klemmkraft hält den Deckel 12 sicher am Körper
des Detektors 10 und klemmt eine zwischen dem Deckel 12 und
dem Körper des Detektors 10 liegende Prüfmembran 122 fest.
Die Membran 122 kann aus einer dünnen Kunststoffolie oder
ähnlichem Material bestehen und bildet eine Trennwand zwi
schen einer Deckelkammer 402 und einer Gehäusekammer 404. Ein
O-Ring 400 ist am Umfang der so gebildeten Kammern eingesetzt
und sorgt für einen dichten Abschluß.
Eine Sauerstoffeinlaßöffnung 213 wird von einem hohlen Stift
406 gebildet, der am Deckel 12 befestigt ist. Der Hohlstift
406 kann in eine entsprechende Öffnung im Gehäuse des Detek
tors 10 eingesetzt werden, wobei ein O-Ring 407 eine gas
dichte Verbindung sicherstellt. Ein Kanal 408 ist quer zur
Einlaßöffnung 213 und diese schneidend in den Deckel 12 ge
bohrt. Ein zweiter Kanal 410 ist quer zum Kanal 408 mit die
sem in Verbindung stehend gebohrt. Der Kanal 410 öffnet sich
in die Kammer 402 und erlaubt das Einströmen von Sauerstoff
in diese Kammer. Ein Sauerstoffauslaß 221 ist durch einen
ähnlichen Hohlstift 416 gebildet, der am Deckel 12 befestigt
ist, und ein Kanal 418 ist quer den Kanal 221 schneidend ge
bohrt. Ein kleiner Kanal 420 ist quer zum Kanal 418 gebohrt,
so daß eine Öffnung in die Kammer 402 hergestellt ist. Sauer
stoff fließt durch die Kammer 402 und durch die Auslaßöffnung
221 aus dieser, wobei der Hohlstift 416 mittels eines O-Rin
ges 417 dicht mit dem Gehäuse des Detektors 10 verbunden ist.
In die Kammer 404 öffnen sich ein Stickstoffeinlaßkanal 339
sowie ein Stickstoffauslaßkanal 344. Dadurch kann Stickstoff
durch die Öffnung 339 in die Kammer 404 und durch die Öffnung
344 aus der Kammer 404 fließen. Die äußeren Enden der Kanäle
408 und 418 sind, wie in Fig. 8 gezeigt, durch Stopfen ver
schlossen. Durch unterbrochene Linien ist in Fig. 8 eine Öff
nung 430 dargestellt, die mit einem abnehmbaren Stopfen ver
schlossen werden kann. Zweck der Öffnung 430 ist es, das Ein
führen einer Sonde für die relative Feuchtigkeit in die Kam
mer 402 zu ermöglichen, so daß externe Messungen zur Bestim
mung der relativen Feuchtigkeit in der Kammer 402 durchge
führt werden können.
Fig. 9 zeigt in Schnittdarstellung ein typisches Durchfluß
ventil, beispielsweise Durchflußventil 102. Die Durchflußven
tile 102, 104, 105 und 106 sind alle gemäß der Darstellung in
Fig. 9 aufgebaute, im Handel erhältliche Durchflußventile.
Das Ventil 102 verfügt über eine Einlaß
öffnung 209, die in Zusammenwirkung mit einem O-Ring 502
dicht von einem Abschnitt des Ventilkörpers 501 verschlossen
wird. Ein zurückziehbarer Abschnitt 503 des Ventilkörpers ist.
mit einem Ventilknopf 504 verbunden. Der Ventilknopf 504 und
der zurückziehbare Abschnitt 503 des Ventilkörpers können
über ein Gewinde in das Ventil eingeführt oder aus diesem zu
rückgezogen werden, wobei eine konische Nadel 506 in eine
Öffnung 507 eingeführt oder aus dieser zurückgezogen wird.
Bei dem durch Gewindewirkung bewirkten Zurückziehen der Nadel
506 aus der Öffnung 507 bildet sich zwischen der Nadel und
der Öffnung ein zunehmender Spalt, womit ein die Einlaßöff
nung 209 und die Auslaßöffnung 211 verbindender Durchflußweg
entsteht. Die durch das Ventil tretende Durchflußmenge kann
so durch selektives Einstellen des Ventils gesteuert werden.
Fig. 10 zeigt ein typisches Zweiwege- oder Dreiwegesolenoid
ventil, wie es bei der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
Auch diese Ventile sind im Handel erhältlich.
In beiden Fällen ist der allgemeine Ventilaufbau
sehr ähnlich. In Fig. 10 ist beispielsweise in unter
brochenen Linien ein oberer Stopfen 520 dargestellt, der
durch ein Schraubgewinde befestigt ist, um einen Kanal durch
den Ventiloberteil zu blockieren. Bei einem Zweiwegesolenoid
ventil ist der Stopfen 520, wie in Fig. 10 gezeigt, einge
setzt. Bei einem Dreiwegesolenoidventil wird der Stopfen 520
weggelassen. Bei dem Ausstoßwählventil 109 ist beispielsweise
eine ringförmige Einlaßöffnung 363 vorgesehen, die entweder
mit einer Auslaßöffnung 364 oder einer Auslaßöffnung 365 in
Verbindung stehen kann. Wenn das Solenoid mit Strom versorgt
wird, bewegt sich der Ventilschieber 521 nach oben und ver
schließt die Öffnung 522 und gibt die Öffnung 523 frei. In
dieser Stellung besteht eine Durchflußverbindung zwischen der
Einlaßöffnung 363 und der Auslaßöffnung 364. Wird die Strom
zufuhr zum Solenoid unterbrochen, so bewegt sich der Ventil
schieber 521 nach unten und verschließt die Einlaßöffnung 523
und gibt die Einlaßöffnung 522 frei. Damit ist eine Durch
flußverbindung zwischen der Einlaßöffnung 363 und der Auslaß
öffnung 365 ermöglicht.
Bei der vorliegenden Erfindung sind das Sauerstoffeinlaßven
til 101 und das Ausstoßventil 103 jeweils Zweiwegesolenoid
ventile, das Ausstoßwählventil 109 und die Stickstoffwählven
tile 307 und 308 sind jeweils Dreiwegesolenoidventile.
Im Betrieb der Vorrichtung wird eine zu prüfende Folien
membran in den beiden Kammern A und B angebracht, indem ein
Abschnitt der Folienmembran zwischen dem Deckel und dem Ge
häuse bzw. Körper des Detektors 10 eingesetzt wird. Die
jeweiligen Klemmschrauben werden angezogen, um den Deckel und
die Folienmembran fest gegen den Körper des Detektors 10 zu
pressen und damit eine leckfreie Verbindung sicherzustellen.
Das Sauerstoffeinlaßventil wird geschlossen, bei allen
Solenoidventilen ist die Stromzufuhr unterbrochen und das
Stickstoffausstoßventil ist eingeschaltet, um dadurch das
Durchströmen der Kanäle mit Stickstoff zum Ausstoßen
unerwünschter Gase aus dem System zu ermöglichen. Zur
gleichen Zeit können die Durchflußsteuerventile eingestellt
werden, um die gewünschte Gasdurchflußmenge durch das System
während eines Prüfvorganges anzupassen. Falls gewünscht wird
ein geeignetes Temperatursteuersystem in die Bohrung für die
Temperatursteuerung 250 eingeführt, bis sich die
Systemtemperatur bei einem vorgewählten Wert stabilisiert
hat.
Wenn ein gewünschter Prüfvorgang durchgeführt wird, wird
zunächst das Stickstoffausstoßventil geschlossen und das Sau
erstoffeinlaßventil geöffnet, um einen Sauerstoffstrom in die
beiden Prüfzellen auf einer Seite der jeweiligen Folien
membrantrennwand einzulasssen. Auf den anderen Seiten der Fo
lienmembranen kann ein Stickstoffstrom durch die Prüfzellen
aufrechterhalten werden, und eines oder mehrere der Wähl
ventile können betätigt werden, um einen Gasfluß aus einer
der beiden Prüfzellen zu einer Gassensoreinrichtung zu lei
ten, die mit der Auslaßöffnung 351 verbunden ist. Die von der
Gassensoreinrichtung durchgeführten Messungen werden aufge
zeichnet und über einen bestimmten Zeitraum aufrechterhalten,
womit ein Maß der Sauerstoffpermeabilität der jeweiligen
Prüfmembranen unter den vorgegebenen Prüfbedingungen erhalten
wird.
Der Prüfvorgang kann unter gesteuerten relativen Feuchtig
keitsbedingungen durch die Verwendung der jeweiligen Feuch
tigskeitsreservoire durchgeführt werden, und eine Messung der
relativen Feuchtigkeit des Stickstoffes kann über einen Sen
sor für die relative Feuchtigkeit, der an der Anschlußein
richtung der Einlaßöffnung 341 angeschlossen ist, durchge
führt werden. Eine Messung der relativen Feuchtigkeit des
Sauerstoffes kann über einen relativen Feuchtigkeitssensor,
der an die Einlaßöffnung 430 angeschlossen ist, durchgeführt
werden. Die Berechnung der relativen Feuchtigkeit kann mit
tels des Zwei-Drücke-Verfahrens (two-pressure method) erfol
gen. Der Einlaßdruck des Prüfgases wie auch des Trägergases
wird von einem nicht gezeigten Druckregler bei einem gewissen
Überdruck über dem atmosphärischen Druck gesteuert. Der er
höhte Druck in den Befeuchtern 207 und 332 übersteigt daher
den atmosphärischen Druck und die relative Feuchtigkeit in
diesen Befeuchtern beträgt jeweils 100%. Die relative Feuch
tigkeit an einem diesen Befeuchtern nachgeordneten Punkt ist
direkt proportional zum Druckabfall an diesem Punkt. Hat bei
spielsweise ein Gas bei einem Druck von 2,15×10-5 Pa (30
psia) eine relative Feuchtigkeit von 100% und das Gas wird in
den Umgebungsdruck 1,075×10-5 Pa (15 psia) ausgestoßen, so
beträgt die relative Feuchtigkeit des ausgestoßenen Gases
50%.
Claims (14)
1. Vorrichtung zur Messung der Gaspermeabilität von Membran
material, umfassend:
- a. ein Materialvolumen mit hohen Wärmeleiteigenschaf ten, so daß eine gleichförmige Temperatur in allen Bereichen des Volumens aufrechterhaltbar ist;
- b. wenigstens einen an einer Außenfläche des Material volumens ausgebildeten Hohlraum, der von einer an dieser Außenfläche ausgebildeten ebenen Umgebungsfläche umgeben ist;
- c. wenigstens einen abnehmbaren Deckel, der dicht an der ebenen Umgebungsfläche befestigbar ist, wobei dieser wenigstens eine Deckel einen Hohlraum hat, der mit dem wenigstens einen Hohlraum des Materialvolumens ausrichtbar ist und wobei Mittel zum Festklemmen des Membranmaterials zwischen den Hohlräumen enthalten sind;
- d. eine Vielzahl von Kanälen, die in dem Materialvolu
men und dem Deckel ausgebildet sind, umfassend
- i) ein erstes System von Kanälen, die eine erste Öffnung durch eine Oberfläche des Materialvolu mens und eine zweite Öffnung in einen der Hohl räume aufweisen sowie Mittel zum Verbinden der ersten Öffnung mit einer ersten Gasquelle;
- ii) ein zweites System von Kanälen, die eine erste Öffnung durch eine Oberfläche des Material volumens und eine zweite Öffnung in den anderen der Hohlräume aufweisen, sowie Mittel zum Verbin den dieser ersten Öffnung mit einer zweiten Gas quelle;
- iii) ein drittes System von Kanälen, die eine er ste Öffnung in einen der Hohlräume und eine zweite Öffnung durch eine Oberfläche des Materi alvolumens aufweisen;
- iv) ein viertes System von Kanälen, die eine erste Öffnung in den anderen der Hohlräume und eine zweite Öffnung durch die Oberfläche des Ma terialvolumens aufweisen;
- e. Mittel zum Verbinden eines Gasdetektors mit der zweiten Öffnung des dritten Systems von Kanälen oder der zweiten Öffnung des vierten Systems von Kanälen;
- f. im Materialvo lumen enthaltene weitere Kanäle, sowie Mittel in den wei teren Kanälen, die zum regelbaren Einstellen der Temperatur des Materialvolumens ausgebildet sind; und
- g. einen erweiterten Kanalabschnitt, der einen Teil des ersten Sy stems von Kanälen umfaßt, wobei der erweiterte Kanalabschnitt als Flüssigkeitsreservoir ausgebildet ist, sowie einen Flüs sigkeitseinfüllkanal, der vom Flüssigkeitsreservoir zur Oberfläche des Materialvolumens verläuft.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß des weiteren ein am Materi
alvolumen angebrachtes erstes Ventil enthalten ist, das ein
in das erste System von Kanälen hineinragendes Gasflußregu
lierungsglied aufweist, womit die Gasdurchflußmenge durch
diese steuerbar ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß des weiteren ein zweites am
Materialvolumen angebrachtes Ventil enthalten ist, sowie Ver
zweigungskanäle zwischen dem ersten System von Kanälen und
dem zweiten System von Kanälen, wobei das zweite Ventil ein
Kanalschließglied aufweist, das sich in die Verzwei
gungskanäle erstreckt und damit die Verzweigungskanäle öffnet
und schließt.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, daß des weiteren Mittel zur Mes
sung der relativen Feuchtigkeit in wenigstens einem der Hohl
räume enthalten sind.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, daß das Materialvolumen des wei
teren einen aus einem Metall hergestellten einheitlichen Auf
bau umfaßt.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, daß das Metall Alu
minium ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, daß die erste Gasquelle
eine Sauerstoffquelle umfaßt.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Gasquelle
eine Stickstoffquelle umfaßt.
9. Vorrichtung mit zwei Zellen zur Messung der Gaspermeabi
lität von Membranmaterialien, umfassend:
- a. einen Metallblock mit wenigstens zwei parallelen Außenflächen, wobei in jeder der Außen flächen ein flacher Hohlraum ausgebildet ist;
- b. eine schwenkbare Halteklammer (16) mit zwei Klemm armen, die jeweils über einem der flachen Hohlräume po sitionierbar sind, sowie jeweils einer an den Klemmarmen in einem Gewinde angebrachten Halteschraube (18, 20);
- c. zwei Deckel (12, 14), die jeweils einen flachen Hohlraum aufweisen, der so groß ausgeführt ist, daß er mit einem der in einer der Oberflächen des Metallblocks ausge bildeten flachen Hohlräume fluchtet, wobei die Deckel (12, 14) jeweils mit Mitteln für den Eingriff einer der beiden Halteschrauben (18, 20) versehen sind;
- d. Mittel zum Festklemmen von Membranmaterial zwischen jeweils einem der Deckel (12, 14) und dem Metallblock, wobei das Mem branmaterial eine Trennwand zwischen den jeweils einander gegen überliegenden flachen Hohlräumen bildet;
- e. eine Vielzahl von Kanälen in dem Metallblock und
den Deckeln, umfassend
- i) ein erstes System von Kanälen mit einer ersten Öffnung durch eine Oberfläche des Metallblocks und zweiten Öffnungen in die beiden flachen Hohlräume im Metallblock, sowie Mittel zum Verbinden dieser ersten Öffnung mit einer ersten Gasquelle;
- ii) ein zweites System von Kanälen mit einer er sten Öffnung durch eine Oberfläche des Metallblocks und zweiten Öffnungen in die beiden flachen Hohlräume in den Deckeln (12, 14), sowie Mittel zur Verbindung dieser ersten Öffnung mit einer zweiten Gasquelle;
- iii) ein drittes System von Kanälen mit ersten Öff nungen in die beiden flachen Hohlräume des Metall blocks und zweiten Öffnungen durch eine Oberfläche des Metallblocks;
- iv) ein viertes System von Kanälen mit ersten Öff nungen in die beiden flachen Hohlräume in den Deckeln (12, 14) und zweiten Öffnungen durch eine Oberfläche des Metallblocks;
- f. Mittel zum Anschließen eines Gasdetektors an den zweiten Öffnungen des dritten oder vierten Systems von Kanälen.
- g. Mittel zur re gelbaren Einstellung der Temperatur des Metallblocks;
- h. einen ersten erweiterten Abschnit im ersten System von Kanälen, der ein erstes Flüssigkeitsreservoir bildet, sowie Mittel zum Befüllen des ersten Flüssigkeitsreservoirs mit Flüssigkeit;
- i. einen zweiten erweiterten Abschnitt im zweiten System von Kanälen, der ein zweites Flüssigkeitsreservoir bildet, sowie Mittel zum Befüllen des zweiten Flüssigkeitsreservoirs mit Flüssigkeit.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur regelbaren
Einstellung der Temperatur des Metallblocks des weiteren eine
Bohrung (250) im Metallblock sowie Mittel zum Zirkulieren von
Flüssigkeit durch die Bohrung (250) umfassen.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet, daß des weiteren Mittel zur Mes
sung der relativen Feuchtigkeit in wenigstens einem der fla
chen Hohlräume enthalten sind.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet, daß der Metallblock
ein Aluminiumblock ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet, daß die erste Gasquelle
eine Sauerstoffquelle umfaßt.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Gasquelle
eine Stickstoffquelle umfaßt.
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