DE4219312C2 - Durchflußprobenzelle für einen optischen Analysator - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Durchflußprobenzelle für einen optischen Analysator gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine derartige Durchflußprobenzelle ist bereits aus der EP 0 070 314 B1 bekannt. Sie enthält einen Zellenkörper zur Bildung eines optischen Meßpfads, einen Einlaß, einen Auslaß sowie ein poröses Ausrichtelement zur Verhinderung einer ungleichmäßigen Verteilung eines vom Einlaß zum Auslaß strömenden Fluids, das quer zur Strömungsrichtung des Fluids im Zellenkörper liegt.

Ferner ist aus der DE 25 32 777 A1 eine Durchflußküvette und ein damit ausgestatteter Flüssigkeitschromatographiedetektor bekannt. Bei der Durchflußküvette umgibt ein zylindrisches Fenster den Proben-Durchflußweg, um die Fokussierung konvergierender Lichtstrahlen durch das Zentrum des Durchflußwegs und längs optischer Wege gleicher Länge durch die Küvette zu erlauben. Optische Blenden begrenzen das durch die Zelle hindurchtretende Licht auf konvergente Strahlen, die auf die Fensteroberfläche auftreffen. Ein breiter Aufnahmewinkel für die Strahlen ergibt eine hohe Lichtdurchlässigkeit und mittelt Variationen des Lichtstroms längs der Lichtquelle aus. Eine Doppelstrahl-Durchflußküvette arbeitet mit einem gemeinsamen Ausgang für Proben- und Bezugs-Flüssigkeit. Die Durchflußküvetten sind ökonomisch zum direkten Anschluß an eine chromatographische Säule aufgebaut, indem ein standardisiertes Kompressions-Anschlußstück verwendet wird, und können in einem Detektor für eine einzige oder einige diskrete Wellenlängen oder in einem Spektrometer verwendet werden.

Aus der DE 34 41 280 A1 ist ein nicht dispersiver Infrarot-Gasanalysator bekannt. Er enthält eine Meßküvette, in der koaxial ein rohrförmiger Filter angeordnet ist, durch welchen das durch einen ringspaltförmigen Raum zwischen Küvetteninnenwand und Filteraußenwand geführte staubbeladene Meßgas in den im Meßstrahlengang liegenden Innenraum eintritt.

Eine weitere Durchflußprobenzelle der genannten Art ist aus der US 4 301 370 bekannt. Dort sind ebenfalls Ausrichtelemente zum Ausrichten des Fluids mit Löchern bzw. Poren versehen.

Nicht zuletzt ist aus der DE 21 58 220 B2 eine Durchflußküvette bekannt, bei der durch geeignete Formgebung Todräume vermieden werden. Darüber hinaus weist diese Durchflußküvette trichterförmig ausgebildete Ein- und Auslässe auf.

Die Fig. 4 zeigt eine weitere herkömmliche und in der JP 62-3369 B2 beschriebene Probenzelle für einen Gasanalysator zum Analysieren eines Probengases unter Verwendung von Strahlung, beispielsweise von Infrarotstrahlung, die das Probengas durchsetzt und zu diesem Zweck die Probenzelle durchstrahlt.

Gemäß Fig. 4 enthält die mit dem Bezugszeichen 11 versehene Probenzelle einen Zellenkörper 12, einen Gaseinlaß 13 an einem Ende des Zellenkör­ pers 12, einen Gasauslaß 14 am anderen Ende des Zellenkörpers 12 sowie strahlungsdurchlässige Fenster 15a und 15b. Eine Lichtquelle 16 liegt dem Fenster 15a gegenüber, während dem Fenster 15b ein Detektor 17 ge­ genüberliegend angeordnet ist, der zum Empfang des Lichts von der Licht­ quelle 16 dient. Bei diesem Gasanalysator wird ein Probengas durch den Gaseinlaß 13 hindurch in den Zellenkörper 12 geleitet und tritt durch den Gasauslaß 14 wieder aus. Ein von der Lichtquelle 16 emittierter Licht­ strahl durchläuft den Zellenkörper 12 und trifft auf den Strahlungsdetek­ tor 17 auf, um die im Probengas enthaltenen Komponenten analysieren zu können.

Strömt das Probengas durch den Gaseinlaß 13 in den Zellenkörper 12 hin­ ein, so ist es bestrebt, auf kürzestem Weg zum Gasauslaß 14 zu gelangen und über diesen den Zellenkörper 12 wieder zu verlassen. Bereiche a und b des Zellenkörpers 12, die etwas weiter vom Strömungspfad innerhalb des Zellenkörpers 12 entfernt liegen, werden daher nur unvollständig mit Pro­ bengas durchflutet, oder es besteht die Gefahr, daß sich in diesen Berei­ chen a und b kein Gasaustausch ergibt. Dies zieht eine reduzierte An­ sprechgeschwindigkeit bei der Gasanalyse nach sich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Durchflußprobenzelle für einen Gas­ analysator zu schaffen, die gleichmäßiger vom Probengas durchströmt wird, schneller auf Veränderungen des Probengases reagieren kann und somit eine höhere Ansprechgeschwindigkeit bei der Gasanalyse ermög­ licht.

Diese Aufgabe wird durch eine Durchflußprobenzelle mit den Merkmalen des Patent­ anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Das Ausrichtelement der Durchflußprobenzelle kann beispielsweise eine poröse Platte oder eine ge­ stanzte Platte mit sehr vielen kleinen Löchern sein, eine Platte mit wabenförmiger Lochstruktur oder eine plattenähnliche Einrichtung aus mehre­ ren metallischen Netzen, die fest oder gespannt übereinanderliegend an­ geordnet sind. Ein oder mehrere Ausrichtelemente können im Abstand voneinan­ der angeordnet sein, wobei die Zahl der Ausrichtelemente in geeigneter Weise ausgewählt sein kann. Die im Ausrichtelement vorhandenen Löcher bzw. Gasdurchgangsöffnungen sind nahe dem Gaseinlaß des Zellenkörpers relativ klein, beispielsweise von kleinem Durchmes­ ser, während sie weiter entfernt vom Gaseinlaß größer sind, beispielsweise mit größerem Durchmesser.

Bei der Probenzelle für einen Gasanalysator tritt die gesamte Probengasmenge, die dem Zellenkörper über den Gaseinlaß zuge­ führt wird, durch das Ausrichtelement hindurch, um anschließend aus dem Gasauslaß auszuströmen. Dabei wird das Probengas praktisch über die gesamte Oberfläche des Ausrichtelements verteilt, beispielsweise durch geeignete Formgebung des Einlaßtores, das z. B. trichterförmig sein kann, um anschließend durch die Öffnungen im Ausrichtelement in den Zellenkörper einzutreten. Mit anderen Worten sind die Gasdurchgangsöff­ nungen im Ausrichtelement so verteilt, daß in jeden Bereich des Zellenkör­ pers Gas eintreten kann. Es bleiben also keine Eckbereiche frei, in denen unter Umständen der Probengasstrom stagnieren kann, so daß sich das Probengas im Zellenkörper leicht austauschen läßt. Dadurch weist der Zellenkörper bzw. die Probenzelle eine hohe Ansprechgeschwindigkeit auf. Sie kann also sehr schnell auf eine Änderung des Probengases reagie­ ren.

Vorzugsweise sind das Gaseinlaßtor und das Gasauslaßtor trichterförmig ausgebildet, wobei sich am spitzen Ende des jeweiligen Trichters der Gas­ einlaß bzw. der Gasauslaß befinden. Zwischen den breiten Seiten der Trichter liegt der Zellenkörper, dessen gegenüberliegende Seiten durch porenförmige Ausrichtelemente gebildet sein können. Mit anderen Wor­ ten schließen die Ausrichtelemente das trichterförmige Einlaßtor bzw. Auslaßtor am jeweils breiten Ende ab. Dadurch läßt sich das Ausrichtele­ ment im Gaseinlaßtor gleichmäßig mit dem Probengas beaufschlagen, während über das Ausrichtelement im Gasauslaßtor gleichmäßig Proben­ gas aus dem Zellenkörper abströmen kann. Bei einander gegenüberliegen­ den Ausrichtelementen sind die Durchmesser der einander gegenüberlie­ genden Gasdurchgangsöffnungen jeweils gleich groß gewählt. Zwischen den Ausrichtelementen verläuft der optische Meßpfad, zu dessen Bildung der Zellenkörper im Bereich zwischen den Ausrichtelementen strahlungs­ durchlässige Fenster aufweist. Auch die Ausrichtelemente selbst können aus transparentem Material bestehen, das also transparent für die Meß­ strahlung ist, um gegebenenfalls den optischen Meßpfad anders legen zu können, und zwar so, daß er auch durch die Ausrichtelemente hindurch­ laufen kann.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung nä­ her beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine Probenzelle nach einem ersten Ausführungsbeispiel,

Fig. 2 eine Probenzelle nach einem zweiten Ausführungsbeispiel,

Fig. 3 eine Probenzelle nach einem dritten Ausführungsbeispiel, und

Fig. 4 eine konventionelle Probenzelle.

In der Fig. 1 ist mit dem Bezugszeichen 1 ein Zellenkörper bezeichnet, der ein Paar von Fenstern 2a und 2b aufweist, die im wesentlichen denselben Durchmesser haben und einander gegenüberliegend angeordnet sind, um einen optischen Meßpfad 3 zu bilden. Die Bezugszeichen 4a und 4b be­ zeichnen ein Paar von Ausrichtplatten, die an den jeweiligen Endbereichen in Radialrichtung der Fenster 2a, 2b parallel zu­ einanderliegend innerhalb des Zellenkörpers 1 angeordnet sind und Gas­ durchgangsöffnungen 5a, 5b aufweisen, die relativ kleine Durchmesser besitzen und die über die gesamte Oberfläche der Ausrichtplatten 4a, 4b verteilt angeordnet sind. Mit dem Zellenkörper 1 ist ein Gaseinlaßtor 6 ver­ bunden, das die gesamte Oberfläche der Ausrichtplatte 4a abdeckt bzw. übergreift, wobei das Gaseinlaßtor einen Gaseinlaß 7 an einem End­ teil aufweist, der sich an der Seite des Fensters 2a befindet. Ferner ist mit dem Zellenkörper 1 ein Gasauslaßtor 8 verbunden, das die gesamte Ober­ fläche der Ausrichtplatte 4b abdeckt bzw. übergreift, wobei das Gas­ auslaßtor 8 einen Gasauslaß 9 aufweist, und zwar in einem Endbereich, der sich an der Seite des Fensters 2b befindet. Die Ausrichtplatten 4a, 4b liegen in Form von Lochplatten vor, also in Form von Platten, die gestanzt worden sind, um die Gasdurchgangsöffnungen 5a, 5b zu erhalten. Diese Gasdurchgangsöffnungen 5a, 5b weisen an der Seite des Gaseinlasses 7 einen relativ kleinen Durchmesser auf, wobei deren Durchmesser um so größer wird, je weiter entfernt die Gasdurchgangslöcher 5a, 5b vom Gas­ einlaß 7 entfernt sind. Eine Probengasmenge, die den Zellenkörper 1 vom Gaseinlaß 7 zum Gasauslaß 9 durchströmt, wird somit gleichmäßig über die gesamte Länge des Zellenkörpers 1 bzw. über die gesamte Länge der Ausrichtplatten 4a, 4b verteilt, so daß eine praktisch gleichmäßige Gas­ dichte entlang des optischen Meßpfads 3 erhalten wird.

Bei der Probenzelle tritt ein Strahl durch eines der Fenster 2a, 2b in den optischen Meßpfad 3 ein und verläßt diesen wieder durch ein anderes der Fenster 2a, 2b. Das Probengas gelangt über den Gaseinlaß 7 in das Gaseinlaßtor 6 und strömt anschließend durch die Gas­ durchgangsöffnungen 5a, die sich in der Ausrichtplatte 4a befinden, zum optischen Meßpfad 3. Vom optischen Meßpfad 3 strömt das Probengas durch die Durchgangsöffnungen 5b, die sich in der Ausrichtplatte 4b befin­ den, zum Gasauslaßtor 8 und verläßt dieses durch den Gasauslaß 9. Das über den Gaseinlaß 7 in das Gaseinlaßtor 6 geleitete Probengas wird über die gesamte Oberfläche der Ausrichtplatte 4a verteilt und strömt dann durch die Gasdurchgangsöffnungen 5a in den optischen Meßpfad 3 hin­ ein, und zwar in Form einer laminaren Strömung. Diese laminare Gasströ­ mung verläßt den optischen Meßpfad 3 durch die Gasdurchgangsöffnun­ gen 5b in der Ausrichtplatte 4b. Das Probengas kann somit in keinem Be­ reich des optischen Meßpfads 3 stagnieren, so daß es sich schnell austau­ schen läßt. Dies führt zu einer höheren Ansprechgeschwindigkeit der Pro­ benzelle und damit des Gasanalysators. Da die Gasdurchgangsöffnungen 5a, 5b in der Nähe des Gaseinlasses 7 einen kleineren Durchmesser auf­ weisen als die Gasdurchgangsöffnungen weiter entfernt vom Gaseinlaß 7, wird über die Länge des opti­ schen Meßpfads 3 gesehen Probengas gleichmäßig zugeführt, so daß sich der Austausch des Probengases auch gleichmäßiger durchführen läßt.

Bei der Probenzelle nach Fig. 1 sind zwei Ausrichtplatten 4a, 4b vorhan­ den, die zur Bildung des Zellenkörpers 1 im Abstand voneinander angeord­ net sind. Durch sie wird eine besonders gleichmäßige Gasströmung im op­ tischen Meßpfad 3 bzw. Zellenkörper 1 erhalten. Es ist jedoch auch mög­ lich, nur eine Ausrichtplatte vorzusehen, was im wesentli­ chen eine Frage der Durchflußrate des Probengases ist. Aber auch wenn nur eine Ausrichtplatte vorhanden ist, läßt sich mit Hilfe dieses Ausrichtelements eine laminare Gasströmung des Probengases im optischen Meßpfad erzeugen, das durch den Gaseinlaß 7 zugeleitet wird. Nicht zuletzt können auch die Ausrichtplatten 4a, 4b selbst aus strah­ lungsdurchlässigem Material hergestellt sein, um Fenster 2a, 2b in Berei­ chen vorsehen zu können, die vor und hinter den Ausrichtplatten 4a, 4b zu liegen kommen, um auf diese Weise den optischen Meßpfad 3 zu bil­ den. Die Fenster 2a, 2b würden dann parallel zu den plattenförmigen Elementen 4a, 4b liegen.

Bei der Probenzelle nach Fig. 2 weisen das Gaseinlaßtor 6 und das Gasauslaßtor 8, die mit dem Zellenkörper 1 verbunden sind, jeweils einen trapezförmi­ gen Querschnitt auf. Am spitzen Ende des Gaseinlaßtors 6 befindet sich der Gaseinlaß 7, während sich am spitzen Ende des Gasauslaßtors 8 der Gasauslaß 9 befindet. Die breiten Enden der Tore 6 und 8 überdecken je­ weils die Ausrichtplatten 4a, 4b. Wie die Fig. 2 ferner erkennen läßt, wei­ sen die Gasdurchgangsöffnungen 5a, 5b über die Länge der Ausricht­ platten 4a, 4b einen unterschiedlichen Durchmesser auf. Dabei ist der Durchmesser der Gasdurchgangsöffnungen 5a, 5b, die im Zentrum der Ausrichtplatten 4a, 4b liegen, relativ klein, während der Durchmesser der Gasdurchgangsöffnungen 5a, 5b, die am Rand der Ausrichtplatten 4a, 4b liegen, größer ist. Ansonsten entspricht der Aufbau der Probenzelle nach Fig. 2 dem Aufbau des Ausführungsbeispiels nach Fig. 1. Glei­ che Elemente sind dabei mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden nicht nochmals beschrieben.

Auch bei der für einen Gasanalysator vorgesehenen Probenzelle nach Fig. 2 wird Probengas über den Gaseinlaß 7 in das Gaseinlaßtor 6 geführt, wo­ bei das Probengas anschließend durch die Gasdurchgangsöffnungen 5a in der Ausrichtplatte 4a hindurchströmt und in den optischen Meßpfad 3 gelangt. Von dort gelangt es durch die Gasdurchgangsöffnungen 5b, die sich in der Ausrichtplatte 4b befinden, in das Gasauslaßtor 8 und verläßt dieses durch den Gasauslaß 9. Das Probengas wird praktisch über die ge­ samte Oberfläche der Ausrichtplatte 4a verteilt und strömt dann gleichmäßig in den optischen Meßpfad 3, und zwar als Laminarströmung, so daß es sich schnell und ohne Rückstände austauschen läßt.

Bei den Ausführungsbeispielen nach den Fig. 1 und 2 weist das Gaseinlaß­ tor 6 an seiner Eingangsseite den Gaseinlaß 7 auf und ist an seiner Aus­ gangsseite mit der Ausrichtplatte 4a verschlossen. Dagegen ist das Gasauslaßtor 8 an seiner Eingangsseite mit der Ausrichtplatte 4b ver­ schlossen und weist an seiner Ausgangsseite den Gasauslaß 9 auf. Die Elemente 4a, 4b, die plattenförmig ausgebildet sind, liegen dabei parallel im Abstand zueinander. Es kann sich bei ihnen aber auch um recht­ eckförmige oder runde Platten handeln, die auch gewölbt sein können. Die Fenster 2a, 2b können eine kreisrunde, rechteckige oder in anderer Weise ausgebildete Form aufweisen. Wichtig ist nur, daß sich die mit den Gas­ durchgangsöffnungen 5a, 5b versehenen Ausrichtplatten 4a, 4b über die gesamte Länge des optischen Pfads 3 erstrecken, so daß in diesem Gas gleichmäßig einströmen und aus diesem abströmen kann.

Die Fig. 3 zeigt eine Probenzelle vor einem Gasanalysator, bei der die einander gegenüberlie­ genden Fenster 2a, 2b unterschiedliche Durchmesser aufweisen. Der Zellenkör­ per 1 wird dabei links und rechts durch die Fenster 2a, 2b begrenzt sowie oben und unten durch die Ausrichtplatten 4a, 4b, die zueinander geneigt bzw. trapezförmig angeordnet sind. Die Zellenkammer 1 ist seitlich durch weitere und nicht dargestellte Wände begrenzt. Wie zu erkennen ist, weist das Fenster 2a einen kleineren Durchmesser auf als das Fenster 2b. Die Zellenkammer 1 besitzt somit einen trichterförmigen Querschnitt. Auch hier können die Fenster 2a, 2b statt kreisrund z. B. rechteckförmig, qua­ dratisch, oder dergleichen, ausgebildet sein. Ansonsten entspricht dieses Ausführungsbeispiel den bereits unter den Fig. 1 und 2 beschriebenen, wobei gleiche Elemente wie in den Fig. 1 und 2 mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind.

Bei der Probenzelle nach Fig. 3 gelangt das Probengas über den Gaseinlaß 7 in das Gaseinlaßtor 6, das ausgangsseitig mit der Ausrichtplatte 4a abgeschlossen ist. Das Probengas trifft somit auf die gesamte Oberfläche der Ausrichtplatte 4a auf und durchströmt die Gasdurchgangsöffnun­ gen 5a, um in den Zellenkörper 1 bzw. in den optischen Meßpfad 3 zu ge­ langen. Hierbei strömt das Probengas als Laminarströmung in den Zellen­ körper 1 ein. Der Zellenkörper 1 wird dabei gleichmäßig vom laminaren Gasstrom und nahezu senkrecht zum optischen Meßpfad 3 durchsetzt. Dadurch läßt sich das Gas sehr schnell im Zellenkörper 1 austauschen, ohne daß Rückstände verbleiben. Auch hier vergrößert sich der Durch­ messer der Gasdurchgangsöffnungen 5a, 5b um so mehr, je weiter entfernt sie vom Gaseinlaß 7 angeordnet sind. Nach Durchlaufen des Zellenkörpers 1 strömt das Probengas durch die Gasdurchgangsöffnungen 5b in der Aus­ richtplatte 4b in das Gasauslaßtor 8 und verläßt dieses über den Gas­ auslaß 9.

Wie bei den Ausführungsbeispielen nach den Fig. 1 und 2 wäre es auch hier möglich, nur ein Ausrichtelement vorzusehen, um einen mög­ lichst gleichmäßigen Gasstrom im Zellenkörper 1 bzw. entlang des opti­ schen Meßpfads 3 zu erhalten.

Claims (11)

1. Durchflußprobenzelle für einen optischen Analysator, mit einem Zellenkörper (1) zur Bildung eines optischen Meßpfads, einem Einlaß (7), einem Auslaß (9) sowie einem porösen Ausrichtelement (4a, 4b) zur Verhinderung einer ungleichmäßigen Verteilung eines vom Einlaß (7) zum Auslaß (9) strömenden Fluids, das quer zur Strömungsrichtung des Fluids im Zellenkörper (1) liegt, dadurch gekennzeichnet, daß

• - sie eine Gasanalysezelle ist und
• - die Größe oder Anzahl von Durchgangsöffnungen (5a, 5b) pro Fläche im Ausrichtelement (4a, 4b) mit steigendem Abstand vom Einlaß (7) zunimmt.

2. Durchflußprobenzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausrichtelement (4a, 4b) plattenförmig ausgebildet ist.

3. Durchflußprobenzelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausrichtelement (4a, 4b) eine wabenartige Struktur aufweist.

4. Durchflußprobenzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausrichtelement (4a, 4b) als ein- oder mehrlagiges Netz ausgebildet ist.

5. Durchflußprobenzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Zellenkörper (1) durch zwei im Abstand gegenüberlie­ gende Ausrichtelemente (4a, 4b) begrenzt ist.

6. Durchflußprobenzelle nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausrichtelemente (4a, 4b) parallel zueinander liegen.

7. Durchflußprobenzelle nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausrichtelemente (4a, 4b) gegeneinander geneigt angeordnet sind.

8. Durchflußprobenzelle nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß strahlungsdurchlässige Fenster (2a, 2b) des Zellenkörpers (1) zwischen den Ausrichtelementen (4a, 4b) liegen.

9. Durchflußprobenzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Probengasströmung vor und hinter dem Zellenkörper (1) schräg zum optischen Meßpfad (3) verläuft.

10. Durchflußprobenzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Probengasströmung vor und hinter dem Zellenkörper (1) wenigstens annähernd senkrecht zum optischen Meßpfad (3) verläuft.

11. Durchflußprobenzelle nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Zellenkörper (1) zwischen einem trichterförmigen Gaseinlaßtor (6) und einem trichterförmigen Gasauslaßtor (8) angeordnet ist, und daß der Gaseinlaß (7) bzw. der Gasauslaß (9) an den jeweils spitzen Enden der Gas­ tore (6, 8) liegen, deren breite Enden durch Ausrichtelemente (4a, 4b) abgeschlossen sind.