DE4316196A1

DE4316196A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Gasanalyse

Info

Publication number: DE4316196A1
Application number: DE4316196A
Authority: DE
Inventors: Guenter Dr Vos
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1993-05-14
Filing date: 1993-05-14
Publication date: 1993-10-14
Anticipated expiration: 2013-05-15
Also published as: US5469732A; DE4316196C2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Analyse von Gasen und Gasgemischen sowie auf Geräte zur Durch führung dieses Verfahrens.

Die gebräuchlichen Meßgeräte zur Analyse von Gasen arbei ten mit Sensoren, die mit dem zu messenden Gasgemisch in Kontakt sind und auf die anwesenden Komponenten mehr oder weniger spezifisch reagieren. Sie liefern in der Regel elektrische Signale, aus denen auf den Partialdruck oder die Konzentration einer den Sensor umgebenden Gasart geschlossen werden kann. Um mehrere Gase zu analysieren, sind entweder mehrere Sensoren oder sehr aufwendige Meß geräte, wie Massenspektrometer oder spektroskopische Einrichtungen erforderlich.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Partialdrücke eines Gasgemischs mit unspezifischen Druck sensoren qualitativ und quantitativ nachzuweisen. Die so konfigurierten Gasanalysatoren sollen deutlich einfacher und robuster sein als herkömmliche Vielkomponenten analysatoren. Für typische Einkomponentenmessungen, wie bei der Heliumlecksuche, sollen sie bezüglich der Empfindlichkeit mit Standardgeräten vergleichbar oder diesen überlegen sein.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß das zu analysierende Gasgemisch in seiner Zusammensetzung oder seinem Druck zunächst (vorzugsweise periodisch) moduliert wird. Nach Durchlaufen einer molekularen Trenn vorrichtung erzeugt das modulierte Gas in einer Meßkammer periodische Schwankungen im Totaldruck, deren Phasenlage für jede Gasart charakteristisch ist.

Die Meßmethode basiert auf dem bekannten Umstand, daß Gase unterschiedlichen Atom- oder Molekulargewichts sich bei molekularer Strömung oder in Diffusionsprozessen unterschiedlich verhalten (vgl. hierzu z. B. (1)). Verein facht kann man sagen, daß leichte Gase durch Diffusions strecken (Kapillaren, Sinterkörper, Filterscheiben, Porenfilter, Polymeren u. a.m.) in der Regel schneller diffundieren als schwerere. In rein mechanischen Diffu sionsstrecken, wie z. B. Sinterkörpern und Porenmembranen, verhalten sich die Diffusionsgeschwindigkeiten zweier Gase zueinander ungefähr wie die reziproken Quadrat wurzeln ihrer Molekulargewichte.

Eine einfache Anordnung zur Nutzung dieser Eigenschaft für die Meßaufgabe zeigt Fig. 1. Die Meßkammer 1 ist mit einer feinporigen Filterscheibe 2, wie sie zu Filtra tionszwecken Verwendung findet, verschlossen, der Druck in der Meßkammer wird mit dem Drucksensor 3 gemessen. Zunächst sei innerhalb und außerhalb der Kammer das gleiche Gas, z. B. Stickstoff. Das System befinde sich im Gleichgewicht, es herrsche also innen wie außen der gleiche Druck p₀. Nun werde zur Zeit t₀ die Filterscheibe außen mit einem leichteren Gas, z. B. Wasserstoff, bei gleichem Druck in Berührung gebracht. Wegen des Konzen trationsgefälles setzt sofort Diffusion ein: Wasserstoff dringt in die Meßkammer, Stickstoff entweicht.

Sind die Poren der Filterscheibe hinreichend klein, d. h. vergleichbar mit der mittleren freien Weglänge der Gas moleküle, so laufen die beiden Diffusionsvorgänge mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten ab (molekularer Strömungsvorgang). Zuerst diffundiert mehr Wasserstoff in die Kammer als Stickstoff entweichen kann; schließlich gleichen sich auch die Stickstoffkonzentrationen aus, und das System strebt wieder dem Gleichgewichtsdruck p₀ ent gegen (vergleiche hierzu z. B. (1)).

Fig. 2 zeigt qualitativ den Druckverlauf p in der Meß kammer in Abhängigkeit von der Zeit t. Aus der Theorie der Diffusion läßt sich ableiten, daß der Druckver lauf die Überlagerung zweier Exponentialfunktionen mit unterschiedlichen Zeitkonstanten ist:

p (t) = A · exp(-at) + B · (1 - exp(-bt)),

wobei p der Druck in der Kammer, t die Zeit und a bzw. b die Zeitkonstanten des Systems für die beiden Diffusions richtungen sind. A und B sind Koeffizienten, die von den Anfangsbedingungen abhängen.

Entfernt man zur Zeit t₁ den Wasserstoff und ersetzt ihn wieder durch Stickstoff, so läuft der Prozeß umgekehrt ab: zunächst erniedrigt sich der Druck, weil Wasserstoff schneller aus der Kammer entweicht als Stickstoff ein dringen kann, dann strebt das System wiederum dem Gleich gewichtsdruck zu. Fig. 3 zeigt diesen Druckverlauf.

Ist die Meßgaskomponente von höherem Molekulargewicht als das Gas, das zu Beginn im System war, so erfolgt sinnge mäß zunächst eine Druckerniedrigung, weil dieses Gas langsamer eindringt, als das Gas aus der Kammer entweichen kann. Ebenso erwartet man nach Entfernen dieses Meßgases eine Druckerhöhung.

Solange der Systemdruck einige Bar nicht überschreitet, sind die beschriebenen Vorgänge sehr linear, d. h. die erzielten Druckanstiege und -abfälle sind streng propor tional zur Konzentration der zu messenden Gaskomponenten.

Besonders günstig wirkt sich der beschriebene Effekt aus, wenn die Beaufschlagung der Filterscheibe mit dem Meßgas und die Entfernung desselben periodisch erfolgen. Dazu können z. B. nach Fig. 4 je ein Gasstrom aus dem Meßgas 4 und einem Referenzgas 5 (z. B. Luft) einem Ventil 6 zuge führt werden, das zwischen beiden Gas strömen periodisch umschaltet. Der resultierende Gasstrom 7 führt nun abwechselnd Referenzgas und Meßgas und wird mit Hilfe der Pumpe 8 an der Filterscheibe 2 vorbeigeführt.

Nach den oben beschriebenen Abläufen registriert der Drucksensor 3 nun ein periodisch um den Gleichgewichts druck pendelndes Signal (Fig. 5), solange sich im Meßgas eine Komponente befindet, die ein von den Referenzgaskom ponenten abweichendes Molekulargewicht hat.

Die Druckänderungen in der Meßkammer treten immer dann auf, wenn sich das Konzentrationsgefälle an der Diffu sionsstrecke (im Ausführungsbeispiel Filterscheibe) ändert. Anstatt zwischen zwei Gasströmen periodisch umzuschalten, kann deshalb auch der Druck im Meßgas periodisch moduliert werden. Eine einfache Art, den Druck zu modulieren, zeigt das Ausführungsbeispiel in Fig. 6. Ein akustischer Signalgeber 9 (z. B. ein Lautsprecher) versetzt das Volumen 10 vor der Filterscheibe in Schall schwingungen geeigneter Frequenz. Wird das Volumen von dem zu messenden Gas durchströmt oder gefüllt, tritt der oben beschriebene Effekt ebenfalls ein.

Bei geeigneter Wahl der Modulationsfrequenz kann als Drucksensor ein Mikrofon verwendet werden. Besonders kleine, preiswerte Kondensator- und Elektretmikrofone, wie sie in Phonogeräten Verwendung finden, liefern ausgezeichnete Resultate.

Die Leistungsfähigkeit des Verfahrens wird entscheidend erweitert, wenn das vom Drucksensor erhaltene Wechsel spannungssignal phasenempfindlich gleichgerichtet wird. Bekanntlich verbessert der phasenempfindliche Gleich richter, auch Synchrongleichrichter oder Lock-In-Verstär ker genannt, erheblich das Signal-Rauschverhältnis (vergleiche hierzu z. B. (2)). Dadurch können Störkompo nenten im Druck, insbesondere bei der Verwendung von Mikrofonen als Drucksensoren, wirksam unterdrückt werden. Fig. 7 zeigt hierzu ein Ausführungsbeispiel. Der Gas modulator 11 (z. B. das Ventil oder der akustische Signal geber aus den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen) wird mit der Frequenz des Spannungsgenerators 12 betrie ben. Mit dem gleichen Signal des Generators wird nach geeigneter Phasenkorrektur 13 der Synchrongleichrichter 14 gesteuert. Das am Drucksensorausgang 15 anliegende Wechselspannungssignal wird so in eine Gleichspannung am Ausgang 16 gewandelt.

Eine andere Eigenschaft des phasenempfindlichen Gleich richters ist die Fähigkeit, synchrone Signale mit be stimmter Phasenlage, nämlich 90° zum Referenzsignal, vollständig zu neutralisieren. Durch geeignete Wahl der Filterporengröße, der Plattendicke, des Meßkammervolumens und vor allem der Modulationsfrequenz lassen sich die Zeit konstanten der beschriebenen Gasanalysatoren gezielt so einstellen, daß zwischen den Signalen, die zwei Gas komponenten im Meßgas liefern, genau diese Phasenver schiebung von 90° eintritt. Damit kann das Signal einer der beiden Komponenten vollständig unterdrückt werden.

Betreibt man das System abwechselnd mit verschiedenen Modulationsfrequenzen, die auf diese Eigenschaft abge stimmt sind, kann ein Gasgemisch vollständig analysiert werden.

Die größte Leistungsfähigkeit zeigt das Verfahren, wenn kleine Konzentrationen eines sehr leichten Gases, z. B. Helium, in Gas mit höherem Molekulargewicht, z. B. Luft, nachgewiesen werden sollen. Genau das ist die Aufgaben stellung eines Heliumlecksuchers. Bei der Heliumlecksuche wird das Testgas Helium, das durch Leckagen eines Prüf lings dringt, mit gasanalytischen Geräten nachgewiesen (vergleiche hierzu z. B. (1), (3) oder (4)).

Ein Ausführungsbeispiel für einen Schnüffellecksucher zeigt Fig. 8. Aus einem Leck 17 austretendes Helium wird mit einer Schnüffelspitze 18 einem Gasanalysator nach dem beschriebenen Verfahren mit dem Modulationsventil 6 zugeführt. Der Referenzgasstrom 5 wird zweckmäßigerweise in einigen Zentimetern Abstand von der Schnüffelspitze entnommen. Diese Anordnung hat den Vorteil, daß Helium aus der Umgebungsluft sowohl über den Meß- als auch über den Referenzkanal in den Analysator gelangen. Da aber das Verfahren nur auf Unterschiede in den Kanälen anspricht, trägt eine Anreicherung der Umgebungsluft (Fachjargon: "Verseuchung") nicht zum Meßsignal bei. Insbesondere hat der natürliche Heliumgehalt der atmosphärischen Luft von etwa 5ppm keinen beschränkenden Einfluß mehr auf die Nachweisgrenze der Schnüffellecksuche. In dieser Anordnung wirkt der Analysator als Gradientendetektor für Gas konzentrationen.

Auch für die Unterdrucklecksuche kann das Verfahren genutzt werden. Bei der Unterdrucklecksuche wird der Prüfling evakuiert und von außen mit einem Testgas, meist Helium, beaufschlagt. Durch Lecks eindringendes Testgas wird gasanalytisch nachgewiesen. Die leistungsfähigen Standardgeräte verwenden hierzu vorwiegend Massen spektrometer.

Das hier beschriebene neue Verfahren ist - anders als massenspektrometrische Geräte - nicht auf das Hochvakuum angewiesen. Es genügt somit, den Prüfling auf einen geringen Unterdruck zu evakuieren und eine Gasprobe aus dem Prüfling dem Analysator zuzuführen. Damit vereinfacht sich das Pumpsystem, und die Pumpzeit bis zur Lecksuchbe reitschaft wird verkürzt.

Literatur

(1) Wutz, Adam, Walcher, "Theorie und Praxis der Vakuumtechnik", Vieweg 1992
(2) Lüke, "Signalübertragung", Springer-Verlag 1979
(3) Leybold AG, "Grundlagen der Vakuumtechnik . . .", Firmenschrift 1987
(4) Jansen, "Grundlagen der Dichtheitsprüfung mit Testgasen", Vak.-Technik 29, 1980.

Claims

1. Verfahren und Vorrichtung zur Analyse von Gasen und Gasgemischen, dadurch gekennzeichnet, daß ein zu analy sierendes Gas (4) in seiner Zusammensetzung oder seinem Druck zeitlich verändert oder moduliert wird und über eine molekulare Diffusionsstrecke (2) mit einer Meßkammer (1) Verbindung hat, in der wegen der unterschiedlichen Diffu sionszeiten verschiedener Gaskomponenten Druckschwan kungen auftreten, die mit einem Drucksensor (3) registriert werden.

2. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Modulation des zu messenden Gases durch abwechselndes Fördern mit einem Referenzgas erfolgt.

3. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Modulation des Meßgases durch eine Schallschwingung als Druckmodulation erfolgt.

4. Verfahren und Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Diffusionsstrecke ein Porenfilter, vorzugsweise ein Sinterkörper oder eine poröse Mikro- oder Ultrafiltra tionsscheibe ist.

5. Verfahren und Vorrichtung nach einem der vorher gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Diffusionsstrecke (2) eine Polymerfolie ist und der Gas transport in dieser durch Lösungsdiffusion erfolgt.

6. Verfahren und Vorrichtung nach einem der vorher gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Diffusionsstrecke ein mechanischer Kanal, vorzugsweise eine Kapillare oder eine Blende ist.

7. Verfahren und Vorrichtung nach einem der vorher gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Drucksensor ein gasartunabhängiger Totaldrucksensor, vorzugsweise ein Kapazitätsmanometer ist.

8. Verfahren und Vorrichtung nach einem der vorher gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Drucksensor (3) ein Wärmeleitungsmanometer ist.

9. Verfahren und Vorrichtung nach einem der vorher gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Drucksensor (3) ein Gasreibungsmanometer ist.

10. Verfahren und Vorrichtung nach einem der vorher gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Drucksensor (3) ein Mikrofon, vorzugsweise ein Kondensator- oder Elektretmikrofon ist.

11. Verfahren und Vorrichtung nach einem der vorher gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Modulation des Meßgases periodisch erfolgt.

12. Verfahren und Vorrichtung nach einem der vorher gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das vom Drucksensor gelieferte Signal phasenempfindlich gleich gerichtet wird.

13. Lecksuchvorrichtung für die Dichtheitsprüfung, dadurch gekennzeichnet, daß der Analysator zum Nachweis eines Testgases, vorzugsweise Helium, eine Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche darstellt.