DE69722893T2

DE69722893T2 - Verfahren und Vorrichtung zum Liefern eines reinen Gases an eine Vorrichtung, wobei das Gas eine vorbestimmte Menge an mindenstens einer gasförmigen Verunreinigung enthält

Info

Publication number: DE69722893T2
Application number: DE69722893T
Authority: DE
Inventors: Jean-Marc Girard; Alain Mail; Yves Marot
Original assignee: Air Liquide SA; LAir Liquide SA a Directoire et Conseil de Surveillance pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Current assignee: Air Liquide SA; LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Priority date: 1996-11-05
Filing date: 1997-10-13
Publication date: 2004-05-19
Anticipated expiration: 2017-10-14
Also published as: FR2755512B1; EP0840119A1; DE69722893D1; SG53112A1; FR2755512A1; EP0840119B1; TW374107B; US5937886A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung, um ein Gerät, insbesondere einen Analysator von Verunreinigungsspuren wie z. B. einen Atmosphärendruck-Ionisations-Massenspektrometer, mit einem reinen Gas zu versorgen, das eine vorbestimmte Menge mindestens einer gasförmigen Verunreinigung enthält.
Auf dem Gebiet der Analyse von Gasen mit sehr hoher Reinheit werden oft Analysatoren verwendet, die dazu ausgelegt sind, Verunreinigungen in sehr kleinen Konzentrationen (zum Beispiel 10^–2 bis 10^–5 ppm oder gar 10^–3 bis 10^–6 ppm) zu erkennen. Um einen zuverlässigen und genauen Betrieb zu gewährleisten, muß solch ein Gerät in regelmäßigen Zeitabständen geeicht werden.
Solch eine Eichung wird durchgeführt, indem der Analysator aufeinanderfolgend zuerst mit einem reinen Gas oder „Null"-Gas versorgt wird, d. h. mit einem Gas, das weniger als 10^–5 ppm Verunreinigungen enthält, und dann mit einem sogenannten „Eichgas", das Verunreinigungen in genau bekannten Konzentrationen enthält.
Aus der Patentschrift FR-A-2714968 im Namen der Anmelderin und der Patentschrift US-A-5 239 856, ebenfalls im Namen der Anmelderin, sind solche Verfahren und Vorrichtungen zur Versorgung eines Analysators mit sehr hoher Empfindlichkeit bekannt.
Die obige FR-Patentschrift beschreibt eine Vorrichtung und ein Verfahren, bei denen ein reines Gas mit Verunreinigungsspuren geladen wird, mit Hilfe einer Batterie von Permeationspatronen, die an eine Einheit zum Verdünnen der Verunreinigungen in reinem Gas parallel angeschlossen ist. Jede Patrone enthält eine gasförmige Verunreinigung wie zum Beispiel H₂O, CO₂, CO, O₂, CH₄, H₂ usw., die in einer sehr kleinen Menge durch eine Membran diffundiert, um das in der Verdünnungseinheit umlaufende reine Gas zu laden.
Diese Vorrichtung weist den Nachteil auf, daß jede Permeationspatrone aufgrund ihrer Verbindungsleitung zur Verdünnungseinheit eine Zweigleitung aufweist, in der die Strömung stagniert, was zu unerwünschten Wechselwirkungen mit den Wänden der Leitung führt, wie zum Beispiel Absorptions- und Desorptionsphänomene.
Überdies sind diese Zweigleitungen schwer zu spülen, was die Verwendung solch einer Patronenbatterie mit reinen Gasen verschiedener Art kompromittiert.
Zudem ändert sich der Durchsatz der Verunreinigung, die durch eine Permeationspatrone eingeleitet wird, mit der Zeit. Folglich nimmt auch die Genauigkeit, mit der die Zusammensetzung des Eichgases bekannt ist, mit der Zeit ab.
Ein anderer Nachteil der Vorrichtung ist mit der Arbeitsweise der Permeationspatrone verbunden. Eine Permeationspatrone besteht aus einem Behälter mit einem Ausgang, der durch eine Membran verschlossen ist, zum Beispiel aus Silicon, durch welche die im Behälter enthaltene Verunreinigung diffundiert.
Doch diese Membran ist nicht nur in der Richtung Patrone-Verdünnungseinheit durchlässig, sondern auch in der umgekehrten Richtung Verdünnungseinheit-Patrone.
Das reine Gas, das in der Zweigleitung vorhanden ist, kann daher durch die Membran in die Patrone diffundieren, vor allem, wenn das Molekül klein ist, wie z. B. das Molekül H₂. Im Laufe der Zeit entsteht dadurch in der Permeationspatrone eine unbekannte Gaszusammensetzung, was die präzise Erzeugung eines Eichgases kompromittiert, vor allem, wenn die Vorrichtung aufeinanderfolgend mit reinen Gasen verschiedener Art verwendet wird.
Häufig wird auch wie folgt vorgegangen: Man verfügt über vorbereitete Gasgemische reines Gas/Verunreinigung I, mit einem Gehalt, der als intermediär bezeichnet werden kann, zum Beispiel in der Größenordnung des ppm.
Auf diese Weise verfügt man zum Beispiel über vorgemischte Flaschen, die mehrere zehn ppm CO oder auch Wasserstoff in Stickstoff enthalten.
Dann werden mit Hilfe des entsprechenden reinen Gases (Ar, N₂, He usw.) die notwendigen Verdünnungsschritte des Gases aus jeder Vorgemischflasche durchgeführt, um das Endgemisch zu erhalten, das die Verunreinigung I im betreffenden reinen Gas in einem Anteil enthält, der zum Beispiel in der Größenordnung des ppb liegt.
Daraus ist zu ersehen, wie komplex und schwerfällig ein derartiges Verfahren ist, und wie vielfältig die Fehlerquellen und die Gemischverunreinigungen in den verschiedenen Fertigungsstadien sind.
Die Patentschrift US-A-5 239 856 beschreibt ihrerseits ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines reinen Gases, das Verunreinigungsspuren enthält, denen zufolge eine bestimmte Menge an Gas aus zwei Gasquellen entnommen wird, wobei jedes Gas eine Verunreinigung in einem reinen Gas darstellt.
Die entnommenen Gase werden gemischt und das Gemisch wird in einer Verdünnungseinheit verdünnt, um eine sehr geringe Konzentration der Verunreinigungen im reinen Gas zu erhalten, wobei die Konzentration in einem Bereich zwischen 10^–5 ppm und 10^–2 ppm liegt, damit dieses Gas einem Analysator von Verunreinigungsspuren zugeführt werden kann, der kalibriert werden soll., Die Genauigkeit, mit der die Konzentrationen der Verunreinigungsspuren im reinen Gas bekannt sind, ist nicht nur von der Qualität der Verdünnungseinheit abhängig, sondern auch von der Herstellungsqualität des Gasgemischs. Doch im Falle der obigen US-A-Patentschrift hängt diese Genauigkeit von der Regelunsicherheit der verschiedenen Massendurchflußregler ab, die in den Entnahmeleitungen für die Verunreinigungen angeordnet sind. Wenn die Zahl der Verunreinigungsquellen und daher der Massendurchflußregler zur Herstellung des Gemischs erhöht wird, nimmt die Genauigkeit ab, mit der die Zusammensetzung des Gasgemischs bekannt ist, da die Unsicherheiten des Durchsatzes jedes Massendurchflußreglers sich addieren, um eine Unsicherheit über die Zusammensetzung des erhaltenen Gasgemischs zu ergeben.
Siehe auch die Patentschrift EP-A-528386, die den Stand der Technik der Herstellung von Kalibrierungsgemischen für einen Gasanalysator veranschaulicht.
Die vorliegende Erfindung zielt auf die Abstellung dieser verschiedenen Nachteile ab, indem sie ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitstellt, um ein Gerät mit einem reinen Gas zu versorgen, das eine vorbestimmte Menge mindestens einer gasförmigen Verunreinigung enthält, die zuverlässig, genau und leicht anzuwenden ist.
Zu diesem Zweck betrifft die Erfindung ein Verfahren, um eine Vorrichtung mit einem reinen Gas zu versorgen, das eine vorbestimmte Menge mindestens einer gasförmigen Verunreinigung enthält, wobei mindestens zwei verschiedene Hilfsgase, darunter diese Verunreinigung, zuvor vermischt werden, eine aus diesem Gemisch entnommene Menge auf bestimmte Weise im reinen Gas verdünnt wird, und die Vorrichtung mit dem diese Verunreinigung enthaltenden Gas versorgt wird, dadurch gekennzeichnet, daß dieses Hilfsgas in Form eines Gemischs mit bekannter Zusammensetzung in einem Behälter gelagert wird, wobei die Volumenkonzentrationen der Mehrheit der Hilfsgase in diesem Gemisch im wesent lichen die gleiche Größenordnung aufweisen, und das Gemisch aus diesem Behälter entnommen wird, um es im reinen Gas zu verdünnen.
Einer Ausführungsform der Erfindung gemäß enthält das Gemisch mindestens ein inertes Gas, dessen Volumenkonzentration größer ist als die Volumenkonzentration jedes der anderen Gase des Gemischs.
Die Volumenkonzentration des inerten Gases ist vorzugsweise größer als die Summe der Volumenkonzentrationen der anderen Gase des Gemischs.
Einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung gemäß ist die „Größenordnung" der Anteile das Prozent.
Je nach Zusammensetzung des Gemischs (vor allem je nach angestrebter Kalibrierungsart) ist anzumerken, daß es aus Sicherheitsgründen vorteilhaft ist, im Gemisch über ein oder mehrere inerte Gase zu verfügen und eine Konzentration des Gases zu wählen, die höher ist als die Volumenkonzentration aller anderen Bestandteile des Gemischs. Dank solch einer Zusammensetzung des Gemischs können Oxidatoren wie 0₂ oder CO gleichzeitig mit Brennstoffen wie zum Beispiel CH₄ vorhanden sein, ohne daß eine Gefahr der Entflammung oder Explosion des Behälters besteht, der dieses Gemisch enthält.
Auf diese Weise kann zum Beispiel für alle nicht inerten Bestandteile des Gemischs ein Anteil gewählt werden, der in der Nachbarschaft des % liegt oder mehrere % beträgt, während für das oder die inerte(n) Gas (e) des Gemischs ein Anteil von mehreren zehn gewählt wird, ohne daß der Rahmen der vorliegenden Erfindung dadurch gesprengt wird, da die Anteile aller Bestandteile des Gemischs in der gleichen Größenordnung (%) ausgedrückt wird.
Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Anwendung des oben definierten Verfahrens, umfassend eine Quelle an reinem Gas, eine Quelle der gasförmigen Verunreinigung, und Mittel zum vorbestimmten Verdünnen der Verunreinigung im reinen Gas, die über eine Gaszuleitung mit der Vorrichtung verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß diese Verunreinigungsquelle einen Behälter umfasst, der das Gemisch, mit bekannter Zusammensetzung, aus mindestens zwei verschiedenen Gasen, darunter die Verunreinigung, enthält, wobei die Volumenkonzentrationen der Mehrheit der Gase des Gemischs im wesentlichen die gleiche Größenordnung aufweisen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann eines oder mehrere der folgenden Merkmale aufweisen:

– Die Verdünnungsmittel umfassen Mittel zum Teilen des Durchsatzes aus der Quelle an reinem Gas und mehrere Verdünnungsstufen, die in Reihe geschaltet sind, wobei jede Stufe eine erste Eingangsleitung umfasst, die mit einer Ausgangsleitung verbunden ist, die den Mitteln zum Teilen des Durchsatzes zugeordnet ist, und eine zweite Eingangsleitung umfasst, die mit einer jeweiligen Ausgangsleitung der Verdünnungsstufe verbunden ist, die direkt davor angeordnet ist, wobei die zweite Eingangsleitung der ersten Verdünnungsstufe über eine Entnahmeleitung des Gemischs mit dem Behälter verbunden ist,
– die zweite Eingangsleitung mindestens einer Verdünnungsstufe weist ein zusätzliches Element zur Regelung des Durchsatzes auf,
– jede Verdünnungsstufe umfasst Mittel zum Mischen der Gase, die den Eingängen der Stufe zugeführt werden, und mindestens eine Verdünnungsstufe umfasst eine zugehörige Spülleitung, die an einem Ende mit dem Mischmitteln verbunden ist und in der ein Auslauf angeordnet ist, um den Druck in der zugehörigen Verdünnungsstufe zu regeln,
– eine Verdünnungsstufe umfasst eine dritte Eingangsleitung, die mit Mitteln zum Beaufschlagen des reinen Gases mit einer vorbestimmten Menge an H₂O verbunden ist,
– die Mittel zum Teilen des Durchsatzes der Quelle umfassen eine Hauptleitung zur Zuleitung des reinen Gases, die mit mehreren sekundären Ausgangsleitungen verbunden ist, die parallel angeordnet sind und jeweils eine kalibrierte Drossel aufweisen,
– die Quelle an reinem Gas umfasst eine Quelle an zu analysierendem Gas und eine Einheit zum Reinigen des von der Quelle abgegebenen Gases,
– die Reinigungseinheit umfasst mindestens zwei Reinigungsvorrichtungen, wobei der Eingang jeder Reinigungsvorrichtung mit einem Abzweigventil verbunden ist, das in einer Eingangsleitung der Reinigungseinheit angeordnet ist, und der Ausgang jeder Reinigungsvorrichtung mit einem Ventil für die Zirkulation des gereinigten Gases verbunden ist, das in einer Versorgungsleitung der Verdünnungsmittel angeordnet ist,
– die Eingangsleitung der Reinigungseinheit und die Versorgungsleitung der Verdünnungsmittel jeweils mit einem Ende in eine entsprechende Spülleitung münden, wobei ein Element zur Erzeugung eines Beaufschlagungsverlustes in jeder entsprechenden Spülleitung angeordnet ist,
– jedes Abzweigventil sowie jedes Zirkulationsventil eine erste Leitung, die ständig über ein erstes Ende mit einer zugehörigen Reinigungsvorrichtung verbunden ist, eine zweite Leitung, wobei die zweite Leitung der Abzweigventile in der Eingangsleitung der Reinigungs einheit und jene der Zirkulationsventile in der Versorgungsleitung der Verdünnungsmittel angeordnet ist, und ein Stellglied umfasst, das zwischen einer Stellung zum Verbinden der ersten Leitung mit der zweiten Leitung und einer Stellung zum Isolieren der ersten Leitung von der zweiten Leitung umschaltbar ist, wobei die zweite Leitung kein Abflußstagnationsvolumen aufweist,
– die zweite Leitung jedes Ventils weist eine Kammer auf, in die das zweite Ende der ersten Leitung mündet, und jedes Ventil weist ein Verschlußelement auf, auf welches das Stellglied des Ventils wirkt, das in der Isolierungsstellung das Ende der ersten Leitung verschließt, das in diese Kammer mündet, und in der Verbindungsstellung in Bezug auf dieses Ende der ersten Leitung zurückgezogen ist,
– das Ende der ersten Leitung, das in diese Kammer mündet, mit einer Dichtung versehen ist, die in der Kammer hervorsteht, und das Verschlußelement eine elastisch verformbare Membran umfasst, die einen Teil der Wand der Kammer bildet, die der Dichtung gegenüber liegt, wobei die Membran in der Isolierungsstellung durch einem Tastschalter des Stellglieds auf abdichtende Weise an die Dichtung gegen die Elastizitätskraft der Membran angelegt wird.
– jedes Ventil weist Steuermittel zum Umschalten des Stellglieds zwischen der Verbindungsstellung und der Isolierungsstellung auf, wobei die Steuermittel jedes Ventils mit einer Steuereinheit zum Isolieren und Verbinden jedes Ventils verbunden sind, und die Steuereinheit weist Mittel auf, die in der Verbindungsstellung das gleichzeitige Umschalten von Stellgliedern verhindern, die verschiedenen Reinigungsvorrichtungen zugeordnet sind.

Außerdem betrifft die Erfindung einen Behälter, der ein Gemisch aus Gasen in einer kalibrierten Zusammensetzung enthält, um ein Gas dem oben definierten Verfahren entsprechend mit Verunreinigungen zu versehen und/oder die Verunreinigungsquelle der oben definierten Vorrichtung zu bilden.
Einem anderen Merkmal entsprechend enthält der Behälter mindestens zwei verschiedene Gase, deren Anteile im wesentlichen dieselbe Größenordnung aufweisen, und ein inertes Gas in einem größeren Anteil, der vorzugsweise größer ist als die Summe der Anteile der anderen Gase.
Außerdem betrifft die Erfindung ein Ventil für die oben definierte Vorrichtung.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung hervor, die beispielhaft und nicht einschränkend ist, unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen, wobei:
1 ein Gesamtschema einer Vorrichtung ist, um ein Gerät mit einem zu analysierenden Gas, mit einem reinen Gas oder mit einem Gas, das eine vorbestimmte Menge an Verunreinigungen enthält, zu versorgen;
2 eine Schnittansicht, entlang der Linie II/II von 3, eines Ventils der Regelvorrichtung von 1 ist, sowie eines Ventils einer Reinigungseinheit von 1 in der Isolierungsstellung;
3 eine Schnittansicht, entlang der Linie III/III von 2, desselben Ventils in der Verbindungsstellung ist;
4A eine Schnittansicht, entlang der Linie IV/IV von 2, des Ventils in der Isolierungsstellung ist;
4B eine Schnittansicht, entlang der Linie IV/IV von 2, des Ventils in der Verbindungsstellung ist; und
5 ein Schema einer Verdünnungsstufe ist.
1 zeigt eine Anlage 1, um ein Gerät 3 wie zum Beispiel einen Analysator von Verunreinigungsspuren in einem Gas vom Typ Atmosphärendruck-Ionisations-Massenspektrometer mit Gas zu versorgen. Solch ein Analysator ist in der Lage, Verunreinigungsspuren in einem Gas in sehr niedrigen Konzentrationen zu messen, die zwischen 10^–2 und 10^–5 ppm liegen oder gar zwischen 10^–3 und 10^–6 ppm. Wie nachstehend ausführlich erklärt, ermöglicht es diese Einrichtung 1, das Gerät 3 abwechselnd mit einem reinen Referenzgas oder „Null-Gas", d. h., ein Gas, das typischerweise weniger als 10^–4 ppm Verunreinigungen enthält, mit einem Gas, das eine vorbestimmte Menge an bekannten gasförmigen Verunreinigungen wie zum Beispiel H₂O, CO₂, CO, O₂, CH₄, H₂ usw. enthält, in Konzentrationen, die in einem Bereich von 10^–5 ppm bis 10^–2 ppm liegen, oder auch mit einem zu analysierenden Gas zu versorgen. Zudem muß diese Einrichtung die Steuerung der Parameter der Gaseinleitung des in den Analysator 3 ermöglichen, wie zum Beispiel den Druck und den Durchsatz.
Außerdem muß diese Einrichtung die aufeinanderfolgende Verwendung verschiedener zu analysierender Gasarten ermöglichen.
Zu diesem Zweck ist eine Quelle 5 eines zu analysierenden Druckgases über eine Entnahmeleitung 6 mit der Gasversorgungseinrichtung 1 verbunden. Diese Quelle 5 umfasst zum Beispiel eine einzige Quelle einer zu analysierenden Gasart, oder mehrere Druckquellen von verschiedenen Gasarten, die jeweils über eine Entnahmeleitung mit einer Vorrichtung verbunden sind, die dazu bestimmt sind, ein Gerät mit einem von mehreren Gasen zu versorgen, wie z. B. die Vorrichtung, die in der französischen Patentanmeldung R-2749924 beschrieben ist, die im Namen der Anmelderin angemeldet wurde.
Die Entnahmeleitung 6 ist zum einen mit einer Analyseleitung 7 und zum anderen mit einer Versorgungsleitung zu einer Vorrichtung 9 verbunden, die ein reines Gas oder ein Gas mit einer vorbestimmten Menge an gasförmigen Verunreinigungen zuführt.
Die Analyseleitung 7 und eine Ausgangsleitung 10 der Versorgungsvorrichtung 9 sind jeweils mit einer entsprechenden Eingangsleitung 11, 12 einer Auswahlvorrichtung 13 verbunden, um das Gerät 3 entweder mit dem Gas zu versorgen, das in der Analyseleitung 7 enthalten ist, oder mit dem Gas, das von der Ausgangsleitung 10 der Versorgungsvorrichtung 9 zugeführt wird.
Eine Regelvorrichtung 14A mit einem vorbestimmten Gasdurchsatz für die zu analysierenden Gase, die im wesentlichen unterschiedliche Molekülmassen aufweisen, ist in der Analyseleitung 7 angeordnet.
Die Versorgungsvorrichtung 9 umfasst eine Quelle an reinem Gas, eine Verunreinigungsquelle 15 und Mittel 16 zum vorbestimmten Verdünnen der Verunreinigungen im reinen Gas.
Die Quelle an reinem Gas besteht zum einen aus der Quelle 5 des zu analysierenden Gases und zum anderen aus einer Reinigungseinheit 17 für das Gas, das von der Quelle 5 zugeführt wird, wobei der Gasdurchsatz, der der Reinigungseinheit zugeführt wird, durch einen Massendurchflussregler 18 geregelt wird, der in der Versorgungsleitung 8 angeordnet ist.
Die Verdünnungsmittel 16 umfassen Mittel 19 zum Teilen des Gasdurchsatzes am Ausgang der Reinigungseinheit 17, die mehrere Verdünnungsstufen 20, 21, 22 versorgen, die in Reihe geschaltet sind.
Ein Zweig 23 der Mittel 19 zum Teilen des Durchsatzes umfasst eine Vorrichtung 14B zum Regeln eines vorbestimmten Gasvordrucks für die Gase, die im wesentlichen unterschiedliche Molmassen aufweisen, wobei der Aufbau dieser Vorrichtung 14B dem der Regelvorrichtung 14A entspricht.
Nachstehend werden der Aufbau und die Arbeitsweise der verschiedenen Einheiten der Gasversorgungsvorrichtung 1 ausführlich beschrieben.
I. Vorrichtung zur Regelung der Strömung von Gasen, die im wesentlichen unterschiedliche Molmassen aufweisen.
I.1. Aufbau der Regelvorrichtung
Die Regelvorrichtung 14A ist in der Analyseleitung 7 angeordnet. Vor dieser Regelvorrichtung 14A ist ein Druckmesser 25 angeordnet, um den Druck vor der Regelvorrichtung 14A zu messen.
Die Regelvorrichtung 14A umfasst in der dargestellten Ausführungsform eine kalibrierte Drossel 27, zum Beispiel eine kalibrierte Öffnung, die in der Analyseleitung 7 angeordnet ist. Vor der Öffnung 27 ist ein Abzweigventil 29 angeordnet, das auf schematische Weise in einem gestrichelten Kreis dargestellt ist, um eine Abzweigleitung 31 auf selektive Weise in Betrieb zu nehmen.
Das Ventil 29 umfasst eine erste Leitung 33, die ständig an einem Ende mit der Abzweigleitung 31 verbunden ist. Es umfasst außerdem eine zweite Leitung 35, die stets offen ist und in der Analyseleitung 7 angeordnet ist.
Die erste Leitung 33 und die zweite Leitung 35 des Ventils 29 können über ein Stellglied 37 miteinander verbunden werden, wie nachstehend ausführlich beschrieben, das zwischen einer Verbindungsstellung der ersten Leitung 33 mit der zweiten Leitung 35 und einer Isolierungsstellung der ersten Leitung 33 von der zweiten Leitung 35 umgeschaltet werden kann. Die Abzweigleitung 31 ist an ihrem anderen Ende 39 hinter der Öffnung 27 mit der Analyseleitung 7 verbunden.
Eine zweite kalibrierte Öffnung 41 ist vorteilhafterweise in der Abzweigleitung 31 angeordnet, möglichst nahe an deren Ende 39. Dadurch wird ein Abflußstagnationsvolumen, das in der Isolierungsstellung der zwei Leitungen 33 und 35 durch den Abschnitt der Abzweigleitung 31 gebildet wird, der zwischen der Öffnung 41 und dem Ende 39 liegt, möglichst klein gehalten.
Der Aufbau der Regelvorrichtung 14B entspricht hier dem der Vorrichtung 14A. Aus diesem Grund tragen gleiche Elemente die gleichen Bezugszeichen.
Diese Vorrichtung umfasst eine erste Öffnung 27, die in einer Leitung 85 zum Zuführen eines reinen Gases angeordnet ist, das am Ausgang der Reinigungseinheit 17 ausströmt. In dieser Leitung 85 ist ein Abzweigventil 29 angeordnet, das dem der Vorrichtung 14A entspricht. Mit der Leitung 33 des Ventils 29 ist ein Ende einer Abzweigleitung 91 verbunden. Das andere Ende dieser Leitung 91 ist hinter der Öffnung 27 mit einer Versorgungsleitung 85 verbunden. Eine kalibrierte Öffnung 41 ist möglichst nahe am Ende 92 angeordnet, an welchem die Abzweigleitung 91 mit der Versorgungsleitung 85 verbunden ist.
I.2. Aufbau des Ventils der Regelvorrichtungen:
Ein Ausführungsbeispiel des Ventils 29, das in den Regelvorrichtungen 14A und 14B eingebaut ist, wird nachstehend ausführlich beschrieben. Solch ein Ventil vom Typ „DAD elektropoliert" ist zum Beispiel von einem Ventil abgeleitet, das von der Firma NUPRO angeboten und von der Firma SWAGELOK hergestellt wird.
Wie in 2 und 3 gezeigt, umfasst das Ventil 29 einen Körper 51, in dem die erste Leitung 33 und die zweite Leitung 35, ein Verschluß 52 und ein Stellglied 37 vorgesehen sind, das partiell dargestellt ist und mit einer Mutter 53 am Körper 51 angeschraubt ist.
Die zweite Leitung 35 (2) wird durch zwei Leitungsabschnitte 55 und 57 und durch eine symmetrisch umlaufende Ringkammer 59 gebildet. In einem seitlichen Bodenabschnitt dieser Kammer 59 mündet eines der zwei Enden 55A, 57A jedes Leitungsabschnitts 55 und 57.
Das andere Ende 55B, 57B jedes Leitungsabschnitts 55, 57 mündet in einen jeweiligen seitlichen Leitungsanschluß 56 des Körpers 51. Diese Ende 55B und 57B sind diametral entgegengesetzt. Die zwei Leitungsanschlüsse 56 sind bei der Regelvorrichtung 14A dazu bestimmt, um mit der Analyseleitung 7 verbunden zu werden, und bei der Regelvorrichtung 14B, um mit der Versorgungsleitung 85 verbunden zu werden.
Die Kammer 59 wird durch eine im wesentlichen zylindrische Aussparung 61 gebildet, die in der Oberseite des Körpers 51 ausgespart ist, und durch den Verschluß 52. Dieser Verschluß besteht seinerseits aus zwei anliegenden Membranen 63, die die Aussparung 61 bedecken und die obere Wand der Kammer 59 bilden.
Die Membranen 63 sind aus einem elastisch verformbaren Material hergestellt, zum Beispiel aus Metall. Jede Membran 63 ist eine Scheibe, deren zentraler Abschnitt in eine Richtung gewölbt ist, die dem Körper 51 entgegengesetzt ist. Der Rand der Membranen 63 ist auf abdichtende Weise zwischen der ringförmigen Kante des Aussparung 61 und einer ringförmigen Kante eines Halterungsteils 67 eingeklemmt, das Bestandteil des Stellglieds 37 ist. Das Teil 67 ist wannenförmig ausgeführt, um einen Ausschlag des gewölbten Abschnitts der Membranen 63 zuzulassen.
Das Halterungsteil 67 umfasst in seinem zentralen Abschnitt, der den Membranen 63 gegenüber liegt, eine Führungsbohrung 69, in der ein Tastschalter 71 verschoben werden kann, der von einer Stange 72 des Stellglieds 37 bewegt wird.
Die erste Leitung 33 des Ventils 29 umfasst eine einfache aufrechte Grundbohrung, die rechtwinklig zur Achse verläuft, die durch die Enden 55B, 57B der Leitungsabschnitte 55, 57 definiert wird, und einen Verbindungsschacht 73, der im Zentrum der Aussparung 61 mündet.
Ein Ende 33A der ersten Leitung 33 mündet in einen jeweiligen seitlichen Anschluß 64 des Körpers 51, und ist dazu bestimmt, bei der Vorrichtung 14A mit der Abzweigleitung 31 bzw. bei der Vorrichtung 14B mit der Abzweigleitung 91 verbunden zu werden.
Das Ende des Schachts 73, das in die Aussparung 61 mündet, umfasst eine zylindrische Dichtung 75, die durch Preßpassung im Körper 51 des Ventils befestigt ist und in die Kammer 59 hervorragt.
2 und 4A zeigen das Ventil 29 in der Isolierungsstellung der ersten Leitung 33 von der zweiten Leitung 35. In solch einem Fall wird der zentrale Abschnitt der Membranen 63 vom Tastschalter 71 auf abdichtende Weise so auf die Dichtung 75 gedrückt, daß der Schacht 73 von der Kammer 59 getrennt wird.
Ein Gas, das in die zweite Leitung 35 des Ventils eingeleitet wird, läuft dennoch frei um, zum Beispiel vom Leitungsabschnitt 55 in die Kammer 59, und dann in den Leitungsabschnitt 57, wie dies in 4A durch die Pfeile 79 angezeigt ist. Es versteht sich, daß die zweite Leitung 35 des derart geformten Ventils kein Abflußstagnationsvolumen aufweist.
3 und 4B entsprechen einer Verbindungsstellung der ersten Leitung 33 mit der Leitung 35. In solch einem Fall ist der Tastschalter 71 zurückgezogen. Aufgrund der Elastizitätskraft der Membranen 63 nehmen diese ihre ursprüngliche gewölbte Form an. Dadurch entsteht ein Freiraum zwischen den Membranen 63 und der Dichtung 75, wodurch das Gas, das in die zweite Leitung 35 strömt, zu einem Großteil über den Schacht 73 in die erste Leitung 33 eingeleitet wird, wie in 4B durch die Pfeile 81 dargestellt.
I.3. Arbeitsweise der Regelvorrichtung:
Die Arbeitsweise der Regelvorrichtungen 14A, 14B wird nachstehend Bezug nehmend auf 1 beschrieben. Hierbei sind zwei Betriebsmodi zu unterscheiden.
In einem ersten Betriebsmodus ist der Druck vor der Regelvorrichtung erzwungen, und der Gasdurchsatz soll für zwei Gase mit im wesentlichen unterschiedlichen Molmassen ungefähr gleich sein. Dieser Betriebsmodus entspricht der Vorrichtung 14A, die in der Analyseleitung 7 angeordnet ist.
In einem zweiten Betriebsmodus ist der Gasdurchsatz vor der Regelvorrichtung erzwungen, und es soll eine sonische Strömungsweise gewährleistet werden. Dieser Betriebsmodus entspricht dem, der von der Vorrichtung 14B realisiert wird.
I.3.1 Arbeitsweise mit Zwangsdruck:
Bei einem leichten Gas, wie zum Beispiel Wasserstoff, wird das Ventil 29 der Regelvorrichtung 14A in die Isolierungsstellung der ersten Leitung 33 von der zweiten Leitung 35 geschaltet. Das Gas aus der Quelle 5 strömt durch die zweite Leitung 35 und die Öffnung 27 frei in die Analyseleitung 7 ein. Bei einer sonischen Strömungsweise, das heißt, wenn das Verhältnis zwischen dem Druck vor der Öffnung 27 und dem Druck hinter dieser Öffnung größer als 2 ist, ist der Volumendurchfluß D₂₇ des Gases durch die Öffnung 27 bekanntlich gleich: D27 = K × P × S27 × M–½ wobei:
P = Druck vor der Öffnung 27,
S₂₇ = Querschnitt der Öffnung 27,
M = Molmasse des Gases, das durch die Öffnung strömt, und
K = Konstante, die von der Temperatur und der Art der Gase abhängig ist.
Dank der Tatsache, daß die Leitung 35 des Ventils 29 kein Abflußstagnationsvolumen aufweist und die Öffnung 41 der Abzweigleitung 31 nahe am Ende 39 dieser Leitung angeordnet ist, bewirkt die Regelvorrichtung 14A in der Isolierungsstellung der ersten Leitung 33 im Vergleich zur zweiten Leitung 35 des Ventils nur ein vernachlässigbares Abflußstagnationsvolumen in der Analyseleitung 7.
Bei einem Gas wie zum Beispiel N₂, das eine größere Molmasse aufweist, fällt, bei gleichem Druck, der Durchsatz durch die Öffnung 27 proportional zur Quadratwurzel des Verhältnisses der Molmassen der zwei Gase, zum Beispiel N₂ und H₂, auf etwa ein Viertel des Durchsatzes ab, der für H₂ erhalten wird. Um in diesem Fall den von der Analyseleitung 7 gelieferten Durchsatz ungefähr auf das gleiche Niveau zu halten wie der Durchsatz eines Gases mit niedriger Molmasse, wird das Ventil 29 in den Verbindungszustand der ersten Leitung 33 mit der zweiten Leitung 35 umgeschaltet. Das Gas strömt dann nicht nur durch die Öffnung 27, sondern auch durch die Öffnung 41 in die Abzweigleitung 31.
An der Verbindungsstelle der Analyseleitung 7 mit der Abzweigleitung 31 erhöht sich der Durchsatz D₂₇ also um den Durchsatz D₄₁, der in der sonischen Strömungsweise durch die folgende Relation erhalten wird: D41 = K × P × S41 × M–½
Die verwendete Nomenklatur entspricht der für den Durchsatz D₂₇ verwendeten.
Damit der Durchsatz, der von der Regelvorrichtung 14A geregelt wird, für zwei Gase, die jeweils eine Molmasse M1 und M2 aufweisen, ungefähr gleich ist, wird der Querschnitt S₄₁ der Öffnung D₄₁ so gewählt, der er die folgende Relation erfüllt: S41 = ( (M1 ½/M2 ½ ) × S27) – S27 wobei M₁ die Molmasse eines Gases ist, das eine große Molmasse aufweist, und
M₂ die Molmasse eines Gases ist, das eine kleine Molmasse aufweist.
Der Querschnitt S₄₁ der Öffnung 41 wird vorzugsweise so gewählt, daß der H₂-Durchsatz im Isolierungszustand des Ventils 29 dem N₂-Durchsatz durch die Öffnung 27 und die Öffnung 41 im Verbindungszustand des Ventils 29 entspricht.
I.3.2 Arbeitsweise mit Zwangsdurchsatz:
Dieser Betriebsmodus der Regelvorrichtung ist dann sinnvoll, wenn der Durchsatz vor der Regelvorrichtung erzwungen ist und es notwendig ist, eine sonische Strömungsweise für Durchsatzregelungsöffnungen zu ge währleisten, wie zum Beispiel die der Mittel 19 zum Teilen des Durchsatzes. Der Gasdurchsatz vor der Regelvorrichtung 14B wird vom Durchsatzregler 18 erzwungen.
Hier versteht es sich, daß die „sonische" Strömungsweise bevorzugt wird, und daß eine zu große Abweichung davon einfach die Berechnung der Verteilung der Durchsätze erschwert. Daher wird ein Verhältnis der Durchsätze davor und dahinter zwischen 1,5 und 30 angestrebt.
Um die Arbeitsweise mit Zwangsdurchsatz zu erläutern, wird nur die Regelvorrichtung 14B in Betracht gezogen, die allein in der Versorgungsleitung 85 angeordnet ist, wie im Zusammenhang mit der Vorrichtung 14A beschrieben. Falls die Vorrichtung 14B in den Mitteln 19 zum Teilen des Durchsatzes angeordnet ist, ist der im folgenden dargelegte Gedankengang auf entsprechende Weise anwendbar.
Bei einem Zwangsvolumenstrom wird der Druck vor der Öffnung 27 in der Isolierungsstellung des Ventils 29 durch die folgende Gleichung erhalten: P = K' × D18 × M½ × S27 –1 wobei:
D₁₈ = Volumenstrom, der vom Durchflußregler 18 erzwungen wird,
K' = eine Konstante, die von der Art des Gases und der Temperatur abhängig ist,
S₂₇ = der Querschnitt der Öffnung 27.
Der Querschnitt der Öffnung 27 ist so dimensioniert, daß bei einem leichten Gas wie H₂ vor der Öffnung 27 sonische Bedingungen erreicht werden.
Im Fall eines Gases wie N₂, das eine große Molmasse aufweist, ist der Druck vor der Öffnung 27 bei gleichem Durchsatz etwa vier mal höher als der Vordruck, der für H₂ erhalten wird.
Aus diesem Grunde wird das Ventil in den Verbindungszustand der ersten Leitung 33 mit der zweiten Leitung 35 umgeschaltet. Das Gas strömt dann nicht nur durch die Öffnung 27, sondern auch durch die Öffnung 41. Der Druck vor der Öffnung 27 sowie der Öffnung 41 wird durch die folgende Relation erhalten: P = K' × D18 × M½ × (S27 + S41)–1 wobei:
S₄₁ = Querschnitt der Öffnung 41.
Damit der Druck vor der Regelvorrichtung 14B sonische Bedingungen für zwei Gase mit verschiedener Molmasse erreicht, wird der Querschnitt S₄₁ der Öffnung 41 so gewählt, daß er die folgende Relation bestätigt: S41 = ((M½ × M2 ½) × S27 ) – S27 wobei:
M₁ die Molmasse eines Gases mit großer Molmasse ist und
M₂ die Molmasse eines Gases mit kleiner Molmasse ist.
Statt der Öffnungen 27 und 41 können natürlich auch kalibrierte Drosseln beliebiger Art verwendet werden, wie zum Beispiel kapillare oder gefrittete.
Zudem ist die Verwendung von Membranventilen 29 vorgesehen, die Mittel umfassen, um das Stellglied 37 zwischen der Verbindungs- und der Isolierungsstellung umzuschalten, wie z. B. pneumatische Ventile oder elektromagnetisch gesteuerte Ventile. Die Mittel zum Umschalten des Stellglieds sind dann mit einer Steuer einheit wie z. B. einem Mikrocomputer oder einem Steuerautomaten verbunden.
II. Vorrichtung zur Zuführung eines reinen Gas, das eine vorbestimmte Menge an gasförmigen Verunreinigungen enthält.
Nachstehend werden die verschiedenen Einheiten der Vorrichtung 9 zur Zuführung eines reinen Gas, das eine vorbestimmte Menge an gasförmigen Verunreinigungen enthält, ausführlich dargestellt, d. h. die Reinigungseinheit 17, die Verunreinigungsquelle 15 und die Mittel 16 zur vorbestimmten Verdünnung der Verunreinigungen im reinen Gas.
II.1. Reinigungseinheit:
II.1.1. Aufbau der Reinigungseinheit
Die Reinigungseinheit 17 umfasst eine Eingangsleitung 160 und eine Leitung 162 zur Zuführung eines reinen Gases, zwischen denen drei Reinigungsvorrichtungen 164, 166, 168 wie zum Beispiel ein Stickstoffreiniger, ein Wasserstoffreiniger und ein Argon/Helium-Reiniger parallel angeschlossen sind.
Der Eingang jeder Reinigungsvorrichtung ist über ein Abzweigventil 170, 172, 174 mit der Eingangsleitung 160 verbunden. Der Ausgang jeder Reinigungsvorrichtung 164, 166, 168 ist über ein Ventil 176, 178, 180 zur Zirkulation des gereinigten Gases mit der Versorgungsleitung 162 der Reinigungseinheit 17 verbunden.
Die Ventile 170 bis 180 entsprechen den Ventilen 29 der Regelvorrichtungen 14A, 14B.
Daher umfasst jedes Abzweigventil 170, 172, 174 sowie jedes Ventil 176, 178, 180 zur Zirkulation des gereinigten Gases einen erste Leitung 33, die ständig an einem Ende mit einer entsprechenden Reinigungsvorrichtung 164, 166, 168 verbunden ist. Die zweiten Leitungen 35 der Abzweigventile 170, 172, 174 sind in der Eingangsleitung 160 angeordnet. Die zweiten Leitungen 35 der Ventile 176, 178, 180 zur Zirkulation des gereinigten Gases sind in der Versorgungsleitung 162 angeordnet.
Die Eingangsleitung 160 ist hinter dem Ventil 174 mit einer Spülleitung 182 verbunden, in der ein Element 184 wie z. B. eine kalibrierte Öffnung zur Erzeugung eines Beaufschlagungsverlustes angeordnet ist.
Die Ausgangsleitung 162 ist an dem Ende, das den Verdünnungsmitteln 16 entgegengesetzt ist, mit einer zugehörigen Spülleitung 186 verbunden, in der ein Element 188 wie z. B. eine kalibrierte Öffnung zur Erzeugung eines Beaufschlagungsverlustes angeordnet ist.
Die Spülleitungen 182. und 186 vereinen sich hinter den kalibrierten Öffnungen 184 und 188 zu einer gemeinsamen Spülleitung 190.
II.1.2. Arbeitsweise der Reinigungseinheit
Je nach Art des Gases, das aus der Quelle 5 strömt, wird zum Beispiel das Eingangsventil 170 der diesem Gas zugeordneten Reinigungsvorrichtung 164 sowie das entsprechende Ausgangsventil 176 in einen Zustand geschaltet, in dem die Leitungen 33 und 35 miteinander verbunden sind. Das zu analysierende Gas aus der Quelle 5 strömt frei durch die Reinigungsvorrichtung 164, die dieses Gas reinigt. Die anderen Ventile 172, 174, 178 und 180 sind im Isolierungszustand.
Wenn die Art des Gases geändert wird, das aus der Quelle 5 strömt, werden die Ventile 170, 176, die bis dahin offen waren, in den Isolierungszustand geschaltet, und die Ventile, die zu einer anderen Reinigungsvorrichtung gehören, werden in den Verbindungszustand geschaltet.
Dank des Aufbaus der Ventile 170 bis 180 und der Öffnungen, die einen Verluststrom zulassen, werden die Eingangsleitung 160 und die Ausgangsleitung 162 ständig gespült. Diese Reinigungseinheit 23 weist überdies den Vorteil auf, daß sie mit verschiedenen zu reinigenden Gasen betrieben werden kann und daß sie praktisch frei von Ablaufstagnationsvolumina ist.
Vorteilhafterweise werden zum Umschalten der Ventile Membranventile verwendet, die Mittel zum Steuern der Umschaltung des Stellglieds zwischen der Verbindungsstellung und der Isolierungsstellung umfassen, wie zum Beispiel pneumatische Ventile oder elektromagnetisch gesteuerte Ventile. Die Mittel zur Steuerung der Bewegung des Stellglieds jedes Ventils sind mit einer Steuereinheit wie zum Beispiel einem Mikrocomputer oder einem Steuerautomaten verbunden. Diese Steuereinheit umfasst logische Schaltmittel. Diese logischen Mittel werden zum Beispiel durch ein Rechnerprogramm ausgeführt, das in den Mikrocomputer geladen wird und ausschließt, daß zwei Reinigungsvorrichtungen gleichzeitig mit der Eingangsleitung 160 und mit der Ausgangsleitung 162 verbunden sein können.
II.2. Verunreinigungsquelle
Die Verunreinigungsquelle 15 umfasst einen Behälter, der ein Gemisch aus verschiedenen Gasarten wie zum Beispiel N₂, CO₂, CO, O₂, CH₄, H₂, Ar, Kr, Xe, He usw. enthält. Dieses Gemisch wurde so hergestellt, daß die Volumenkonzentrationen der Mehrheit der Gase des Gemischs in der gleichen Größenordnung liegen (hier das %).
Aus Sicherheitsgründen wird die Konzentration eines inerten Gases wie zum Beispiel Helium viel höher gewählt als die Volumenkonzentration aller anderen Bestandteile des Gemischs. Dank einer solchen Zusammensetzung des Gemischs können Oxidatoren wie O₂ oder CO gleichzeitig mit Brennstoffen wie zum Beispiel CH₉ vorhanden sein, ohne daß eine Gefahr der Entflammung oder Explosion des Behälters 15 besteht.
Damit der Gehalt des reinen Gases an Verunreinigungsspuren nach der Verdünnung genau bekannt ist, wird die Zusammensetzung des Gemischs des Behälters 15 zuvor mit Hilfe von Gasanalysemitteln genau bestimmt, wie zum Beispiel mit einem Gaschromatographen. Der Behälter 15 kann zum Beispiel eine Hochdruckflasche (typischerweise 200 Bar) sein.
Die Gase des Gemischs werden über eine Entnahmeleitung 204 entnommen oder in die Verdünnungsmittel 16 eingeleitet, in welcher ein Nachdruckregler 205 angeordnet ist. Die Entnahmeleitung 204 mündet in eine zugehörige Spülleitung 206, in der ein Absperrventil 207 und ein Element zur Erzeugung eines Beaufschlagungsverlustes angeordnet sind, wie z. B. eine kalibrierte Öffnung 208.
II.3. Mittel zur vorbestimmten Verdünnung der gasförmigen Verunreinigung im reinen Gas.
Die Verdünnungsmittel 16 umfassen zum einen Mittel 19 zum Teilen des Durchsatzes des reinen Gases, das von der Versorgungsleitung 162 am Ausgang der Reinigungseinheit 17 zugeführt wird, und zum anderen drei Verdünnungsstufen 20, 21, 22, die in Reihe geschaltet sind. Ein Druckmesser 86 ist vor den Teilungsmitteln in der Leitung 162 angeordnet.
Die Teilungsmittel 19 umfassen die Regelvorrichtung 14B und zwei Leitungen 209, 210, die parallel zu Versorgungsleitung 162 angeschlossen sind. In jeder Leitung 209, 210 ist eine kalibrierte Drossel 211, 212 wie z. B. eine kalibrierte Öffnung angeordnet.
Die Leitung der Regelvorrichtung 14B sowie die Leitungen 209 und 210 mit ihren jeweiligen Öffnungen 211, 212 bilden jeweils eine Zweigleitung zur Versorgung einer entsprechenden Verdünnungsstufe 20, 21, 22 mit reinem Gas.
Die Arbeitsweise solcher Mittel zum Teilen des Durchsatzes wird in der Patentanmeldung FR-A-2714968 im Namen der Antragstellerin ausführlich beschrieben. Diese Arbeitsweise wird daher nachstehend nicht beschrieben.
5 zeigt ein Beispiel einer Verdünnungsstufe 20, 21 oder 22. Eine Verdünnungsstufe 20, 21 oder 22 umfasst eine Leitung 230 zur Versorgung mit reinem Gas, die mit einem entsprechenden Zweig der Teilungsmittel 19 verbunden ist, und eine Leitung 232 zur Versorgung mit einem Gas, das Verunreinigungen enthält.
Ein Massendurchflußregler 234 ist in der Versorgungsleitung 232 angeordnet, um die Änderung der Verdünnungsgrads der Verdünnungsstufe zu erlauben.
Die Versorgungsleitungen 230 und 232 sind so miteinander verbunden, daß sie in eine gemeinsame Mischleitung 236 münden. Die Leitung 236 mündet zum einen in eine Ausgangsleitung 237 der Verdünnungsstufe. Diese Ausgangsleitung 237 ist mit der Versorgungsleitung 232 der Verdünnungsstufe verbunden, die direkt dahinter angeordnet ist.
Im Fall der Verdünnungsstufen 20 und 21 ist die Verdünnungsleitung 236 zum anderen mit einer Spülleitung 238 verbunden, in welcher ein Auslauf 240 angeordnet ist. Der Druck eines Auslaufs in einer Verdünnungsstufe wird so eingestellt, daß einerseits die sonischen Bedingungen für die Verdünnungsmittel vorzugsweise eingehalten werden, und daß andrerseits der eingestellte Druck etwas größer ist als der Druck, der im Auslauf einer dahinter angeordneten Verdünnungsstufe eingestellt ist, damit die Strömung der Gase in Richtung des Analysators 3 gewährleistet wird.
Die Versorgungsleitung 232 der Verdünnungsstufe 20 ist hinter dem Druckregler 205 und vor dem Absperrventil 207 mit der Entnahmeleitung 204 verbunden.
Die Ausgangsleitung 237 der letzten Verdünnungsstufe 22 mündet hinter der Regelvorrichtung 14B in die Ausgangsleitung 10 der Versorgungsvorrichtung 9.
Die Durchsätze am Eingang jeder Verdünnungsstufe werden so eingestellt, daß zum Beispiel eine Verdünnung in der Nachbarschaft von 1/1000 des aus der Leitung 232 ausströmenden Gases im aus der Leitung 230 ausströmenden Gas erhalten wird.
Die Menge „null" Verunreinigungen ist natürlich auch eine vorbestimmte Menge an Verunreinigungsspuren, die die Vorrichtung dem Analysator 3 zuzuführen hat. Aus diesem Grunde weist die Versorgungsleitung 232 der letzten Verdünnungsstufe 22 eine Abzweigleitung 242 auf, in welcher ein Massendurchflußregler 244 angeordnet ist.
Die Ausgangsleitung 10 die Versorgungsvorrichtung 9 gibt ein reines Gas aus, wenn der Regler 244 auf einen Durchsatz eingestellt ist, der größer ist als der des Reglers 234 der Verdünnungsstufe 22, und sie gibt ein reines Gas aus, das eine vorbestimmte Menge an Verunreinigungsspuren enthält, wenn der Durchsatz, der vom Regler 244 eingestellt ist, kleiner ist als der des Reglers 234.
Die Erzeugung der H₂O-Verunreinigung wird hier durch eine Permeationspatrone 250 erreicht, die etwa 250 ng/min durchläßt, und wird an einer Ableitung der Reingasleitung 230 mit der zweiten Verdünnungsstufe 21 verbunden.
Diese Permeationspatrone enthält auf 50°C erwärmtes Wasser und weist an einem Ende eine Siliconmembran auf, durch welche das H₂O diffundiert.
Die Kartusche kann auch in der ersten Stufe angeordnet werden, damit ein höherer Permeationsgrad erreicht wird, wobei der Permeationsgrad so gewählt wird, daß in der Leitung ein Gehalt erreicht wird, der dem der in dieser Verdünnungsstufe vorhandenen gasförmigen Verunreinigungen entspricht.
Die Tabelle 1 unten zeigt, für eine im voraus bestimmte Zusammensetzung des Gasgemischs im Behälter 15, zwei Beispiele der Herstellung eines reinen Gases, das eine vorbestimmte Menge an Verunreinigungsspuren enthält, die von der Ausgangsleitung 10 der Versorgungsvorrichtung 9 zugeführt wird, ein mal mit Wasserstoff als reines Gas und ein mal mit Stickstoff als reines Gas.
Es versteht sich, daß der Behälter 15 eine einzige Flasche ist, die alle Verunreinigungen enthält, die zur Kalibrierung des Geräts benötigt werden (statt mehrfacher Gemische Verunreinigung I/Reines Gas), wobei die Ausgangsgrößenordnung des Gehalts der Mehrheit der Bestandteile des Gemischs besonders leicht zu ermitteln ist, während zugleich an der Zuleitung kalibrierte Verunreinigungen mit extrem geringen Anteilen erhalten (ppm, ppb oder gar kleiner) werden können.
Tabelle 1
Dank der Tatsache, daß die Ausgangszusammensetzung des Behälters 15 im voraus mit Präzision ermittelt wurde, und daß diese Verunreinigungen auf sehr genaue Weise verdünnt werden, wird ein reines Gas erhalten, das eine genau bekannte Konzentration an Verunreinigungsspuren enthält.
Mit Hilfe der Durchflußregler 234 in der Versorgungsleitung 232 jeder Verdünnungsstufe 20, 21, 22 kann der Konzentrationsbereich der Verunreinigungsspuren zudem um den Faktor 100 variiert werden.
Dank der Tatsache, daß der Behälter 15 ein Gemisch aus mehreren Gasen enthält, kann er in verschiedenen reinen Gasen Verunreinigungsspuren erzeugen. Zusammen mit der Reinigungseinheit 17 wird durch diese Vorrichtung die Erzeugung eines reinen Gases, das vorbestimmte Mengen an Verunreinigungsspuren enthält, erheblich vereinfacht.
III. Vorrichtung zur Auswahl eines von zwei Gasen:
Wie bereits beschrieben, umfasst die Vorrichtung 13 zur Auswahl eines von zwei Gasen zwei Versorgungsleitungen 11, 12, wovon die eine 11 mit der Analyseleitung 7 und die andere 12 mit der Ausgangsleitung 10 der Versorgungsvorrichtung 9 verbunden ist.
Jede Versorgungsleitung 11, 12 mündet in eine jeweilige Spülleitung 300 und 302. Die Versorgungsleitungen 11, 12 sind durch eine Verbindungsleitung 304 miteinander verbunden. Die Verbindungsleitung 304 ist über eine Gaszuführungsleitung 306 mit dem Analysator 3 verbunden. Auch der Ausgang des Analysators 3 mündet in eine zugehörige Spülleitung 308. Die Spülleitungen 300 und 308 umfassen jede einen Massendurchflußregler 310, 312. In der Spülleitung 302 ist ein Auslauf 314 angeordnet.
Um den Analysator 3 mit dem in der Leitung 11 enthaltenen Gas zu versorgen, wird die Summe der Durchsätze D₃₁₀ + D₃₁₂, die von den Durchflußreglern 310 und 312 eingestellt wird, auf einen Durchsatz geregelt, der kleiner ist als der Durchsatz D₁₁ der Leitung 11. Um dem Analysator 3 ein Eichgas zuzuführen, d. h. entweder ein reines Gas oder ein Gas, das eine vorbestimmte Menge an Verunreinigungen enthält, wird der Durchsatz D₃₁₀ des Durchflußreglers 310 so geregelt, daß er größer ist als der Durchsatz D₁₁, der aus der Leitung 11 kommt, und der Durchsatz D₃₁₂, der vom Durchflußregler 312 eingestellt wird, wird so geregelt, daß er etwas kleiner ist als der Gasdurchsatz D₁₂ der Leitung 12. Der Druck des in den Analysator 3 eingeleiteten Gases wird vom Auslauf 314 geregelt, der in der Spülleitung 302 angeordnet ist.
Vorteilhafterweise kann durch eine solche Anordnung nicht nur das zu analysierende Gas oder das Eichgas gewählt werden, das dem Analysator zugeführt wird, sondern auch die Einleitungsparameter der Gase wie z. B. der Durchsatz und der Druck können geregelt werden.
Dank der Tatsache, daß im Vergleich zur Vorrichtung, die in der vorgenannten französischen Patentanmeldung beschrieben wird, eine kleinere Zahl von Regelelementen verwendet wird, werden die Kosten der Anlage erheblich verringert. Zudem führt die Verringerung der Zahl der Regelelemente auch zu einer Erhöhung der Genauigkeit und der Zuverlässigkeit des Geräts 3.

Claims

Verfahren zum Liefern eines reinen Gases, das eine vorbestimmte Menge an mindestens zwei gasförmigen Verunreinigungen enthält, an eine Vorrichtung (3), wobei folgende Schritte durchgeführt werden: – eine Quelle an reinem Gas (5, 17) wird zur Verfügung gestellt – ein Behälter wird zur Verfügung gestellt, in dem ein Gemisch in bekannter Zusammensetzung aus Hilfsgasen gelagert ist, unter denen sich die mindestens zwei Verunreinigungen befinden, wobei die Volumenkonzentrationen der Mehrheit der Hilfsgase in diesem Gemisch dieselbe Größenordnung aufweisen, wobei das Gemisch mindestens ein inertes Gas umfasst, dessen Volumenkonzentration größer als die Volumenkonzentration jedes der anderen Gase des Gemisches ist; – eine Menge des Gemisches wird entnommen, um sie im reinen Gas zu verdünnen und durch diese Verdünnung das reine Gas zu gewinnen, das eine vorbestimmte Menge an mindestens zwei gasförmigen Verunreinigungen enthält, und – das so mit einer vorbestimmten Menge an mindestens zwei gasförmigen Verunreinigungen beaufschlagte reine Gas wird an die Vorrichtung (3) geliefert.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Volumenkonzentration des inerten Gases größer als die Summe der Volumenkonzentrationen der anderen Gase des Gemisches ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Größenordnung Prozent ist.
Vorrichtung zur Umsetzung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, umfassend: – eine Quelle an reinem Gas (5, 17), – eine Quelle (15) der gasförmigen Verunreinigungen, die aus einem Behälter besteht, der ein Gemisch in bekannter Zusammensetzung aus Hilfsgasen enthält, unter denen sich die mindestens zwei Verunreinigungen befinden, wobei die Volumenkonzentrationen der Mehrheit der Hilfsgase in diesem Gemisch dieselbe Größenordnung aufweisen, wobei das Gemisch mindestens ein inertes Gas umfasst, dessen Volumenkonzentration größer als die Volumenkonzentration jedes der anderen Gase des Gemisches ist – Mittel (16) zum vorbestimmten Verdünnen der Verunreinigung im reinen Gas, die mit der Vorrichtung (3) über eine Gaslieferleitung (10) verbunden und dazu geeignet sind, eine Menge des Gemisches im reinen Gas zu verdünnen, um durch diese Verdünnung das reine Gas zu gewinnen, das eine vorbestimmte Menge an mindestens zwei gasförmigen Verunreinigungen enthält, und dazu, das reine Gas, das die mindestens zwei Verunreinigungen enthält, an die Vorrichtung (3) zu liefern.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdünnungsmittel (16) Mittel (19) zum Teilen des Durchsatzes der Quelle (5, 17) an reinem Gas und mehrere Verdünnungsstufen (20, 21, 22), die in Serie angeordnet sind, umfassen, wobei jede Stufe (20, 21, 22) eine erste Eingangsleitung (230), die mit einer Ausgangsleitung (85, 209, 210) verbunden ist, die den Mitteln (19) zum Teilen des Durchsatzes zugeordnet ist, und eine zweite Eingangsleitung (232) umfasst, die mit einer entsprechenden Ausgangsleitung (237) der Verdünnungsstufe (20, 21) verbunden ist, die unmittelbar oberhalb angeordnet ist, und dadurch, dass die zweite Eingangsleitung (232) der ersten Verdünnungsstufe (20) über eine Entnahmeleitung (204) des Gemisches mit dem Behälter (15) verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Eingangsleitung (232) mindestens einer Verdünnungsstufe (20, 21, 22) ein zusätzliches Element (234) zur Regelung des Durchsatzes umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, wobei jede Verdünnungsstufe (20, 21, 22) Mittel zum Mischen (236) der Gase umfasst, welche die Eingänge der Stufe (20, 21, 22) versorgen, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Verdünnungsstufe (20, 21) eine dazugehörige Spülleitung (238) umfasst, die über ein Ende mit den Mitteln zum Mischen (236) verbunden ist und in der ein Auslauf (240) angeordnet ist, um den Druck in der dazugehörigen Verdünnungsstufe (20, 21) zu regeln.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verdünnungsstufe (21) eine dritte Eingangsleitung umfasst, die mit Mitteln (250) zum Beaufschlagen des reinen Gases mit einer vorbestimmten Menge an H₂O verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (19) zum Teilen des Durchsatzes der Quelle eine Hauptleitung (162) zum Liefern des reinen Gases umfassen, die mit mehreren sekundären Ausgangsleitungen (85, 209, 210) verbunden ist, die parallel angeordnet sind und von denen jede eine kalibrierte Drossel (27, 211, 212) aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Quelle an reinem Gas eine Quelle (5) an zu analysierendem Gas und eine Reinigungseinheit (17) des von der Quelle (5) durchgesetzten Gases umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Reinigungseinheit (17) mindestens zwei Reinigungsvorrichtungen (164, 166, 168) umfasst, wobei der Eingang jeder Reinigungsvorrichtung mit einem Abzweigventil (170, 172, 174) verbunden ist, das in einer Eingangsleitung (160) der Reinigungseinheit (17) angeordnet ist, und wobei der Ausgang jeder Reinigungsvorrichtung (164, 166, 168) mit einem Ventil (176, 178, 180) zum Zirkulieren des gereinigten Gases verbunden ist, das in einer Versorgungsleitung (162) der Verdünnungsmittel (16) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangsleitung (160) der Reinigungseinheit (17) und die Versorgungsleitung (162) der Verdünnungsmittel (16) jeweils mit einem Ende in eine entsprechende Spülleitung (182, 186) münden, wobei ein Element (184, 188) zum Erzeugen eines Beaufschlagungsverlustes in jeder entsprechenden Spülleitung (182, 186) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Abzweigventil (170, 172, 174) sowie jedes Zirkulationsventil (176, 178, 180) eine erste Leitung (33), die ständig über ein erstes Ende mit einer dazugehörigen Reinigungsvorrichtung (164, 166, 168) verbunden ist, eine zweite Leitung (35), wobei die zweite Leitung (35) der Abzweigventile in der Eingangsleitung (160) der Reinigungseinheit (17) und jene der Zirkulationsventile in der Versorgungsleitung (162) der Verdünnungsmittel (16) angeordnet ist, und ein Stellglied (37) umfasst, das zwischen einer Stellung zum Verbinden der ersten Leitung (33) mit der zweiten Leitung (35) und einer Stellung zum Isolieren der ersten Leitung (33) von der zweiten Leitung (35) schaltbar ist, wobei die zweite Leitung (35) frei von Abflussstagnationsvolumina ist.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Leitung (35) jedes Ventils (170, 172, 174, 176, 178, 180) eine Kammer (59) aufweist, in die das zweite Ende der ersten Leitung (33) mündet, und dadurch, dass jedes Ventil ein Verschlusselement (52), auf welches das Stellglied (37) des Ventils wirkt, aufweist, das in der Isolierungsposition das Ende der ersten Leitung (33), das in die Kammer (59) mündet, verschließt und in der Verbindungsstellung in Bezug auf dieses Ende der ersten Leitung (33) zurückgezogen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Ende der ersten Leitung (33), das in die Kammer (59) mündet, mit einer Dichtung (75) versehen ist, die in der Kammer hervorsteht, und dadurch, dass das Verschlusselement (52) eine elastisch verformbare Membran (63) umfasst, die einen Teil der Wand der Kammer (59) bildet, die der Dichtung (75) gegenüber liegt, wobei die Membran in der Isolierungsstellung durch einen Tastschalter (71) des Stellglieds (37) dicht an der Dichtung (75) gegen die Elastizitätskraft der Membran angebracht wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Ventil (170, 172, 174, 176, 178, 180) Steuermittel zum Schalten des Stellglieds (37) zwischen der Verbindungsstellung und der Isolierungsstellung aufweist, dadurch, dass die Steuermittel jedes Ventils an eine Steuereinheit zum Isolieren oder Verbinden jedes Ventils angeschlossen sind, und dadurch, dass die Steuereinheit logische Mittel aufweist, die in der Verbindungsstellung das gleichzeitige Schalten von Stellgliedern, die unterschiedlichen Reinigungsvorrichtungen zugeordnet sind, verhindern.
Verwendung eines Behälters, der ein Gemisch in bekannter Zusammensetzung aus mindestens drei unterschiedlichen Gasen enthält, unter denen sich zwei Verunreinigungen und ein inertes Gas befinden, wobei die Volumenkonzentrationen der Mehrheit der Gase des Gemisches dieselbe Größenordnung aufweisen und die Volumenkonzentration des inerten Gases größer als die Volumenkonzentration jedes der anderen Gase des Gemisches ist, um ein reines Gas in einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 mit mindestens zwei Verunreinigungen zu beaufschlagen und/oder um die Quelle (15) an Verunreinigungen einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 16 darzustellen.
Verwendung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Volumenkonzentration des inerten Gases größer als die Summe der Proportionen der anderen Gase ist.