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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung
zum Speisen eines Geräts,
insbesondere eines Analysators für
Spuren von Verunreinigungen, wie beispielsweise ein Massenspektrometer
mit Atmosphärendruckionisation,
mit einem von mehreren Gasen.
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Im Bereich der Analyse von hochreinen
Gasen kommt es mehr und mehr vor, dass man mit ein und demselben
Analysator nacheinander und mit kurzen Umschaltzeiten Gase analysieren
muss, die aus unterschiedlichen Entnahmeleitungen stammen.
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In diesem Fall können die in den Entnahmeleitungen
enthaltenen Gase von unterschiedlicher Art oder auch der gleichen
Art sein, aber an verschiedenen Orten einer Anlage entnommen werden,
beispielsweise einer Anlage zur Herstellung von Halbleiterbauteilen.
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Es sind bereits Gasspeisevorrichtungen
bekannt, bei denen jede Entnahmeleitung mit einer gemeinsamen Gasspeiseleitung
verbunden ist, die ihrerseits mit dem Analysator verbunden ist.
Ein Absperrventil ist in jeder der Entnahmeleitungen angeordnet.
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Um ein aus einer speziellen Entnahmeleitung
kommendes, zu analysierendes Gas auszuwählen, werden die Absperrventile
der anderen Leitungen geschlossen und nur das Ventil der ausgewählten Entnahmeleitung
in den Durchgangszustand geschaltet.
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Dieses bekannte System weist den
Nachteil auf, dass die Strömung
in den blockierten Entnahmeleitungen stockt, wodurch unerwünschte Wechselwirkungen
mit den Wänden
der Leitungsführung
hervorgerufen werden, zum Beispiel Desorptions- oder Adsorptionsphänomene.
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Dieses bekannte System weist zudem stromabwärts von
den Absperrventilen Strömungsstockungsvolumina
auf, in denen sich Gas ansammelt. Jedesmal, wenn von einer Entnahmeleitung
zu einer anderen umgeschaltet wird und folglich das zu analysierende
Gas gewechselt wird, verunreinigen die in den Strömungsstockungsvolumina
angesammelten Gase das neue zu analysierende Gas und ihre Beseitigung
erfordert viel Zeit. Man versteht daher, dass es unmöglich ist,
mit einer derartigen Gasspeisevorrichtung kurze Umschaltzeiten zu
realisieren.
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Die Erfindung zielt darauf, diese
verschiedenen Nachteile zu überwinden,
indem eine Gasspeisevorrichtung vorgeschlagen wird, die kein Strömungsstockungsvolumen
in der gemeinsamen Gasspeiseleitung aufweist, die eine kontinuierliche
Entlüftung
jeder der Entnahmeleitungen und die rasche Umschaltung von einem
zu analysierenden Gas auf das andere gestattet, während gleichzeitig
dafür gesorgt
wird, dass die zu dem Analysator geführten Gase schnell repräsentatv
sind.
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Gegenstand der Erfindung ist hierzu
eine Vorrichtung zum Speisen eines Geräts mit einem von mehreren Gasen,
die zumindest zwei Ventile umfasst, die jeweils einerseits mit einer
jeweiligen Gasentnahmeleitung und andererseits mit einer gemeinsamen
Leitung zur Speisung des Geräts
mit Gas verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Ventil
eine erste Leitung, die dauerhaft an einem Ende mit der entsprechenden
Entnahmeleitung und an ihrem anderen Ende mit einer jeweiligen Entlüftungsleitung
verbunden ist, eine zweite Leitung und ein Betätigungselement, das zwischen
einer Position zur Verbindung der ersten Leitung mit der zweiten Leitung
und einer Position zur Isolierung der ersten Leitung relativ zur
zweiten Leitung umschaltbar ist, umfasst, wobei zumindest die zweite
Leitung frei von Strömungsstockungsvolumina
ist, dass die zweiten Leitungen der Ventile in Reihe in der gemeinsamen Gasspeiseleitung
angeordnet sind, wobei das Ende dieser gemeisamen Leitung, das dem
Gerät gegenüberliegt,
in eine zusätzliche
Entlüftungsleitung
mündet,
und dass jede Entlüftungsleitung
durch ein Organ zur Erzeugung eines Druckabfalls führt.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann eines oder
mehrere der folgenden Merkmale umfassen:
- – die zweite
Leitung jedes Ventils umfasst eine
- Kammer, in die zumindest eine Leitung zum Anschluss der ersten
Leitung an die Kammer mündet,
und jedes Ventil umfasst ein Verschlussorgan, auf das das Betätigungselement
des Ventils einwirkt und das in der Isolierposition das in die Kammer
mündende
Ende der Anschlussleitung verschließt und das in der Verbindungsposition
relativ zu diesem Leitungsende zurückgezogen ist;
- – das
in die Kammer mündende
Ende der Anschlussleitung ist mit einer in die Kammer vorspringenden
Dichtung versehen und das Verschlussorgan umfasst eine elastisch
verformbare Membran, die ein Wandteil der Kammer bildet, das der
Dichtung gegenüberliegt,
wobei in der Isolierposition die Membran durch einen Andrücker des
Betätigungselements
gegen die Elastizitätskraft
der Membran dicht an der Dichtung zur Anlage gebracht wird;
- – die
Entlüftungsleitung
umfasst ein jeweiliges Organ zur Erzeugung eines Druckabfalls;
- – alle
Entlüftungsleitungen
sind stromabwärts
von den Organen zur Erzeugung eines Druckabfalls an eine gemeinsame
Ablassleitung angeschlossen;
- – die
mit jedem Ventil verknüpften
Entlüftungsleitungen
werden in einer gemeinsamen Entlüftungsleitung
zusammengeführt
und das Organ zur Erzeugung eines Druckabfalls, durch das jede Entlüftungsleitung
verläuft,
wird von einem gemeinsamen Organ zur Erzeugung eines Druckabfalls
gebildet, das in der gemeinsamen Entlüftungsleitung liegt;
- – die
Entnahmeleitungen und die zusätzliche
Entlüftungsleitung
umfassen jeweils ein Organ zur Erzeugung eines Druckabfalls, die
mit jedem Ventil verknüpften
Entlüftungsleitungen
werden zu einer gemeinsamen Entlüftungsleitung
zusammengeführt,
und die gemeinsame Entlüftungsleitung umfasst
eine Ablassvorrichtung zum Regeln eines konstanten Drucks in der
gemeinsamen Gasspeiseleitung;
- – zumindest
eines der Organe zur Erzeugung eines Druckabfalls ist ein Durchflussregelorgan;
- – zumindest
eines der Durchflussregelorgane wird von einer kalibrierten Öffnung gebildet;
- – jedes
Ventil umfasst Mittel zur Steuerung der
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Umschaltung des Betätigungselements
zwischen der Verbindungsposition und der Isolierposition und die
Steuermittel jedes Ventils sind mit einer Einheit zur Steuerung
der Isolierung oder der Verbindung für jedes Ventil verbunden und
die Steuereinheit umfasst Logikmittel, die die gleichzeitige Umschaltung
mehrerer Betätigungselement
in die Verbindungsposition unterbindet.
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Weitere Merkmale und Vorteile der
Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung, die im Sinne
eines Beispiels, das keinerlei Einschränkung bedeutet, und unter Bezug
auf die folgenden beigefügten
Zeichnungen erfolgt:
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1 ist
eine Skizze der erfindungsgemäßen Vorrichtung
zum Speisen eines Geräts
mit einem von mehreren Gasen;
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2 ist
eine Schnittansicht entlang der Linie II-II der 3 von einem Ventil der erfindungsgemäßen Vorrichtung
der 1 in der Isolierstellung;
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3 ist
eine Schnittansicht entlang der Linie III-III der 2 des gleichen Ventils in der Verbindungsstellung;
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4A ist
eine Schnittansicht entlang der Linie IV-IV der 2 des Ventils in der Isolierstellung;
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4B ist
eine Schnittansicht entlang der Linie IV-IV der 2 des Ventils in der Verbindungsstellung;
und
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5 ist
eine Skizze einer Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Speisen
eines Geräts
mit einem von mehreren Gasen.
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Aufbau der Gasspeisevorrichtung:
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Wie in 1 zu
sehen ist, umfasst die Gasspeisevorrichtung 1 vier Ventile 3,
die schematisch und durch gestrichelte Linien umgeben dargestellt sind.
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Jedes Ventil umfasst eine erste Leitung 5,
die dauerhaft an einem Ende mit einer zugehörigen Entnahmeleitung 7 und
an ihrem anderen Ende mit einer zugehörigen Entlüftungsleitung 9 verbunden
ist.
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Sie umfasst außerdem eine zweite Leitung 11,
die in der gemeinsamen Leitung 13 zur Speisung eines Geräts 100 mit
Gas angeordnet ist, wie zum Beispiel einem Analysator für Verunreinigungsspuren in
einem Gas von der Art eines Massenspektrometers mit Atmosphärendruckionisation.
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Die erste Leitung 5 und
die zweite Leitung 11 jedes Ventils 3 können mittels
eine Betätigungselements 15,
wie es ausführlich
nachstehend erläutert wird,
zwischen einer Position des Verbindens der ersten Leitung 5 mit
der zweiten Leitung 11 und einer Position des Isolierens
der ersten Leitung 5 relativ zur zweiten Leitung 11 umschaltbar
ist.
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Jede mit einem Ventil 3 verknüpfte Entlüftungsleitung 9 umfasst
ihr eigenes Organ zur Erzeugung eines Druckabfalls 17.
Dieses wird vorteilhafterweise von einem Durchflussregelorgan, zum
Beispiel einer kalibrierten Öffnung,
zum Regeln des Strömungsdurchsatzes
in jeder Entnahmeleitung 7 durch die erste Leitung 5 des
Ventils 3 zu der Entlüftungsleitung 9 gebildet.
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Die gemeinsame Gasspeiseleitung 13 besitzt
ein Ende 19, das mit dem Gerät 100 verbunden werden
soll. Das Ende 21 der gemeinsamen Leitung 13 gegenüber dem
Ende 19 und dem Gerät 100 mündet in
eine zusätzliche
Entlüftungsleitung 23.
Diese zusätzliche
Entlüftungsleitung 23 umfasst
ein Organ zur Erzeugung eines Druckabfalls 25. Dieses Organ wird
vorteilhafterweise von einem Durchflussregelorgan in der zusätzlichen
Entlüftungsleitung 23 gebildet,
zum Beispiel einer kalibrierten Öffnung.
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Die mit den Ventilen 3 verknüpfe Entlüftungsleitung 9 sowie
die zusätzliche
Entlüftungsleitung 23 sind
alle stromabwärts
von den Organen zur Erzeugung eines Druckabfalls 17 und 25 mit
einer gemeinsamen Entlüftungsleitung 27 verbunden.
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Aufbau der Ventile der
Vorrichtung
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Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der
in der Gasspeisevorrichtung 1 installierten Ventile 3 ausführlich beschrieben.
Derartige elektropolierte Ventile der Art DAD sind zum Beispiel
von der Firma NUPRO kommerziell erhältlich und werden von der Firma
SWAGELOK hergestellt.
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Wie in den 2 und 3 dargestellt
ist, umfasst das Ventil 3 einen Körper 31, in dem die
erste Leitung 5 und die zweite Leitung 11, ein
Verschlussorgan 32 und Betätigungselement 15 ausgebildet sind,
das teilweise dargestellt ist und mittels einer Mutter 33 am
Körper 31 verschraubt
ist.
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Die zweite Leitung 11 (2) wird von zwei Leitungsabschnitten 35 und 37 und
einer ringförmigen,
rotationssymmetrischen Kammer 39 gebildet. In einem seitlichen
Teil des Bodens dieser Kammer 39 mündet das eine 35A, 37A der
zwei Enden jedes Leitungsabschnitts 35, 37.
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Das andere Ende 35B, 37B jedes
Leitungsabschnitts 35, 37 mündet in einen entsprechenden seitlichen
Anschluss 36 des Körpers 31.
Diese Enden 35B und 37B liegen einander, diametral
gegenüber. Die
zwei Anschlüsse 36 sollen
mit der gemeinsamen Gasspeiseleitung 13 verbunden werden.
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Die Kammer 39 wird durch
eine im Wesentlichen zylindrische Ausnehmung 41, die in
der oberen Fläche
des Körpers 31 ausgebildet
ist, und das Verschlussorgan 32 gebildet. Dieses Verschlussorgan selbst
besteht aus einer Eiheit von zwei Organen 43, die die Ausnehmung 41 bedeckt
und bildet die obere Wand der Kammer 39.
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Die Membranen 43 sind aus
einem elastisch verformbaren Material, zum Beispiel Metall, hergestellt.
Jede Membran 43 ist eine Scheibe, deren Mittelteil in eine
zum Körper 31 entgegengesetzte
Richtung gewölbt
ist. Der Rand der Membranen 43 ist auf dichte Weise zwischen
dem ringförmigen
Rand der Ausnehmung 41 und einem ringförmigen Rand eines Halteteils 47 eingeklemmt,
das Teil des Betätigungselements 15 ist.
Das Teil 47 ist in Form einer Küvette hergestellt, um eine
Hubbewegung des gewölbten Teils
der Membranen 43 zu gestatten.
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Das Halteteil 37 umfasst
in seinem Mittelteil gegenüber
der Membran 43 eine Führungsbohrung 49,
in der ein Andrücker 51 gleiten
kann, der von einem Schaft 52 des Betätigungselements 15 bewegt wird.
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Die erste Leitung 5 des
Ventils 3 ist ein einfacher, gerader Durchbruch, der sich
senkrecht zu der Achse erstreckt, die durch die Enden 35B, 37B der Leitungsabschnitte 35, 37 definiert
wird.
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Jedes Ende 5a, 5B der
ersten Leitung 5 mündet
ebenso in einem jeweiligen seitlichen Anschluss 44 des
Körper 31.
Eines der zwei Enden der ersten Leitung 5 soll mit eine
zugehörigen
Entlüftungsleitung
verbunden werden.
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Die erste Leitung 5 kann
mit der Kammer 39 durch einen Anschlussschacht 53 verbunden
sein, der in der Mitte der Ausnehmung 41 mündet.
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Das Ende des Schachts 53,
das in die Ausnehmung 41 mündet, umfasst eine zylindrische
Dichtung 55, die unter Kraftaufwendung in den Körper 31 des
Ventils eingepasst, wird und in die Kammer 39 vorspringt.
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Die 2 und 4A zeigen das Ventil 3 in
der Position des Isolierens der ersten Leitung 5 relativ
zur zweiten Leitung 11. In einem solchen Fall wird der Mittelteil
der Membranen 43 durch den Andrücker 51 dicht auf
die Dichtung 55 gedrückt,
so dass der Schacht 53 relativ zu der Kammer 39 isoliert
ist.
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Ein in die zweite Leitung 11 des
Ventils eingeführtes
Gas fließt
indessen frei, zum Beispiel aus dem Leitungsabschnitt 35 in
die Kammer 39 und dann in den Leitungsabschnitt 37,
wie durch die Pfeile 59 in
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4A dargestellt
ist. Es versteht sich, dass die zweite Leitung 11 des so
ausgeformten Ventils kein Strömungsstockungsvolumen
aufweist.
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Im Falle der Isolierung der zweiten
Leitung 11 relativ zur ersten Leitung 5 weist
die erste Leitung 5 nur ein sehr geringes Stagnationsvolumen
auf, das dem Volumen des Schachts 53 entspricht.
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Die 3 und
die 4B entsprechen einer Position
des Verbindens der ersten Leitung 5 mit der zweiten Leitung 11.
In einem solchen Fall ist der Andrücker 51 eingefahren.
Durch die Elastizitätskraft der
Membranen 43 nehmen diese ihre anfängliche, gewölbte Form
an. Es bildet sich folglich zwischen der Membran 43 und
der Dichtung 55 ein freier Raum, so dass die in der ersten
Leitung 5 strömenden
Gase über
den Schacht 53 in die Kammer 39 abfließen und
dann in die zwei Abschnitte 35 und 37 der zweiten
Leitung 11 wie durch die Pfeile 61 in 4B dargestellt ist.
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Funktionsweise der Gasspeisevorrichtung
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Nachfolgend wird die Funktionsweise
der Gasspeisevorrichtung 1 bezüglich 1 beschrieben. Beim Betrieb der Vorrichtung
befindet sich ein einziges Ventil 3 im Zustand der Verbindung
seiner ersten Leitung 5 mit der zweiten Leitung 11.
Alle anderen Ventile 3 befinden sich im Zustand des Isolierens
der ersten Leitung 5 relativ zur zweiten Leitung 11.
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Mittels der Form der Ausführung der
ersten Leitung 5 jedes Ventils wird die Strömung der
Gase in den Entlüftungsleitungen 7 durch
die erste Leitung in Richtung der Entlüftungsleitung 9 dauerhaft
auf einem bestimmten Durchfluss gehalten, der durch die kalibrierte Öffnung 17 festgelegt
wird, die in der Entlüftungsleitung 9 angeordnet
ist.
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Nur die Strömung des Gases, das von der Entnahmeleitung 7 des
Ventils im Zustand des Verbindens kommt, fließt durch den Schacht in die
Kammer des Ventils und dann in die gemeinsame Gasspeiseleitung 13, wobei
dies in den zwei Richtungen erfolgt, wie dies zuvor bezüglich 4B beschrieben wurde.
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Dadurch, dass das Ende 19 der
gemeinsamen Leitung 13 an das Gerät 100 angeschlossen
ist und dass das andere Ende in der zusätzlichen Entlüftungsleitung 23 mündet, wird
diese gemeinsame Gasspeiseleitung 13 ebenso in den zwei
Richtungen kontinuierlich durchspült. Sie weist somit kein Strömungsstockungsvolumen
auf.
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Um nun ein Gas zu wählen, das
von einer anderen Entnahmeleitung 7 kommt, wird mittels
des entsprechenden Betätigungselements 15 die
erste Leitung 5 von der zweiten Leitung 11 des
bis dahin im Zustand des Verbindens befindlichen Ventils isoliert und
ein anderes Ventil 3 in den Zustand des Verbindens gebracht.
Das neue zu analysierende Gas wird in den zwei Richtungen in der
Speiseleitung 13 die Gase ausspülen, die zuvor vorhanden waren.
Da die zwei Leitungen 11 jedes Ventils 3 kein
Stagnationsvolumen aufweisen, werden die Gase, die zuvor analysiert
wurden, effizient und schnell evakuiert. Auf diese Weise wird eine
kurze Umschaltzeit realisiert und das neue zu analysierende Gas
ist schnell repräsentativ.
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Eine Variante der Gasspeisevorrichtung 1 ist in 5 dargestellt. Diese Vorrichtung 1 unterscheidet
sich von der in 1 dargestellten
dadurch, dass die Durchflussregelung in den Entnahmeleitungen 7 stromaufwärts von
den Ventilen 3 und nicht stromabwärts wie in Bezug auf 1 beschrieben erfolgt.
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Hierzu sind in den Entnahmeleitungen 7 Organe
zur Erzeugung eines Druckabfalls 63, vorzugsweise Durchflussregelorgane,
zum Beispiel kalibrierte Öffnungen,
angeordnet. Die mit jedem Ventil 3 verknüpften Entlüftungsleitungen 9 sind
mit einer gemeinsamen Entlüftungsleitung 65 verbunden.
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Diese gemeinsame Entlüftungsleitung 65 umfasst
stromabwärts
von den Anschlüssen
der Entlüftungsleitungen 9 eine
Ablassvorrichtung 67, die den Druck stromaufwärts von
den Entlüftungsleitungen 9 und folglich
in der gemeinsamen Gasspeiseleitung 13 regelt. Durch eine
solche Anordnung wird dem Gerät
eine Strömung
mit konstantem Druck zugeführt.
Dies setzt natürlich
voraus, dass die Quellen der verschiedenen Gase stromaufwärts von
den Organen 63 einen ausreichenden Druck aufweisen.
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Wie für den Fachmann klar ist, ist
eine solche Anordnung, bei der dem Gerät eine Strömung mit konstantem Druck zugeführt wird,
besonders vorteilhaft, wenn das betreffende Gerät ein Analysator von der Art
eines "Teilchenzählers" ist.
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In einem derartigen Fall ist es nämlich wichtig,
jede plötzliche
Druckänderung
und/oder starke Durchflussänderung
zu vermeiden, die durch Ablösung
von den Oberflächen
Teilchen erzeugen.
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Jede Ventilbetätigung ist so anschaulich eine Quelle
für Teilchen.
Membranventile, wie die im Rahmen der 5 beschriebenen,
gestatten es, dieses Phänomen
weitgehend zu minimieren.
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Man sieht somit, dass die Anordnung
der 5 es auf sehr vorteilhafte
Weise gestattet, einen konstanten Druck und einen konstanten Durchfluss sowohl
in den Entnahmeleitungen als auch der Gasspeiseleitung für den Analysator
aufrechtzuhalten.
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Man beachte zudem, dass die Anordnung der 1 natürlich bei der Zählung von
Teilchen eingesetzt werden kann, allerdings auf wahrscheinlich weniger
vorteilhafte Weise, es sei denn, es wird ein Hochdruckzähler eingesetzt.
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Wenn 1 eine
Ausführungsform
der Erfindung darstellt, in der jede Entlüftungsleitung 9 über ein
Organ zur Erzeugung eines Druckabfalls 17 verläuft, das
ein jeweils jeder Leitung eigenes Organ ist, zeigt sich daher, dass
diese 5 ihrerseits eine
andere Ausführungsform
der Erfindung veranschaulicht, bei der jede Entlüftungsleitung 9 über ein
Organ zur Erzeugung eines Druckabfalls (67) verläuft, das man
als gemeinsam ansehen kann, da es in der gemeinsamen Entlüftungsleitung 65/27 liegt.
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Zum Umschalten zwischen den verschiedenen
Entnahmeleitungen werden vorteilhafterweise Membranventile verwendet,
die Betätigungsmittel
für das
Umschalten des Betätigungselements
zwischen der Position des Verbindens und des Isolierens umfassen,
wie zum Beispiel pneumatische oder elektromagnetisch betätigte Ventile.
Die Betätigungsmittel für die Verschiebung
des Betätigungselements
jedes Ventils sind mit einer Steuereinheit verbunden, wie beispielsweise
einem Mikrorechner oder einem Logikautomaten. Diese Steuereinheit
umfasst logische Umschaltmittel. Diese logischen Mittel werden zum Beispiel
durch ein in dem Mikrorechner abgelegtes Datenverarbeitungsprogramm
realisiert, das ausschließt,
dass zwei Membranventile gleichzeitig im Zustand des Verbindens
zu sein.
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Im Falle pneumatischer Ventile ist
es vorteilhaft vorzusehen, dass zumindest eines der Betätigungselemente
in einem Modus "normalerweise
geöffnet" arbeitet, denn im
Fall einer Stromunterbrechung tritt das Gas, das in der an dieses
Ventil angeschlossenen Entnahmeleitung enthalten ist, in die gemeinsame
Gasspeiseleitung und versorgt den Analysator. Auf diese Weise wird
jeglicher Druck- oder Durchflussübergangsbereich
vermieden, der Desorptionsoder Adsorptionsphänomene mit sich bringt, die
eine lange Entlüftungsleitung
erforden, um das Gleichgewicht in der gemeinsamen Gasspeiseleitung
wiederherzustellen.