DE69920403T2

DE69920403T2 - Vorrichtung zur qualifikation von produkten mit leichtflüchtigen bestandteilen

Info

Publication number: DE69920403T2
Application number: DE69920403T
Authority: DE
Inventors: Thierry Zesiger
Original assignee: Smart Nose Sa Marin-Epagnier; Smart Nose S A; SMART NOSE SA
Current assignee: Smart Nose Sa Martin-Epagnier Ch
Priority date: 1998-01-29
Filing date: 1999-01-19
Publication date: 2005-09-29
Anticipated expiration: 2019-01-20
Also published as: ATE277342T1; EP1051603A1; EP1051603B1; US6743397B1; ES2229668T3; WO1999039175A1; DE69920403D1

Description

Die gegenwärtige Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Charakterisierung von Produkten, welche flüchtige Substanzen enthalten, die zusammen einen Analyten bilden, umfassend ein Messgerät mit einer geschlossenen Messkammer und einer elektronischen Analyseschaltung zur Bestimmung der Charakteristika des Analyten, ein Pumpsystem zur Herstellung eines Vakuums im Innern der Messkammer, eine Probenahmekammer, in welche der Analyt eingeführt wird, und eine Kapillare, um die Probenahmekammer mit der Messkammer zu verbinden.
Eine solche Vorrichtung wird insbesondere für die Identifizierung von geruchsabgebenden Partikeln eingesetzt. Deshalb wird sie manchmal als «künstliche Nase» bezeichnet. Die Vorrichtung findet zum Beispiel Anwendungen auf dem Agro-Lebensmittelgebiet oder in der Parfümerie und gestattet, sich durch die Analyse der geruchsbehafteten Moleküle zu vergewissern, dass sich die Qualität der hergestellten Produkte in den Grenzen des geforderten Standards bewegt. Die Vorrichtung dient vor allem dazu, Veränderungen der Charakteristika gewisser Grundbestandteile oder eine Veränderung der einen oder anderen Stufe im Herstellungsverfahren festzustellen.
Zu diesem Zweck entnimmt man in einer vorgeschriebenen Weise eine festgelegte Menge des zu prüfenden Produktes, schliesst sie in einen Behälter mit vorgegebenen und für eine Messreihe konstanten Abmessungen ein. Der Behälter wird so gewählt, dass ein nicht gefüllter Freiraum verbleibt, der nach der Einstellung des Gleichgewichts den Analyten in Form von repräsentativen flüchtigen Substanzen des Produktes enthält.
In den gegenwärtig für solche Verfahren benutzten Vorrichtungen charakterisiert man den Analyten mit Hilfe eines Gaschromatographen. Dies geschieht, indem man den Analyten in eine Probenahmekammer einführt, die mit einem Detektionssystem mittels einer Trennsäule verbunden ist. Diese ist mit einem speziellen Material ausgestattet. Die Wahl der Trennsäule und die Betriebsbedingungen gestatten Migrationsgeschwindigkeiten zu erzeugen, welche für jede den Analyten bildende Substanz verschieden ist. Ein Trägergas unter leichtem Überdruck sorgt für das Mitreissen der Substanzen.
Die Zeit bis zum Erreichen des Detektors variiert daher in Funktion der Eigenschaften der Moleküle, die den Analyten bilden. Es ist somit möglich, die Qualität eines Produktes auf Grund der Abfolge und der Dichte der beim Detektor ankommenden Substanzen zu erkennen. Die so erhaltene Information gestattet jedoch nicht, diese Substanzen zu identifizieren. Man begnügt sich im Allgemeinen damit, die zeitliche Entwicklung eines vom Analyten nach einem Messzyklus hinterlassenen « Fingerabdruck » zu beobachten.
Um die Substanzen zu identifizieren, wird ein Massenspektrometer oder ein Infrarot-Spektrometer am Ausgang der Trennsäule positioniert. So ist es möglich, zusätzliche Informationen betreffend die chemische Zusammensetzung des Analyten zu erhalten.
Das verwendete Massenspektrometer wird im Allgemeinen so gewählt, dass der ganze Spektralbereich der aus der Dissoziation der Moleküle des Analyten entstehenden Ionen analysiert werden kann. Diese können eine molekulare Masse von 400 oder mehr haben. Solche Spektrometer sind kostspielig, aufwendig und empfindlich gegen Sauerstoff in dem Teil, der die Messung sicherstellt. Dies bewirkt, dass sie sich schlecht für Analyten eignen, die gewöhnlich reich an Luft sind.
Das japanische Patent 8'201'249 beschreibt eine Vorrichtung, die ohne Chromatographen arbeitet. Die beschriebene Vorrichtung besteht aus einer Probenahmekammer in welche eine Probe eingeführt wird. Diese Probenahmekammer ist mittels einer Kapillare mit einem Massenspektrometer verbunden, das eine Messkammer aufweist. Die Probenahmekammer, die Kapillare und die Messkammer werden erhitzt, einerseits um die Geruchsstoffe freizusetzen, und andererseits um deren Adsorption an den Wänden zu verhindern.
Der Einsatz dieser oben beschriebenen Vorrichtungen bedingt jedoch zahlreiche Vorsichtsmassnahmen, insbesondere um sich zu vergewissern, dass das vorher gemessene Produkt nicht, zum Beispiel durch Adsorption an den Wänden, im Innern der Probenahmekammer, der Messkammer oder der Trennsäule zurückgeblieben ist, denn dies kann die nachfolgende Messung verfälschen. Es ist somit unerlässlich, aufwendige und kostspielige Arbeitsgänge durchzuführen, um die Reinheit dieser Vorrichtung sicherzustellen.
Die vorliegende Erfindung hat als Hauptzweck, diesem Nachteil zu begegnen und insbesondere die Herstellung einer wie oben definierten Vorrichtung zu gestatten, die leicht zu bedienen und automatisierbar ist.
Zu diesem Zweck hat die Erfindung zum Ziel, eine Vorrichtung zur Charakterisierung von Produkten, die flüchtige Stoffe enthalten, die zusammen einen Analyten bilden, wobei die genannte Vorrichtung mit einem Messapparat versehen ist, der eine Messkammer und eine elektronische Schaltung besitzt, um die Charakteristika des Analyten zu definieren. Im Weiteren besitzt die Vorrichtung ein Pumpsystem, um ein Vakuum im Innern der erwähnten Messkammer zu erzeugen, eine Probenahmekammer, in welche die Probe eingeführt wird, und eine Kapillare, um die Probenahmekammer mit der Meskammer zu verbinden. Die Probenahmekammer der Vorrichtung umfasst:

– einen ersten Einlass, um den erwähnten Analyten einzuführen, versehen mit einem Verschluss,
– einen zweiten Einlass, der an eine Spülgasquelle angeschlossen und mit einem Absperrhahn versehen ist, und
– einen Auslass für die Evakuierung des Gases in der genannten Probenahmekammer, ebenfalls mit einem Absperrhahn versehen.

Die Vorrichtung umfasst ausserdem ein Transfersystem für die Einführung des Analyten in die Probenahmekammer und ein programmierbares Steuergerät zur Steuerung der Analyseschaltung, des Transfersystems und der Absperrhähne. Das programmierbare Steuergerät ermöglicht es, die Probenahmekammer, die Kapillare und die Messkammer in sequentieller Weise zu spülen, dann den Analyten in die Probenahmekammer einzuführen und schliesslich dessen Analyse zu gewährleisten.
Gemäss eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung ist das programmierbare Steuergerät dadurch gekennzeichnet, dass es so eingerichtet ist, dass

– in einer ersten Zeitphase die Absperrhähne des zweiten Einlasses und des Auslasses geöffnet sind, um das Spülgas durchzulassen solange sich noch eine signifikante Menge der Partikel des zuvor analysierten Analyten in der Probenahmekammer, der Messkammer oder der Kapillare befinden könnte,
– in einer zweiten Zeitphase der Einlassabsperrhahn geschlossen ist, um das Eindringen des Spülgases zu verhindern,
– in einer dritten Zeitphase das Transfersystem aktiviert ist, um den Analyten in die Probenahmekammer einzuführen,
– in einer vierten Zeitphase der Auslassabsperrhahn geschlossen ist,
– in wenigstens einer fünften Zeitphase das Analysegerät die Charakteristika des Analyten bestimmt, der von der genannten Probenahmekammer in die Messkammer gelangt,
– in einer sechsten Zeitphase das Verfahren gemäss der ersten Zeitphase erneut beginnt, und dies so lange, wie weitere zu analysierende Produkte vorliegen.

Andere Eigenschaften und Vorteile der Erfindung werden beim Lesen der nachfolgenden detaillierten Beschreibung eines Ausführungsbeispiels, das zur Veranschaulichung dient, aber auf das die Erfindung nicht begrenzt ist, deutlich werden. Dies erfolgt im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen:
Die 1 zeigt eine Gesamtansicht einer Vorrichtung gemäss der Erfindung;
Die 2 zeigt einen schematischen Aufbau, der in detaillierterer Weise einen Teil der Vorrichtung der 1 darstellt;
Die 3 zeigt das logische Funktionsprinzip eines Vorzugsmodus der Steuerung der Vorrichtung gemäss der Erfindung; und
Die 4 illustriert eine Variante des Ausführungsbeispiels der 2.
Bezieht man sich auf 1, so stellt man fest, dass die Vorrichtung gemäss der Erfindung aus einem parallelipipedförmigem Trägergerüst besteht, im Inneren dessen ein Messapparat 2 vorhanden ist. Dieser wird detailliert im Zusammenhang mit der 2 beschrieben. Eine Bedientafel 3 beansprucht einen Teil einer der Seitenflächen des Trägergerüstes 1.
Die obere Seite des Trägergerüstes 1 trägt eine Schiene 4, auf welcher ein beweglicher Arm 5 in Richtung der waagrechten Axe X und der senkrechten Axe Z läuft. Der bewegliche Arm besitzt einen Manipulierkopf 6. Eine Steuereingabetastatur 7 besetzt das eine Ende der Schiene 4.
Auf der Oberfläche des Trägergerüstes befindet sich ausserdem ein Tisch 8, auf dem die Behälter 9 stehen, sowie ein Ofen 10, der an den Tisch 8 angrenzt.
Die Behälter 9 können verschiedenen Typs sein, je nach dem zu analysierenden Produkt. In der nachfolgenden Beschreibung wird jedoch davon ausgegangen, dass es sich um Flacons handelt, die mit einem dichten Verschluss versehen sind.
Letzterer besteht aus einem Septum und einem Ring 9a, der das Septum am Flacon befestigt. Der Ring 9a besteht in vorteilhafter Weise aus einem magnetischen Werkstoff.
Eine Spülgasquelle 11 speist den Analyseapparat 2 und den Kopf 6 mittels einer Leitung 12.
Die Bedientafel 3 und die Steuereingabetastatur 7 sind respektive durch Kabel 13 und 14 mit einem programmierbaren Steuergerät verbunden, das schematisch in 15 dargestellt ist. Das programmierbare Steuergerät 15 wird vorzugsweise durch einen Rechner realisiert, der die Steuerung der verschiedenen Komponenten der Vorrichtung gemäss der Erfindung sowie die Messung und die Berechnung der Steuer- und Auswerteparameter übernimmt. Im Sinne einer Vereinfachung der Zeichnungen, sind die Verbindungen zwischen dem programmierbaren Steuergerät und den von diesem gesteuerten Komponenten nicht eingezeichnet.
Die 2 gestattet es, näher darauf einzugehen, wie das Messgerät 2 und der Kopf 6 konzipiert sind.
Das Messgerät 2, dessen verschiedene Teile mit einer gestrichelten Linie umrandet sind, wird von dem programmierbaren Steuergerät 15 gesteuert. Es besteht aus einer Probenahmekammer 16 mit zwei Einlässen 17 und 18 und zwei Auslässen 19 und 20. Die Probenahmekammer 16 ist mit einer Analysevorrichtung 21 mittels einer Kapillare 22 verbunden, die an den Auslass 20 angeschlossen ist. Die Temperatur der Probenahmekammer 16, der Analysevorrichtung 21 und der Kapillare 22 wird auf einem adäquaten Wert gehalten, dies mittels eines in 42 schematisch eingezeichneten Temperaturreglers.
Der erste Einlass 17 wird mittels eines Absperrhahns 23 kontrolliert, welcher durch das programmierbare Steuergerät 15 gesteuert wird. Das programmierbare Steuergerät kann die Probenahmekammer 16 ebenfalls mit einer Vakuumpumpe verbinden, die schematisch in 24 dargestellt ist, sowie mit einer Spülgasquelle mittels der Leitung 12. Sie kann auch den Einlass 17 schliessen.
Der Einlass 18 ist durch ein zylindrisches Teil 25 definiert und mit einem Gewinde 26 versehen. Er ist durch einen dichten Verschluss abgeschlossen, der aus einem Septum besteht, das auf dem Ende des zylindrischen Teils 25 mittels eines auf dem Gewinde aufgeschraubten Ringes 28 befestigt ist.
Der Auslass 19 ist dazu bestimmt, das Spülgas austreten zu lassen. Er besitzt einen Absperrhahn 29, der durch das programmierbare Steuergerät 15 gesteuert wird.
Die Analysevorrichtung 21 besteht vorzugsweise aus einem Massenspektrometer, zum Beispiel dem Gerät der Marke « ThermoStar » von der Firma Balzers, Instruments AG. Es besteht aus einer Messkammer 21a und einer Analysevorrichtung 21b. Die Messkammer 21a wird mittels einer Pumpe unter Vakuum gehalten. Dieses Pumpsystem ist in 30 schematisch dargestellt und befindet sich unmittelbar neben der Messkammer. Die Analyseschaltung 21b misst die Ionenströme für verschiedene Massen und sendet die gesammelten Informationen an das programmierbare Steuergerät 15.
Solche Spektrometer gestatten es, Ionen zu charakterisieren, deren molare Masse 300 erreicht. Diese Art von Spektrometer wurde bisher ausschliesslich für die Analyse von Gasen und Luft eingesetzt. Solche Spektrometer sind wesentlich weniger empfindlich gegenüber Sauerstoff als Spektrometer, die gestatten, Ionen mit molaren Massen von 400 oder mehr zu messen. Sie werden bis dato verwendet und zusammen mit Chromatographen eingesetzt.
Der Bediener der Vorrichtung kann mit Hilfe der Bedientafel 3 die Massen definieren, die bei der Messung des Analyten in Betracht gezogen werden.
Alternativ kann die Pumpe 24 weggelassen werden. Die Probenahmekammer 16 ist dann direkt mit dem Pumpsystem 30 verbunden.
Der Kopf 6 ist in starrer Weise auf den Arm 5 montiert. Er besitzt ein Greiforgan 32, ein Lesegerät 33 und eine Vorrichtung zur Überführung des Analyten.
Das Greiforgan wird vorteilhafterweise mittels eines Elektromagneten realisiert, der mit dem Ring 9a der Behälter zusammenarbeitet oder mittels einer Zange, die die Behälter durch Umgreifen erfasst. Es wird durch das programmierbare Steuergerät 15 gesteuert. Solche Greiforgane sind dem Fachmann gut bekannt. Deshalb werden sie hier nicht näher beschrieben.
Das Lesegerät 33 gestattet, die Behälter 9 zu identifizieren, bevor sie vom Greiforgan 32 gefasst werden. Diese Identifikation kann in vorteilhafter Weise mittels eines auf jedem Behälter angebrachten Strichcodes gemacht werden. Die gesammelten Informationen werden an das programmierbare Steuergerät 15 geschickt, um die Identifikation der gemessenen Produkte zu gewährleisten.
Die Transfervorrichtung 34 für den Analyten umfasst eine Spritze 35, die mit einem Kolben 36 und einer Nadel 37 versehen ist. Die Spritze 35 ist ausserdem mit einem Einlass 38 versehen, der einen Absperrhahn 39 besitzt, welcher durch das programmierbare Steuergerät 15 gesteuert wird und mittels eines Schlauches 12 mit der Spülgasquelle 11 verbunden ist. Die Spritze kann vorteilhafterweise mittels klassischer, hier nicht dargestellter Methoden, erhitzt werden, um eine Kondensation oder eine Adsorption gewisser Substanzen des Analyten zu verhindern.
Der Kolben 36 wird durch einen Motor angetrieben, der schematisch in 41 dargestellt ist und durch das programmierbare Steuergerät 15 gesteuert wird.
Die Nadel 37 besitzt eine seitliche Öffnung 37a, an einer Stelle in der Nähe der Spitze.
Das Funktionsprinzip der oben genannten Vorrichtung ist das folgende:
Die zu prüfenden Produkte werden in die Behälter 9 eingeschlossen, zum Beispiel im Laufe eines Fabrikationsverfahrens, entweder manuell oder mittels einer automatischen Vorrichtung. Die Behälter 9 werden so gefüllt, dass ein Freiraum zwischen dem Produkt und dem Verschluss bestehen bleibt. Sie werden manuell oder automatisch auf den Tisch 8 gebracht (nicht dargestellt, weil nicht direkt zur Erfindung gehörend). Jeder der Behälter 9 wird vorteilhafterweise mit einem Identifikationssystem versehen, wie zum Beispiel mit einem Strichcode.
Wenn der Bediener eine Messung initialisiert, stellt er die Temperatur des Ofens 10 in Funktion des zu analysierenden Produktes und der flüchtigen Substanzen, die im Analyten erwartet werden, im Allgemeinen zwischen 30° C und 200° C, ein. Er legt auch fest, welche Massen vom Spektrometer quantitatif erfasst werden, um einen Fingerabdruck » des Analyten zu bestimmen.
Er legt ebenfalls die Temperatur der Probenahmekammer 16, der Messkammer 21a, der Kapillare 22 und der Spritze 35 fest. Diese Temperaturen werden vorzugsweise leicht höher als die des Ofens gewählt, um die Absorption von weniger flüchtigen Substanzen an den Wänden, in der Probenahmekammer 16, der Kapillare 22 und der Messkammer 21a zu vermeiden. Alle diese Werte werden in das programmierbare Steuergerät 15 eingegeben.
Wenn die Temperatur erreicht ist, gibt das programmierbare Steuergerät 15 dem Arm 5 den Befehl, den Kopf 6 über einen Behälter, dessen Inhalt analysiert werden soll, zu bringen. Der Kopf 6 erfasst den Behälter 9 mittels des Greiforgans 32 und bringt ihn in den Ofen 10.
Der Behälter 9 bleibt während einer genügenden Zeitdauer darin, um für die Überführung in die Gasphase aller Substanzen, die den Analyten bilden, zu sorgen. Diese Zeitspanne beträgt im Allgemeinen zwischen einer und zehn Minuten. Sie kann manchmal bis zu einer Stunde betragen. Gleichzeitig kann der Behälter 9 leicht bewegt werden, um die Verdampfung der den Analyten bildenden Substanzen zu erleichtern und um die Homogenität des Produktes und des Analyten zu gewährleisten.
Die Verweildauer im Ofen 10 und dessen Temperatur variieren in Funktion des Produktes und des Analyten. Die Einstellungen des Ofens und die Verweildauer werden durch Vorversuche erprobt, bei welchen die optimalen Bedingungen bestimmt werden, unter welchen ein Gleichgewicht zwischen dem Analyten in der Gasphase und der Produktprobe gewährleistet ist. Diese Bedingungen werden danach unverändert gelassen, um die Reproduzierbarkeit der Versuche zu garantieren.
Das programmierbare Steuergerät 15 steuert auch die Heizung und die Spülung des Messapparates 2 sowie der Transfervorrichtung 34. Diese Spülung wird mittels des in der Flasche 11 enthaltenen Spülgases ausgeführt. Die Aufheizung des Messapparates wird mittels des geregelten Heizers 42 sichergestellt.
Wenn das programmierbare Steuergerät 15 feststellt, dass die Probenahmekammer 16, die Messkammer 21a und die Kapillare 22 sauber sind, die Temperaturen des Apparates 2 und des sich im Behälter 9 befindlichen Produktes den richtigen Wert erreicht haben, so bringt der Kopf 6 das Transfersystem 34 über den Behälter 9, der sich im Ofen 10 befindet. Der Motor 41 drückt den Kolben 36 vollständig in die Spritze 35 hinein.
Danach senkt sich der Kopf 6, so dass die Nadel 37 das Septum des Behälters 9 durchsticht und im Freiraum oberhalb des Produkts zum Stillstand kommt. Der Motor 41 steuert dann die Verschiebung des Kolbens nach oben, so dass ein Teil des Analyten vom Behälter 9 in die Spritze 35 überführt wird.
Der Kopf 6 wird sodann nach oben gebracht und zieht die Nadel 37 mit sich, die somit den Behälter 9 verlässt. Sie wird oberhalb des Einlasses des Messapparates 2 platziert.
Man wird feststellen, dass sich der Druck im Freiraum des Behälters 9 gegenüber dem Umgebungsdruck erhöht. Dies ist eine Folge der Erwärmung des Produktes im Ofen 10, was zu einer Verflüchtigung der Substanzen und zu einer Ausdehnung der sich im Behälter befindenden Luft führt. Somit ist der Druck im Innern der Spritze 35 ausreichend, um zu verhindern, dass während der Verschiebung des Kolbens Luft von Aussen eindringt.
Der Kopf 6 wird erneut nach unten bewegt. Die Nadel 37 durchsticht das Septum 27. Der Motor 41 steuert den Kolben 36, der den Analyten in die Probenahmekammer 16 injiziert.
Während dieses Vorganges ist der Absperrhahn 23 geschlossen, während der Absperrhahn 29 offen ist. Dadurch bleibt der Druck im Innern der Probenahmekammer 16 nahe am Aussendruck, während das sich noch in der Probenahmekammer 16 befindliche Spülgas durch den Absperrhahn 29 ausgetrieben wird.
Am Schluss der Injektion wird der Absperrhahn 29 geschlossen.
Alternativ kann, wenn die Spülung fertig ist und bevor der Analyt eingeführt wird, die Probenahmekammer 16 mittels der Vakuumpumpe 24 vom Spülgas befreit werden. Während dieses Vorgangs und während der Einführung des Analyten in die Probenahmekammer 16 bleibt der Absperrhahn dann geschlossen.
Anstatt die Probenahmekammer 16 zu spülen, ist es auch möglich, diese zu reinigen, indem ihr Inhalt mittels der Vakuumpumpe abgepumpt wird.
Nach Einführen des Analyten in die Probenahmekammer 16 wird ein Teil davon unter Einwirkung einer Druckdifferenz in die Messkammer 21a gesaugt. Diese Druckdifferenz entsteht dadurch, dass die Messkammer 21a durch das Pumpsystem unter Hochvakuum gehalten wird.
Die Moleküle des Analyten die für die Messung bestimmt sind, werden in Ionen fragmentiert, die dann in der Messkammer 21a mittels des Massenspektrometers analysiert werden.
Wenn eine um die Genauigkeit der Messung zu garantieren ausreichende Menge des Analyten in die Messkammer 21a eingedrungen ist, werden die von der Analyseschaltung 21b gesammelten Informationen von dem programmierbaren Steuergerät verarbeitet.
Genauer gesagt registriert das programmierbare Steuergerät 15 den Ionenstrom für die verschiedenen molaren Massen, die vorher ausgewählt worden sind, und vergleicht dieses Ergebnis mit den früher erhaltenen Werten für diese Art von Analyt. Die Messzeit kann für jede der Massen so gewählt werden, dass der gemessene Ionenstrom ausreicht, um das zu untersuchende Produkt in optimaler Weise zu charakterisieren. Man beobachtet nämlich, dass gewisse Ionen, selbst wenn nur in geringen Mengen vorhanden, besonders massgeblich sind. Eine Verlängerung der Messzeit gestattet dann, die Messgenauigkeit zu erhöhen.
Mit anderen Worten, man bestimmt den « Fingerabdruck » des gemessenen Analyten und vergleicht diesen mit einem Referenz-« Fingerabdruck », der aus älteren Messungen stammt.
Ist das Ergebnis nicht zufriedenstellend, kann das programmierbare Steuergerät 15 so eingerichtet werden, dass es den Bediener auf die festgestellte Abweichung aufmerksam macht, ja sogar dass es direkt auf den Produktionsprozess Einfluss nimmt, um Veränderungen der Prozessparameter vorzunehmen.
Ein neuer Messzyklus kann initialisiert werden, sobald der Behälter, der sich im Ofen 10 befindet, herausgenommen und an eine zweckmässige Stelle auf den Tisch 8 zurückgestellt wurde, zum Beispiel auf den Platz, den er vorher eingenommen hatte, um entweder wiederverwertet oder entsorgt zu werden.
Das programmierbare Steuergerät 15 kann gemäss zweier Hauptmodi arbeiten. Im ersten Modus wird das Funktionieren der Vorrichtung gemäss der Erfindung durch eine Feedback-Regelung erreicht, während im zweiten Modus die Steuerung durch Programmierung erfolgt.
Das Funktionsschema der 3, welches nachfolgend beschrieben ist, zeigt ein Funktionsbeispiel mit Feedback-Regelung. Die Beschreibung der Abbildung wird vervollständigt mit Hinweisen darauf, inwiefern sich diese von einer Steuerung durch Programmierung unterscheidet. Die Vorgänge für jede der verschiedenen Schritte sind in einem gestrichelt gezeichneten Rechteck zusammengefasst.
Sobald die Messung initialisiert wurde, was im Rechteck 50 dargestellt ist, steuert das programmierbare Steuergerät die Heizung des Ofens 10 und des thermischen Reglers 42.
Wenn sich die Temperaturen stabilisiert haben, kann das programmierbare Steuergerät einen ersten Messzyklus einleiten und es führt in einer ersten Zeitspanne die Gesamtheit der Vorgänge aus, die im Rechteck 51 dargestellt sind. Es veranlasst zuerst die Öffnung des Absperrhahns 23, so dass das Spülgas in die Probenahmekammer 16 eintreten kann. Es öffnet ausserdem den Absperrhahn 29, so dass das Spülgas entweichen kann. Was die Spritze 35 anbetrifft, ist sie sauber. Der Kolben befindet sich am unteren Ende in der Spritze.
Solange das am programmierbaren Steuergerät 15 ankommende und von der Analyseschaltung 21b stammende Signal das Vorhandensein anderer Substanzen als das Spülgas feststellt, geht die Spülung weiter.
Im Falle einer Steuerung gemäss dem zweiten Modus wird dem programmierbaren Steuergerät 15 eine Spülzeit vorgegeben, die vorab, in Funktion eines zuvor gemessenen Analyten, definiert worden ist.
Parallel dazu sendet das programmierbare Steuergerät 15 der Führungsvorrichtung des Armes 5 und dem Kopf 6 Befehle, die im Rechteck 52 dargestellt sind und die bewirken, dass das Greiforgan sich oberhalb des Behälters 9 positioniert, der das zu charakterisierende Produkt enthält, und dann diesen erfasst und in den Ofen 10 bringt. Während dieser Überführung bestimmt der Strichcodeleser 33 den Inhalt des Behälters und überträgt diese Information an das programmierbare Steuergerät 15.
Wenn das programmierbare Steuergerät 15 annimmt, dass der Behälter die richtige Temperatur erreicht hat, und dass die Probenahmekammer 16, die Kapillare 22 und die Messkammer 21a sauber sind, gibt es den Befehl für eine Reihe von Vorgängen, welche einer zweiten Zeitphase entsprechen und im Rechteck 53 der 3 zusammengefasst sind.
Genauer gesagt schliesst das programmierbare Steuergerät 15 die Absperrhähne 23 und 39 und gibt dem Arm den Befehl, den Kopf 6 oberhalb des Behälters 9 zu positionieren und insbesondere die Nadel 37 oberhalb seines Septums.
Das programmierbare Steuergerät 15 überprüft dann, ob die Absperrhähne 23 und 39 geschlossen sind und ob der Kopf 6 in der geforderten Stellung ist. Diese Überprüfung kann mittels Sensoren erfolgen, die respektive mit dem Kolben 35, den Absperrhähnen 23 und 29, sowie dem Kopf 6 zusammenarbeiten.
Wenn diese Bedingungen erfüllt sind, sendet das programmierbare Steuergerät 15 eine Reihe von Befehlen aus, die einer dritten Zeitspanne entsprechen und die im Rechteck 54 dargestellt sind. Der Arm 5 wird senkrecht verschoben, so dass er den Kopf 6 so weit herunterführt, dass die Nadel 37 das Septum des Behälters 9 durchsticht und in dem Freiraum verharrt, der den Analyten enthält, ohne in das Produkt einzutauchen.
Nach Überprüfung dieses Vorganges schaltet das programmierbare Steuergerät 15 den Motor 41 ein, um den Kolben 36 nach oben zu verschieben. Somit wird eine festgelegte Menge des Analyten vom Behälter 9 in die Spritze 35 überführt.
Wenn die Menge des Analyten vom programmierbaren Steuergerät 15 als ausreichend erachtet wird, stellt letzterer den Motor 41 ab und der Kopf 6 wird angehoben, so dass die Nadel 37 aus dem Behälter 9 herausgezogen wird.
Das programmierbare Steuergerät 15 gibt danach den Befehl, den Kopf 6 genau über dem Einlass 8 zu positionieren. Die Nadel 37 befindet sich somit oberhalb des Septums 27 und verschliesst den Einlass 18. Das programmierbare Steuergerät 15 bewirkt danach das Absenken des Kopfes 6. Die Nadel 37 durchsticht das Septum 27 und dringt in die Probenahmekammer 16 ein.
Nachdem das programmierbare Steuergerät 15 überprüft hat, ob die Nadel sich in der vorgesehenen Position befindet, gibt es dem Motor 41 den Befehl, den Kolben 36 in die Spritze 35 hineinzudrücken und somit den Analyten in die Probenahmekammer 16 zu befördern. Um einen Überdruck in letzterer zu vermeiden, wird der Absperrhahn 29 offen gehalten. Somit verdrängt der Analyt das Spülgas aus der Probenahmekammer 16.
In einer vierten Zeitspanne, die im Rechteck 55 dargestellt ist, bestimmt ein, in der Abbildung nicht eingezeichneter, Sensor, der sich in der Probenahmekammer 16 befindet, den Zeitpunkt, zu dem der Druck in der Probenahmekammer den vorgesehenen Wert erreicht. Alternativ dazu kann auch vorgegeben werden, dass der Druck in der Probenahmekammer 16 dem Atmosphärendruck entsprechen soll. In diesem Fall genügt es, dass der Absperrhahn 29 lediglich aus einem Ventil besteht, das das Entweichen des Gases aus der Probenahmekammer 16 nach draussen erlaubt, jedoch nicht ein Eindringen in die Probenahmekammer. Die Probenahmekammer 16 kann somit nicht durch Substanzen aus der Umgebung verunreinigt werden. In diesem Fall würde sich der Absperrhahn 29 automatisch schliessen.
In einer fünften Zeitphase, die durch das Rechteck 56 dargestellt ist, gibt das programmierbare Steuergerät 15 dem Arm 5 den Befehl, den Kopf 6 wieder hochzuziehen, der wiederum die Nadel 37 aus dem Messapparat 2 herauszieht. Der Behälter 9, dessen Analyt gerade analysiert wird, wird aus dem Ofen 10 herausgenommen und in Lagerstellung gebracht. Er kann einfach die Stellung wieder einnehmen, die er ursprünglich auf dem Tisch 8 hatte.
Die Spritze 35 und die Nadel 37 werden gespült. Zu diesem Zweck wird der Kolben 36 bis oberhalb der Öffnung 38 hochgezogen. Das programmierbare Steuergerät 15 öffnet den Absperrhahn 39. Somit durchströmt das Spülgas die Spritze 35 und entweicht durch die Öffnung 37a der Nadel. Die so ausgeführte Spülung kann vorteilhafterweise durch eine Hin- und Herbewegung des Kolbens 36 ergänzt werden, die das Spülgas aus der Spritze heraustreibt.
Parallel dazu analysiert das programmierbare Steuergerät 15 die vom Massenspektrometer gelieferten Ergebnisse mittels der Analyseschaltung 21b. Wenn sich die gelieferten Ergebnisse stabilisiert haben, verarbeitet das programmierbare Steuergerät diese und speichert sie. Gegebenenfalls kann es so programmiert werden, dass ein Alarm ausgelöst wird, wenn die Ergebnisse nicht der vorab definierten Norm entsprechen. Es ist ebenfalls möglich, ein direktes Anpassen des Fabrikationsprozesses auf Grund der erhaltenen Ergebnisse vorzusehen.
Sind diese Vorgänge beendet, kann das programmierbare Steuergerät 15 in einer sechsten Zeitspanne, – im Rechteck 57 dargestellt – einen neuen Messzyklus initialisieren, gemäss der gleichen oben beschriebenen Abfolge.
Gemäss einem anderen, in 4 dargestellten, Ausführungsbeispiel wird der Analyt nicht mehr mittels einer Spritze in die Probenahmekammer 16 eingeführt, sondern wird auf einem adsorbierenden Stoff festgehalten.
Dazu wird der adsorbierende Stoff zuvor in eine Umgebung gebracht, die den Analyten enthält – oder in der der Analyt zirkuliert – und die angemessene Temperatur-, Druck,- und Feuchtigkeitsbedingungen aufweist.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Probenahmekammer 16 durch einen Deckel 60 verschlossen, der mit der Wand der Probenahmekammer 60 durch ein Scharnier verbunden ist. Eine Dichtung 62 sorgt für die Dichtheit zwischen dem Deckel 60 und der Wand der Probenahmekammer 16.
Der Analyt wird mittels eines Substrates 63, zum Beispiel Aktivkohle, die in einem zylindrischen Schiffchen enthalten ist, überführt. Das untere Ende des Schiffchens ist mittels eines durchlöcherten Abschlusses 64a versehen. Das Schiffchen 64 ist ausserdem mit einem Ring 64b versehen, der seine Handhabung ermöglicht.
Der Temperaturregler 42 sorgt für die Heizung der Probenahmekammer 16.
Vor dem Einführen des Schiffchens 64 veranlasst das programmierbare Steuergerät 15 das Schliessen der Absperrhähne 23 und 29 sowie das Öffnen des Deckels 60. Dies geschieht mittels eines motorisierten Armes 66, zum Beispiel mittels eines pneumatischen Kolbens. Die Greifvorrichtung 32 bringt dann das Schiffchen 64 in die Probenahmekammer 16. Das programmierbare Steuergerät 15 veranlasst das Schliessen des Deckels 60.
Die Temperatur, die in der Probenahmekammer 16 herrschen soll, wird so gewählt, dass der Analyt freigesetzt wird. Das programmierbare Steuergerät 15 veranlasst die Öffnung des Absperrhahns 23. Somit spielt das Spülgas, das von oben in die Probenahmekammer eingeführt wird, die Rolle des Kolbens und drängt den Analyten in den unteren Teil der Probenahmekammer 16, was seine Einführung in die Kapillare 22 somit erleichtert. Die Messung wird danach wie oben beschrieben ausgeführt.
Wenn die Messphase beendet ist, wird das Schiffchen 64 mit der adsorbierenden Substanz wieder herausgezogen, bevor die Apparatur gespült wird.
Diese Verfahrensweise bietet die gleichen Vorteile wie die weiter oben Beschriebene und eignet sich gut für die Analyse von Substanzen, die als Spuren vorhanden sind und leicht desorbiert werden können.
Wie im Laufe der oben genannten Beschreibung festgestellt werden konnte, erlaubt die Vorrichtung gemäss der Erfindung eine automatische oder halbautomatische Kontrolle der Qualität von Produkten, die flüchtige Substanzen enthalten, wie solche, die in der Agro-Lebensmittelindustrie anzutreffen sind. Es handelt sich um ein System, dessen Kosten im Vergleich zu den erlangten Ergebnissen gering sind. Die erzielte Genauigkeit garantiert sichere und reproduzierbare Tests.
Die Erfahrung hat gezeigt, dass trotz des Verzichts auf den Einsatz eines Gaschromatographen, sei er an ein Massenspektrometer angeschlossen, das Messungen von Ionen mit einer molaren Masse grösser als 300 erlaubt, oder auch nicht, der vom Analyten erhaltene « Fingerabdruck » absolut ausreichend ist, um einen Produktionsprozess zu überwachen. Ausserdem ist die Messfrequenz bei der oben beschriebenen Vorrichtung besonders hoch. Ein vollständiger Messzyklus kann nämlich in einer Zeitspanne ausgeführt werden, die praktisch durch die Zeitspanne bestimmt wird, die notwendig ist, um das zu charakterisierende Produkt zu erhitzen.

Claims

Vorrichtung zur Charakterisierung von Produkten, welche flüchtige Substanzen enthalten, die zusammen einen Analyten bilden, bestehend aus einem Messapparat (2), welcher eine Messkammer (21a) und eine elektronische Analyseschaltung (21b) zur Bestimmung der Charakteristika des genannten Analyten aufweist, einem Pumpsystem (30) zur Erzeugung eines Vakuums im Innern der genannten Messkammer (21a), einer Probenahmekammer (16), in welche der genannte Analyt eingeführt wird, und einer Kapillare (22) zur Verbindung der genannten Probenahmekammer (16) mit der genannten Messkammer (21a); die genannte Probenahmekammer (16) umfasst: – einen ersten Einlass (18) zur Einführung des genannten Analyten, der mit einem dichten Verschluss (27, 60, 62) versehen ist – einen zweiten Einlass (17), der mit einer Spülgasquelle (11) verbunden ist und mit einem Absperrhahn (23) versehen ist, und – einen Auslass (19), welcher die Evakuierung des in der genannten Probenahmekammer (16) enthaltenen Gases gestattet und der ebenfalls mit einem Absperrhahn (29) versehen ist; die Vorrichtung umfasst ausserdem eine Transfervorrichtung (35, 32, 63, 64) zur Einführung des Analyten in die Probenahmekammer und ein programmierbares Steuergerät (15), welches die Analyseschaltung (21b), die Transfervorrichtung (35, 32, 63, 64), und die genannten Absperrhähne (23, 29) steuert, was das Spülen der Probenahmekammer, der Kapillare und der Messkammer in sequentieller Weise, dann die Einführung des Analyten in die Messkammer und schliesslich dessen Analyse erlaubt; die Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass das programmierbare Steuergerät (15) so eingerichtet ist, dass: – in einer ersten Zeitspanne (51, 52) die Absperrhähne des zweiten Einlasses (23) und des Auslasses (29) geöffnet sind, um das Spülgas durchzulassen solange sich noch eine signifikante Anzahl an Partikeln des zuvor analysierten Analyten in der Probenahmekammer (16), der Messkammer (21a) oder der Kapillare (22) befinden könnte, – in einer zweiten Zeitspanne (53) der Einlassabsperrhahn (23) geschlossen ist, um das Eindringen des Spülgases zu verhindern, – in einer dritten Zeitspanne (54) die Transfervorrichtung (35, 32, 63, 64) aktiviert ist, um den zu messenden Analyten in die Probenahmekammer (16) einzuführen, – in einer vierten Zeitspanne (55) der Auslassabsperrhahn (29) geschlossen ist, – in wenigstens einer fünften Zeitspanne (56) der Analyseapparat (2) Charakteristika des Analyten bestimmt, welcher von der Probenahmekammer (16) in die Messkammer (21a) gelangt, und – in einer sechsten Zeitspanne (57) das Verfahren erneut bei der ersten Zeitspanne beginnt, und dies solange weitere zu charakterisierende Produkte vorliegen.
Vorrichtung gemäss dem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Messapparat (2) mit einem Massenspektrometer (21) versehen ist, das mit der genannten Probenahmekammer (16) mittels der genannten Kapillare (22) verbunden ist.
Vorrichtung gemäss Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Massenspektrometer (21) so gewählt ist, dass die Bestimmung von Ionen mit einem Molekulargewicht kleiner oder gleich 300 möglich ist.
Vorrichtung gemäss einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Transfervorrichtung mittels einer mit einer Nadel (37) versehenen Spritze (35) realisiert ist und dadurch, dass der dichte Verschluss mittels eines Septums (27) realisiert ist.
Vorrichtung gemäss einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Transfervorrichtung einen adsorbierenden Werkstoff (63) enthält, auf dem der genannte Analyt adsorbiert wird.
Vorrichtung gemäss Anspruch 5, gekennzeichnet dadurch, dass der genannte dichte Verschluss mittels eines abnehmbaren Deckels (60) realisiert ist, der mit einem Dichtungsring (62) und mit einer Vorrichtung (66) zum Öffnen und Schliessen des genannten Deckels (60) versehen ist, um das Einführen und Herausnehmen des genannten adsorbierenden Werkstoffes (63) zu gestatten.
Vorrichtung gemäss Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der adsorbierende Werkstoff (63) Aktivkohle ist.
Vorrichtung gemäss einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte Analysevorrichtung (21) während der Zeit eingeschaltet ist, wo das Spülgas in die Probenahmekammer (16) eindringt und dadurch, dass das programmierbare Steuergerät (15) so eingerichtet ist, dass der Einlassabsperrhahn (23) geschlossen wird, wenn die Analyseschaltung (21b) das programmierbare Steuergerät (15) über die Beseitigung des vorgängig analysierten Analyten im in die Messkammer (21a) eindringenden Gas informiert.
Vorrichtung gemäss einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Auslassabsperrhahn (29) mittels eines Ventils realisiert ist, welches das Gas aus der Probenahmekammer (16) austreten lässt, wenn der dann herrschende Druck grösser ist als der Druck auf der anderen Seite des genannten Ventils (29).
Vorrichtung gemäss einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass diese ausserdem eine Vakuumpumpe (24) enthält, die mit der genannten Probenahmekammer (16) verbunden ist, und dadurch, dass das programmierbare Steuergerät (15) so eingerichtet ist, dass, nachdem der Einlassabsperrhahn (23) geschlossen wurde und bevor die Transfervorrichtung aktiviert wird, die genannte Pumpe (24) die Probenahmekammer (16) vom Spülgas befreit.
Vorrichtung gemäss einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Transfervorrichtung ein adsorbierendes Material (63) enthält, und dadurch, dass das programmierbare Steuergerät (15) so eingerichtet ist, dass der Einlassabsperrhahn (23) und der Auslassabsperrhahn (29) vor der Aktivierung der Transfervorrichtung (35, 32, 63, 64) geschlossen werden, um den zu messenden Analyten in die Probenahmekammer (16) einzuführen.