DD261529A1 - Massenspektrometrische vorrichtung zur gasfeuchtebestimmung - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Gasfeuchtebestimmung mittels massenspektrometrischer Methoden und besteht aus einem drehbaren Detektor (1) mit einer axialen, evakuierten Bohrung (3), von der zwei durchgehende radiale Bohrungen (4 a und 4 b) ausgehen, der aus elektrisch nichtleitendem Material besteht, dessen Mantelflaeche (9) zum Teil grossflaechig mit einer elektrisch leitenden Schicht bedeckt ist und ausserdem eine elektrisch leitende Schicht von 2 mm Breite, die als Detektionsspalt wirkt, aufweist, wobei beide Schichten miteinander nicht verbunden sind. Der Detektor (1) ist mit einem elektrisch nichtleitenden hohlen Rotationskoerper (2), dessen Radius R groesser ist als der Radius r des Detektors (1), gasdicht so verbunden, dass die radialen Bohrungen (4 a und 4 b) des Detektors (1) im evakuierten Hohlraum (7) des Rotationskoerpers (2) muenden. In den radialen Bohrungen (4 a und 4 b) sind bekannte Ionisationseinrichtungen (6 a und 6 b) und elektrische Felder (8 a und 8 b) enthalten. Somit lassen sich Gasfeuchten automatisch bestimmen und beispielsweise Trockner hinsichtlich ihres Energieaufkommens optimieren oder die Einhaltung optimaler Luftfeuchten fuer Produktionsprozesse kontrollieren. Fig. 1
Description
Hierzu 2 Seiten Zeichnungen
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung der Feuchte von Gasen und Ablüften unterschiedlicher Zusammensetzung mittels massenspektrometrischer Methoden.
Anwendungsgebiete der Erfindung sind demzufolge beispielsweise die Bestimmung der absoluten und/oder relativen Feuchte oder des x-Wertes von Ablüften von Trocknern, die in den unterschiedlichsten Industriezweigen Verwendung finden oder von technischen Gasen in der Chemieindustrie oder von Brenn- und Heizgasen und/oder durch automatische meteorologische Stationen.
Es ist bekannt, daß die absolute Gasfeuchte unter Ausnutzung der Schwingungsresonanz mechanischer Resonatoren ermittelt werden kann.
Größere Temperaturänderungen während des Meßvorganges verursachen jedoch erhebliche Fehler.
Fluidisch-elektrische Sensoren zur Lösung des Problems reagieren sehr empfindlich auf gasverunreinigende Beimengungen, wie z. B. organische Dämpfe und können daher nicht ohne Vorbehalt verwendet werden (DDR-Patentanmeldung WP G 01 N, 29/02 207 643).
Die Ermittlung der Feuchte mittels Tauspiegelhygrometer bringt große Ungenauigkeiten mit sich, da die Spiegeloberfläche unter industriellen Meßbedingungen sehr schnell verschmutzt.
Die Feuchtebestimmung mittels Trocken- und Feuchttemperatur bei Trockentemperaturen über 500C ist mit großen Meßunsicherheiten behaftet, da die Aßmannkonstante nur bis etwa 50°C exakt bekannt ist und Feuchttemperaturen im genannten Temperaturbereich sehr schlecht gemessen werden können.
Bei Anwendung von schnellen Neutronen zur Feuchtebestimmung von Gasen ist ein umfangreicher Strahlenschutz notwendig (WP 236598).
Die Feuchtebestimmung unter Ausnutzung der Feuchteabhängigkeit der Linsenbrennweite ist auf den Bereich der Niedrigfeuchte beschränkt.
Die Feuchtebestimmung unter Ausnutzung des inneren Photoeffektes ist störanfälig, da der Photoleiter schnell verschmutzt.
Wird die Feuchte durch optische Wellenlängenbestimmung von Ultraschallwellen ermittelt, so können durch Gasverunreinigungen Meßfehler entstehen.
Massenspektrometrische Feuchtebestimmung mittels einer aus Zylinderkondensatoren aufgebauten Vorrichtung erfordern die Einhaltung definierter Gasdrücke. Dies stößt auf nicht unerhebliche Schwierigkeiten (WP 242966).
Feuchtebestimmung mittels sehr schnell rotierender Detektoren (1000 U/s) erfordern umfangreiche sicherheitstechnische Maßnahmen (WP G 01 N/299708 „Vorrichtung zur Gasfeuchtebestimmung").
Es ist das Ziel der Erfindung, mittels einer Vorrichtung die Feuchte von gasförmigen Stoffen und Ablüften unterschiedlicher Herkunft und Zusammensetzung zu bestimmen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Messung der absoluten und/oder relativen Feuchte von gasförmigen Stoffen und/oder Ablüften von trocknenden Wärmeaggregaten zu schaffen, wobei beispielsweise mit Hilfe dieser Feuchtewerte verschiedene Prozeßgrößen eines Trockners geregelt bzw. Aussagen hinsichtlich des Trockengehaltes technischer Gase oder der atmosphärischen Luft getroffen werden können.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Vorrichtung zur Gasefeuchtebestimmung am Abluftkanal des Trockners bzw. am Zu- oder Ableitungsrohr eines Sammelbehälters für technische Gase bzw. in einer automatischen meteorologischen Station angeordnet ist.
Diese besteht aus einem Detektor, der durch einen drehbaren, mit einer axialen nicht durchgängigen Bohrung, von der zwei durchgehende radiale Bohrungen ausgehen, versehenen elektrisch nichtleitenden Körper mit dem Radius r dargestellt wird. Der Detektor, dessen Mantelfläche zum Teil großflächig mit einer elektrisch leitenden Schicht bedeckt ist, ist mit einem elektrisch nichtleitenden, hohlen Rotationskörper, dessen Radius R größer ist als der Radius r des Detektors, gasdicht so verbunden, daß die beiden radialen Bohrungen der als Detektor fungierenden Achseim Hohlraum des Rotationskörpers münden. In den beiden radialen Bohrungen sind bekannte lonisationseinrichtungen in Form von z.B. ß-strahlenden Radionukliden und bekannte elektrisch positiv oder negativ vorgespannte Gitter enthalten. Die Räume der axialen und radialen Bohrungen sowie der Hohlraum des Rotationskörpers sind z. B. mittels einer bekannten Turbomolekularpumpe evakuiert.
Die Drehzahl des Detektorsund derlonisationseinrichtung liegt in der Größenordnung von 500U/sec. Der Druck im Hohlraum und in den axialen und radialen Bohrungen beträgt 10"4Pa. Der Radius des Detektors beträgt4cm und der Radius des Rotationskörpers 8-10 cm.
Die zu untersuchende gasförmige Probe wird in bekannter Weise in die axiale Bohrung der Achse eingeführt, von wo sie in die beiden radialen Bohrungen gelangt.
Da die Achse rotiert, werden die Gasatome bzw. Gasmoleküle beschleunigt. Gleichzeitig werden sie ionisiert, z. B. durch die ionisierende Strahlung eines ß-strahlenden Radionuklides und durch elektrische Felder, die zwischen den beiden elektrisch positiv oder negativ vorgespannten Gittern in den radialen Bohrungen existieren, in Richtung Mantelfläche beschleunigt, so daß die Ionen die Achse verlassen und in den Hohlraum des Rotationskörpers gelangen, wobei auf die Ionen im Raum zwischen den beiden elektrisch positiv oder negativ vorgespannten Gittern nur die elektrische Kraft wirkt, da auf Grund der relativ geringen Teilchenmassen die Gravitationskraft vernachlässigt werden kann.
DieTrennung der H20-Moleküle von den anderen Molekülen bzw. Ionen der zu untersuchenden gasförmigen Probe läßt sich wie folgt erklären:
Die rotierenden Teile der Vorrichtung drehen sich mit der Winkelgeschwindigkeit ω.
Solange sich die gasförmigen Atome und Moleküle bzw. Ionen in den radialen Bohrungen befinden und keines der elektrisch positiv oder negativ vorgespannten Gitter, wohl aber die ß-strahlenden Radionuklide erreicht haben, sind sie der Wirkung der Zentrifugal- und Coriolisbeschleunigung und der elektrischen Beschleunigung ausgesetzt. Gelangen die Ionen in den Raum zwischen den elektrisch positiv oder negativ vorgespannten Gittern, so bewegen sie sich gleichmäßig beschleunigt — analog dem Wurf oder Schuß lotrecht aufwärts auf der sich drehenden Erde—in Richtung Mantelfläche der Achse, so daß die positiven Ionen schließlich die Achse mit der Geschwindigkeit ν verlassen und in den Hohlraum des Rotationskörpers gelangen. Wenn die Geschwindigkeit ν im Hohlraum des Rotationskörpers den Wert Null erreicht hat, wird die Bewegungsrichtung des H2O-Moleküls bzw. Ions umgekehrt, da der zum Teil großflächig mit einer elektrisch leitenden Schicht bedeckte Teil der Mantelfläche auf Massepotential liegt und es fällt auf die Achse zurück. Diese Bewegung ist aber durch die in den radialen Bohrungen wirkenden Coriolis- und Zentrifugalbeschleunigungen gestört. Das hat zur Folge, daß die Ionen auf der Achse nicht im Durchstoßpunkt der gedachten Mittellinie der radialen Bohrungen durch die Mantelfläche auftreffen, sondern um pinen bestimmten Betrag χ rechts oder links neben diesem Punkt, je nach Drehrichtung der Achse (in völliger Übereinstimmung mit der Westabweichung beim Wurf lotrecht aufwärts auf der sich drehenden Erde). Die Abweichung χ kann durch exakte Integration des entsprechenden Differentialgleichungssystems erhalten werden.
Es bedeuten:
e0 elektrische Elementarladung
E elektrische Feldstärke zwischen den elektrisch positiv oder negativ vorgespannten Gittern in der radialen Bohrungen ω ' Winkelgeschwindigkeit
m lonenmasse
ν Geschwindigkeit, mit der die Ionen die radialen Bohrungen in radialer Richtung verlassen φ Winkel, unter dem die Ionen die Achse gegen die Normale der Mantelfläche verlassen Die Abweichung ist somit eine Funktion der lonenmasse m, der Winkelgeschwindigkeit ω, der elektrischen Feldstärke E zwischen den elektrisch positiv oder negativ vorgespannten Gittern in den radialen Bohrungen, des Winkels φ, unter dem die Ionen die radialen Bohrungen der Achse gegen die Normale der Mantelfläche verlassen und der Geometrie der Vorrichtung.
Für konstante Größen ω, E, φ und ν ist der Abstand χ für das Wassermolekül H2O mit der Massenzahl 18 ebenfalls konstant. Die geometrischen Orte auf der Mantelfläche, die im Bereich Δχ = χ ± X1 (x-i ist eine endliche Größe) liegen, sind mit einer elektrisch leitenden Schicht bedeckt, die keine Verbindung zu der elektrisch leitenden Schicht aufweist, die die Mantelfläche großflächig bedeckt. Die ionisierten Wassermoleküle und nur diese treffen also auf einem Mantelabschnitt der Länge Δχ auf, der bei φ = 0 ein Maximum aufweist.
Die Detektion der ionisierten Wassermoleküle erfolgt auf bekannte Weise, z. B. durch elektrische Registrierung. Vorteilhaft ist die Verbindung der Vorrichtung mit einer bekannten Turbomolekularpumpe.
Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1: Prinzipskizze der Vorrichtung zur Gasfeuchtebestimmung mittels massenspektrometrischer Methoden Fig.2: Draufsicht der o. g. Vorrichtung
Die Vorrichtung zur Gasefeuchtebestimmung mittels massenspektrometrischer Methoden besteht aus einem in der Figur 1 nicht gezeigten gasdichten Gehäuse, in dem sich eine drehbare, mit einer axialen nicht durchgängigen Bohrung 3, von der zwei durchgehende radiale Bohrungen 4a und 4b ausgehen, versehenen und aus elektrisch nichtleitendem Material bestehende als Detektor 1 wirkenden Achse mit dem Radius r befindet. Der Detektor 1, dessen Mantelfläche 9 zum Teil großflächig mit einer elektrisch leitenden Schicht bedeckt ist, ist mit einem elektrisch nichtleitenden, hohlen Rotationskörper 2, dessen Radius R größer ist als der Radius rdes Detektors 1, gasdicht so verbunden, daß die beiden radialen Bohrungen 4a und 4b des Detektors
1 im Hohlraum 7 des Rotationskörpers 2 münden.
In den beiden radialen Bohrungen 4a und 4b sind bekannte lonisationseinrichtungen 6a und 6b in Form von z.B. ß-strahlenden Radionukliden Ni-63 und bekannte elektrisch positiv oder negativ vorgespannte Gitter 5a, 5 b, 5c und 5 d enthalten. Die Volumina der axialen und radialen Bohrungen 3,4a und 4b sowie des Hohlraumes 7 des Rotationskörpers 2 sind z. B. mittels einer bekannten Turbomolekularpumpe bis auf einen Druck von 10"4Pa (1CT6 Torr) evakuiert.
Die zu untersuchende gasförmige Probe wird in bekannter Weise in die axiale Bohrung 3 des Detektors 1 eingeführt, von wo sie in die beiden radialen Bohrungen 4a und 4b gelangt. Da der Detektor 1 rotiert, werden die Gasatome bzw. Gasmoleküle beschleunigt. Gleichzeitig werden sie ionisiert, z.B. durch die ionisierende Strahlung eines ß-strahlenden Radionuklides Ni-63 6a und 6 b und durch elektrische Felder 8a und 8 b, die zwischen den beiden elektrisch positiv oder negativ vorgespannten Gittern 5a, 5b, 5c und 5d in den radialen Bohrungen 4a und 4b existieren, in Richtung Mantelfläche 9 des Detektors 1 beschleunigt, wobei auf die Ionen im Raum zwischen den beiden elektrisch positiv oder negativ vorgespannten Gittern 5 a, 5 b, 5 c und 5d nur die elektrische Kraft wirkt, da auf Grund der relativ geringen Teilchenmasse die Gravitationskraft vernachlässigt werden kann, so daß die Ionen den Detektor 1 verlassen und in den Hohlraum 7 des Rotationskörpers 2 gelangen.
Die Trennung der Wassermoleküle von den anderen Molekülen bzw. Ionen der zu untersuchenden gasförmigen Probe läßt sich wie folgt erklären:
Die rotierenden Teile 1 und 2 der Vorrichtung drehen sich mit der Winkelgeschwindigkeit ω. Solange sich die gasförmigen Atome und Moleküle bzw. Ionen in den radialen Bohrungen 4a und 4b befinden und noch keines der elektrisch positiv oder negativ vorgespannten Gitter 5a, 5b, 5c und 5d, wohl aber die ß-strahlenden Radionuklide 6a und 6b erreicht haben, sind sie der Wirkung der Zentrifugal- und Coriolisbeschleunigung und der elektrischen Beschleunigung ausgesetzt. Gelangen die Ionen in den Raum zwischen den elektrisch positiv oder negativ vorgespannten Gittern 5a, 5b, 5c und 5d und damit in den Wirkungsbereich der elektrischen Felder 8a und 8 b, so bewegen sie sich gleichmäßig beschleunigt — analog dem Wurf oder Schuß lotrecht aufwärts auf der sich drehenden Erde — in Richtung Mantelfläche 9 des Detektors 1, so daß die Ionen schließlich den Detektor 1 mit der Geschwindigkeit ν verlassen und in den Hohlraum 7 des Rotationskörpers 2 gelangen. Wenn die Geschwindigkeit ν im Hohlraum 7 des Rotationskörpers 2 den Wert Null erreicht hat, wird die Bewegungsrichtung des Wasserions umgekehrt, da der Teil der Mantelfläche 9, der zum Teil großflächig mit einer elektrisch leitenden Schicht bedeckt ist, auf Massepotential liegt und es fällt auf den Detektor 1 zurück. Diese Bewegung ist aber durch die in den radialen Bohrungen 4a und 4b wirkenden Coriolis- und Zentrifugalbeschleunigungen gestört. Das hat zur Folge, daß die Ionen auf dem Detektor 1 nicht im Durchstoßpunkt der gedachten Mittellinie der radialen Bohrungen 4a und 4 b durch die Mantelfläche 9 auftreffen, sondern um einen bestimmten Betrag χ rechts oder links neben diesem Punkt, je nach Drehrichtung des Detektors 1 (in völliger Übereinstimmung mit der Westabweichung beim Wurf lotrecht aufwärts auf der sich drehenden Erde). Die Abweichung χ beträgt 84,16mm für einfach ionisierte Wassermoleküle mit der Massenzahl 18 für eine Drehzahl^"= 500 U/sec, Beschleunigungsspannung U = 0,0-0,5V, die zwischen den Gittern 5a und 5 b sowie 5c und 5d wirkt, für einen Abstand I zwischen den vorgenannten Gittern 5a und 5b sowie 5c und 5d von 31,62mm. Mit den gleichen Parametern beträgt die Abweichung xfürein einfach ionisiertes Teilchen der Massenzahl 19 86,4 mm, also 2,24mm mehr und für ein einfach ionisiertes Teilchen der Massenzahl 17 81,92mm, also 2,24mm weniger
Die geometrischen Orte auf der Mantelfläche 9, die im Bereich Δχ = 84,16mm ± 1,0mm (die „Spaltbreite" mußmindestens
2 mm betragen) liegen, sind mit einer elektrisch leitenden Schicht bedeckt, die keine Verbindung zu der elektrisch leitenden Schicht aufweist, die die Mantelfläche 9 großflächig bedeckt.
Die einfach ionisierten Wassermoleküle, und nur diese, treffen also auf einen Bereich der Mantelfläche 9 auf, der 2 mm breit ist und 84,16mm vom Durchstoßpunkt der gedachten Mittellinie der radialen Bohrungen 4a und 4b durch die Mantelfläche 9 entfernt liegt. Dieser Bereich wirkt wie ein Detektionsspalt und weist keine Verbindung zu der elektrisch leitenden Schicht auf, die die Mantelfläche 9 großflächig bedeckt. Die Detektion der ionisierten Wassermoleküle erfolgt auf bekannte Weise, z. B. durch elektrische Registrierung. Vorteilhaft ist die Verbindung der Vorrichtung mit einer bekannten Turbomolekularpumpe. Die Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung liegen u.a. darin, daß Trocken-und Feuchttemperaturen der zu untersuchenden gasförmigen Medien nicht in das Meßergebnis eingehen und somit auch nicht erfaßt werden müssen. Weiterhin wirken sich Verschmutzungen des zu untersuchenden Gases nicht auf das Meßergebnisaus, da nur Wassermoleküle mit der Massenzahl 18 detektiert werden. Des weiteren beträgt die Drehzahl der erfindungsgemäßen Vorrichtung nur noch die Hälfte der Drehzahl vergleichbarer Vorrichtungen.
Claims (7)
1. Massenspektrometrische Vorrichtung zur Gasfeuchtebestimmung unter Verwendung eines Detektors mit bekannten lonisationseinrichtungen sowie mit bekannten elektrisch positiv oder negativ vorgespannten Gittern, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung aus mit einer axialen nicht durchgängigen Bohrung (3), von der zwei durchgehende radiale Bohrungen (4a und 4b) ausgehen und in denen sich bekannte elektrisch positiv oder negativ vorgespannte Gitter (5 a, 5 b, 5 c und 5d) befinden, ebenso zwei bekannte lonisationseinrichtungen (6a und 6b) versehenem Detektor (1) mit einem Radius r, dessen Mantelfläche (9) zum Teil großflächig mit einer elektrisch leitenden Schicht, die auf Massepotential gelegt ist, bedeckt ist und die mit einem elektrisch nichtleitenden, hohlen Rotationskörper (2), dessen Radius R größer ist als der Radius r des Detektors (1), gasdicht so verbunden ist, daß die beiden radialen Bohrungen (4a und 4b) des Detektors (1) im Hohlraum (7) des Rotationskörpers (2) münden, besteht und die Volumina der Bohrungen (3), (4a), (4b) und der Hohlraum (7) evakuiert sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehzahl des Detektors (1) und der lonisationseinrichtungen (6a und 6b) in der Größenordnung von 500U/sec. liegt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck im Hohlraum (7) und in den axialen und radialen Bohrungen (3,4a und 4b) 10"4Pa beträgt.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung in einem gasdichten Gehäuse untergebracht ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle von Detektionsspalten elektrisch leitende Schichten von 2 mm Breite, die aus elektrisch nichtleitendem Material bestehen, auf dem Detektor (1) sich befinden.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Radius r des Detektors (1) 4cm beträgt.
7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Radius R des Rotationskörpers (2) 8-10cm beträgt.
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| DD30328987A DD261529A1 (de) | 1987-05-29 | 1987-05-29 | Massenspektrometrische vorrichtung zur gasfeuchtebestimmung |
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| DD30328987A DD261529A1 (de) | 1987-05-29 | 1987-05-29 | Massenspektrometrische vorrichtung zur gasfeuchtebestimmung |
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| DD30328987A DD261529A1 (de) | 1987-05-29 | 1987-05-29 | Massenspektrometrische vorrichtung zur gasfeuchtebestimmung |
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| US8273201B2 (en) | 2004-12-21 | 2012-09-25 | Kronotic Ag | Process for the production of a wood fiber insulating material board or mat and wood fiber insulating material boards or mats produced by this process |
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1987
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| US8273201B2 (en) | 2004-12-21 | 2012-09-25 | Kronotic Ag | Process for the production of a wood fiber insulating material board or mat and wood fiber insulating material boards or mats produced by this process |
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