DE3787281T2 - Verfahren zum nachweis von fremdstoffgehalten in gasen. - Google Patents

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Nachweis von Fremdstoffgehalten in Gasen, bei dem das Gas und die darin enthaltenen Stoffe in einer Ionisierungskammer ionisiert werden.
• Für viele verschiedenen Zwecke wird versucht, den Gehalt an Fremdstoffen in Gasen zu erfassen und zu messen. Insbesondere, wenn von einem Gas relativ kleine, Stoffe enthaltende Mengen untersucht werden, können die Verunreinigungen des Gases die Erfassung stören. Die Erfassung verschiedener Moleküle oder Molekülgruppen in Gasen allgemein, in von Vakuumpumpen verdünnten Gasen oder in Dämpfen aus verdampften Feststoffen oder Flüssigkeiten ist heutzutage mit Schwierigkeiten verbunden. Insbesondere in der Luft enthaltene giftige Stoffe, wie von der Industrie versehentlich in die Luft freigesetzte giftige Stoffe oder in die Atemluft diffundierte Nerven-oder andere Kampfgase, sind schwierig auf schnelle und zuverlässige Weise zu erfassen.
• Gegenwärtig wird überwiegend, unter Nutzung der Vorteile des Analyseverfahrens, der EC-Detektor von Gaschromatographen eingesetzt; in diesem Verfahren werden das Trägergas und die darin enthaltenen Fremdstoffe durch radioaktive Strahlung ionisiert, die Rekombination der ionisierten Moleküle des Trägergases miteinander wird durch Verzögerungsmittel nur teilweise zugelassen, wonach die Ionen des Gases gemessen werden. Auf diese Weise wird beispielsweise das zu messende Signal für in das Trägergas verdampfte organische Substanzen erhalten. Meßeinrichtungen, die auf dem gleichen Prinzip beruhen sind auch für die Analyse von Nervengasen in der Luft entworfen worden. Diese Einrichtungen gehören in zwei Kategorien: In einer ersten Anwendung werden die ionisierten Moleküle in ein Labyrinth geleitet, worin die eigenen Moleküle der Luft mit sich selbst rekombinieren dürfen und der durch die organischen Moleküle erzeugte Ionenstrom danach gemessen wird. In der anderen Anwendung wird der Zugang der leichten Luftmoleküle in den Ionenmeßraum mittels Spannungsgittern behindert. Dieses gebräuchliche Verfahren und die Vorrichtungen für dessen Anwendung sind nicht empfindlich genug für die Messung niedriger Konzentrationen von Nervengasen oder ähnlichem in der Luft, oder sie geben ein Signal für andere in der Luft enthaltene Stoffe oder Verunreinigungen, wie Tabakrauch, Auspuffgase, Explosionsgase, Künstlicher Nebel zu Tarnzwecken etc. ab. Zudem kann die Ursache des Signals beispielsweise ein plötzlicher Anstieg der Luftfeuchtigkeit sein, so daß das Meßergebnis ungenau und unsicher ist.
• Druckschrift CH-A-550 399 beschreibt eine Luftverschmutzungs-Meßvorrichtung, welche einen ersten und einen zweiten Luftkondensator mit einer jeweils passenden Länge aufweist, durch die ionisierte, Verschmutzungen enthaltende Luft laminar mit einer konstanten Geschwindigkeit strömt. Die Kondensatoren können ebene oder zylindrische Elektroden haben und zwei oder mehr Elektroden aufweisen. Um verschiedene elektrische Felder für die Erzeugung eines ersten und zweiten variierenden Meßsignals in Abhängigkeit von einer kleinen und einer großen Konzentration positiver Ionen in einem mittels eines Auslaßgebläses erzeugten Gasstrom zur Verfügung zu stellen, werden die Elektroden der Kondensatoren mit unterschiedlicher Spannung versorgt. Die über die Elektroden der Kondensatoren gemessenen Ausgangssignale werden an die Eingänge von Teilungs- und Additionsschaltkreisen gelegt, deren Ausgang ein fertiges Ausgangssignal, welches eine Messung der Luftverschmutzung darstellt, zur Verfügung stellt.
• Ferner beschreibt die Druckschrift DE-A-2 028 805 ein Verfahren zur Erfassung von spurendämpfen die einer Ionmolekül unterliegen, und zur Trennung, Anreicherung und Messung molekularer Mengen von Spurenstoffen in gasförmigen Proben. In einem elektrischen Feld, welches im wesentlichen parallel zu einem Gasstrom zwischen zwei in einer Meßkammer angeordneten Elektroden ist, wird die Erfassung und Messung unter Nutzung der Geschwindigkeits- oder Driftzeitunterschiede von Ionen unterschiedlicher Masse in einem auf den Gasstrom aufgebrachten elektrischen Feld erreicht. Das elektrische Driftfeld bewirkt die Wanderung der primären Ionen in Richtung einer Vielzahl von rechtwinklig zum Gasstrom und parallel zwischen den Elektroden vorgesehener Ionengatter, während der die primären Ionen mit Molekülen eines zu erfassenden Gases reagieren, diese in sekundäre- oder Produktionen umwandeln, wodurch die Ionen entsprechend ihrer einzelnen Masse gemessen und klassifiziert werden.
• Aus der Druckschrift EP-A-0 021 518 ist ein ähnliches Verfahren zur Erfassung von Spurenmengen chemische Stoffe, die in einer gasförmigen Mischung enthalten sind bekannt, in welchem ein Teil der Moleküle ionisiert, und das Gas durch ein elektrisches Feld, welches in der zuvor beschriebenen Weise angeordnet ist, in eine Meßkammer geleitet wird.
• Daher ist es Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur Erfassung auch einer kleinen Menge von Fremdstoffen, insbesondere gefährlicher Stoffe, wie beispielsweise Nervengase oder andere Arten von Kampfgasen, und zur Bestimmung der Art einer erfaßten Substanz zwischen möglicherweise störenden anderen Mengen von Stoffen und Verunreinigungen auf eine zuverlässige und schnelle Weise, zu schaffen.
• Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zum Nachweis von Fremdstoffgehalten in Gasen geschaffen, bei dem ionisierte Gase und darin enthaltene Stoffe durch eine Vielzahl Kammern mit jeweils unterschiedlichem, quer zum Gasstrom ausgerichtetem elektrischen Feld geleitet werden, elektrische Ströme, die quer durch zwei oder mehrere der Vielzahl von Kammern verlaufen, und von Meßelektroden erreichenden Ionen hervorgerufen sind, gemessen werden, entsprechende Signale erhalten werden, und auf der Basis der Größe und Beziehung der den gemessenen elektrischen Strömen entsprechenden Signale eine Analyse der Fremdstoffe in den Gasen zur Verfügung gestellt wird, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, daß eine Ionisierungszone an dem Einlaßende der Vielzahl Kammern angeordnet ist, die Gase und die darin enthaltenen Stoffe in der Ionisierungszone ionisiert, und durch die Vielzahl von Kammern, die aufeinanderfolgend angeordnet sind, geleitet werden, und die elektrischen Felder der Vielzahl von Kammern in abwechselnder Feldrichtung ausgerichtet sind.
• Alternativ dazu ist ein Verfahren zum Nachweis von Fremdstoffgehalten in Gasen geschaffen, bei dem ionisierte Gase und darin enthaltene Stoffe durch eine Vielzahl Kammern mit jeweils unterschiedlichem, quer zum Gasstrom ausgerichtetem elektrischen Feld geleitet werden, elektrische Ströme, die quer durch zwei oder mehrere der Vielzahl von Kammern verlaufen, und von Meßelektroden erreichenden Ionen hervorgerufen sind, gemessen werden, entsprechende Signale erhalten werden, und auf der Basis der Größe und Beziehung der den gemessenen elektrischen Strömen entsprechenden Signale eine Analyse der Fremdstoffe in den Gasen zur Verfügung gestellt wird, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, daß die Gase und die darin enthaltenen Stoffe in der Ionisierungszone ionisiert werden, und das Fremdstoffe enthaltende, ionisierte Gas jede der Kammern längs einem gewundenen Pfad passiert, dieser gewundene Pfad ist von Strommeßplatten begrenzt, die wechselseitig an einander gegenüberliegenden Kammerwänden befestigten Blöcken gehalten sind so daß die Kammerwand, die einer kammerwand an der eine Strommeßplatte befestigt ist gegenüberliegt, frei bleibt, mit einem Spalt zwischen benachbarten Meßplatten, wodurch mindestens zwei Teilkammern mit einem elektrischen Feld in jeder Kammer begrenzt sind, wobei die Intensität des elektrischen Felds in jeder dieser Teilkammern voneinander verschieden ist.
• Somit werden erfindungsgemäß Gase und die darin enthaltenen Fremdstoffe zuerst in einer Ionisierungskammer ionisiert und dann durch eine Vielzahl von aufeinanderfolgend angeordneten Kammern, die jeweils ein quer zum Gasstrom verlaufendes elektrisches Feld mit abwechselnder Feldrichtung haben, geleitet. Alternativ dazu wird der Gasstrom durch einen in jeder der Kammern ausgebildeten gewundenen Pfad, wodurch mindestens zwei Teilkammern des elektrischen Felds in jeder Kammer gebildet sind, geleitet, wobei die Intensität des elektrischen Felds in jeder der Teilkammern voneinander verschieden ist. Diese elektrischen Felder werden durch elektrische Spannungsversorgung von speziellen Spannungsplatten, die in jeder Kammer angebracht sind erzeugt, wodurch elektrische Felder verschiedener Größe rechtwinklig bzw. quer zum Gasstrom gebildet werden.
• Somit durchqueren die elektrischen Feldströme diese Kammern, d. h. der Feldstrom passiert eine Kammer von Seite zu Seite. Der Wert des durch jede Kammer, quer zum Gasstrom fließenden, von bestimmten Ionen die zu bestimmten Meßelektroden oder Spannungsplatten geführt werden hervorgerufene elektrische Feldstrom wird mittels mit diesen Spannungsplatten verbundenen Meßgeräten gemessen. Eine Analyse der zu untersuchenden Stoffe erfolgt indirekt auf der Basis der Fluß-Signale entsprechend dem gemessenen elektrischen Feldstrom. Verschiedene Molekülgruppen können mit Hilfe typischer Fluß-Signale, die aus der Messung des durch bekannte Moleküle oder Molekülgruppen verursachten elektrischen Feldstroms erhalten wurden, um somit Standardwerte für bekannte Stoffe zu schaffen, bestimmt und voneinander getrennt werden. Der Wert des gemessenen Feldstroms eines unbekannten Stoffs zeigt im Vergleich mit den Standardwerte bekannter Stoffe den Gehalt eines speziellen Stoffs in dem zu untersuchenden Gas an.
• Das Verfahren arbeitet bei Atmosphärendruck und bei Unterdruck, beispielsweise in von einer Vakuumpumpe verdünnter Luft. Das Verfahren kann auch in vielen verschiedenen chemischen Untersuchungsverfahren verwendet werden, wie in einem Detektor für Gaschromatographen oder in einem Detektor von Flüssigchromatographen, wenn die Stoffe erwärmt oder durch Druckabsenkung in einen gasförmigen Zustand gebracht werden. Auf diese Weise wird ein höheres Auflösungsvermögen in die Analyse eingebracht. Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es auch möglich, Konzentrationen einer gewünschten Stoffgruppe zu messen und zusätzlich die Gruppe in Untergruppen zu teilen, um beispielsweise die Art eines Nervengases zu bestimmen.
• In einer bevorzugten Anwendung des Verfahrens bei (von) zwei oder mehr Kammern mit unterschiedlichem elektrischem Feld, werden die durchgelassenen Flüsse gemessen, und die Analyse der zu untersuchenden Stoffe erfolgt auf der Basis der Größe und Beziehung der Fluß-Signale. Dadurch können verschieden Molekülgruppen mit Hilfe typischer Fluß-Signale an verschiedenen Stellen voneinander getrennt werden.
• Im folgenden ist die Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert, wobei
• Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer Schnittdarstellung, von der Seite gesehen zeigt, und
• Fig. 2 ein anderes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer Schnittdarstellung von der Seite gesehen zeigt.
• In Fig. 1 ist das Prinzip des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt. Zu der Vorrichtung gehören eine Ionisierungszone 1, Kammern 2 und Meßgeräte 3. In den Kammern 2 sind mit Hilfe von Spannungsplatten quer verlaufende elektrische Felder 6 unterschiedliche Größe gebildet. In der Ionisierungszone 1 wird ein passendes radioaktives Isotop verwendet, mittels dessen Strahlung die Ionisierung des Gases erfolgt. Das zu untersuchende Gas wird in diesem Ausführungsbeispiel (Anwendung) durch eine Einlaßöffnung 4 in die Ionisierungszone 1 eingesaugt, und von dort das ionisierte Gas durch die hintereinander angeordneten Kammern 2 durch eine Auslaßöffnung 5 aus der Vorrichtung abgesaugt. Der (Gas) Fluß wird in diesem Ausführungsbeispiel (Anwendung) durch eine Luftpumpe erzielt, mit der das Gas und seine Inhaltsstoffe (Komponenten) durch die Analysevorrichtung gesaugt werden.
• Von (In) der Ionisierungszone 1 werden die ionisierten Moleküle und Molekülfragmente durch die Kammern 2 und durch die in den Kammern 2 bestehenden verschiedenen elektrischen Felder transportiert. Dabei sind die Moleküle bestrebt sich zu rekombinieren oder ihre Ladungen zu neutralisieren (zu zerstören); außerdem werden Ionen in den verschiedenen elektrischen Feldern aus der Vorrichtung entfernt. In Fig. l bilden die mit den geerdeten, unteren Platten verbundenen Spannungen Feldlinien in dem Durchgangsraum aus, und wenn die Meßgeräte oder Verstärker 3 mit dem Massestrom verbunden sind, ist es möglich mit der Aufnahme (Behandlung) der Signale zu beginnen. Durch Setzen von zwei oder mehr Flußmessungen in dem gleichen Flußkanal, können, durch Verwendung elektrischer Felder unterschiedlicher Größe, verschiedene Molekülgruppen mit Hilfe typischer Flußsignale von verschiedenen Punkten voneinander getrennt werden. Durch Überwachung der für jede Molekülgruppe typischen Fluß-Signalwerte wird das Beobachtungs- und Meßergebnis erhalten.
• In dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Ionisierungszone 1 in der Mitte eines im wesentlichen flächigen (blattförmigen) Körpers, wobei die Kammern 2 auf beiden Seiten der Ionisierungszone 1 Seite an Seite plaziert sind, mit der Ionisierungszone 1 sind mehrere Kammern 2, oder zumindest durch eine Kammer gebildete Kanäle radial verbunden. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Wände der Kammern 2 aus den Spannungsplatten gebildet, und zwischen den Spannungsplatten ist eine Meßplatte 7 plaziert. Die Meßplatte 7 ist in Teile unterteilt und derart zwischen Spannungsplatten angeordnet, daß der Abstand zwischen dieser (Meßplatte 7) und den Spannungsplatten variiert. Dadurch werden zwischen den Spannungsplatten mindestens zwei Unterkammern gebildet, in denen die Intensität des elektrischen Felds voneinander verschieden ist. Das zu untersuchende Gas wird, unter Nutzung des Vorteils der Öffnungen in der Meßplatte 7, durch Wechsel des Weges des Gases auf den verschiedenen Seiten der Meßplatte 7 aus der Ionisierungszone 1 geleitet. Die Teile der Meßplatte 7 sind an einer der Spannungsplatten befestigt. Der von der Meßplatte 7- kommende Strom wird mit Hilfe der Meßgeräte oder Verstärker 3 gegen Masse gemessen. Von der Ionisierungszone 1 führen mehrere Meßkanäle weg (in der Fig. 2 zwei Kanäle), und die Spannungsplatten haben unterschiedliche Potentiale im Hinblick auf die Meßplatte 7. Hierdurch ist es möglich, die Signalmessung gleich nach der Ionisierung zu beginnen, beispielsweise in entgegengesetzten elektrischen Feldern gegen Masse. Der Fremdstoffgehalt kann erfaßt und gemessen werden, indem ionisiertes Gas in die Kanäle der Vorrichtung geleitet wird, in denen die Kammern 2 mit verschiedenen elektrischen Feldern 6 sind, wobei die Meßwerte durch Messung des die Kammern 2 passierenden Feldstroms erhalten werden.
• Ein Vorteil des in Fig. 2 gezeigten Aufbaus ist, daß die Meßpunkte beispielsweise direkt auf einer elektronischen Leiterplatte, und die Spannungsplatten auf, als Schutzschicht für die Struktur wirkenden Isolierungen angebracht werden können. Mit Hilfe diese Typs eines Zweikanalanalysators ist es möglich, Konzentrationen von Nervengasen zu messen, die unter 0.1 mg/m³ sind, wobei üblicherweise als eine Alarmgrenze für beispielsweise Sarin 0.5 mg/m³ angenommen wird. Die durch Tabakrauch, Verbrennungsgase, Explosionsgase oder Künstlicher Nebel zu Tarnzwecken hervorgerufenen falschen Signale können mit dieser Art der Mehrfachmessung ausgeschlossen werden.
• Jedoch bezieht sich die Erfindung nicht nur auf die Analyse von Nervengasen, sondern kann auch für die Erfassung und Analyse von Gas im allgemeinen, von Gas, welches von einer Vakuumpumpe verdünnt wurde, als auch von Dämpfen verdampfter Feststoffe oder Flüssigkeiten verwendet werden.

Claims (2)

1. Verfahren zum Nachweis von Fremdstoffgehalten in Gasen, in welchem ionisierte Gase und darin enthaltene Stoffe durch eine Vielzahl Kammern (2) mit jeweils unterschiedlichem, quer zum Gasstrom ausgerichtetem elektrischen Feld (6) geleitet werden,

elektrische Ströme, die quer durch zwei oder mehrere der Vielzahl von Kammern (2) verlaufen, und von Meßelektroden (7) erreichenden Ionen hervorgerufen sind, gemessen werden,

entsprechende Signale erhalten werden, und auf der Basis der Größe und Beziehung der den gemessenen elektrischen Strömen entsprechenden Signale eine Analyse der Fremdstoffe in den Gasen zur Verfügung gestellt wird, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, daß eine Ionisierungszone (1) an dem Einlaßende der Vielzahl Kammern (2) angeordnet ist,

die Gase und die darin enthaltenen Stoffe in der Ionisierungszone (1) ionisiert, und durch die Vielzahl von Kammern (2), die aufeinanderfolgend angeordnet sind, geleitet werden, und

die elektrischen Felder der Vielzahl von Kammern (2) in abwechselnder Feldrichtung ausgerichtet sind.

2. Verfahren zum Nachweis von Fremdstoffgehalten in Gasen, in welchem ionisierte Gase und darin enthaltene Stoffe durch eine Vielzahl Kammern (2) mit jeweils unterschiedlichem, quer zum Gasstrom ausgerichtetem elektrischen Feld (6) geleitet werden,

elektrische Ströme, die quer durch zwei oder mehrere der Vielzahl von Kammern (2) verlaufen, und von Meßelektroden (7) erreichenden Ionen hervorgerufen sind, gemessen werden,

entsprechende Signale erhalten werden, und auf der Basis der Größe und Beziehung der den gemessenen elektrischen Strömen entsprechenden Signale eine Analyse, der Fremdstoffe in den Gasen zur Verfügung gestellt wird,

wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, daß die Gase und die darin enthaltenen Stoffe in der Ionisierungszone (1) ionisiert werden, und das Fremdstoffe enthaltende, ionisierte Gas jede der Kammern (2) längs einem gewundenen Pfad passiert, dieser gewundene Pfad ist von Strommeßplatten (7) begrenzt, die wechselseitig an einander gegenüberliegenden Kammerwänden befestigten Blöcken gehalten sind, so daß die Kammerwand, die einer Kammerwand an der eine Strommeßplatte (7) befestigt ist gegenüberliegt, frei bleibt, mit einem Spalt zwischen benachbarten Meßplatten (7), wodurch mindestens zwei Teilkammern mit einem elektrischen Feld in jeder Kammer (2) begrenzt sind, wobei die Intensität des elektrischen Felds in jeder dieser Teilkammern voneinander verschieden ist.