DE4244440C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung von Gasspuren in Luft - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung von spurenförmigen Verunreinigungen in der Luft. Sie kann insbesondere in der Gasanalytik, auf dem Gebiet des Umwelt- und Arbeitsschutzes sowie im militärischen Bereich zum Nachweis chemischer Kampfstoffe eingesetzt werden.

Es ist bekannt, Beimengungen in der Luft mittels Gasionisationsdetektoren nachzuweisen und anzuzeigen. Dabei wird die angesaugte Luft (Trägergas) mittels einer radioaktiven Strahlungsquelle ionisiert und an zwei Elektroden, die sich im Gasstrom befinden, vorbeigeleitet. An den Elektroden ist eine Spannung angelegt, wobei sich bei Anwesenheit von Verunreinigungen in der Luft, begründet durch das unterschiedliche Ionisationsverhalten unterschiedlicher Gasmoleküle, der Ionisationsstrom ändert. Die Größe der Änderung hängt von einer Vielzahl von Parametern ab. Insbesondere gehen in die Ionisationsstromänderung Geräteparameter ein, die auf die konkrete Gestaltung des Ionisationsraumes, die Elektrodengestaltung und das Elektrodenpotential zurückzuführen sind.

Desweiteren wirken substanzspezifische Einflüsse, die durch unterschiedliche Ionisationsraten, Rekombinationsprozesse der gebildeten Ladungsträgerpaare und unterschiedliche Diffusionskoeffizienten sowie substanzspezifische Einflüsse der Clusterbildung verursacht werden. Darüber hinaus ist die Konzentration der Luftbeimengungen eine Einflußgröße für die Ionisationsstromänderung.

Mithin ergibt sich, daß Gasionisationsdetektoren zwar in der Lage sind Veränderungen in der Zusammensetzung der Luft anzuzeigen, jedoch ist eine Aussage über die Art und die Konzentration der Beimengungen nicht möglich.

Aus der US-PS 4 374 090 ist eine Lösung bekannt, bei der eine erhöhte Selektivität durch die Hinzugabe eines Dopanden zum Gasstrom erreicht wird. Dieses schränkt jedoch den Anwendungsbereich ein und bringt das Problem der Konstanthaltung der Dopandenkonzentration im Gasstrom mit sich.

Weiterhin ist eine Lösung aus der GB-PS 2 105 852 bekannt geworden, bei der zeitabhängig die Ionisationsströme unterschiedlicher Meßkammern ausgewertet werden. Eine Filterung(Reinigung des Gasstromes in der Referenzkammer wird jedoch nicht vorgenommen.

Es stand also die Aufgabe, auf der Basis des Gasionisationsdetektors ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, die für spurenförmige Verunreinigungen eines Trägergasstromes (Luft) in einem weiten Konzentrationsbereich (10^-3 bis 10^-9) Aussagen über die Substanz und deren Konzentration ermöglicht.

Der mit den nachzuweisenden Substanzen beladene Gasstrom wird durch eine Anordnung gesaugt, die aus folgenden Komponenten besteht:

• - ein elektrisch betätigbares Umschaltventil, das den Gasstrom entweder durch ein die nachzuweisenden Luftinhaltsstoffe vollständig absorbierendes Filter oder direkt durch eine das Filter überbrückende Umwegleitung führt,
• - eine Gasionisationsdetektoranordnung
• - eine Pumpe, deren Fördermenge durch eine entsprechende Steuerung geregelt und konstant gehalten wird,
• - einen Gasauslaß.

Zu Beginn des Meßvorganges wird der beladene Gasstrom zum Nullabgleich mittels des Ventils durch die sich anschließende Meßanordnung geleitet. Da nach dem Filter sämtliche Luftinhaltsstoffe aus dem Gasstrom eliminiert sind, registriert die Detektoranordnung nunmehr ein Nullsignal.

Anschließend wird in einem definierten, durch eine Steuer- und Auswerteeinheit vorgegebenen Moment das Ventil umgeschaltet, so daß das Filter überbrückt wird und die Konzentration der nachzuweisenden Moleküle im Gasstrom in definierter Weise, z. B. in Form eines Rechteckimpulses, ansteigt. Zu diesem Zeitpunkt beginnt die zeitaufgelöste Registrierung des Ionenstromes.

Überraschenderweise hat sich gezeigt, daß die Form bzw. der Anstieg der Ionisationsstromänderung d I(t)/dt - identische Charakteristik/Form der Kurve der Konzentrationsänderung dc(t)/dt der nachzuweisenden Gasmoleküle vorausgesetzt - eine Aussage über die Substanz bzw. Substanzklasse der Moleküle ermöglicht.

Nach kurzer Zeit hat sich ein Gleichgewicht/Sättigungsphase des Ionisationsstromes eingestellt, wobei unter Kenntnis der nunmehr bereits bekannten Substanz/Substanzklasse, aus der Größe des Ionisationsstromes ein Maß für die Konzentration der Substanz abgeleitetet werden kann.

Desweiteren zeigte sich, daß die Nachweisempfindlichkeit für unterschiedliche Substanzen/Substanzklassen in Abhängigkeit von der Ionisationsspannung ein Maximum aufweist, was dadurch Berücksichtigung findet, daß nach Identifizierung der Substanz aus der Ionisationsstromänderungskurve durch die Steuer- und Auswerteeinheit die Ionisationsspannung auf den für die entsprechende Substanz optimalen Wert nachgeregelt wird.

Aus der Form der Ionisationsstromänderungskurve sowie aus der Höhe des sich einstellenden Sättigungsstromes werden somit Angaben über die Substanz/Substanzklasse und deren Konzentration im Gasstrom gewonnen, die durch die Steuer- und Auswerteeinheit ausgewertet und anschließend in der Anzeige- und Signalisationseinheit mitgeteilt werden.

Nachfolgend soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.

Fig. 1 zeigt den schematischen Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Der mit den nachzuweisenden Gasspuren beladene Gasstrom passiert zunächst ein erstes Filter 1, das Aerosole aus dem Gasstrom zu entfernen hat. Dahinter ist ein elektrisch betätigbares Magnetventil 2 angeordnet, daß den Gasstrom entweder über ein zweites Filter 3 oder eine Umwegleitung 4 zu einer Gasionisationsdetektoranordnung 5 leitet. Das Filter 3 ist so zusammengesetzt, daß es in der Lage ist, die potentiell nachzuweisenden Substanzen/Substanzgruppen vollständig aus dem Gasstrom zu eliminieren.

Die Detektoranordnung 5 besteht in der konkreten Vorrichtung aus zwei identischen Ionisationsdetektoren 6 und 7, die über ein weiteres Filter 8, das ebenfalls die nachzuweisenden Substanzen vollständig eliminiert, verbunden sind und nacheinander vom Gas durchströmt werden. Nach der Detektoranordnung 5 passiert der Gasstrom die Pumpe 9, deren Förderleistung konstant gehalten wird und verläßt die Anordnung durch den Gasauslaß 10.

Desweiteren sind eine mikroprozessorgesteuerte Steuer- und Auswerteeinheit 11, eine Stromversorgungseinheit 12 und eine Anzeige- und Signalisationseinheit 13 vorhanden.

In der Steuer- und Auswerteeinheit 11 ist u. a. ein Differenzverstärker 14 angeordnet, der den Differenzionenstrom der beiden mit derselben Gleichspannung betriebenen Ionisationsdetektoren 6 und 7 aufnimmt, verstärkt und der Auswertung zuführt.

Claims (6)

1. Verfahren zur Bestimmung von Gasspuren in Luft, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Gasstrom eine definierte Konzentrationsänderung der zu bestimmenden Gasspuren erzeugt wird, dieser Gasstrom einer Gasionisationsdetektoranordnung zugeführt wird, die Änderung dI(t)/dt des Ionisationsstromes als Funktion der Zeit während der Konzentrationsänderung registriert und aus einer Verschleifung der Funktion I(t), die aus substanzspezifischen Unterschieden in der Ionenbeweglichkeit herrührt, ein Maß zur Identifizierung der Gasspuren gewonnen wird, anschließend die Größe des Ionensättigungsstromes registriert und zur Bestimmung der Konzentration herangezogen wird, wobei der Anstieg des Ionisationsstromes dI(t)/dt zum Zweck der Unifizierung auf den Wert des Sättigungsstromes normiert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß aus der Identifizierung der Gasspuren ein Maß zur Nachregelung der Ionisationsspannung auf einen substanzspezifischen Optimalwert der Nachweisempfindlichkeit gewonnen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die definierte Konzentrationsänderung in Form eines Rechteckimpulses erzeugt wird, derart, daß der beladene Gasstrom zuerst über ein die nachzuweisenden Gasspuren vollständig absorbierendes Filter und anschließend durch Umschalten eines Magnetventils auf eine das Filter überbrückende Umwegleitung geführt wird.

4. Vorrichtung zur Bestimmung von Gasspuren in Luft, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Gasstromsystem ein Magnetventil (2) angeordnet ist, welches den Gasstrom entsprechend seiner Ansteuerung durch ein Filter (3), welches die nachzuweisenden Gasspuren aus dem Gasstrom eliminiert, oder durch eine Umwegleitung (4) auf eine Gasionisationsdetektoranordnung (5) leitet, an die sich eine Pumpe (9) zur Erzeugung des Gasstromes und ein Gasauslaß (10) anschließt, daß das Magnetventil (2), die Detektoranordnung (5) und die Pumpe (9) mit einer Steuer- und Auswerteeinheit (11) und diese mit einer Stromversorgungseinheit (12) und einer Anzeige- und Signalisationseinheit verbunden sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasionisationsdetektoranordnung (5) aus zwei identischen Ionisationsdetektoren (6 und 7) und einem dazwischengeschalteten Filter (8), welches die nachzuweisenden Gasspuren vollständig eliminieren kann, besteht, wobei der Detektor (6), das Filter (8) und der Detektor (7) nacheinander vom Gasstrom durchströmt werden und daß die Detektoren (6 und 7) an eine Differenzverstärkeranordnung (14) zur Auswertung des Differenzsignals des Ionisierungsstromes in der Steuer- und Auswerteeinheit (11) angeschlossen sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß dem Magnetventil (2) ein Filter (1) zur Eliminierung von Aerosolen aus dem zu untersuchenden Gasstrom vorgeschaltet ist.