AÜberblick
In Europa schreibt die Norm DIN EN ISO 6143 die Verfahren für die Bestimmung und Kontrolle der Zusammensetzung der Gasgemische vor, die für die Kalibrierung von Gasgeräten verwendet werden. Die Norm DIN EN ISO 6145-1 legt die Verfahren zur Vorbereitung der Gasgemische mithilfe von dynamisch-volumetrischen Verfahren fest und beschreibt die verschiedenen Herstellungsverfahren.
Im Wesentlichen handelt es sich um Verfahren, die in der Lage sind, kontrollierte und damit bekannte Volumenströme der Gase zu generieren, die dann bei angemessener Kombination bekannte Gasgemische hervorbringen.
Im Folgenden wird auf nur drei der möglichen Verfahren näher eingegangen:
- Verdünnung mit kalibrierten Düsen (CFO) oder Kapillaren: Die kalibrierten Düsen funktionieren mit Wirbelstrom, die Kapillaren mit laminarer Strömung. Es werden Düsen mit unterschiedlichen Querschnitten verwendet, um an jeder Düse steigende Volumenströme entsprechend der Progression 2^n zu erhalten. Die Kapillaren dagegen werden nach dem Kriterium der „Gleichheit“ ausgewählt.
- Verdünnung mit Durchflussreglern: Oft wird auch der Begriff „Massendurchflussmesser“ verwendet, aber in Wirklichkeit basiert die Funktionsweise der Durchflussregler auf einer „thermischen“ Messung vom Durchfluss (durch die Wärmeübertragung eines heißen Elements auf einen oder zwei Sensoren, die auf geeignete Weise in der Wägezelle positioniert sind) und auf der Regulierung vom Durchfluss mit einem Ventil und einem geschlossenen Regelkreis.
- Andere Verfahren (z.B. Volumetrischer Gasblasen- oder Kolben-Durchflussmesser) zeichnen sich durch ausgezeichnete Empfindlichkeit und Genauigkeit aus. Sie eignen sich nicht für die Herstellung von dynamischen Gasverdünnern, können aber für die Qualitätsprüfung an Gasverdünnern eingesetzt werden.
Verdünnung mit kalibrierten Düsen (CFO) oder Kapillaren
Trotz ihrer „Einfachheit“ liefern beide Verfahren optimale Ergebnisse im Hinblick auf die Präzision, die langfristige Stabilität und die Zuverlässigkeit. Die verschiedenen Verdünnungen können mit diskreten Stufen erzielt werden, die den verschiedenen Anschlüssen (an das zu verdünnende Gas oder das Verdünnungsgas) der verschiedenen Düsen oder Kapillaren entsprechen.
- Kalibrierte Düsen (mit steigendem Querschnitt) erlauben die Auswahl einer Anzahl an „Stufen“ von 2^n, wobei n die Anzahl der installierten Düsen ist. Mit 7 Düsen lassen sich z.B. 256 verschiedene Verdünnungsverhältnisse im Bereich von 0 bis 100% des zu verdünnenden Gases erzielen.
- Das Messsystem zur metrologischen Prüfung der Düsen mit steigendem Querschnitt muss allerdings über herausragende Qualität im Hinblick auf die Linearität verfügen.
- Außerdem stößt ein Durchflussmesser, der für die größte Düse geeignet ist, beim Messen der kleineren Düsen (Düsen mit anderem Querschnitt) an seine Grenzen.
- Kapillaren (mit konstantem Querschnitt) erlauben die Auswahl einer Anzahl an Verdünnungsstufen, die der Anzahl der installierten Kapillaren entspricht. Mit 30 Kapillare (BetaCAP30) lassen sich zum Beispiel 30 verschiedene Verdünnungsfaktoren (neben Null) erzielen.
Verdünnung mit Durchflussreglern
Diese Systeme bestehen aus einem Durchflussregler und einem geschlossenen Regelkreis. Die Unsicherheitseigenschaften dieses System werden durch die Messunsicherheit und das Totband des Reglers beeinflusst. Der Hauptvorteil dieses Systems ist die „Kontinuität“ der Verdünnungsfaktoren, die umgesetzt werden können, da der Verdünnungsfaktor stufenlos alle Werte eines definierten Bands einnehmen kann.
Unterschiedliche „Verdünnungsbänder“ lassen sich durch die Kombination von Durchflussreglern mit unterschiedlichen Regelbereichen erhalten. Im Handel sind Durchflussregler mit Messbereichen erhältlich, die von wenigen µl/min bis zu zig l/min reichen. Für alle wird eine Verwendung empfohlen, die 10 bis 100% des Vollausschlags nicht übersteigt.
Tatsächlich tritt der überwiegende Teil der Fehler für den Vollausschlag des Durchflussreglers auf und es ist offensichtlich, dass dieser sich im Hinblick auf den effektiven Volumenstrom um den Faktor 10 multipliziert, wenn mit 10% des Arbeitsbereichs gearbeitet wird.
Auch die Linearität der Antwortzeit der Durchflussmesser spielt eine entscheidende Rolle. Einige Hersteller erklären die vollständige „Linearisierung“, die durch den Einsatz von korrigierenden Polynomen erzielt wird.
Eine Rolle spielen auch die Probleme der geringen Zuverlässigkeit und der signifikanten Abweichungen bei der Verwendung tragbarer Prüfgeräte, die in erster Linie durch die geringe Stoßfestigkeit und die höhere Empfindlichkeit für atmosphärische Bedingungen (und die Notwendigkeit der Regulierung bei Einschalten des Geräts) bedingt sind.
Die höhere Flexibilität durch die Möglichkeit, eine „kontinuierliche“ verdünnte Konzentration zu wählen, geht zu Lasten einer geringeren Genauigkeit und verschiedenen Zuverlässigkeitsproblemen bedingt durch die Kritizität der Oberflächenzustände in den miniaturisierten Maßen des Durchflusssensors.
In der Vergangenheit war das die einzige Möglichkeit für die Herstellung von Gasverdünnern mit sehr hohen Verdünnungsverhältnissen (über 1000:1), die zu einem Standard für Gasanalysatoren für die Luftqualität geworden ist.
Eine „leichte“ Überlegung…
Ich habe schon Bemerkungen vom Typ gehört: „Aber ich würde eine Lösung vorziehen, die modernere Verfahren einsetzt!“
Abgesehen von der Tatsache, das Hagen und Poiseauille keine Persönlichkeiten aus der Vorzeit sind, was sollten wir dann von den Rädern halten, die an den Rennwagen der Formel 1 montiert sind? Die runde Form gibt es seit der Jungsteinzeit (vor mehr als 7000 Jahren): wollen wir sie ändern? Selbstverständlich wollen wir kein Rad, das aus Stein gehauen ist, aber die runde Form werden wir wohl noch eine ganze Weile benutzen.
Die Technik der Kapillaren wird heute mit neuen Lösungen umgesetzt (für die Be.T.A. Strumentazione die wichtigsten Impulse gegeben hat), die eine Implementierung von Funktionen erlaubt, die bis vor wenigen Jahren noch undenkbar waren.
Und es ist genau diese relative Einfachheit der Gesetze, die den Fluss der Fluide in den Kapillaren regeln, die es uns ermöglicht hat, die niedrigsten Unsicherheiten bei den Verdünnungen zu erreichen und zu garantieren.