DE3048216A1 - Gas property investigation by Knudsen flow chamber - is applied to reactive gases - Google Patents
Gas property investigation by Knudsen flow chamber - is applied to reactive gasesInfo
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Abstract
Description
Kernforschungsanlage JülichJülich nuclear research facility
Gesellschaft mit beschränkter Haftung Amtliches Fktenzeichen: P 30 48 216.7 Verfahren und Gerät zur Untersuchung von Gasen (Zusatz zu Patent: 2 720 300) Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Untersuchung von Gasen anhand der mittleren Molekulargeschwindigkeit über die Knudsen-Strömung, bei dem man einerseits ein Bezugsgas und andererseits das zu untersuchende Gas in definierter Menge pro Zeiteinheit in eine erste Zone von bekanntem Volumen und aus dieser ersten Zone durch eine Knudsen-Strömung mit variablem effektiven Querschnitt in eine zweite Zone mit bekanntem Druck strömen läßt, die Gasmenge oder eine dazu proportionale Größe in der ersten Zone nach Erreichen eines ersten stationären Zustandes mißt, den effektiven Querschnitt der Knudsen-Strömung spontan verändert, die Messung für den danach erreichten zweiten stationären Zustand wiederholt und die Differenz der Werte der beiden stationären Zustände sowie den Gradienten des Meßwertes im Anschluß an die Querschnittsveränderung bestimmt nach Patent P 2 720 300, sowie auf ein Gerät zur Durchführung des Verfahrens.Limited liability company Official code: P 30 48 216.7 Method and device for analyzing gases (addendum to patent: 2 720 300) The invention relates to a method for examining gases using the mean molecular velocity over the Knudsen flow, at which one on the one hand a reference gas and on the other hand the gas to be examined in a defined amount per Unit of time into a first zone of known volume and from this first zone through a Knudsen flow with a variable effective cross-section into a second Zone with known pressure can flow, the amount of gas or a proportional one Measures size in the first zone after reaching a first steady state, the effective cross-section of the Knudsen flow changed spontaneously, the measurement for repeats the second steady state reached thereafter and the difference in Values of the two stationary states as well as the gradients of the measured value afterwards to the change in cross-section determined according to patent P 2 720 300, as well as to a device to carry out the procedure.
Verfahren und Gerät nach dem Hauptpatent dienen zur Messung der Molekülgröße über die Molekelgeschwindigkeit, welche durch Änderung der Strömungsquerschnitte bei Gasflüssen in der Gegend von lo Molekeln/s ermittelt werden. Dabei wird als ggf. zusätzlicher Sensor insbesondere ein Massenspektrometer verwendet, und einer der Vorteile der Verfahrensweise nach dem Hauptpatent besteht darin, daß einwandfreie Zuordnungen von Fragmentsignalen möglich sind. Schwierigkeiten treten jedoch auf, wenn sich die Gase nicht inert verhalten.The method and device according to the main patent are used to measure the molecular size via the molecular speed, which is caused by changing the flow cross-sections can be determined for gas flows in the region of 10 molecules / s. As a possibly an additional sensor in particular Mass spectrometer used, and one of the advantages of the main patent procedure is that perfect assignments of fragment signals are possible. Difficulties arise however, if the gases are not inert.
Ziel der Erfindung ist daher eine Abwandlung des Verfahrens nach dem Hauptpatent, so daß auch Untersuchungen reaktiver Gase und von Gas/Festkorperreaktionen möglich werden.The aim of the invention is therefore a modification of the method according to the Main patent, so that studies of reactive gases and gas / solid-state reactions are also possible become possible.
Zu diesem Zweck ist das erfindungsgemäße Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gekennzeichnet, daß man in die Kammer Gase einspeist, die in der Kammer Reaktionen einyehen und daß man die Gasdichte von zumindest einer der Komponenten der sich ergebenden Mischung mit einem selektiven Sensor, insbesondere einem Massenspekrometer in Abhänyigkeit von der Zeit nach der spontanen Querschnittsänderung mißt. Die Querschnittsänderung kann dabei entweder durch Öffnen eines weiteren Ventils oder mit Hilfe eines stufenweise zu offneilden Ventils herbeigeführt werden.For this purpose, the method according to the invention is that mentioned at the beginning Kind characterized in that gases are fed into the chamber which are in the chamber Einyehen reactions and that the gas density of at least one of the components the resulting mixture with a selective sensor, in particular a mass spectrometer measured as a function of the time after the spontaneous change in cross-section. The change in cross-section can be done either by opening another valve or with the help of a step-by-step process to open the valve.
Dabei werden die Messungen vorzuysweise bei unterschiedlichen Drucken sowie unterschiedlichen Temperaturen wiederholt, so daß durch Auswertung der erhaltenden Daten Aussagen über die Reaktionsgeschwindigkeit und Aktivierungsenergie sowie Reaktionsordnung möglich werden. Messungen mit reaktiver Oberfläche erfolgen so, daß man eine reaktive Oberfläche mit definierter Temperattlr in der Vakuumkammer vorsieht, deren effektive Fläche im Vergleicll zu einer reellen Ausströmöffnung bestimmt wird.The measurements are made for different pressures as well as different temperatures repeated, so that by evaluating the obtained Data statements about the reaction rate and activation energy as well as reaction order become possible. Measurements with a reactive surface are carried out in such a way that a reactive Surface with a defined temperature in the vacuum chamber provides whose effective area is determined in comparison to a real outflow opening.
Das für diese Untersuchungen brauchbare Gerät nach dem Hauptpatent mit einer Vakuumkammer mit bestimmtem Volumen, die durch einen angeschlossenen Vorrat mit Gas beschickbar und über wenigstens zwei wahlweise und unabhängig voneinander zu öffnende und zu schließende Ventile an eine Saugpumpe angeschlossen ist und einen Sensor zur Bestimmung der in ihr herrschenden Gasdichte enthält, hat für die letzteren Untersuchungen insbesondere eine Probenhalterung und ggf. -abschirmung sowie eine Probenheizung in der Vakuumkammer.The device according to the main patent that can be used for these investigations with a vacuum chamber with a certain volume, which is supplied by an attached supply can be charged with gas and optionally and independently of one another via at least two to be opened and closed valves is connected to a suction pump and a Sensor for determining the gas density prevailing in it, has for the latter Investigations in particular a sample holder and, if necessary, a shield as well as a Sample heating in the vacuum chamber.
Zur Untersuchung chemischer Reaktionen wird insbesondere eine Vorrichtung verwendet, wie sie durch die beiliegende Zeichnung veranschaulicht ist.In particular, a device is used to investigate chemical reactions is used as illustrated by the accompanying drawing.
Diese umfaßt eine Vakuumkammer 1, die über die Ventile S, S1 und S2 an ein (nicht näher dargestelltes) Vakuumpumpsystem 2 angeschlossen ist.This includes a vacuum chamber 1, the valves S, S1 and S2 is connected to a (not shown) vacuum pump system 2.
Aus einem Vorratsgefäß 3 wird das Untersuchungsgas über ein Ventil 4 in die Vakuumkammer 1 eingelassen. Diese enthält ferner einen Sensor 5 für die Gas dichte sowie ein Temperaturmeßgerät 6 und einen Zugang zu der Ionisationskammer 7 des Massenspektrometers 8.The gas to be examined is drawn from a storage vessel 3 via a valve 4 let into the vacuum chamber 1. This also contains a sensor 5 for the Gas tight and a temperature measuring device 6 and access to the ionization chamber 7 of the mass spectrometer 8.
Die Wirkungsweise dieses Geräts ist im Hauptpatent beschrieben.The mode of operation of this device is described in the main patent.
Zusätzlich enthält dicse Vorrichtung gemäß der Erfindung eine Probenhalterung 9, die eine Verschiebung der Probe in der Kammer zuläßt und ggf. eine Abschirmeinrichtung aufweist sowie eine insbesondere als Hochfrequenzheizung au-gebildete Heizung 1o und einen Temperaturfühler 11 (insbesondere ein Thermoelement). Bei Anwendung einer Hochfrequenzheizung ist die Ionenquelle 7 des Geräts durch einen Käfig 12 elektrisch abzuschirmen.In addition, this device according to the invention contains a sample holder 9, which allows the sample to be moved in the chamber and, if necessary, a shielding device as well as a heater 1o formed in particular as a high-frequency heater and a temperature sensor 11 (particularly a thermocouple). When using a The ion source 7 of the device is electrically high-frequency heating by means of a cage 12 shield.
Die erfindungsgemäße Abwandlung von Verfahren und Gerät nach dem Hauptpatent für die Untersuchung von reagierenden Gasen basiert auf folgenden überlegungen: Bei einer Reaktion wird das Gas verbraucht, wobei ein anderes Gas entstehen kann. Bei der (sehr geringe Drucke voraussetzenden) Knudsen-StrömXlr.g kann es sich überwiegend nur um eine Oberflachen reaktionen handeln, wobei die Oberfläche durch die Wand des Gerätes oder durch Einbauten, wie Manometerröhre, Sensorfläche oder eine spezifische eingebrachte Fläche gegeben ist. Bei einer derartigen Reaktion verhält sich die Oberfläche so, als ob sie sich für das reagierende ,as öffnet und einen effektiven Querschnitt Gf für den Casverbrauch bildet. Dieser chemisch bedingte effektive Querschnitt Gas ist von der Gasdichte und der Temperatur der Oberfläche abhängig. Der chemisch bedingte effektive Querschnitt 6j beeinflußt einerseits die Ausgleichskurve, was bei der Auswertung zu berücksichtigen ist. Diese Ausgleichskurve ist die Dichte in Abhängigkeit von der Zeit nach der spontanen Querschnittsänderung.The inventive modification of the method and device according to the main patent for the investigation of reactive gases is based on the following considerations: In a reaction, the gas is consumed and another gas can be produced. In the case of Knudsen-StrömXlr.g (which requires very low pressures), it can predominantly be only a surface reaction act, whereby the surface through the wall of the device or through built-in components such as a manometer tube, sensor surface or a specific introduced area is given. With such a reaction, the behaves Surface as if it opens up to the reactive, the as and an effective Forms cross-section Gf for the Cas consumption. This chemically determined effective cross-section Gas is dependent on the gas density and the temperature of the surface. The chemical conditional effective cross section 6j on the one hand affects the compensation curve, what must be taken into account in the evaluation. This best-fit curve is the density as a function of the time after the spontaneous change in cross-section.
Nach der spontanen Querschnittsvergrößerung strebt die Intensität des Sensorsignals von dem stationären Anfangswert 1a einen neuen stationären Endwert 1e an.Strives for spontaneous cross-sectional enlargement the Intensity of the sensor signal from the stationary initial value 1a to a new stationary one End value 1e.
Der Ubergang ist exponentiell und folgt der Beziehung worin d = 1 Ip I, die Differenz zwischen Anfangs-und Endwert, die mittlere Molekelgeschwindigkeit, V das Volumen der Kammer und t die Zeit bedeuten.The transition is exponential and follows the relationship where d = 1 Ip I, the difference between the initial and final value, is the mean molecular velocity, V is the volume of the chamber and t is the time.
Die Zeitzählung beginnt mit dem spontanen Öffnen des zweiten Ventiles. #0 ist der effektive Querschnitt des Sprungventils, welches bei allen Messungen betätigt wird. Ber effektive Querschnitt des zweiten Ventils läßt sich auf einen Wert zwischen fest einstellen und gibt damit die Intensitätsänderung d I vor. Dieses Ventil verbleibt während der Messung offen.The time counting begins with the spontaneous opening of the second valve. # 0 is the effective cross section of the jump valve, which is actuated for all measurements. The effective cross section of the second valve can be set to a value between set permanently and thus specifies the change in intensity d I. This valve remains open during the measurement.
Die Beziehung (1) gilt für nichtreagierende Gase.The relationship (1) applies to non-reactive gases.
Reagiert das Gas, so ist statt (1) zu schreiben Eine halblogarithmische Auswertung von (1) und (2) ergibt für ein und dasselbe Gas übereinstimmende Werte nur dann, wenn #r # 0 ist. Wenn das nicht zutrifft, ist daher eine andere Auswertungsmethode erforderlich. Diese ist durch die Beziehung (3) gegeben. Wie ersichtlich ist, müssen die IntensTtfiten nur in relativen Einheiten bekannt sein. Das Ergebnis nach (3) ist von #x unabhängig. Dieses hat den Vorteil, daß der effektive Querschnitt von 6rs nicht bekannt sein muß Der Quesschnitt von 6rK muß nur konstant gehalten werden. Die halblogarithmische Auswertung nach (3) ergibt eine Gerade, deren Steilheit unabhängig von den effektiven Werten von #k und #t der mittleren Molekelgeschwindigkeit der Gasmolekel proportional ist Die halblogarithmische Auftragung der Meßwerte für die Intensität in Abhängigkeit von der Zeit für Inertgas mit unterschiedlichen Abströmquerschnitten für reagierendes Gas ergibt Geraden entsprechend den Gleichungen (13, (2) und (3). Aus den Steilheiten der Geraden kann man das Verhältnis von #K/#0 bzw. #r/#0 ermitteln. Sind die Messungen bei unterschiedlichen Gastemperaturen durchgeführt, so sind die Steilheiten unter Zuhilfenahme der mittleren Molekelgeschwindigkeit auf einen Temperaturwert zu korrigieren.If the gas reacts, write instead of (1) A semi-logarithmic evaluation of (1) and (2) only gives matching values for one and the same gas if #r is # 0. If this is not the case, a different evaluation method is therefore required. This is through the relationship (3) given. As can be seen, the intensities only need to be known in relative units. The result according to (3) is independent of #x. This has the advantage that the effective cross section of 6rs does not have to be known. The cross section of 6rK only needs to be kept constant. The semi-logarithmic evaluation according to (3) results in a straight line, the steepness of which is proportional to the mean molecular velocity of the gas molecules, regardless of the effective values of #k and #t for reacting gas results in straight lines according to equations (13, (2) and (3). From the steepness of the straight lines one can determine the ratio of # K / # 0 or # r / # 0. If the measurements are carried out at different gas temperatures , the slopes are to be corrected to a temperature value with the aid of the mean molecular velocity.
Ist die Steilheit der Geraden aus (3) für ein Gas mit einem bekanten Molekelgewicht bei einer Temperatur bekannt, so ist auch bei bekanntem Rauminhalt der Vakuumkammer #0 bekannt und somit auch die effektive Reaktionsfläche #r .Is the steepness of the straight line from (3) for a gas with an edging Molecular weight is known at a temperature, so is also known when the volume is known of the vacuum chamber # 0 and thus also the effective reaction area #r.
Reaktive Gase, in die Kammer eingelassen, reagieren, wobei Produktgase entstehen. Aus den massenspekLrometischen Messungen kann man die verschiedenen Gaskomponenten nachweisen, aber nicht unterscheiden, welches das reagierende und welches das Produktgas ist. Die Intensitätsänderungen nach dem spontanen Öffnen des Sprungventils sind von einem nichtreagierenden Gas, einem reagierenden Gas und einem Produktgas markant unterschiedlich. Es gilt die Beziehung Dadurch ist es möglich, das Reaktionsgas von einem Produktgas in einer Gasmischung zu unterscheiden.Reactive gases admitted into the chamber react, producing product gases. The various gas components can be detected from the mass spectrometry measurements, but no distinction can be made between which is the reacting gas and which is the product gas. The changes in intensity after the jump valve opens spontaneously are markedly different from a non-reacting gas, a reacting gas and a product gas. The relationship applies This makes it possible to distinguish the reaction gas from a product gas in a gas mixture.
Es ergibt sich, daß z.B. H2S schon bei Zimmertemperatur und einem Druck von ca. o,6 . 1o mbar mit Sauerstoff und besonders stark mit stickstoffdioxid reagiert, wobei S02 und Sx-SO2 Komplexe gebildet werden.It turns out that e.g. H2S already at room temperature and one Pressure of approx. O.6. 10 mbar with oxygen and particularly strong with nitrogen dioxide reacts, whereby S02 and Sx-SO2 complexes are formed.
In einem Beispiel wird die Auswertung b Sauerstoff dargestellt. Der für den Versuch benötigte Sauerstoff höchster Reinheit wurde mittels eines heizbaren Silberzylinders aus der Luft ausgefiltert. Die dargestellten Messungen sind bei einem Druck von o,45 mbar durchgeführt worden. Durch die Einschaltung des Ionisationsmanometers reagiert der Sauerstoff an den heißen Teilen der Röhre.In one example, the evaluation b Oxygen is shown. The oxygen of the highest purity required for the experiment was filtered out of the air by means of a heatable silver cylinder. The measurements shown are at a pressure of o.45 mbar. When the ionization manometer is switched on, the oxygen reacts on the hot parts of the tube.
In Fig.2 ist die Auswertung nach (3) halblogarithmisch aufgetragen,
Die Meßpunkte mit und ohne Reaktion ergeben bei vorgegebenen Drucken ein und dieselbe
Ge--1 rade. Die Steilheit beträqt o,487 s . Das Volumen 3 der Kammer betrug 39,76
dm . Die Gastemperatur
297 Daraus resultiert gi.n Wert für
2 1,74 cm In Fig. 3 sind die Messungen nach (1) bzw.(2) wiedergegeben. Die Steilheiten
der Geraden mit Sauerstoffreaktion weichen erheblich von denen des nichtreagie -enden
Gases ab. Die Steilheit für den nicht reaqierenden Sauerstoff beträgt
-1 o,589 s 1, Aus dem Verhältnis
o 589 0,487 = 1,21 folgt
#K/#0 = 0,21 bzw. #K = 0,37 cm². Die Steilheit
bei 1,4 . 10-6 mbar und Reaktion beträgt 0,609s-1
Ist die effektive Reaktionsfläche und der Druck bekannt, so ist auch die Reaktionsgeschwindigkeit bekannt. Ist die Reaktionsfläche bei verschiedenen Temperaturen und unterschiedlichen Drucken bekannt, so ist auch die Aktivierungsenergie und die Reaktion ordnung bekannt.If the effective reaction area and the pressure are known, then is also the speed of reaction is known. Is the reaction area at different Temperatures and different pressures are known, so is the activation energy and the reaction order is known.
Claims (4)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE19803048216 DE3048216A1 (en) | 1977-05-06 | 1980-12-20 | Gas property investigation by Knudsen flow chamber - is applied to reactive gases |
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE2720300A DE2720300C3 (en) | 1977-05-06 | 1977-05-06 | Method and apparatus for the investigation of gases |
| DE19803048216 DE3048216A1 (en) | 1977-05-06 | 1980-12-20 | Gas property investigation by Knudsen flow chamber - is applied to reactive gases |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE3048216A1 true DE3048216A1 (en) | 1982-07-29 |
Family
ID=25771983
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DE19803048216 Withdrawn DE3048216A1 (en) | 1977-05-06 | 1980-12-20 | Gas property investigation by Knudsen flow chamber - is applied to reactive gases |
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|---|---|
| DE (1) | DE3048216A1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE3644820A1 (en) * | 1986-12-31 | 1988-11-03 | Gyulai Maria Dobosne | Device and method of detecting particles |
-
1980
- 1980-12-20 DE DE19803048216 patent/DE3048216A1/en not_active Withdrawn
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE3644820A1 (en) * | 1986-12-31 | 1988-11-03 | Gyulai Maria Dobosne | Device and method of detecting particles |
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