Die folgenden Anwendungen zeigen Einsatzszenarien eines PIMMS, f¨ur die herk¨ommliche Instrumente eingeschr¨ankt geeignet sind. Die qualifizierenden Eigenschaften des Mikromas-senspektrometers sind dabei
• Kosten: Anschaffung und Wartung
• Mobilit¨at: Volumen und Gewicht
• Robustheit: Vibration
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6 2. Erweiterung der Mikroanalytik
Rektifikationskolonne Zur Auftrennung von fluiden Stoffgemischen, deren Komponen-ten verschiedene Siedetemperaturen besitzen, wird in der chemischen Industrie h¨aufig die Rektifikationskolonne verwendet [12]. Zur Prozessregelung dienen in der industriellen Pra-xis ¨ublicherweise Temperaturen als Hilfsregelgr¨oßen, die an mehreren Stellen innerhalb der Kolonne gemessen und mittels ¨ublicher Regler, zum Beispiel PID-Regler, kontrolliert wer-den [13]. Parallel dazu findet die ¨Uberpr¨ufung der Produktqualit¨aten statt, die ¨uber ¨ubliche Laboranalysen zeitdiskret vorgenommen wird. Dieses Verfahren ist zeit- und kostenintensiv.
In diesem Zusammenhang w¨are eine direkte Online-Analytik der hergestellten Produkte w¨unschenswert, die die Produktqualit¨aten direkt misst und einem Regler zwecks Einhal-tung der vom Kunden vorgegebenen Produktzusammensetzung zur Verf¨ugung stellt. F¨ur viele Stoffgemische ist ein Massenspektrometer geeignet, um die Konzentration der Pro-duktstr¨ome zu bestimmen. Je nach Kolonnentyp (einfache Kolonnen, Seitenabzugs- bzw.
Trennwandkolonnen) variiert die Anzahl der zu bestimmenden Produktstr¨ome, so dass sogar ein Netzwerk aus mehreren Massenspektrometern an einer Kolonne erforderlich ist.
Uberwachung von Trocknungsprozessen¨ Die Abtrennung von Fl¨ussigkeit aus feuchten G¨utern erfolgt oft durch die thermische Trocknung [12]. ¨Ublicherweise wird der Trocknungs-prozess so parametrisiert, dass das Gut auch im ung¨unstigsten Fall, d.h. bei maximaler Zulauffeuchte, noch sicher ¨uber den spezifizierten Grad hinaus getrocknet wird.
In den meisten F¨allen wird dabei die notwendige Trocknungsdauer ¨uberschritten, was vor allem zu einem erh¨ohten Energiebedarf f¨uhrt, die thermische Belastung des Gutes erh¨oht und die Belegung der Anlage verl¨angert. Eine Online- ¨Uberwachung der Restfeuchte des Gutes ist bisher in vielen F¨allen kaum m¨oglich.
Durch den Einsatz eines Massenspektrometers zur ¨Uberwachung der Abluft eines Trock-nungsprozesses kann der Anteil der zu verdampfenden Fl¨ussigkeit differenziert bestimmt werden. Das Erreichen des gew¨unschten Trocknungsgrades des Gutes kann dadurch de-tektiert und der Prozess vorzeitig beendet werden. Durch die Energieeinsparung und eine k¨urzere Prozessdauer ergibt sich ein Einsparpotenzial. Wie beim vorigen Anwendungsbei-spiel wird f¨ur diese Messaufgabe ebenfalls ein kosteng¨unstiges Massenspektrometer ben¨otigt, das sich direkt an der Anlage montieren l¨asst.
Kopplung: Gaschromatograph - Massenspektrometer Die Gaschromatographie ist eine Methode zur Auftrennung von Stoffgemischen anhand ihrer charakteristischen Verweildauer in einer beschichteten S¨aule. Seit j¨ungster Zeit sind miniaturisierte Gaschromatographen (µGC) am Markt verf¨ugbar [14, 15], die der Mikro-Analytik zugeschrieben werden k¨onnen.
Sie sind aus Komponenten der Mikrosystemtechnik aufgebaut und besitzen dadurch ein geringes Volumen und kurze Ansprechzeiten [16, 17]. Der zur Signalwandlung verwendete W¨armeleitf¨ahigkeitsdetektor liefert allerdings keine Information ¨uber die Zusammensetzung der momentan detektierten Probe. Durch den Einsatz eines Mikromassenspektrometers als Detektor f¨ur einen µGC l¨asst sich eine kosteng¨unstige miniaturisierte GC-MS-Kopplung realisieren.
Eine GC-MS-Kopplung ist auch dann notwendig, wenn die Aufl¨osung A= ∆mm des
Mas-2.1. Anwendungsbeispiele 7 senspektrometers zu gering ist, um zwischen Substanzen zu differenzieren, deren Massen-peaks sehr nahe beieinander liegen. Als Beispiel sei hier die Trennung von Kohlenmonoxid, Stickstoff und Ethen genannt [9]:
Substanz Formel Nominalmasse Exakte Masse [u]
Ethen C2H4 m/z 28 28,006148
Kohlenmonoxid CO m/z 28 27,994910
Stickstoff N2 m/z 28 28,031296
Um diese Stoffe mittels eines Massenspektrometers voneinander zu trennen, ist eine Auf-l¨osung von mindestens 2500 erforderlich. Diese AufAuf-l¨osung wird mit dem PIMMS kaum zu erreichen sein, trotzdem wird die Trennung der genannten Substanzen durch die GC-MS-Kopplung erm¨oglicht.
Lecksuche Bei der Dichtheitspr¨ufung wird oft das Sp¨urgas Helium eingesetzt, da es in-ert, ungiftig und nicht brennbar ist sowie eine hohe Mobilit¨at aufweist. Die Detektion von Helium erfolgt meist durch Massenspektrometer, da diese eine ausreichend hohe Queremp-findlichkeit aufweisen [18, 19]. Es kommt aber auch die Ausnutzung der Permeabilit¨at von Quarzglas f¨ur Helium bei hohen Temperaturen zum Einsatz [20]. Ein Mikromassenspektro-meter eignet sich besonders durch seine kleinen Abmessungen f¨ur den Einsatz als Lecksuch-ger¨at. Durch die Spezialisierung auf das Sp¨urgas Helium l¨asst sich die Ansteuerelektronik vereinfachen und die Gr¨oße des Gesamtsystems auf ein Handger¨at beschr¨anken.
Bohrloch / Tiefsee Stoffanalysen in rauen Umgebungsbedingungen, verursacht durch zum Beispiel starke Vibration, sind mit herk¨ommlichen Massenspektrometern kaum m¨oglich.
Als Beispiel seien Tiefenbohrungen genannt, die zur Erschließung von fossilen Brennstoffen und geologische Untersuchungen dienen. Durch die geringe Masse und das monolithische Design eignet sich ein Mikromassenspektrometer f¨ur die in-situ Messung, denn es kann direkt in den Bohrkopf integriert werden.
Ein weiteres Beispiel ist der Einsatz eines Massenspektrometers in der Tiefsee. Die Re-ferenzen [21, 22] zeigen Massenspektrometer, die die Konzentration von organischen Sub-stanzen in der Tiefsee ¨uberwachen. Auch f¨ur diese Anwendung lassen sich die Vibrationsun-empfindlichkeit und die kleinen Abmessungen eines Mikromassenspektrometers ausnutzen.
Automobil Verbrennungsmotoren werden auch in den kommenden Jahren die dominieren-de Antriebstechnologie f¨ur Kraftfahrzeuge darstellen. Um dominieren-den steigendominieren-den Anfordominieren-derungen an diese bez¨uglich Emission gerecht zu werden, wird eine verbesserte R¨ucklesung des momen-tanen Motorzustands ben¨otigt. Dazu werden in der Entwicklung von Verbrennungsmotoren bereits Massenspektrometer eingesetzt [23, 24]. F¨ur die kontinuierliche Motor¨uberwachung von Serienfahrzeugen w¨are der Einsatz eines kosteng¨unstigen Mikromassenspektrometers denkbar.
ISBN 978-3-86853-332-3 Jan-Peter Hauschild - Planar integriertes Mikromassenspektrometer
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