DE1223589B - Verfahren zum Bestimmen der Gasdurchlaessigkeit von Folien und Geraet zur Durchfuehrung des Verfahrens - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

GOIn

Deutsche Kl.: 42 k-51

Nummer: 1 223 589

Aktenzeichen: L 46642IX b/42 k

Anmeldetag: 20. Dezember 1963

Auslegetag: 25. August 1966

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen der Gasdurchlässigkeit von Folien bezüglich eines Probegases. Die Bestimmung der Gasdurchlässigkeit ist insbesondere von Wichtigkeit bei Folien, die der Verpackung dienen sollen.

Bei bisherigen Verfahren wurde die Gasdurchlässigkeit nach manometrischer Methodik bestimmt, indem in einem mit der zu prüfenden Folie abgeschlossenen Raum ein Unterdruck geschaffen wurde, der infolge der Gasdurchlässigkeit der Folie langsam ausgeglichen wurde. Bei einem solchen Verfahren war daher immer ein Druckunterschied an beiden Seiten der zu prüfenden Folie erforderlich. Die Messungen dauerten unter Umständen sehr lange und entsprachen außerdem unrealen Verhältnissen, weil bei verpacktem Gut der Druck auf beiden Seiten der Folie meist gleich ist.

Die Erfindung will ein exakteres Meßverfahren für die Gasdurchlässigkeit von Folien schaffen, bei dem mit gleichem Druck auf beiden Seiten der Folie gemessen werden kann. Außerdem kann die Messung in relativ kurzer Zeit ausgeführt werden, wodurch der Einfluß von Randstörungen (Gastransport an den Rändern der Folie) stark vermindert wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß man von zwei thermisch möglichst gleichwertigen, je mit einem Wärmeleitfähigkeitsmeßelement versehenen Meßkammern, mindestens eine mit einer aus der zu prüfenden Folie gebildeten Wand versieht, danach beide Kammern mit einem vom Probegas unterschiedlichen Referenzgas füllt, das Probegas auf die Außenseite der aus der Folie gebildeten Wand einwirken läßt und kontinuierlich oder in bestimmten Zeitintervallen die infolge des in mindestens eine Meßkammer hineindiffundierten Probegases hervorgerufene Differenz der Wärmeleitfähigkeit ' der nun in den beiden Meßkammern enthaltenen Gase mit Hilfe der Wärmeleitfähigkeitsmeßelemente mißt.

Die Erfindung betrifft auch ein Gerät zur Durchführung dieses Verfahrens, das sich auszeichnet durch mindestens zwei je ein Wärmeleitfähigkeitsmeßelement sowie verschließbare Anschlüsse für Gaszufuhr und Gasabfuhr enthaltende Meßkammern, die je mindestens eine offene, mit einem Dichtungsflansch versehene Seite aufweisen.

Das neue Verfahren macht Gebrauch von der physikalischen Erkenntnis, daß die Wärmeleitfähigkeit eines reinen Gases verschieden ist von der Wärmeleitfähigkeit, die das Gas hat, wenn es mit einem anderen Gas verunreinigt ist. Voraussetzung für eine rasche und exakte Messung ist die richtige Verfahren zum Bestimmen der
Gasdurchlässigkeit von Folien und Gerät zur
Durchführung des Verfahrens

Anmelder:

Dr. Georges H. Lyssy, Zollikon (Schweiz)

Vertreter:

Dipl.-Ing. R. Beetz

und Dipl.-Ing. K. Lamprecht, Patentanwälte,

München 22, Steinsdorfstr. 10

Als Erfinder benannt:

Dr. Georges H. Lyssy, Zollikon (Schweiz)

Beanspruchte Priorität:
Schweiz vom 9. Mai 1963 (5933)

Wahl eines zum Prüfgas passenden Referenzgases mit unterschiedlicher Wärmeleitfähigkeit.

Zum Messen der Wärmeleitfähigkeit des Gases werden Wärmeleitfähigkeitsmeßelemente, beispielsweise Katharometer oder Halbleiterelemente (Thermistoren NTC, PTC), verwendet. Die Anordung ist so getroffen, daß zwei möglichst gleiche Wärmeleitfähigkeitsmeßelemente in eine aus einer möglichst konstanten Spannungsquelle gespeiste Brückenschaltung aufgenommen werden, wobei die Vergleichswiderstände immer neu abgeglichen werden, so daß die Spannung im Meßzweig immer gleich Null ist. Es kann aber auch direkt — ohne Abgleich — gemessen werden. Dies ergibt eine sehr empfindliche Messung der Widerstandsänderung der Wärmeleitfähigkeitsmeßelemente, bei welcher störende Einflüsse aus der Umgebung, wie Änderung des Luftdrucks und der Temperatur, keinen Einfluß auf die Genauigkeit der Messung ausüben, weil sie kompensiert werden. Eine solche Meßmethode ist aus der Gaschromatographie bekannt; ihre Anwendung wie bei der Erfindung dagegen ist neu.

Zum besseren Verständnis sei die Meßmethode mittels Wärmeleitfähigkeitsmeßelementen kurz erläutert. Im wesentlichen ist ein solches Element ein elektrisch beheizter Widerstand. Die Temperatur, die es beim Stromdurchgang erreicht, hängt von der Wärmemenge ab, die es durch Strahlung und Konvektion an die Umgebung abgeben kann, ins-

609 657/175

3 4

besondere also auch von der Wärmeleitfähigkeit des gedeuteten Hähne dienen dazu, die· verschiedenen das Element umgebenden Gases. Wird die Wärme- Kammern mit Probe- bzw. Referenzgas zu füllen, leitfähigkeit des Gases infolge Verunreinigung mit Mehr im Detail werden diese Vorgänge an Hand einem anderen Gas beispielsweise kleiner, so wird der F i g. 5 beschrieben, die ein Ausführungsbeispiel die Temperatur des Meßelementes steigen. Ver- 5 eines Kammersatzes entsprechend Fig. 1 zeigt. Der wendet man als Meßelemente Katharometer, so ganze Kammersatz M₁, M₂, G ist in einer Presse 10 steigt auch deren elektrischer Widerstand. (Bei der angeordnet und wird mit Hufe einer Schraubspindel Verwendung von NTC-Widerständen dagegen würde 11 zusammengepreßt. Im Boden der Kammer G und der elektrische Widerstand sinken.) Die zum Ab- im Deckel P sind zentral angeordnete Vertiefungen gleich der Meßbrücke erforderliche Widerstands- io vorgesehen, in denen Kugeln 12 ruhen, welche die änderung der Kompensationswiderstände gibt daher Druckkraft der Spindel gleichmäßig auf die Flansche ein Maß für den Verunreinigungsgrad des Gases übertragen. Insbesondere bei den Flanschen, zwi- und somit ein Maß für die Gadurchlässigkeit der sehen denen die zu prüfende Folie F eingeklemmt Folie. Mißt man diese Größenänderung laufend oder ist, ist dies von Wichtigkeit, weil ein einseitiger in gewissen Zeitintervallen und trägt die Meßwerte i₅ Druck die Folie womöglich zerquetschen würde. Die in Form einer Kurve R = f (Z) auf, so gibt diese Flansche müssen absolut plan und dicht sein. Kurve ein Maß für die Gasdurchlässigkeit der Folie. Gegebenenfalls kann eine zusätzliche Dichtung mit In der Zeichnung sind den Erfindungsgegenstand Hilfe einer Fettschicht oder eines in einer Ringnut beispielsweise darstellende Meßkammern gezeigt, eingelegten Gummiringes von rundem Querschnitt und an Hand davon wird das Meßverfahren näher ₂o (O-Ring) erzielt werden.

erläutert. Vor der Messung werden die Meßkammern M₁,

F i g. 1 bis 4 zeigen schematisch einige Kammer- M₂ mit Referenzgas und die Gaskammer G mit sätze; Probegas gefüllt. Dies wird durch längeres Durch-

F i g. 5 zeigt eine Ausführungsform eines Kammer- spülen der Kammern, wobei beide Hähne A₁, A₂ satzes nach Fig. 1; 25 offen sind, erreicht. Danach werden sämtliche Hähne

F i g. 6 zeigt eine Brückenschaltung, und geschlossen, und die Messung kann beginnen. Ob-

Fig. 7 zeigt ein Blockschema einer selbst- wohl hier von Gasen die Rede ist, kann entweder abgleichenden und registrierenden Meßbrücke. das Probegas oder das Referenzgas ein Gasgemisch,

Die in den Fig. 1 und 2 dargestellten Kammer- beispielsweise Luft, sein. Soll die Durchlässigkeit sätze enthalten zwei je ein Wärmeleitfähigkeitsmeß- ₃₀ einer FoHe für Sauerstoff geprüft werden, so ist element K und zwei verschließbare Gasanschlüsse Stickstoff als Referenzgas gerade noch brauchbar, A₁, A₂ enthaltende Meßkammern M₁, M₂, die zu mit Helium als Referenzgas läßt sich dagegen eine einer Einheit zusammengefügt und durch eine gas- wesentlich höhere Empfindlichkeit erzielen. Die undurchlässige Wand W voneinander getrennt sind. elektrischen Anschlüsse für die Wärmeleitfähigkeits-Die eigentlichen Meßkammern M₁, M₂ sind mit ₃₅ meßelemente (Katharometer) sind gasdicht durch die einem eng punktiert angedeuteten Referenzgas ge- Wand der Meßkammer hindurchgeführt. Statt mit füllt. einer Heizspirale versehene Katharometer zu ver-

Bei F i g. 1 ist die'rechte Meßkammer M₂ mittels wenden, kann man auch Thermistoren verwenden, einer Abdeckplatte P gasdicht verschlossen, die linke Solche Thermistoren erhöhen die Empfindlichkeit Meßkammer M₁ dagegen ist durch die zu prüfende _4O der Messung, weil sie auf die Änderung der Wärme-Folie F von einer (durch eine weitere Punktierung leitfähigkeit (bzw. der Temperatur) viel stärker angedeuteten) mit Probegas gefüllten Gas- reagieren, so daß sich die Versuchsdauer verkürzen kammer G getrennt. Mittels eines solchen Satzes von läßt.

Kammern kann eine Folie auf Gasdurchlässigkeit Bei der Messung sorgt der Katharometer (bzw.

geprüft werden. ₄₅ das Halbleiterelement), der ja eine Wärmequelle

Der Kammersatz nach F i g. 2 dagegen eignet sich darstellt, für eine ständige Zirkulation und Mischung zur Prüfung der relativen Gasdurchlässigkeit, indem des in den Meßkammern enthaltenen Gases. Infolge sich damit die Gasdurchlässigkeit zweier Folien des Hineindüfundierens von Probegas in die mit F₁, F₂ miteinander vergleichen läßt. Statt die rechte Referenzgas gefüllte Meßkammer M₁ besteht die Ge-Meßkammer M₂ mit einer Abdeckplatte zu ver- _5o fahr, daß der Druck des Gases in der Kammer M₁ schließen, ist hier auch an dieser Seite eine Folie F₂ verschieden ist von demjenigen in der Meß- und eine mit Probegas gefüllte Kammer G₂ an- kammer M₂. Zu Anfang der Messung hat man den gebracht. Der Meßkammer M₁ ist die Probegas- Druck in beiden Kammern durch Füllung gegen den kammer G₁ zugeordnet. Luftdruck möglichst gleichgemacht. Bei der in Fig. 5

Die Fig. 3 und 4 zeigen Gaskammersätze mit ₅₅ gezeigten Ausführung mit zwei aneinanderzwei voneinander getrennten, je einen Katharo- grenzenden Meßkammern ist in der Trennwand eine meter K enthaltenden Meßkammern M₁, M₂. Die in Kapillarbohrung angebracht, die auf eine einfache F i g. 3 dargestellte Anordnung eignet sich zur Weise für einen Druckausgleich sorgt.
Prüfung der absoluten Gasdurchlässigkeit einer Da sämtliche Kammern Anschlüsse haben, kann

Folie F. Zwischen der mit Probegas gefüllten 60 man den Druck in den beiden Meßkammern auch KammerG und der MeßkammerM₂ ist eine gas- auf andere Weise, z.B. mitfels Schlauch und Glasundurchlässige Wand F angebracht, kapillaren, die mit einem winzigen Quecksilber-Beim Kammersatz nach Fig. 4 ist diese Wand tröpfchen abgeschlossen sind, kontrollieren und, ersetzt durch eine Folie F₂, deren Durchlässigkeit wenn nötig, abgleichen. Es ist bei der in F i g. 5 geverglichen werden soll mit derjenigen einer Folie F₁. 65 zeigten Anordnung auch möglich, dem Probegas Die in den Figuren eingezeichneten Pfeile deuten einen geringen Überdruck gegenüber dem Referenzdie Durchlaßrichtung des Probegases durch die Folie gas zu geben oder den Prüfling durch Vakuum, an. Die in den Anschlüssen A₁, A₂ symbolisch an- wenn nötig, zu entgasen.

Die eigentliche Messung der Gasdurchlässigkeit erfolgt auf elektrischem Wege, und zwar nach einer Schaltung, wie in F i g. 6 im Prinzip dargestellt. Die Katharometer K₁, K₂ und die Widerstände R₁, R₂ sind in parallelen Zweigen einer Brückenschaltung aufgenommen. Ist Galvanometerg stromlos, so verhalten sich die Widerstände K₁ : K₂ wie ,R₁: R₂. Ändert sich die Wärmeleitfähigkeit des Gases in Meßkammer M₁, so ändert sich die Temperatur des Katharometers K₁ und damit dessen Widerstand. Ein jeweils nach einem gewissen Zeitintervall vorgenommener Abgleich der Brücke gibt daher ein Maß für die Gaswanderung durch die zu prüfende Folie.

Das sich solche Messungen oft über längere Zeit, z. B. 24 Stunden, erstrecken, ist von Vorteil, eine Brücke mit automatischem Abgleich und Registrierung der Meßwerte zu verwenden, wie im Blockschema von F i g. 7 dargestellt. Eine solche Apparatur ist bekannt und wird daher nur andeutungsweise beschrieben.

Der durch eine Widerstandsänderung eines Katharometers K₁ in der Brückenschaltung K₁, K₂-R₁, R₂ hervorgerufene geringe Spannungsunterschied wird in einem Verstärker 20 verstärkt und einem Abgleichmotor 21 zugeführt, der die Brücke laufend abgleicht. Die Verstellbewegung des Motors bewirkt auch eine Verschiebung eines Schreibstiftes 22 eines registrierenden Instrumentes 23. Auf diese Weise wird die Widerstandsänderung laufend registriert.

Die so aufgezeichnete Kurve stellt eine Wider-Standsänderung dar, die leicht in die prozentuale Verunreinigung des Referenzgases umgerechnet werden kann. Da die Fläche der Folie und der Inhalt der Kammer bekannt sind, kann die prozentuale Verunreinigung des Referenzgases in Durchlässigkeit der Folie beispielsweise in Gramm pro Quadratmeter und pro 24 Stunden ausgedrückt werden.

Bei einer vergleichenden Messung zweier Folien (wie bei F i g. 2 oder 4) wird nur gemessen, wieviel stärker die Verunreinigung des Referenzgases in der einen Meßkammer M₁ bezüglich derjenigen der zweiten Meßkammer M₂ ist.

Schließlich sei noch bemerkt, daß nach dem beschriebenen Verfahren und mit der beschriebenen Apparatur Folien auch auf Durchlässigkeit für Dämpfe geprüft werden können, sofern es sich um »ideale« Dämpfe handelt, die sich wie ein Gas ver- halten und die bei der Temperatur und dem Druck der Messung nicht kondensieren. Da die Messung eine empfindliche Wärmemessung ist, würde die geringste Kondensation des Dampfes die Meßresultate verfälschen. Insbesondere eine Kondensation auf den Wärmeleitfähigkeitsmeßelementen würde eine wärmeisolierende oder wärmeleitende Schicht bilden, welche eine exakte Messung unmöglich macht. Tritt dieser Fall nicht ein, so kann ohne weiteres die Durchlässigkeit der Folie für einen Dampf, ein Dampf-Gas-Gemisch oder ein Gemisch von Dämpfen geprüft werden.

Claims (11)

60 Patentansprüche:

1. Verfahren zum Bestimmen der Gasdurchlässigkeit von Folien bezüglich eines Probegases, dadurch gekennzeichnet, daß man von zwei thermisch möglichst gleichwertigen, je mit einem Wärmeleitfähigkeitsmeßelement versehenen Meßkammern mindestens eine mit einer aus der zu prüfenden Folie gebildeten Wand versieht, danach beide Kammern mit einem vom Probegas unterschiedlichen Referenzgas füllt, das Probegas auf die Außenseite der aus der Folie gebildeten Wand einwirken läßt und kontinuierlich oder in bestimmten Zeitintervallen die infolge des in mindestens eine Meßkammer hineindiffundierten Probegases hervorgerufene Differenz der Wärmeleitfähigkeit der nun in den beiden Meßkammern enthaltenen Gase mit Hilfe der Wärmeleitfähigkeitsmeßelemente mißt.

2. Verfahren nach Anspruch 1 zum Vergleich der Gasdurchlässigkeit zweier Folien, dadurch gekennzeichnet, daß die Probefolie und die Vergleichsfolie je eine Wand der beiden Kammern bilden, daß man Probegas durch die auf Gasdurchlässigkeit zu vergleichenden Folien in diese Kammern hineindiffundieren läßt und die infolge des hineindiffundierten Probegases hervorgerufene Differenz der Wärmeleitfähigkeit der in den Meßkammern verschieden stark verunreinigten Referenzgase mit Hilfe der Wärmeleitfähigkeitsmeßelemente mißt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man auf dem Prinzip der elektrischen Widerstandsänderung beruhende Wärmeleitfähigkeitsmeßelemente verwendet, die die beiden Zweige einer abgeglichenen Meßbrückenschaltung bilden, die man aus einer möglichst konstant gehaltenen Spannungsquelle speist, so daß die jeweils zum neuerlichen Abgleich der Brücke erforderliche Widerstandsänderung ein Maß für den augenblicklichen Verunreinigungsgrad des Referenzgases darstellt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Widerstandsdifferenz der beiden Wärmeleitfähigkeitsmeßelemente direkt mißt und zu der Verunreinigung des Referenzgases in Beziehung setzt.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß man die Widerstandsänderung mit Hilfe einer an sich bekannten selbstabgleichenden und registrierenden Meßeinrichtung bestimmt.

6. Gerät zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch mindestens zwei je ein Wärmeleitfähigkeitsmeßelement sowie verschließbare Anschlüsse für Gaszufuhr und Gasabfuhr enthaltende Meßkammern, die je mindestens ein offene, mit einem Dichtungsflansch versehene Seite aufweisen.

7. Gerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei je zwei verschließbare Gasanschlüsse enthaltenden Kammern zu einer Einheit zusammengefügt sind, welche eine gasundurchlässige Wand zur Trennung der beiden Meßkammern aufweist (Fi g. 1 und 2).

8. Gerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei verschließbare Gasanschlüsse enthaltenden Meßkammern durch die Probegaskammer voneinander getrennt sind (F i g. 3 und 4).

9. Gerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die gasundurchlässige Wand eine zum Druckausgleich dienende Kapillarbohrung aufweist.

10. Gerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die zusammengebauten Meß-

kammern auf einer Seite durch eine gasundurchlässige Wand und auf der anderen Seite durch die zu prüfende Folie abgeschlossen sind (F ig. 1).

11. Gerät nach Anspruch 7 zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zusammengebauten Meßkammern beidseitig durch die zu vergleichenden Folien abgeschlossen sind (F i g. 2).

12. Gerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Meßkammern durch eine gasundurchlässige Wand, die andere durch die zu prüfende Folie abgeschlossen ist (F i g. 3).

13. Gerät nach Anspruch 8 zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß beide Meßkammern durch zu vergleichende Folien abgeschlossen sind (F i g. 4).

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

609 657/175 8.66 © Bundesdruckerei Berlin