CH655184A5

CH655184A5 - Wasserstoff-fuehler.

Info

Publication number: CH655184A5
Application number: CH7943/81A
Authority: CH
Inventors: James Howard Terhune; John Prescott Sturtz; John Paul Neiseel
Original assignee: Gen Electric
Priority date: 1980-12-19
Filing date: 1981-12-11
Publication date: 1986-03-27
Also published as: GB2090050B; ES8303695A1; JPS57128841A; IT1195234B; DE3148611C2; KR830008171A; ES508096A0; IT8125294A0; JPS635703B2; GB2090050A; DE3148611A1; US4373375A; FR2496890A1; SE8107135L

Description

Die Erfindung betrifft einen Wasserstoff-Fühler zum Bestimmen der Wasserstoffkonzentration in einer Fluid-atmosphäre. Für das Erkennen und Überwachen des Vorhandenseins von Wasserstoff gibt es verschiedene Verwendungszwecke. Beispiele für das Erkennen von Wasserstoff in gasförmigen Atmospären sind Rauchdetektoren, Atmosphären inerten Kühlmittels in Transformatoren, in Motoren und Generatoren sowie Überwachungsgeräte für die Atmosphäre in der Sicherheitshülle von Kernreaktoren.

Ein Beispiel für das Erfassen von Wasserstoff in einer Flüssigkeit beinhaltet das Messen von Wasserstoff in dem flüssigen Natrium eines natriumgekühlten Kernreaktors als Mittel zum Erkennen einer Wasserleckage in das Natrium aus dem Natrium/Wasser-Wärmetauscher oder Dampferzeuger.

Eine Anzahl von Wasserstoffdetektoranordnungen ist bekannt. Diffusionzellen, die auf der hohen Permeabilität von gewissen Materialien gegenüber Wasserstoff basieren, werden benutzt, um den Wasserstoff aus einer Atmosphäre zu konzentrieren und mit ihm einen druckempfindlichen Fühler zu beaufschlagen, wie beispielsweise ein lonisations-messinstrument, einen Massenspektrographen, ein Penning-Messinstrument od. dgl., um den Wasserstoffpartialdruck in dem Fühler zu messen. Eine weitere Lösung beinhaltet das Messen von Wasserstoffionen in einem nichtleitenden Fluid (z.B. pH-Messinstrumente). Es sind weiter Vorrichtungen bekannt, bei denen elektrochemische Reaktionen benutzt werden, um eine Spannung zu erzeugen, die zu der Wasserstoffkonzentration proportional ist, wobei diese Vorrichtungen Brennstoffzellen analog sind.

Zu den druckschriftlichen Vorveröffentlichungen, die sich mit dem Erkennen von Gasen befassen, gehören folgende: «Ionization Methods for the Analysis of Gases and Vapors», J.E. Lovelock, Analytical Chemistry, Band 33, Nr. 2, Februar 1961, S. 162-177. Dieser Aufsatz beschreibt verschiedene

Aspekte von Ionisationstypen von Gasdetektoren.

Die US-PS 3 683 272 beschreibt eine Anordnung aus einer Diffusionsmembran und einer Ionenpumpe, die insbesondere zum Erkennen von Wasserstoff in flüssigem Natrium ge-5 eignet ist.

Die US-PS 3 866 460 beschreibt eine Vorrichtung, die eine Wasserstoffdiffusionsmembran und eine Druck- oder Brennbarkeitsmesseinrichtung enthält zum Erkennen von Wasserstoff in dem flüssigen Kühlmittel eines elektrischen Gerätes, io Die US-PS 3 927 555 beschreibt ein Palladiumlegierungsrohr, welches eine volumetrische Änderung in Abhängigkeit von der Wasserstoffkonzentration erfährt, der es ausgesetzt ist. Ein linear veränderlicher Differenzialtransformator erfasst die Längenänderung des Rohres als eine Anzeige der ls Wasserstoffkonzentration.

Die US-PS 3 977 232 beschreibt eine Anordnung aus einer Diffusionsmembran und einer Ionenpumpe zum Messen der Konzentration von Wasserstoff in flüssigen und gasförmigen Umgebungen.

20 Trotz der zahlreichen bekannten Wasserstoffdetektoranordnungen bleibt ein Bedarf an einem Wasserstoff-Fühler, der eine geringe Grösse hat und wenig kostet, einen einfachen und robusten Aufbau bei langer Lagerfähigkeit und langer Lebensdauer hat, eine hohe Empfindlichkeit aufweist, 25 schnell anspricht, in einem grossen Temperaturbereich und in den vielfältigsten Umgebungen verwendbar ist sowie Signale erzeugt, die mit üblichen elektronischen Schaltungen kompatibel sind.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Wasser-30 stoff-Fühlers mit einer hermetisch verschlossenen Diffusionszelle mit einer eingebauten langlebigen Ionisations-quelle.

Ferner soll es möglich sein, Helium aus der Zelle hinauszu-diffundieren, um dadurch die Wasserstoffempfindlichkeit zu 35 verbessern.

Schliesslich soll die Wasserstoff-Fühler-Zelle, die nur aus anorganischem Material besteht, auch in Hochtemperaturumgebungen arbeiten können.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäss mit den Merkmalen 40 des kennzeichnenden Teils des Anspruches 1 gelöst.

Ein Wasserstoff-Fenster mit einer Membrane aus einer Pd/Ag-Legierung gestattet Wasserstoff, aus einer umgebenden Fluidatmosphäre in die Kammer zu diffundieren. Eine eingebaute radioaktive Quelle, wie beispielsweise eine 45 Schicht aus einem Alphateilchen emittierenden Material auf der Anode, ionisiert den Wasserstoff in der Kammer, und die sich ergebenden Elektronen, die durch die Elektroden aufgefangen werden, liefern einen Stromfluss, der die Wasserstoffkonzentration anzeigt. Der Strom kann in einer Gleichstrom-50 betriebsart oder in einer Betriebsart mit mittlerer quadratischer Spannung verarbeitet werden, wobei letztere einen besseren Rauschabstand und eine verbesserte Empfindlichkeit durch Unterdrückung von Leckströmen ergibt.

Ferner ist ein zweites Fenster vorgeschlagen, damit Helium 55 aus der Kammer entweichen kann, das durch die Kombination von Elektronen mit Alphateilchen darin gebildet worden ist. Dieses zweite Fenster kann, beispielsweise, aus Quarz bestehen, der für Helium durchlässig ist. Dieses zweite Fenster gestattet somit dem Helium, aus der Kammer hinauszu-60 diffundieren und zu entweichen, wodurch die relative Menge an Wasserstoff in der Kammer und damit die Wasserstoffempfindlichkeit der Kammer vergrössert wird.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. 65 Es zeigen:

Fig. 1 schematisch eine Grundform eines Wasserstoff-Füh-lers nach der Erfindung,

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Fig. 2 eine Längsschnittansicht einer bevorzugten Ausführungsform einer Wasserstoff-Fühler-Zelle,

Fig. 3 eine Längsschnittansicht eines beheizten und isolierten Behälters zum Leiten eines Fluids neben einer Wasserstoff-Fühler-Zelle,

Fig. 4 schematisch die Fühlerzelle und ein Blockschaltbild von Schaltungen, die die Signale aus ihr empfangen,

Fig. 5 ein Schaltbild einer Stromversorgungs- und Signalaufbereitungsschaltung,

Fig. 6 ein Schaltbild einer weiteren Ausführungsform einer Stromversorgungs- und Signalaufbereitungsschaltung und

Fig. 7 in Form einer typischen Ansprechkurve die Fühlersignalamplitude über der Wasserstoffkonzentration.

In der in Fig. 1 gezeigten grundlegenden Ausführungsform enthält der Wasserstoff-Fühler 10 nach der Erfindung eine evakuierte und verschlossene Zelle oder Kammer, die einen Gasraum 15 bildet und gegenseitigen Abstand aufweisende Elektroden enthält, nämlich eine Katode 13 und eine Anode 12, die durch eine Leitung 19 über ein Stromanzeigeinstrument 14 mit einer als eine Batterie 16 dargestellten Spannungsquelle verbunden ist. Die andere'Klemme der Batterie 16 ist mit der Katode 13 durch eine Leitung 11 verbunden. Der Fühler 10 hat eine eingebaute Quelle von Alphateilchen emittierendem Material, die als eine Schicht oder ein Überzug 17 aus radioaktivem Material auf der Anode 12 dargestellt ist.

Der bevorzugte Alphaemitter 17 ist Am-241, und zwar wegen seiner langen Halbwertszeit, wegen der relativ hohen Energie seiner Alphateilchen und wegen seiner guten Verfügbarkeit. Andere mögliche Alphaemitter sind Ac-227, Pu-238, Np-237, U-234 und Th-230. Der Emitterüberzug kann auf die Anode auf bekannte Weise aufgebracht werden, beispielsweise durch Anstreichen, Brennen, elektrolytische Abschei-dung oder Abscheidung im Vakuum.

Um die Diffusion von Wasserstoff aus einer benachbarten Atmosphäre in den Fühler 10 zu gestatten, ist ein erstes Fenster 18 vorgesehen, das aus einer dünnen Membran aus einem Material besteht, welches eine hohe Permeabilität für Wasserstoffhat. Ein bevorzugtes Wasserstoffdiffusionsmembranen-material ist eine Palladiumlegierung, wie beispielsweise Palladium-Silber aus 75% Pd und 25% Ag, mit einer Dicke in der Grössenordnung von 0,25 mm.

Der Wasserstoff diffundiert durch das Fenster 18 hindurch in den Gasraum 15 des Fühlers 10 im Verhältnis zu der Wasserstoffkonzentration in der benachbarten Atmosphäre. Der Wasserstoff in dem Raum 15 wird durch die Alphateilchen ionisiert, die von der Schicht 17 aus radioaktivem Material emittiert werden. Die sich ergebenden Elektronen werden an der Anode 12 gesammelt, wodurch die Grösse des Stromflusses in der Leitung 19 und dem Anzeigeinstrument 14 die Wasserstoffkonzentration in dem Fühler 10 und damit in der benachbarten Atmosphäre anzeigt.

Einige der Elektronen vereinigen sich mit den Alphateilchen und bilden Helium, wodurch Unerwünschtermassen ein Strom gebildet wird, der nicht in Beziehung zu der Wasserstoffkonzentration steht und somit bewirkt, dass die Fühlergenauigkeit bei der Wasserstoffmessung verringert wird. Zum Abschwächen dieser Situation ist ein zweites Fenster 21 vorgesehen, das aus einem Material besteht, wie beispielsweise Quarz, das für Helium, nicht aber für Wasserstoff, durchlässig ist, wodurch dem so gebildeten Helium gestattet wird, aus dem Fühler 10 zu entweichen. Durch diese Massnahme wird die Genauigkeit des Fühlers gegenüber Wasserstoff vergrössert.

Eine bevorzugte Ausführungsform des Wasserstoff-Füh-lers 110 nach der Erfindung ist in Fig. 2 gezeigt. Diese Ausführungsform wird unter anderem wegen ihrer Ähnlichkeit in den Materialien und im Aufbau sowie in den Verarbeitungstechniken mit bekannten Neutronendetektoren, wie sie beispielsweise in den US-PSen 3 043 954 und 3 760 183 beschrieben sind, bevorzugt. Ihre Fertigung kann also auf s vorhandener und bewährter Technologie aufbauen.

Der Fühler 110 hat eine zylindrische Form, und ein evakuierter und verschlossener Gasraum 115 ist zwischen einer zylindrischen Anode 112 und einem rohrförmigen Wasserstoff-Fenster 118 vorhanden. Da das Wasserstoff-Fenster 118 io aus einem elektrisch leitenden Material, wie beispielsweise einer Palladium-Silber-Legierung, besteht, dient es auch als Katode.

Die Anode 112 ist mit Enden kleineren Durchmessers versehen, die Keramiktragteile 26 und 27 aufnehmen, durch die ls die Anode 112 mit Abstand und elektrisch isoliert von dem Fenster 118 abgestützt wird. Die Anode 112 ist mit dem Innenleiter 119 eines Koaxialkabels 28 über ein Loch in dem Tragteil 27 verbunden. Eine Schicht 117 aus Alphateilchen emittierendem Material ist auf der Oberfläche grossen 20 Durchmessers der Anode 112 gebildet.

Ein Heliumfenster 121 besteht aus einem Quarzzylinder, der auf bekannte Weise mit zwei metallischen Tragringen 29 und 31 verkittet ist, wobei der Tragring 29 ausserdem mit dem Wasserstoff-Fenster 118 verkittet ist. Ein metallischer Kabel-25 adapter 32 ist mit dem Ring 31 und mit dem Aussenleiter 111 des Koaxialkabels 28 verbunden, um das in der Darstellung in Fig. 2 rechte Ende der Baugruppe zu verschliessen. Eine zylindrische metallische Hülse 34 ist zwischen den Kabeladapter 32 und den Tragring 29 geschaltet und stellt die elek-30 trische Verbindung zwischen dem Aussenleiter 111 des Koaxialkabels 28 und dem Katode/Wasserstoff-Fenster 118 her. Die Hülse 34 ist mit Abstand von dem Heliumfenster 121 angeordnet, um einen Heliumgasraum 36 zu schaffen. Die Hülse 34 und das Tragteil 27 sind mit ebenen Flächen 37 ver-35 sehen, um Heliumdurchlässe zwischen den Gasräumen 115 und 36 zu schaffen. Das Koaxialkabel 28 ist durch einen Verschlussisolator 25 verschlossen, der zwischen die Hülse 34 und eine metallische innere Hülse 35 geklebt ist, wobei die Hülse 35 mit dem Innenleiter 119 verkittet ist.

40 An seinem linken Ende ist der Fühler 110 durch eine metallische Hülse 38 verschlossen, die mit dem Wasserstoff-Fen-ster 118 verbunden ist und ein Auspumpröhrchen 39 enthält, über das der Fühler 110 evakuiert und verschlossen wird.

Eine becherförmige Endkappe 41 ist auf die Hülse 38 aufge-45 setzt, um das Auspumpröhrchen 39 zu schützen. Das Auspumpröhrchen 39 kann einen lose eingesetzten Keramikstopfen 42 enthalten, um das Volumen des inaktiven Gasraums in dem Auspumpröhrchen 39 zu verkleinern. Die Minimierung von solchen inaktiven oder Streugasräumen so verbessert die Ansprechzeit des Fühlers.

Für einige Verwendungszwecke des Fühlers 110 ist es erwünscht, einen sehr dünnen Schutzüberzug 43 auf der Aus-senflächen des Wasserstoff-Fensters 118 vorzusehen, um ihn vor einer aggressiven Umgebung zu schützen und/oder die 55 Fensteroberfläche gegenüber noch nicht ganz geklärten Oberflächeneffekten zu passivieren, die die Empfindlichkeit und die reproduzierbare Leistungsfähigkeit des Fühlers zu stören scheinen. Beispielsweise kann für die Verwendung in flüssigem Natrium das Wasserstoff-Fenster 118 durch einen 60 dünnen Überzug aus Nickel geschützt werden, der durch elektrolytische Abscheidung oder auf andere bekannte Weise auf dessen Oberfläche aufgebracht wrid. Weitere Passivie-rungs- und Schutzüberzugsmaterialien sind Aluminiumoxid, rostfreier Stahl, Siliciumdioxid, Gold, Rhodium und Rhe-65 nium. Das Glühen des Wasserstoff-Fensters 118 kann für das Unterdrücken der katalytischen Oberflächenreaktionen, die mit dem Wasserstoffdurchdringungsprozess konkurrieren, ebenfalls vorteilhaft sein.

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In einem repräsentantiven Beispiel der Ausführungsform des in Fig. 2 gezeigten Fühlers 110 besteht die Anode 112 aus rostfreiem Stahl mit einem Durchmesser von 5 mm und einer Länge von 25 mm. Die Alphateilchen emittierende Schicht 117 besteht aus Am-241 mit einer Dicke von etwa 0,002 mm. Das Wasserstoff-Fenster 118 besteht aus einer Legierung aus 75% Pd und 25% Ag, mit einem Innendurchmesser von 6 mm, einer Länge von 40 mm und einer Wanddicke von 0,25 mm. Der Schutz- und Passivierungsüberzug 43 besteht aus Ni mit einer Dicke in der Grössenordnung von 1 p.m. Das Heliumfenster 121 besteht aus Quarz mit einem Innendurchmesser von 6 mm, einer Wanddicke von 0,3 mm und einer Länge von 12 mm.

Das Koaxialkabel 28 enthält eine mineralische Füllung als Isolation zwischen dem Innenleiter 119 und dem Aussenleiter 111, und sämtliche Teile des Fühlers 110 bestehen ebenfalls aus anorganischem Material, so dass der Fühler in Hochtemperaturumgebungen von wenigstens 500°C benutzt werden kann.

Zusätzlich zu den vorstehend erwähnten Oberflächeneffekten an dem Wasserstoff-Fenster ist festgestellt worden, dass die Empfindlichkeit des Fühlers nach der Erfindung gegenüber Wasserstoff in einem Gasgemisch eine Funktion von mehreren Variablen ist, zu denen der Gasdruck, der Gas-durchfluss und die Temperatur der Oberfläche des Wasser-stoff-Fensters gehören. Eine Anordnung zum Steuern dieser Variablen, wie sie in Fig. 3 gezeigt ist, ist von Nutzen, wenn der Fühler zum Überwachen benutzt wird, bespielsweise des Wasserstoffgehalts der Gasatmosphäre in der Sicherheitshülle eines Kernreaktors.

In der Anordnung von Fig. 3 ist der Fühler 110 in einem vakuumdichten Mantel 46 enthalten, um zwischen ihnen einen Gasraum 47 zu schaffen. Gas aus der zu überwachenden Atmosphäre wird in den Gasraum 47 über ein Durchflusssteuerventil 48 in einem Einlasskanal oder einer Einlassleitung 49 eingelassen, wobei das Ventil 48 durch eine geeignete Ventilsteuereinheit 51 gesteuert wird. Das Gas ver-lässt den Gasraum 47 über einen Auslasskanal oder eine Auslassleitung 52, die mit einer Pumpe 53 verbunden ist.

Zum Steuern der Temperatur in dem Gasraum 47 und damit der Temperatur des Wasserstoff-Fensters 118 ist eine Heizelementanordnung vorgesehen. Die Anordnung enthält eine elektrische Heizwendel 54, die um den Mantel 46 herumgelegt ist und mit Strom aus einer Heizelementsteuereinheit 56 versorgt wird, wobei die Temperatur in dem Gasraum 47 z.B. durch ein Thermoelement 57 abgefühlt wird. Der Mantel 46 und die Heizwendel 54 sind in ein Gehäuse 58 aus geeignetem Wärmeisoliermaterial, z.B. Glasfasern eingeschlossen.

Die Anordnung von Fig. 3 sorgt somit für eine Steuerung der Variablen, nämlich des Gasdruckes, der Temperatur und des Gasdurchflusses. Zum Überwachen der Umgebungsluft hinsichtlich eines anomalen Wasserstoffgehalts können diese Variablen gesteuert werden, beispielsweise auf folgende Weise: die Pumpe 653 wird so gewählt oder gesteuert, dass in dem Gasraum 47 ein absoluter Druck bis zu etwa 93,33 kPa (70 cm Hg) aufgebaut wird, wobei 26,67 kPa (20 cm Hg) ein bevorzugter Wert ist. Die Temperatur wird in dem Bereich von etwa 200°C bis 700°C im wesentlichen konstant gehalten, wobei sich 250°C als eine praktische Betriebstemperatur erwiesen hat. Der Gasdurchfluss durch den Gasraum 47, der durch das Ventil 48 gesteuert wird, kann ein konstanter oder ein gepulster Durchfluss sein, wobei letzterer bevorzugt wird, weil er eine bessere Wiederholbarkeit des Fühleransprechverhaltens ergibt. Das Ventil 48 steuert daher die Gaseinströmung über einen Bereich von beispielsweise 500 bis 2400 cm3. Für einen konstanten Durchfluss beträgt eine bevorzugte Durchflussrate etwa 1500 cm3. Für einen gepulsten Durchfluss wird das Ventil 48 periodisch betätigt, um abwechselnde

Durchfluss- und Nichtdurchflussperioden zu schaffen oder (durch Schliessen des Ventils 48) auf einen Unterdruck auszupumpen. Die Durchflussrate kann zusammen mit der Durchflussdauer variiert werden. Beispiele für Durchfluss-s raten oder Durchflussmengen sind 500 cm3 für Perioden von 1 s und 2000 cm3 für Perioden von 8 s.

In der elementaren Form der Erfindung, die in Fig. 1 dargestellt ist, ist das Ausgangssignal des Fühlers 10 ein Strom in dem Anzeigeinstrument 14, der eine Funktion der Wasser-10 Stoffkonzentration in dem Gasraum 15 ist. Das Anzeigeinstrument 14 kann daher so geeicht werden, dass es die Wasserstoffkonzentration anzeigt.

In einem praktischen System ist es üblicherweise ein praktisches Erfordernis, das Fühlerausgangssignal zu verstärken, is und üblicherweise ist es erwünscht, das Stromsignal in ein Spannungssignal umzuwandeln, welches mit Verstärkungs-, Verarbeitungs-, Anzeige- und Aufzeichnungseinrichtungen kompatibel ist.

Das Verarbeiten des Signals aus dem Fühler 110 (Fig. 2) ist 20 als Blockschaltbild in Fig. 4 gezeigt. Der Innenleiter 119 und der Aussenleiter 111 des Ausgangskoaxialkabels 28 des Fühlers 110 sind mit zwei Eingangsklemmen 61 und 62 (wobei die Klemme 62 eine gemeinsame oder an Masse liegende Klemme ist) einer Stromversorgungs- und Signalaufberei-25 tungsschaltung 63 verbunden. (Ausführungsformen der Schaltung 63 sind in den Fig. 5 und 6 gezeigt und weiter unten erläutert.)

Das aufbereitete Signal aus der Schaltung 63 wird über eine Klemme 64 an geeignete Anzeige- und/oder Aufzeich-30 nungsvorrichtungen 66 angelegt. Geeignete Vorrichtungen dieser Art können unter einer Vielfalt bekannter Vorrichtungen ausgewählt werden, wie beispielsweise Digital- oder Analogvoltmeter für die Sichtanzeige, Streifen- oder Blattschreiber für die sichtbare Aufzeichnung und eine Digital-35 oder Analogaufzeichnung zur Speicherung.

Es sei angemerkt, dass das Signal aus dem Wasserstoff-Fühler typischerweise keine lineare Funktion der Wasserstoffkonzentration ist. Eine repräsentative Ansprechkurve, die die Fühlersignalamplitude über der Wasserstoffkonzentration 40 darstellt, ist als Kurve 67 in Fig. 7 gezeigt. Eine solche Ansprech- oder Empfindlichkeitskurve kann erzeugt werden, indem der Fühler beispielsweise nacheinander mehreren Gasproben ausgesetzt wird, die unterschiedliche bekannte Wasserstoffkonzentrationen über dem interessierenden 45 Bereich von Wasserstoffkonzentrationen enthalten. (Vorzugsweise ist die Gaszusammensetzung ansonsten gleich derjenigen der Atmosphäre, in der der Fühler benutzt werden soll.) Die Fühlersignalamplitude für jede Konzentration wird gemessen, und aus diesen Signalen kann die Ansprechkurve so durch mathematische oder graphische Interpolation auf bekannte Weise erzeugt werden, beispielsweise durch Auftragen der Ansprechpunkte, wie der Punkte 68 (1) bis 68 (4) von Fig. 7, und Hindurchlegen einer Kurve. Anhand einer solchen Ansprechkurve (oder des mathematischen Ausdrucks 55 derselben) können die Anzeige- und Aufzeichnungsvorrichtungen 66 (Fig. 4) passend geeicht werden.

Weitere Ausführungsformen von Stromversorgungs- und Signalaufbereitungsschaltungen (63 in Fig. 4) sind, wie oben erwähnt, in den Fig. 5 und 6 gezeigt. Vor der Beschreibung 60 dieser Schaltungen sei daraufhingewiesen, dass das Signal aus dem Fühler 110 sowohl Wechselstrom- als auch Gleichstromkomponenten enthält, und zwar wegen der willkürlichen Alphateilchenabstrahlung von der Schicht 117 und den daraus folgenden Wasserstoffionisationsereignissen. Die 65 Wechselstromkomponente überdeckt ein Frequenzband mit einem Frequenzspektrum, das von null bis zu einem Halbwertspunkt, der durch die Ionensammelzeit des Fühlers bestimmt wird, im wesentlichen eben ist.

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Da die Amplitude der Wechselstromkomponente (sowie die Amplitude der Gleichstromkomponente) eine Funktion der Wasserstoffkonzentration in der Fühlerkammer ist, kann die Wechselstromkomponente als Fühlerausgangssignal benutzt werden. Der Vorteil dieser Benutzung besteht darin, dass Leckströme und Signale aufgrund von Gammastrahlung unterdrückt werden.

Eine Stromversorgungs- und Signalaufbereitungsschaltung 63 ', bei der die Wechselstromkomponente des Fühlersignals benutzt wird, ist in Fig. 5 gezeigt. Der Stromversorgungsteil ist als eine Batterie 71 dargestellt, die mit den Fühlerelektroden über einen Fühlerbelastungs- und -Strombegrenzungswiderstand 72 und über Klemmen 61 und 62 verbunden ist. Ein Kondensator 73 überbrückt die Batterie 71 für das Wechselstromsignal. Die Wechselspannung, die an dem Widerstand 72 gebildet wird, wird über zwei Kopplungskondensatoren 74(1) und 74(2) an einen Differenzverstärker 76 (z.B. Fairchild UA749C) angelegt.

Das Signal aus dem Verstärker 76 wird an ein Bandpassfilter 77 angelegt (z.B. das Modell Nr. K8777-B der T.T. Electronics Inc.), das so gewählt wird, dass es den gewünschten Teil des Fühlersignals durchlässt, aber Signale hoher und niedriger Frequenz unterdrückt. Ein Verstärker 78 empfängt das Ausgangssignal aus dem Bandpassfilter 77, und sein Ausgangssignal wird an eine Quadrierschaltung 79 angelegt (z.B. das Modell Nr. 429B der Fa. Analogue Devices, Inc.). Das Ausgangssignal der Quadrierschaltung 79 wird an die Ausgangsklemme 64 über eine Mittelwertbildungs- oder Glät-tungs-RC-Schaltung 81 angelegt, die einen Reihenwiderstand 82 und eine Parallelschaltung aus einem Widerstand 83

und einem Kondensator 84 enthält.

Die Quadrierschaltung 79 und die Mittelwertbildungsschaltung 81 liefern somit ein Ausgangssignal an der Klemme 64, welches dem mittleren Quadrat der Wechselstromkompo-s nente des Fühlersignals angepasst ist. Das Ausgangssignal an der Klemme 64 wird, wie oben erläutert, geeigneten Anzeige-und/oder Aufzeichnungsvorrichtungen zugeführt, die in Fig. 5 als ein Voltmeter 86 dargestellt sind.

Eine Stromversorgungs- und Signalaufbereitungsschal-lo tung 63», bei der die Gleichstromkomponente des Fühlersignals benutzt wird, ist in Fig. 6 dargestellt. In dieser Schaltung ist eine Eingangsklemme eines Differenzverstärkers 76' mit der Klemme 61 verbunden und empfängt das Fühlerausgangssignal, während die andere Klemme des Differenzverls stärkers 76' über eine Stromversorgung, die als eine Batterie 71 dargestellt ist, mit der gemeinsamen oder an Masse liegenden Eingangsklemme 62 verbunden ist. Das verstärkte Signal wird an eine Mittelwertbildungs- oder Glättungs-RC-Schaltung81' angelegt (die Widerstände 82' und 83' sowie 20 einen Kondensator 84' enthält), um ein Schaltungsausgangssignal an die Klemme 64 abzugeben, das zu der Gleichstromkomponente des Fühlersignals proportional ist, gemittelt über eine Periode, die durch die Zeitkonstante der RC-Schal-tung 81 ' bestimmt wird. Ein passend geeichter Gleichspan-25 nungsmesser 87 zeigt die Amplitude des Signals an der Klemme 64 an.

Signalverarbeitungsschaltungen, die den in den Fig. 4,5 und 6 dargestellten gleichen, sind in der US-PS 4 103 166 gezeigt und beschrieben, auf die bezüglich weiterer Einzel-30 heiten verwiesen wird.

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3 Blatt Zeichnungen.

Claims

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PATENTANSPRÜCHE

1. Wasserstoff-Fühler, gekennzeichnet durch: eine verschlossene und evakuierte Kammer (15; 115); ein erstes Fenster (18; 118) in der Kammer, das aus einem Material gebildet ist, welches für Wasserstoff selektiv durchlässig ist, um Wasserstoff aus einer benachbarten Atmosphäre in die Kammer einzulassen; eine Quelle (17; 117) von Alphateilchen in der Kammer zum Ionisieren des darin enthaltenen Wasserstoffes; ein zweites Fenster (21; 121) in der Kammer, das aus einem Material besteht, welches für Helium selektiv durchlässig ist und welches einen Auslass aus der Kammer für durch Kombination von Alphateilchen und Elektronen in der Kammer gebildetes Helium bildet; und zwei in gegenseitigem Abstand in der Kammer angeordnete Elektroden (12, 13; 112,118), die mit einer Spannungsquelle (16) verbunden sind, um in der Kammer Elektronen zu sammeln, wobei der sich ergebende Elektronenstrom die Wasserstoffkonzentration in der Kammer anzeigt.
2. Fühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Fenster (18; 118) aus einer Palladium-Silber-Legierung besteht.
3. Fühler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussenoberfläche des ersten Fensters (18; 118) mit einem Überzug aus einem Material, bei dem es sich um Nickel, rostfreien Stahl, Aluminiumoxid, Siliciumdioxid, Gold, Rhodium oder Rhenium handelt, zum Schutz der Oberfläche des ersten Fensters versehen ist, wobei der Überzug aber ausreichend dünn ist, um die Diffusion von Wasserstoff durch das erste Fenster hindurch zu gestatten.
4. Fühler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Alphateilchenquelle aus der Gruppe Am-241, Ac-227, Pu-238, Np-237, U-234 und Th-230 ausgewählt ist.
5. Fühler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Alphateilchenquelle aus Am-241 besteht.
6. Fühler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch die Einrichtung (54,56,57), die ihn innerhalb eines vorbestimmten Temperaturbereiches halten.
7. Fühler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperaturbereich von 200 bis 700°C reicht.
8. Fühler nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass alle seine Komponenten aus anorganischen Materialien bestehen, wodurch der Fühler (10; 110) in Hochtemperaturumgebungen verwendbar ist.
9. Fühler nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch einen ihn umgebenden und einen umschlossenen Fluidraum (47) neben ihm bildenden Behälter (46) und durch Einrichtungen (48,49,52,53) zum Hindurchleiten eines auf seinen Wasserstoffgehalthin abzufühlenden Fluids durch den Behälter (46).
10. Fühler nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (57) zum Beheizen des Fluidraums (47).
11. Fühler nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (56), die den Fluidraum (47) innerhalb eines vorbestimmten Temperaturbereiches hält.
12. Fühler nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperaturbereich von 100 bis 650°C reicht.
13. Fühler nach einem der Ansprüche 9 bisl 1, gekennzeichnet durch einen Mantel (58) aus Wärmeisoliermaterial um den Behälter (46) herum.
14. Fühler nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtungen (48,49,52,53) zum Hindurchleiten eines Fluids durch den Behälter (46) in diesem einen Druck aufbauen, der niedriger als der Atmosphärendruck ist.
15. Fühler nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtungen (48,49,52,53) zum

Hindurchleiten eines Fluids durch den Behälter (46) einen im wesentlichen konstanten Fluiddurchsatz in dem Behälter erzeugen.
16. Fühler nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch s gekennzeichnet, dass die Einrichtungen (48,49,52,53) zum Hindurchleiten eines Fluids durch den Behälter (46) einen sich periodisch verändernden Fluiddurchsatz in dem Behälter erzeugen.
17. Fühler nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, io dass der sich periodisch verändernde Fluiddurchsatz in dem

Behälter (46) abwechselnde Perioden keines Durchflusses und eines Durchflusses mit Durchsätzen von 500 cm3 für eine Zeitdauer zwischen 1 und 8 s bis 2000 cm3 für eine Zeitdauer zwischen 2 und 8 s umfasst.

15 18. Fühler nach einem der Ansprüche 1 bis 17, gekennzeichnet durch eine Schaltung (63') zum Verarbeiten des sich ergebenden Elektronenstroms, mit einer Einrichtung (76), die nur die Wechselstromkomponente des Elektronenstroms an ein Bandpassfilter (77) anlegt, welches Signale, deren Fre-20 quenz höher oder niedriger als ein gewünschtes Frequenzband ist, im wesentlichen unterdrückt.
19. Fühler nach Anspruch 18, gekennzeichnet durch eine Signalquadrierschaltung (79), die Signale aus dem Bandpassfilter (77) empfängt, und durch eine Mittelwertbildungsschal-

25 tung (81), die zwischen die Quadrierschaltung (79) und eine Ausgangsklemme (64) geschaltet ist, wodurch das Signal an der Ausgangsklemme zu dem mittleren Quadrat der Wechselstromkomponente des Elektronenstroms proportional ist.
20. Fühler nach einem der Ansprüche 1 bis 17, gekenn-30 zeichnet durch eine Verstärkerschaltung (76') zum Empfangen und Verstärken des sich ergebenden Elektronenstroms und durch eine Mittelwertbildungs-RC-Schaltung (81 '), die zwischen den Ausgang der Verstärkerschaltung und eine Ausgangsklemme (64) geschaltet ist, wodurch das Signal

35 an der Ausgangsklemme (64) zu der Gleichstromkomponente des Elektronenstroms proportional ist, gemittelt über einer Zeitspanne, die durch die Zeitkonstante der RC-Schaltung (81 ') bestimmt wird.
21. Fühler nach Anspruch 1 zum Abfühlen der Wasser-

40 Stoffkonzentration in einer Fluidatmosphäre, gekennzeichnet durch ein erstes rohrförmiges Teil (118) aus einem elektrisch leitenden Material, das für Wasserstoff selektiv durchlässig ist; durch ein zweites rohrförmiges Teil (121) aus einem Material, das für Helium selektiv durchlässig ist, neben dem ersten 45 rohrförmigen Teil (118), um mit diesem einen rohrförmigen Körper zu bilden; durch ein zylindrisches Teil (112), das mit wenigstens einer elektrisch leitenden Oberfläche versehen ist, die von dem ersten rohrförmigen Teil (118) elektrisch isoliert und koaxial zu diesem angeordnet ist, um mit diesem eine so ringförmige Kammer (115) zum Empfangen von Wasserstoff zu bilden, der aus der Atmosphäre durch das erste rohrför-mige Teil (118) hindurchdiffundiert; durch ein Koaxialkabel (28), welches in ein Ende des rohrförmigen Körpers eingekittet ist, wobei der Innenleiter (119) des Koaxialkabels (28) 55 mit der elektrisch leitenden Oberfläche des zylindrischen Teils (112) und der Aussenleiter (111) des Koaxialkabels (28) mit dem ersten rohrförmigen Teil (118) elektrisch verbunden ist; durch eine Einrichtung (38) zum Verschliessen des anderen Endes des Körpers; durch eine in der Kammer ent-60 haltene Alphateilchenquelle (117) zum Ionisieren des Wasserstoffes darin, wobei das erste rohrförmige Teil (118) und die leitende Oberfläche des zylindrischen Teils (112) als Elektroden zum Sammeln der sich ergebenden Elektronen dienen; und durch eine Gasdurchlasseinrichtung (37), die 65 eine Verbindung zwischen der Kammer (115) und der Innenoberfläche des zweiten rohrförmigen Teils (121) herstellt, damit Helium aus der Kammer entweichen kann.
22. Fühler nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet,

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dass das erste rohrförmige Teil (118) aus einer Palladium-Silber-Legierung besteht.
23. Fühler nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussenoberfläche des ersten rohrförmigen Teils (118) mit einem Überzug (43) aus einem Material, bei dem es sich um Nickel, rostfreien Stahl, Aluminiumoxid, Siliciumdioxid, Gold, Rhodium oder Rhenium handelt, zum Schutz der Oberfläche bedeckt ist, der aber ausreichend dünn ist, um die Diffusion von Wasserstoff durch das erste rohrförmige Teil (118) hindurch zu gestatten.
24. Fühler nach einem der Ansprüche 21 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Alphateilchenquelle (117) ein aus der Gruppe Am-241, Ac-227, Pu-238, Np-237, U-234, Th-230 ausgewähltes Material ist.
25. Fühler nach einem der Ansprüche 21 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Alphateilchenquelle (117) aus Am-241 besteht.
26. Fühler nach einem der Ansprüche 21 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Alphateilchenquelle (117) ein Alphateilchen emittierendes Material ist, mit welchem die Oberfläche des zylindrischen Teils (112) überzogen ist.
27. Fühler nach einem der Ansprüche 21 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (38) zum Verschliessen des anderen Endes des Körpers ein Auspumpröhrchen (39) zum Evakuieren des Körpers aufweist.
28. Fühler nach einem der Ansprüche 21 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass ihre sämtlichen Komponenten aus anorganischen Materialien bestehen, so dass sie zur Verwendung in Hochtemperaturumgebungen geeignet ist.