DD269308A3 - Handgerät zur Überwachung des Kohlendioxidgehaltes der Luft - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Handgeraet zur Ueberwachung des Kohlendioxidgehaltes der Luft, das vorzugsweise zur Kontrolle der Atemluft im Untertage-Salzbergbau vorgesehen ist, darueber hinaus aber auch zur Kontrolle der Kohlendioxidkonzentration in geschlossenen Raeumen, in Produktionseinrichtungen, Gruben, Schaechten und Behaeltern eingesetzt werden kann. Erfindungsgemaess enthaelt ein potentiometrischer elektrochemischer Sensor, bestehend aus einer membranbedeckten p H-Einstabmesskette mit Glaselektrode und einer hydrogencarbonathaltigen Elektrolytfuellung, der in einem batteriegespeisten Anzeigegeraet mit Lichtemitterdioden als Anzeigeelemente angeordnet ist, in der Glaselektrode einen Innenpuffer vom p H-Wert groesser als 1 und kleiner als 5, bevorzugt zwischen 3 und 5, und eine hydrogencarbonathaltige Elektrolytfuellung mit einer potentiometrisch inaktiven, wasserdampfdrucksenkenden Substanz, bevorzugt Ethylenglycol oder Glycerol. Sicherheitstechnisch interessierende Bereiche des Kohlendioxidgehaltes der Luft werden vom Handgeraet nach Art einer Verkehrsampel durch die Farben Gruen, Gelb, Rot signalisiert.
Description
Hierzu 1 Seite Zeichnung
Die Erfindung betrifft ein Handgerät zur Überwachung des Kohlendioxidgehaltes der Luft, das vorzugsweise zur Kontrolle der Atemluft im Salzbergbau vorgesehen ist, darüber hinaus auch zur Kontrolle der Kohlendioxidkonzentration in geschlossenen Räumen, in Produktionseinrichtungen, Gruben, Schächten und Behältern eingesetzt werden kann.
Bekannt sind Handmeßgeräte zur Luftüberwachung bezüglich der Komponenten O2, H2S, CO sowie weiterer Gase. Diese Handmeßgeräte, die vorzugsweise mit elektrochemischen Sensoren arbeiten, sind klein, bedienfreundlich und preisgünstig gestaltet. Nicht bekannt sind dagegen Handmeßgeräte zur Überwachung des Kohlendioxidgehaltes der Luft, weil dafür ein geeigneter Sensor bisher noch nicht zur Verfügung stand. Das für Kohlendioxid allgemein angewendete Meßprinzip der Infrarotabsorption ist apparativ aufwendig, erfordert relativ leistungsstarke Stromquellen und ist somit für ein leichtes Handmeßgerät ungeeignet.
Potentiometrische elektrochemische Kohlendioxidsensoren mit kohlendioxidpermeabler Polymermembran sind bekannt. Ihrer Anwendung in Handgeräten zur Luftüberwachung standen jedoch bisher zu hohe Ansprechzeiten entgegen. Durch Verringern der Dicke der kohlendioxidpermeablen Polymermembran kann die Ansprechgeschwindigkeit dieses Sensors zwar erhöht werden, es macht sich dann aber die ebenfalls zunehmende Wasserdampfduuhlässigkeit des Membranmaterials nachteilig bemerkbar. Das damit verbundene Austrocknen der Elektrolytschicht zwischen Polymermembran und Wasserstoffionenelektrode ist im Salzbergbau besonders störend, weil dort die relative Feuchte der Grubenluft niedrig ist. Zur nichtstationären Überwachung der Kohlendioxidkonzentration im Salzbergbau werden Prüfröhrchen verwendet, die eine Änderung der Kohlendioxidkonzentration durch Farbänd3rung anzeigen. Durch Vergleich mit einer Farbskale kann auf die Kohlendioxidkonzentration geschlossen werden. Die Überwachung der Kohlendioxidkonzentration mittels derartiger Prüfröhrchen ist mit mehreren Nachteilen verbunden: Da die Prüfröhrchen jeweils nur einmal verwendet werden können und in großer Stückzahl benötigt werden, entstehen kontinuierlich hohe Kosten. Die Meßergebnisse sind mit relativ großen Fehlern behaftet, und es lassen sich nur begrenzte Konzentrationsbereiche erfassen. Die Überschreitung einer kritischen Kohlendioxidkonzentration wird nicht sofort in definierter und signifikanter Weise signalisiert. Die Auswertung de Meßergebnisse erfolgt subjektiv. Daher müssen bei der Auswertung der Meßergebnisse hohe Verhaltensanforderungen gestellt werden. In unphysiologischer Umgebung kann zudem das Reaktionsvermögen des Ausführenden beeinträchtigt sein, so daß stark fehlerhafte Meßergebnisse resultieren können.
Ziel der Erfindung
Zie! der Erfindung ist die einfache und genaue Überwachung des Kohlendioxidgehaltes der Luft.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein bequem transportables Handgerät zu entwickeln, mit dem die Kohlendioxidkonzentration der Grubenwetter in Schächten, Strecken und Stollen des Untertage-Salzborgbaues zuverlässig überwacht werd'jn kann.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß ein einseitig mit einer kohlendioxidpermeablen Polymermembran verschlossener potentiometrischer elektrochemischer Sensor, der eine pH-Einstabmeßkette mit Glaselektrode sowie einen hydrogencarbonathaltigen Elektrolyten enthält und in einem batteriegespeisten Anzeigegerät mit Lichtemitterdioden als Anzeigeelemente angeordnet ist, in der Glaselektrode einen Innenpuffer vom pH-Wert größer als 1 und kleiner als S, bevorzugt zwischen 3 und 5 aufweist und dessen hydrogencarbonathaltige Elektrolytfüllung eine potentiometrisch inaktive, wasserdampfdrucksenkende Substanz enthalt. Der Zusatz einer wasserdampfdrucksenkenden Substanz, bevorzugt Ethylenglycol oder Glycerol, zur I. ,"Hrogencarbonathaltigen Elektrolytfüllung dr s elektrochemischen potentiometrischen Kohlendioxidsensors verhindert wir'.sam das Austrocknen der Elektrolyt··" ^i1Sit zwischen Polymermembran und Wasserstoff ionenelektrode auch up .er den Umweltbedingungen des Salzbergbaus. Das ist auch dann der Fall, wenn im Interesse eines schnellen Ansprechens des Zensors sehr dünne oder relativ hochparmoable Polymermembranen verwendet werden. Ein potentiometrischer Kohlendioxidsensor, der unter den Umweltbedingungen des Untertage-Salzbergbaus einsetzbar ist, besteht aus einer pH-Einstabmeßkeite, tieren Glaselektrode mit einem Innenpuffer vom pH-Wert größer als 1 und kleiner als 5 gefüllt ist und die von einer Elektrolytlösung umgeben ist, welche 10 bis 30Vol.-% Waster, 90 bis 70Vol.-% Ethylenglycol, 0,005 bis 0,01 mol/l Natriumhydrogenchrbonat und 0,1 mol/l Kaliumchlorid enthält. Als kohlendioxidpermeable Membran eignet sich vorzugsweise Silikonkautschuk von 20 bis 50Mm Dicke oder PTFE-Folie von 6 bis 12 pm Dicke.
Die erfindungsgemäße Kombination eines solchen potentiometrischen Kohlendioxidsensors mit einem batteriegespeisten hochorjmigen Meßverstärker und einer Anzeigeeinheit, die verschiedenfarbige Lichtemitterdioden enthält, führt zu einem Handgerät, das eine Reihe überraschender, sicherheitstechnisch bedeutsamer Vorteile aufweist:
— Die Miniaturisierbarkeit des potentiometrischen Kohlendioxidsensors sowie die zum Betreiben des hochohmigen Verstärkers und der Lichtemitterdioden benötigte geringe latterieleistung bewirken, daß Sensor, Verstärkerteil und Stromversorgung in einem gemeinsamen Gehäuse zusammengefaßt ein Handgerät ergeben, das kleine Abmessungen und geringes Gewicht aufweist, bequem .am Mann" getragen werden kann und auch unter schwierigen Arbeitsbedingungen einsetzbar ist.
— Fehler am Sensor, wie Bruch der Glasmembran, Nebenschluß, Kurzschluß, Kontaktfehler u.a. werden durch die Lichtemitterdioden als .lebensgefährliche Kohlendioxidkonzentration" signalisiert, wenn die Glaselektrode der pH-Einstabmeßkette mit einem Innenpuffer gefüllt ist, dessen pH-Wert kleiner als 5 ist.
— Die Kalibrierung des Handgerätes ist im Notfall und bei verminderten Genauigkeitsanforderungen auch mit normaler Umgebungsluft von 0,03 bis 0,04 Vol.-% Kohlendioxidgehalt möglich.
Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Zur Veranschaulichung ist in Figur 1 ein erfindungsgemäßes Handgerät zur Überwachung des Kohlendioxidgehaltes der Luft schematisch dargestellt. Ein potentiometrischer elektrochemischer Kohlendioxidsensor 1, der aus einer membranbedeckten pH-Einstabmeßkette besteht, ist steckbaf im Inneren eines handlichen, batteriegespeisten Anzeigegerätes 2 angeordnet und steht über eine Öffnung 3 mit der Umgebungsluft in Verbindung. Die pH-Einstabmeßkette mit wassarstoffionensensitiver Glaselektrode, deren Innenpuffer einen pH-Wert von 4,6 aufweist, taucht in eine Elektrolytlösung, die 80Vol.-% Ethylenglycol, 20 Vol.-% Wasser, 0,01 mol/l Natriumhydrogencarbonat und 0,1 mol/l Kaliumchlorid enthält. Als kohlendioxidpermeable Polymermembran dient Silikonkautschukfolie von 30 μπι Dicke oder auch PTFE-Folie von β bis 12 μιτι Dicke.
Das Anzeigegerät 2 enthält außer dem elektrochemischen Kohlendioxidsensor 1 im wesentlichen Batterien zur Stromversorgung, einen hochohmigen elektronischen Meßverstärker und weitere elektronische Schaltungen zur Meßwertverarbeitung und zur Ansteuerung eines Summers sowie der Lichtemitterdioden 4,5 und 6. Die Lichtemitterdioden 4,5 und 6 sind nach Art einer Verkehrsampel angeordnet. Bei niedriger Kohlendioxidkonzentration <0,5Vol.-% leuchten grüne Lichtemitterdioden 4, wobei bei der Kohlendioxidkonzentration von Normalatmosphäre, die 0,03 Vol.-% beträgt, eine Umschaltung von einer auf zwei grüne Dioden erfolgt. Eine gegenüber Normalatmosphäro wesentlich erhöhte Kohlendioxidkonzentration zwischen 0,5 und 1,5Vol.-% wird durch gelbe Lichtemitterdioden 5 signalisiert. In dem lebensgefährlichen Konzentrationsbereich oberhalb 1,5Vol.-% leuchten rote Lichtemitterdioden 6, und es ertönt zusätzlich ein akustisches Warnsignal.
Die Kalibrierung des Gerätes erfolgt mit Eichgasen, die 1,5 bzw. 0,5Vol.-% CO2 enthalten oder mit normaler Umgebungsluft, die 0,03Vol.-% CO2 enthält. Bei diesen Konzentrationen erfolgt eine Umschaltung der Lichtemitterdioden, so daß für die Kalibrierung eine zusätzliche Anzeige nicht erforderlich ist.
Der Kettennullpunkt des Kohlendioxidsensors hat einen solchen Wert, daß bei nicht angeschlossenem oder defektem Sensor die roten Lichtemitterdioden leuchten. Falls die gemessene Kohlendioxidkonzentration weit unterhalb der normalen Umgebungsluft liegt, verlöschen alle Lichtemitterdioden. Auf entladene Batterien wird durch Blinken der Lichtemitterdioden hingewiesen. Für die Signalisierung von Störzuständen werden somit ebenfalls keine zusätzlichen Anzeigeelemente' ^nötigt.
Claims (4)
1. Handgerät zur Überwachung des Kohlendioxidgehaltes der Luft, bestehend aus einem potentiometrischen elektrochemischen Sensor, der einseitig mit einer kohlendioxidpermeablen Polymermembran verschlossen ist, eine pH-Einstabmeßkette mit Glaselektrode sowie eine hydrogencarbonathaltige Elektrolytfüllung enthält und einem batteriegespeisten Anzeigegerät mit Lichtemitterdioden als Anzeigeelemente, dadurch gekennzeichnet, daß die pH-Einstabmeßkette eine Glaselektrode enthält, deren Innenpuffer einen pH-Wert größer als 1 und kleiner als 5 aufweist und die hydrogencarbonathaltige Elektrolytfüllung des Sensors eine potentiometrisch inaktive, wasserdampfdrucksenkende Substanz enthält.
2. Handgerät zur Überwachung des Kohlendioxidgehaltes der Luft nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die potentiometrisch inaktive, wasserdampfdrucksenkende Substanz ein mehrwertiger Alkohol mit hygroskopischen Eigenschaften, bevorzugt Ethylenglycol oder Glycerol, ist.
3. Handgerät zur Überwachung des Kohlendioxidgehaltes der Luft nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil an Ethylenglycol oder Glycerol in der hydrogencarbonathaltigon Elektrolytfüllung zwischen 70 und 90Gew.-% beträgt.
4. Handgerät zur Überwachung des Kohlendioxidgehaltes der Luft nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der pH-Wert des Innenpuffers der Glaselektrode vorzugsweise zwischen 3 und S liegt.
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