DD269308A3 - Handheld device for monitoring the carbon dioxide content of the air - 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.The invention relates to a hand-held device for monitoring the carbon dioxide content of the air, which is preferably provided for controlling the breathing air in underground salt mining, but beyond also for controlling the carbon dioxide concentration in enclosed spaces, in production facilities, pits, Schaechten and containers can be used. According to the invention contains a potentiometric electrochemical sensor consisting of a membrane-covered p H-Einstabmesskette with glass electrode and a hydrogencarbonathaltigen Elektrolytfuellung, which is arranged in a battery-powered Anzeigeegeraet with light emitting diodes as display elements, in the glass electrode an inner buffer of p H value greater than 1 and less than 5, preferably between 3 and 5, and a hydrogencarbonate-containing Elektrolytfuellung with a potentiometric inactive, water vapor pressure-reducing substance, preferably ethylene glycol or glycerol. Safety-relevant areas of the carbon dioxide content of the air are signaled by the handset in the manner of a traffic light by the colors green, yellow, red.
Description
Hierzu 1 Seite ZeichnungFor this 1 page drawing
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.The invention relates to a hand-held device for monitoring the carbon dioxide content of the air, which is preferably provided for controlling the breathing air in salt mining, beyond that also for controlling the carbon dioxide concentration in enclosed spaces, in production facilities, pits, shafts and containers can be used.
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.Are known handheld for air monitoring with respect to the components O 2 , H 2 S, CO and other gases. These handheld measuring devices, which preferably work with electrochemical sensors, are small, user-friendly and reasonably priced. Not known are handheld devices for monitoring the carbon dioxide content of the air, because for a suitable sensor was not yet available. The generally used for carbon dioxide measuring principle of infrared absorption is complex in terms of apparatus, requires relatively powerful power sources and is therefore unsuitable for a light hand-held meter.
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.Carbon dioxide permeable polymer membrane potentiometric electrochemical carbon dioxide sensors are known. Their use in handheld air monitoring devices, however, has so far been resisted by excessive response times. By decreasing the thickness of the carbon dioxide-permeable polymer membrane, the response speed of this sensor can be increased, but then the likewise increasing water vapor permeability of the membrane material is disadvantageously noticeable. The associated drying out of the electrolyte layer between polymer membrane and hydrogen ion electrode is particularly troublesome in salt mining, because there the relative humidity of the pit air is low. For non-stationary monitoring of the carbon dioxide concentration in salt mining, test tubes are used which indicate a change in carbon dioxide concentration due to color change. By comparison with a color scale can be concluded that the carbon dioxide concentration. The monitoring of the carbon dioxide concentration by means of such a test tube has several disadvantages: Since the test tubes can be used only once and are needed in large quantities, continuously high costs. The measurement results are associated with relatively large errors, and only limited concentration ranges can be detected. Exceeding a critical carbon dioxide concentration is not immediately signaled in a defined and significant way. The evaluation of the measurement results is subjectively. Therefore, high behavioral requirements must be made in the evaluation of the measurement results. In addition, the reactivity of the performer can be impaired in an unphysiological environment, so that highly erroneous measurement results can result.
Ziel der ErfindungObject of the invention
Zie! der Erfindung ist die einfache und genaue Überwachung des Kohlendioxidgehaltes der Luft.Zie! The invention is the simple and accurate monitoring of the carbon dioxide content of the air.
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.The invention has for its object to develop a convenient portable handset with which the carbon dioxide concentration of the mine weather in shafts, routes and tunnels of the underground Salzborgbaues reliably werd'jn can.
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.According to the invention the object is achieved in that a closed on one side with a carbon dioxide permeable polymer membrane potentiometric electrochemical sensor containing a pH combination electrode with glass electrode and a hydrogencarbonateathaltigen electrolyte and is arranged in a battery-powered display device with light emitting diodes as display elements, in the glass electrode an internal buffer of the pH Value greater than 1 and less than S, preferably between 3 and 5, and the hydrogencarbonate-containing electrolyte filling contains a potentiometrically inactive, water vapor pressure-reducing substance. The addition of a water-vapor-pressure-lowering substance, preferably ethylene glycol or glycerol, for I., "Hrogencarbonathaltigen electrolyte filling dr s electrochemical potentiometric carbon dioxide sensor wir'.sam prevents the drying out of the electrolyte ··" ^ i 1 Sit between the polymer membrane and hydrogen ion electrode also up .he the environmental conditions of salt mining. This is also the case when very thin or relatively high-modulus polymer membranes are used in the interest of rapid censoring. A potentiometric carbon dioxide sensor usable under the environmental conditions of underground salt mining consists of a pH-combination measuring rod, glass electrode filled with an internal buffer of pH greater than 1 and less than 5, and surrounded by an electrolyte solution which is 10 to 30Vol .-% Waster, 90 to 70Vol .-% ethylene glycol, 0.005 to 0.01 mol / l Natriumhydrogenchrbonat and 0.1 mol / l potassium chloride. The carbon dioxide-permeable membrane is preferably silicone rubber of 20 to 50 μm thickness or PTFE film of 6 to 12 μm thickness.
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:The combination according to the invention of such a potentiometric carbon dioxide sensor with a battery-powered high-impedance measuring amplifier and a display unit which contains light-emitting diodes of different colors leads to a hand-held device which has a number of surprising safety-relevant advantages:
— 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.The miniaturization of the potentiometric carbon dioxide sensor, as well as the low load required to operate the high-impedance amplifier and the light-emitting diodes cause the sensor, amplifier part and power supply in a common housing to result in a handset having small dimensions and light weight, conveniently carried by the user can be used and can also be used under difficult working conditions.
— 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.- Errors on the sensor, such as breakage of the glass membrane, shunt, short circuit, contact errors u.a. are signaled by the light emitting diodes as "life-threatening carbon dioxide concentration" when the glass electrode of the pH combination electrode is filled with an internal buffer whose pH is less than 5.
— Die Kalibrierung des Handgerätes ist im Notfall und bei verminderten Genauigkeitsanforderungen auch mit normaler Umgebungsluft von 0,03 bis 0,04 Vol.-% Kohlendioxidgehalt möglich.- The calibration of the hand-held device is possible in an emergency and with reduced accuracy requirements even with normal ambient air from 0.03 to 0.04 vol .-% carbon dioxide content.
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.The invention will be explained in more detail below using an exemplary embodiment. To illustrate, an inventive handheld device for monitoring the carbon dioxide content of the air is shown schematically in Figure 1. A potentiometric electrochemical carbon dioxide sensor 1, which consists of a membrane-covered pH combination electrode, is arranged steckbaf inside a handy, battery-powered display device 2 and communicates via an opening 3 with the ambient air. The pH electrode combination electrode with water-sensitive glass electrode whose inner buffer has a pH of 4.6 is immersed in an electrolytic solution containing 80% by volume of ethylene glycol, 20% by volume of water, 0.01 mole / liter of sodium hydrogencarbonate and 0.1 contains mol / l potassium chloride. As kohlendioxidpermeable polymer membrane is silicone rubber film of 30 μπι thickness or PTFE film of β to 12 μιτι thickness.
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.The display device 2 contains in addition to the electrochemical carbon dioxide sensor 1 essentially batteries for power supply, a high-impedance electronic amplifier and other electronic circuits for Meßwertverarbeitung and for driving a buzzer and the light emitting diodes 4,5 and 6. The light emitting diodes 4,5 and 6 are in the manner of a Traffic light arranged. At low carbon dioxide concentration <0.5 vol.%, Green light emitting diodes 4 are lit, and at the carbon dioxide concentration of normal atmosphere, which is 0.03 vol.%, Switching from one to two green diodes occurs. A carbon dioxide concentration of between 0.5 and 1.5% by volume, which is substantially increased in comparison to normal atmosphere, is signaled by yellow light-emitting diodes 5. In the life-threatening concentration range above 1.5% by volume, red light emitting diodes 6 light up and an additional acoustic warning signal sounds.
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.The calibration of the device is carried out with calibration gases containing 1.5 and 0.5 vol .-% CO 2 or with normal ambient air containing 0.03Vol .-% CO 2 . At these concentrations, a switching of the light emitting diodes, so that an additional display is not required for the calibration.
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.The zero point of the carbon dioxide sensor has such a value that when the sensor is not connected or defective, the red light emitting diodes light up. If the measured carbon dioxide concentration is far below the normal ambient air, all light emitting diodes will go out. Discharged batteries are indicated by flashing of the light emitting diodes. Thus, no additional display elements are required for the signaling of interference states.
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