DE10008402B4 - Verfahren und Einrichtung zur Messung der Wasserstoffkonzentration - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Messung der Wasserstoffkonzetration in einem Gas-Dampf-Gemisch, das sich insbesondere in einer kerntechnischen Anlage befindet, bei dem mit einem ersten Sensor (3) nach einer katalytischen Verbrennung von Wasserstoff an einem beschichteten Draht (5) und der daraus folgenden Temperaturerhöhung der elektrische Widerstand des beschichteten Drahtes (5) als Maß für die Wasserstoffkonzentration gemessen wird, und bei dem zusätzlich mit einem zweiten Sensor (8) die Temperatur eines beheizten Körpers (9) als Maß für die Wasserstoffkonzentration am beheizten Körper (9) bestimmt wird, wobei die Signale beider Sensoren (3, 8) unabhängig voneinander erfasst und gemeinsam ausgewertet werden und anhand von Schwellwerten entscheiden wird, welcher der beiden Sensoren (3, 8) für die jeweilige Messung der Wasserstoffkonzetration der geeignetere ist.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Wasserstoffkonzentration in einem Gas-Dampf-Gemisch, das sich insbesondere in einer kerntechnischen Anlage befindet, wobei mit einem ersten Sensor nach einer katalytischen Verbrennung von Wasserstoff an einem beschichteten Draht und der daraus folgenden Temperaturerhöhung der elektrische Widerstand des beschichteten Drahtes als Maß für die Wasserstoffkonzentration gemessen wird.
• Die Erfindung betrifft auch eine Einrichtung zur Messung der Wasserstoffkonzentration in einem Gas-Dampf-Gemisch, insbesondere in einer kerntechnischen Anlage, mit einem ersten Sensor, der einen mit Katalysatormaterial beschichteten Draht aufweist, der mit einer Widerstandsmessvorrichtung verbunden ist. Diese Einrichtung ist insbesondere zur Durchführung des genannten Verfahrens geeignet.
• Da Wasserstoff, wenn er auf Luftsauerstoff trifft und eine Zündung erfolgt, explosionsartig verbrennt, ist es notwendig, an Orten, wo Wasserstoff entstehen kann, die Wasserstoffkonzentration zu überwachen. Dort ist häufig ein Gas-Dampf-Gemisch vorhanden, das z.B. Luft, Wasserdampf und gegebenenfalls Wasserstoff enthält.
• In Kernkraftwerken wird die Containmentatmosphäre auf Wasserstoff überwacht, der z.B. bei einem Störfall entstanden sein kann.
• Bisher bekannte Messverfahren für die Wasserstoffkonzentration messen die sogenannte Wärmetönung, die bis zu 10 Vol.-% Wasserstoff zu erkennen gestattet. Dazu wird der vorhandene Wasserstoff an einem mit einem geeigneten Katalysator be schichteten Draht katalytisch verbrannt, wodurch sich die Temperatur des Drahtes erhöht. Mit der Temperaturerhöhung steigt auch der elektrische Widerstand des Drahtes. Wenn der Draht Teil eines Stromkreises ist, kann der Widerstand über eine Stromstärkemessung und eine Spannungsmessung ermittelt werden. Der elektrische Widerstand ist dann ein Maß für die Wasserstoffkonzentration am Draht.
• Geeignete Einrichtungen für eine solche Messung bestehen aus einem Sensor, der einen mit Katalysatormaterial beschichteten Draht aufweist, welcher mit einer Vorrichtung zur Widerstandsmessung verbunden ist.
• Wasserstoffkonzentrationsmessungen, die auf die beschriebene Wärmetönung zurückgreifen, wurden bisher schon zur Überwachung der Containmentatmosphäre in einem Kernkraftwerk eingesetzt. Man kann jedoch Wasserstoffkonzentrationen über etwa 10 Vol.% nicht eindeutig erkennen.
• In Anlagen, in denen stets eine trockene Atmosphäre vorhanden ist, war bisher auch schon ein anderes Konzentrationsmessverfahren für Wasserstoff eingesetzt worden. Dabei wurde berücksichtigt, dass sich die Oberflächentemperatur eines beheizten Körpers in einer wasserstoffhaltigen Atmosphäre von der Oberflächentemperatur in einer Atmosphäre, die keinen Wasserstoff enthält, unterscheidet. Das ist darauf zurückzuführen, dass Wasserstoff eine höhere Wärmeleitfähigkeit als z.B. Luft hat und daher die Oberfläche des Körpers, sofern der beheizt wird, bei wasserstoffhaltiger Atmosphäre schneller abkühlt als sonst. Die Temperaturabsenkung führt zu einer Änderung des elektrischen Widerstandes des Körpers, so dass der elektrische Widerstand ein Maß für die Wasserstoffkonzentration ist. Zur Messung der Temperatur des Körpers mittels des elektrischen Widerstandes umfasst der Körper ein Thermoelement oder ein Widerstandsthermometer.
• Aus dem Aufsatz „Dissolved Hydrogen Analyzer-A Tool for Boiler Corrosion Studies" in „Materials protection and Performance", Mai 1971, Seiten 39 bis 44, ist bekannt, dazu eine Wheatstone-Brücke einzusetzen. Um ein zuverlässiges Messergebnis zu bekommen, wird dort vor der Messung Gas von Wasser getrennt.
• Die bekannten Messmethoden wurden bisher mit einer Messeinrichtung durchgeführt, die mit einer Auswertelogik ausgestattet war. Sie waren folglich weder bei hoher Temperatur, noch bei radioaktiver Strahlung oder bei starken Vibrationen einsetzbar. Aus der DE 40 03 244 C2 ist eine derartige Messmethoden umfassende Schaltungsanordnung für ein Gasmessgerät bekannt.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Einrichtung zur Messung der Wasserstoffkonzentration in einem Gas-Dampf-Gemisch anzugeben, die selbst in über den Kondensationspunkt gesättigter feuchter Atmosphäre zuverlässige Ergebnisse liefern, bei Wasserstoffkonzentrationen sowohl unter als auch über 10 Vol-%.
• Die Aufgabe, ein geeignetes Verfahren anzugeben, wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, dass mit einem zweiten Sensor die Temperatur eines beheizten Körpers als Maß für die Wasserstoffkonzentration am beheizten Körpers bestimmt wird, dass die Signale beider Sensoren ausgewertet werden, und dass dabei mittels Schwellwerten entschieden wird, welches Signal nach der Auswertung die Wasserstoffkonzentration angibt.
• Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass der Effekt, der dadurch hervorgerufen wird, dass Wasserstoff eine höhere Wärmeleitfähigkeit als Luft hat, auch in Wasserdampf enthaltender Umgebung am beheizten Körper messbar ist. Da die Messung aber nur bei höherer Wasserstoffkonzentration, z.B. über 10 Vol.-%, zuverlässig ist, sieht das Verfahren nach der Er findung vor, dass eine Wärmeleitfähigkeitsmessung und die Wärmetönungsmessung gleichzeitig durchgeführt werden. Die von den beiden Messungen stammenden Signale werden ausgewertet und dann diejenigen Signale, die die Wasserstoffkonzentration angeben, mit Schwellwerten verglichen. Diese Schwellwerte sind so gewählt, dass vorteilhafterweise jeweils nur das Messergebnis des besser geeigneten Messverfahrens berücksichtigt wird.
• Zum Beispiel wird, wenn die Wärmetönungsmessung (erste Messmethode) einen Wert zwischen 0 Vol-% und 10 Vol-% Wasserstoff ergibt, dieser Wert akzeptiert. Wenn jedoch die Wärmetönungsmessung einen höheren Wert ergibt, wird stattdessen der mit der zweiten Messmethode am beheizten Körper bestimmte Konzentrationswert akzeptiert.
• Da die zweite Messmethode zwischen 10 Vol.-% und 40 Vol-% Wasserstoff gute Ergebnisse, selbst bei feuchter Umgebung, gewährleistet, kann mit dem Kombinationsmessverfahren nach der Erfindung der Konzentrationsbereich von 0 Vol.-% bis 40 Vol.-% Wasserstoff abgedeckt werden.
• Die Schwellwerte können auch in anderer Weise eingerichtet werden. Es könnte z.B. zuerst der zweite Sensor beachtet werden und nur dann, wenn dieser einen Wert unter 10 Vol.-% angibt, die Messung des ersten Sensors Beachtung finden. Es sind auch Regelungen denkbar, bei der dem ersten oder dem zweiten Sensor der Vorrang gegeben wird, falls z.B. der erste Sensor einen Wert unter 10 Vol.-% und der zweite Sensor einen Wert über 10 Vol-% Wasserstoff angeben sollten.
• Die Schwellwerte können auch für die beiden Sensoren unterschiedlich groß sein und/oder bei einem größeren oder kleineren Wert als 10 Vol.-% liegen.
• Beispielsweise wird die Temperatur des beheizten Körpers bestimmt, indem der elektrische Widerstand des Körpers gemessen und daraus bei bekanntem funktionellem Zusammenhang die Temperatur berechnet wird. Zum Messen des Widerstands werden z.B. Spannung und Stromstärke ermittelt.
• Die Auswertung der Signale beider Sensoren erfolgt beim Verfahren nach der Erfindung beispielsweise an einem vom Gas-Dampf-Gemisch entfernten Ort. Damit wird der Vorteil erzielt, dass die notwendige Auswerteeinheit den Umgebungsbedingungen, z.B. im Containment eines Kernkraftwerkes, nicht ausgesetzt werden muss. Sie muss also weder hohen Temperaturen (bis ca. 200 °C) noch ionisierender Strahlung Stand halten.
• Nach einem anderen Beispiel erfolgt die Auswertung der Signale analog. Damit wird der Vorteil erzielt, dass keine empfindlichen Bauteile in der Auswerteeinheit erforderlich sind. Die Auswerteeinheit ist dadurch auch bei hoher Temperatur (bis ca. 200 °C) und ionisierender Strahlung, aber auch bei mechanischen Vibrationen zuverlässig einsetzbar.
• Die Aufgabe, eine geeignete Einrichtung zur Messung der Wasserstoffkonzentration anzugeben, wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, dass ein zweiter Sensor vorhanden ist, der einen beheizbaren Körper aufweist, der eine Temperaturmessvorrichtung umfasst, dass die beiden Messvorrichtungen über Signalleitungen mit einer Auswerteeinheit zum Bestimmen der Wasserstoffkonzentration verbunden sind, und dass die Auswerteeinheit zur Entscheidung, welcher Sensor berücksichtigt wird, Schwellwertkomparatoren enthält.
• Es stehen also zwei unterschiedliche Sensoren zur Verfügung, und es wird in Abhängigkeit von den Messwerten für die Wasserstoffkonzentration durch die Auswerteeinheit entschieden, welcher Sensor für die jeweilige Messung geeigneter ist.
• Mit der Einrichtung nach der Erfindung wird, wie mit dem Verfahren, der Vorteil erzielt, dass selbst bei feuchter Umgebung mit Kondensatbildung für Wasserstoffkonzentrationen sowohl unter als auch über 10 Vol-% zuverlässige Ergebnisse erzielt werden.
• Beispielsweise ist die Temperaturmessvorrichtung zusammen mit dem beheizbaren Körper als Thermoelement oder als Widerstandsthermometer ausgebildet. Auf diese Weise kann die Temperatur zuverlässig gemessen werden.
• Beispielsweise ist die Auswerteeinheit außerhalb des Gas-Dampf-Gemisches angeordnet. Damit wird der Vorteil erzielt, dass sie nicht aufwendig zum Schutz vor hohen Temperaturen und ionisierender Strahlung gekapselt werden muss, und trotzdem zuverlässig arbeitet.
• Nach einem anderen Beispiel enthält die Auswerteeinheit zur analogen Auswertung Operationsverstärker. Da keine digitale Auswertung vorgesehen ist, und auch keine empfindlichen Bausteine vorhanden sind, ist die Auswerteeinheit, die für die Einrichtung nach der Erfindung vorgesehen ist, robust aufgebaut. Sie kann folglich die Anforderungen eines Kernkraftwerkes erfüllen, da ihre Funktion weder durch Temperaturen bis 200 °C, noch durch ionisierende Strahlung oder durch Vibrationen gestört werden kann.
• Die beiden Sensoren sind beispielsweise in einem gemeinsamen Sensorkopf untergebracht. Damit wird der Vorteil erzielt, dass die Messeinrichtung einerseits leicht handhabbar ist und andererseits sichergestellt ist, dass die Konzentrationswerte vom gleichen Ort stammen.
• Mit dem Verfahren und mit der Einrichtung nach der Erfindung wird insbesondere der Vorteil erzielt, dass selbst im Containment eines Kernkraftwerkes bei einem Störfall die Wasserstoffkonzentration zuverlässig bestimmt werden kann, selbst dann, wenn der Wasserstoffkonzentrationswert über 10 Vol-% liegen sollte.
• Der Aufbau einer Einrichtung zur Messung der Wasserstoffkonzentration wird anhand der Zeichnung näher erläutert:
  Im Inneren eines Containments 1 eines Kernkraftwerkes sind in einem gemeinsamen Sensorkopf 2 zwei Sensoren für die Wasserstoffkonzentration untergebracht. Der erste Sensor 3 weist einen mit einem Katalysatormaterial 4 beschichteten Draht 5 auf. Wenn Wasserstoff in die Nähe dieses Sensors 3 kommt, steigt durch eine Reaktion des Wasserstoffs mit dem Katalysatormaterial 4 die Temperatur am Draht 5. Diese Temperaturerhöhung führt zu einem größeren elektrischen Widerstand des Drahtes 5. Der Widerstand ist in einem Stromkreis, dessen Bestandteil der Draht 5 ist, messbar. Zur Widerstandsmessung sind ein Spannungsmesser 6 und ein Stromstärkemesser 7 mit dem Stromkreis verbunden.
• Der zweite Sensor 8 für die Wasserstoffkonzentration im Sensorkopf 2 weist einen beheizbaren Körper 9, z.B. in Form eines Drahtes, auf, der mit einer Heizvorrichtung 10 verbunden ist. Da die Wärmeleitfähigkeit verschiedener Gase unterschiedlich ist, kühlt die Oberfläche des Körpers 9 bei Vorhandensein von Wasserstoff schneller ab als sonst. Diese Temperaturänderung ist ein Maß für die Wasserstoffkonzentration. Zur Temperaturmessung ist der Körper 9 als Widerstandsthermometer ausgebildet. Eine Widerstandsänderung des Widerstandsthermometers, das in einem Stromkreis angeordnet ist, kann mit Hilfe eines Spannungsmessers 11 und eines Stromstärkemessers 12 registriert werden.
• Zur Auswertung der Messsignale der Sensoren 3, 8 dient eine Auswerteeinheit 13, die mit den Stromstärke- und Spannungsmessern 6, 7; 11, 12, verbunden ist. Die Auswerteeinheit 13 kann außerhalb des Containments 1 angeordnet sein und braucht dann nicht für die Bedingungen im Containment 1 ausgelegt zu sein. Im vorliegenden Fall ist aber die Auswerteeinheit 13 im Inneren des Containments 1 angeordnet. Damit sie hohen Temperaturen, ionisierender Strahlung und auch Vibrationen standhalten kann, enthält sie zur Auswertung keine aufwendigen elektronischen Bauteile, die für eine digitale Auswertung notwendig wären. Die Auswerteeinheit 13 enthält stattdessen Operationsverstärker 14, die eine zuverlässige analoge Auswertung ermöglichen. Durch die Operationsverstärker (Komparatoren) 14, von denen nur einer dargestellt ist, werden die Signale der Sensoren 3, 8 mit geeigneten Schwellwerten verglichen, so dass noch in der Auswerteeinheit 13 entschieden werden kann, welcher Sensor 3 oder 8 momentan den besseren und genaueren Wert für die Wasserstoffkonzentration liefert. Dieser ausgewählte Wert wird an einer mit der Auswerteeinheit 14 verbundenen Anzeigeeinheit 15 angezeigt oder weiteren Auswertungsschritten zugrundegelegt.
• Durch den Einsatz von zwei Messmethoden und von zwei Sensoren 3, 8 und durch die nachfolgende Auswertung kann die Wasserstoffkonzentration bei Umgebungsbedingungen des Containments 1 über einen großen Konzentrationsbereich stets zuverlässig bestimmt werden.

Claims (8)

1. Verfahren zur Messung der Wasserstoffkonzetration in einem Gas-Dampf-Gemisch, das sich insbesondere in einer kerntechnischen Anlage befindet, bei dem mit einem ersten Sensor (3) nach einer katalytischen Verbrennung von Wasserstoff an einem beschichteten Draht (5) und der daraus folgenden Temperaturerhöhung der elektrische Widerstand des beschichteten Drahtes (5) als Maß für die Wasserstoffkonzentration gemessen wird, und bei dem zusätzlich mit einem zweiten Sensor (8) die Temperatur eines beheizten Körpers (9) als Maß für die Wasserstoffkonzentration am beheizten Körper (9) bestimmt wird, wobei die Signale beider Sensoren (3, 8) unabhängig voneinander erfasst und gemeinsam ausgewertet werden und anhand von Schwellwerten entscheiden wird, welcher der beiden Sensoren (3, 8) für die jeweilige Messung der Wasserstoffkonzetration der geeignetere ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des beheizten Körpers (9) bestimmt wird aus dem gemessenen elektrischen Widerstand des Körpers (9).
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Signale beider Sensoren (3, 8) an einem vom Gas-Dampf-Gemisch entfernten Ort ausgewertet werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertung analog erfolgt.
5. Einrichtung zur Messung der Wasserstoffkonzentration in einem Gas-Dampf-Gemisch, insbesondere in einer kerntechnischen Anlage, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, mit einem ersten Sensor (3), der einen mit Katalysatormaterial (4) beschichteten Draht (5) aufweist, der mit einer Widerstands-Messvorrichtung verbunden ist, und zusätzlich mit einem zweiten Sensor (8), der einen beheizbaren Körper (9) aufweist, der eine Temperatur-Messvorrichtung umfasst, wobei die beiden Sensoren (3, 8) in einem gemeinsamen Sensorkopf (2) angeordnet sind und über Signalleitungen mit einer gemeinsamen Auswerteeinheit (13) zum Bestimmen der Wasserstoffkonzentration verbunden sind, und wobei die Auswerteeinheit (13) zur Entscheidung, welcher Sensor (3, 8) berücksichtigt wird, Schwellwertkomperatoren enthält.
6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der beheizbare Körper (9) mit Temperatur-Messvorrichtung ein Thermoelement oder ein Widerstandsthermometer umfasst.
7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (13) außerhalb des Gas-Dampf-Gemisches anordenbar ist.
8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (13) zur analogen Auswertung Operationsverstärker (14) enthält.