DE102005017445A1

DE102005017445A1 - Gasmesssystem mit Gassensor und Gasgenerator

Info

Publication number: DE102005017445A1
Application number: DE102005017445A
Authority: DE
Inventors: Peter Dr. Tschuncky; Herbert Dr. Kiesele; Uwe Kühn; Frank Mett; Andreas Dr. Hengstenberg; Kerstin Caro
Original assignee: Draeger Safety AG and Co KGaA
Current assignee: Draeger Safety AG and Co KGaA
Priority date: 2005-04-15
Filing date: 2005-04-15
Publication date: 2006-10-26
Anticipated expiration: 2025-04-16
Also published as: US20060230813A1; GB2425183A; GB0607285D0; DE102005017445B4; GB2425183B; US7645367B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Gasmesssystem, enthaltend mindestens einen Gassensor (1) und mindestens einen Gasgenerator (4), wobei der Gassensor (1) mindestens eine Messfläche (3) aufweist, an der eine Zielgaskonzentration gemessen werden kann, der Gasgenerator (4) mindestens eine Austrittsfläche (5) aufweist, aus der eine stromproportionale Prüfgasmenge austreten kann, wobei die Messfläche (3) und die Austrittsfläche (5) so ausgestaltet sind und der Gassensor (1) und der Gasgenerator (4) so angeordnet werden können, dass sich die Messfläche (3) und die Austrittsfläche (5) in direktem Kontakt mit der Umgebungsatmosphäre befinden und der Abstand zwischen beiden Flächen kleiner ist als die Erstreckung der kleineren der beiden Flächen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Gasmesssystem mit Gassensor und Gasgenerator. Derartige Systeme können vorteilhafterweise überall dort eingesetzt werden, wo längere Zeit die Betriebsbereitsschaft von Gasmesssystemen gewährleistet werden muss. Das ist beispielsweise bei der Verwendung fest installierter Gaswarneinrichtungen oder bei längere Zeit im Einsatz befindlichen mobilen Gasmessgeräten der Fall.

Beim Einsatz von Gaswarneinrichtungen besteht im Wesentlichen aus zwei Gründen die Notwendigkeit, die verwendeten Gassensoren gezielt ansprechen zu lassen. Erstens kann ein nicht diagnostizierter Ausfall eines Gassensors, z.B. durch Blockierung des Gaszutritts oder Inaktivierung des Dektorelements, zu sicherheitsrelevanten Risiken in einem überwachten Bereich führen. Daher muss der Sensor in kurzen Intervallen einem Funktionstest unterzogen werden. Zweitens weisen handelsübliche Gassensoren eine Drift der Empfindlichkeit des Sensors bezüglich der zu detektierenden Spezies auf. Dieses Verhalten des Sensors kann nicht durch mathematische Formeln beschrieben bzw. vorausgesagt werden. Daher ist es notwendig, Sensoren innerhalb bestimmter Zeitintervalle mit Zielgas bekannter Konzentration zu kalibrieren. Die Länge der Kalibrierintervalle wird durch die Anforderungen an die angestrebte Genauigkeit des Sensors bestimmt. Richtlinien für den Umgang mit diesem Problem wurden z.B. in Merkblatt T021 der Berufsgenossenschaft der chemischen Industrie zusammengefasst.

Die ordnungsgemäße Funktion des Sensors wird am besten durch Beaufschlagen des Sensors mit dem Zielgas getestet. Nur auf diesem Wege kann die gesamte Funktionskette von der Gaszuführung bis hin zur Signalgenerierung überprüft werden. Es ist daher üblich, Kalibriermittel, z.B. in Form von Druckgasbehältern, mit oftmals toxischen Gasen vorzuhalten, zum Sensor zu transportieren und dort schließlich durch geeignete Vorrichtungen, wie z.B. Pumpen, Ventile und/oder Massendurchflussregler, das Prüfgas in den Gaszutritt des jeweiligen Sensors zu applizieren. Der Aufwand zur Durchführung dieser Funktionstests und Kalibriervorgänge ist hoch.

Um diesen Aufwand zu umgehen, ist bekannt, einen Gasgenerator zusammen mit einem Gassensor in einem gemeinsamen Gehäuse unterzubringen ( GB 2254696 ). Das gemeinsame Gehäuse wird zum Messgas hin von einer gasdurchlässigen Membran begrenzt. Gelegentliche Aktivierung des Gasgenerators erlaubt es so, die Sensorfunktion zu testen, gibt aber keinen Aufschluss über den Zustand der Transportwege, über die im regulären Messbetrieb der Zutritt des Zielgases erfolgt. Diese Transportwege werden beispielsweise durch eine gasdurchlässige Membran bestimmt, durch die das Zielgas in die Nähe einer Detektorelektrode gelangen kann.

Es ist weiterhin bekannt, in ähnlicher Weise Testgas durch eine zugleich mit Gasgenerator und Sensor verbundene Membran zu leiten ( EP 0744620 B1 ).

Auch dort ist es schwierig, einen Rückschluss auf den Zustand der den Gaszutritt zur Detektorelektrode gewährenden äußeren Membran zu ziehen.

Es ist weiterhin bekannt, Testgas in eine Testgaskammer über Detektorelektroden im Inneren des Sensorgehäuses zu injizieren. Die Testgaskammer ist dem äußeren Gaszutritt nachgelagert ( US 6635160 ). Der Gaszutritt von außen zu dieser Kammer und damit auch zur Detektorelektrode des Sensors bleibt jedoch auch in dieser Bauform ungeprüft.

Es sind weiterhin Diagnoseverfahren für Sensoren bekannt, bei denen Testgas durch eine Apertur mechanisch zu einem Sensor hin gepresst, durch Zugabe eines Treibmittels befördert oder durch thermische Expansion zum Sensor bewegt wird ( US 4151739 ). Auch diese Verfahren haben den Nachteil, dass der Weg des Umgebungsgases zur Detektorefektrode nicht unter realistischen Bedingungen getestet wird.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine sichere Prüf- und Kalibriermöglichkeit anzugeben, die mit geringem Aufwand eine komplette Funktionsprüfung und/oder Kalibrierung von Gassensoren ermöglicht.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Gasmesssystem mit den Merkmalen von Anspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 9 angegeben.

Ein erfindungsgemäßes Gasmesssystem umfasst zumindest einen Gassensor und einen Gasgenerator. Die Erfindung lässt sich grundsätzlich mit Gassensoren und Gasgeneratoren realisieren, wobei es weniger auf das Funktionsprinzip der verwendeten Elemente als vielmehr auf deren geometrische Beschaffenheit ankommt. Als Gassensor im Sinne der Erfindung wird daher jede Baugruppe verstanden, die bei Vorliegen einer nachweisbaren Konzentration eines Zielgases ein auswertbares Signal liefert. Als Gasgenerator im Sinne der Erfindung wird jede Baugruppe verstanden, die eine definierte Menge dieses Zielgases abgeben kann. Typische Gassensoren sind elektrochemische Gassensoren.

Die Erfindung besteht aus einem Gasmesssystem, welches mindestens einen Gassensor und mindestens einen Gasgenerator enthält, wobei der Gassensor mindestens eine Messfläche aufweist, an der eine Zielgaskonzentration gemessen werden kann, der Gasgenerator mindestens eine Austrittsfläche aufweist, aus der eine stromproportionale Prüfgasmenge austreten kann, wobei die Messfläche und die Austrittsfläche so ausgestaltet sind und der Gassensor und der Gasgenerator so angeordnet werden können, dass sich die Messfläche und die Austrittsfläche in direktem Kontakt mit der Umgebungsatmosphäre befinden und der Abstand zwischen beiden Flächen kleiner ist als die Erstreckung der kleineren der beiden Flächen. Unter Erstreckung der Fläche ist in Abhängigkeit von der Form der Fläche eine charakteristische Länge, beispielsweise der Durchmesser oder eine Seitenlänge, zu verstehen, die zur Beschreibung der Größe der Fläche heran gezogen werden kann. Vorteilhafterweise ist der Abstand zwischen Messfläche und Austrittsfläche mindestens um eine Größenordnung kleiner als diese charakteristische Länge.

Vorteilhafterweise besteht die Erfindung aus einem Gasmesssystem, welches mindestens einen Gassensor und mindestens einen Gasgenerator enthält, wobei der Gassensor mindestens eine Messfläche aufweist, an der eine Zielgaskonzentration gemessen werden kann, der Gasgenerator mindestens eine Austrittsfläche aufweist, aus der eine stromproportionale Prüfgasmenge austreten kann, wobei die Messfläche und die Austrittsfläche so ausgestaltet sind und der Gassensor und der Gasgenerator so angeordnet werden können, dass die Messfläche und die Austrittsfläche eine gemeinsame Symmetrieachse aufweisen, sich beide Flächen in direktem Kontakt mit der Umgebungsatmosphäre befinden und der Abstand zwischen beiden Flächen kleiner ist als der kleinste Abstand zwischen dem Rand einer der beiden Flächen und der Symmetrieachse.

Die Messfläche des Gassensors kann beispielsweise durch eine übliche gasdurchlässige Membran gebildet werden, durch die ein Zielgas in das Innere eines elektrochemischen Sensors eintritt. Eine Änderung der Konzentration des Zielgases an dieser Messfläche ist als Änderung des Ausgangssignals des Gassensors quantifizierbar.

Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung ist, dass das Prüfgas nicht aktiv zum Sensor gefördert werden muss und durch die räumliche Nähe von Gasgenerator und Detektor eine minimale Störanfälligkeit der Anordnung gegenüber Umgebungseinflüssen besteht. Die benachbarte Anordnung von Messfläche und Austrittsfläche ermöglicht es, den Gassensor mit sehr kleinen Zielgasmengen zu beaufschlagen. Es hat sich gezeigt, dass sich insbesondere bei Einhaltung der oben beschriebenen vorteilhaften Symmetriebedingung eine überraschend stabil arbeitende Konfiguration ergibt, welche sogar das ungestörte und zuverlässige Arbeiten unter extremen äußeren Luftströmungen erlaubt.

Erfindungsgemäß können der Gassensor und der Gasgenerator als getrennte und jeweils unabhängig voneinander funktionsfähige Baugruppen ausgeführt werden. Die Bauformen der Baugruppen sind dabei nachrangig. Sie müssen jedoch so ausgestaltet sein, dass zu Prüf- und Kalibrierzwecken die erfindungsgemäße eng benachbarte Anordnung der Messfläche des Gassensors und der Austrittsfläche des Gasgenerators möglich ist. Als eng benachbart gelten dabei Anordnungen, bei denen der erfindungsgemäße Abstand eingehalten ist und sich keine Strömungshindernisse auf dem direkten Weg zwischen Messfläche und Austrittsfläche befinden. Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn beide Flächen während der Prüfung und/oder Kalibrierung den gleichen Strömungsverhältnissen ausgesetzt sind. Das erreicht man beispielsweise durch eine radialsymmetrische Anordnung, bei der die Messfläche und die Austrittsfläche in einer Ebene liegen. Die Messfläche kann entweder die Austrittsfläche radialsymmetrisch umgeben oder umgekehrt.

An zwei Ausführungsbeispielen wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigen:

1 ein erfindungsgemäßes Gasmesssystem, das nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip angeordnet werden kann,

2 ein erfindungsgemäßes Gasmesssystem, das einen Gassensor und einen Gasgenerator in Form planarer Baugruppen umfasst, die flächig miteinander in Kontakt gebracht werden können.

1 zeigt ein erfindungsgemäßes Gasmesssystem. Es umfasst als Gassensor 1 einen elektrochemischen Dreielektrodensensor, wie er zum Nachweis von Schwefelwasserstoff verwendet werden kann. Der Sensor enthält eine Arbeitselektrode aus Iridium, eine Hilfselektrode aus Platin und eine Platin/Platinoxid-Referenzelektrode. Als Elektrolyt findet Schwefelsäure Verwendung. Das Gehäuse des Sensors hat die Form eines flachen Kegelstumpfes und weist in der Mitte eine Öffnung 2 auf. Die Basisfläche ist mit einer gasdurchlässigen Membran verschlossen und fungiert im Sinne der Erfindung als Messfläche 3, an der eine Zielgaskonzentration gemessen werden kann. Das erfindungsgemäße Gasmesssystem umfasst als Gasgenerator 4 weiterhin einen tablettenförmigen Schwefelwasserstoffgenerator. Eine Basisfläche des Generators dient als Austrittsfläche 5 im Sinne der Erfindung, aus der bei Anlegen einer Spannung eine dem resultierenden Stromfluss proportionale Menge an Schwefelwasserstoff austritt.
Gassensor und Gasgenerator sind als vollständig getrennte Baugruppen ausgebildet. Der Durchmesser des tablettenförmigen Schwefelwasserstoffgenerators ist so gewählt, dass er in die zentrale Öffnung 2 des Sensors passt. Dadurch ist es möglich, dass der Gassensor 1 und der Gasgenerator 4 nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip ineinander gefügt werden, also eine Baugruppe die andere im Prüf- bzw. Kalibriermodus radialsymmetrisch umschließt. Gleichzeitig befinden sich die Messfläche 3 und die Austrittsfläche 5 in einer Ebene, wenn der Gassensor 1 und der Gasgenerator 4 ineinander gefügt sind.
Beide Baugruppen sind auch einzeln als Sensor bzw. Gasgenerator funktionsfähig, werden jedoch durch das oben beschriebene Ineinanderfügen zu einem vollständigen analysefähigen System. Bei einer geometrischen Abwandlung kann sowohl der Sensor als auch der Gasgenerator die Funktion des Schlüssels oder die Funktion des Schlosses annehmen. Im ineinandergefügten Zustand weisen Gassensor 1 und Gasgenerator 4 eine gemeinsame Symmetrieachse 11 auf.
2 zeigt ein erfindungsgemäßes Gasmesssystem, das einen Gassensor 1 und einen Gasgenerator 4 in Form planarer Baugruppen umfasst, die flächig miteinander in Kontakt gebracht werden können. Gassensor 1 und Gasgenerator 4 sind wiederum als vollständig getrennte, planare Baugruppen ausgebildet. Der Gassensor 1 ist ebenfalls als Dreielektrodensensor ausgeführt und enthält die gleichen Elektroden- und Elektrolytmaterialien wie der Sensor in 1. Die Arbeitselektrode 6 ist ringförmig ausgeführt und in einer Ebene mit der Hilfselektrode 7 und der Referenzelektrode 8 angeordnet. Die Elektroden befinden sich in einem flachen Elektrolytreservoir, welches von einem flexiblen Gehäuse 9 umgeben ist. Auf Seiten des Messgases ist sichergestellt, dass das Messgas an die ringförmige Arbeitselektrode 6 gelangen kann. Das kann beispielsweise durch eine gasdurchlässige Membran realisiert werden, die den Zutritt des Messgases zur Arbeitselektrode 6 ermöglicht. Die ringförmige Arbeitselektrode 6 umgibt eine kreisrunde Öffnung 2, die durch das Sensorgehäuse führt.
Hinter dem Gassensor kann im Betrieb der Gasgenerator 4 mit einer scheibenförmigen Generatorelektrode 10 und Gasauslassmembran als Austrittsfläche 5 so platziert werden, dass die Austrittsfläche 5, aus der das Testgas austritt, die kreisrunde Öffnung 2 im Zentrum der ringförmigen Arbeitselektrode 6 des Gassensors 1 gänzlich ausfüllt, ohne jedoch abgedeckt zu werden.
Auch bei dieser Ausführungsform kommt es nicht darauf an, in welcher Baugruppe eine Öffnung angeordnet ist. Wichtig ist nur, dass eine der beiden Baugruppen eine Öffnung (Loch) aufweist, die so gestaltet ist, dass das funktionstragende Element der anderen Baugruppe möglichst genau in diese Öffnung passt. Die beiden Baugruppen können dann durch eine Anordnung, bei der die Baugruppe mit Öffnung vor der Baugruppe ohne Öffnung angeordnet ist, in enge räumliche Nähe gebracht werden und erlauben es so, das Detektorelement in der "Einflusssphäre" des Testgasgenerators unterzubringen.

Claims

Gasmesssystem, enthaltend mindestens einen Gassensor (1) und mindestens einen Gasgenerator (4), wobei der Gassensor (1) mindestens eine Messfläche (3) aufweist, an der eine Zielgaskonzentration gemessen werden kann, der Gasgenerator (4) mindestens eine Austrittsfläche (5) aufweist, aus der eine stromproportionale Prüfgasmenge austreten kann, wobei die Messfläche (3) und die Austrittsfläche (5) so ausgestaltet sind und der Gassensor (1) und der Gasgenerator (4) so angeordnet werden können, dass sich die Messfläche (3) und die Austrittsfläche (5) in direktem Kontakt mit der Umgebungsatmosphäre befinden und der Abstand zwischen beiden Flächen kleiner ist als die Erstreckung der kleineren der beiden Flächen.
Gasmesssystem nach Anspruch 1, enthaltend mindestens einen Gassensor (1) und mindestens einen Gasgenerator (4), wobei der Gassensor (1) mindestens eine Messfläche (3) aufweist, an der eine Zielgaskonzentration gemessen werden kann, der Gasgenerator (4) mindestens eine Austrittsfläche (5) aufweist, aus der eine stromproportionale Prüfgasmenge austreten kann, wobei die Messfläche (3) und die Austrittsfläche (5) so ausgestaltet sind und der Gassensor (1) und der Gasgenerator (4) so angeordnet werden können, dass die Messfläche (3) und die Austrittsfläche (5) eine gemeinsame Symmetrieachse (11) aufweisen, sich beide Flächen in direktem Kontakt mit der Umgebungsatmosphäre befinden und der Abstand zwischen beiden Flächen kleiner ist als der kleinste Abstand zwischen dem Rand einer der beiden Flächen und der Symmetrieachse (11).
Gasmesssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Messfläche (3) die Austrittsfläche (5) radialsymmetrisch umgibt.
Gasmesssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsfläche (5) die Messfläche (3) radialsymmetrisch umgibt.
Gasmesssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Gassensor (1) und der Gasgenerator (4) eine äußere Form aufweisen, dass sie nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip ineinander gefügt werden können.
Gasmesssystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Messfläche (3) und die Austrittsfläche (5) in einer Ebene liegen, wenn der Gassensor (1) und der Gasgenerator (4) ineinander gefügt sind.
Gasmesssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Gassensor (1) und der Gasgenerator (4) planare Baugruppen bilden, die flächig miteinander in Kontakt gebracht werden können.
Gasmesssystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Messfläche (3) ringförmig um eine Öffnung (2) im Gassensor (1) angeordnet ist und hinter dieser Öffnung (2) die Austrittsfläche (5) angeordnet ist, wenn der Gassensor (1) und der Gasgenerator (4) in flächigen Kontakt miteinander gebracht sind.
Gasmesssystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsfläche (5) ringförmig um eine Öffnung (2) im Gasgenerator (4) angeordnet ist und hinter dieser Öffnung (2) die Messfläche (3) angeordnet ist, wenn der Gassensor (1) und der Gasgenerator (4) in flächigen Kontakt miteinander gebracht sind.