DE102005019759A1 - Gasmessvorrichtung mit einem elektrochemischen Gassensor - Google Patents
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Abstract
Es wird eine in Bezug auf die Messqualität verbesserte Gasmessvorrichtung bereitgestellt mit einem elektrochemischen Gassensor (8) mit DOLLAR A a) einer ersten Messgasleitung (4) und mit einer ersten Pumpe (3) in der ersten Messgasleitung (4), DOLLAR A b) einer von der ersten Messgasleitung (4) als Bypass abzweigenden zweiten Messgasleitung (5) mit einer zweiten Pumpe (6) in der zweiten Messgasleitung (5) und DOLLAR A c) einer dem elektrochemischen Gassensor (8) in der zweiten Messgasleitung (5) vorgeschalteten Pyrolyseeinrichtung (7).
Description
- Die Erfindung betrifft eine Gasmessvorrichtung mit einem elektrochemischen Gassensor gemäß Anspruch 1.
- Aufgrund ihrer Robustheit und guten Messeigenschaften sind verschiedene elektrochemische Gassensoren bekannt und im Einsatz, die entsprechend dem konkret zu messenden Gas spezifisch ausgelegt sind, so dass das erhaltene Messsignal ein Maß für die Konzentration des jeweiligen Messgases ist.
- Aus der
DE 101 59 616 A1 geht eine Vorrichtung zum Nachweis eines Gasbestandteils in einer Gasprobe hervor mit einem Pyrolyseofen und einem nachgeschalteten elektrochemischen Gassensor. - Mit der vorliegenden Gasmessvorrichtung mit einem elektrochemischen Gassensor werden nicht direkt nachweisbare Messgase mittels der vorgeschalteten Pyrolyseeinrichtung kontrolliert chemisch umgewandelt, so dass anschließend im nachgeschalteten elektrochemischen Gassensor die Konzentration eines sich proportional zum Messgas verhaltenden, aus dem Messgas hervorgehenden Sekundärgases wie zum Beispiel Stickstoffdioxid, Fluor- oder Chlorwasserstoff gemessen wird.
- Bei der bisher verwendeten Gasmessvorrichtung, enthaltend eine Pyrolyseeinrichtung mit einem nachgeschalteten elektrochemischen Gassensor, hat sich als nachteilig herausgestellt, dass der durch die Pyrolyseeinrichtung geförderte Gasvolumenstrom vom Differenzdruck zwischen einer vorgeschalteten Gasentnahmestelle und der dem elektrochemischen Gassensor nachgeschalteten Gasabsaugeleitung abhängig ist. Als Folge eines nicht gleichförmigen Gasvolumen stroms kann sich die Konzentration des aus dem eigentlichen Messgas hervorgehenden, zu messenden Sekundärgases unkontrolliert verändern, so dass im Ergebnis Messfehler zu verzeichnen sind. Schließlich kann der verwendete elektrochemische Gassensor fehlerhaft messen, weil die Messempfindlichkeit sich in Abhängigkeit von der tatsächlichen aktuellen Gasanströmung verändert.
- Demgemäß besteht die Aufgabe der Erfindung in der Bereitstellung einer in Bezug auf die Messergebnisse verbesserten Gasmessvorrichtung mit einem elektrochemischen Gassensor und einer vorgeschalteten Pyrolyseeinrichtung.
- Die Lösung der Aufgabe erhält man mit den Merkmalen von Anspruch 1.
- Ein wesentlicher Vorteil der Gasmessvorrichtung gemäß Anspruch 1 besteht in der Vergleichmäßigung des dem elektrochemischen Gassensor zugeführten Gasvolumenstroms und der dadurch bewirkten Verbesserung der Messergebnisse durch kontrollierte Pyrolysebedingungen in der Pyrolyseeinrichtung und durch ebenfalls vergleichmäßigte Messbedingungen am elektrochemischen Gassensor.
- Die Unteransprüche geben bevorzugte Ausbildungen der Gasmessvorrichtung gemäß Hauptanspruch an.
- Im Folgenden wird mit Hilfe der einzigen Figur ein Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert:
- Die Figur stellt schematisch eine sogenannte stationäre Gasmessvorrichtung dar, die zum Beispiel in Fabriken für die Herstellung von elektronischen Speicher- und Bauelementen fest installiert sind. An einem gasbelasteten Messort wird von einer Gasentnahmestelle
1 mittels einer ersten Messgasleitung4 mit einer ersten Pumpe3 ein Gasvolumenstrom als Hauptstrom zu einer nachgeschalteten Gasabsaugeleitung2 gefördert. - Vom Hauptstrom in der ersten Messgasleitung
4 zweigt als Bypass für einen Nebenstrom eine zweite Messgasleitung5 ab mit einer zweiten Pumpe6 und mit einer Pyrolyseeinrichtung7 mit einem Quarzglasrohr und mit einem in Gasströmungsrichtung nachgeschalteten elektrochemischen Gassensor8 . Vorzugsweise sind die Pumpen3 ,6 robuste und preiswerte Schwingankerpumpen und so dimensioniert oder betätigt, dass der Gasvolumenstrom im Nebenstrom etwa 0,06 bis 0,16 Liter pro Minute und der Gasvolumenstrom im Hauptstrom etwa 0,4 bis 1,2 Liter pro Minute beträgt. - Zur Verringerung von Totzeiten und zur Reduzierung der Ansprechzeiten wird das Messgas mit der größtmöglichen Geschwindigkeit angesaugt, die die erste Pumpe
3 zulässt. Die Förderleistung der ersten Pumpe3 ist stark abhängig von der Druckdifferenz zwischen dem Ein- und Ausgang der Pumpe3 und somit auch abhängig von der Druckdifferenz zwischen der Gasentnahmestelle1 und der Gasabsaugeleitung2 . - Durch die als Bypass abzweigende zweite Messgasleitung
5 mit der zweiten Pumpe6 wird eine mit einer vergleichmäßigten Geschwindigkeit geförderte Messgasprobe aus dem Hauptstrom entnommen, durch die Pyrolyseeinrichtung7 , dies ist speziell ein elektrisch beheizter Pyrolyseofen, geführt, so dass unter kontrollierten Bedingungen ein Sekundärgas aus dem eigentlichen Messgas gebildet wird, dessen Konzentration im nachgeschalteten elektrochemischen Gassensor8 gemessen wird. Mit der vorliegenden Gasmessvorrichtung ist der Gasvolumenstrom durch die Pyrolyseeinrichtung7 und am Gassensor8 vorbei vom Differenzdruck zwischen der Gasentnahmestelle1 und der Gasabsaugeleitung2 weitgehend unbeeinflusst. - Die beschriebene Gasmessvorrichtung wird insbesondere für die Messgase Stickstofftrifluorid (NF3), Perfluorcyclopenten (C5F8), Perfluorbutadien (C4F6) eingesetzt, jedoch kommen auch Benzol, Toluol, Trifluormethan und weitere halogenierte Kohlenwasserstoffe als Messgase in Frage. Die aus der Pyrolyse hervorgehenden, mit dem elektrochemischen Gassensor
8 gemessenen Sekundärgase können speziell sein Stickstoffdioxid (NO2), Fluorwasserstoff (HF) oder auch Chlorwasserstoff (HCl). - In einer speziellen Ausführungsform der Pyrolyseeinrichtung
7 befindet sich im Ausströmbereich ein Temperaturfühler9 . Mit dem Temperaturfühler9 wird der von der zweiten Pumpe6 erzeugte Gasvolumenstrom durch die als Bypass abgezweigte zweite Messgasleitung5 und die Pyrolyseeinrichtung7 überwacht. Der Temperaturfühler9 ist dabei außen an die Messgasleitung5 oder an das Quarzrohr der Pyrolyseeinrichtung7 angebracht. Als Temperaturfühler9 kann ein NTC, ein Thermistor, ein Pt-100 Widerstand, ein Thermoelement sowie weitere Arten von Temperaturfühlern verwendet werden. Der durch die Pyrolyseeinrichtung7 fließende Gasvolumenstrom transportiert Wärme aus der Pyrolyseeinrichtung7 zum Anbringungsort des Temperaturfühlers9 . Die Temperatur am Ort des Temperaturfühlers9 ist abhängig von der Geschwindigkeit des Gasvolumenstroms, so dass nach einer Kalibrierung des Systems, aus der mit dem Temperaturfühler9 gemessenen Temperatur der durch die Pyrolyseeinrichtung7 fließende Gasvolumenstrom ermittelt werden kann. Die Umgebungstemperatur außerhalb der Gasmessvorrichtung beeinflusst zusätzlich die mit dem Temperaturfühler9 gemessene Temperatur. Zur Kompensation dieses Einflusses kann die Temperatur im Inneren des Gerätes mit einem zweiten Temperaturfühler gemessen und von der mit dem Temperaturfühler9 gemessenen Temperatur subtrahiert werden. Als vorteilhaft zur Kompensation der Außentemperatur hat sich weiterhin die Modulation der Förderleistung der Pumpe6 erwiesen. Bei einer Erhöhung der Förderleistung wird über den durch die Pyrolyseeinrichtung7 fließenden Gasvolumenstrom mehr Wärme zum Temperaturfühler9 transportiert, so dass dort die Temperatur synchron mit der Erhöhung der Förderleistung ansteigt. Bei Erniedrigung der Förderleistung von Pumpe6 sinkt damit synchron die Temperatur am Temperaturfühler9 . Über eine Kalibrierung der Temperaturänderung gegen die Förderleistungsänderung läßt sich aus der Temperaturänderung der Gasvolumenstrom durch die Pyrolyseeinrichtung7 ermitteln. Zur Überwachung des Gasvolumenstroms durch die Pyrolyseeinrichtung7 ist also nur ein einziger Temperaturfühler9 in Kombination mit einer modulierten Pumpenförderleistung notwendig, wodurch das Verfahren sehr preiswert wird. Vorteilhaft ist zusätzlich, das die Temperatur außen an der Messgasleitung5 oder dem Quarzglasrohr gemessen wird, der Gasvolumenstrom also keinen direkten Kontakt zu Bauteilen für die Volumenstrommessung hat. Damit können auch stark korrosive Gase durch die Gasmessvorrichtung geleitet werden, ohne dass Bauteile beschädigt werden.
Claims (9)
- Gasmessvorrichtung mit einem elektrochemischen Gassensor (
8 ) mit a) einer ersten Messgasleitung (4 ) und mit einer ersten Pumpe (3 ) in der ersten Messgasleitung (4 ), b) einer von der ersten Messgasleitung (4 ) als Bypass abzweigenden zweiten Messgasleitung (5 ) mit einer zweiten Pumpe (6 ) in der zweiten Messgasleitung (5 ) und c) einer dem elektrochemischen Gassensor (8 ) in der zweiten Messgasleitung (5 ) vorgeschalteten Pyrolyseeinrichtung (7 ). - Gasmessvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messgasleitungen (
4 ,5 ) und/oder die Pumpen (3 ,6 ) so ausgelegt sind, dass der Gasvolumenstrom in der ersten Messgasleitung (4 ) größer als der Gasvolumenstrom in der zweiten Messgasleitung (5 ) ist. - Gasmessvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Messgasleitung (
4 ) stromaufwärts mit einer Gasentnahmestelie (1 ) und stromabwärts mit einer Gasabsaugeleitung (2 ) verbunden ist. - Gasmessvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Pumpe (
3 ) in der ersten Messgasleitung (4 ) der als Bypass von der ersten Messgasleitung (4 ) abzweigenden zweiten Messgasleitung (5 ) nachgeschaltet ist. - Gasmessvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Pumpen (
3 ,6 ) eine Schwingankerpumpe ist. - Gasmessvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Pumpe (
6 ) der Pyrolyseeinrichtung (7 ) vorgeschaltet ist. - Gasmessvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrochemische Gassensor (
8 ) zum Nachweis von Stickstoffdioxid (NO3), Fluorwasserstoff (HF) und/oder Chlorwasserstoff (HCl) ausgelegt ist. - Gasmessvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Ausströmbereich der Pyrolyseeinrichtung (
7 ) außen an das Quarzglasrohr der Pyrolyseeinrichtung (7 ) oder die Messgasleitung (5 ) ein oder mehrere Temperaturfühler (9 ) angebracht sind zur Erfassung der vom Gasvolumenstrom abhängigen Temperatur. - Gasmessvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Förderleistung der zweiten Pumpe (
6 ) periodisch moduliert und die damit synchrone Temperaturänderung des Temperaturfühlers (9 ) zur Ermittlung des Gasvolumenstroms ausgewertet wird.
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