DE102005019759B4

DE102005019759B4 - Gasmessvorrichtung mit einem elektrochemischen Gassensor

Info

Publication number: DE102005019759B4
Application number: DE200510019759
Authority: DE
Inventors: Volker Kuhn; Horst Rabenecker; Lutz Rüffert; Bernd Fassian; Stephan Dr. Haupt
Original assignee: Draeger Safety AG and Co KGaA
Current assignee: Draeger Safety AG and Co KGaA
Priority date: 2005-04-28
Filing date: 2005-04-28
Publication date: 2007-01-11
Anticipated expiration: 2025-04-29
Also published as: DE102005019759A1

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), und DOLLAR A d) mindestens einem im Ausströmbereich der Pyrolyseeinrichtung (7) angeordneten Temperaturfühler (9) zur Erfassung der vom Gasvolumenstrom abhängigen Temperatur.

Description

Die Erfindung betrifft eine Gasmessvorrichtung mit einem elektrochemischen Gassensor.
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.

Die US 2004/0159142 A1 beschreibt eine Vorrichtung zur Abgasanalyse von Verbrennungsmotoren, wobei elektrochemische Sensoren für die Konzentrationsmessung von Stickstoffmonoxid zum Einsatz gelangen. Die Messgasanalyse im Bypass-Verfahren geht aus der DE 199 58 441 C2 und DE 101 22 039 A1 hervor.

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 Erfindüng 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 Messgasleitung 4 mit einer ersten Pumpe 3 ein Gasvolumenstrom als Hauptstrom zu einer nachgeschalteten Gasabsaugeleitung 2 gefördert.
Vom Hauptstrom in der ersten Messgasleitung 4 zweigt als Bypass für einen Nebenstrom eine zweite Messgasleitung 5 ab mit einer zweiten Pumpe 6 und mit einer Pyrolyseeinrichtung 7 mit einem Quarzglasrohr und mit einem in Gasströmungsrichtung nachgeschalteten elektrochemischen Gassensor 8. Vorzugsweise sind die Pumpen 3, 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 Pumpe 3 ist stark abhängig von der Druckdifferenz zwischen dem Ein- und Ausgang der Pumpe 3 und somit auch abhängig von der Druckdifferenz zwischen der Gasentnahmestelle 1 und der Gasabsaugeleitung 2.
Durch die als Bypass abzweigende zweite Messgasleitung 5 mit der zweiten Pumpe 6 wird eine mit einer vergleichmäßigten Geschwindigkeit geförderte Messgasprobe aus dem Hauptstrom entnommen, durch die Pyrolyseeinrichtung 7, 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 Gassensor 8 gemessen wird. Mit der vorliegenden Gasmessvorrichtung ist der Gasvolumenstrom durch die Pyrolyseeinrichtung 7 und am Gassensor 8 vorbei vom Differenzdruck zwischen der Gasentnahmestelle 1 und der Gasabsaugeleitung 2 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 Temperaturfühler 9. Mit dem Temperaturfühler 9 wird der von der zweiten Pumpe 6 erzeugte Gasvolumenstrom durch die als Bypass abgezweigte zweite Messgasleitung 5 und die Pyrolyseeinrichtung 7 überwacht. Der Temperaturfühler 9 ist dabei außen an die Messgasleitung 5 oder an das Quarzrohr der Pyrolyseeinrichtung 7 angebracht. Als Temperaturfühler 9 kann ein NTC, ein Thermistor, ein Pt-100 Widerstand, ein Thermoelement sowie weitere Arten von Temperaturfühlern verwendet werden. Der durch die Pyrolyseeinrichtung 7 fließende Gasvolumenstrom transportiert Wärme aus der Pyrolyseeinrichtung 7 zum Anbringungsort des Temperaturfühlers 9. Die Temperatur am Ort des Temperaturfühlers 9 ist abhängig von der Geschwindigkeit des Gasvolumenstroms, so dass nach einer Kalibrierung des Systems, aus der mit dem Temperaturfühler 9 gemessenen Temperatur der durch die Pyrolyseeinrichtung 7 fließende Gasvolumenstrom ermittelt werden kann. Die Umgebungstemperatur außerhalb der Gasmessvorrichtung beeinflusst zusätzlich die mit dem Temperaturfühler 9 gemessene Temperatur. Zur Kompensation dieses Einflusses kann die Temperatur im Inneren des Gerätes mit einem zweiten Temperaturfühler gemessen und von der mit dem Temperaturfühler 9 gemessenen Temperatur subtrahiert werden. Als vorteilhaft zur Kompensation der Außentemperatur hat sich weiterhin die Modulation der Förderleistung der Pumpe 6 erwiesen. Bei einer Erhöhung der Förderleistung wird über den durch die Pyrolyseeinrichtung 7 fließenden Gasvolumenstrom mehr Wärme zum Temperaturfühler 9 transportiert, so dass dort die Temperatur synchron mit der Erhöhung der Förderleistung ansteigt. Bei Erniedrigung der Förderleistung von Pumpe 6 sinkt damit synchron die Temperatur am Temperaturfühler 9. Über eine Kalibrierung der Temperaturänderung gegen die Förderleistungsänderung läßt sich aus der Temperaturänderung der Gasvolumenstrom durch die Pyrolyseeinrichtung 7 ermitteln. Zur Überwachung des Gasvolumenstroms durch die Pyrolyseeinrichtung 7 ist also nur ein einziger Temperaturfühler 9 in Kombination mit einer modulierten Pumpenförderleistung notwendig, wodurch das Verfahren sehr preiswert wird. Vorteilhaft ist zusätzlich, das die Temperatur außen an der Messgasleitung 5 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

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), c) einer dem elektrochemischen Gassensor (8) in der zweiten Messgasleitung (5) vorgeschalteten Pyrolyseeinrichtung (7) und d) mindestens einem im Ausströmbereich der Pyrolyseeinrichtung (7) angeordneten Temperaturfühler (9) zur Erfassung der vom Gasvolumenstrom abhängigen Temperatur.
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 Gasentnahmestelle (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 der mindestens eine im Ausströmbereich der Pyrolyseeinrichtung (7) angeordnete Temperaturfühler (9) außen an dem Quarzglasrohr der Pyrolyseeinrichtung (7) oder an der Messgasleitung (5) angebracht ist.
Gasmessvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Förderleistung der zweiten Pumpe (6) periodisch moduliert ist, so dass die damit synchrone Temperaturänderung des Temperaturfühlers (9) zur Ermittlung des Gasvolumenstroms auswertbar ist