DE102005028246B4

DE102005028246B4 - Gassensoranordnung mit elektrochemischem Gasgenerator

Info

Publication number: DE102005028246B4
Application number: DE102005028246A
Authority: DE
Inventors: Uwe Kühn
Original assignee: Draeger Safety AG and Co KGaA
Current assignee: Draeger Safety AG and Co KGaA
Priority date: 2005-06-17
Filing date: 2005-06-17
Publication date: 2007-05-03
Anticipated expiration: 2025-06-18
Also published as: GB2427480B; DE102005028246A1; GB0611897D0; US7704356B2; GB2427480A; US20060283707A1

Abstract

Eine kompakte Gassensoranordnung, welche ohne den Einsatz mechanischer Bauelemente mit einem Prüfgas beaufschlagt werden kann und deren Messbereitschaft während der Kalibrierung nur kurzzeitig unterbrochen ist, besteht aus der Kombination eines elektrochemischen Gassensors (3) und eines elektrochemischen Gasgenerators (2) mit einem Gaskanal (1) vom Gasgenerator (2) zur Messelektrode (9) des Gassensors (3), wobei das Messgas aus der Umgebung des Gassensors (3) freien Zugang zur Messelektrode (9) hat.

Description

Die Erfindung betrifft eine Gassensoranordnung mit den Merkmalen von Anspruch 1.

Elektrochemische Gassensoren müssen zur Funktionskontrolle oder zum Kalibrieren in regelmäßigen Zeitabständen mit dem jeweiligen Prüf- beziehungsweise Messgas beaufschlagt werden. Dieses geschieht in der Praxis im Allgemeinen manuell aus Druckgasbehältern oder mit Kalibriergasbehältern unter Normaldruck oder auch automatisch mit Hilfe von chemischen oder elektrochemischen Gasgeneratoren, wie zum Beispiel in GB 2 254 696 A beschrieben. Gemeinsam ist diesen Verfahren, dass der elektrochemische Gassensor während der Kalibrierung nicht messbereit ist.

Aus der US 2003/0145 644 A1 geht ein Kohlenstoffmonoxid-Detektor hervor, welcher mittels einer Gehäuseverbindung in Kombination mit einem Gasgenerator ausgebildet ist, so dass ein Gasströmungsweg vom Gasgenerator zum Detektor gebildet wird und wobei das Messgas über eine Öffnung im Gehäuse freien Zugang zum Detektor hat.

In der EP 0744 620 A1 wird eine elektrochemische Gassensor-Anordnung beschrieben, wobei ein Testgasgenerator derart mit dem Gassensor verbunden ist, dass ein Testgas direkt an die Messelektrode gelangt unter Umgehung eines die Gasdiffusion aus der Umgebung zur Messelektrode begrenzenden Bauelementes.

Gemäß WO 98/25139 ist ein elektrochemischer Gassensor mit Gehäuse derart ausgebildet, dass im Messmodus Gas aus der Umgebung an die Messelektrode strömt und im Testmodus eine Testelektrode ein Testgas erzeugt, das zu der Messelektrode strömt. Zumindest zwei Elektroden sind planar nebeneinander auf einer Seite eines gasdurchlässigen Substrats angeordnet.

In der WO 99/24826 wird ein Gassensor angegeben, der ebenfalls im Messmodus und im Selbsttestmodus betrieben werden kann. Die Messelektrode ist gekennzeichnet durch eine elektrisch leitende Schicht, die auf einem ersten gasdurchlässigen Substrat aufgebracht ist, und die Gegenelektrode und die Gasgenerator-Elektrode besitzen jeweils eine elektrisch leitende Schicht, die auf einem zweiten gasdurchlässsigen Substrat aufgebracht sind, wobei erstes und zweites Substrat mittels eines Dochtes verbunden sind und Elektrolyt zu den Elektroden transportieren.

Die Anordnung in der GB 2 407 870 A umfasst einen Kohlenstoffmonoxidsensor, einen Kohlenstoffdioxidsensor, einen Kohlenstoffmonoxidgenerator, einen Kohlenstoffdioxidgenerator, Mittel zum selektiven Aktivieren des Kohlenstoffmonoxidgenerators und des Kohlenstoffdioxidgenerators und Mittel zum Analysieren der Reaktion der beiden Sensoren auf das generierte Kohlenstoffmonoxid und das generierte Kolenstoffdioxid.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine kompakte Gassensoranordnung mit einem elektrochemischen Gassensor und einem elektrochemischen Gasgenerator bereitzustellen, welche ohne den Einsatz mechanischer Bauelemente wie Ventile zu Kalibrier- oder Testzwecken mit einem Prüfgas beaufschlagt werden kann, wobei nicht nur das elektrochemische System, sondern auch der Gasweg zum Gassensor überprüfbar ist und die Messbereitschaft nicht oder nur kurzzeitig unterbrochen ist.

Die Lösung der Aufgabe erhält man mit den Merkmalen von Anspruch 1.

Die Unteransprüche geben bevorzugte Aus- und Weiterbildungen der Gassensoranordnung nach Anspruch 1 an.

Die Messelektrode des Gassensors und die Arbeitselektrode des Gasgenerators werden vorzugsweise in einer Ebene angeordnet, und das generierte Prüfgas wird über einen Gaskanal an den elektrochemischen Gassensor geleitet. Der Gaskanal ragt in den durch Diffusion von Messgas aus der Umgebung des Gassensors frei zugänglichen Bereich der Messelektrode und ist so ausgeformt, dass möglichst wenig Messelektrodenfläche verdeckt wird und der Gassensor frontal mit Prüfgas begasbar ist. Durch Zuschalten des Gasgenerators über eine Steuer- und Auswerteeinheit kann der komplette Gassensor getestet werden und er ist anschließend sofort messbereit. Mittels einer Plausibilitätsbetrachtung kann der Gassensor auch während der Kalibrierung im Messmodus bleiben: Sowohl die Kalibriergaserzeugung als auch das Gassensorsignal werden über die gemeinsame Steuer- und Auswerteeinheit geschaltet. Die Menge des erzeugten Prüfgases ist proportional dem Strom durch den Gasgenerator, so dass auch der Gassensor einen proportionalen Sensorstrom anzeigt. Erfolgt nun eine Messgaszufuhr aus der Umgebung, so fällt der Sensorstrom um einen dementsprechenden Betrag höher aus, so dass bei Kenntnis des Generatorstromes auf die tatsächliche Messgaskonzentration in der Umgebung zurückgeschlossen werden kann.

Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung mit Hilfe der Figuren erläutert.

Es zeigen

1 einen Schnitt durch eine schematisch dargestellte Gassensoranordnung und

2 eine Draufsicht auf die Anordnung gemäß 1.

Über den Gaskanal 1 werden der Gasgenerator 2 und der elektrochemische Gassensor 3 gasseitig so miteinander verbunden, dass im Gasgenerator 2 erzeugtes Prüf- oder Kalibriergas ohne Gasverlust in den durch Diffusion frei zugänglichen Bereich der Messelektrode 9 des Gassensors 3 gelangen kann. An der Arbeitselektrode 4 des Gasgenerators 2 wird das Prüf- oder Kalibriergas erzeugt und diffundiert durch die poröse oder inhärent permeable Membran 7 sowie den Innenraum 5 des Gaskanals 1 zur porösen oder inhärent permeablen Diffusionsmembran 8 und wird an der Messelektrode 9 des Gassensors 3 detektiert.
Die Öffnung 6 des Gaskanals 1 ragt in den durch Diffusion von Messgas aus der Umgebung des Gassensors 3 frei zugänglichen Bereich 10 der Messelektrode 9 des Gassensors und ist vorzugsweise in dessen Richtung geöffnet und zentrisch angeordnet. Der Gaskanal 1 ist so geformt, dass er möglichst wenig des zugänglichen Bereichs 10 verdeckt.
Die Öffnung 6 des Gaskanals 1 ist vorzugsweise maximal in Höhe der Gehäusekante 11 angebracht, um Gasverluste in die Umgebung und Strömungseffekte zu minimieren. Die Gehäusekante 11 kann künstlich erhöht sein, führt dann jedoch zu einer Einschränkung der sphärischen Diffusion und somit zu einer Verminderung des Messsignals. Eine zu dichte Anordnung mit einem Abstand der Öffnung 6 von weniger als 0,5 Millimetern beeinflusst die freie Diffusion des Messgases zum Gassensor 3 bzw. zur Messelektrode 9 und sollte deshalb vermieden werden.
Der Gasgenerator 2 und der Gassensor 3 sind in einem Gehäuse 16 aus einem Kunststoff wie zum Beispiel Polypropylen, Polyethylen oder Polytetrafluorethylen platzsparend untergebracht, um den Gaskanal 1 so kurz wie möglich zu halten. Der Vollständigkeit halber sind die Bezugselektroden 12, 14 und die Gegenelektroden 13, 15 der elektrochemischen Systeme mit eingezeichnet. Die Kalibriergaserzeugung und das Gassensorsignal werden über eine gemeinsame Steuer- und Auswerteeinheit 20 geschaltet, welche mittels der Verbindungsleitungen 17, 18, 19 und 21, 22, 23 mit den Elektroden der beiden elektrochemischen Systeme verbunden ist.
Die Kombination aus Gassensor 3, Gasgenerator 2 und Gaskanal 1 kann auch modular aufgebaut und mechanisch lösbar verbunden sein. Speziell kann der Gaskanal 1 als eigenständiges Verbindungsteil ausgebildet sein, welches auf gesetzt wird, wenn es nicht integraler Bestandteil des Gehäuses 16 ist. Bevorzugte Materialien für den Gaskanal 1 sind chemisch resistente Kunststoffe mit einer glatten Oberfläche, um Adsorptionen im Innenraum 5 zu vermeiden.
Die Länge des Gaskanals 1 sollte 30 Millimeter nicht übersteigen und die frei durchströmbare Querschnittsfläche sollte zwischen 0,2 und 5 Quadratmillimetern liegen.
Die Elektroden des Gassensors 3 sind vorzugsweise Platin/PTFE-Verbundelektroden.
Die Gaserzeugung im Gasgenerator 2 erfolgt durch Einschalten einer elektrischen Spannung zwischen der Arbeits- und Gegenelektrode 4, 15 des Gasgenerators 2. Durch Wasserelektrolyse entsteht beispielsweise Wasserstoff und Sauerstoff. Der Wasserstoff diffundiert über den Gaskanal 1 zum Gassensor 3 und wird dort detektiert. Alternativ besteht ein Gassensor 3 für die Messung von Ammoniak beispielsweise aus drei Iridiumelektroden mit einem geeigneten Elektrolyten wie zum Beispiel eine Calciumnitratlösung.
Die Gaserzeugung im Gasgenerator 2 erfolgt in diesem Fall durch Anlegen einer elektrischen Spannung an die Arbeits- und Gegenelektrode 4, 15, gemessen gegen die Bezugselektrode 14 in einer Ammoniumsalzlösung. Die Verschiebung des pH-Wertes führt zu einer Freisetzung von Ammoniak, dieser diffundiert über den Gaskanal 1 zum Gassensor 3.

Claims

Gassensoranordnung bestehend aus der Kombination eines elektrochemischen Gassensors (3) und eines elektrochemischen Gasgenerators (2) mit einem Gaskanal (1) vom Gasgenerator (2) zur Messelektrode (9) des Gassensors (3), wobei der Gaskanal (1) eine Länge von maximal 30 Millimetern und eine Querschnittsfläche von 0,2 bis 5 Quadratmillimetern hat und wobei das Messgas aus der Umgebung des Gassensors (3) freien Zugang zur Messelektrode (9) hat.
Gassensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messelektrode (9) mit einer porösen oder inhärent permeablen Diffusionsmembran (8) abgedeckt ist.
Gassensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden des Gassensors (3) und des Gasgenerators (2) mit einer Steuer- und Auswerteeinheit (20) verbunden sind.
Gassensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kombination aus Gassensor (3), Gasgenerator (2) und Gaskanal (1) mechanisch lösbar verbunden ist.
Gassensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gassensor (3) und der Gasgenerator (2) nebeneinanderliegend planar angeordnet sind.
Gassensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gassensor (3) und der Gasgenerator (2) einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen.
Gassensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Diffusionsmembran (8) aus einem Polymer besteht, speziell aus PTFE.