DE102005058194A1

DE102005058194A1 - Schutzeinrichtung für einen Sensor zur Messung von Parametern eines Fluids

Info

Publication number: DE102005058194A1
Application number: DE200510058194
Authority: DE
Inventors: Markus Langenbacher; Axel Dr. Brödel
Original assignee: Testo SE and Co KGaA
Current assignee: Testo SE and Co KGaA
Priority date: 2005-12-06
Filing date: 2005-12-06
Publication date: 2007-06-21
Also published as: WO2007065620A1

Abstract

Schutzeinrichtung für einen Sensor zur Messung von Parametern eines Fluids mit einem für das zu messende Fluid durchlässigen Schutzkörper (1), durch den hindurch das zu vermessende Fluid zu dem Sensor (3) gelangt, wobei der Schutzkörper (1) fein verteilte durchgehende Öffnungen aufweist, an deren Oberflächen ein Aktivstoff angeordnet ist, der störende Beimengungen des zu vermessenden Fluids wenigstens teilweise unschädlich macht.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schutzeinrichtung für einen Sensor zur Messung von Parametern eines Fluids mit einem für das zu vermessende Fluid durchlässigen Schutzkörper, durch den hindurch das zu vermessende Fluid zu dem Sensor gelangt. Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Sensortechnik und zwar genauer im Bereich der Schutzeinrichtungen für Sensoren, die leicht durch Umwelteinflüsse beschädigt werden oder deren Messwerte leicht durch solche Einflüsse verfälscht werden.
Hierzu gehören besonders die Sensoren, die zur Messung von Stoffeigenschaften dienen und zu diesem Zweck mit unterschiedlichen Stoffen in Berührung gebracht werden müssen. Besonders bekannt sind unter diesen die Sensoren zur Vermessung von Eigenschaften von Fluiden, die naturgemäß mit den entsprechenden Fluiden in Kontakt gebracht werden müssen.
Solche Fluide enthalten oft Beimengungen, die die Messungen verfälschen oder die Sensoren schädigen oder gar zerstören. Beispielsweise kann, wenn es sich bei dem Fluid um ein Gas handelt, dieses Feuchtigkeitsanteile enthalten, die für einen Sensor schädlich sein können und für die eigentliche Messung keine Rolle spielen. Andererseits kann auch die Messaufgabe darin bestehen, einen Feuchtigkeitsgehalt in einem Gas zu messen. Hierbei können auch andere Stoffe, wie zum Beispiel Säurebeimengungen oder andere aggressive Stoffe stören, die Messung verfälschen oder bei wiederholter Anwendung zur Zerstörung des jeweiligen Sensors führen.

Zum Schutz von Sensoren, die zum Vermessen von Fluiden dienen, sind Schutzkappen bekannt, die durchlässig sind und ein Chemikalienreservoir aufweisen, wobei das Reservoir ein Re duktionsmittel beziehungsweise einen Katalysator enthalten kann. Mit Hilfe der in dem Reservoir befindlichen Chemikalie sollen Stoffe, die den Sensor schädigen können, gebunden beziehungsweise unschädlich gemacht werden.

Es ergibt sich, dass die Wirkung dieser Maßnahme nicht optimal ist, dass die Herstellung einer solchen Schutzkappe mit einem Chemikalienreservoir aufwändig ist und dass sich die Ansprechzeit eines Sensors bei Verwendung dieser Lösung erhöhen kann.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Schutzeinrichtung der genannten Art von dem Sensor solche Stoffe fernzuhalten, die die Messung stören oder den Sensor schädigen können, dabei den eigentlichen Messvorgang nicht zu stören und dies mit möglichst geringem finanziellen und konstruktiven Aufwand zu verwirklichen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Schutzkörper feinverteilte durchgehende Öffnungen aufweist, an deren Oberflächen ein Aktivstoff angeordnet ist, der störende Beimengungen des zu vermessenden Mediums wenigstens teilweise unschädlich macht.

Es wird durch die feine Verteilung des Aktivstoffes in den Öffnungen des Schutzkörpers erreicht, dass dem zu vermessenden Medium eine sehr große Interaktionsfläche geboten wird, an der die schädlichen Beimengungen gebunden oder umgesetzt werden können.

Gegenüber dem Stand der Technik wird erreicht, dass die Bindung oder Umsetzung der störenden Beimengungen wesentlich vollständiger erfolgt, als wenn ein massives Reservoir eines Aktivstoffes in der Umgebung des Schutzkörpers vorgesehen würde. In diesem Fall würde nämlich ein großer Teil des Mediums an dem Reservoir vorbeiströmen und unbeeinflusst zu dem Sensor gelangen.

Durch die erfindungsgemäße Konstruktion ist gewährleistet, dass das Medium einerseits freien Zugang zu dem Sensor hat, dass jedoch andererseits eine intensive Filterung des Mediums in den feinverteilten Öffnungen stattfindet. Vorteilhafter Weise kann der Schutzkörper einen Sinterwerkstoff enthalten.

In diesem Fall ist der Schutzkörper einfach durch Verpressen mit oder ohne Erwärmung herstellbar, wobei beim Sintern durchgehende Öffnungen in dem Schutzkörper offengehalten werden können. In diesen Öffnungen wird der Aktivstoff deponiert, so dass er beim Durchströmen des zu vermessenden Mediums durch den Schutzkörper mit dem Medium in Kontakt kommt. Entsprechende Sinterwerkstoffe, wie zum Beispiel Polytetrafluorethylen, sind kostengünstig und einfach herzustellen und zu verarbeiten. Es können vielfältige Formen damit hergestellt werden. Beispielsweise kann der Schutzkörper die Form einer Schutzkappe annehmen, die auf einen Sensor aufgesetzt werden kann. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass der Schutzkörper nur einen Teil einer Schutzkappe bildet, beispielsweise einen Deckel. Die übrigen Teile der Schutzkappe können dann aus einem massiven Werkstoff ohne durchgehende Öffnungen bestehen.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Sinterwerkstoff mit dem Aktivstoff vermischt ist. Hierdurch wird sichergestellt, dass die durchgehenden Öffnungen im wesentlichen auch mit dem Aktivstoff bedeckt sind.

Ein weiterer Vorteil kann erzielt werden, wenn der Aktivstoff in dem Sinterwerkstoff gleichmäßig verteilt ist. Dabei kann weiterhin der Schutzkörper durch Sintern einer Mischung von einer aus dem Sinterwerkstoff und dem Aktivstoff bestehenden Mischung hergestellt sein. In diesem Fall wird zunächst der Sinterwerkstoff mit dem Aktivstoff benetzt, bedeckt oder anderweitig in Berührung gebracht und darauf die Mischung in Form gepresst oder gesintert. Dadurch wird eine weitgehende und gleichmäßige Verteilung des Aktivstoffs in dem Schutzkörper erreicht.

Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass der Aktivstoff in den gesinterten Schutzkörper eingerieben oder eingedrückt ist. In diesem Falle würde zunächst der Schutzkörper ohne den Zusatz des Aktivstoffs durch Sintern hergestellt und der Aktivstoff danach hinzugefügt. Dabei kann der Aktivstoff beispielsweise auch zum Tränken des Schutzkörpers dienen, um eine Feinverteilung auf dem Sinterwerkstoff zu erreichen.

Der Schutzkörper kann auch aus einem Granulat hergestellt sein, das durch Zerkleinern eines Zwischenmaterials entstanden ist, wobei das Zwischenmaterial als Festkörper aus einer Mischung des Aktivstoffes und eines Sinterwerkstoffes gebildet ist. Beispielsweise kann zunächst der Aktivstoff mit PTFE vermischt und gepresst werden. Danach kann der gepresste Körper nochmals zerkleinert werden und das entstehende Granulat kann dann zur Herstellung des endgültigen Schutzkörpers durch neuerliches Sintern verwendet werden.

Der Aktivstoff kann vorteilhaft einen Katalysator enthalten, der die entsprechende gewünschte Umsetzung des oder der schädlichen Stoffe in dem zu vermessenden Medium bewirkt. Dies hat den Vorteil, dass der Aktivstoff sich nicht verbraucht.

Es kann auch vorgesehen sein, dass der Aktivstoff ein Reduktions- oder Oxidationsmittel, ein Absorptionsmittel oder eine Puffersubstanz enthält. Die Auswahl der jeweils enthaltenen Substanz hängt davon ab, welche schädlichen Stoffe gebunden oder umgesetzt werden sollen.

Der Aktivstoff kann auch einen Indikator enthalten. In diesem Fall wird für einen Benutzer des Sensors das Vorhandensein bestimmter Stoffe durch den Indikator angezeigt, so dass vor bestimmten schädlichen Stoffen gewarnt werden kann, die nicht zu dem Sensor gelangen dürfen oder dass angezeigt werden kann, wenn der Aktivstoff in dem Schutzkörper beginnt, sich zu verbrauchen, so dass der Schutzkörper erneuert werden muss.

Es kann zum Schutz eines Feuchtigkeitssensors beispielsweise vorgesehen sein, dass zur Umsetzung von Wasserstoffperoxid (H₂O₂) Braunstein (Manganoxid, MnO₂) als Aktivstoff verwendet wird. Wenn ein Gas, das Wasserstoffperoxid enthält, an dem Braunstein vorbeiströmt, wird durch diesen katalytisch eine Reduktion zu Wasser und Sauerstoff (H₂O und O₂) gefördert.

Das MnO₂ stellt vorteilhaft einen Massenanteil von 0,01% bis 30% an dem Material dar, aus dem der Schutzkörper besteht. Es handelt sich dann um eine Mischung beispielsweise aus PTFE und Braunstein mit einem entsprechenden Massenanteil von Braunstein.

Vorzugsweise ist der Massenanteil von Braunstein an dem Werkstoff des Schutzkörpers kleiner als 20%. Damit wird eine erhöhte mechanische Stabilität erreicht.

Besonders bevorzugt ist ein Massegehalt zwischen 1% und 5% von Braunstein an dem Werkstoff des Schutzkörpers. In diesem Bereich werden optimale mechanische Eigenschaften mit den besten chemischen Eigenschaften zum Schutz beispielsweise eines Feuchtesensors vereint.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Figuren der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt:
1 einen Schutzkörper in Form einer Schutzkappe in perspektivischer Ansicht,
2 eine Schutzkappe in einem Längsschnitt und einen Teil eines Sensors, auf den die Schutzkappe aufschraubbar ist.
1 zeigt schematisch eine zylindrische hohle Schutzkappe 1, die an ihrem geschlossenen Ende 2 einen abgerundeten Rand aufweist und die auf einen Feuchtesensor, beispielsweise einen kapazitiven Polymerfeuchtesensor zum Schutz vor aggressiven Umgebungen aufsetzbar ist. Die Schutzkappe 1 besteht aus einem porösen Material, das durch Sintern von Polytetrafluorethylengranulat in eine Form gebracht ist, wobei das Granulat vor dem Pressen mit Braunstein (Manganoxid) vermischt worden ist. Die Wanddicke der Schutzkappe 1, der Pressgrad beziehungsweise die Packungsdichte der Granulatpartikel ist so gewählt, dass ein zu vermessendes Gas, beispielsweise Luft, in ausreichendem Maß durch die Schutzkappe hindurchtreten und zu dem Sensor gelangen kann, dass jedoch auf dem Weg durch die Öffnungen entsprechende Beimengen beispielsweise in Form von Wasserstoffperoxid (H₂O₂) so intensiv mit dem Braunstein in Berührung kommen, dass eine katalytische Reduktion zu Wasser und Sauerstoff das Wasserstoffperoxid praktisch vollständig unschädlich macht. Das Manganoxid stellt in dem dargestellten Fall 3% der gesamten Masse des Schutzkörpers dar und ist auf dem PTFE-Granulat gleichmäßig verteilt.
Für andere Anwendungen können als Aktivstoffe alternativ andere Katalysatoren eingesetzt werden, wie beispielsweise Edelmetalle (zum Beispiel Pt, Au, Ag) zur Umsetzung von Stickoxiden und Wasserstoffperoxid, außerdem Metalloxide und auch Enzyme (zum Beispiel Katalase).
Als Reduktions/Oxidationsmittel können beispielsweise Metalloxide und Salze (zum Beispiel KMNO₄) zur Umsetzung von O₃, CO, Cl₂ eingesetzt werden. Als Absorbtionsmittel zur Bindung von Chlor, Ozon und Säuren wie Salzsäure, Schwefelsäure und andere, ist besonders Aktivkohle geeignet. Es können auch als Puffersubstanzen NaOH oder organische Säuren eingesetzt werden, um entsprechende Säuren und Basen abzupuffern.
Zusätzlich oder alternativ können Indikatoren als Aktivstoffe in den Schutzkörper eingebracht werden, die zur Anzeige des ph-Wertes und anderer chemischer Größen dienen, um beispielsweise Sensorbeeinträchtigungen, zum Beispiel bei Beschädigung oder Verbrauch von Katalysatoren, anzuzeigen oder den Ablauf der Nutzungsdauer beziehungsweise der Filterfunktionsfähigkeit zu signalisieren.
2 zeigt außer einem Längsschnitt durch eine Schutzkappe 1 auch einen Sensor 3 mit einem Schaft 4, auf dessen Gewinde 5 die Schutzkappe aufschraubbar ist.
Als Herstellungsverfahren für die erfindungsgemäße Schutzkappe bietet sich an, den Aktivstoff durch mechanisches Bearbeiten (Einreiben, Eindrücken, Tränken) in die Poren des Sintermaterials einzubringen, oder das Sintermaterial in granularer Form mit dem Aktivstoff zu vermischen, um die Mischung danach zu verpressen. Es ist auch möglich, nach diesem Vorgang den entstehenden Körper nochmals zu zerkleinern und das entstehende Granulat nochmals zu verpressen beziehungsweise zu sintern.
Werden mehr als zwei Bestandteile bei der Herstellung eines erfindungsgemäßen Schutzkörpers verwendet, so können auch Kombinationen dieser Herstellungsverfahren eingesetzt werden. Beispielsweise kann ein Sinterwerkstoff zunächst mit einem ersten Aktivstoff vermischt und verpresst werden, danach kann der so verpresste Körper zerkleinert und mit einem weiteren Aktivstoff gemischt werden, um das so entstandene Gemisch erneut zu verpressen.
Dabei ist darauf zu achten, dass eine bestimmte mechanische Stabilität, die im wesentlichen durch den Sinterwerkstoff, also beispielsweise das PTFE, gegeben ist, nicht zu verän dern. So ist es beispielsweise wünschenswert, wenn eine gewisse Elastizität und Bruchfestigkeit des Schutzkörpers erhalten bleibt. Dazu kommt die Notwendigkeit, dass in dem gezeigten Beispiel die Schutzkappe auf den Sensor aufschraubbar sein soll, so dass ein tragfähiges Gewinde in der Schutzkappe vorgesehen sein muss. Anteile, die über 30% Zuschlag eines Aktivstoffs hinausgehen, haben sich dabei als negativ herausgestellt. Bessere Ergebnisse werden unterhalb von 20%, optimale Konstellationen unterhalb von 5% Massenanteil des Aktivstoffes erreicht.

Claims

Schutzeinrichtung für einen Sensor zur Messung von Parametern eines Fluids mit einem für das zu messende Fluid durchlässigen Schutzkörper (1), durch den hindurch das zu vermessende Fluid zu dem Sensor (3) gelangt, dadurch gekennzeichnet, dass der Schutzkörper (1) fein verteilte durchgehende Öffnungen aufweist, an deren Oberflächen ein Aktivstoff angeordnet ist, der störende Beimengungen des zu vermessenden Fluids wenigstens teilweise unschädlich macht.
Schutzeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schutzkörper (1) einen Sinterwerkstoff enthält.
Schutzeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sinterwerkstoff mit dem Aktivstoff vermischt ist.
Schutzeinrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktivstoff in dem Schutzkörper (1) gleichmäßig verteilt ist.
Schutzeinrichtung nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Sinterwerkstoff Polytetrafluorethylen enthält.
Schutzeinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schutzkörper (1) durch Sintern einer Mischung eines Granulats mit dem Aktivstoff hergestellt ist.
Schutzeinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktivstoff in den gesinterten Schutzkörper (1) eingerieben oder eingedrückt ist.
Schutzeinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der gesinterte Schutzkörper (1) mit dem Aktivstoff oder einer Lösung des Aktivstoffs getränkt ist.
Schutzeinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schutzkörper (1) aus einem Granulat hergestellt ist, das durch Zerkleinern eines Zwischenmaterials entstanden ist, wobei das Zwischenmaterial als Festkörper aus einer Mischung des Aktivstoffs und eines Sinterwerkstoffs gebildet ist.
Schutzeinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktivstoff einen Katalysator enthält.
Schutzeinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktivstoff ein Reduktions- oder Oxidationsmittel enthält.
Schutzeinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktivstoff ein Absorbtionsmittel enthält.
Schutzeinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktivstoff eine Puffersubstanz enthält.
Schutzeinrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktivstoff einen Indikator enthält.
Schutzeinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktivstoff MnO₂ enthält.
Schutzeinrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Massenanteil von MnO₂ an dem Schutzkörper 0,01% bis 30% beträgt.
Schutzeinrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Massenanteil von MnO₂ an dem Schutzkörper (1) kleiner als 20% ist.
Schutzeinrichtung nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Massenanteil von MnO₂ an dem Schutzkörper (1) zwischen 1% und 5% beträgt.