DE102009052957A1

DE102009052957A1 - Gassensor mit Prüfgasgenerator

Info

Publication number: DE102009052957A1
Application number: DE102009052957A
Authority: DE
Inventors: Andreas Nauber; Julia Danckert; Michael Sick; Peter Dr. Tschuncky
Original assignee: Draeger Safety AG and Co KGaA
Current assignee: Draeger Safety AG and Co KGaA
Priority date: 2009-11-12
Filing date: 2009-11-12
Publication date: 2011-06-09
Also published as: US20110108418A1; GB2475365B8; GB201013027D0; CN102087242B; GB2475365A; GB2475365A8; GB2475365B; CN102087242A; US8414751B2

Abstract

Ein Gassensor (100) in einem Sensorgehäuse (1), welches eine gaspermeable Membran (7) für den Zutritt einer zu analysierenden Gasprobe zu einer Messelektrode (6) aufweist, soll derart verbessert werden, dass der Funktionstest auch den Gasweg zur Messelektrode (6) umfasst. Zur Lösung der Aufgabe ist der Gassensor (100) mit einem Prüfgasgenerator (18) versehen, welcher ein Generatorgehäuse (8) besitzt, das im Bereich der gaspermeablen Membran (7) befestigt ist, eine zentrale Gaszutrittsöffnung (21) für die Gasprobe und zur gaspermeablen Membran (7) hin gerichtete Auslassöffnungen (19) für das Prüfgas aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Gassensor mit einem Prüfgasgenerator.
Gaswarneinrichtungen mit einem Gassensor müssen in regelmäßigen Intervallen Funktionstests unterzogen werden. So kann es beispielsweise durch Blockierung des Gaszutritts oder Inaktivierung des Sensorelementes zum Ausfall eines Gassensors kommen. Die ordnungsgemäße Funktion eines Gassensors wird am besten durch Beaufschlagen mit dem Zielgas getestet, wobei die gesamte Funktionskette von der Gaszuführung bis hin zur Signalgenerierung geprüft wird.
Handelsübliche Gassensoren weisen eine Drift der Empfindlichkeit bezüglich der zu detektierenden Gaskomponente auf. Dieses Verhalten von Gassensoren kann nicht durch mathematische Formeln beschrieben, beziehungsweise vorausgesagt werden. Daher ist es notwendig, Gassensoren innerhalb bestimmter Zeitintervalle mit Zielgas bekannter Konzentration zu kalibrieren. Die Länge der Kalibrierintervalle wird durch die Anforderungen an die angestrebte Genauigkeit des Gassensors bestimmt. Nationale Vorschriften erfordern eine regelmäßige Überprüfung von Gassensoren.
Der Aufwand zur Durchführung dieser Funktionstests und Kalibriervorgänge ist hoch. So müssen Prüfmittel, z. B. in Form von Druckgasbehältern, vorzugsweise mit den Zielgasen vorgehalten werden, innerhalb der vorgegebenen Nutzungsdauer der Gasmischung zum Gassensor transportiert und dort schließlich durch geeignete Vorrichtungen wie z. B. Pumpen, Ventile, Kalibrieradapter und/oder Durchflussregler in den Gaszutritt des zu testenden Gassensors appliziert werden. Um schnelle Testzeiten und ausreichende Testgaskonzentrationen zu gewährleisten, müssen Totraumvolumina und undefinierte Anströmbedingungen vermieden werden.
Um diese Nachteile zu umgehen, wurde bereits in der GB 22 54 696 A1 vorgeschlagen, einen Gasgenerator zusammen mit einem Gassensor in einem gemeinsamen Gehäuse unterzubringen. Hier wird das gemeinsame Gehäuse zum Messgas hin von einer gasdurchlässigen Membran begrenzt. Die gelegentliche Aktivierung des Gasgenerators erlaubt es hier zwar, die Sensorfunktion mit einem Ersatzgas zu testen, die in der Anordnung enthaltenen Totraumvolumina beeinträchtigen aber den Funktionstest. Weiterhin gibt dieses Testverfahren keinen Aufschluss über den Zustand der äußeren, gasdurchlässigen Membran. Somit bleibt der Weg des Gases zur Detektorelektrode ungeprüft.
Bei dem Gassensor entsprechend der EP 0 744 620 B1 wird Testgas durch eine zugleich mit Gasgenerator und Gassensor verbundene Membran geleitet. Ein Rückschluss auf den Zustand der den Gaszutritt zur Detektorelektrode gewährenden äußeren Membran ist auch hier nur schwer möglich.
Bei der Messvorrichtung entsprechend der US 6 635 160 B1 wird das Testgas in eine Testgaskammer im Inneren des Sensorgehäuses injiziert, die dem äußeren Gaszutritt nachgelagert ist. Der Gaszutritt von außen zu dieser Kammer und damit auch zur Detektorelektrode des Sensors bleibt jedoch auch hier ungeprüft.
In der US 4 151 739 wird ein Diagnoseverfahren für Gassensoren beschrieben, bei denen Testgas durch eine Apertur mechanisch zu einem Sensor hin gepresst, durch Zugabe eines Treibmittels befördert oder aber durch thermische Expansion zum Sensor bewegt wird.
Alle diese Ausführungsformen haben als Nachteil gemeinsam, dass letztendlich der gesamte Weg der Gasprobe zur Detektorelektrode nicht getestet wird oder durch mechanisch aufwändige Konstruktionen Mittel zur Förderung des Testgases zum Sensor geschaffen werden müssen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Funktionstest für einen Gassensor anzugeben.
Die Lösung der Aufgabe ergibt sich aus den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, einen Prüfgasgenerator vor der gaspermeablen Membran des Gassensors anzuordnen. Das durch den Prüfgasgenerator produzierte Prüfgas gelangt aus Auslassöffnungen des Generatorgehäuses über die gaspermeable Membran des Gassensors zu dessen Messelektrode. Dabei sind zur Minimierung von Totraumvolumina die Auslassöffnungen des Generatorgehäuses und die gaspermeable Membran des Gassensors unmittelbar gegenüberliegend zueinander angeordnet. Die Vorteile dieser Anordnung liegen in einer geringen Beeinflussung des Testergebnisses durch äußere Einflüsse, insbesondere durch Wind. Typische Sensorparameter wie z. B. Ansprechzeit, Empfindlichkeit oder Drift werden nicht oder nur in vernachlässigbarer Weise beeinflusst. Das Generatorgehäuse ist so ausgeführt, dass vorzugsweise in der Mitte des Prüfgasgenerators eine Gaszutrittsöffnung für das zu analysierende Messgas vorhanden ist. Sowohl das Messgas als auch das vom Gasgenerator produzierte Prüfgas gelangen über die gaspermeable Membran des Gassensors zur Messelektrode.
Somit wird mit dem Prüfgas derselbe Gasweg getestet, den auch das Messgas benutzt. Die Auswertung des Sensorsignals ist nur für die kurzen Testzeiten von wenigen Sekunden unterbrochen, in denen das Prüfgas elektrochemisch erzeugt wird. Das Generatorgehäuse weist eine in sich geschlossene Kurvenform auf. So kann es ringförmig, oval, elliptisch, rechteckförmig oder quadratisch in der Weise ausgeführt sein, dass eine Gaszutrittsöffnung für das zu analysierende Messgas vorzugsweise in der Gehäusemitte vorhanden ist. Die Bauform des Generatorgehäuses ist nicht auf die genannten Varianten beschränkt, sondern es sind auch andere Gehäuseformen denkbar, mir denen eine Gaszutrittsöffnung für das zu analysierende Messgas realisiert werden kann.
In vorteilhafter Weise enthält das Generatorgehäuse als Prüfgasquelle zur elektrochemischen Erzeugung von H₂S einen Pressling aus Silbersulfid mit einem als Kathode geschalteten Platinnetz und eine Platinelektrode als Anode. Durch das Anlegen einer Spannung zwischen Anode und Kathode wird H₂S erzeugt.
In vorteilhafter Weise liegt der axiale Abstand zwischen den Auslassöffnungen des Prüfgasgenerators und der gaspermeablen Membran in einem Bereich zwischen 10 Mikrometer und 10 Millimeter. Das bedeutet, dass der Prüfgasgenerator die gaspermeable Membran des elektrochemischen Gasgenerators direkt begast.
In zweckmäßiger Weise ist eine Ansteuereinheit mit entsprechender Elektronik für die Elektroden des elektrochemischen Gassensors und die Elektroden des Prüfgasgenerators vorhanden.
In zweckmäßiger Weise ist die Gaszutrittsöffnung am Prüfgasgenerator, die der gaspermeablen Membran des Gassensors vorgeschaltet ist, mit einem Staubfilter versehen, um eine Verschmutzung der gaspermeablen Membran zu unterbinden.
In zweckmäßiger Weise ist das Sensorgehäuse im Bereich der gaspermeablen Membran als eine Halterung zur Aufnahme des Prüfgasgenerators ausgebildet. Das Staubfilter befindet sich dabei am freien Ende der Halterung, so dass das Messgas nur über das Staubfilter zur gaspermeablen Membran des Gassensors gelangen kann.
Wenn während der Testzeit Prüfgas mit dem Prüfgasgenerator erzeugt wird, diffundiert dieses sowohl zur Messelektrode des Gassensors als auch über das Staubfilter in die Umgebung. Der in die Umgebung diffundierende Anteil des Prüfgases steht daher der Messelektrode nicht zur Signalgenerierung zur Verfügung. Bei verschmutztem Staubfilter ergibt sich während der Testphase ein erhöhtes Messsignal am Gassensor, das Rückschlüsse hinsichtlich der Gasdurchlässigkeit des Staubfilters ermöglicht.
Ein Ausführungsbeispiel ist in der Figur gezeigt und im Folgenden näher erläutert.
Es zeigen:
1 einen elektrochemischen Gassensor mit einem Prüfgasgenerator im Längsschnitt,
2 den Signalverlauf des Gassensors bei unterschiedlichen Aktivierungszeiten des Prüfgasgenerators,
3 den Signalverlauf entsprechend der 2 mit unterschiedlich beladenen Staubfiltern.
1 zeigt schematisch einen elektrochemischen Gassensor 100 zum Nachweis von Schwefelwasserstoff mit einem Prüfgasgenerator 18 für Schwefelwasserstoff. Der Gassensor 100 besteht aus einem Sensorgehäuse 1, in das zwei, vorzugsweise aber drei Edelmetallelektroden 2, 5, 6 in Form einer Messelektrode 6, einer Hilfselektrode 2 und einer Bezugselektrode 5, ein Elektrolyt 14 und zugehörige Kontaktdrähte 15, 16, 17, vorzugsweise Platindraht, für die Elektroden 2, 5, 6 eingebracht sind. An der Stirnseite wird das Sensorgehäuse 1 durch eine gaspermeable, für den Elektrolyten 4 undurchlässige Membran 7, vorzugsweise aus einem fluorierten, porösen Polymer verschlossen, die den Sensorinnenraum zur umgebenden Atmosphäre abgrenzt. Direkt hinter dieser gaspermeablen Membran 7 befindet sich im Sensorinnenraum die Messelektrode 6. Die Elektroden 2, 5, 6 sind an eine Ansteuerelektronik 12 angeschlossen, um das Signal der Messelektrode 6 auszuwerten.
Des Weiteren werden im Sensorgehäuse 1 mindestens zwei elektrische Kontaktdrähte 3, 4 für den Prüfgasgenerator 18 durchgeführt, die dazu dienen, die Ansteuerelektronik 12 mit einer Kathode 9 und einer Anode 10 des Prüfgasgenerators 18 zu verbinden. Der Prüfgasgenerator 18 besteht aus einem radialsymmetrischen, ringförmigen Generatorgehäuse 8, mit Auslassöffnungen 19, die durch eine gaspermeable Ringmembran 11 verschlossen sind. Ein Pressling 20 aus Silbersulfid und Schwefel im Massenverhältnis 1:1 ist mit einem als Kathode 9 geschalteten Platinnetz verbunden und wird elektrochemisch umgesetzt. Als Anode 10 dient vorzugsweise eine Elektrode aus Platin. Die Kathode 9 und die Anode 10 sind mittels der Kontaktdrähte 3, 4 an die Ansteuerelektronik 12 angeschlossen und stehen in Verbindung mit einer nicht näher dargestellten Stromquelle. Eine Elektrolyse des Presslings 20 in Schwefelsäure als Elektrolyt wird mittels der Stromquelle durchgeführt und dabei metallisches Silber neben freien Sulfidionen gebildet. Eine Beimengung von elementarem Schwefel ermöglicht, dass der derart gebildete Silberspiegel sofort wieder zum Sulfid umgesetzt und erneut in die Reaktion eingebunden wird. Die ablaufenden Reaktionen sind:
Das an der Kathode 9 gebildete H₂S tritt durch die gaspermeable Ringmembran 11 aus dem Generatorgehäuse 8 des Prüfgasgenerators 18 aus. Dabei sind die Auslassöffnungen 19 des Prüfgasgasgenerators 18 der gaspermeablen Membran 7 des Gassensors 100 zugewandt, wodurch Störungen durch z. B. den Einfluss von Wind oder Regen minimiert werden können. Die Einschaltzeit (= Elektrolysezeit) des Prüfgasgenerators 18 bestimmt die absolute Menge an gebildetem Prüfgas und damit auch die am Gassensor 100 anliegende Konzentration an H₂S.
Eine mittig liegende Gaszutrittsöffnung 21 des Prüfgasgenerators 18 ist durch ein Staubfilter 13, vorzugsweise aus porösem Teflon oder Polyethylen, geschützt. Im Bereich der gaspermeablen Membran 7 ist das Sensorgehäuse 1 als eine Halterung 22 ausgeführt, die zur Aufnahme des Prüfgasgenerators 18 dient. Die Oberseite der Halterung 22 ist mit dem Staubfilter 13 verschlossen. Das Messgas gelangt über das Staubfilter 13 und die Gaszutrittsöffnung 21 zur gaspermeablen Membran 7 des Gassensors 100.
2 zeigt beispielhaft den zeitlichen Verlauf des Sensorstroms in Abhängigkeit von der Aktivierungsdauer des Prüfgasgenerators 18. Auf der Abszisse ist die Zeit in Sekunden und auf der Ordinate die Konzentrationsanzeige des Gassensors 100 in ppm aufgetragen. Die untere Kurve A steht für eine Aktivierungszeit von 5 Sekunden, die mittlere Kurve B für eine Aktivierungszeit von 10 Sekunden und die obere Kurve C für eine Aktivierungszeit von 15 Sekunden.
Durch die minimierten Totraumvolumina der Anordnung kann eine sehr schnelle Testzeit von kleiner 60 Sekunden erreicht werden. Durch geeignete Erzeugung eines Prüfgases geringerer Konzentration kann weiterhin eine Überwachung bezüglich des Zielgases in hoher Konzentration auch während des Tests gewährleistet werden.
Ein weiterer Vorteil der Anordnung ist eine einfache Detektion eines verschmutzten Staubfilters 13. Das erzeugte Prüfgas diffundiert sowohl zur Messelektrode 6 als auch über das Staubfilter 13 in die Umgebung vor dem Gassensor 100. Dieser Anteil steht der Messelektrode 6 nicht zur Verfügung. In 3 sind die Messsignale für ein mit Staub beladenes Filter 13, Kurve D, und ein nicht verschmutztes Staubfilter 13, Kurve E, gegenübergestellt. Ist das Staubfilter 13 verschmutzt, wird die Diffusion in die Umgebung behindert. Dieser Anteil kann nun ebenfalls von der Messelektrode 6 umgesetzt werden. Daher ist das Signal, entsprechend Kurve D, erhöht gegenüber dem Normalzustand, Kurve E.
Das verschmutzte Staubfilter 13 führt des Weiteren zu einem verzögerten Abklingverhalten nach Beendigung der Prüfgasgasgenerierung, da der Gasaustausch mit der Umgebung behindert ist. Über eine entsprechende Auswertung kann dieses Verhalten eindeutig bestimmt werden.
Bezugszeichenliste

1: Sensorgehäuse
2: Hilfselektrode
3, 4: Kontaktdraht
5: Bezugselektrode
6: Messelektrode
7: gaspermeable Membran
8: Generatorgehäuse
9: Kathode
10: Anode
11: gaspermeable Ringmembran
12: Ansteuerelektronik
13: Staubfilter
14: Elektrolyt
15, 16, 17: Kontaktdraht
18: Prüfgasgenerator
19: Auslassöffnung
20: Pressling
21: Gaszutrittsöffnung
22: Halterung
100: Gassensor

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

GB 2254696 A1 [0005]
EP 0744620 B1 [0006]
US 6635160 B1 [0007]
US 4151739 [0008]

Claims

Vorrichtung mit einem Gassensor (100) in einem Sensorgehäuse (1), welches eine gaspermeable Membran (7) für die zu analysierende Gasprobe und eine Messelektrode (6) aufweist, und einem Prüfgasgenerator (18), welcher ein Generatorgehäuse (8) besitzt, das im Bereich der gaspermeablen Membran (7) befestigt ist, eine Gaszutrittsöffnung (21) für die Gasprobe hat und zur gaspermeablen Membran (7) hin gerichtete Auslassöffnungen (19) für Prüfgas aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gassensor (100) ein elektrochemischer Gassensor ist und im Sensorgehäuse (1) zusätzlich zur Messelektrode (6) eine Bezugselektrode (5) in einem Elektrolyten (4) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslassöffnungen (19) des Generatorgehäuses (8) mit einer gaspermeablen Ringmembran (11) verschlossen sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Prüfgasgenerator (18) ein elektrochemischer Gasgenerator ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Generatorgehäuse (8) als Prüfgasquelle zur elektrochemischen Erzeugung von H₂S einen Pressling (20) aus Silbersulfid zwischen einer Anode (10) und einer Kathode (9) aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der axiale Abstand zwischen den Auslassöffnungen (19) des Prüfgasgenerators (18) und der gaspermeablen Membran (7) in einem Bereich zwischen 10 Mikrometer und 10 Millimeter liegt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ansteuerelektronik (12) für die Elektroden (2, 5, 6) des elektrochemischen Gassensors (100) und die Elektroden (9, 10) des Prüfgasgenerators (18) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in der Gaszutrittsöffnung (21) ein Staubfilter (13) vorhanden ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorgehäuse (1) im Bereich der gaspermeablen Membran (7) als eine Halterung (22) zur Aufnahme des Prüfgasgenerators (18) ausgebildet ist.