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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Messvorrichtung zum Ermitteln einer Gaspermeabilität durch eine Probe und ein Verfahren zum Betreiben einer Messvorrichtung zum Ermitteln einer Gaspermeabilität durch eine Probe.
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Stand der Technik
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Bei bekannten Druckspeichertanks für Fahrzeuge kann es sich um Gastanks für Brennstoffzellen handeln. Bei einem Betrieb dieser Tanks und anderer damit genutzter Komponenten kann es für eine Auslegung dieser Komponenten nötig sein, die Gasdurchlässigkeitsrate (Permeationsrate) von Kunststoffmaterialien, etwa von Elastomeren, Thermoplasten und Duroplasten, gegenüber dem Gas aus den Tanks, etwa Wasserstoff, zu kennen.
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Die Beurteilung einer Dichtigkeit des Materials des Tanks kann gegenüber bekannten Normen gesetzt sein, etwa ASTM, DIN und ISO. Dabei kann die Bestimmung der Gasdurchlässigkeitsrate von Sauerstoff, Stickstoff, Kohlendioxid, Wasserdampf und deren Gemischen in Bezug auf Verpackungsfolien beschrieben werden. Bekannte Permeationsmessungen für Wasserstoff werden unter anderem an diesen Normen angelehnt. Diese Normen basieren auf dem Zwei-Kammern Prinzip, bei dem eine Kammer mit dem Prüfgas befüllt oder Durchströmt wird und in der zweiten Kammer das permeierte Prüfgas bestimmt wird. Zwischen den beiden Kammern kann ein Stoff zur Prüfung positioniert sein. Dabei kann bei den genannten Normen eine Kunststofffolie mit einer Dicke von üblicherweise 2,5 um beachtet werden und zwischen die Kammern eingespannt werden. Die Messung des permeierten Gases kann entweder nach der Differenzdruckmethode oder mit einem für das Messgas selektivem Sensor erfolgen.
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In der
DE112006003013B4 wird ein Tank mit einer Armatur und einem Ventil beschrieben, wobei das Ventil in der Armatur befestigt ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung schafft eine Messvorrichtung zum Ermitteln einer Gaspermeabilität durch eine Probe nach Anspruch 1 und ein Verfahren zum Betreiben einer Messvorrichtung zum Ermitteln einer Gaspermeabilität durch eine Probe nach Anspruch 8.
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Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Vorteile der Erfindung
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Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin, eine Messvorrichtung zum Ermitteln einer Gaspermeabilität durch eine Probe und ein Verfahren zum Betreiben einer Messvorrichtung zum Ermitteln einer Gaspermeabilität durch eine Probe anzugeben, wobei eine Bestimmung der Menge von Gas, die durch die Probe permeiert, verbessert werden kann und auch an dickeren Prüflingen angewandt werden kann, als bisher möglich.
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Erfindungsgemäß umfasst die Messvorrichtung zum Ermitteln einer Gaspermeabilität einer Probe eine Prüfkammer, mit einer ersten Öffnung, wobei die erste Öffnung mit der Probe abdeckbar ist; ein Gasreservoir mit einem Testgas, wobei das Gasreservoir dazu eingerichtet ist, mit der Prüfkammer verbunden zu werden, derart dass sich die Probe zwischen dem Gasreservoir und der ersten Öffnung befindet, wobei dann das Testgas an der Probe anliegt; eine Zirkulationsleitung, welche durch die Prüfkammer hindurchläuft und in welcher sich ein Trägergas befindet; eine Gassensoreinrichtung, welche mit der Zirkulationsleitung verbunden ist und dazu eingerichtet ist, eine Menge des Testgases im Trägergas zu detektieren und über eine vorbestimmte Zeitspanne zu messen.
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Die Probe und die Prüfkammer sowie auch das Gasreservoir, welches selbst auch als eine Kammer geformt sein kann, können jeweils zylinderförmig sein. So kann die erste Öffnung einen Querschnitt in Kreisform aufweisen. Dieser Kreisquerschnitt kann kleiner oder gleich einem Kreisquerschnitt der Probe sein. Die Zirkulationsleitung kann ein Rohr aufweisen, welches an einer Seite in die Prüfkammer hinein verläuft und an einer anderen Seite wieder aus der Prüfkammer hinaus verläuft. Dieses Rohr kann aber auch aus mehreren Rohren bestehen, wobei sich eines zur Prüfkammer hin erstrecken kann und ein anderes von der Prüfkammer weg, ebenso bei weiteren Komponenten zwei verschiedene Rohre an diese anschließen können. Das Trägergas kann eine Atmosphäre bilden, in welcher dann das Testgas detektiert werden kann und auf die Permeabilität des Materials der Probe rückgeschlossen werden kann. Die Gassensoreinrichtung kann von dem Gasstrom der Zirkulationsleitung durchlaufen oder durchströmt werden.
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Somit kann die Erfindung einen Prüfaufbau darstellen, um mit einem Zwei-Kammeraufbau die Gasdurchlässigkeitsrate (Permeationsrate) von Kunststoffprüfplatten gegenüber dem Testgas, etwa Wasserstoff, zu bestimmen.
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Es kann vorteilhaft im Gegensatz zu den sonst üblichen Verfahren durch die erfindungsgemäße Messaparatur eine Prüfung dickerer Materialproben erfolgen als bisher üblich oder möglich. Dabei kann beispielsweise das Prüfen einer solchen Prüfplatte erfolgen, welche eine Dicke (Stärke) von beispielsweise 4 mm, oder generell im mm-Bereich, aufweisen kann, was um einiges dicker ist, als bei bisher gängigen Prüfverfahren, welche typischerweise Stärken im µm-Bereich messen. Die genutzte Sensoreinrichtung kann auf das Detektieren des genutzten Testgases ausgelegt sein, vorteilhaft für die Messung von Wasserstoff.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Messvorrichtung umfasst diese eine Zirkulationspumpe, welche mit der Zirkulationsleitung verbunden ist und dazu eingerichtet ist, einen vorbestimmten Volumensfluss des Trägergases durch die Zirkulationsleitung und durch die Prüfkammer zu erzeugen.
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Es kann somit ein permanenter Gasstrom des Trägergases an die Sensoreinrichtung geleitet werden, in welchem dann nach dem Testgas gesucht werden kann und diese Daten dann über eine bestimmte Zeitspanne betrachtet und ausgewertet werden können, wodurch auf eine Permeabilität des Materials der Probe rückgeschlossen werden kann. Es kann durch den permanenten Volumensfluss daher dieser möglichst gering gehalten werden und das Volumen der Prüfkammer ebenso gering gehalten werden, damit das Testgas besser erkannt werden kann. Somit kann eine Verringerung des nötigen Testvolumens in der Prüfkammer, an der Sensoreinrichtung und in der Zirkulationsleitung erreicht werden, was Kosten und Bauraum sparen kann und die Energie für eine Zitkulationspumpe verringern kann, da weniger Volumen gepumpt werden muss. Mit dem verkleinerten Testvolumen können auch geringere Konzentrationen an Testgas detektiert werden, und somit die Messung über eine längere Zeitspanne laufen als bisher für dünne Platten üblich und auf diese Weise dickere Proben als bisher üblich getestet werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Messvorrichtung umfasst diese eine Steuereinrichtung, welche mit der Gassensoreinrichtung verbunden ist und dazu eingerichtet ist, über die vorbestimmte Zeitspanne eine von der Gassensoreinrichtung erkannte Menge an Testgas im Trägergas zu berücksichtigen und auf eine Permeabilität der Probe rückzuschließen.
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Die Steuereinrichtung kann den Betrieb der Gassensoreinrichtung und auch anderer Komponenten steuern, etwa eine Pumpe für die Zirkulationsleitung betreiben, und die gemessenen Daten von der Gassensoreinrichtung auswerten. Die Steuereinrichtung kann mit einem weiteren Computer und/oder Datenaustauschplattform verbunden sein.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Messvorrichtung weisen die Prüfkammer und das Gasreservoir eine Zylinderform auf, zwischen welche die Probe in einer Scheibenform einpassbar ist.
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Durch die Zylinderform kann eine Verbindung der Prüfkammer und des Gasreservoirs mit der Probe dazwischen einfach realisiert werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Messvorrichtung umfasst die Prüfkammer eine Einfassung, in welcher die Probe einfassbar ist und durch welche die Prüfkammer mit dem Gasreservoir dicht verbindbar ist.
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Das dichte Verbinden kann sich dabei gegenüber einem Außenbereich der Prüfkammer und des Gasreservoirs beziehen, das Testgas also größtenteils nur zwischen dem Gasreservoir und der Prüfkammer durch die Probe hindurchtreten.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Messvorrichtung umfasst die Gassensoreinrichtung einen gasselektiven Sensor, welcher dazu eingerichtet ist, zwischen dem Trägergas und dem Testgas zu selektieren.
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Die Gassensoreinrichtung kann somit genau unterscheiden, ob das den Sensor durchlaufende Gas das Testgas oder das Trägergas ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Messvorrichtung ist die Zirkulationsleitung dazu eingerichtet, einen Volumensstrom des Trägergases an eine Messcharakteristik der Gassensoreinrichtung und/oder an die Permeabilität der Probe anzupassen.
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Der Volumensstrom kann daran angepasst werden, wie schnell die Gassensoreinrichtung dabei noch das Testgas im Volumensstrom erkennen kann.
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Erfindungsgemäß erfolgt bei dem Verfahren zum Betreiben einer Messvorrichtung zum Ermitteln einer Gaspermeabilität durch eine Probe ein Bereitstellen einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung; ein Bereitstellen einer Probe und Fixieren der Probe zwischen dem Gasreservoir und der ersten Öffnung, dabei die erste Öffnung abdeckend; ein Betreiben der Zirkulationsleitung, wobei ein vorbestimmter Volumensfluss des Trägergases durch die Zirkulationsleitung und durch die Prüfkammer geleitet wird; ein Ermitteln einer Menge des Testgases im Trägergas durch die Gassensoreinrichtung über eine vorbestimmte Zeitspanne; und ein Bestimmen der Gaspermeabilität für das Testgas durch die Probe aus der ermittelten Menge des Testgases im Trägergas.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird der vorbestimmte Volumensfluss des Trägergases durch die Prüfkammer konstant gehalten.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird ein Kunststoffkörper mit einer Dicke bis 5 mm als Probe verwendet.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens erzeugt eine Zirkulationspumpe einen vorbestimmten Volumensfluss des Trägergases durch die Zirkulationsleitung.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens passt die Zirkulationsleitung einen Volumensstrom des Trägergases an eine Messcharakteristik der Gassensoreinrichtung und/oder an die Permeabilität der Probe an.
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Durch die Messvorrichtung und das Messverfahren kann eine spezielle Prüftechnik realisiert sein, mit welcher auch Messungen von dichten Materialproben möglich sind, beispielsweise von Thermoplasten und Duroplasten, welche auf Grund von geringen Gaskonzentration bzw. geringen Druckänderung mit den bisherigen Verfahren nur schwer bestimmt werden konnten. Die Erfindung kann für eine Bestimmung der Gasdurchlässigkeit von Kunststoffen gegenüber Gasen, etwa jedem gasförmigen Stoff, eingesetzt werden. Dabei können beispielsweise die ASTM-Normen D3985-17, D1434-82, F1770-97, F372-99, D2684, D2684M-15, D6701-16, DIN 53380 und ISO 15105 oder auch andere Normen angewandt werden.
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Die Messvorrichtung kann sich auch durch die in Verbindung mit dem Verfahren genannten Merkmale und dessen Vorteile auszeichnen und umgekehrt.
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Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.
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Figurenliste
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnung angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer Prüfkammer und eines Gasreservoirs für eine Messvorrichtung zum Ermitteln einer Gaspermeabilität einer Probe gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
- 2 eine schematische Darstellung einer Messvorrichtung zum Ermitteln einer Gaspermeabilität einer Probe gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
- 3 eine Blockdarstellung von Verfahrensschritten des Verfahrens zum Betreiben einer Messvorrichtung zum Ermitteln einer Gaspermeabilität durch eine Probe gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Prüfkammer und eines Gasreservoirs für eine Messvorrichtung zum Ermitteln einer Gaspermeabilität einer Probe gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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Die Messvorrichtung zum Ermitteln einer Gaspermeabilität einer Probe P, umfasst eine Prüfkammer 2 und ein Gasreservoir 1.
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Eine Zirkulationsleitung kann dann an die Prüfkammer und an Öffnungen in dieser angeschlossen sein.
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Die Prüfkammer 2 und das Gasreservoir 1 können eine Zylinderform aufweisen, zwischen welche die Probe P in einer Scheibenform einpassbar ist.
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Die Prüfkammer 2 kann eine Einfassung umfassen, in welcher die Probe P einfassbar ist und durch welche die Prüfkammer mit dem Gasreservoir 1 dicht verbindbar ist. Dabei kann ein Einsatz ES für Stützbleche vorhanden sein und mit der Prüfkammer 2 verbunden werden, in welche ein Stützblech BL eingesetzt werden kann. Das Stützblech BL kann zum Einsetzen von Elastomerproben dienen, oder auch anderer Materialien, um die Probe P somit besser zwischen der Prüfkammer und dem Gasreservoir zu fixieren. Es können Befestigungen BL-B für das Stützblech vorhanden sein, mit welchen das Stützblech BL an der Prüfkammer und/oder an der Probe P befestigt sein kann. Der Aufbau kann weiterhin einen O-Ring OR aufweisen, mit welchem die Probe P gegenüber einem Außenbereich oder einem Außengehäuse abdichtbar sein kann und dicht in den Zwei-Kammer Aufbau eingefasst werden kann. Des Weiteren kann ein oder mehrere Zentrierstifte ZS vorhanden sein, etwa an dem Gasreservoir oder an anderen Komponenten, wobei sich die Zentrierstifte ZS in Richtung zum Einsatz ES für Stützbleche erstrecken können, und in dortige Löcher eingepasst werden können, um den Zentrierstift mit dem Einsatz zu fixieren.
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2 zeigt eine schematische Darstellung einer Messvorrichtung zum Ermitteln einer Gaspermeabilität einer Probe gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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Die Messvorrichtung 10 zum Ermitteln einer Gaspermeabilität einer Probe P, umfasst eine Prüfkammer 2, mit einer ersten Öffnung 3, wobei die erste Öffnung mit der Probe P abdeckbar ist; ein Gasreservoir 1 mit einem Testgas TG, wobei das Gasreservoir 1 dazu eingerichtet ist, mit der Prüfkammer 2 verbunden zu werden, derart dass sich die Probe P zwischen dem Gasreservoir 1 und der ersten Öffnung 3 befindet, wobei dann das Testgas TG an der Probe P anliegt; eine Zirkulationsleitung ZL, welche durch die Prüfkammer 2 hindurchläuft und in welcher sich ein Trägergas G befindet; eine Gassensoreinrichtung 4, welche mit der Zirkulationsleitung ZL verbunden ist und dazu eingerichtet ist, eine Menge des Testgases TG im Trägergas G zu detektieren und über eine vorbestimmte Zeitspanne zu messen. Eine Zirkulationspumpe ZP kann vorhanden sein, welche mit der Zirkulationsleitung ZL verbunden sein kann und dazu eingerichtet sein kann, einen vorbestimmten Volumensfluss des Trägergases G durch die Zirkulationsleitung und durch die Prüfkammer 2 zu erzeugen.
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Die Zirkulationspumpe kann eine in die Zirkulationsleitung integrierte Pumpe sein. Ein gasselektiver Sensor mit einer entsprechenden Empfindlichkeit, etwa ein Feststoffelektrolyt basierter H2-Sensor, kann in einer Durchflusszelle in die Zirkulationsleitung integriert sein. Dadurch kann mit sehr geringem Kammervolumina gearbeitet werden, was zu einer Konzentration des Testgases führen kann. Bei entsprechend geringem Kammervolumen ist eine zusätzliche Umwälzung (durch z.B. Lüfter, etc.) innerhalb der Messkammer (Prüfkammer) nicht nötig. Alle Teile der Messaparatur können ein Material umfassen, welches selbst keine signifikante Wasserstoffpermeation zeigt. Dies sind zum einen austenitische Stähle mit einem Nickelgehalt > 25 % wie z.B. 1.4435 oder PEEK.
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3 zeigt eine Blockdarstellung von Verfahrensschritten des Verfahrens zum Betreiben einer Messvorrichtung zum Ermitteln einer Gaspermeabilität durch eine Probe gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung
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Bei dem Verfahren zum Betreiben einer Messvorrichtung zum Ermitteln einer Gaspermeabilität durch eine Probe erfolgt ein Bereitstellen S1 einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung; ein Bereitstellen S2 einer Probe und Fixieren der Probe zwischen dem Gasreservoir und der ersten Öffnung, dabei die erste Öffnung abdeckend; ein Betreiben S3 der Zirkulationsleitung, wobei ein vorbestimmter Volumensfluss des Trägergases durch die Zirkulationsleitung und durch die Prüfkammer geleitet wird; ein Ermitteln S4 einer Menge des Testgases im Trägergas durch die Gassensoreinrichtung über eine vorbestimmte Zeitspanne; und ein Bestimmen S5 der Gaspermeabilität für das Testgas durch die Probe aus der ermittelten Menge des Testgases im Trägergas.
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Obwohl die vorliegende Erfindung anhand des bevorzugten Ausführungsbeispiels vorstehend vollständig beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 112006003013 B4 [0004]
