DE10213329A1 - Feuchtesensor für coulometrische Messungen - Google Patents
Feuchtesensor für coulometrische MessungenInfo
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Abstract
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Feuchtesensor anzugeben, der eine hochgenaue Feuchtemessung ermöglicht und eine schnelle, präzise und anwenderfreundliche Regenerierung des Sensorsystems erlaubt. DOLLAR A Erfindungsgemäß gelingt die Lösung der Aufgabe dadurch, dass in Reihe zu einem Messgasvolumenstrom elektrolytische Zellenarrays angeordnet sind, die mit einer anemometrisch geregelten Miniaturgaspumpe sowie einem Temperierelement zur Regelung des Sensors auf ein konstantes Temperaturniveau verbunden sind und dessen Aufbau planar ausgeführt ist. DOLLAR A Die Erfindung betrifft einen Feuchtesensor für coulometrische Gasfeuchtemessungen, bei dem ein Messgasvolumenstrom an einer elektrolytischen Substanz vorbei strömt.
Description
Die Erfindung betrifft einen Feuchtesensor für coulometrische Gasfeuchtemes
sungen, bei dem ein Messgasvolumenstrom an einer elektrolytischen Substanz
vorbei strömt.
Bei einer konventionellen Elektrolysezelle sind auf ein Glasrohr gewickelt
zwei elektrisch isolierte Platindrähte aufgebracht und eingeschmolzen, die als
Elektroden dienen. Diese Anordnung wird mit einer P2O5-Lösung benetzt, die
ein stark hygroskopisches Verhalten aufweist, und danach getrocknet. Die
Messzelle wird in einem Schutzrohr betrieben, welches vom Messgas durch
spült wird. Ist dieses Gas wasserhaltig, so bildet sich an der Sensoroberfläche
Metaphosphorsäure, die folgende chemische Reaktion ermöglicht:
H2O + P2O5 è P2O5 + H2 + O2.
H2O + P2O5 è P2O5 + H2 + O2.
Der auf der rechten Gleichungsseite beschriebene Vorgang bewirkt einen
elektrischem Ladungstransport zwischen den Elektroden. Im
Gleichgewichtszustand wird das gesamte Wasser elektrolytisch umgewandelt,
es bildet sich ein konstanter elektrischer Zellstrom. Der Betrag des resultieren
den Stromes steht nach dem Faradayschen Wirkprinzip im direkt proportiona
len Zusammenhang zur Wassermenge. Dabei generiert ein Volumenstrom
Messgas mit einem Feuchtigkeitsgehalt von 1 ppm bei Umgebungsdruck und
Raumtemperatur einen Zellenstrom I.
Diese konventionellen Messzellen sind vergleichsweise groß und müssen im
Bypass zu einer Messgaspipeline betrieben werden. Nach meist geringfügiger
Betriebsdauer der Zellen, die je nach Prozess einige Stunden beträgt, müssen
sie vom Anwender aufwendig gereinigt und wieder mit P2O5-Lösung
beschichtet werden. Die Temperatur- und Druckschwankungen des Messgases
wirken als Störgröße auf die Messzelle und führen zu Messfehlern. In
gebräuchlichen Anwendungen wird nur ein Teil der gesamten im Messgas
enthaltenen Feuchtigkeit durch die Zelle umgesetzt.
Der Vorgang der Regenerierung konventioneller Messzellen ist anwenderun
freundlich. Das Verfahren selbst kann nur unter Laborbedingungen durchge
führt werden. So muss beispielsweise zur Reinigung die Zelle zunächst
demontiert mit destilliertem Wasser gespült werden. Danach werden gröbere
Verunreinigungen mit Aceton und Königswasser entfernt und die Zelle erneut
gespült. Zur Beschichtung werden chemisch reine Phosphorsäure und
chemisch reines Aceton miteinander gemischt und in eine Spritze gefüllt. Der
Zellenkörper wird mit dieser Lösung benetzt und in einem trockenen inerten
Gasstrom getrocknet, eventuell in einem Vakuum-Exsikkator. Danach kann die
Zelle für einige Stunden in Betrieb genommen werden, bis am Gerätedisplay
wieder ein statisches Messergebnis angezeigt wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde einen Feuchtesensor der eingangsge
nannten Art anzugeben, der eine hochgenaue Feuchtemessung ermöglicht und
eine schnelle, präzise und anwenderfreundliche Regenerierung des Sensorsy
stems erlaubt.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einer Anordnung gelöst, welche die in
Anspruch 1 angegebenen Merkmale enthält.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Der erfindungsgemäße Feuchtesensor weist eine Reihe von Vorteilen auf.
Der erfindungsgemäße Aufbau des planaren Sensorsystems ermöglicht eine
anwenderfreundliche Reinigung und Beschichtung (Regenerierung) des
Sensors. Als Elektrolyt wird ein mit Phosphorsäure getränktes Plättchen aus
Papier oder Keramik eingesetzt, welches als Ersatzteil des Messsystems gelie
fert wird. Zur Regenerierung des Sensors werden das Oberteil abgenommen
und die nun frei zugänglichen Kanäle gespült und getrocknet. Das Elektrolyt
plättchen wird einfach durch ein neues ersetzt und der Sensor wieder montiert.
Dieses Verfahren kann vor Ort durchgeführt werden und das Messsystem ist
innerhalb kurzer Zeit wieder einsetzbar. Verschiedene Elektrolyte können
ausgetauscht und so eine Messbereichserweiterung durchgeführt werden.
Vorteilhaft ist die Möglichkeit der Erweiterung des Messbereichs sowie die
konstruktive Sondenauslegung für vielfältige Anwendungen. Möglich ist eine
Online-Prozessgasfeuchtemessung verschiedener Fluide und Messung der
Umgebungsfeuchte sowie die vollständige elektrolytische Umsetzung des im
Messgas enthaltenen Wassers, mit Detektorkontrollsystem, um systematische
Messfehler zu vermeiden.
Die Messsonde für In-Situ-Messungen in Gaspipelines geeignet.
Weiterhin ist die Unempfindlichkeit des Messsystems gegenüber Druck- und
Temperaturschwankungen des Messgases vorteilhaft.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispieles näher
erläutert.
In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische Darstellung der Gesamtanordnung,
Fig. 2 eine perspektivische Darstellung der Gaskanalanordnung mit
Elektroden
und
Fig. 3 eine seitliche Ansicht der Fluideinströmöffnung mit
Elektroden und Elektrolytplättchen.
Der in Fig. 1 dargestellte planare Elektrolysesensor ist aus mehreren in Reihe
zum Messgasvolumenstrom geschalteten elektrolytischen Detektorarrays 5
zusammengesetzt und verfügt über eine anemometrisch geregelte Miniatur
gaspumpe 2, welche einen konstanten Gasdurchsatz im Sensorelement gewähr
leistet. Ein zusätzlich vorhandenes, hier nicht dargestelltes, Temperierelement
thermostatiert den Sensor auf konstantem Temperaturniveau.
Fig. 2 erläutert den Aufbau des Sensorträgers 4. Im Sensorträger 4 ist ein
Messgaskanal 6 angeordnet. Die Kanalseitenflächen sind mit dem Elektroden
material, vorzugsweise Platin, beschichtet. Die Kontaktierungen der dabei
entstehenden separierten Arrays sind nach außen geführt. Das Sensorelement
besteht aus zwei in Sandwich-Struktur gegenüberliegenden identischen Sensor
trägern 4 und einem dazwischenliegenden, mit der elektrolytischen Substanz
getränktem, Plättchen 7. Dieses Plättchen 7 wird aus Papier oder keramischer
Folie herstellt und in einer Lösung mit dem jeweiligen Elektrolyten getränkt.
Es ist flexibel und wird durch die beiden Sensorträger 4 gepresst. Dabei
fungiert es als Isolierung der Elektroden 3 untereinander und als Dichtung
innerhalb des Kanalmäandersystems. Je nach Messanordnung findet die
elektrolytische Reaktion zwischen denen in gleicher horizontaler Ebene
angeordneten Elektroden 3 parallel zum Elektrolyten oder senkrecht durch den
Elektrolyten hindurch statt.
Die gesamte Anordnung in der Messsonde ist gegenüber der Umgebung
gasdicht ausgeführt. Sie ist zum Zwecke der Reinigung und Wartung zerlegbar
und die Einzelteile werden in einer geeigneten Weise aufeinander gefügt. Die
Konfektionierung zur Messsonde erfolgt in der Weise, dass das miniaturisierte
planare Sensorsystem in eine Druckkontur eingebaut wird und der Gasstrom
innerhalb der Druckkontur, im Bypass zum Hauptgasstrom gerichtet, gepumpt
wird. Da alle zum kontinuierlichen Messbetrieb erforderlichen Komponenten
im Sensorsystem integriert bzw. an das Sensorelement adaptiert sind, ist der
In-Situ-Betrieb einer solchen Messsonde möglich. Komplettiert wird diese
Messsonde mit einem Mikrorechner zur Messwerterfassung und -auswertung
zum Messgerät.
Fig. 3 zeigt die Anordnung der Elektroden 3 und des Plättchens 7, das den
implementierten Elektrolyten trägt.
1
Feuchtesensorgesamtanordnung
2
Fluidpumpe
3
Elektrode
4
Sensorträger
5
Detektorarray
6
Messgaskanal
7
Plättchen mit Elektrolyt
Claims (8)
1. Feuchtesensor für coulometrische Gasfeuchtemessungen, bei dem ein
Messgasvolumenstrom an einer elektrolytischen Substanz vorbei strömt,
dadurch gekennzeichnet, dass in Reihe zu einem Messgasvolumenstrom
elektrolytische Zellenarrays angeordnet sind, die mit einer anemometrisch
geregelten Miniaturgaspumpe, sowie einem Temperierelement zur Regelung
des Sensors auf ein konstantes Temperaturniveau verbunden sind und dessen
Aufbau planar ausgeführt ist.
2. Feuchtesensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektro
lytischen Zellenarrays in zwei in Sandwich-Struktur gegenüberliegenden
identischen Sensorträgern (4) angeordnet sind, zwischen denen ein mit der
elektrolytischen Substanz getränktes Plättchen (7) angeordnet ist.
3. Feuchtesensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die
elektrolytischen Detektorarrays in einen Träger eingebracht sind und durch eine
Deckplatte verschlossen ist, welche die Elektroden (3) trägt.
4. Feuchtesensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass in den Sensorträgern (4) je ein Messgaskanal (6)
angeordnet ist, in dem sich eine Interdigitalstruktur befindet.
5. Feuchtesensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Seiten des Messgaskanals (6) mit Platin beschichtet
sind und die Kontaktierungen der dabei entstehenden separaten Arrays nach
außen geführt sind.
6. Feuchtesensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Gesamtanordnung gegenüber der Umgebung
gasdicht ausgeführt ist.
7. Feuchtesensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass das elektrolytische Plättchen (7) austauschbar ist.
8. Feuchtesensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass der Elektrolyt im Grund des Messgaskanals (6) angeord
net ist.
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Effective date: 20131220 |
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