DE10213329B4

DE10213329B4 - Feuchtesensor für coulometrische Messungen

Info

Publication number: DE10213329B4
Application number: DE10213329A
Authority: DE
Inventors: Patentinhaber gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-03-26
Filing date: 2002-03-25
Publication date: 2013-09-19
Anticipated expiration: 2022-03-26
Also published as: DE10213329A1

Abstract

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.

Description

Die Erfindung betrifft einen Feuchtesensor für coulometrische Gasfeuchtemessungen, 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 durchspült wird. Ist dieses Gas wasserhaltig, so bildet sich an der Sensoroberfläche Metaphosphorsäure, die folgende chemische Reaktion ermöglicht: H₂O + P₂O₅ è P₂O₅ + H₂ + O₂.
Der auf der rechten Gleichungsseite beschriebene Vorgang bewirkt einen elektrischen Ladungstransport zwischen den Elektroden. Im Gleichgewichtszustand wird das gesamte Wasser elektrolytisch umgewandelt, es bildet sich ein konstanter elektrischer Zellstrom. Der Betrag des resultierenden Stromes steht nach dem Faradayschen Wirkprinzip im direkt proportionalen 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 anwenderunfreundlich. Das Verfahren selbst kann nur unter Laborbedingungen durchgeführt 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.
Aus der GB 1 522 872 ist eine elektrochemische Zelle mit in Reihe geschalteten Elektrodenarrays mit rotierenden Elektroden offenbart. Dabei strömt ein Analyt an den Elektroden entlang, wobei eine Pumpe einsetzbar ist und eine Strömungsgeschwindigkeit mit einem Laser Anamometer überprüfbar ist.
Des Weiteren ist in Zimmel, M.; Staudinger, G.; Schotte, E.; Rauh, H.: Simultane Messung der lokalen Sauerstoffkonzentration und Gasgeschwindigkeit in Feuerungsanlagen, in: Chemie Ingenieur Technik (2001) auf den Seiten 506 bis 509 eine Vorrichtung mit einem elektrochemischen Gassensor zur Sauerstoffmessung mit im Gasstrom angeordneten Hochtemperaturanemometer beschrieben. Dabei misst das Hochtemperaturanemometer die Strömungsgeschwindigkeit.
Ferner offenbart die DE 199 19 722 A1 ein Verfahren zur Feuchtemessung von Gasen mittels Sensoren und Anordnung zur Durchführung des Verfahrens. An die Sensoren wird eine elektrische Versorgungsspannung angelegt und die in Abhängigkeit von der gemessenen Feuchte des sie umströmenden zu bewertenden Gases ein elektrisches Messsignal generieren. Es sind zwei im Wesentlichen identische Messzellen vorgesehen, wobei jeweils abwechselnd eine Messzelle aktuell die Feuchte misst und die zweite Messzelle definiert befeuchtet wird. Nach einer vorgegebenen Zeit wiederholt sich dieser Zyklus.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Feuchtesensor der eingangs genannten Art anzugeben, der eine hochgenaue Feuchtemessung ermöglicht und eine schnelle, präzise und anwenderfreundliche Regenerierung des Sensorsystems 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 geliefert wird. Zur Regenerierung des Sensors werden das Oberteil abgenommen und die nun frei zugänglichen Kanäle gespült und getrocknet. Das Elektrolytplättchen 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 ist 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:
1 eine perspektivische Darstellung der Gesamtanordnung,
2 eine perspektivische Darstellung der Gaskanalanordnung mit Elektroden und
3 eine seitliche Ansicht der Fluideinströmöffnung mit Elektroden und Elektrolytplättchen.
Der in 1 dargestellte planare Elektrolysesensor ist aus mehreren in Reihe zum Messgasvolumenstrom geschalteten elektrolytischen Zellenarrays 5 zusammengesetzt und verfügt über eine anemometrisch geregelte Miniaturgaspumpe 2, welche einen konstanten Gasdurchsatz im Sensorelement gewährleistet. Ein zusätzlich vorhandenes, hier nicht dargestelltes, Temperierelement thermostatiert den Sensor auf konstantem Temperaturniveau.
2 erläutert den Aufbau des Sensorträgers 4. Im Sensorträger 4 ist ein Messgaskanal 6 angeordnet. Die Kanalseitenflächen sind mit dem Elektrodenmaterial, vorzugsweise Platin, beschichtet. Die Kontaktierungen der dabei entstehenden separierten Arrays sind nach außen geführt. Das Sensorelement besteht aus zwei in Sandwich-Struktur gegenüberliegenden identischen Sensorträgern 4 und einem dazwischenliegenden, mit der elektrolytischen Substanz getränkten 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.
3 zeigt die Anordnung der Elektroden 3 und des Plättchens 7, das den implementierten Elektrolyten trägt.
Bezugszeichenliste

1: Feuchtesensorgesamtanordnung
2: Fluidpumpe
3: Elektrode
4: Sensorträger
5: Zellenarray
6: Messgaskanal
7: Plättchen mit Elektrolyt

Claims

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.
Feuchtesensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrolytischen Zellenarrays in zwei in Sandwich-Struktur gegenüberliegenden identischen Sensorträgern (4) angeordnet sind, zwischen denen ein mit der elektrolytischen Substanz getränktes Plättchen (7) angeordnet ist.
Feuchtesensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrolytischen Zellenarrays in einen Sensorträger (4) eingebracht sind, welcher durch eine Deckplatte verschlossen ist und welcher die Elektroden (3) trägt.
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.
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.
Feuchtesensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtanordnung gegenüber der Umgebung gasdicht ausgeführt ist.
Feuchtesensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrolytische Plättchen (7) austauschbar ist.
Feuchtesensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Elektrolyt im Grund des Messgaskanals (6) angeordnet ist.