DE10330704B3

DE10330704B3 - Elektrochemischer Gassensor mit Filter

Info

Publication number: DE10330704B3
Application number: DE2003130704
Authority: DE
Inventors: Andreas Nauber; Ingo Pooch
Original assignee: Draeger Safety AG and Co KGaA
Current assignee: Draeger Safety AG and Co KGaA
Priority date: 2003-07-08
Filing date: 2003-07-08
Publication date: 2004-12-23
Anticipated expiration: 2023-07-09

Abstract

Ein elektrochemischer Gassensor ist so aufgebaut, dass mittels der Messsignalauswertung erkannt werden kann, ob ein Filterdurchbruch durch ein Störgas erfolgt und/oder ein Filterwechsel angeraten ist. DOLLAR A Der elektrochemische Gassensor hat folgenden Aufbau: DOLLAR A a) In einem mit einem Elektrolyten (8) beaufschlagbaren Gehäuse (3) befinden sich DOLLAR A b) zwei identische Messelektroden (4, 5) für ein Messgas und DOLLAR A c) eine Gegenelektrode (7), wobei DOLLAR A d) das Gehäuse (3) jeweils im Bereich jeder Messelektrode (4, 5) eine mit einer gaspermeablen Membran (2, 22) abgedichtete Öffnung aufweist und DOLLAR A e) im Beeich der ersten Messeleketrode (4) der gaspermeablen Membran (22) in Gasströmungsrichtung ein für das Messgas durchlässiges Filter (1) vorgeschaltet ist, welches ein Störgas zurückhält.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrochemischen Gassensor gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren zum Betreiben eines elektrochemischen Gassensors gemäß Anspruch 8.

Elektrochemische Gassensoren können aufgrund ihrer sogenannten Querempfindlichkeit gegenüber Störgasen, welche neben dem eigentlich zu messenden Gas, dem Messgas, auftreten können, fälschlichennreise überhöhte Konzentrationen des Messgases ermitteln. Zur Vermeidung derartiger Falschmessungen werden den elektrochemischen Gassensoren in der Regel austauschbare, chemisch/physikalisch selektiv wirkende Filter vorgeschaltet, so dass das eigentliche Messgas das Filter passiert und nur das oder die Störgase retiniert werden. Derartige Filter werden beispielsweise in der DE 195 17 144 C1 beschrieben. Das oder die Störgase werden im vorgeschalteten Filter im Allgemeinen entweder physikalisch-adsorptiv gebunden oder chemisch umgesetzt, so dass sich ein derartiges Filter verbraucht, mit einer Standzeit von je nach Einsatzbedingungen einigen ppm·h (Parts per million·Stunden) bis zu mehreren tausend ppm·h.

Aus der DE 38 22 024 A1 geht eine elektrochemische Gassensoranordnung mit einer zusätzlichen Messelektrode und mit einem einer der Elektroden vorgeschalteten Filter hervor, wobei eine der beiden Elektroden nur das Störgas erfasst. In der DE 41 36 779 A1 wird ein Multielektroden-Sensor beschrieben zum simultanen Nachweis verschiedener Gaskomponenten. Jeder Messelektrode kann ein für das Messgas selektives Filter vorgeschaltet sein.

Elektrochemische Gassensoren mit Filtern weisen in der praktischen Anwendung den Nachteil auf, dass die Aktivität des Filters nur durch eine kontrollierte Beaufschlagung mit dem Störgas geprüft werden kann und dass die Standzeit des Filters und somit des elektrochemischen Gassensors je nach Konzentration des Störgases unterschiedlich lang ist, so dass bei einer höher als angenommenen Konzentration des Störgases ein schnellerer Durchbruch des Filters erfolgt, verbunden mit Fehlmessungen des elektrochemischen Gassensors in Bezug auf die tatsächliche Konzentration des Messgases.

Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines elektrochemischen Gassensors mit Filter und eines zugehörigen Verfahrens, die es ermöglichen, unterschiedliche Betriebszustände des Gassensors mit Filter zu erkennen und speziell einen Filterdurchbruch festzustellen.

Die Lösung der Aufgabe für einen elektrochemischen Gassensor mit Filter erhält man mit den Merkmalen von Anspruch 1, für das zugehörige Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 8.

Ein wesentlicher Vorteil des Gassensors nach Anspruch 1 und des Verfahrens nach Anspruch 8 ist die Möglichkeit der Erkennung des Betriebszustandes des Gassensors mit Filter aus den erhaltenen Messsignalen und ohne dass das Filter direkt analysiert werden muss.

Die Unteransprüche geben bevorzugte Ausbildungen des elektrochemischen Gassensors nach Anspruch 1 an.

Im Folgenden wird mit Hilfe der einzigen Figur ein Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert.
Die Figur stellt schematisch einen Schnitt durch einen elektrochemischen Gassensor dar, welcher ein chemisches Filter 1 und eine gaspermeable Membran 2, 22 aufweist, welche in einem Gehäuse 3 aus einem Kunststoff oder speziell aus PTFE (Polytetrafluorethylen) angeordnet sind.
Der elektrochemische Gassensor weist zwei identische Messelektroden 4, 5 auf, die so ausgebildet sind, dass die erste Messelektrode 4 über die gaspermeable Membran 22 bzw. über den Teilabschnitt 22 der gaspermeablen Membran 2, 22 und das vorgeschaltete Filter 1 dem zu messenden Gasgemisch ausgesetzt ist, während die zweite Messelektrode 5 über die gaspermeable Membran 2 bzw. über den Teilabschnitt 2 der gaspermeablen Membran 2, 22 direkt dem zu messenden Gasgemisch ausgesetzt ist. Das Material der gaspermeablen Membran 2, 22 ist vorzugsweise PTFE.
Der weitere Aufbau des Gassensors weist in üblicher Weise eine Gegenelektrode 7 und vorzugsweise eine Bezugselektrode 6 auf sowie einen Elektrolyten 8, der die Elektroden 4, 5, 6, 7 benetzt und die für die gasspezifischen Nachweisreaktionen notwendigen elektrochemischen Prozesse ermöglicht.
Die Elektroden 4, 5, 6, 7 sind mittels der elektrischen Verbindungen 9, 10, 11, 12 mit der Rechen- und Auswerteeinheit 13 verbunden, welche als Messergebnis die Konzentration des Messgases ausgibt.
Die Wirkungsweise des Gassensors ist folgendermaßen:
Die Messelektroden 4, 5 weisen die gleichen Eigenschaften in Bezug auf Selektivität, Empfindlichkeit, Alterung und Temperaturverhalten auf. Wird der Gassensor nur dem Messgas ausgesetzt, so zeigen beide Messelektroden 4, 5 das gleiche Messsignal.
Wird der Gassensor hingegen nur einem Störgas ausgesetzt, so zeigt lediglich die zweite Messelektrode 5 ein Messsignal.
Gelangt ein Gasgemisch aus Messgas und Störgas an den Gassensor, so zeigen beide Messelektroden 4, 5 unterschiedliche Messsignale, wobei die Differenz der Signale ein Maß für die Filterbelastung ist: Eine abnehmende Signaldifferenz während einer Messung mit gleichzeitig unverändertem Messsignal an der zweiten Messelektrode 5 ist ein Hinweis für einen Durchbruch des Filters 1. In beiden Fällen des Vorhandenseins sowohl eines Störgases ohne Messgas als auch eines Gasgemisches aus Messgas und Störgas wird im Falle einer Erschöpfung beziehungsweise eines Durchbruchs des Filters 1 das Messsignal der ersten Messelektrode 4 größer werden und somit die Differenz zwischen den Messsignalen der beiden Elektroden 4, 5 abnehmen.
Die Messung läuft wie folgt ab:
Nach Überschreiten eines Null- oder Schwellwertes für das Messsignal des Gassensors werden die Differenzen der Messsignale der beiden Messelektroden 4, 5 aufintegriert. Wird ein vorgegebener, in der Rechen- und Auswerteeinheit 13 gespeicherter, z.B. empirisch ermittelter Grenzwert für die Summe der Differenzen der Messsignale überschritten, erfolgt die Aufforderung zum Filterwechsel, bevor ein Filterdurchbruch stattgefunden hat.
In einer Anwendung eines wie vorstehend beschrieben aufgebauten Gassensors für die Konzentrationsmessung des Messgases CO in Anwesenheit von H₂S, welches bei der CO-Messung ein Störgas ist, ergeben sich folgende Praxiswerte: Das Filter 1 ist ein chemisches Reaktionsfilter, um H₂S selektiv chemisch zu binden und es hat eine Standzeit von mehr als 5000 ppm·h bei einer Begasung mit einer Konzentration von 20 ppm H₂S, Die Empfindlichkeit der verwendeten Messelektroden 4, 5 auf CO beträgt 0,1 μA/ppm. Das Messsignal der Messelektroden an Umgebungsluft beträgt etwa 0,1 bis 0,2 μA entsprechend 1 bis 2 ppm. Der festgelegte Null- oder Schwellwert für das Messignal des Gassensors beträgt daher 0,2 μA, so dass erst beginnend ab diesem Wert die Differenzen der Messsignale der beiden Messelektroden 4, 5 aufintegriert werden.
Alternativ werden die Messsignale der zweiten Messelektrode 5 aufintegriert, sofern sie sich von denen der ersten Messelektrode 4 unterscheiden.

Claims

Elektrochemischer Gassensor mit folgenden Merkmalen: a) In einem mit einem Elektrolyten (8) beaufschlagten Gehäuse (3) befinden sich b) zwei identische Messelektroden (4, 5) für ein Messgas und c) eine Gegenelektrode (7), wobei d) das Gehäuse (3) jeweils im Bereich jeder Messelektrode (4, 5) eine mit einer gaspermeablen Membran (2, 22) abgedichtete Öffnung aufweist und e) im Bereich der ersten Messelektrode (4) der gaspermeablen Membran (22) in Gasströmungsrichtung ein für das Messgas durchlässiges Filter (1) vorgeschaltet ist, welches ein Störgas zurückhält, wobei f) die Differenz der Messsignale von erster und zweiter Messelektrode (4, 5) ermittelt wird, sobald ein Null- oder Schwellwert überschritten wird, g) die Differenz der Messsignale zeitabhängig aufsummiert wird, so dass g1) bei abnehmender Differenz der Messsignale und bei gleichbleibendem Messsignal der zweiten Messelektrode (5) eine Anzeige und/oder ein Alarm für einen Durchbruch des Filters (1) erzeugt wird und/oder g2) bei Überschreitung eines vorgegebenen Grenzwertes durch die Summe der Differenz der Messsignale eine Anzeige und/oder ein Alarm erfolgt für einen Wechsel des Filters (1).
Elektrochemischer Gassensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Messelektroden (4, 5) und der Gegenelektrode (7) eine Bezugselektrode (6) angeordnet ist.
Elektrochemischer Gassensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Filter (1) mit einer Chemikalie gefüllt ist, die mittels einer spezifischen chemischen Reaktion ein Störgas bindet.
Elektrochemischer Gassensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Filter (1) mit einem Adsorbens gefüllt ist, insbesondere mit einer Aktivkohle oder mit einem Molekularsieb, so dass ein Störgas adsorptiv gebunden wird.
Elektrochemischer Gassensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (4, 5, 6, 7) mittels elektrischer Verbindungen (9, 10, 11, 12) mit einer Rechen- und Auswerteeinheit (13) verbunden sind.
Elektrochemischer Gassensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Messgas CO und das Störgas H₂S ist.
Elektrochemischer Gassensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (3) und die Membran (2, 22) aus PTFE (Polytetrafluoreythlen) bestehen.
Verfahren zum Betreiben eines elektrochemischen Gassensors mit folgenden Merkmalen: a) In einem mit einem Elektrolyten (8) beaufschlagten Gehäuse (3) befinden sich b) zwei identische Messelektroden (4, 5) für ein Messgas und c) eine Gegenelektrode (7), wobei d) das Gehäuse (3) jeweils im Bereich jeder Messelektrode (4, 5) eine mit einer gaspermeablen Membran (2, 22) abgedichtete Öffnung aufweist und e) im Bereich der ersten Messelektrode (4) der gaspermeablen Membran (22) in Gasströmungsrichtung ein für das Messgas durchlässiges Filter (1) vorgeschaltet ist, welches ein Störgas zurückhält, wobei f) die Differenz der Messsignale von erster und zweiter Messelektrode (4, 5) ermittelt wird, sobald ein Null- oder Schwellwert überschritten wird, g) die Differenz der Messsignale zeitabhängig aufsummiert wird, so dass g1) bei abnehmender Differenz der Messsignale und bei gleichbleibendem Messsignal der zweiten Messelektrode (5) eine Anzeige und/oder ein Alarm für einen Durchbruch des Filters (1) erzeugt wird und/oder. g2) bei Überschreitung eines vorgegebenen Grenzwertes durch die Summe der Differenz der Messsignale eine Anzeige und/oder ein Alarm erfolgt für einen Wechsel des Filters (1).