DE19517144C1 - Filter für elektrochemische Meßzelle - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Filter für eine elektrochemische Meßzelle nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Vorschläge bekannt, elektrochemische Meßzellen so auszustatten, daß für den Nachweis einer bestimmten Gaskomponente in einem Gasgemisch, also z. B. CO im Gemisch mit H₂S, zum einen kontrollierte Diffusionsbedingungen vorgegeben sind und zum anderen die Retention von "störenden" Gaskomponenten, also zum Beispiel H₂S, sichergestellt wird.

Hierfür sind zum einen zur Begrenzung des Zutritts einer nachzuweisenden Gaskomponente zur Meßzelle sogenannte Diffusionsblenden bekannt, welche beispielsweise in der EP 0016423 A1 beschrieben werden und zur Optimierung der elektrochemischen Meßbedingungen beitragen sollen.

Zum anderen werden zwischen dem Gasgemisch und der eigentlichen Meßzelle Filter eingesetzt, um beispielsweise Feuchtigkeit, Staub oder auch insbesondere die Messung störende Gaskomponenten aus dem Gemisch zu retinieren, die sonst das Meßsignal der Meßzelle verfälschen würden. In der DE 27 09 903 C2 wird eine Gasmeßvorrichtung mit einer Diffusionsbarriere mit einer Kapillaren offenbart.

In der DE 34 45 638 C2 wird beschrieben, daß für ein kolorimetrisches Gasdosimeter zur Feuchteabscheidung eine Filterschicht im Gaseinlaß vorgesehen ist.

Die auf dem Markt erhältlichen Filter sind entweder fest mit der Meßzelle verbunden und -nicht austauschbar oder verursachen Störsignale durch Leckströme über den "Bypass" zwischen Filtergehäuse und der eigentlichen Meßzelle. Diese Leckströme sind dadurch bedingt, daß die Filter nicht absolut gasdicht in das Gehäuse der Meßzelle eingepaßt sind und deshalb kaum zu vermeiden ist, daß störende Gaskomponenten aufgrund des vorhandenen Potentialgradienten direkt durch diesen Luftspalt und ohne durch das Filtermaterial zu strömen in die Meßzelle gelangen und dort das Störsignal hervorrufen.

Die EP 0 650 050 A1 zeigt eine elektrochemische Meßzelle mit einem Elektrolytraum, der von einem Gehäusemantel aus porösem, gasdurchlässigen Material in Form von gesintertem Polytetrafluorethylen (PTFE) umgeben ist. Hierdurch wird das Entweichen von im Elektrolyten entstehenden Gasblasen durch den Gehäusemantel hindurch in die Umgebung ermöglicht, während die hydrophobe offenporige Struktur des PTFE gegenüber dem Elektrolyten als Sperre wirkt. Durch den "Bypass" zwischen der Diffusionsbarriere und der Meßzelle auftretende Störsignale werden aber hierdurch nicht verhindert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Filter für elektrochemische Meßzellen vorzuschlagen, der einfach aufgebaut ist und weitgehend sicherstellt, daß störende Gaskomponenten aus einem Gasgemisch nicht in die Meßzelle gelangen.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß das Filtergehäuse aus porösem, gasdurchlässigen Material besteht. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung finden sich in den Unteransprüchen.

Überraschenderweise hat sich gezeigt, daß mit einem Filtergehäuse aus einem porösen, gasdurchlässigen Material mit einem darin befindlichen, selektiv die störende Gaskomponente bindenden Filtermaterial, die üblicherweise durch den Luftspalt zwischen Meßzelle und Filtergehäuse als Bypass-Strömung direkt in die Meßzelle gelangende störenden Gaskomponenten praktisch vollständig abgefangen werden können. Dieses geschieht dadurch, daß der Luftspalt zwischen Meßzelle und Filtergehäuse durch das Filtermaterial "chemisch leergepumpt" wird, da die Wandung gasdurchlässig ist und entsprechend dem radialen Konzentrationsgradienten die störende Gaskomponente radial zum Filtermaterial in das Innere des Gehäuses strömt und dort selektiv gebunden wird. Der Effekt der radialen Strömung durch die Gehäusewand ist um so größer, je länger der Strömungsweg h des Gases parallel zur Gehäusewand und je kleiner die Wanddicke d des Gehäuses ist. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn dieses Verhältnis h/d mindestens 3 und insbesondere größer als 5 ist. Das Gehäusematerial sollte vorzugsweise aus einem gleichförmig porösen, für die störenden Gaskomponenten durchlässigen, hydrophoben und chemisch resistenten Material bestehen. Hierfür eignen sich beispielsweise gesinterten Materialien. Als besonders geeignet hat sich Polytetrafluorethylen (PTFE) erwiesen. Das Filtermaterial wird üblicherweise in Granulatform verwendet und enthält die störende Gaskomponente selektiv bindende Substanzen. Diese Filtermaterialien können als Sorptionsfiltermaterialien bezeichnet werden und sind aus dem Stand der Technik bekannt.

Im folgenden wird an einem Ausführungsbeispiel ein erfindungsgemäßer Filter erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 einen zentralen Längsschnitt durch einen zylinderförmigen Filter,

Fig. 2 eine Aufsicht auf den Filter nach der Fig. 1,

Fig. 3 einen Längsschnitt durch eine elektrochemische Meßzelle.

Der dargestellte, zylinderförmige Filter besteht aus einem Filtergehäuse 10 aus porösem, gasdurchlässigen PTFE und dem darin enthaltenen Filtermaterial 2, im Beispiel als Filtertablette scheibenförmig gepreßt aus PTFE-Pulver zusammen mit einer selektiv die störenden Gaskomponenten bindenden Substanz. Das Filtergehäuse hat eine Wanddicke d von etwa 1 mm und besteht aus einem unteren, topfförmigen Element 1 und aus einem oberen Element in Form eines abschließenden Deckels 3, der hier einen etwas größeren Durchmesser als das topfförmige Element 1 hat und übersteht. Der Deckel 3 ist mit dem Element 1 durch ein Dichtmittel 4 gasdicht verbunden. Das Dichtmittel 4 kann zum Beispiel aus einer Silikonschicht oder aus einer verschweißten Polyethylenfolie bestehen. Aufgabe des Dichtmittels 4 ist es, eine Sperrwirkung für eine von oben (also von außen) eindringende störende Gaskomponente zu erzielen:

Im Beispiel wird der dargestellte Filter als Einsatz in den Aufnahmeraum einer elektrochemischen Meßzelle eingesetzt. Das zu messende Gasgemisch befindet sich entsprechend der Fig. 1 oberhalb des Deckels 3, während die Meßzelle das untere, topfförmige Element 1 bis in Höhe des Dichtmittels 4 radial umschließt, gegebenenfalls bis einschließlich des Deckels 3, so daß Meßzelle und Filter bündig abschließen. Dadurch steckt das Filter reversibel in der Meßzelle und kann bei Bedarf ausgetauscht werden. Auf der Oberseite des Deckels 3 ist eine Diffusionsblende 5 in Form einer aufgeschweißten oder -geklebten, gasundurchlässigen Folie aufgebracht, die Durchströmöffnungen 6, beispielweise in Form von Schlitzen enthält. Als Materialien eignen sich zum Beispiel Metall- oder Kunststoffolien. Je nach Meßzellenauslegung und Meßbedingungen dient die Anzahl, Größe und das Verteilungsmuster der Durchströmöffnungen 6 dazu, die Gasdiffusion in den Filter und die in der Fig. 1 nicht dargestellte elektrochemische Meßzelle sowie letztlich die eigentliche Messung zu steuern. Die Diffusionsblende 5 kann je nach Spezifikation durch entsprechende Markierungen oder Farben für den jeweils geeigneten Einsatzzweck gekennzeichnet sein und vom Benutzer entsprechend ausgetauscht werden. Im allgemeinen ist es erwünscht, eine möglichst gleichförmige Gasströmung über den Strömungsquerschnitt zu erzielen, um die Meßzelle gleichförmig zu beaufschlagen. Es hat sich gezeigt, daß eine üblicherweise im Luftspalt zwischen Gehäusewand und Meßzelle direkt zur Meßelektrode strömende störende Gaskomponente praktisch vollständig in radialer Strömungsrichtung zum Filtermaterial 2 hin umgelenkt wird, wenn der Strömungsweg des Gases entlang des Gehäuses mindestens etwa drei- bis fünfmal so groß ist wie der Strömungsweg radial durch die Gehäusewand. Diese - hier radiale - Umlenkung in Richtung auf das Filtermaterial folgt aus dem Konzentrationsgradienten in Richtung zum Filtermaterial 2 und durch die Möglichkeit des Gasdurchtrittes durch das poröse, gasdurchlässige Filtergehäuse 10. Die nachzuweisende Gaskomponente, zum Beispiel CO, kann dagegen durch Diffusion auch durch die poröse Gehäusewand direkt in Richtung zur Meßelektrode gelangen, so daß die Empfindlichkeit der Meßzelle insgesamt erhöht wird und störende Speichereffekte durch nicht abgeflossene Gasmengen reduziert werden. Im Beispiel ist der Durchmesser des Elementes 1 12 mm, dessen Höhe h 6 mm und der umlaufende Überstand des Deckels 3 etwa 1 mm.

Fig. 3 zeigt einen Längsschnitt durch eine elektrochemische Meßzelle 11 mit dem erfindungsgemäßen Filtergehäuse 10. Gleiche Komponenten sind mit gleichen Bezugsziffern der Fig. 1 und 2 bezeichnet. Die schematisch dargestellte elektrochemische Meßzelle 11 besitzt einen mit einem Elektrolyten 13 gefüllten Elektrolytraum 12, welcher zur nachzuweisenden Gaskomponente hin mit einer Diffusionsmembran 14 abgetrennt ist und der eine Meßelektrode 15 und eine in der Fig. 3 nicht dargestellte Gegenelektrode aufweist. Oberhalb der Diffusionsmembran 14 ist in der elektrochemischen Meßzelle 11 eine topfförmige Halterung 17 mit Schnappzungen 20 zur Aufnahme des Filtergehäuses 10 vorgesehen. Eine in einen Luftspalt 18 zwischen dem Filtergehäuse 10 und der Halterung 17 eintretende Gaskomponente, welche schematisch durch einen Pfeil 19 angedeutet ist, strömt entsprechend dem radialen Konzentrationsgradienten in das Innere des Filtergehäuses 10, wodurch der Luftspalt "chemisch leergepumpt" wird. Auf eine aufwendige Abdichtung des Filtergehäuses 10 gegenüber der elektrochemischen Meßzelle 11 im Bereich der Schnappzungen 20 kann daher verzichtet werden.

Claims (8)

1. Filter für elektrochemische Meßzelle mit einem Filtergehäuse (10) und einem darin enthaltenen Filtermaterial (2), dadurch gekennzeichnet, daß das Filtergehäuse (10) aus porösem, gasdurchlässigen Material besteht.

2. Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das poröse, gasdurchlässige Material Polytetrafluorethylen (PTFE) ist.

3. Filter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Filtergehäuse (10) aus einem unteren, topfförmigen Element (1) und aus einem oberen Element in Form eines abschließenden Deckels (3) besteht.

4. Filter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der abschließende Deckel (3) auf der Außenseite mit einer gasundurchlässigen Diffusionsblende (5) mit Durchströmöffnungen (6) versehen ist.

5. Filter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchströmöffnungen (6) in Form von mehreren Schlitzen ausgebildet sind.

6. Filter nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wanddicke des Filtergehäuses (10) 0,5 bis 1,5 mm beträgt.

7. Filter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von Höhe h des topfförmigen Elementes (1) zu dessen Wanddicke d mindestens 3, vorzugsweise größer gleich 5 ist.

8. Filter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Oberkante des topfförmigen Elementes (1) und dem äußeren, unteren Randbereich des Deckels (3) ein Dichtmittel (4) zum gasdichten Verbinden des Elementes (1) und des Deckels (3) angebracht ist.