DE19519189C1 - Sensoranordnung zum Nachweis eines Gases - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung zum Nachweis ei­ nes Gases.

Aus der Druckschrift DE 40 07 375 A1 ist eine Sensoranord­ nung mit einem Gassensor und einem Katalysator zum Nachweis von gasförmigen Verbindungen bekannt. Diese Sensoranordnung weist einen Katalysator, der räumlich vom Gassensor getrennt ist auf. Der Katalysator dient dazu, daß die zu detektierende Verbindung durch katalytische Reaktion gespalten wird. Bei einer Spaltung entsteht entweder direkt ein vom Gassensor de­ tektierbares Element oder ein Verbindungsfragment, von dem an der Gassensoroberfläche ein detektierbares Element abgespal­ ten wird. Das bedeutet, daß die zu messenden Gase durch den Katalysator soweit aufbereitet werden, daß sie von dem Gas­ sensor detektiert werden können.

Aus der Druckschrift EP 0 305 963 A1 ist ein Meßgerät zur Analyse eines Gasgemisches bekannt. Während der Messung wird das Gasgemisch mit einem beheizten Katalysatorelement in Um­ wandlungsprodukte zerlegt, welche mittels eines Gassensors nachgewiesen werden, der mindestens eines der Umwandlungspro­ dukte aufnimmt.

Beim obengenannten Stand der Technik werden die zu detektie­ renden Gaskomponenten soweit aufbereitet, daß sie vom Gassen­ sor detektiert werden können. Eventuell zusätzlich vorhandene Gaskomponenten bleiben beim obengenannten Stand der Technik unberücksichtigt

Die Aufgabe der Erfindung ist es eine Sensoranordnung zum Nachweis von Gasen anzugeben, bei der die Querempfindlichkeit des Gassensors die Meßgenauigkeit der Sensoranordnung nicht beeinflußt.

Die Erfindung wird durch eine Sensoranordnung gemäß Patentan­ spruch 1 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird anhand mehrerer Figuren näher erläutert.

Fig. 1 zeigt eine erste Ausführungsform der erfindungsgemä­ ßen Sensoranordnung im Längsschnitt,

Fig. 2 zeigt eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemä­ ßen Sensoranordnung im Längsschnitt,

Fig. 3 zeigt eine dritte Ausführungsform der Sensoranordnung im Querschnitt,

Fig. 4 zeigt eine vierte Ausführungsform der Sensoranordnung im Querschnitt,

Fig. 5 zeigt ein Diagramm zur Veranschaulichung der Abbaura­ te von Ethanol beim Durchgang durch ein chemisch inertes beheiztes Filter mit und ohne Palladiumkata­ lysator,

Fig. 6 zeigt ein Diagramm zur Veranschaulichung der Abbaura­ te von Methan beim Durchgang durch ein chemisch iner­ tes Filter mit und ohne Palladiumkatalysator.

In Fig. 1 ist die erfindungsgemäße Sensoranordnung darge­ stellt. Ein Gehäuse G weist einen Einlaß E und einen Auslaß A auf. Das zu analysierende Gas strömt durch den Einlaß E des Gehäuses G auf ein Katalysatorfilter K. Das Katalysatorfilter K bewirkt, daß störende Gaskomponenten, wie beispielsweise stark reduzierend wirkende Gase wie Lösungsmittel, Kohlenwas­ serstoffe oder H₂ oder stark oxidierend wirkende Gase, wie Ozon in nicht störende Gaskomponenten umgewandelt werden. Dies kann entweder durch Oxidation der reduzierend wirkenden Gase oder durch Reduktion der oxidierend wirkenden Gase er­ folgen. Das Katalysatorfilter K wird durch eine Heizung H auf seine Arbeitstemperatur gebracht. Nach dem Katalysatorfilter K treten nur noch die Gaskomponenten auf, die es zu detektie­ rend gilt oder die durch den Katalysatorfilter K soweit umge­ wandelt wurden, daß sie am Gassensor GS1, welcher nach dem Katalysatorfilter K angeordnet ist, keinen Einfluß haben. Vom Gassensor GS1 führen Anschlußleitungen AL durch das Gehäuse G zu einer nicht gezeigten Ansteuer- und Auswerteeinheit.

In Fig. 2 ist eine zweite Ausführungsform der erfindungsge­ mäßen Sensoranordnung dargestellt. Diese unterscheidet sich gegenüber der in Fig. 1 dargestellten Sensoranordnung da­ durch, daß zwischen dem Einlaß E des Gehäuses G und dem Kata­ lysatorfilter K ein zweiter Gassensor GS2 angeordnet ist. Dessen Anschlußleitungen AL führen ebenso wie die des ersten Gassensors GS1 zu einer nicht gezeigten Ansteuer- und Auswer­ teeinheit. Durch eine derartige Sensoranordnung ist eine Dif­ ferenzmessung möglich.

Ist das Gehäuse G, wie in Fig. 3 gezeigt, ausgebildet, kann die separate Heizung H für das Katalysatorfilter K entfallen. Das Katalysatorfilter K wird durch den beheizten Gassensor GS1 erhitzt. Die vom beheizten Gassensor GS abgegebene Wärme wird zur Erzeugung eines Konvetionsgasflusses genutzt. Das strömende Gas streicht am Gassensor GS1 vorbei und tritt durch den Auslaß A im Gehäuse G aus. Die Anschlußleitungen AL des Gassensors GS1 dienen sowohl zur elektrischen Verbindung mit einer nicht gezeigten Ansteuer- und Auswerteeinheit als auch zur Positionierung des Gassensors GS1 im Gehäuse G.

Auch bei der in Fig. 4 dargestellten Ausführungsform kann die separate Heizung H für das Katalysatorfilter K entfallen.

Das Katalysatorfilter K ist in einer Öffnung des Gehäuses G angeordnet. Benachbart zum Katalysatorfilter K ist im Gehäuse G der Gassensor GS1 angeordnet. Bei dieser Aufbauvariante wird kein Konvetionsgasstrom benützt, sondern das Gas tritt durch Diffusion in das Gehäuse G ein. Das Katalysatorfilter K weist ein mit einem Katalysator versehenes Gitter auf, wel­ ches durch den beheizten Gassensor GS auf die gewünschte Ar­ beitstemperatur gebracht wird. Wie in Fig. 3 dienen die An­ schlußleitungen AL sowohl der elektrischen Verbindung mit ei­ ner nicht gezeigten Ansteuer- und Auswerteeinheit als auch zur Positionierung des Gassensors GS1 gegenüber dem Katalysa­ torfilter K.

In Fig. 5 ist die Abbaurate für Ethanol (C₂H₅O) mit Kataly­ sator MK und ohne Katalysator OK als Funktion der Intensität in Abhängigkeit von der Temperatur dargestellt. Als Katalysa­ tor dient Palladium. Auf der Abszisse des Diagramms ist die Temperatur in °C und auf der Ordinate die Intensität in % an­ gegeben.

Bei einem Filter ohne Katalysator muß ein Temperaturfenster zwischen 540 und 650°C eingehalten werden, damit Ethanol ab­ gebaut wird, Methan jedoch nicht. Bei einem Filter mit Palla­ dium-Katalysator liegt der entsprechende Temperaturbereich zwischen 160 und 380°C. Das Temperaturfenster ist damit nicht nur bedeutend weiter in Richtung niedriger Temperaturen verschoben, sondern auch erheblich breiter.

In Fig. 6 ist die Abbaurate für Methan (CH₄) mit Katalysator MK und ohne Katalysator OK als Funktion der Intensität in Ab­ hängigkeit von der Temperatur angegeben. Auch hier ist auf der Abszisse die Temperatur und auf der Ordinate die Intensi­ tät angegeben.

Zur Unterstützung der Umwandlung von störenden Gasen in nicht störende Gase kann ein Hilfsgas zugeführt werden, auf welches der Gassensor GS1 nicht oder nur sehr schwach anspricht, wel­ ches aber durch Umsetzung am Katalysatorfilter K selektiv Störgase entfernt.

Um zu verhindern, daß Gas gegen die Strömungsrichtung zum Gassensor GS1 diffundiert, kann eine Lochblende, eine Aus­ strömdüse, welche die Strömungsgeschwindigkeit erhöht oder ein Sintermetallfilter im Auslaß A des Gehäuses G verwendet werden.

Der Gastransport kann durch eine Pumpe oder durch Konvetions­ kräfte hervorgerufen werden. Sollen Konvetionskräfte ausge­ nützt werden, so ist darauf zu achten, daß das Katalysator­ filter K und der Gassensor GS1 übereinander angeordnet ist. Zur Unterstützung des Gastransports kann entweder eine sepa­ rate Heizung H oder die Wärme des Gassensors GS1 genutzt wer­ den.

Einschränkungen hinsichtlich der thermischen Belastbarkeit der Gassensoren GS1 und GS2 bestehen nicht, da eine ausrei­ chende räumliche Trennung der Gassensoren GS1, GS2 und des Katalysatorfilters K vorgesehen werden kann.

Vorzugsweise einzusetzende Gassensoren sind Hochtemperatur­ gassensoren auf der Basis halbleitender Metalloxide wie Ga₂O₃, SrTiO₃, WO₃, AlVO₄ oder BaSnO₄.

Die Betriebstemperatur eines Hochtemperaturmetalloxidsensors auf Ga₂O₃-Basis liegt zwischen 700 und 1000°C.

Ein möglicher Anwendungsfall der erfindungsgemäßen Sensoran­ ordnung ist die Detektion von Erdgas bei gleichzeitiger Prä­ senz von Alkohol im Haushalt, beispielsweise in der Küche.

Anwendungsgebiete für die erfindungsgemäße Sensoranordnung sind beispielsweise:
Detektion von Erdgas bei einem Untergrund von riechbaren Ga­ sen (Haushalt, Gewerbe) /reaktiven Kohlenwasserstoffen (Petrochemie),
Detektion von CO im MAK-Bereich bei Untergrund von riechbaren Gasen (Haushalt, Gewerbe)/reaktiven Kohlenwasserstoffen (Pedrochemie),
Detektion von CO/O₂ im Rauchgas zur Regelung von Kleinfeue­ rungsanlagen bei Untergrund von unverbrannten Kohlenwasser­ stoffen.

Claims (7)

1. Sensoranordnung zum Nachweis eines Gases,

• - bei der wenigstens ein erster Gassensor (GS1) vorgesehen ist,
• - bei der ein Katalysatorfilter (K) zur Umwandlung von stö­ renden Gasen in nicht störende Gase vorgesehen ist,
• - bei der das Katalysatorfilter (K) räumlich vom ersten Gas­ sensor (GS1) getrennt ist,
• - bei der eine Wärmequelle (H) vorgesehen ist, mit der das Katalysatorfilter (K) aufheizbar ist.

2. Sensoranordnung nach Anspruch 1, bei der das Katalysatorfilter (K) Pt, Pd, Rh oder deren Mi­ schungen, V₂O₅ oder Fe₂O₃ aufweist.

3. Sensoranordnung nach Anspruch 1 oder 2, bei der ein Hilfsgas zur Verfügung steht, das die Umwandlung der störenden Gase in nicht störende Gase durch das Katalysa­ torfilter (K) unterstützt.

4. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der der erste Gassensor (GS1) hinter dem Katalysator­ filter (K) in einem Gehäuse (G) mit einem Einlaß (E) und ei­ nem Auslaß (A) angeordnet ist.

5. Sensoranordnung nach Anspruch 4, bei der der Auslaß (A) des Gehäuses (G) eine Ausströmdüse oder ein Sintermetallfilter aufweist.

6. Sensoranordnung nach Anspruch 4 oder 5, bei der ein zweiter Gassensor (GS2) vorgesehen ist, der vor dem Katalysatorfilter (K) angeordnet ist.

7. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1-6, bei der wenigstens einer der Gassensoren (GS1, GS2) ein Halbleitergassensor auf der Basis Ga₂O₃, SrTiO₃, WO₃, AlVO₄ oder BaSnO₄ ist.