DE2022769A1

DE2022769A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Messen des prozentualen Anteils oder des Partialdruckes oder des chemischen Potentials einer Komponente einer Gasmischung

Info

Publication number: DE2022769A1
Application number: DE19702022769
Authority: DE
Inventors: Haydn Wilson
Original assignee: Kent Instruments Ltd
Current assignee: Kent Instruments Ltd
Priority date: 1969-05-09
Filing date: 1970-05-09
Publication date: 1970-11-26
Also published as: US3720594A; DE2022769B2; PL80559B1; GB1313508A; FR2047501A5; CS166007B2; CH506069A

Description

2022789

DIPL.-ING. O. R. KRETZSCHMAR- 2 Hamburg ι

• UM STIlOHHAU(E 3*

PATENTANWALT RU' a* 67 O

den 9. Wai 1970 KENT I NS TR UBlENTS LIIMTED
Luton, Bedfordshire/
England

Anvualtsaktej 3669

Verfahren und Vorrichtung zum messen des prozentualen Anteils oder des Partiaidruckes oder des chemischen Potentials einer Komponente einer Gasmischung.

(Für diese Anmeldung wird die Priorität aus der britischen Anmeldung No. 23767/69 vom 9. Mai 1969 in Anspruch, genommen.)

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum (!Jessen des prozentualen Anteils oder des Partiaidruckes oder des chemischen Potentials einer Komponente einer Gasmischung mittels einer elektrochemischen Konzentrationszelle. Mit derartigen Messungen, »ie etwa der Messung des Sauerstoffgehalts einer Gasmischung kann die (Wirksamkeit eines Prozesses, beispielsweise eines Verbrennungsprozesses, bestimmt werden.

Elektrochemische Konzentrationszellen messen direkt das chemische Potential eines Bestandteils einer Gasmischung. Dieses Potential ist für bestimmte festkörper - Gas -, insbesondere Metall-Gas-Reaktionen von größerer Bedeutung als der Partialdruck. Das chemische Potential kann als partielle freie molare Energie oder als freie

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Energie pro fflol einer Komponente eines Systems definiert werden, wobei Temperatur, der Druck und die Anzahl der mole aller anderen Komponenten das Systems konstant gehalten wer· den. Für die i-ta Komponente eines Systems kann das elektrochemische Potential in Form übt nachstehenden Gleichung ausgedrückt werden ι

fdrl

Bei einem idealen Gas ist diese QrSEs mit dera Partiaidruck Pi aufgrund der folgenden Gleichung ^arknöpfts -

Hierin bedfsyfest R die Gas »Konstantes,

T dl© Qbsolufe® TerapaEatuts und

des ehscäiseto® Petonfeial In einem. Normal-

iiai sir}®© Drue-Et

Geeignet© al^ktiroeheinisefaa Zsilan aind dar Britiacban Patentschrift 1 073 099 insbesondsf® hin3ichtlieh des Schafe^as in der Britischen Patentanmeldung 53 424/i?

Vorschläge enthalten sliieu

muß die Gas tempera tus- ©bisfhalb min®& wertes liegen» dar ira ©Hi@taein®jri ztisisehen MRgsFihE¹ 400 5QO⁰C beträgt·· Sn .den FUlIm₉ in d@re©n cilia isisyngan an der mischung nicht bei sptspsoehandaiB TsBiperatursifi w®sg@nommen werden köao@ni_s ©is-d der Ha^ptatwStaung sin© Prabe ©ntnotasaen und auf die föt die ßJssswng ©tfösde^lichs Tarapairsty? ss~ Hiiiint, Oah®r ist in die©@n Fili©n eine unbedingt

Aufgabe des Epfiodong ist ss_r ©in ilsEfahjren ynd ©in® richtung zur Durchführung won ilassüngen des wor nen Art in situ in eins® ßassaura zu sehaffenj, de©e®n Tempa

■· ,3 *m -

ratur unterhalb des von der Zelle benötigten Rllnimalwertee liegt.

Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren zum Messen des prozentualen Anteils oder des Partialdrucks oder des chemischen Potentials einer Komponente einer Gasmischung erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine elektrochemische Konzentrationszelle einer Probe der Gasmischung ausgesetzt wird, indem man die Probe durch ein die Zelle aufnehmendes und in der Mischung angeordnetes Probenrohr strömen IMQt und die Probe in dem Probenrohr auf die zum Betrieb der Zelle erforderliche Temperatur erhitzt.

Weiterhin wird durch die Erfindung eine Vorrichtung zum Messen des prozentualen Anteils oder dee Partiaidruckes oder dee chemischen Potentials einer Komponente einer Gasffliechung vorgeschlagen, die sich erfindungsgemMO auszeichnet durch eine Einrichtung zum Befestigen eines Probenrohres innerhalb der Gasmischung zum Zwecke des Hindurchleitene einer Probenströmung aus der Gaemischung durch das Probenrohr, eine Heizeinrichtung zum ErwKrmen der Probe im Probenrohr, sowie eine elektrochemische Konzentrationezelle, die so angeordnet ist, daß sie auf die Probe anspricht.

Die Vorrichtung ist innerhalb der Gasmischung, an der Messungen ausgeführt werden sollen, angeordnet, beispielsweise in einer Leitung, durch welche die Gasmischung strömt. Ein Teil der Gasmischung passiert das Probenrohr und zwar entweder zufolge reiner Strömungsbedingungen oder infolge einer durch die Heizeinrichtung hervorgerufenen Konvaktionsströmung. ienn die Strömungsgeschwindigkeit der Probe ungenügend ist, kann eine Strömung durch das Probenrohr mittels einer externen Pumpe erzeugt werden, die über ein Ableitungsrohr an das Probenrohr angeschlossen ist«

Die Erfindung wird nachstehend anhand einiger in den Figuren 1 bis 3B der Zeichnung im Prinzip dargestellter besonders

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bevorzugter Ausführungsbaispiele näher erläutert. Es zeigen;

Figur 1 eine Querschnittsansicht einer ersten Vorrichtung gemäß der Erfindung mit zugehörigen Kreislaufelementen in schsmatischer Darstellung?

Figur 2 eine schematische Seitenansicht einer abgewandelten Form einer Vorrichtung nach der Erfindung! und

Figuren

3 A, 3Θ schematische Stirnaneicht bzui. Aufsicht auf eine zweite abgewandelte Form einer erfindungsgemäßen

Vorrichtung in verkleinertem Maßstab.

U/ie man aus Figur 1 erkennt, ist eine elektrochemische Konzentrationezelle 10 inform eines Rohres 11 mit geschlossener Endwandung 12 koaxial innerhalb eines metallischen Halterungsrohres 14 befestigt. An jeder Seite der Endwandung 12 ist eine Elektrode befestigt. Die Zelle entspricht im wesentlichen der in der Britischen Patentschrift 1 073 099 beschriebenen Zelle. Die Elektroden können jedoch mit einem Schutz versehen sein, wie er beispielsweise in der Britischen Patentanmeldung 53 424/67 beschrieben ist, es kann im übrigen auch ein für derartige Zellen bekannter Schutz für die Elektroden vorgesehen sein. Das geschlossene Ende der Zelle 10 ragt aus einen Ende des Halterungerohres 14 heraus, dessen anderes Ende so befestigt ist, daß es in eine Uland 15 einer Leitung hineinragt, durch welche man die Gasmischung hindurchströmen IiBt, an der Messungen ausgeführt werden sollen. Die innere Seite der Endwandung 12 kann daher der Luft oder irgendeinem anderen gewünschten Vergleichsgas oder einer Gasmischung ausgesetzt werden. Des Halterungsrohr 14 trügt außerdem an seinen freien Ende ein Formstück 16. Das Formstück 16 besitzt einen Schaftteil 18, der das freie Ende des Halterungsrohres 14 aufnimmt, sowie einen Querteil, dessen Achse unter rechten linkein zur Achse des Schaftteilee verläuft und daß ein Probenrohr oder einen Ofen 19 bildet· In der dargestell-

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ten Anordnung befindet sich die Achse des Ofens 19 in Übereinstimmung mit der Richtung der Gasströmung in der Leitung uias durch den Pfeil 20 angedeutet ist. Die Endwandung 12 der Zelle 10 ragt in die Bohrung des Ofens 19 hinein, in dessen Wand eine elektrische Heizwicklung 21 eingebettet ist.

Die elektrische Ausrüstung der Vorrichtung umfasst ein temperaturempfindliches Element 22, das innerhalb der Zelle 10 gegenüber der Endwandung 12 untergebracht und mit einer außerhalb der Leitung angeordneten Steuereinrichtung 24 für den Ofen über eine Zuführung 25 verbunden ist. Die Steuereinrichtung ist mit der Heizwicklung 21 mittels einer schanktisch bei 26 dargestellten Zuführung verbunden und so ausgebildet, daß sie eine Steuerung, bzw. Regelung des Stroms durch die Heizwicklung bewirkt, sodaß das Gas innerhalb des Ofens 19 auf eine für die Funktion der Zelle ausreichende Temperatur erwärmt wird. Diese Temperatur liegt normalerweise oberhalb von 5OQ⁰C. Die elektrische Verbindung mit der Elektrode auf der Innenseite der Enduiandung 12 erfolgt durch eine Zuführung 28 innerhalb des Halterungsrohres 14, während zur Verbindung der anderen Elektrode eine Zuführung 29 innerhalb des Ofens dient, welche einem Teil eines leitfähigen Weges darstellt, der die Wand des Halterungsrohres sowie eine externe Zuführung 30 umfasst. Die von der Zelle erzeugte Ausgangsgröße wird über die Zuführungen 28 und 30 auf einen Verstärker 31 gegeben, der mit einer Ablesevorrichtung 32 außerhalb dar die Gasmischung führenden Leitung verbunden ist.

Die Ausrichtung der in Figur 1 dargestellten Vorrichtung in der Waise, daß die Achse des Probenrohres oder Ofens senkrecht verläuft und sich in Übereinstimmung mit der Richtung der Gasströmung befindet, empfiehlt sich nur dann, aienn die Geschwindigkeit der Gasströmung einen bestimmten fflinimaiwert übersteigt. Liegt die Geschwindigkeit der Gasströmung unterhalb dieses ffliniroalaiartes, dann kenn das T-förmige Formstück 16 durch Drehung um die Achse des Halterungsrohres in eine solche Lage verstallt werden, daß die.Ofenachse sankrecht

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zur Richtung der Gasströmung in dar Leitung warläuft. Die Gasströmung durch den Ofen ergibt sich dann aufgrund von ^sKonvektionsströmen, die durch di® Erwärmung d@a Gases innerhalb des Ofens hervorgerufen werden.

Eine abgewandelte Ausführungsfo/rm der in Figur 1 dargestell- " ten Vorrichtung, die insbesondere in Uarbindung mit sich langsam bewegenden, sehr verschmutzten Abgasen u@rm@nd®t werden kann, ist in Figur 2 dargestellt. Hierin können dia alaktrisehen Anordnungen und die Struktur übt Zelle 1O₉ soiuie das Halterungsrohr 14 und der Ofen 19 unwarlndsrt bleiben. Das eingangsseitige End© das rohrförmigen Ofens ist jedoch mit einem geeigneten Filter 41 versehen, mihramd das ausgangsseitige Ende rait einem IRofop 42 verbünd®« ist, das ©inan 90-Grad-Krütnn0ff aufweist, sodaS es übst dsm größten Tail ssiner Länge parallel zum Haltsxyngarohr 14 v@ffl§oft_o Das Rohr 42 geht durch die iarsd 15 dar Lsityn§ oaelh ©y@s®n zu βίη&ΐ Pyisps A4. Aus der GassferßEiun§ ipnsff^alb ύ@τ Leityng ,eisd Ober das Filter 41 in dein Ofiara IS ®in Teil fOsr die- iassyng entnommen, bzw. hGsausgesssgaOo Di® Puüp® 44 k©nn -so ®ng-soffwd©t @ein_f da0 si© die antrioufaane Gasprobe entsaed®;? sr di@ fittnasphärs abgibt od@r yoszugsHjeis© zutBck in di® Hauptgaastsürasung ά@τ Leitung führt» Mmnn die Gasstrüaimg dyreh d©n 0f@R^: 19 dar Pumpe 44 «ifeöergestallt aird, ist dl© achse in Besyg auf die Hiohtyng der

Eine andere Abwandlung a®s üoseishtung rmeh Figui- 1, die sich vorzugsweise in ZüssEsusenhang sit upite? b@b&t Gasehsindigkait 8tröffi9ndan₉ sshfflutsbeladuiragn Sassiiseho^gsn si@pot_s ist in Figur 3 dargestellt. Dias© ^©gE-ishtuig yssfasst teiads^ua das T- und rohrfärssige Fotostöefe 1S₉ di© Kengaptratiöinsseil® 10 und da«* Halteröngsrohr 14 zösaiarosn taife ums @b©n beseStisiebensn elektrischen Ausrüstung«, Da» Ofen 19 ist sank^casht srsgaofdnet, wobei seine Äehsa rechfeiainislii sy u@s uuw&h dia Pfeil© 20 angedeuteten Stfömyngsriehtyng weffiäMffej stsdaS das ^u psöfende, bzw. zu neeeeride Cas awf@i?aRö das K
wird. Das eingangs·« und ©yggonfsseifeife Eniäs des Ofens 19

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let nit einem Zuführrohr 52 bzw. einen Ableitungsrohr 54 versehen, die Über 90 Grad-Krümmer an den Ofen angeschlossen sind,, sodaß die freien Enden dieser Rohre in die Strßmungsrichtung vom Ofen weggeführt sind. Oa größere Schmutzteilchen ein entsprechend großes Behanrungsmoment besitzen, aufgrund dessen sie über die offenen Enden der Rohre hinaus von der Hauptgasatrömung mitgerissen werden, können nur feine Teilchen ihre Richtung umkehren und durch das Zuführrohr 52 in den Ofen gelangen. In Manchen Füllen ist et empfehlenswert, das Ableitungsrohr 54 wegzulassen. Dia Wirkungsweise der Rohre kann durch eine geeignete Formgebung verbessert weden. Ein Beispiel einer geeigneten Rohrform ist in der Britischen Patentschrift 796 010 dargestellt und beschrieben.

Es ist ersichtlich, daß durch die Erfindung ein vorteilhaftes Verfahren und eine fortschrittliche Vorrichtung zum leeeen des prozentualen Anteils oder des Partialdruckes oder des chemischen Potentiale einer Komponente oder des Bestandteils einer Gasmischung vorgeschlagen wird. Insbesondere ist es hierbei von Vorteil, daß die Probe in eitu analysiert wird und daß nur eine geringe Strömungsgeschwindigkeit erforderlich ist, um eine schnelle Kessanzeige bzw. ein schnelles Ansprechen zu erreichen. Die leßströmung kann sehr klein sein, eodaß dia arfindungsgemißa Vorrichtung eine lang» Arbeite- Lebensdauer besitzt und nur wenig Wartung erfordert. In den Tillen, in denen die Probe aus der Hauptetrfimung abgezogen wird, können die entsprechenden langen klein genug gehalten werden, um ohne Konditionierungs-eehendlung in den Abzug abgeleitet werden zu können.

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ORIGINALINSPECTED

Claims

DIPL.-ING. O.R. KRETZSCHMAR Z 02 7

a HAMBURG 1

BEIM BTROHHAUBE 3*

PATENTANWALT _{RUF 2}« 67 «3

den 9. fflai 1970

Patentansprüche

Verfahren zum BIe ε sen des prozentualen Anteils oder des Partialdruckes oder des chemischen Potentials einer Komponente einer Gasmischung, dadurch gekennzeichnet, daß eine elektrochemische Konzentrationszelle (Zelle) einer Probe der Gasmischung ausgesetzt wird, wobei man die Probe durch ein die Zelle aufnehmendes und in der Mischung angeordnetes Proberohr strömen läßt und die Probe in dem Proberohr auf die zum Betrieb der Zelle erforderliche Temperatur erhitzt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ■an die Strömung der Probe durch das Proberohr aufgrund einer Ausrichtung des Proberohres, derart daß es die Strömung aufnimmt und durchleitet, hervorruft.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömung der Probe durch das Proberohr mittels Konvektion aufgrund der Erwärmung der Probe hervorgerufen wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömung der Probe durch das Proberohr mittels der Saugwirkung einer mit dem ausgangsseitigen Ende des Proberohres verbundenen Pumpe hervorgerufen wird.

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5. Werfahren nach Anspruch 4, dadurch gekannzeichnet, daß die Probe durch ein am eingangsseitigen Ende das Proberohres vorgesehenes Filter eingesogen wird.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß dia Probe von der Pumpe an die Atmosphäre abgegeben wird.
7. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Probe von der Pumpe in die Gasmischung zurückgeführt wird.
8. Verfahren nach Bxnem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Erwärmung der Probe in Abhängigkeit von der innerhalb der Zelle festgestellten Temperatur gesteuert, bzw. geregelt wird«
9. Vorrichtung zur messung des prozentualen Anteils oder des Partialdruckes oder des chemischen Potentials einer Komponente einer Gasmischung, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Befestigen (Haltevorrichtung) eines Probanrohres (19) innerhalb der Gasmischung zum Zwecke das Hindurchleitens einer Probenströmung aus der Gasmischung durch das Probenrohr, eine Heizeinrichtung (21) zum Erwärmen der Probe im Probenrohr sowie eine elektrochemische Konzentrationszelle (10) (Zelle), die so angeordnet' ist, daß sie auf die Probe anspricht.
10, Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Zelle (10) ein Rohr (11), mit einer das eine Ende des Rohres verschließenden Endwandung (12) umfaßt, wobei auf jeder Saite der Endmandung (12) eine Elektrode befestigt ist und sich die Zelle durch eine öffnung in dar UJand des Probanrohree (19) erstreckt, sodaß die Außenseite dar Endwandung (12) der Zelle (10) der Probe ausgesetzt ist.

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11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,

* daß die Haltevorrichtung ein mit dex Öffnung fluchtendes Rohr (11, bztu. 14, bztu. 18) umfaßt, in dem sich die Zelle (10) befindet.
12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekonnzeichnet, daß das Probenrohr (19) das Querstück eines T-förmigen Formstückss (16) umfaßt,, dassen Schaft (18) mit dem, bzw» einem Halterungsrohr (14) werbunden ist, uiobei der Schaft (18) rohrförmig ist und die Öffnung definiert.
13» Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Roh?, bztü₀ HalterungssOh? (14) aus Metall besteht und einen Teil eines Leitungsiaeges wem der äußeren Elektrode iy auSerhalb dar Oasiaisehueig befindlichen
ker (31) bildet
14. Vorsichtung rsaeSi sinafii u@t- Änapröch® 9 bis -13,- dadurch gekennzeichnet, daß die Heisainriehtung sin® elektrische Hsizwicklung (21) umfaßt, dia im das ßrolbenrohr-(19) aingebsttet ist und die Stromzufuhr zm Heizwicklung (21) in AbhSngigksit -woft ains» ironnfhsllb der Zelle (10) vorgesehenen t©raperatur©E3pfindlie&i®n Element. (22) steusr- bziKo regelbar is.t. . . -
15. Vorrichtung nach einem .das Ansprööh© 9 fei© 14₈-.. gekennzeichnet durch ©in Zufihrrohs¹ (52) _v. *ά@& sieh wo© eingangs· seitigen Enäa des P3po.ben_:r-.ahEss -(19) aus- rechtwinklig Achse des Probenrohre® es
.16. Vorrichtung naeh Ari8p«seli 15, ©@ksEins@£ehn@t durch ein Ableitungsrohr (54) ₉ da© sieb wsa f3«8§angs8ciitlgen Ende des Probenrohres (19) Qäie parallel zum -Zöföhsrehr (52) erstreckt.
17. Vorrichtung nach einen der Ansprüche 9 bia 14, dadurch gekannzeichnet, daß das Probenrohr (19) innerhalb einer Leitung befestigt und so angeordnet ist, daß as einen Teil der durch die Leitung strömenden Gasmischung aufnimmt.
1Θ. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse das Probenrohree (19) Mit der Strömungerichtung dar Gaamiechung übereinstimmt.
19. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß dia Achse das Probenrohres (19) quer zur Strömungsrichtung der Gasmischung verläuft.
20. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ableitungsrohr (42) vom ausgangsseitigen Ende des Probenrohree (19) zu einer außerhalb der Leitung vorgesehenen Säugpumpe (44) führt.
21. Vorrichtung nach Anspruch 20, gekennzeichnet durch ein am eingangsaaitigen Ende das Probenrohres (19) angeordnetes Filter (41).
22. Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekann« zeichnet, daß das Probenrohr (19) innerhalb einer Leitung befestigt und so angeordnet ist, daß as einen Teil der durch die Leitung strömenden Gasmischung aufnimmt, wobei das Zuleitungsrohr (52) vom Probenrohr (19) «ag gegebenenfalls nach Umlenkung über einen Krümmer oder dergleichen, in dar Strömungsrichtung der Gasmischung verläuft.

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ORIGINAL INSPECTED

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